機器人設計思路

文檔從網(wǎng)絡中收集，已重新整理排版.word版本可編輯.歡迎下載支持.掃地機器人的設計與實現(xiàn)內(nèi)容摘要：隨著人類發(fā)展和社會進步，智能化在現(xiàn)實生活中的應用越來越廣泛。本文闡述了掃地機器人在無人操控的情況下完成清掃具有桌子、椅子、飲水機和茶幾的室內(nèi)地面的任務。本設計由控制模塊、感知模塊、移動模塊、清潔模塊四大模塊組成?？刂颇K由控制器部分和電源部分構(gòu)成，是整個設計的中心。感知模塊要運用到傳感器，常用的傳感器有感應式傳感器、電容式傳感器、超聲波傳感器、紅外光反射傳感器、碰撞傳感器和感光傳感器。移動模塊一般用到的結(jié)構(gòu)包括步進式、輪式和履帶式及其他方式，輪式和履帶式結(jié)構(gòu)一般用于平滑的地面，而步進式則適合在路況較差的地面上運動。清潔模塊包括吸塵裝置、清掃裝置，吸塵裝置可以吸附地面上較小的垃圾以及灰塵，清掃刷可以除去地面上的頑固污漬。小車采用智能控制技術(shù)，按照規(guī)定路線在室內(nèi)行駛，具有自動發(fā)現(xiàn)垃圾并清潔地面的功能?；贏T89C51單片機和C語言小車能夠?qū)崿F(xiàn)預期的功能。關(guān)鍵字：感知移動清潔Iword版本可編輯.歡迎下載支持.目錄概述 1.1設計目的和設計要求 1.2設計構(gòu)思 設計原理及方案 2.1模塊設計 2.2工作流程 2.3路徑規(guī)劃研究 2.4路徑的實現(xiàn)一一內(nèi)螺旋算法 實驗及其結(jié)果 總結(jié)與心得體會 參考文獻 掃地機器人的設計與實現(xiàn)1.概述1.1設計目的和設計要求隨著人類文明的不斷發(fā)展，科技已經(jīng)深入到了我們生活的方方面面。在當今社會，人們的工作與學習愈加繁忙，機械自動化便順理成章地成為了社會發(fā)展的趨勢，這樣可以極大地提高工作效率。機器人若要實現(xiàn)智能化就必須要能獨立感知外界環(huán)境并作出及時的判斷與處理，隨后觸發(fā)指令并完成相應的動作。本次設計的要求是小車能夠在指定區(qū)域內(nèi)不留遺漏地打掃干凈地面。1.2設計構(gòu)思感知模塊I—S感知模塊I—S移動模塊2.設計原理及方案2.1模塊設計掃地機器人由各功能模塊構(gòu)成，各功能模塊相互協(xié)調(diào)，共同作用，保證機器人的順利工作。掃地機器人的中心是控制模塊，使用了AT89C51單片機，它對其他各功能模塊進行控制。移動模塊負責行走，由驅(qū)動電機，驅(qū)動輪和萬向輪組成，因房間地面平滑，故采用輪式結(jié)構(gòu)。感知模塊負責采集周圍環(huán)境的各種信息。感知模塊由傳感器構(gòu)

成，傳感器的選擇取決于機器人的工作需要，機器人對傳感器的一般要求是:精度高，可重復使用，穩(wěn)定性好，不受外界干擾干擾，質(zhì)量和體積小。綜合這幾點，同時考慮到機器人對避障和清掃任務的要求，感知模塊決定采用超聲波傳感器、紅外線傳感器。清潔模塊由起塵刷、擋塵蓋、清掃電機、清掃刷、集塵室和吸塵風機組成，由于客觀條件的限制，沒有安裝灑水裝置和擦地裝置。圖一和圖二為機械結(jié)構(gòu)圖。萬向輪傳感器起生刷擋塵蓋驅(qū)動輪驅(qū)動電機集塵空清掃的限制，沒有安裝灑水裝置和擦地裝置。圖一和圖二為機械結(jié)構(gòu)圖。萬向輪傳感器起生刷擋塵蓋驅(qū)動輪驅(qū)動電機集塵空清掃電機清掃刷圖一圖估感器底盤驅(qū)劾輪吸塵風機系統(tǒng)也路圖估感器底盤驅(qū)劾輪吸塵風機系統(tǒng)也路2.2工作流程首先啟動機器人，令其開始進行工作。機器人開始工作后便控制吸塵裝置進行吸塵，清掃裝置開始掃地。機器人一旦開始工作，感知模塊就開始不停地搜集周圍的信息，送入控制模塊進行分析處理從而決定機器人的行走路徑。當路徑規(guī)劃需要機器人實現(xiàn)轉(zhuǎn)向的時候，控制模塊便改變兩輪的速度，通過速度差來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。該掃地機器人利用安裝的傳感器獲得房間內(nèi)部的基本信息，例如障礙物的位置，墻壁的位置，然后根據(jù)獲得的信息，采取相應的措施，通過以單片機為核心的控制模塊進行障礙物的判斷、避障方式選擇和前進的實施。2.3路徑規(guī)劃研究所謂機器人路徑規(guī)劃技術(shù)，就是機器人根據(jù)自身的傳感器對環(huán)境的感知，按照某種優(yōu)化指標，在起點和終點之間規(guī)劃出一條與障礙物無碰撞的路徑。路徑規(guī)劃可分為兩類，一種是傳統(tǒng)的從起點到終點的路徑規(guī)劃，它的目標是找到一種兩點間的最優(yōu)路徑，其中包括路程最短，耗時最少，耗能節(jié)約等方面，并且使機器人能正常運行并避開障礙物；另一種是完全遍歷路徑規(guī)劃，這是一種在平面工作范圍中特殊的路徑規(guī)劃，指在滿足某種前提下，找到一條在設定區(qū)域內(nèi)從起點到終點且經(jīng)過所有可達到點的連續(xù)路徑。對于掃地機器人來說，由于它要將整個房間清掃干凈，這就要求它要走遍房間的每一個角落，所以這與一般的移動機器人路徑規(guī)劃不同，它要按照一定的軌跡來運動，同時具有運動的遍歷性和不重復性。遍歷性指的是機器人要盡可能地走遍所有需要清掃的區(qū)域。它反映了機器人的實效性。不重復性指的是機器人的行走路線應盡量避免重復。它反映了機器人的工作效率的高低。同時我們希望路徑是連續(xù)的、不間斷的;機器人能避開所有障礙;清潔機器人行走的總距離和時間最小，以達到最小的能量消耗。在本設計中，我米用的是完全遍歷路徑規(guī)劃，機器人不必去探測垃圾的具體位置，只需走遍房間的每個角落即可，發(fā)現(xiàn)有垃圾便清潔即可。2.4路徑的實現(xiàn)一一內(nèi)螺旋算法內(nèi)螺旋算法是讓機器人沿墻壁移動，進行內(nèi)螺旋式“回”字型路徑規(guī)劃，內(nèi)收縮式的清掃，如圖三。圖中箭頭表示前進方向，直線表示行進路線。在清掃過程中遇到障礙物時，清潔機器人的正常軌跡就會中斷，進入繞障礙的程序，繞障結(jié)束后回歸原來的軌跡。同時清潔的軌跡需要依據(jù)一定的規(guī)則來限定。本路徑規(guī)劃易于實現(xiàn)較大的覆蓋率。這種方法簡單，滿足了遍歷性和不重復性的要求。在整個行進過程中，機器人是從外向內(nèi)運動的。機器人的初始位置是靠墻的。自起點開始，采用“回”字型內(nèi)螺旋式進行清掃，沿順時針方向繞房間沿墻行走，每轉(zhuǎn)一周與墻邊距離增加一個車身的寬度，直至走到房間中心，機器人在每一周的直線運行過程中要保持與墻不變的距離，當遇到障礙物時就繞過障礙物。具體流程如圖四圖三內(nèi)螺旋算法示意圖

3.實驗及其結(jié)果3.實驗及其結(jié)果結(jié)束清掃工作為了驗證方案的可行性，選擇一個房間進行實驗，檢驗機器人是否能按照預先規(guī)劃好的路徑行走且能夠成功避障直到完成清掃任務。同時，通過實驗，對機器人的硬件結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)電路和控制程序的正確性做進一步驗證。機器人在走直線和轉(zhuǎn)彎時均有一定偏差，此外還有漏掃的情況，經(jīng)分析和處理后機器人基本可以完成任務。4.總結(jié)與心得體會在這次設計中，我親自動手制作了機器人，令其完成清潔工作看似是一件容易的事情，但是實際的過程中遇到了很多麻煩。對于出現(xiàn)的各種情況，我采取了相應的辦法。首先要考慮的就是機器人應該分成哪幾個部分，掃地只是它的功能，為此則需要多個模塊來共同實現(xiàn)，首先要有清掃工具，，移動依靠輪子，為了避免撞到墻壁和障礙物則需要傳感器做出感應，所有這一切都需要控制器的統(tǒng)一協(xié)調(diào)和安排。在考慮路徑規(guī)劃時，我查閱了一些資料，其中包括自由空間法，柵格法等，但是這些方法要么需要較大的內(nèi)存空間，要么對傳感器的要求非常高，或者有一些其他的要求，這些要求客觀上都不太容易滿足，權(quán)衡各方面因素，我最終選擇了內(nèi)螺旋法。在實驗的過程中，機器人在走直線的時候存在偏差，在程序中設置的兩個輪子理想的行駛速度是一致的，但是兩個輪子的大小不可能完全一樣，電機的驅(qū)動可能也稍有差別。機器人在轉(zhuǎn)彎的時候不能達到90度，這與硬件有關(guān)，可能也受到地面摩擦的影響，我不斷調(diào)整兩輪速度大小以及持續(xù)時間從而達到理想的效果。地面上的某些區(qū)域是機器人沒有能夠清掃到的，我發(fā)現(xiàn)機器人離障礙還有較遠的距離時就開始躲避障礙，這應該是傳感器感知障礙的距離的設置有問題，將距離適當設小一些就能讓機器人基本上清掃到所能清掃的所有區(qū)域。另外，程序本身也有一定問題，機器人顯得不夠靈活，應該是各個模塊之間的協(xié)同性不夠好，經(jīng)過反復調(diào)試，各個模塊之間可以較好的配合。機器人在改進后基本上能達到了預期的實驗效果。通過實驗我明白了理論和實際是有偏差的，設計程序時要考慮到硬件和客觀環(huán)境這些因素的影響。這次實驗是讓我把理論知