機(jī)器人開題報(bào)告

畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告――智能移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)一．設(shè)計(jì)目的及意義隨著計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、機(jī)械電子、信息、自動(dòng)化以及人工智能等技術(shù)的飛速發(fā)展，移動(dòng)機(jī)器人的研究進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段。同時(shí)，太空資源、海洋資源的開發(fā)與利用為移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展提供了廣闊的空間。目前，智能移動(dòng)機(jī)器人，無(wú)人自主車等領(lǐng)域的研究進(jìn)入了應(yīng)用的階段，隨著研究的深入，對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的自主導(dǎo)航能力，動(dòng)態(tài)避障策略，壁障時(shí)間等方面提出了更高的要求。地面智能機(jī)器人路徑規(guī)劃，是行駛在復(fù)雜動(dòng)態(tài)自然環(huán)境中的全自主機(jī)器人系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，而地面智能機(jī)器人全地域全自主技術(shù)的研究，是當(dāng)今國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界面臨的挑戰(zhàn)性問(wèn)題。移動(dòng)機(jī)器人是一類能夠通過(guò)傳感器感知環(huán)境和自身狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)在有障礙物的環(huán)境中面向目標(biāo)自主運(yùn)動(dòng)，從而完成一定功能的機(jī)器人系統(tǒng)。理想的自主移動(dòng)機(jī)器人可以不需人的干預(yù)在各種環(huán)境中自主完成規(guī)定任務(wù)，具有較高的智能水平，但目前全自主的移動(dòng)機(jī)器人還大多處于實(shí)驗(yàn)階段，進(jìn)入實(shí)用的多為自主移動(dòng)機(jī)器人，通過(guò)人的干預(yù)在特定環(huán)境中執(zhí)行各種任務(wù)，而遙控機(jī)器人則完全離不開人的干預(yù)。智能移動(dòng)機(jī)器人是一類能夠通過(guò)傳感器、感知環(huán)境和自身狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)在有障礙物的環(huán)境中面向目標(biāo)自主運(yùn)動(dòng)，從而完成一定功能的機(jī)器人系統(tǒng)。移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)研究綜合了路徑規(guī)劃、導(dǎo)航定位、路徑跟蹤與運(yùn)動(dòng)控制等技術(shù)。涉及包括距離探測(cè)、視頻采集、溫濕度以及聲光等多種外部傳感器，作為移動(dòng)機(jī)器人的輸入信息。移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制主要是完成移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，提供一種移動(dòng)機(jī)器人的控制方式。性能良好的移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)行的基礎(chǔ)，能夠服務(wù)于移動(dòng)機(jī)器人研究的通用開發(fā)平臺(tái)。隨著移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展及其在工業(yè)軍事等領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，有關(guān)移動(dòng)機(jī)器人的理論設(shè)計(jì)制造和應(yīng)用的新的技術(shù)學(xué)科--機(jī)器人學(xué)，已經(jīng)逐漸形成，并越來(lái)越引起人們廣泛的關(guān)注。機(jī)器人學(xué)是一門綜合性很強(qiáng)的學(xué)科，它涉及現(xiàn)代控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和人工智能等多門學(xué)科．但是它又有自身的系統(tǒng)性和專業(yè)性。內(nèi)容極為豐富、廣泛，其中專業(yè)性比較強(qiáng)的有機(jī)器人動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)、機(jī)器人軌跡規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)控制、機(jī)器人的傳感技術(shù)、機(jī)器人的編程語(yǔ)言、機(jī)器人的智能和任務(wù)規(guī)劃等。其中機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人航跡控制的關(guān)鍵。運(yùn)動(dòng)控制是移動(dòng)機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)機(jī)器人的平穩(wěn)運(yùn)行起著重要作用。隨著新的智能控制算法的不斷涌現(xiàn)，移動(dòng)機(jī)器人正向著智能化方向發(fā)展，這就對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)性能提出了更高的要求。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)智能移動(dòng)機(jī)器人的控制系統(tǒng)，能夠熟悉移動(dòng)機(jī)器人硬件和軟件的開發(fā)，掌握移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制特性，為后續(xù)的移動(dòng)機(jī)器人的功能擴(kuò)展搭建一個(gè)可行、穩(wěn)定的平臺(tái)，而這個(gè)平臺(tái)則可以成為多種機(jī)器人開發(fā)的公共基礎(chǔ)平臺(tái)。實(shí)現(xiàn)智能移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)的開發(fā)具有一定的現(xiàn)實(shí)意義，將為以后的移動(dòng)機(jī)器人開發(fā)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。二．國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀移動(dòng)機(jī)器人的研究始于60年代末期斯坦福研究院（sri）的nilsnilssen和charlesroesn等人，在1966年至1972年中研制出了自主移動(dòng)機(jī)器人shakey。70年代末，移動(dòng)機(jī)器人研究又出現(xiàn)了新的高潮，特別是80年代中期以來(lái)，設(shè)計(jì)和制造機(jī)器人的浪潮席卷全世界。一大批世界著名的公司，如美國(guó)通用電氣、日本本田、索尼等開始研制移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)，這些促進(jìn)了移動(dòng)機(jī)器人學(xué)多種研究方向的出現(xiàn)。例如，輪式移動(dòng)機(jī)器人的代表作有：smartrobots公司推出的新型基于linux的移動(dòng)機(jī)器人sr4；美國(guó)activmediaboties公司用于教學(xué)的p3-dx輪式移動(dòng)機(jī)器人；卡內(nèi)基梅隆研發(fā)的nomad移動(dòng)機(jī)器人；美國(guó)國(guó)家航天航空局聞名遐邇的火星登陸車"勇氣號(hào)"等。我國(guó)的機(jī)器人學(xué)研究起步較晚，但進(jìn)步較快，已在工業(yè)機(jī)器人特種機(jī)器人和智能機(jī)器人各個(gè)方面都取得了顯著成績(jī)。在"七五"期間，完成了示教再現(xiàn)工業(yè)機(jī)器聲成套技術(shù)。為了跟蹤國(guó)外搞技術(shù)，80年代國(guó)家高技術(shù)計(jì)劃中安排了智能機(jī)器人的研究開發(fā)，包括水下無(wú)纜機(jī)器人高功能裝配機(jī)器人和多種特種機(jī)器人。進(jìn)行了智能機(jī)器人體系結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)、控制、人工智能、機(jī)器視覺，高性能傳感器及新材料的應(yīng)用研究，取得了大量成果。其中，輪式移動(dòng)機(jī)器人的研究也碩果累累。國(guó)內(nèi)研究輪式移動(dòng)機(jī)器人的科研單位及公司主要有研制能力風(fēng)暴的as-r機(jī)器人的上海廣茂達(dá)伙伴機(jī)器人有限公司；研制的casia-i自主移動(dòng)機(jī)器人的中科院自動(dòng)化所；研制"青青"輪式移動(dòng)機(jī)器人的哈爾濱工業(yè)大學(xué)，研制"小蜘蛛"輪式移動(dòng)機(jī)器人登月車的上海交大等。當(dāng)前，移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的研究與發(fā)展的趨勢(shì)包括有：機(jī)器人機(jī)構(gòu)導(dǎo)航定位路徑規(guī)劃傳感器信息融合技術(shù)智能技術(shù)移動(dòng)機(jī)器人傳感器技術(shù)等研究。我國(guó)自"八五"期間開始進(jìn)入這一研究領(lǐng)域，并在國(guó)家863計(jì)劃中予以重點(diǎn)支持。較為全面對(duì)路徑規(guī)劃、視覺導(dǎo)航、信息融合、自動(dòng)駕駛等一些基本的智能機(jī)器人技術(shù)做了探索，所形成的一些關(guān)鍵技術(shù)成果也在其他領(lǐng)域得到應(yīng)用。我國(guó)在機(jī)器人技術(shù)與自動(dòng)化工藝裝備等方面已經(jīng)取得了突破性進(jìn)展，縮短了同發(fā)達(dá)國(guó)家的差距，但是在機(jī)器人的核心及關(guān)鍵技術(shù)的原創(chuàng)性研究、高性能關(guān)鍵工藝裝備的自主設(shè)計(jì)和制造能力、高可靠性基礎(chǔ)功能部件的批量生產(chǎn)應(yīng)用方面，同發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)仍存在較大差距。三．課題任務(wù)、重點(diǎn)內(nèi)容、實(shí)現(xiàn)途徑通過(guò)對(duì)各項(xiàng)機(jī)器人技術(shù)的研究與分析，設(shè)計(jì)了滿足教學(xué)實(shí)驗(yàn)要求的智能移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)，完成機(jī)器人車體結(jié)構(gòu)、傳感系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)、通信系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)和模塊化實(shí)現(xiàn)，以及機(jī)器人系統(tǒng)工程的整體設(shè)計(jì)，并著重研究嵌入式控制系統(tǒng)的軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。需完成移動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)圖紙1份、智能移動(dòng)機(jī)器人原理分析、硬件設(shè)計(jì)并編寫相關(guān)程序。本課題的重點(diǎn)內(nèi)容是嵌入式操作系統(tǒng)，智能輪式移動(dòng)機(jī)器人是一個(gè)典型的實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)，傳統(tǒng)單任務(wù)順序執(zhí)行機(jī)制不能滿足該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)性要求，而且對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)來(lái)說(shuō)可靠性不高，因此選用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μc／os-ⅱ。它是一個(gè)源碼公開，可移植，可固化，可裁剪的嵌入式操作系統(tǒng)，具有代碼尺寸小，可占用實(shí)時(shí)內(nèi)核，任務(wù)多，可確定執(zhí)行時(shí)間，運(yùn)行穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。將μc／os-ⅱ移植到s3c44b0x上，并對(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)行裁剪，以節(jié)省存儲(chǔ)空間?；趯?shí)時(shí)內(nèi)核的多任務(wù)系統(tǒng)可劃分為系統(tǒng)層和應(yīng)用層。系統(tǒng)層由內(nèi)核和驅(qū)動(dòng)程序庫(kù)組成；應(yīng)用層包括用于達(dá)成機(jī)器人任務(wù)目標(biāo)的全部代碼。在該系統(tǒng)軟件應(yīng)用層程序設(shè)計(jì)中，將機(jī)器人的任務(wù)分解成通信、信息采集、電機(jī)控制等多個(gè)用戶任務(wù)。嵌入式操作系統(tǒng)μc／os-ⅱ對(duì)任務(wù)模塊進(jìn)行管理調(diào)度，協(xié)調(diào)機(jī)器人各項(xiàng)任務(wù)運(yùn)行，保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的主要內(nèi)容有底層系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)：（1）移動(dòng)機(jī)器人底層系統(tǒng)設(shè)計(jì)：移動(dòng)機(jī)器人的底層系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括移動(dòng)機(jī)器人的控制電路設(shè)計(jì)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)和超聲波測(cè)距電路設(shè)計(jì)。底層設(shè)計(jì)涉及到的軟件算法包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)和速度閉環(huán)、電機(jī)碼盤的機(jī)器人定位、超聲波測(cè)距等。（2）移動(dòng)機(jī)器人的控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)：移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)的主要內(nèi)容是生成機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制信息，控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。軌跡跟蹤是移動(dòng)機(jī)器人需要完成的任務(wù)之一，其典型工作過(guò)程為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。軌跡跟蹤是移動(dòng)機(jī)器人需要完成的任務(wù)之一，其典型工作過(guò)程為機(jī)器人完成相應(yīng)的移動(dòng)，完成規(guī)劃路徑的跟蹤。運(yùn)動(dòng)控制過(guò)程中用到的輸入信息包括底層超聲波測(cè)距模塊提供的障礙物距離信息，電機(jī)碼盤提供的機(jī)器人的位置、速度信息，以及全景攝像機(jī)、單目視覺攝像機(jī)采集并經(jīng)過(guò)處理后的視頻信息等。四．完成本課題所需工作條件（如工具書、計(jì)算機(jī)、實(shí)驗(yàn)、調(diào)研等）及解決辦法全面對(duì)路徑規(guī)劃、視覺導(dǎo)航、信息融合、自動(dòng)駕駛等一些基本的智能機(jī)器人技術(shù)做了探索，所形成的一些關(guān)鍵技術(shù)成果也在其他領(lǐng)域得到應(yīng)用。我國(guó)在機(jī)器人技術(shù)與自動(dòng)化工藝裝備等方面已經(jīng)取得了突破性進(jìn)展，縮短了同發(fā)達(dá)國(guó)家的差距，但是在機(jī)器人的核心及關(guān)鍵技術(shù)的原創(chuàng)性研究、高性能關(guān)鍵工藝裝備的自主設(shè)計(jì)和制造能力、高可靠性基礎(chǔ)功能部件的批量生產(chǎn)應(yīng)用方面，同發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)仍存在較大差距。三．課題任務(wù)、重點(diǎn)內(nèi)容、實(shí)現(xiàn)途徑通過(guò)對(duì)各項(xiàng)機(jī)器人技術(shù)的研究與分析，設(shè)計(jì)了滿足教學(xué)實(shí)驗(yàn)要求的智能移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)，完成機(jī)器人車體結(jié)構(gòu)、傳感系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)、通信系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)和模塊化實(shí)現(xiàn)，以及機(jī)器人系統(tǒng)工程的整體設(shè)計(jì)，并著重研究嵌入式控制系統(tǒng)的軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。需完成移動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)圖紙1份、智能移動(dòng)機(jī)器人原理分析、硬件設(shè)計(jì)并編寫相關(guān)程序。本課題采用通用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)輪式移動(dòng)機(jī)器人電機(jī)驅(qū)動(dòng)和閉環(huán)調(diào)速。實(shí)現(xiàn)基于渡越時(shí)間法的超聲波測(cè)距模塊設(shè)計(jì)，為機(jī)器人提供簡(jiǎn)單方便的障礙物距離檢驗(yàn)。ｄｓｐ實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的正交編碼脈沖實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)定位，作為機(jī)器人一種比較粗略的定位方式，可以作為后續(xù)高精度定位方式的補(bǔ)充。使用模糊控制實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人路徑跟蹤控制，利用matlab的模糊控制工具箱實(shí)現(xiàn)路徑跟蹤控制決策，完成移動(dòng)機(jī)器人的路徑跟蹤。最后，論文設(shè)計(jì)的移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)行平穩(wěn)，控制簡(jiǎn)單。路徑跟蹤控制規(guī)則能夠使機(jī)器人較好的跟蹤已知路徑?？梢宰鳛楹?jiǎn)單的移動(dòng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)使用。本課題的重點(diǎn)內(nèi)容是嵌入式操作系統(tǒng)，智能輪式移動(dòng)機(jī)器人是一個(gè)典型的實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)，傳統(tǒng)單任務(wù)順序執(zhí)行機(jī)制不能滿足該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)性要求，而且對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)來(lái)說(shuō)可靠性不高，因此選用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μc／os-ⅱ。它是一個(gè)源碼公開，可移植，可固化，可裁剪的嵌入式操作系統(tǒng)，具有代碼尺寸小，可占用實(shí)時(shí)內(nèi)核，任務(wù)多，可確定執(zhí)行時(shí)間，運(yùn)行穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。將μc／os-ⅱ移植到s3c44b0x上，并對(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)行裁剪，以節(jié)省存儲(chǔ)空間?；趯?shí)時(shí)內(nèi)核的多任務(wù)系統(tǒng)可劃分為系統(tǒng)層和應(yīng)用層。系統(tǒng)層由內(nèi)核和驅(qū)動(dòng)程序庫(kù)組成；應(yīng)用層包括用于達(dá)成機(jī)器人任務(wù)目標(biāo)的全部代碼。在該系統(tǒng)軟件應(yīng)用層程序設(shè)計(jì)中，將機(jī)器人的任務(wù)分解成通信、信息采集、電機(jī)控制等多個(gè)用戶任務(wù)。嵌入式操作系統(tǒng)μc／os-ⅱ對(duì)任務(wù)模塊進(jìn)行管理調(diào)度，協(xié)調(diào)機(jī)器人各項(xiàng)任務(wù)運(yùn)行，保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的主要內(nèi)容有底層系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)：（1）移動(dòng)機(jī)器人底層系統(tǒng)設(shè)計(jì)：移動(dòng)機(jī)器人的底層系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括移動(dòng)機(jī)器人的控制電路設(shè)計(jì)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)和超聲波測(cè)距電路設(shè)計(jì)。底層設(shè)計(jì)涉及到的軟件算法包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)和速度閉環(huán)、電機(jī)碼盤的機(jī)器人定位、超聲波測(cè)距等。（2）移動(dòng)機(jī)器人的控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)：移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)的主要內(nèi)容是生成機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制信息，控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。軌跡跟蹤是移動(dòng)機(jī)器人需要完成的任務(wù)之一，其典型工作過(guò)程為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。軌跡跟蹤是移動(dòng)機(jī)器人需要完成的任務(wù)之一，其典型工作過(guò)程為機(jī)器人完成相應(yīng)的移動(dòng)，完成規(guī)劃路徑的跟蹤。運(yùn)動(dòng)控制過(guò)程中用到的輸入信息包括底層超聲波測(cè)距模塊提供的障礙物距離信息，電機(jī)碼盤提供的