基于Webots軟件掃地機(jī)器人的研究與設(shè)計(jì)電氣工程自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)

1、基于Webots軟件掃地機(jī)器人的研究與設(shè)計(jì) 電氣工摘 要掃地機(jī)器人在人們的日常生活中發(fā)揮著重要作用，在許多人的家里，經(jīng)常有個(gè)小巧靈活的身影，穿梭在各個(gè)房間里，它經(jīng)過(guò)的地面都被打掃的干干凈凈。掃地機(jī)器人是憑借著一定人工智能自動(dòng)完成室內(nèi)地板清潔工作的智能家電用電器，目前主流的掃地機(jī)器人主要是通過(guò)機(jī)內(nèi)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)在主機(jī)內(nèi)形成一個(gè)類(lèi)真空環(huán)境，利用由此產(chǎn)生的高速氣流將垃圾吸入集塵盒，從而完成清潔工作。仿真技術(shù)在機(jī)器人的設(shè)計(jì)研究中有著不可忽視的作用，它可以改善機(jī)器人的機(jī)構(gòu)質(zhì)量和對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行分析。在仿真軟件上對(duì)機(jī)器人進(jìn)行研究有以下優(yōu)點(diǎn)：研究成本低、研發(fā)周期短，方便修正，可以監(jiān)控機(jī)器人運(yùn)行中的各

2、種參數(shù)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。本設(shè)計(jì)在Webots仿真平臺(tái)上對(duì)掃地機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的掃地機(jī)器人應(yīng)能能實(shí)現(xiàn)以下技術(shù)指標(biāo)：能夠?qū)崿F(xiàn)灰塵識(shí)別，實(shí)現(xiàn)多種清掃模式，具有防跌落、防撞、自動(dòng)返回充電等功能，能夠進(jìn)行電量低、塵盒滿(mǎn)等信息提示。設(shè)計(jì)的過(guò)程如下：首先為機(jī)器人搭建一個(gè)環(huán)境，模擬一個(gè)房間，內(nèi)有各種家具；然后構(gòu)造機(jī)器人的身體，身體是扁平的圓柱體，移動(dòng)機(jī)構(gòu)是三輪式，有可實(shí)現(xiàn)防碰撞和防跌落等功能的傳感器，接著給器件設(shè)置參數(shù)，最后給機(jī)器人創(chuàng)建一個(gè)控制器作為機(jī)器人的控制系統(tǒng)。最后，本設(shè)計(jì)完成之后，經(jīng)過(guò)仿真運(yùn)行，基本能實(shí)現(xiàn)掃地功能，并且不會(huì)碰上障礙物和跌落。同時(shí)分析了設(shè)計(jì)的機(jī)器人的不足之處，以及在未來(lái)的研究中該掃地機(jī)器人

3、還可以繼續(xù)改進(jìn)的地方和可能增加的功能。關(guān)鍵詞：掃地機(jī)器人 仿真技術(shù) Webots Research and Design of Sweeping Robot Based on Webots SoftwareABSTRACT Sweeping robots play an important role in peoples daily lives. In many peoples homes, there is often a small, flexible figure that travels through the rooms and is swept through the ground

4、. Swept robotic robot is by virtue of a certain artificial intelligence to automatically complete the indoor floor cleaning smart home appliances, the current mainstream of the sweeping robot is mainly through the machine running high-speed motor in the host to form a vacuum-like environment, the us

5、e of the resulting high-speed air The garbage is sucked into the dust box, thus completing the cleaning work.Simulation technology can not be neglected in the design of robot design. It can improve the quality of the robot and analyze the motion performance of the robot. The research on the robot in

6、 the simulation software has the following advantages: low research cost, short research and development cycle, easy to correct, can monitor the robot running a variety of parameters and movement state.This design is designed on the Web site simulation platform for sweeping robots. The design of the

7、 sweeping robot should be able to achieve the following technical indicators: to achieve dust recognition, to achieve a variety of cleaning mode, with anti-drop, anti-collision, automatic return charging and other functions, to low power, dust box full information tips. The design process is as foll

8、ows: first for the robot to build an environment, simulate a room, there are a variety of furniture; and then construct the robots body, the body is a flat cylinder, mobile body is three-wheeled, can achieve anti-collision and anti- And then set the parameters to the device, and finally to the robot

9、 to create a controller as a robot control system.Finally, after the completion of this design, after the simulation run, the basic ability to achieve sweeping function, and will not run into obstacles and fall. At the same time, it analyzes the shortcomings of the design of the robot, and in the fu

10、ture study of the sweeping robot can continue to improve the local and may increase the function.KEYWORDS: Sweeping robot；Simulation Technology；Webots目 錄 TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc10176 摘 要 PAGEREF _Toc26483 6 HYPERLINK l _Toc18758 2.2 掃地機(jī)器人的工作原理 PAGEREF _Toc18758 6 HYPERLINK l _Toc10710 2.3 掃

11、地機(jī)器人的特點(diǎn) PAGEREF _Toc10710 7 HYPERLINK l _Toc19008 2.4 掃地機(jī)器人的結(jié)構(gòu)系統(tǒng) PAGEREF _Toc19008 7 HYPERLINK l _Toc26148 2.5 掃地機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù) PAGEREF _Toc26148 8 HYPERLINK l _Toc4289 2.6 本章小結(jié) PAGEREF _Toc4289 9 HYPERLINK l _Toc16210 第3章 3D機(jī)器人總體設(shè)計(jì)方案 PAGEREF _Toc16210 10 HYPERLINK l _Toc20912 3.1 引言 PAGEREF _Toc20912 10 H

12、YPERLINK l _Toc784 3.2 掃地機(jī)器人的外形設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc784 10 HYPERLINK l _Toc16244 3.3 掃地機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc16244 11 HYPERLINK l _Toc15089 3.4 掃地機(jī)器人的傳感器設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc15089 13 HYPERLINK l _Toc4082 3.5 路徑規(guī)劃方法 PAGEREF _Toc4082 14 HYPERLINK l _Toc28211 3.6 掃地機(jī)器人的控制程序設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc28211 14 HYPERLINK l _Toc

13、24723 3.7 本章小結(jié) PAGEREF _Toc24723 18 HYPERLINK l _Toc2647 第4章 機(jī)器人建模實(shí)現(xiàn)方法 PAGEREF _Toc2647 19 HYPERLINK l _Toc29296 4.1 引言 PAGEREF _Toc29296 19 HYPERLINK l _Toc8660 4.2 Webots仿真軟件介紹 PAGEREF _Toc8660 19 HYPERLINK l _Toc3276 4.3 環(huán)境建模 PAGEREF _Toc3276 20 HYPERLINK l _Toc4070 4.4 機(jī)器人建模 PAGEREF _Toc4070 22

14、HYPERLINK l _Toc27720 4.5 控制器的實(shí)現(xiàn) PAGEREF _Toc27720 24 HYPERLINK l _Toc20743 4.6 本章小結(jié) PAGEREF _Toc20743 25 HYPERLINK l _Toc6269 第5章 仿真結(jié)果分析 PAGEREF _Toc6269 26 HYPERLINK l _Toc15017 5.1 引言 PAGEREF _Toc15017 26 HYPERLINK l _Toc15790 5.2 仿真結(jié)果分析 PAGEREF _Toc15790 26 HYPERLINK l _Toc30258 5.3 本章小結(jié) PAGEREF

15、 _Toc30258 29 HYPERLINK l _Toc13669 第6章 總結(jié)與展望 PAGEREF _Toc13669 30 HYPERLINK l _Toc9638 6.1 總結(jié) PAGEREF _Toc9638 30 HYPERLINK l _Toc18695 6.2 未來(lái)研究展望 PAGEREF _Toc18695 30 HYPERLINK l _Toc31464 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc31464 31 HYPERLINK l _Toc26595 附錄 PAGEREF _Toc26595 32 HYPERLINK l _Toc21769 致謝 PAGEREF _Toc

16、21769 33緒論研究背景和意義隨著社會(huì)的的發(fā)展，社會(huì)老齡化越來(lái)越嚴(yán)重，而科學(xué)技術(shù)在計(jì)算機(jī)、微電子、信息處理及智能控制等方面的快速發(fā)展，使機(jī)器人技術(shù)向著智能化和多樣化發(fā)展，并且逐步深入和細(xì)化，研究范圍也越來(lái)越廣闊，越來(lái)越多的機(jī)器人研究從工業(yè)機(jī)器人轉(zhuǎn)向移動(dòng)服務(wù)型機(jī)器人，服務(wù)型機(jī)器人則在一定程度上解決了社會(huì)老齡化而勞動(dòng)力缺失的問(wèn)題。機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展是一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)水平的重要體現(xiàn)。機(jī)器人技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)、控制理論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，集成了多學(xué)科的發(fā)展成果，代表著高技術(shù)的發(fā)展前沿。服務(wù)型機(jī)器人是一種能夠半自主或全自主去執(zhí)行各種服務(wù)性活動(dòng)的的機(jī)器人，

17、它出現(xiàn)的時(shí)間相比其他許多年長(zhǎng)的機(jī)器人要短一些，是機(jī)器人家族里面年輕的一員。按照服務(wù)型機(jī)器人的應(yīng)用范圍，可以將其分成專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域機(jī)器人和個(gè)人家庭服務(wù)機(jī)器人兩類(lèi)。服務(wù)型機(jī)器人雖然不能參與生產(chǎn)活動(dòng)，但是可以從事維護(hù)保養(yǎng)、修理、運(yùn)輸、清洗、保安、救援、監(jiān)護(hù)等工作。其中，具有清潔功能的服務(wù)型機(jī)器人稱(chēng)為掃地機(jī)器人。掃地機(jī)器人，是一種配備了微電腦系統(tǒng)、可以智能掃地和吸塵的電動(dòng)保潔設(shè)備，人們可以通過(guò)一定的設(shè)置使它只清潔房間的某一小部分或著全部區(qū)域。掃地機(jī)器人與普通的吸塵器相比，它有著省時(shí)、省力的優(yōu)點(diǎn)，它不需要人的控制就可以自主完成整個(gè)清潔過(guò)程，大大地減輕了人們的操作負(fù)擔(dān)；掃地機(jī)器人的噪音很小，清潔房間的過(guò)程中主人

18、不會(huì)受到噪音的影響；它里面放置了活性炭，可以吸附空氣中的有害物質(zhì)，凈化空氣；輕便小巧：輕松打掃普通吸塵器清理不到的死角?？傊悄軖叩貦C(jī)器人有著許許多多的優(yōu)點(diǎn)，還有操作簡(jiǎn)單、使用方便、清潔效果明顯等特點(diǎn)。掃地機(jī)器人在各種服務(wù)機(jī)器人中有著廣泛的應(yīng)用前景。社會(huì)的發(fā)展使得如今人們的生活節(jié)奏變得非常快，人們身上的壓力也變得越來(lái)越大，一天的工作下來(lái)，人們疲憊不已，所以很少有人愿意在一天的忙碌后繼續(xù)打掃自己的房間，而掃地機(jī)器人可以自主的完成清潔工作，使得人們?cè)诠ぷ鹘Y(jié)束后回到家里免于家務(wù)勞動(dòng)從而得到更多的休息時(shí)間，這就使得掃地機(jī)器人有了廣大的市場(chǎng)。但是現(xiàn)在市場(chǎng)上質(zhì)量比較好的掃地機(jī)器人的價(jià)格比較昂貴，所以針對(duì)

19、掃地機(jī)器人的研究仍然很重要。國(guó)內(nèi)外研究概況自從第一臺(tái)掃地機(jī)器在英國(guó)問(wèn)世，掃地機(jī)器人開(kāi)始逐步進(jìn)入人們的日常生活當(dāng)中。隨著時(shí)間的流逝和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，掃地機(jī)器人技術(shù)也越來(lái)越成熟，掃地機(jī)器人得到了很好的發(fā)展，現(xiàn)在的掃地機(jī)器人更加的輕薄、靈活、智能、清潔效率更高，擁有的功能也越來(lái)越多。在人們的日常生活中，掃地機(jī)器人可以發(fā)揮的作用越來(lái)越大。1.2.1國(guó)外研究概況早在20世紀(jì)80年代SANYO公司就正式開(kāi)始進(jìn)行自主吸塵機(jī)器人的研發(fā)工作。但由于自主吸塵機(jī)器人的研究才剛剛開(kāi)始，研究出來(lái)的自主吸塵機(jī)器人的自主能力還不夠高，清掃的效率也比較低，在這些方面都還有待提高。2001年初，英國(guó)Dyson（戴森）公司推出了

20、DC06智能吸塵器，其裝備的感應(yīng)器非常多，這就是世界首次研發(fā)出來(lái)的全自動(dòng)“吸塵機(jī)器人”。圖1-1 DC06智能吸塵器著名的“三葉蟲(chóng)”也是誕生于英國(guó)，這是一款問(wèn)世較早但功能強(qiáng)大的吸塵器?！叭~蟲(chóng)”內(nèi)部裝有超聲波探測(cè)器，可以探測(cè)出障礙物如桌腿墻壁等的位置，能夠繞開(kāi)障礙物在房間里自由行走；還可以探測(cè)出房間的尺寸，從而自主的計(jì)算出最佳的行走路線。其工作檔位一共有三個(gè)：正常、快速和點(diǎn)清理，當(dāng)塵盒裝滿(mǎn)時(shí)機(jī)器人還會(huì)發(fā)出警告。這款機(jī)器人還有個(gè)特殊的功能，可以利用特制的磁帶來(lái)限制機(jī)器人的清掃范圍，如想讓機(jī)器人只清掃客房時(shí)，就在客房門(mén)口放上特制磁帶，掃地機(jī)器人就不會(huì)走出客房而只對(duì)客房?jī)?nèi)部進(jìn)行清掃?！叭~蟲(chóng)”高度只

21、有13厘米，因此可以方便的清掃到如沙發(fā)底或者床底等不易清掃的區(qū)域。圖1-2 伊萊克斯的“三葉蟲(chóng)”美國(guó)iRobot是全球家用機(jī)器人領(lǐng)航者與開(kāi)拓者。從2002年至今，Roomba一共有8代產(chǎn)品。最早的是2002年9月推出的清潔機(jī)器人“Roomba”，它擁有高度的自主能力，打掃的時(shí)候動(dòng)作不會(huì)太快但是效果很好。最新的型號(hào)是2015年底發(fā)布的900系列，暫時(shí)未引入中國(guó)市場(chǎng)。iRobot主打三段式清掃系統(tǒng)，即“掃卷吸”。這也是現(xiàn)在其他品牌爭(zhēng)相模仿的。而現(xiàn)在他們放棄了傳統(tǒng)的主刷，改為無(wú)刷防塵吸取器配以真空氣流增強(qiáng)系統(tǒng)和高效真空吸塵馬達(dá)，達(dá)到了真空吸塵的新高度。每一款Roomba都能完成自動(dòng)清掃、自動(dòng)回充，部

22、分型號(hào)還擁有更高級(jí)功能如：（1）定時(shí)清掃功能（2）遙控器與指揮功能（3）虛擬墻與區(qū)分功能（4）虛擬墻燈塔與挨個(gè)房間清掃功能。圖1-3 美國(guó)“Roomba”清掃機(jī)器人德國(guó)TOMEFON(斐納)環(huán)境公司始建于1976年，是德國(guó)智能掃地機(jī)器人行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)品牌。斐納是行業(yè)內(nèi)第一家應(yīng)用仿生學(xué)超聲波偵測(cè)技術(shù)的智能掃地機(jī)器人品牌。斐納TOMEFON-TF-S450這款智能掃地機(jī)器人采用雙重紅外防碰撞設(shè)計(jì)，一共有18組紅外傳感器，能有效防止發(fā)生碰撞事件，避免撞壞家具和機(jī)器，這是它最大特色。它的第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它的清潔系統(tǒng)是浮動(dòng)式升降式的，由滾刷和雙邊刷組成，這使得機(jī)器清潔的時(shí)候更貼近地面，因此地面清潔能力非常強(qiáng)大。而

23、現(xiàn)在最新的TOMEFON-TF-S880主打的是弓形拖掃功能。圖1-4 德國(guó)“TOMEFON-TF-S450”掃地機(jī)器人1.2.2國(guó)內(nèi)研究概況現(xiàn)在國(guó)內(nèi)也有著相關(guān)的研究開(kāi)發(fā)工作，一些知名的大學(xué)也對(duì)掃地機(jī)器人進(jìn)行了大量的研究工作，研究得比較成熟主要是掃地機(jī)器人的相關(guān)技術(shù)如機(jī)器人的定位和導(dǎo)航與路徑規(guī)劃、機(jī)器人控制系統(tǒng)、機(jī)器人的傳感器、機(jī)器人電源系統(tǒng)等方面有著較多的研究，尤其是移動(dòng)機(jī)器人的路徑規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)控制方面，獲得了一定的研究成果，為未來(lái)對(duì)掃地機(jī)器人進(jìn)行更深入的研發(fā)打下了技術(shù)基礎(chǔ)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)在20世紀(jì)90年代開(kāi)始致力于這方面的研究工作，它與香港中文大學(xué)合作，一起研發(fā)出全方位移動(dòng)地面清掃機(jī)器人，并

24、且與海爾公司協(xié)議，由海爾公司將這種全方位移動(dòng)地面清掃機(jī)器人制作成產(chǎn)品。這種機(jī)器人具有兩種運(yùn)行方式，分別是遙控操作方式和自主操作方式，并且能進(jìn)行智能化的電源管理，將電源有效分配給系統(tǒng)的不同組件，可以延長(zhǎng)機(jī)器人的運(yùn)行時(shí)間，提高移動(dòng)機(jī)構(gòu)地移動(dòng)動(dòng)力資源的利用率。采用全方位的移動(dòng)技術(shù)，使用萬(wàn)向輪讓機(jī)器人能向任意方向移動(dòng)，由此可以去到清潔死區(qū)完成清潔工作。其吸塵機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)吸塵腔路的自主轉(zhuǎn)換，提高了吸塵效率。該機(jī)器人采用了開(kāi)放式的機(jī)器人鉸鏈機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)硬件可擴(kuò)展、軟件可移植和繼承的功能，使機(jī)器人作為服務(wù)載體具有更強(qiáng)的功能適應(yīng)性。1999年初，浙江大學(xué)也開(kāi)始了智能吸塵機(jī)器人的研究工作。浙江大學(xué)機(jī)械電子研究所

25、與蘇州TEK公司合作，兩年后設(shè)計(jì)成功研發(fā)出了國(guó)內(nèi)第一個(gè)具有初步智能的吸塵機(jī)器人，到2003年機(jī)器人系統(tǒng)在自主能力和工作效率上有了顯著的提高。這個(gè)機(jī)器人在開(kāi)始清潔任務(wù)之前，先進(jìn)行環(huán)境學(xué)習(xí)，利用超聲波測(cè)距，從而獲得清掃范圍的尺寸信息，決定清掃時(shí)間，然后，利用隨機(jī)加局部遍歷規(guī)劃的策略產(chǎn)生高效的掃地路徑，清掃結(jié)束后，自行回到充電座，補(bǔ)充能量。目前系統(tǒng)還在升級(jí)中，致力于引入機(jī)器人視覺(jué)和全局定位功能，提高清潔效率，所以現(xiàn)在還沒(méi)有進(jìn)入生產(chǎn)。國(guó)內(nèi)眾多掃地機(jī)器人品牌中，科沃斯是比較有名的。科沃斯主營(yíng)地寶、窗寶、沁寶、魔鏡等機(jī)器人吸塵器產(chǎn)品。其中地寶是通過(guò)整個(gè)渦輪增壓系統(tǒng)來(lái)保證清潔效果的：渦輪增壓電機(jī)產(chǎn)生渦輪增壓

26、吸力，將灰塵從進(jìn)風(fēng)口吸入到渦輪增壓塵盒（塵盒的前部進(jìn)風(fēng)，后部出風(fēng)直接連到渦輪增壓電機(jī)，中間沒(méi)有損失），而當(dāng)?shù)貙毠ぷ鞯臅r(shí)候，進(jìn)灰口的滾刷每分鐘4000轉(zhuǎn)高速旋轉(zhuǎn)，也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)云狀渦輪增壓，通過(guò)清掃加拍打高效將灰塵集中收納起來(lái)，在滾刷的周?chē)且蝗u輪保壓幕墻，可以持續(xù)的保持滾刷產(chǎn)生的渦輪壓力，從而產(chǎn)生持久穩(wěn)定的清潔能力。圖1-5 科沃斯掃地機(jī)器人“地寶”本課題研究?jī)?nèi)容和結(jié)構(gòu)本課題是以Webots作為軟件開(kāi)發(fā)程序，設(shè)計(jì)一個(gè)掃地機(jī)器人。首先在世界中建立一個(gè)環(huán)境，模擬一個(gè)房間，里面放置一些桌子沙發(fā)等家具，給掃地機(jī)器人提供了一個(gè)工作環(huán)境。然后開(kāi)始搭建掃地機(jī)器人模型，編寫(xiě)控制器，仿真運(yùn)行。本文的結(jié)構(gòu)分為以下

27、幾個(gè)部分。第一章論述了掃地機(jī)器人的研究背景和意義，概括了目前國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀。第二章分析了關(guān)于掃地機(jī)器人的一些相關(guān)理論，包括掃地機(jī)器人的工作原理，掃地機(jī)器人的特點(diǎn)，掃地機(jī)器人的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，以及掃地機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)。第三章給出了仿真模型的設(shè)計(jì)方案：機(jī)器人整體造型為圓盤(pán)式；移動(dòng)機(jī)構(gòu)采用三輪式，由受兩個(gè)獨(dú)立電機(jī)單獨(dú)控制的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪和一個(gè)萬(wàn)向輪組成，當(dāng)掃地機(jī)器人轉(zhuǎn)彎時(shí)可以改變兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的速度比來(lái)達(dá)成；掃地機(jī)器人的底盤(pán)上輪子的附近裝有三個(gè)超聲波傳感器，用來(lái)實(shí)現(xiàn)防跌落功能，掃地機(jī)器人身體的側(cè)邊上裝有4個(gè)紅外線傳感器，用于實(shí)現(xiàn)避障功能；機(jī)器人的身體內(nèi)部還裝有一個(gè)旋轉(zhuǎn)電機(jī)，以實(shí)現(xiàn)吸塵作用；還設(shè)計(jì)了控制程序的流程

28、。第四章先介紹了Webots軟件，第五章測(cè)試了該機(jī)器人的運(yùn)行效果，對(duì)機(jī)器人的仿真模型的不足進(jìn)行了分析。第六章寫(xiě)了對(duì)本次設(shè)計(jì)的工作進(jìn)行的總結(jié)分析，以及掃地機(jī)器人研究工作的展望。掃地機(jī)器人相關(guān)理論引言 MACROBUTTON MTEditEquationSection2 方程段 SEQ MTEqn r h * MERGEFORMAT SEQ MTSec r 1 h * MERGEFORMAT SEQ MTChap r 2 h * MERGEFORMAT 本章節(jié)主要討論了掃地機(jī)器人的一些相關(guān)理論，包括掃地機(jī)器人完成清掃任務(wù)的工作原理、掃地機(jī)器人的主要特點(diǎn)、構(gòu)成掃地機(jī)器人的主要機(jī)構(gòu)和掃地機(jī)器人研究的關(guān)

29、鍵技術(shù)。掃地機(jī)器人的工作原理掃地機(jī)器人由多個(gè)工作模塊組成，在這些模塊的共同作用下，機(jī)器人才能完成清潔工作。系統(tǒng)主控制模塊是整個(gè)機(jī)器人的核心，傳感器模塊用來(lái)探測(cè)和接受信號(hào)，然后把信息傳給系統(tǒng)主控制模塊，系統(tǒng)主控制模塊接收到信號(hào)后進(jìn)行處理和分析，然后把結(jié)果返還到執(zhí)行模塊中，機(jī)器人開(kāi)始工作。圖2-1 工作中的掃地機(jī)器人機(jī)器人的工作過(guò)程如下：（1）發(fā)送指令給掃地機(jī)器人，把機(jī)器人打開(kāi)，使機(jī)器人進(jìn)入工作狀態(tài)。（2）機(jī)器人開(kāi)始工作后，傳感器探測(cè)模塊不斷地將探測(cè)外界得到的信息收集起來(lái)并把收集到的信息發(fā)送給系統(tǒng)主控制模塊，系統(tǒng)主控主模塊接收到之后，對(duì)這些信息進(jìn)行分析和處理，最終計(jì)算出一條覆蓋面最全，效率最高的最

30、優(yōu)路徑。（3）機(jī)器人按著規(guī)劃出來(lái)的路徑進(jìn)行清掃工作，當(dāng)機(jī)器人遇到障礙物需要轉(zhuǎn)向繞開(kāi)時(shí)，系統(tǒng)主控制模塊就會(huì)通過(guò)執(zhí)行模塊的行走驅(qū)動(dòng)子模塊的驅(qū)動(dòng)輪上的獨(dú)立電機(jī)改變兩輪的速度比實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)向。（4）在清掃的過(guò)程中，掃地機(jī)器人是通過(guò)機(jī)器人內(nèi)部高速運(yùn)轉(zhuǎn)的電機(jī)，形成具有吸力的風(fēng)量和內(nèi)部的類(lèi)真空環(huán)境，使得機(jī)體內(nèi)外的壓強(qiáng)不平衡，形成了壓強(qiáng)差，在內(nèi)外壓差和風(fēng)量的共同作用下，灰塵從吸風(fēng)口處被吸入集塵盒，帶有灰塵毛發(fā)等雜物的風(fēng)經(jīng)過(guò)過(guò)濾后再排出。掃地機(jī)器人的特點(diǎn)掃地機(jī)器人具有以下特點(diǎn)：（1）掃地機(jī)器人自帶電源，體積小巧輕便，自主程度高，功能齊全，操作簡(jiǎn)單，可實(shí)用性高。（2）掃地機(jī)器人的主要功能是完成地面清掃工作，清潔

31、的對(duì)象是地板上的灰塵、毛發(fā)、紙片碎屑等一些輕質(zhì)量、體積小的垃圾，而重質(zhì)量、大體積的垃圾則不在機(jī)器人的清掃范圍內(nèi)。（3）掃地機(jī)器人在自主完成任務(wù)時(shí)，掃地機(jī)器人不得損壞房間里面的家具、物品等，還應(yīng)具有自我保護(hù)的能力。（4）掃地機(jī)器人的工作環(huán)境要求較高，應(yīng)為有限的封閉環(huán)境，地面較為平整，可以是家庭環(huán)境或者圖書(shū)館、機(jī)場(chǎng)大廳等。掃地機(jī)器人的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)（1）移動(dòng)機(jī)構(gòu)。移動(dòng)機(jī)構(gòu)是執(zhí)行電機(jī)模塊的一部分，包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)和行走驅(qū)動(dòng)輪。功能是讓機(jī)器人在地面上自由的行走。機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有輪式、履帶式、步行式或其他方式等幾種類(lèi)型。輪式和履帶式適合較平整地面，而步行式可應(yīng)用于條件較差的地面。由2.3掃地機(jī)器人的特點(diǎn)可知，

32、掃地機(jī)器人的工作環(huán)境比較良好，一般為室內(nèi)，所以?huà)叩貦C(jī)器人采用輪式結(jié)構(gòu)。（2）清掃機(jī)構(gòu)。清掃機(jī)構(gòu)是執(zhí)行電機(jī)模塊的另一部分。主要是由兩個(gè)獨(dú)立電機(jī)控制的兩個(gè)逆向旋轉(zhuǎn)毛刷組成。電機(jī)啟動(dòng)后，帶動(dòng)毛刷旋轉(zhuǎn)，左邊的毛刷順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，右邊的毛刷逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，在這兩個(gè)毛刷的共同作用下，將垃圾集中掃到吸風(fēng)口。（3）傳感器機(jī)構(gòu)。傳感器機(jī)構(gòu)在機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用，是充當(dāng)著機(jī)器人的眼睛的重要角色，如為了實(shí)現(xiàn)防碰撞功能和防跌落功能，在掃地機(jī)器人的身體里裝有許多的傳感器。圖2-2 掃地機(jī)器人的組成機(jī)構(gòu)掃地機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)由于人的走動(dòng)或者其他因素，掃地機(jī)器人的工作環(huán)境往往是不確定或者多變的，這給機(jī)器人帶來(lái)一定的干擾，機(jī)

33、器人的幾大關(guān)鍵技術(shù)則幫助機(jī)器人在這種情況下很好的完成任務(wù)。（1）傳感器技術(shù)掃地機(jī)器人在工作的過(guò)程中，隨著自身的移動(dòng)，環(huán)境的狀態(tài)和機(jī)器人自身的狀態(tài)都不斷的變化著，所以需要不斷的更新自身的狀態(tài)信息和外界的信息，以監(jiān)控自身的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、進(jìn)行路徑規(guī)劃等。通常傳感器分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器。內(nèi)部傳感器一般有編碼器、加速度計(jì)、陀螺儀和電子羅盤(pán)等，編碼器可以用來(lái)確定機(jī)器人的位置，加速度計(jì)可以獲取加速度信息，陀螺儀可以測(cè)取機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)的角度、角速度、角加速度等。我們通過(guò)這些信息可以了解到機(jī)器人的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。而外部傳感器一般是壓力傳感器或距離傳感器如紅外線傳感器、激光傳感器、超聲波傳感器等，機(jī)器人通過(guò)傳感器可

34、以獲得機(jī)器人附近是否有障礙物等信息，這些信息可以避免機(jī)器人發(fā)生碰撞或跌落等情況。通過(guò)將這多種傳感器收集到的信息融合在一起，可以使得掃地機(jī)器人適應(yīng)動(dòng)態(tài)的工作環(huán)境，及時(shí)的對(duì)突發(fā)狀況做出判斷然后進(jìn)行處理。（2）路徑規(guī)劃技術(shù)路徑規(guī)劃就是在有障礙物的環(huán)境中，機(jī)器人首先通過(guò)傳感器獲得外界信息認(rèn)識(shí)工作的環(huán)境狀態(tài)，然后按照一定的規(guī)劃規(guī)則計(jì)算出起點(diǎn)到終點(diǎn)的一條避開(kāi)障礙物進(jìn)行導(dǎo)航，并且達(dá)到清掃區(qū)域覆蓋最全的路徑。路徑規(guī)劃一般分為全局路徑規(guī)劃和局部路徑規(guī)劃。路徑規(guī)劃技術(shù)可以極大得提高掃地機(jī)器人的清潔效率。（3）電源技術(shù)電源相對(duì)于掃地機(jī)器人就像心臟相對(duì)于人，人失去心臟就是去了生命，機(jī)器人沒(méi)有電源就無(wú)法工作。電源是機(jī)器

35、人動(dòng)力的來(lái)源，電源為移動(dòng)機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力，為系統(tǒng)控制模塊提供穩(wěn)定的電壓，為驅(qū)動(dòng)模塊、吸塵模塊和傳感器模塊提供能源。目前掃地機(jī)器人的電源一般為可充電池。本章小結(jié)本章介紹了掃地機(jī)器人的工作原理，并且分析了工作過(guò)程，指出了掃地機(jī)器人的特點(diǎn)和對(duì)工作環(huán)境的一般要求，然后分析了掃地機(jī)器人的組成機(jī)構(gòu)，最后簡(jiǎn)單介紹了掃地機(jī)器人的幾種關(guān)鍵技術(shù)：傳感器技術(shù)、路徑規(guī)劃技術(shù)和電源技術(shù)。3D機(jī)器人總體設(shè)計(jì)方案引言本章節(jié)主要給出了3D機(jī)器人總體設(shè)計(jì)方案，分別對(duì)掃地機(jī)器人的外形、移動(dòng)機(jī)構(gòu)和傳感器進(jìn)行分析做出設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)，然后對(duì)掃地機(jī)器人的路徑規(guī)劃方法進(jìn)行選擇，最后給出了掃地機(jī)器人控制程序的設(shè)計(jì)方案。掃地機(jī)器人的外形設(shè)計(jì)掃地機(jī)器

36、人的整體結(jié)構(gòu)外形設(shè)計(jì)為圓盤(pán)形，相對(duì)于其他有棱角的物體如三角形物體或矩形物體而言，圓形物體更容易躲避障礙物，即使機(jī)器人發(fā)生故障沒(méi)有及時(shí)繞開(kāi)障礙物而發(fā)生碰撞時(shí)，產(chǎn)生的損傷也相對(duì)較?。欢以O(shè)計(jì)為圓盤(pán)型的機(jī)器人外形高度較低，可以進(jìn)入床底、沙發(fā)底、茶幾底等地進(jìn)行清掃。因此本設(shè)計(jì)將掃地機(jī)器人的身體設(shè)為厚度為10cm，半徑為20cm的圓柱體。機(jī)器人的外形俯視圖如圖3-1，側(cè)視圖如圖3-2。 圖3-1 掃地機(jī)器人的外形俯視圖圖3-2 掃地機(jī)器人的外形側(cè)視圖掃地機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)移動(dòng)機(jī)構(gòu)是掃地機(jī)器人的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，主要作用是使機(jī)器人可以在平面上移動(dòng)。因掃地機(jī)器人的工作環(huán)境多為室內(nèi)，且地面平整，因此本設(shè)計(jì)中掃地機(jī)器

37、人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)采用輪式。為與掃地機(jī)器人的身體部分協(xié)調(diào)，設(shè)計(jì)的輪子是高度為3cm、半徑為4.8cm、轉(zhuǎn)軸垂直于Y軸的圓柱體。為使掃地機(jī)器人有良好的直線性，并且實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的0半徑轉(zhuǎn)彎，移動(dòng)機(jī)構(gòu)采用雙電機(jī)進(jìn)行兩輪驅(qū)動(dòng)，兩輪對(duì)稱(chēng)分布在機(jī)器人中心線的兩邊，吸塵及后的后邊。三角形機(jī)構(gòu)是世界上最穩(wěn)定的機(jī)構(gòu)，因此在移動(dòng)機(jī)構(gòu)上添加一個(gè)隨動(dòng)輪，與另兩輪組成一個(gè)三角形結(jié)構(gòu)，這種三輪結(jié)構(gòu)能保持機(jī)器人的平衡?？偟膩?lái)說(shuō)，掃地機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)采用三輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，由兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪和一個(gè)萬(wàn)向輪（隨動(dòng)輪）組成。三輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)如下圖3-3所示。圖3-3 三輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)圖3-4 三輪移動(dòng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖三輪移動(dòng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如上圖3-4所示。圖中為

38、絕對(duì)坐標(biāo)系，為掃地機(jī)器人的前輪運(yùn)動(dòng)速度，、分別為掃地機(jī)器人兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的速度，為掃地機(jī)器人萬(wàn)向輪和驅(qū)動(dòng)輪之間的距離，為兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪之間的距離，點(diǎn)為掃地機(jī)器人的質(zhì)心，點(diǎn)為兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪軸心連線的中點(diǎn)。設(shè)：掃地機(jī)器人的萬(wàn)向輪相對(duì)于車(chē)體縱軸的旋轉(zhuǎn)角度為，掃地機(jī)器人的車(chē)體縱軸與軸的夾角為。設(shè)萬(wàn)向輪在轉(zhuǎn)彎時(shí)的瞬時(shí)圓心也是位于兩驅(qū)動(dòng)輪軸心的連線上，設(shè)瞬時(shí)轉(zhuǎn)彎半徑為，為車(chē)體的轉(zhuǎn)彎角速度11。則車(chē)體的速度為 （3-1）經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算，可求得萬(wàn)向輪在轉(zhuǎn)彎時(shí)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)彎半徑為 （3-2）于是可求得車(chē)體運(yùn)動(dòng)方程 （3-3）掃地機(jī)器人的傳感器設(shè)計(jì)掃地機(jī)器人的許多功能都是通過(guò)傳感器完成的，本系統(tǒng)的傳感器設(shè)計(jì)主要包括防撞傳感器的設(shè)

39、計(jì)、防跌落傳感器的設(shè)計(jì)和灰塵盒滿(mǎn)防滿(mǎn)的傳感器設(shè)計(jì)。（1）防撞傳感器的設(shè)計(jì)為了防止掃地機(jī)器人裝上各種各樣的家具，設(shè)計(jì)在機(jī)器人的側(cè)邊均勻的放置4個(gè)紅外線傳感器。紅外線傳感器可以在短時(shí)間內(nèi)探測(cè)到遠(yuǎn)處的障礙物，當(dāng)掃地機(jī)器人遇到障礙物時(shí)，紅外線傳感器可以及時(shí)的探測(cè)到，機(jī)器人就可以通過(guò)避障程序控制機(jī)器人轉(zhuǎn)彎，繞過(guò)障礙物行走，從而達(dá)到避障的目的。圖3-5掃地機(jī)器人防撞傳感器分布示意圖（2）防跌落傳感器的設(shè)計(jì)為了防止掃地機(jī)器人從懸空處跌落，設(shè)計(jì)在掃地機(jī)器人的底部、3三個(gè)輪子的附近放置3個(gè)防跌落傳感器。超聲波傳感器是一種可以測(cè)量距離的傳感器，超聲波傳感器發(fā)射超聲波，超聲波到達(dá)被測(cè)物體表面后被反射回去，通過(guò)超聲波

40、傳感器接收到反射回去的超聲波的時(shí)間可計(jì)算出超聲波傳感器與被測(cè)物體的距離。當(dāng)掃地機(jī)器人檢測(cè)到機(jī)體下懸空時(shí)，超聲波傳感器利用超聲波測(cè)出掃地機(jī)器人與地面之間的距離，當(dāng)測(cè)量值超出限定值時(shí)，掃地機(jī)器人通過(guò)防跌落程序控制機(jī)器人離開(kāi)，從而達(dá)到防跌落地目的。圖3-6掃地機(jī)器人遇臺(tái)階時(shí)示意圖（3）塵盒防滿(mǎn)的傳感器設(shè)計(jì)為了檢測(cè)掃地機(jī)器人的集塵盒是否裝滿(mǎn)，在塵盒滿(mǎn)時(shí)可以及時(shí)發(fā)出提示，讓用戶(hù)及時(shí)清理集塵盒，設(shè)計(jì)在塵盒相對(duì)兩側(cè)的最高點(diǎn)安裝變介質(zhì)型電容傳感器。當(dāng)塵盒裝滿(mǎn)時(shí)，兩側(cè)的變介質(zhì)電容傳感器之間的介質(zhì)就由空氣變成了灰塵，由于空氣的介電常數(shù)和灰塵的介電常數(shù)不一樣，電容傳感器的電容值就發(fā)生了變化。當(dāng)電容器傳感器的只發(fā)生變

41、化時(shí)，就意味著塵盒已裝滿(mǎn)灰塵，需要清理了。圖3-7 電容傳感器的位置示意圖路徑規(guī)劃方法機(jī)器人的路徑規(guī)劃方法可以分為隨機(jī)覆蓋法和非隨機(jī)覆蓋法，分隨機(jī)覆蓋法包括人工勢(shì)場(chǎng)法、柵格法、模板模型法和人工智能法，其中的人工智能法又可以分為模糊控制算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)路徑規(guī)劃和遺傳算法。本設(shè)計(jì)采用簡(jiǎn)單的隨機(jī)覆蓋法。機(jī)器人采用隨機(jī)覆蓋法不需要對(duì)環(huán)境有預(yù)先的了解，它屬于未知環(huán)境的路徑規(guī)劃。其采用的策略是讓掃地機(jī)器人直線行進(jìn)，在遇到障礙物時(shí)再通過(guò)避障程序使機(jī)器人轉(zhuǎn)向，避開(kāi)障礙物后繼續(xù)直線行進(jìn)。掃地機(jī)器人的控制程序設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的控制程序設(shè)計(jì)主要包括主程序設(shè)計(jì)、防撞子程序設(shè)計(jì)、防跌落子程序設(shè)計(jì)和充電尋找子程序設(shè)計(jì)。（1）程序

42、初始化一般程序開(kāi)始前都要進(jìn)行程序初始化，或者程序故障時(shí)也要進(jìn)行初始化，初始化的目的是使變量等回到初始值。（2）主程序的設(shè)計(jì)系統(tǒng)初始化后就執(zhí)行主程序，首先對(duì)系統(tǒng)執(zhí)行電壓檢測(cè)程序，如果電壓檢測(cè)程序結(jié)果顯示為YES則執(zhí)行充電尋找子程序，找到充電基座后執(zhí)行充電程序，充電完成后再執(zhí)行一次電壓檢測(cè)程序，確定充電完成后則執(zhí)行清掃程序，在掃地機(jī)器人移動(dòng)的過(guò)程中，執(zhí)行障礙檢測(cè)程序和懸空子程序，如果遇到障礙物則執(zhí)行避障子程序，如果遇到階梯或懸空的地面則執(zhí)行防跌落子程序，避開(kāi)障礙物和懸空區(qū)后則繼續(xù)運(yùn)行清掃程序。主程序流程圖如下圖3-8。圖3-8 主程序流程圖（3）防撞子程序的設(shè)計(jì)防撞子程序用來(lái)控制掃地機(jī)器人轉(zhuǎn)彎從而

43、確保機(jī)器人不會(huì)撞上障礙物，而是從障礙物的旁邊繞開(kāi)。當(dāng)傳感器1檢測(cè)到有障礙物存在時(shí)，執(zhí)行右轉(zhuǎn)程序后返回避障程序；當(dāng)傳感器2檢測(cè)到有障礙物存在時(shí)則先執(zhí)行后退程序然后再執(zhí)行右轉(zhuǎn)程序后返回避障程序；當(dāng)傳感器3檢測(cè)到有障礙物存在時(shí)執(zhí)行左轉(zhuǎn)程序后返回避障程序；當(dāng)傳感器4檢測(cè)到有障礙物存在時(shí)則執(zhí)行右轉(zhuǎn)程序。這里的傳感器指的都是防撞傳感器。防撞子程序流程圖如下圖3-9。圖3-9 防撞子程序流程圖（4）防跌落子程序的設(shè)計(jì)防跌落子程序主要是防止掃地機(jī)器人從樓梯上跌落而摔壞。當(dāng)掃地機(jī)器人懸空檢測(cè)結(jié)果顯示機(jī)器人機(jī)身下方出現(xiàn)懸空時(shí)，防跌落子程序運(yùn)行。傳感器1位于萬(wàn)向輪的前方，傳感器2和傳感器3分別位于兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的旁邊。

44、當(dāng)傳感器1檢測(cè)到懸空時(shí)，先執(zhí)行后退程序再執(zhí)行左轉(zhuǎn)程序后返回防跌落檢測(cè)程序；當(dāng)傳感器2檢測(cè)到懸空時(shí)，先執(zhí)行前進(jìn)程序再執(zhí)行右轉(zhuǎn)程序后返回防跌落檢測(cè)程序；當(dāng)傳感器3檢測(cè)到懸空時(shí)，先執(zhí)行前進(jìn)程序再執(zhí)行左轉(zhuǎn)程序后返回防跌落檢測(cè)程序。這里的傳感器指的是防跌落子程序。防跌落子程序流程圖如下圖3-10。圖3-10 防跌落子程序流程圖（5）充電尋找子程序當(dāng)主程序運(yùn)行時(shí)最先進(jìn)行的就是電壓檢測(cè)程序，當(dāng)電壓不夠時(shí)，機(jī)器人就要執(zhí)行充電尋找子程序去尋找充電基座進(jìn)行充電，目的是保證掃地機(jī)器人有足夠的動(dòng)力去執(zhí)行完成清掃工作。當(dāng)紅外線探頭沒(méi)有接收到充電基座發(fā)出的紅外發(fā)射信號(hào)時(shí)，執(zhí)行防撞子程序和防跌落子程序；而當(dāng)接收到紅外發(fā)射信

45、號(hào)時(shí)則執(zhí)行充電尋找子程序，此時(shí)需要關(guān)閉防撞子程序。充電尋找子程序流程圖如下圖3-11。圖3-11 充電尋找子程序流程圖本章小結(jié)本章主要介紹了整個(gè)掃地機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括了掃地機(jī)器人的外形設(shè)計(jì)、移動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、傳感器的設(shè)計(jì)、電機(jī)的設(shè)計(jì)和控制程序的設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)將機(jī)器人的外形設(shè)計(jì)為高度為10cm、半徑為20cm的圓盤(pán)形；將移動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為由兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪一個(gè)萬(wàn)向輪組成的三輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)；將實(shí)現(xiàn)掃地機(jī)器人避障功能的傳感器設(shè)計(jì)為紅外線傳感器，實(shí)現(xiàn)掃地機(jī)器人的防跌功能的傳感器為超聲波傳感器，實(shí)現(xiàn)掃地機(jī)器人的塵盒防滿(mǎn)功能的傳感器為電容傳感器；而對(duì)路徑規(guī)劃的選擇，則設(shè)計(jì)采用隨機(jī)覆蓋法，即直行遇障后轉(zhuǎn)

46、向繼續(xù)直行；同時(shí)還進(jìn)行了掃地機(jī)器人的主程序和防撞子程序等程序設(shè)計(jì)。機(jī)器人建模實(shí)現(xiàn)方法引言本章將上章設(shè)計(jì)好的機(jī)器人模型在Webots仿真平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，包括環(huán)境建模、機(jī)器人建模和控制器的實(shí)現(xiàn)。Webots仿真軟件介紹Webots軟件是由瑞士聯(lián)邦技術(shù)研究院研發(fā)的一款集建模、編程、仿真和程序移植為一體的多功能專(zhuān)業(yè)化機(jī)器人研究軟件，它是一款商業(yè)化的機(jī)器人仿真軟件，目前有多所大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)采用它進(jìn)行相關(guān)的機(jī)器人研究工作。Webots仿真軟件是基于VRML（虛擬現(xiàn)實(shí)語(yǔ)言）對(duì)環(huán)境和機(jī)器人進(jìn)行建模仿真的，它具有良好的人機(jī)交互功能。Webots的用戶(hù)界面主要由四部分組成：場(chǎng)景樹(shù)編輯窗口、3D模型的顯示窗口、機(jī)器人控

47、制程序的編輯窗口和顯示對(duì)象參數(shù)信息的輸出窗口。圖4-1 Webots仿真環(huán)境Webots機(jī)器人仿真主要由以下幾個(gè)步驟：環(huán)境建模、機(jī)器人建模、參數(shù)設(shè)置、編輯控制程序和仿真實(shí)驗(yàn)。流程如圖3-1：圖4-2 基于Webots軟件的機(jī)器人設(shè)計(jì)流程圖Webots采用ODE（開(kāi)源物理引擎）對(duì)仿真模型的物理屬性進(jìn)行精確模擬，檢測(cè)物體碰撞和模擬剛性結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性，可以模擬物體的速度、慣性等物理特性。在編程方面，Webots支持多種語(yǔ)言，可以使用C、C+、MATLAB、Python和JAVA等計(jì)算機(jī)語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)。環(huán)境建模不同的機(jī)器人都有其對(duì)應(yīng)的特定工作環(huán)境，掃地機(jī)器人的工作環(huán)境一般是家庭環(huán)境等，所以我們?cè)陂_(kāi)始建

48、模時(shí)，先為掃地機(jī)器人建立一個(gè)模擬房間的環(huán)境。環(huán)境包括地面、圍墻、燈源和家具。（1）地面建模：每當(dāng)打開(kāi)一個(gè)新建的世界窗口時(shí)場(chǎng)景樹(shù)里都會(huì)自帶一個(gè)面積為1m1m的地面實(shí)體節(jié)點(diǎn)（solid）,將其面積換成為10m10m，即將地面的四個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)按順序設(shè)置為5 0 5、-5 0 5、-5 0 -5、5 0 -5，為了使地面更有真實(shí)感，我們可以將地面的方格圖形換成木地板的圖片：將木地板的網(wǎng)址輸入appearance節(jié)點(diǎn)的來(lái)源中。設(shè)置效果如下圖3-3（a）。圖4-3（a） 地面設(shè)置效果（2）圍墻建模：選擇場(chǎng)景樹(shù)窗口中的最后一個(gè)實(shí)體節(jié)點(diǎn)，然后單擊插入按鈕。選擇一個(gè)實(shí)體節(jié)點(diǎn)。從+號(hào)打開(kāi)新創(chuàng)建的new node，并在

49、其name字段中鍵入“wall”。選擇children字段后插入Shape節(jié)點(diǎn)。打開(kāi)此shape節(jié)點(diǎn)，選擇appearance字段，并從“new node”按鈕創(chuàng)建“Appearance”節(jié)點(diǎn)。使用相同的技術(shù)在“Appearance”節(jié)點(diǎn)的素材字段中創(chuàng)建一個(gè)“Material”節(jié)點(diǎn)。選擇Material節(jié)點(diǎn)的diffuseColor字段，然后選擇粉紫色來(lái)定義墻壁的顏色。接著通過(guò)設(shè)置圍墻的交點(diǎn)坐標(biāo)設(shè)置墻體形狀，坐標(biāo)設(shè)置如下圖3-3（b）。為了防止機(jī)器人穿過(guò)墻壁，我們必須定義墻的boundingObject字段來(lái)設(shè)定墻的邊界。圖4-3（b） 墻角坐標(biāo)設(shè)置（3）燈源設(shè)置：設(shè)置四個(gè)相同點(diǎn)光源（Poin

50、tLight）均勻的分布在房間的四個(gè)角模擬燈光，使房間的每一角落都能被照到。選擇ambientIntensity（環(huán)境亮度）將其設(shè)為1，選擇intenuation（強(qiáng)度）并設(shè)為0.6，更改其坐標(biāo)為0.48 2.9 0.48，并將這個(gè)點(diǎn)光源節(jié)點(diǎn)復(fù)制粘貼三次作為其他三個(gè)點(diǎn)光源，分別將其坐標(biāo)改為0.48 2.9 -0.48、-0.48 2.9 0.48、-0.48 2.9 0.48。（4）放置家具：經(jīng)過(guò)以上步驟，我們已經(jīng)建好了一個(gè)空的房間，我們接下來(lái)就為房間添加一些家具。在webots中，已經(jīng)有了搭好的一些仿實(shí)物的實(shí)體節(jié)點(diǎn)，我們只要在增加節(jié)點(diǎn)中的“PROTO（webots）”中選擇并加入就可以了。如

51、添加一個(gè)椅子，選擇場(chǎng)景樹(shù)窗口中的最后一個(gè)實(shí)體節(jié)點(diǎn)，然后單擊插入按鈕，在增加節(jié)點(diǎn)窗口中選擇PROTO（webots）并選中其中的SimpleTable（Solid）后加入。圖4-3（c） 環(huán)境一角機(jī)器人建模掃地機(jī)器人的建模主要包括掃地機(jī)器人的身體、掃地機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)和添加掃地機(jī)器人的傳感器及設(shè)置參數(shù)等。（1）建立掃地機(jī)器人的身體：在場(chǎng)景樹(shù)窗口中選擇最后一個(gè)實(shí)體節(jié)點(diǎn)。在之后插入Robot節(jié)點(diǎn)，將其名稱(chēng)設(shè)置為“robot”。在children字段中，首先引入一個(gè)包含帶有圓柱體的形狀的shape節(jié)點(diǎn)，然后在其子節(jié)點(diǎn)幾何節(jié)點(diǎn)里設(shè)置它的高度為10cm,半徑為20cm。圖4-4（a） 掃地機(jī)器人的身體（2

52、）增加掃地機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)：在剛才的Robot節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)中再添加一個(gè)servo（伺服節(jié)點(diǎn)）節(jié)點(diǎn)，伺服節(jié)點(diǎn)是在機(jī)械仿真中增加（主動(dòng)或被動(dòng)）自由度，可用于模擬旋轉(zhuǎn)（電機(jī)）或線性運(yùn)動(dòng)；然后在servo節(jié)點(diǎn)的子字段添加輪子的實(shí)體節(jié)點(diǎn)設(shè)置輪子的形狀，在這里要注意修改rotation的參數(shù)，旋轉(zhuǎn)輪子驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸，使其垂直于y軸，平行于xoz平面，其中rotation的alpha參數(shù)表示的是旋轉(zhuǎn)的角度：1.57表示旋轉(zhuǎn)了90、3.14表示旋轉(zhuǎn)了180；另外，輪子需要特別設(shè)置一些物理量如彈性、質(zhì)量、摩擦因數(shù)等，這些都在physics節(jié)點(diǎn)里設(shè)置；最后對(duì)輪子定義一個(gè)邊界。圖4-4（b） 掃地機(jī)器人的輪子（3）

53、添加傳感器：傳感器相當(dāng)于機(jī)器人的視覺(jué)，本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人避障功能的傳感器為紅外線傳感器，實(shí)現(xiàn)防跌落功能的是超聲波傳感器，傳感器的類(lèi)別可以在傳感器節(jié)點(diǎn)里的type進(jìn)行設(shè)置。首先還是在剛才的Robot節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)中添加一個(gè)DistanceSensor節(jié)點(diǎn)，然后設(shè)置傳感器的形狀在定義其在機(jī)器人身體上的位置，同時(shí)要注意旋轉(zhuǎn)傳感器的方向，使防撞傳感器向外，防跌傳感器向下對(duì)準(zhǔn)地面；在傳感器節(jié)點(diǎn)里可以對(duì)傳感器的射線和孔徑大小等進(jìn)行設(shè)定，射線數(shù)量無(wú)限制但數(shù)量太多會(huì)影響機(jī)器人的性能，所以對(duì)于防撞傳感器統(tǒng)一將numberOfRays設(shè)為6、aperture設(shè)為1.5，而防跌傳感器只要將numberOfRays設(shè)為1

54、、aperture設(shè)為0.1就可以了。圖4-4（b） 掃地機(jī)器人的傳感器在以上設(shè)置完成后，要對(duì)整個(gè)機(jī)器人設(shè)置一個(gè)邊界，并設(shè)置其物理特性?？刂破鞯膶?shí)現(xiàn)在向?qū)е羞x擇新建機(jī)器人控制器，選擇C語(yǔ)言作為編程語(yǔ)言。在程序的編輯界面，新建的控制器給出了主函數(shù)的結(jié)構(gòu)和包括循環(huán)的語(yǔ)句，在機(jī)器人的控制原理上，按照設(shè)計(jì)的機(jī)器人程序結(jié)構(gòu)進(jìn)行程序編輯。程序主要包括主程序和防撞、防跌、自動(dòng)回充等子程序。在程序主函數(shù)中通過(guò)wb_robot_int( )函數(shù)初始化控制程序和機(jī)器人模型之間的通信，然后通過(guò)wb_robot_get_device( )函數(shù)來(lái)獲取設(shè)備如電機(jī)等并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，再通過(guò)wb_distance_sensor

55、_enable( )函數(shù)來(lái)使能距離傳感器，通過(guò)分析傳感器的信息，控制運(yùn)動(dòng)速度和方向。圖4-5 控制器的主函數(shù)結(jié)構(gòu)本章小結(jié)本章主要首先簡(jiǎn)單介紹了webots軟件和用webots軟件進(jìn)行機(jī)器人建模的流程；然后詳細(xì)地講述了掃地機(jī)器人的環(huán)境搭建，將環(huán)境設(shè)置為10m10m的房間并搭建了圍墻和添置家具；接著介紹了掃地機(jī)器人模型的實(shí)現(xiàn)方法：先用solid節(jié)點(diǎn)將掃地機(jī)器人的身體設(shè)置機(jī)器人的身體部分，然后通過(guò)servo節(jié)點(diǎn)添加掃地機(jī)器人的輪子，最后添加傳感器充當(dāng)掃地機(jī)器人的視覺(jué)；本章還介紹了掃地機(jī)器人的控制器的實(shí)現(xiàn)方法。仿真結(jié)果分析引言在模型搭建完成之后，開(kāi)始在仿真平臺(tái)上運(yùn)行，其運(yùn)行結(jié)果可以反映掃地機(jī)器人的設(shè)計(jì)

56、是否成功。掃地機(jī)器人應(yīng)具備的能力為清潔能力、防撞能力、防跌能力等。仿真結(jié)果分析（1）清掃功能經(jīng)過(guò)仿真運(yùn)行，掃地機(jī)器人在完成清潔任務(wù)時(shí)的運(yùn)行連續(xù)效果圖如圖5-1。當(dāng)掃地機(jī)器人經(jīng)過(guò)有垃圾的地面時(shí)，垃圾就被掃地機(jī)器人機(jī)體內(nèi)一直運(yùn)行著的高速旋轉(zhuǎn)電機(jī)形成的吸力吸進(jìn)機(jī)體內(nèi)的集塵盒里，清掃過(guò)后的地面上沒(méi)有了垃圾，變得干干凈凈。圖5-1 掃地機(jī)器人的清掃過(guò)程（a）圖5-1 掃地機(jī)器人的清掃過(guò)程（b）圖5-1 掃地機(jī)器人的清掃過(guò)程（c）（2）防撞功能經(jīng)過(guò)仿真運(yùn)行，掃地機(jī)器人在遇到障礙物后避開(kāi)障礙物時(shí)的運(yùn)行連續(xù)效果圖如圖5-2。當(dāng)掃地機(jī)器人遇到障礙物并且距離障礙物的距離已經(jīng)很近達(dá)到了限定值時(shí)，機(jī)器人開(kāi)始執(zhí)行避障程

57、序，圖中避障傳感器1檢測(cè)到了障礙物，于是開(kāi)始向右轉(zhuǎn)，漸漸地避開(kāi)了障礙物。圖5-2 掃地機(jī)器人的避障過(guò)程（a）圖5-2 掃地機(jī)器人的避障過(guò)程（b）圖5-2 掃地機(jī)器人的避障過(guò)程（c）（3）防跌功能經(jīng)過(guò)仿真運(yùn)行，掃地機(jī)器人在遇到懸空后避開(kāi)懸空時(shí)的運(yùn)行連續(xù)效果圖如圖5-2。當(dāng)掃地機(jī)器人的防跌傳感器測(cè)到的距離突然變得很大時(shí)，掃地機(jī)器人開(kāi)始執(zhí)行防跌程序。圖中掃地機(jī)器人的萬(wàn)向輪前的防跌傳感器在前行的過(guò)程中測(cè)到的距離突然變得很大，超過(guò)了限定值，于是機(jī)器人開(kāi)始后退，當(dāng)傳感器測(cè)到的距離回復(fù)正常之后，掃地機(jī)器人漸漸地向右轉(zhuǎn)，這樣掃地機(jī)器人就不會(huì)跌落下去來(lái)了。圖5-3 掃地機(jī)器人的防跌過(guò)程（a）圖5-3 掃地機(jī)器人

58、的防跌過(guò)程（b）圖5-3 掃地機(jī)器人的防跌過(guò)程（c）圖5-3 掃地機(jī)器人的防跌過(guò)程（d）圖5-3 掃地機(jī)器人的防跌過(guò)程（e）本章小結(jié)本章對(duì)各掃地機(jī)器人模型的運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行了分析總結(jié)，從整體上看，本設(shè)計(jì)運(yùn)行效果良好，基本能達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，但還有待提高。總結(jié)與展望總結(jié)本文主要在Webots仿真平臺(tái)上設(shè)計(jì)了一個(gè)掃地機(jī)器人的3D仿真模型，分別對(duì)其進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)建模和的仿真圖形的搭建。本設(shè)計(jì)在完成本文設(shè)計(jì)的主要工作如下：（1）掃地機(jī)器人分析。在開(kāi)始設(shè)計(jì)前，先查閱掃地機(jī)器人的相關(guān)資料，包括上淘寶看各個(gè)品牌的掃地機(jī)器人參數(shù)價(jià)格和去圖書(shū)館查找掃起機(jī)器人的理論概念，明白掃地機(jī)器人的基本構(gòu)成和功能，然后明確自己所要設(shè)計(jì)的掃地機(jī)器人需要是什么模樣，要完成什么樣功能，需要怎樣控制，從而逐步完成任務(wù)。（2）掃地機(jī)器人模型的設(shè)計(jì)。根據(jù)所學(xué)的理論知識(shí)，設(shè)計(jì)掃地機(jī)器人的形狀