室内巡视机器人设计和仿真与实现_本科毕业设计(编辑修改稿)

室内巡视机器人设计和仿真与实现_本科毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

控制，是机器人进行手动巡视。 宁波大学 信息科学与工程学院 本科毕业设计（论文） 3 2 室内巡视机器人 设计 的总体方案 研究任务 本文的研究任务主要为机器人的自动巡视和手动控制巡视两部分，其中包括路径规划，避障，实时图像显示等内容。 寻找一种合理，有效，方便，成熟的方法来到达我们所要求的设计要求，是机器人在室内的巡视效果到达最佳。 仿真 机器人的 组成 本次研究中所使用的 仿真 机器人是采用轮式结构，由 2 个驱动轮和一个辅助轮组成，此外还安装有激光传感器，摄像头。 激光传感器 本文中 所用的 仿真 激光传感器是 按照 德国 SICK 公司生产的 LMS200 设计的 ，它的扫描范围最大可以到达 8m，扫描角度为 180176。 ，而将这个 180176。 的半圆分成 0~360 共 361 份，其角度分辨率为 176。 一份。 如图 所示。 图 激光传感器扫描范围示意图 摄像头 本文中 所用的 仿真 摄像头是按照日本 SANYO 公司生产的 CCD 设计的，它主要将机器人在室内巡视时所到的地方的图像显示在窗口中，便于我们观察，有利于我们对室内的一切状况进行 实时的监控。 一旦遇到什么情况，我们可以第一时间知道并及时的做出相应的正确的反应。 宁波大学 信息科学与工程学院 本科毕业设计（论文） 4 差分驱动轮 本次研究中 所使用的 仿真 机器人是采用轮式结构，由 2 个驱动轮和一个辅助轮组成。 因此机器人所能完成的动作主要通过对 仿真 机器人左右轮的不同控制来实现的 ， 现在我们分别设仿真机器人的左轮子的速度为 1v ，右轮子的速度为 rv ， 如图 所示。 图 机器人平面图 接下来，我们 对二 轮 差分轮式移动机器人 进行 相关的 分析 ， 现在 分别设仿真机 器人的左轮子的速度为 1v ，右轮子的速度为 rv。 图 机器人位置和姿势 示意图 宁波大学 信息科学与工程学院 本科毕业设计（论文） 3 则 将仿真 机器人的 左右轮子的速度 1v ， rv 转换成 线速度 v 及角速度  分别为 :   11v 2drrvvvv   （ 21） 式中 d 为 仿真机器人右边轮子到左边轮子的距离。 根据图 ， 机器人的位置和姿势的表达形式 为 ( x ， y ， θ ) ， 其中 ( x ， y) 为 机器人重心到坐标轴边界的距离 ， θ 为机器人 与坐标轴 X的夹角 ， 则 x= cosy= sin= （ 22） 式 （ 22） 说明，我们可以讲对机器人线速度和角速度的控制转化对机器人左右轮子的速度的控制。 现在我们重新来 定义 一个新的函数关系式 d =f (x ， y) ， 其中 (x ， y)为 仿真 机器人 此时此刻所处的地理 位置 ， 而 f ( x ， y)= 0为 我们期望机器人所做的运动轨迹 ， 则 x y x2 2 2 2 2x x y y x y y x2 2 2 2 2x x y y x yy y x yd = f x + f y = f c o s sind = f c o s f sin 2 f c o s sin f c o s f sinf c o s f sin 2 f c o s sin== f c o s f sin                               （）（ ） （ 23） 式中 ，  为 我们刚刚设的控制变量。 由式 （ 23） 得 : d= 室内巡视机器 人的 开发环境 仿真环境 Microsoft Robotics Developer Studio 20xx R3 本文所采用的仿真环境是 Microsoft Robotics Developer Studio 20xx R3， 微软机器人 的 通用开发平台 Robotics Developer Studio 20xx 第三个版本 R3 版本 ，简称 RDS 20xx R3。 Robotics Developer Studio 是微软 在 06 年开始 ， 面向机器人应用开发而推出的一 个 平台， 是 基于 .NET Framework 的 开发环境，微软 RDS 支持多种机器人平台，既可以在运行着 Windows 系统的嵌入式 PC 上直接运行，也可以在 Windows PC 上通过蓝牙、 WiFi 等无线连接远程控制。 宁波大学 信息科学与工程学院 本科毕业设计（论文） 6 编程环境 visual studio 20xx 本文所采用的仿真环境是 Microsoft Visual Studio， 是面向 Windows Vista、 Office 20xx、Web 的开发工具。 VS20xx 引入了 250 个新特性，整合了对象、关系型数据、 XML 访问方式，语言更加简洁。 这个版本包含了 众多 版本，分别面向不同的开发角色。 能创建满足关键性要求的 多层次 智能客户端、 Web、 或基于 Microsoft Office 等 应用程序。 使用 Visual Studio 20xx 可以高效 地 开发 Windows 应用程序 ， 可以实时反映变更，智能感知功能可以提高开发效率。 同时 Visual Studio 20xx 支持项目模板、部署程序 和 调试器。 仿真机器人的总体巡视方案 总体巡视方案 室内巡视机器人的总体巡视方案结构框图如 所示。 总体方案主要包括： 激光传感器、摄像头数据的接口，避障， 路径规划， 实时监控，手动控制。 图 总体巡视方案结构框图 传感器数据接口 激光传感器、摄像头数据的接口，它主要是将采集到激光传感器、摄像头的数据实时的传送到机器人。 机器人，巡视的主体，它将接收到的数据进行处理，然后根据程序做出相应的正确的动作，使其能够顺利的进行巡视。 宁波大学 信息科学与工程学院 本科毕业设计（论文） 3 避障 避障， 就是机器人在接收到激光传感器传来的关于前方障碍物的距离信息后，根据已经编写好的程序来控制机器人偏转的方向和角度达到避开障碍物的目的。 本文所采用的避障方法：获取激光数据后，我们可以根据获取的数据编写一个避障的控制程序，即当激光检测到的前方障碍物距离小于 500，就转个方向。 路径规划 路径规划， 路径规划 是 机器人在室内进行巡视的基本环节。 它所要达到的目的是使机器人 在存在障碍物的环境中， 按照 一定的标准 ， 寻找到 一条从 起点 到 终点 的最优或近似最优的无障碍路径。 这里我们可以根据获得的传感器信息 ，即障碍物的尺寸、形状和位置等信息 ，然后对这些信息进行处理，并根据所要到达的效果来设计一条最合适的路径。 本文所采用的路径规划方法是沿墙走，即机器人沿着室内的墙壁进行巡视。 实时监控 实时监控， 它主要将机器人在室内巡视时所到的地方的图像显示在窗口中，便于我们观察，有利于我们对室内的一切状况进行实时的监控。 一旦遇到什么情况，我们可以 第一时间知道并及时的做出相应的正确的反应。 手动控制 手动控制， 虽然自动巡视具有很多的优点，如方便，快捷，自主等，但是也有些不足，比如操作不灵活，功能单一等。 为此我们专门引入了手动控制器来增加操作的灵活性和多样化的功能。 我们 设计出一个 可视化 的 操作界面 来 介入机器人 的 仿真过程，譬如启动 /暂停仿真， 自动 /手动的切换， 手工设置机器人的速度和 前进、后退、左转、右转等。 宁波大学 信息科学与工程学院 本科毕业设计（论文） 8 3 仿真 机器人巡视算法 及 实现 仿真环境建立及编程调试 仿真环境建立 首先启动 Microsoft Visual Simulation Environment 20xx 仿真软件， 选择软件自带的Apartment Environment 场景， 然后在场景中添加一 个差分驱动轮机器人，并且 机器人上添加摄像头、激光传感器。 如下图： 图 仿真环境 控制程序的编写 首先打 开 Visual C 20xx，新建一个项目，选择 Microsoft Robotics 的 DSS Service 模板，如下图，名称命名为 zmh： 宁波大学 信息科学与工程学院 本科毕业设计（论文） 3 图 新建 DSS 模板 点击“确定”后，出现如下选项： （如图 所示） 图 选项卡 宁波大学 信息科学与工程学院 本科毕业设计（论文） 10 点击“ Partners”选项卡，选择希望添加的合作关系，然后点击“ Add as Partner”按钮。 我们在仿真环境中使用了差分驱动轮，激光， Web 摄像头。 因此，总共需要添加四个 Partner：Simulation Engine, Simulated Generic Differential Driver, Simulated Laser Range Finder, Simulated Webcam。 然后点击“ OK”后即可根据选项自动创建项目文件。 总的控制步骤可以概括如下：机器人从 激光 传感器 获得数据→进行运算→输出控制命令。 避障 获取激光数据 对于一个控制程序，一般的步骤是：从机器人的传感器获取传感数据 运算 输出控制命令。 为了获取激光数据，我们去要向激光传感器发送一个 Get 消息，等待其返回后即可得到激光传感器数据了。 因此 定义一个更新激光数据的任务函数： 图 获取激光数据程序 为了使 UpdateLaser 任务不断地重复执行， 我们定义一个计数器消息端口，延时一定时间后就执行 UpdateLaser 任务。 zmhService 类中定义一个时间端口： 图 定义时间端口程序 在类方法 Start 中，启动计时器： IEnumeratorITask UpdateLaser(DateTime dateTime) { var sensorOrFault = ()。 yield return ()。 if (!HasError(sensorOrFault)) { sensorState = ()sensorOrFault。 //激光数据放在 sensorState的 DistanceMeasurements属性中。 } Activate((false, _dateTimePort, UpdateLaser))。 ((60), _dateTimePort)。 yield break。 } PortDateTime _dateTimePort = new PortDateTime()。 宁波大学 信息科学与工程学院 本科毕业设计（论文） 3 图 启动计时器程序 第一句告诉 DSS，当 _dateTimePort 消息来时，执行 UpdateLaser 任务，第一个参数 false表示只执行一次。 由于 _dateTimePort 的消息类型是 DateTime，所以我们需要重新定义UpdateLaser 任务为： IEnumeratorITask UpdateLaser(DateTime dateTime)。 第二句启动一个延时计数，当经过 600 毫秒后，就往 _dateTimePort 发送一个消息。 这样当 600 毫秒之后，就会执行 UpdateLaser 任务。 这样只能执行一次，为了使 UpdateLaser 任务不断重复执行，我们在 UpdateLaser 任务函数的结尾再加上上述两句，这样的话 UpdateLaser 就能不断地重复了。 避障的实现 避障就是机器人在 接收到激光传感器传来的关于前方障碍物的距离信息后，根据已经编写好的程序来控制机器人偏转的方向和角度达到避开障碍物的目的。 本文所采用的避障方法： 获取激光数据后，我们可以根据获取的数据编写一个避障的控制程序，即当激光检测到的前方障碍物距离小于 500mm，就转个方向。 又因为激光数据是180176。 范围的，我们取中间的 60176。 作为障碍判断依据， 如图 所示。 为了更好的实现避障功能，使避障时机器。