基于行为设计的自主式小型移动机器人系统研究本科毕业设计论文(编辑修改稿)

基于行为设计的自主式小型移动机器人系统研究本科毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

在机器人学科应用 ............................................................................... 28 机器人红外传感器 ......................................................................................... 30 机器鼠传感器设计方案 ................................................................................... 34 第 4 章 机器鼠四相步进电机及驱动电路设计 ........................ 38 步进电机控制概况 ............................................................................................. 38 反应式步进电动机的结构及工作原理 ................................................................. 39 步进电机功率的确定 ......................................................................................... 43 驱动电源 ........................................................................................................... 45 步进电动机的控制 ......................................................................................... 47 机器鼠所使用的步进电机驱动电路 ................................................................. 49 单片机控制 ....................................................................................................... 53 单片机控制程序流程图 ...................................................................................... 64 第 5 章 基于机器鼠控制系统的一种实用自主吸尘机器人机械部分设计 .. 69 差动式车体运动学分析 ...................................................................................... 70 驱动轮机 构组成 ................................................................................................ 74 随动轮机构组成 ................................................................................................ 79 结 论 .......................................................... 81 致 谢 .......................................................... 83 参考文献 ....................................................... 85 附录一： C 语言单片机控制程序 .................................. 88 附录二： PCB 印刷图 ............................................ 88 附录三： 外文翻译 .............................................. 88 附录四： 实习报告 .............................................. 88 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 1 页 第 1 章 绪论 “机器人”一词起源于捷克语，意为强迫劳动力或奴隶。 这个词是由剧作家 Karel Capek 引入的，他虚构创作的机器人很像 Frankenstein 博士的怪物 － 由化学和生物学方法而不是机械方法创造的生物。 但现在流行文 化中的机械机器人和这些虚构的生物创作物没有多大区别。 欧美国家认为：机器人应该是由 计算机控制 的通过编排程序具有可以变更的多功能的自动机械，但是日本不同意这种说法。 日本人认为“机器人就是任何高级的自动机械”，这就把那种尚需一个人操纵的机械手包括进去了。 因此，很多日本人概念中的机器人，并不是欧美人所定义的。 现在，国际 上对机器人的概念已经逐渐趋近一致。 一般说来，人们都可以接受这种说法，即机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。 联合国 标准化组织 采纳了美国机器人 协会 给机器人下的定义：“一种可编程和多功能的，用来搬运 材料 、零件、 工具 的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可改变和可 编程动作的专门系统。 ” [43] 机器人能力的 评价 标准包括：智能，感觉和感知，包括 记忆 、 运算 、 比较 、鉴别、判断、决策、学习和 逻辑推理 等；机能，指变通性、通用性或空间占有性等；物理能，指力、速度、连续运行能力、 可靠性 、联用性、 寿命 等。 因此，可以说机器人是具有生物功能的空间三维坐标机器。 基本上，一个机器人包括：  机械设备，如可以与周围环境进行交互的车轮平台、手臂或其它构造。  设备上或周围的传感器，可以感知周围环境并向设备提供有用的反馈。  根据设备当前的情况处理传感输入，并按照情况指示系统执行相应动作的系统。 机器人技术作为 20 世纪人类最 伟大 的 发明 之一，自 60年代初问世以来，经历40 年的发展已取得长足的进步。 工业机器人在 经历 了诞生 —— 成长 —— 成熟 期后，已成为制造业中不可少的 核心 装备，世界上有约 75万台工业机器人正与工人 朋友 并肩 战斗 在各条 战线 上。 特种机器人作为机器人家族的 后起之秀 ，由于其用途广泛而大有后来居上之势，仿人形机器人、农业机器人、服务机器人、水下机器人、医疗机器 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 2 页 人、军用机器人、娱乐机器人等各种用途的特种机器人 纷纷 面世，而且正以飞快的 速度 向实用化迈进。 在制造业领域，机器人的开发集中在执行制造过程的工程机器人手臂上。 在航天工业中，机器人技术集中在高度专业的一种行星漫步者上。 不同于一台高度自动化的制造业设备，行星漫步者在月亮黑暗的那一面工作：没有无线电通讯或可能碰到意外的情况。 至少，一个行星漫步者必须具备某种传感输入源、某种解释该输入的方法和修改它的行动以响应改变着的世界的方法。 此外，对感知和适应一个部分未知的环境的需求需要智能（换句话说就是人工智能）。 从军事科技和空间探索到健康产业和商业，使用机器人的优势已经被认识 到了这种程度：它们正在成为我们集体经验和日常生活的一部分，能把我们从危险和枯燥中解脱出来 [7]：  安全 ：机器人技术已经被开发用于处理核能和放射性化学制品的很多不同用途，包括核武器、电厂、环境清洁和某些药品的处理。  不愉快的事 ：机器人执行很多乏味、不愉快但必需的任务，如焊接和看门工作。  重复和精度 ：装配线工作已经成为机器人技术工业的一个中流砥柱。 机器人被广泛地用于制造业，而且，在强调最小维护需求的空间探索中，使用机器人更具有吸引力。 其中 移动机器人 （ mobile robot） 是一种由传感器、遥控操作器 和自动控制的移动载体组成的机器人系统。 移动机器人具有移动功能，在代替人从事危险、恶劣（如辐射、有毒等）环境下作业和人所不及的（如宇宙空间、水下等）环境作业方面，比一般机器人有更大的机动性、灵活性。 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 3 页 图 11 四足移动机器人 60 年代后期，美国和苏联为完成月 球探测计划，研制并应用了移动机器人。 美国“探测者” 3 号 ,其操作器在地面的遥控下，完成了在月球上挖沟和执行其他任务。 苏联的“登月者” 20号在无人驾驶的情况下降落在月球表面，操作器在月球表面钻削岩石，并把土壤和岩石样品装进回收容器并送回地球。 70 年代初期，日本早稻田大学研制出具有仿人功能的两足步行机器人。 为适应原子能利用和海洋开发的需要，极限作业机器人 和 水下机器人 也发展较快。 移动机器人随其应用环境和移动方式的不同，研究内容也有很大差别。 其共同的基本技术有传感器技术、移动技术、操作器、控制技术、人工智能等方面。 它有相当于人的眼、耳、皮肤的视觉传感器、听觉传感器和触觉传感器。 移动机构有轮式（如四轮式、两轮式、全方向式、履带式）、足式（如 6 足、 4足、 2足）、混合式 (用轮子和足 )、特殊式 (如吸附式、轨道式、蛇式 )等类型。 轮子适于平坦的路面，足式移动机构适于山岳地带和凹凸不平的环境。 移动机器人的控制方式从遥控、监控向自治控制发展，综合应用机器视觉、问题求解、专家系统等人工智能等技术研制自治型移动机器人。 图 12 火星探索车 移动机器人除用于宇宙探测、海洋开发和原子能等领域外，在工厂自动化、建筑、采矿、排险、军事、服务、农业等方面也有广泛的应用前景。 在移动机器人相关技术的研究中，导航技术是 其核心，而路径规划是导航研究的一个重要环节和课题。 所谓路径规划是指移动机器人按照某一性能指标 (如距离、时间、能量等 )搜索一条从起始状态到目标状态的最优或次优路径。 路径规划主要涉及的问题包括：利用获得的移动机器人环境信息建立较为合理的模型，再用某种算法寻找一条从起始状态到目标状态的最优或近似最优的无碰撞路径；能够处理环境模型中 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 4 页 的不确定因素和路径跟踪中出现的误差，使外界物体对机器人的影响降到最小；如何利用已知的所有信息来引导机器人的动作，从而得到相对更优的行为决策。 目前，对于移动机器人路径规划技术的研究已经取得 了大量的成果，许多问题获得了比较满意的答案。 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 5 页 第 2 章 移动机器人路径规划方法的分类及现状 从到目前为止的研究来看，移动机器人路径规划方法主要可以分为以下三种类型： 基于事例的学习规划方法 基于事例的学习规划方法依靠过去的经验进行学习及问题求解，一个新的事例可以通过修改事例库中与当前情况相似的旧的事例来获得。 将其应用于移动机器人的路径规划中可以描述为：首先，利用路径规划所用到的或已产生的信息建立一个事例库，库中的任一事例包含每一次规划时的环境信息 和路径信息，这些事例可以通过特定的索引取得；随后，将由当前规划任务和环境信息产生的事例与事例库中的事例进行匹配，以寻找出一个最优匹配事例，然后对该事例进行修正，并以此作为最后的结果。 移动机器人导航需要良好的自适应性和稳定性，而基于事例的方法能满足这个需求。 Ram A 将基于事例的在线匹配和增强式学习相结合，提高了机器人的自适应性能，较好地适应了环境的变化。 利用基于事例的方法时要注意保持事例库中的事例数量，以防止增加机器人在线规划时间或产生信息爆炸问题。 Marefat M 把基于事例的方法作为一个特征辅助规划与 全局规划结合从而提高了全局规划的效率。 Krusmaa M 通过创建种群事例库在理论上覆盖了关于路径搜寻问题所有可能的路径解空间，克服了启发式搜索方法在此方面的缺陷 [16]。 图 21 深海机器人 近年来，自主式水下机器人由于其在海底资源探测上的优势而受到各国的关注，但因为水下环境十分复杂 (能见度差、定位困难等 )，导致一般的规划方法都难以奏效，而水下环境的拥挤程度相对较低、机器人工作在同一区域的可能性较大这一特征恰好。