劉科 開題報告

1、西南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告學(xué) 院信息工程學(xué)院專業(yè)班級自動0301姓 名劉科學(xué) 號20035338題 目移動機器人感知單元的軟件設(shè)計題目類型設(shè)計型一、 選題背景及依據(jù)（簡述國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、生產(chǎn)需求狀況，說明選題目的、意義， 列出主要參考文獻）1、移動機器人概述近年來，機器人已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)具有代表性的戰(zhàn)略目標。機器人技術(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，而且將對人類的社會生活產(chǎn)生深遠的影響。機器人技術(shù)集力學(xué)、機械學(xué)、電子學(xué)、生物學(xué)、控制論、計算機、人工移動、系統(tǒng)工程等多種學(xué)科知識之大成，是一項綜合性很強的新技術(shù)。目前，隨著機器人技術(shù)的迅速發(fā)展和自動化程度的進一

2、步提高，人們對機器人的功能也提出了更高的要求，在這種情況下，移動機器人應(yīng)運而生。移動機器人是這樣一類機器人：機器人本身能認識工作環(huán)境、工作對象及其狀態(tài)，它根據(jù)人給予的指令和“自身”認識外界的結(jié)果來獨立的決定工作方法，利用操作機構(gòu)和移動機構(gòu)實現(xiàn)任務(wù)目標，并能適應(yīng)工作環(huán)境的變化。這些移動機器人，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;有的具有視覺和觸覺功能，能夠進行獨立操作、自動裝配和產(chǎn)品檢驗：有的具有自主控制和決策能力。這些移動機器人，不僅應(yīng)用各種反饋傳感器，而且還能夠運用人工移動中各種學(xué)習(xí)、推理和決策技術(shù)。隨著各種新技術(shù)的出現(xiàn)，移動機器人還應(yīng)用了許多最新的移動技術(shù)，如臨場感

3、應(yīng)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、多移動體技術(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。移動機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，移動機器人硬件系統(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，移動機器人硬件系統(tǒng)綜合運用了多種移動模擬技術(shù)，其目標是建立起一個“人”的模型。移動機器人軟件系統(tǒng)，就相當于機器人的“大腦”，移動機器人之所以能夠代替人做大量的工作，就是因為它具有和人類的大腦思維能力相仿的移動控制系統(tǒng)。而這個移動控制系統(tǒng)其實就是移動機器人的軟件系統(tǒng)。移動機器人的軟件系統(tǒng)實際上也就是人工移動主要技術(shù)對于機器人的綜合運用

4、。移動機器人的軟件系統(tǒng)，如圖1-2所示。2、 機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，促使了機器人及其技術(shù)的發(fā)展。機器人研究首先是從模仿人開始，也就是說計算機是人類大腦或智力的外延，執(zhí)行機構(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)境與機器人的接口位置，是機器人信息獲取的窗口。要使機器人擁有智能，對環(huán)境的變化作出反應(yīng)，首先，必須使機器人具有感知環(huán)境的能力，用傳感器采集環(huán)境信息是機器人智能化的第一步；其次，如何采用適當?shù)姆椒?，將多個傳感器獲取的環(huán)境信息加以綜合處理，控制機器人進行智能作業(yè)，更是機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)成了機器的智能，為機器人智能作業(yè)提供決策的依據(jù)。自從機器人問世以來，其技術(shù)上的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下三個時期：（1）第一代示教再現(xiàn)型機器人。它不配備任何傳感器，一般采用簡單的開關(guān)控制、示教再現(xiàn)控制和可編程序控制，機器人的作業(yè)路徑或運動參數(shù)都需要示教或編程給定，在工作過程中，它無法感知環(huán)境的改變而改善自身的性能、品質(zhì)。（2）第一代感覺型機器人。此種機器人配備了簡單的內(nèi)外部傳感器，能感知自身運行的速度、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，配備簡易視覺、力覺傳感器等簡單的外部傳感器，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系統(tǒng)，可通過對外部環(huán)境信息的獲取、處理，能確切地描述外部環(huán)境，魚土地完成某一項任務(wù)。一般地，它擁有自己的知識庫、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)境的變化作出對應(yīng)的決策。但是，我們還不得不承認，即使是目前世界上智能最高的機器人，它對外部環(huán)境變化的適應(yīng)能力也非常有限，還遠遠沒有達到人們預(yù)想的目標。 然而，我們還不得不承認，即使是目前世界上智能最高的機器人，它對外部環(huán)境變化的適應(yīng)能力也非常有限，還遠遠沒有達到人們預(yù)想的目標。為了解決這一問題，機器人研究領(lǐng)域的學(xué)者們一方面開發(fā)研究機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和更寬的應(yīng)用范圍

7、；另一方面，如何將多個傳感器得到的信息、綜合利用，發(fā)展多信息處理技術(shù)，使機器人能更準確、全面、低成本地獲取所處環(huán)境的信息。3、 機器人的感覺系統(tǒng)機器人的感覺系統(tǒng)通常指的是機器人的外部傳感器系統(tǒng)，通過這些傳感器，機器人獲得其所處環(huán)境的有關(guān)信息。機器人的感覺研究首先從研究人的感覺出發(fā)，人的各種感覺器官及其功能都成為機器人感覺的模仿對象。從目前的研究現(xiàn)狀看，有些感覺遠不如人類，如視覺和圖像理解；但也有些傳感器，其性能指標超過人的感覺，如機器人的腕力傳感器，它不光能測出小到幾克的力變化，而且能感覺到六個方向的力和力矩，顯然這對人來說是難以做到的。當然，人的感覺機理不是我們簡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、綜合處理各種感覺信息的能力，更是現(xiàn)有的處理技術(shù)難以達到的，技術(shù)的發(fā)展還遠落后于人類的需要，嚴峻的現(xiàn)實不應(yīng)成為失望的根源，而是我們繼續(xù)研究、不斷前進的動力。綜合現(xiàn)有機器人的各種感覺及其對應(yīng)的外部傳感器，大致可按下圖的結(jié)構(gòu)表達其組成和劃分（如圖1-1所示）。視覺（包括顏色，光強等感覺）平面視覺立體感覺觸覺和痛覺滑動覺接近覺熱覺和溫度覺力覺嗅覺聽覺味覺非視覺機器人感覺圖1-3 機器人感覺系統(tǒng)的組成和劃分4、參考文獻1 徐國華，譚民.移動機器人的發(fā)展現(xiàn)狀及其趨勢J.機器人技術(shù)與應(yīng)用，2001.2 宋丹琦，基于多傳感器的移動機器人硬件電路設(shè)計A. 哈爾濱工程大學(xué)，2004.3

9、田拓，郭中華，丁帥華.基于AT89C52單片機智能小車的設(shè)計J.寧夏工程技術(shù)，2005年04期.4 陳瑩，基于單片機的超聲測距系統(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機器人避障研究.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(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）內(nèi)容、研究（設(shè)計）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)知識的學(xué)習(xí)及應(yīng)用。（2）對移動機器人的感知單元軟件設(shè)計。（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，實現(xiàn)程序設(shè)計。2、工作方法或工作流程（1）硬件方案介紹本次設(shè)計系統(tǒng)包括三個部分：紅外巡線、超聲波測距和避障處理，其中避障處理由軟件設(shè)計。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)將單片機作為核心元件，對信號進行處理和系統(tǒng)的控制。在眾多單片機中選用了ATmega8單片機基于以下幾方面：1、作為初學(xué)者，該單片機無論是學(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)用和擴展；3、相對充足的存儲空間等。本設(shè)計所指的巡線是指移動機器人的工作環(huán)境中人為設(shè)置一條白線，移動機器人就在此線上運行。本設(shè)計采用紅外傳感器實現(xiàn)巡線功能，選用南旭科技的ST178H紅外光電對管，該傳感器檢測可調(diào)范圍大，最小距離為2mm。移動機器人安全避障具體的實現(xiàn)方法有主要有超聲避障、視覺避障、紅外傳感器、激光避障、接近覺傳感器、微波雷達等避障方法。由于超聲避障實現(xiàn)方便，技術(shù)成熟，成本低，成為移動機器人常用的避障方法。本設(shè)計采用超聲傳感器實現(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)計主要包括3個方面： 紅外巡線控制、超聲波測距和避障處理。紅外線信號在進入單片機以前由紅外線傳感器轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號，而超聲波的頻率信號在LM567的作用下轉(zhuǎn)換成低電平信號。程序運行時，先通過ATmega8單片機的A/D轉(zhuǎn)換模塊，用查詢的方法，分別對某時刻7個紅外線傳感器的電壓信號采集一定的次數(shù)，然后對每個傳感器的每組數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波。通過分析比較濾波后的數(shù)據(jù)，判斷機器人實際運行路線與預(yù)定路線的偏離情況，來控制機器人的左右輪速度，達到巡線運動的目的。接著，用定時器中斷的方法在單片機的引腳上產(chǎn)生40KHz的方波信號，該信號用作超聲波驅(qū)動信號。超聲波產(chǎn)生后再一次運

14、行定時器，并設(shè)定定時最大時間。當接收到超聲波返回信號，如果在定時最大時間范圍內(nèi)，單片機根據(jù)時間和溫度數(shù)據(jù)計算障礙物距離，并確定障礙物方向；如果超出定時最大時間，就舍棄該信號。當定時器產(chǎn)生中斷后就進入中斷服務(wù)程序，根據(jù)障礙物的距離和方向信息，設(shè)計模糊控制器，完成避障控制。定時器中斷服務(wù)程序完成后，程序返回到巡線程序入口。程序運行后，在以上三個模塊循環(huán)運行，程序設(shè)計的原理如圖3-1所示。并根據(jù)軟件設(shè)計方案對每一個 進行具體的設(shè)計和編寫程序。圖3-1 程序設(shè)計的原理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)行的免費軟件，其強大的功能和正中的血統(tǒng)，使其成為絕大部分AVR開發(fā)者必不可少的工具。 三、畢業(yè)設(shè)計（論文）工作進度安排1月5日到1月21日前期準備工作，撰寫開題報告；1月25日到3月1日查找關(guān)于傳感器和機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