能力風(fēng)暴機(jī)器人結(jié)題報(bào)告

1、編號(hào)：201301143哈爾濱工業(yè)大學(xué)大一年度項(xiàng)目結(jié)題報(bào)告項(xiàng)目名稱： 越野避障機(jī)器人的研究 項(xiàng)目負(fù)責(zé)人： 學(xué)號(hào)： 聯(lián)系電話： 電子郵箱： 院系及專業(yè)： 指導(dǎo)教師： 職稱： 聯(lián)系電話： 電子郵箱： 院系及專業(yè)： 哈爾濱工業(yè)大學(xué)基礎(chǔ)學(xué)部制表填表日期： 2014年 7 月 9日13一、項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)成員（包括項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、按順序）姓名性別所在院學(xué)號(hào)聯(lián)系電話本人簽字二、指導(dǎo)教師意見(jiàn) 簽 名： 年 月 日三、項(xiàng)目專家組意見(jiàn) 組長(zhǎng)簽名： （ 學(xué)部蓋章 ） 年 月 日四、項(xiàng)目成果序號(hào)名稱說(shuō)明摘要自從我們小組確定了越野避障機(jī)器人的研究這一科創(chuàng)項(xiàng)目后，以小組合作的形式進(jìn)行了為期一學(xué)期的學(xué)習(xí)，主要針對(duì)其中的控制系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)

2、試與運(yùn)行。我們學(xué)習(xí)了傳感器的使用以及相關(guān)運(yùn)動(dòng)指令的編程，并達(dá)到了預(yù)期效果。目前，我們能初步的控制機(jī)器人使之按照預(yù)定程序有效避障，課題目標(biāo)基本達(dá)成，并采用實(shí)例展示。關(guān)鍵詞：避障機(jī)器人 運(yùn)動(dòng)編程 有效避障（1） 課題背景 1.項(xiàng)目意義 自從1959年世界上誕生了第一臺(tái)機(jī)器人以來(lái)，機(jī)器人技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步和發(fā)展至今已發(fā)展成為一門綜合性尖端科學(xué)。機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展集成了多學(xué)科的發(fā)展成果，代表高技術(shù)的發(fā)展前沿，是一個(gè)國(guó)家高科技水平和工業(yè)自動(dòng)化程度的重要標(biāo)志和體現(xiàn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和遙控技術(shù)的迅猛發(fā)展，機(jī)器人正向多功能、多領(lǐng)域、智能化方向發(fā)展，各種用途的機(jī)器人如仿生機(jī)器人，滅火機(jī)器人，越野機(jī)器人等已開(kāi)始研發(fā)

3、、生產(chǎn)、應(yīng)用并取得了不錯(cuò)的效果。而在近期發(fā)生的一系列自然災(zāi)害中避障探路機(jī)器人更是發(fā)揮了重要的作用。作為越野機(jī)器人的一個(gè)重要分支，它是一個(gè)集環(huán)境感知、動(dòng)態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多種功能于一體的綜合系統(tǒng)，能夠在大范圍運(yùn)動(dòng)，廣泛的為人類承擔(dān)各種任務(wù)，不只是搜救，更能完成深海地貌分析等多種任務(wù)。因此對(duì)越野機(jī)器人的避障技術(shù)研究無(wú)疑具有現(xiàn)實(shí)意義。 2.研究現(xiàn)狀隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，避障探路機(jī)器人向?qū)嵱没⒅悄芑?、系列化進(jìn)軍，日本、德國(guó)、美國(guó)都取得了各方面的先進(jìn)研究成果。我國(guó)的研究從八五期間開(kāi)始，至今在清華大學(xué)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)，中科院自動(dòng)化所，浙江大學(xué)等都取得了可喜的研究成果。目前，

4、我國(guó)避障探路機(jī)器人的研究發(fā)展水平還和發(fā)達(dá)國(guó)家有一定的差距。避障探路機(jī)器人的研究一直是一個(gè)重大的主題，它要求機(jī)器人必須能在具有障礙物的復(fù)雜環(huán)境中完成局部在線避障，需要解決三個(gè)重要問(wèn)題：障礙物在空間的位置方向的精確檢測(cè)；所獲信息的分析和環(huán)境模型的建立；使機(jī)器人安全避障的策略。目前機(jī)器人的環(huán)境建模方法有以下幾種：可視圖法(VGraph)：由Nilsson在1968年提出的，其算法簡(jiǎn)單且能找到最短路徑，但是由于其缺乏靈活性，在障礙物較多時(shí)，搜索時(shí)問(wèn)將會(huì)很長(zhǎng)并且要求障礙物的形狀不能接近圓形，因此現(xiàn)在限制了其實(shí)際的應(yīng)用。進(jìn)而現(xiàn)在通常采用基于切線圖法(Tangent Graph)和Voronoi法的改進(jìn)可視

5、圖法。柵格法(Grid)：由WEHowden在1968年提出的，是目前研究較廣泛的路徑規(guī)劃方法。其中柵格的大小影響著環(huán)境信息存儲(chǔ)量的大小和時(shí)間的長(zhǎng)短。柵格劃分越大，環(huán)境信息的存儲(chǔ)量越小，分辨率越低，復(fù)雜環(huán)境下的避障效果越差，時(shí)間越短；柵格劃分越小，環(huán)境信息的存儲(chǔ)量越大，分辨率越高，復(fù)雜環(huán)境下的避障效果越好，時(shí)間越長(zhǎng)。除以上幾類外，還有自由空間法，拓?fù)浞?，人工?shì)場(chǎng)法等。而智能避障方法更優(yōu)于傳統(tǒng)法在未知或者是部分未知的環(huán)境下通過(guò)傳感器獲取周圍環(huán)境信息，包括障礙物的尺寸、形狀和位置等信息，并使機(jī)器人自主獲得一條無(wú)碰撞最優(yōu)路徑，是現(xiàn)在研究移動(dòng)機(jī)器人避障熱點(diǎn)之一。上訴所提到的智能方法在機(jī)器人路徑規(guī)劃技術(shù)

6、中已收到廣泛的重視及研究，在障礙物環(huán)境已知或未知情況下，均取得了一定的研究成果。 3.發(fā)展趨勢(shì) 機(jī)器人避障技術(shù)展望：機(jī)器人的避障及其路徑規(guī)劃技術(shù)已經(jīng)取得了豐碩的研究成果，相應(yīng)的方法也更加的成熟，特別是對(duì)周圍環(huán)境一直情況下的全局避障路徑規(guī)劃，其理論研究已經(jīng)比較完善目前比較活躍的領(lǐng)域是研究在環(huán)境未知情況下的局部避障路徑規(guī)劃，目前存在的算法設(shè)計(jì)均具有一定局限性，如人工勢(shì)場(chǎng)算法的局部極小值，智能算法需要存儲(chǔ)空間大，避障路徑規(guī)劃時(shí)間不確定等。目前研究主要集中于以下幾方面：對(duì)未知復(fù)雜環(huán)境信息的研究指標(biāo)需要進(jìn)一步提高；多傳感器信息融合用于避障路徑規(guī)劃等。（二）課題研究?jī)?nèi)容與方法 1.研究?jī)?nèi)容： （1）加深對(duì)

7、VCJ語(yǔ)言的了解，逐步由簡(jiǎn)單的框圖向可以實(shí)現(xiàn)更多功能的VJC代碼過(guò)度，實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的編程操作。 （2）了解傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器熟練的運(yùn)用。 （3）對(duì)越野路況相關(guān)的研究，實(shí)現(xiàn)在不同路況下機(jī)器人的良好運(yùn)轉(zhuǎn)。 2.研究方法： （1）多次實(shí)驗(yàn)，收集不同數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，調(diào)整機(jī)器人中的功率，速度以及傳感器的參數(shù)，使得機(jī)器人能夠按照預(yù)想的軌跡運(yùn)行。 （2）運(yùn)用VJC中傳感器模擬模塊，對(duì)對(duì)傳感器進(jìn)行了模擬，減少了反復(fù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)的需要的時(shí)間，并且對(duì)某些沒(méi)有添加的傳感器也進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)，從而加深了對(duì)于整個(gè)機(jī)器人傳感系統(tǒng)的了解。 （3）由簡(jiǎn)單的單一越野路徑過(guò)渡到多種環(huán)境下的越野路徑，逐步實(shí)現(xiàn)多種環(huán)境內(nèi)運(yùn)行。（3） 研究成

8、果由于我們使用的已經(jīng)成型的機(jī)器人，我們著重研究的是傳感器。 1.紅外傳感器： 能力風(fēng)暴運(yùn)用了2只紅外發(fā)射管（970nm）和一只紅外接收模塊構(gòu)成紅外傳感系統(tǒng)（見(jiàn)圖1），主要用來(lái)檢測(cè)前方、左前方和右前方的障礙，檢測(cè)距離范圍為1080cm。用戶可以通過(guò)調(diào)節(jié)兩個(gè)電位器來(lái)調(diào)節(jié)左右兩個(gè)紅外的檢測(cè)距離，順時(shí)針紅外發(fā)射強(qiáng)，檢測(cè)距離遠(yuǎn)，逆時(shí)針紅外發(fā)射弱，檢測(cè)距離近。 圖1紅外光發(fā)射器 紅外接收器注意強(qiáng)紅外線可以穿透塑料，在機(jī)器人的上蓋中傳播，造成接收信號(hào)始終表現(xiàn)為有障礙。解決辦法是在紅外發(fā)射管上套上黑紙環(huán)，使其側(cè)面不能透出紅外線。同時(shí)也要避免地面的反射影響。逆時(shí)針將電位器旋轉(zhuǎn)到底時(shí)將關(guān)閉紅外線發(fā)射管。主板中的X

9、T2為38kHz的晶體，它將紅外光發(fā)射的調(diào)制頻率固化在38KHz左右，這是紅外接收模塊中帶通濾波器的中心頻率。紅外接收模塊集成了紅外接收管、前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、峰值檢波器、整前電路和輸出放大電路，靈敏度很高。有時(shí)從紅外管側(cè)面和后面漏出的紅外光也會(huì)被接受模塊探測(cè)到，在能力風(fēng)暴智能機(jī)器人上，兩個(gè)紅外發(fā)射管和一個(gè)紅外接收器都是先裝在套管里再固定在外殼上的，有效的避免了這種情況的發(fā)生。用戶在自己擴(kuò)展紅外傳感器時(shí)，如果遇到這種情況，只需用黑膠布把發(fā)射管的側(cè)面和后部包住即可。紅外傳感器是靠發(fā)射并接收由障礙物反射回來(lái)的紅外光來(lái)判斷是否有障礙（如圖2）。圖2中所示即為前方有障礙時(shí)的情況，紅外光

10、以60度的散角向外發(fā)射，陰影區(qū)域分別是左右兩個(gè)紅外的反射光區(qū)域，而紅外的接收模塊正好處于左右兩個(gè)反射光區(qū)域內(nèi)，能接收到左右兩個(gè)紅外發(fā)射管的反射光，由前所述即認(rèn)為此時(shí)前方有障礙，事實(shí)也是如此。圖2 紅外測(cè)障原理圖在JC語(yǔ)言中，紅外傳感器的庫(kù)函數(shù)是ir_detector()，在程序運(yùn)行過(guò)程中此庫(kù)函數(shù)僅在被調(diào)用到時(shí)執(zhí)行一次，即采集數(shù)據(jù)一次。 在JC對(duì)話窗口中輸入如下程序塊：while(1) printf("ir=%dn", ir_detector();wait(0.5);按回車，JC能立即編譯這一段程序并下載運(yùn)行，LCD上顯示：ir=0 （表示此時(shí)沒(méi)有障礙）。如圖3用一張白紙分別

11、擋在能力風(fēng)暴智能機(jī)器人的前方、左方和右方，液晶顯示器上顯示的ir的值都不一樣，可總結(jié)如下： 無(wú)障礙 左方 右方 前方 十進(jìn)制表示： 0 1 2 4紅外傳感器檢測(cè)障礙的過(guò)程如下：左右發(fā)射管均關(guān)閉，紅外探測(cè)器探測(cè)一次當(dāng)前信號(hào)，并保存下來(lái)以跟后面采集到的數(shù)據(jù)比較。圖3 紅外測(cè)障流程圖當(dāng)程序中調(diào)用ir_detector()時(shí)，啟動(dòng)紅外發(fā)射探測(cè)系統(tǒng)。首先，左紅外發(fā)射管發(fā)射一次，延時(shí)1ms后紅外探測(cè)器探測(cè)一次信號(hào)；然后，右紅外發(fā)射管發(fā)射一次，延時(shí)1ms后紅外探測(cè)器探測(cè)一次信號(hào)，紅外探測(cè)器采樣一次信號(hào)的時(shí)間為0.064ms。紅外探測(cè)器通過(guò)PE4口采樣當(dāng)前值，并保存下來(lái)。由于先后時(shí)間的不同，就可以分別探測(cè)左右

12、兩邊的紅外信號(hào)。調(diào)用一次ir_detector()函數(shù)，紅外探測(cè)系統(tǒng)開(kāi)啟一次。完成后，左右發(fā)射管關(guān)閉 2.光敏傳感器： 能力風(fēng)暴智能機(jī)器人上有2只光敏傳感器（見(jiàn)圖4），它可以檢測(cè)到光線的強(qiáng)弱。光敏傳感器其實(shí)是一個(gè)光敏電阻，它的阻值受照射在它上面的光線強(qiáng)弱的影響。能力風(fēng)暴智能機(jī)器人所用的光敏電阻的阻值在很暗的環(huán)境下為幾百，室內(nèi)照度下幾，陽(yáng)光或強(qiáng)光下幾十。在JC語(yǔ)言中，光敏傳感器的庫(kù)函數(shù)是：左光敏，photo(1)；右光敏，photo(2)。在程序運(yùn)行過(guò)程中庫(kù)函數(shù)僅在被調(diào)用到時(shí)執(zhí)行一次，即采集數(shù)據(jù)一次。在VJC交互式調(diào)試對(duì)話窗口中輸入如下程序塊：while(1)printf("photo

13、left=%dn",photo(1);wait(0.5);改變照射在左光敏電阻上的光線強(qiáng)弱，可觀察到讀數(shù)的變化?？砂l(fā)現(xiàn)光越暗，數(shù)字越大；光越強(qiáng)，數(shù)字越小。 圖4圖5 3.麥克風(fēng)： 能力風(fēng)暴智能機(jī)器人上的麥克風(fēng)(microphone)是能夠識(shí)別聲音聲強(qiáng)大小的聲音傳感器（見(jiàn)圖6）。在JC語(yǔ)言中，聲音傳感器的庫(kù)函數(shù)是microphone( )，在程序運(yùn)行過(guò)程中此庫(kù)函數(shù)僅在被調(diào)用到時(shí)執(zhí)行一次，即采集數(shù)據(jù)一次。在VJC交互式調(diào)試對(duì)話窗口中輸入如下程序塊：while(1) printf("mic=%dn", microphone();wait(0.1);按回車，JC能立即編譯

14、這一段程序并下載運(yùn)行，如果周圍的環(huán)境很靜LCD上顯示：mic = 12（表示此時(shí)很安靜）。 圖6對(duì)著microphone發(fā)出一些聲音，可以看到microphone的值不斷變化。它的變化范圍是0255。（4） 創(chuàng)新點(diǎn) 在研究過(guò)程中，我們分析了傳感器的使用方法和用途，由于我們的機(jī)器人只有紅外傳感器，光敏傳感器，光傳感器和麥克風(fēng)，所以我們充分利用傳感器，更好的實(shí)現(xiàn)避障功能。另外為了給大家直觀的了解，我們?cè)谘芯砍晒姓故緦?shí)際案例，讓觀者知道我們做了什么。（5） 結(jié)束語(yǔ) 經(jīng)過(guò)一學(xué)期的學(xué)習(xí)，我們小組對(duì)機(jī)器人有了更深的認(rèn)識(shí)，但我們也深深地發(fā)現(xiàn)，在機(jī)器人方面還有很多很多的東西有待我們?nèi)ヌ剿?。尤其是后期的學(xué)習(xí)，

15、我們更是深刻的認(rèn)識(shí)到機(jī)器人發(fā)展前途十分廣闊，我們相信，機(jī)器人必定會(huì)在未來(lái)有更加廣泛的應(yīng)用。而且在這一學(xué)期的合作學(xué)習(xí)過(guò)程中，我們這個(gè)小組的成員間的關(guān)系融洽了很多也默契了很多，我們也更懂得怎樣與他人合作，這些都是寶貴的收獲，必定會(huì)在以后的學(xué)習(xí)，生活中大有裨益。（6） 經(jīng)費(fèi)使用情況編號(hào)項(xiàng)目單價(jià)數(shù)量總額備注01單片機(jī)開(kāi)發(fā)板178 1 178學(xué)習(xí)單片機(jī)知識(shí)02學(xué)習(xí)資料不等 3 40學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)（7） 附錄 1.參考文獻(xiàn) 1郁有文，常建.傳感器原理及工程應(yīng)用M.陜西：西安電子科技大學(xué)出版社， 2000. 2陳懷琛，黃道君.控制系統(tǒng)CAD及MATLAB語(yǔ)言M.電子工業(yè)出版社. 3趙守忠，夏勇.傳感器技術(shù)及其

16、應(yīng)用M.安徽：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，1997. 4程躍.,智能機(jī)器人的應(yīng)用與發(fā)展J. 農(nóng)業(yè)科技推廣, 2005 (7) : 37.王磊， 5蔡自興，機(jī)器人學(xué)。北京：清華大學(xué)出版社，2000 6何希才，張薇.傳感器應(yīng)用及其接口電路M.科學(xué)文獻(xiàn)出版社,1996. 7張立彬,計(jì)時(shí)鳴,胥芳,等. 智能機(jī)器人的主要應(yīng)用領(lǐng)域和關(guān)鍵技術(shù)J.浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2002, 30 (1) : 3637 8趙勻,武傳宇,胡旭東,等. 智能機(jī)器人的研究進(jìn)展及存在的問(wèn)題J. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2003, 19 (1) : 20. 2.示例程序代碼#include "AS_UIII_LIB.h"in

17、t ir_1=0;int bmp_1=0;int mic_1=0;int rot_1=0;int gi_1=0;/*右轉(zhuǎn)*/void SubRoutine_1( ) motor( 1 , 80 ); motor( 2 , -80 ); wait( 0.500000 ); motor( 1 , 80 ); motor( 2 , -80 ); wait( 0.500000 ); return;/*后退*/void SubRoutine_2( ) motor( 1 , -80 ); motor( 2 , -80 ); wait( 0.500000 ); return;/*左轉(zhuǎn)*/void SubRo

18、utine_3( ) motor( 1 , -80 ); motor( 2 , 80 ); wait( 0.500000 ); motor( 1 , 80 ); motor( 2 , -80 ); wait( 0.500000 ); return;/*調(diào)整方向*/void SubRoutine_4( ) while(1) /*直行*/void SubRoutine_5( ) motor( 1 , 80 ); motor( 2 , 80 ); wait( 1.500000 ); return;/*方向輸入*/void SubRoutine_7( )/*調(diào)整檢測(cè)*/void SubRoutine_

19、6( )/*碰撞防護(hù)*/void SubRoutine_8( ) bmp_1 = bumper(); if( bmp_1 = 1) motor( 1 , -80 ); motor( 2 , 80 ); wait( 0.500000 ); else bmp_1 = bumper(); if( bmp_1 = 2) motor( 1 , 80 ); motor( 2 , 80 ); wait( 0.500000 ); else bmp_1 = bumper(); if( bmp_1 = 3) motor( 1 , 80 ); motor( 2 , 80 ); wait( 0.500000 ); r

20、eturn;/*后退防護(hù)*/void SubRoutine_9( ) bmp_1 = bumper(); if( bmp_1 = 4) motor( 1 , 80 ); motor( 2 , 80 ); wait( 0.500000 ); else bmp_1 = bumper(); if( bmp_1 = 8) motor( 1 , 80 ); motor( 2 , 80 ); wait( 0.500000 ); else bmp_1 = bumper(); if( bmp_1 = 12) tone(523.200012,0.250000); motor( 1 , 80 ); motor( 2 , 8