劉科 開(kāi)題報(bào)告

1、西南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告學(xué) 院信息工程學(xué)院專業(yè)班級(jí)自動(dòng)0301姓 名劉科學(xué) 號(hào)20035338題 目移動(dòng)機(jī)器人感知單元的軟件設(shè)計(jì)題目類型設(shè)計(jì)型一、 選題背景及依據(jù)（簡(jiǎn)述國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀、生產(chǎn)需求狀況，說(shuō)明選題目的、意義， 列出主要參考文獻(xiàn)）1、移動(dòng)機(jī)器人概述近年來(lái)，機(jī)器人已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)具有代表性的戰(zhàn)略目標(biāo)。機(jī)器人技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，不但使傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)面貌發(fā)生了根本性的變化，而且將對(duì)人類的社會(huì)生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。機(jī)器人技術(shù)集力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電子學(xué)、生物學(xué)、控制論、計(jì)算機(jī)、人工移動(dòng)、系統(tǒng)工程等多種學(xué)科知識(shí)之大成，是一項(xiàng)綜合性很強(qiáng)的新技術(shù)。目前，隨著機(jī)器人技術(shù)的迅速發(fā)展和自動(dòng)化程度的進(jìn)一

2、步提高，人們對(duì)機(jī)器人的功能也提出了更高的要求，在這種情況下，移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。移動(dòng)機(jī)器人是這樣一類機(jī)器人：機(jī)器人本身能認(rèn)識(shí)工作環(huán)境、工作對(duì)象及其狀態(tài)，它根據(jù)人給予的指令和“自身”認(rèn)識(shí)外界的結(jié)果來(lái)獨(dú)立的決定工作方法，利用操作機(jī)構(gòu)和移動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)任務(wù)目標(biāo)，并能適應(yīng)工作環(huán)境的變化。這些移動(dòng)機(jī)器人，有的能夠模擬人類用兩條腿走路，可在凹凸不平的地面上行走移動(dòng);有的具有視覺(jué)和觸覺(jué)功能，能夠進(jìn)行獨(dú)立操作、自動(dòng)裝配和產(chǎn)品檢驗(yàn)：有的具有自主控制和決策能力。這些移動(dòng)機(jī)器人，不僅應(yīng)用各種反饋傳感器，而且還能夠運(yùn)用人工移動(dòng)中各種學(xué)習(xí)、推理和決策技術(shù)。隨著各種新技術(shù)的出現(xiàn)，移動(dòng)機(jī)器人還應(yīng)用了許多最新的移動(dòng)技術(shù)，如臨場(chǎng)感

3、應(yīng)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、多移動(dòng)體技術(shù)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、遺傳算法和遺傳編程、仿生技術(shù)、多傳感器集成和融合技術(shù)以及納米技術(shù)等。移動(dòng)機(jī)器人一般由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。根據(jù)研制目的不同，移動(dòng)機(jī)器人硬件系統(tǒng)的構(gòu)成也不盡相同，比較完整的典型結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。由圖可見(jiàn)，移動(dòng)機(jī)器人硬件系統(tǒng)綜合運(yùn)用了多種移動(dòng)模擬技術(shù)，其目標(biāo)是建立起一個(gè)“人”的模型。移動(dòng)機(jī)器人軟件系統(tǒng)，就相當(dāng)于機(jī)器人的“大腦”，移動(dòng)機(jī)器人之所以能夠代替人做大量的工作，就是因?yàn)樗哂泻腿祟惖拇竽X思維能力相仿的移動(dòng)控制系統(tǒng)。而這個(gè)移動(dòng)控制系統(tǒng)其實(shí)就是移動(dòng)機(jī)器人的軟件系統(tǒng)。移動(dòng)機(jī)器人的軟件系統(tǒng)實(shí)際上也就是人工移動(dòng)主要技術(shù)對(duì)于機(jī)器人的綜合運(yùn)用

4、。移動(dòng)機(jī)器人的軟件系統(tǒng)，如圖1-2所示。2、 機(jī)器人與傳感器人們的生產(chǎn)和生活的需要，以及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，促使了機(jī)器人及其技術(shù)的發(fā)展。機(jī)器人研究首先是從模仿人開(kāi)始，也就是說(shuō)計(jì)算機(jī)是人類大腦或智力的外延，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是人類四肢的外延，傳感器是人類五官的外延。其中，傳感器處于連接外界環(huán)境與機(jī)器人的接口位置，是機(jī)器人信息獲取的窗口。要使機(jī)器人擁有智能，對(duì)環(huán)境的變化作出反應(yīng)，首先，必須使機(jī)器人具有感知環(huán)境的能力，用傳感器采集環(huán)境信息是機(jī)器人智能化的第一步；其次，如何采用適當(dāng)?shù)姆椒ǎ瑢⒍鄠€(gè)傳感器獲取的環(huán)境信息加以綜合處理，控制機(jī)器人進(jìn)行智能作業(yè)，更是機(jī)器人智能化的重要體現(xiàn)，所以，傳感器及其信息處理系統(tǒng)，兩者相

5、輔相成，構(gòu)成了機(jī)器的智能，為機(jī)器人智能作業(yè)提供決策的依據(jù)。自從機(jī)器人問(wèn)世以來(lái)，其技術(shù)上的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下三個(gè)時(shí)期：（1）第一代示教再現(xiàn)型機(jī)器人。它不配備任何傳感器，一般采用簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)控制、示教再現(xiàn)控制和可編程序控制，機(jī)器人的作業(yè)路徑或運(yùn)動(dòng)參數(shù)都需要示教或編程給定，在工作過(guò)程中，它無(wú)法感知環(huán)境的改變而改善自身的性能、品質(zhì)。（2）第一代感覺(jué)型機(jī)器人。此種機(jī)器人配備了簡(jiǎn)單的內(nèi)外部傳感器，能感知自身運(yùn)行的速度、位置、姿態(tài)等物理量，并以這些信息的反饋構(gòu)成閉環(huán)控制，如，配備簡(jiǎn)易視覺(jué)、力覺(jué)傳感器等簡(jiǎn)單的外部傳感器，因而具有部分適應(yīng)外部環(huán)境的能力。（3）第三代智能型機(jī)器人。目前尚在研究和發(fā)展之中，它具有多種

6、外部傳感器組成的感覺(jué)系統(tǒng)，可通過(guò)對(duì)外部環(huán)境信息的獲取、處理，能確切地描述外部環(huán)境，魚土地完成某一項(xiàng)任務(wù)。一般地，它擁有自己的知識(shí)庫(kù)、多信息處理系統(tǒng)，可在結(jié)構(gòu)或半結(jié)構(gòu)的環(huán)境中工作，能根據(jù)環(huán)境的變化作出對(duì)應(yīng)的決策。但是，我們還不得不承認(rèn)，即使是目前世界上智能最高的機(jī)器人，它對(duì)外部環(huán)境變化的適應(yīng)能力也非常有限，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到人們預(yù)想的目標(biāo)。 然而，我們還不得不承認(rèn)，即使是目前世界上智能最高的機(jī)器人，它對(duì)外部環(huán)境變化的適應(yīng)能力也非常有限，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到人們預(yù)想的目標(biāo)。為了解決這一問(wèn)題，機(jī)器人研究領(lǐng)域的學(xué)者們一方面開(kāi)發(fā)研究機(jī)器人的各種外部傳感器，研究多信息處理系統(tǒng)，使其具有更高的性能指標(biāo)和更寬的應(yīng)用范圍

7、；另一方面，如何將多個(gè)傳感器得到的信息、綜合利用，發(fā)展多信息處理技術(shù)，使機(jī)器人能更準(zhǔn)確、全面、低成本地獲取所處環(huán)境的信息。3、 機(jī)器人的感覺(jué)系統(tǒng)機(jī)器人的感覺(jué)系統(tǒng)通常指的是機(jī)器人的外部傳感器系統(tǒng)，通過(guò)這些傳感器，機(jī)器人獲得其所處環(huán)境的有關(guān)信息。機(jī)器人的感覺(jué)研究首先從研究人的感覺(jué)出發(fā)，人的各種感覺(jué)器官及其功能都成為機(jī)器人感覺(jué)的模仿對(duì)象。從目前的研究現(xiàn)狀看，有些感覺(jué)遠(yuǎn)不如人類，如視覺(jué)和圖像理解；但也有些傳感器，其性能指標(biāo)超過(guò)人的感覺(jué)，如機(jī)器人的腕力傳感器，它不光能測(cè)出小到幾克的力變化，而且能感覺(jué)到六個(gè)方向的力和力矩，顯然這對(duì)人來(lái)說(shuō)是難以做到的。當(dāng)然，人的感覺(jué)機(jī)理不是我們簡(jiǎn)單地用物理傳感器能夠模仿的，

8、尤其是人的思維、推理方式、綜合處理各種感覺(jué)信息的能力，更是現(xiàn)有的處理技術(shù)難以達(dá)到的，技術(shù)的發(fā)展還遠(yuǎn)落后于人類的需要，嚴(yán)峻的現(xiàn)實(shí)不應(yīng)成為失望的根源，而是我們繼續(xù)研究、不斷前進(jìn)的動(dòng)力。綜合現(xiàn)有機(jī)器人的各種感覺(jué)及其對(duì)應(yīng)的外部傳感器，大致可按下圖的結(jié)構(gòu)表達(dá)其組成和劃分（如圖1-1所示）。視覺(jué)（包括顏色，光強(qiáng)等感覺(jué)）平面視覺(jué)立體感覺(jué)觸覺(jué)和痛覺(jué)滑動(dòng)覺(jué)接近覺(jué)熱覺(jué)和溫度覺(jué)力覺(jué)嗅覺(jué)聽(tīng)覺(jué)味覺(jué)非視覺(jué)機(jī)器人感覺(jué)圖1-3 機(jī)器人感覺(jué)系統(tǒng)的組成和劃分4、參考文獻(xiàn)1 徐國(guó)華，譚民.移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀及其趨勢(shì)J.機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2001.2 宋丹琦，基于多傳感器的移動(dòng)機(jī)器人硬件電路設(shè)計(jì)A. 哈爾濱工程大學(xué)，2004.3

9、田拓，郭中華，丁帥華.基于AT89C52單片機(jī)智能小車的設(shè)計(jì)J.寧夏工程技術(shù)，2005年04期.4 陳瑩，基于單片機(jī)的超聲測(cè)距系統(tǒng)J.華中科技大學(xué)，20045 孟立凡，鄭賓.傳感器原理及技術(shù)M.北京：兵器工業(yè)出版社，2000.26 陳懂,劉瑢,金世俊.智能小車的多傳感器數(shù)據(jù)融合J.現(xiàn)代電子技術(shù)，2005年06期.7 王斌明.基于多傳感器信息融合的移動(dòng)機(jī)器人避障研究.南京理工大學(xué)，2006.8 R. M. Murray and S. S. Sastry , “Grasping and manipulation using multi fingered robot handsJ”， Unite o

10、f California at Berkeley, 1990.9 林風(fēng)云，呂恬生.“Minimum-time trajectory planning based on the shortest path for the wheeled mobile robot”J. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(英文版),2006（03）.10 H.Arail and S.Tachi，“Position Control of a Manipulator with Passive Joints Using Dynamic CouplingJ ,”IEEE Trans. on Robotic and Automation,

11、 1991.二、主要研究（設(shè)計(jì)）內(nèi)容、研究（設(shè)計(jì)）思想及工作方法或工作流程1、內(nèi)容（1）基于聲、光的傳感器的相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)及應(yīng)用。（2）對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的感知單元軟件設(shè)計(jì)。（3）掌握基本的數(shù)字濾波和基本算法。（4）掌握ICCAVR編譯器的應(yīng)用。（5）根據(jù)所需要完成的性能指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)程序設(shè)計(jì)。2、工作方法或工作流程（1）硬件方案介紹本次設(shè)計(jì)系統(tǒng)包括三個(gè)部分：紅外巡線、超聲波測(cè)距和避障處理，其中避障處理由軟件設(shè)計(jì)。硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2-1所示。圖2-1硬件方案框圖系統(tǒng)將單片機(jī)作為核心元件，對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理和系統(tǒng)的控制。在眾多單片機(jī)中選用了ATmega8單片機(jī)基于以下幾方面：1、作為初學(xué)者，該單片機(jī)無(wú)論是學(xué)習(xí)還

12、是應(yīng)用都能很快上手，而且相關(guān)的學(xué)習(xí)和應(yīng)用資料比較多，便于參考；2、將常用的功能模塊集成在一起，便于應(yīng)用和擴(kuò)展；3、相對(duì)充足的存儲(chǔ)空間等。本設(shè)計(jì)所指的巡線是指移動(dòng)機(jī)器人的工作環(huán)境中人為設(shè)置一條白線，移動(dòng)機(jī)器人就在此線上運(yùn)行。本設(shè)計(jì)采用紅外傳感器實(shí)現(xiàn)巡線功能，選用南旭科技的ST178H紅外光電對(duì)管，該傳感器檢測(cè)可調(diào)范圍大，最小距離為2mm。移動(dòng)機(jī)器人安全避障具體的實(shí)現(xiàn)方法有主要有超聲避障、視覺(jué)避障、紅外傳感器、激光避障、接近覺(jué)傳感器、微波雷達(dá)等避障方法。由于超聲避障實(shí)現(xiàn)方便，技術(shù)成熟，成本低，成為移動(dòng)機(jī)器人常用的避障方法。本設(shè)計(jì)采用超聲傳感器實(shí)現(xiàn)避障功能，選用SensComp公司生產(chǎn)的600系列傳

13、感器。 （2）確定軟件方案程序的設(shè)計(jì)主要包括3個(gè)方面： 紅外巡線控制、超聲波測(cè)距和避障處理。紅外線信號(hào)在進(jìn)入單片機(jī)以前由紅外線傳感器轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)，而超聲波的頻率信號(hào)在LM567的作用下轉(zhuǎn)換成低電平信號(hào)。程序運(yùn)行時(shí)，先通過(guò)ATmega8單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換模塊，用查詢的方法，分別對(duì)某時(shí)刻7個(gè)紅外線傳感器的電壓信號(hào)采集一定的次數(shù)，然后對(duì)每個(gè)傳感器的每組數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波。通過(guò)分析比較濾波后的數(shù)據(jù)，判斷機(jī)器人實(shí)際運(yùn)行路線與預(yù)定路線的偏離情況，來(lái)控制機(jī)器人的左右輪速度，達(dá)到巡線運(yùn)動(dòng)的目的。接著，用定時(shí)器中斷的方法在單片機(jī)的引腳上產(chǎn)生40KHz的方波信號(hào)，該信號(hào)用作超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)。超聲波產(chǎn)生后再一次運(yùn)

14、行定時(shí)器，并設(shè)定定時(shí)最大時(shí)間。當(dāng)接收到超聲波返回信號(hào)，如果在定時(shí)最大時(shí)間范圍內(nèi)，單片機(jī)根據(jù)時(shí)間和溫度數(shù)據(jù)計(jì)算障礙物距離，并確定障礙物方向；如果超出定時(shí)最大時(shí)間，就舍棄該信號(hào)。當(dāng)定時(shí)器產(chǎn)生中斷后就進(jìn)入中斷服務(wù)程序，根據(jù)障礙物的距離和方向信息，設(shè)計(jì)模糊控制器，完成避障控制。定時(shí)器中斷服務(wù)程序完成后，程序返回到巡線程序入口。程序運(yùn)行后，在以上三個(gè)模塊循環(huán)運(yùn)行，程序設(shè)計(jì)的原理如圖3-1所示。并根據(jù)軟件設(shè)計(jì)方案對(duì)每一個(gè) 進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)和編寫程序。圖3-1 程序設(shè)計(jì)的原理3、程序的調(diào)試軟件的調(diào)試主要應(yīng)用AVRstudio軟件，該軟件是Atmel官方發(fā)行的免費(fèi)軟件，其強(qiáng)大的功能和正中的血統(tǒng)，使其成為絕大部分AVR開(kāi)發(fā)者必不可少的工具。 三、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作進(jìn)度安排1月5日到1月21日前期準(zhǔn)備工作，撰寫開(kāi)題報(bào)告；1月25日到3月1日查找關(guān)于傳感器和機(jī)器人干支感知單元方面的資料；3月2日到3月10日完善設(shè)計(jì)