畢業(yè)設(shè)計（論文）-滅火機(jī)器人工作原理與設(shè)計

i GDGM-QR-03-077-B/0 Guangdong College of Industry & Commerce 畢業(yè)綜合實(shí)踐報告 Graduation synthesis practice report 題目 ： 滅火機(jī)器人工作原理與設(shè)計 (in English) ： The Theory and Design of Fire Fighting Robot 系 別： 電氣自動化系 班 級： 07 機(jī) 電 一 體 化 1 班 學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)老師 ： ii 摘 要 畢業(yè)設(shè)計滅火機(jī)器人的設(shè)計對機(jī)器人 傳感器環(huán)境感知、 空間機(jī)構(gòu)、自動控制、多智能決策的研究提出了嚴(yán)格的要求，也提供了一個良好的理論聯(lián)系實(shí)際的實(shí)驗(yàn)平臺。本論文主要在機(jī)器人領(lǐng)域的以下三個方面進(jìn)行了分析研究： 對多傳感器環(huán)境感知的研究 機(jī)器人以 NXP 公司 ARM7 系列中 LPC21 32 微處理器為核心，以碰撞傳感器、紅外傳感器、光敏傳感器、地面灰度傳感器、光電編碼器等作為檢測系統(tǒng)，通過對采集信號的處理，確定機(jī)器人周圍環(huán)境的信息，并根據(jù)路徑規(guī)劃出決策行進(jìn)運(yùn)動。利用火焰?zhèn)鞲衅魈綔y火焰，火焰?zhèn)鞲衅?利用紅外敏感型元件對紅外信號強(qiáng)度的檢測并將其轉(zhuǎn)換為機(jī)器人可以識別的信號，從而來檢測火焰信號。 準(zhǔn)確方便，易于操作。多個傳感器的合理運(yùn)用，使機(jī)器人對室內(nèi)環(huán)境分析更加細(xì)致，對工作提供更加有利的條件。 自動控制和程序的編寫 人對周圍環(huán)境的反應(yīng)過程主要是感覺 大腦思考 作出反映 ， 機(jī)器人的信息處理流程也是如此。 有了傳感器對的環(huán)境的感知，便需要有程序讓機(jī)器對實(shí)際情況作出反應(yīng)，程序的選擇和編寫也就變得至關(guān)重要。通過對多個方案的對比和 分析，我們選擇使用 VJC2.0 對程序進(jìn)行編寫。 VJC（圖形化與編程語言）是用于能力風(fēng)暴智能機(jī)器人系列產(chǎn)品的軟件開發(fā)系統(tǒng)，具有基于流程圖的編程語言和 C 語言。我們結(jié)合實(shí)際情況可能出現(xiàn)的問題 進(jìn)行編程，通過各方面的整合，機(jī)器人在有源尋跡滅火、無源尋找火源滅火、避開障礙等多方面有出色的表現(xiàn)。 對機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)、空間機(jī)構(gòu)的研究 按照設(shè)計的要求構(gòu)思機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)，機(jī)器人必須具備能夠自動火源定位、靠近火源及滅火等動作；行走機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)直行進(jìn)退、左右拐彎、避開障礙物等動作。并在此基礎(chǔ)上分析機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)特性，保證機(jī)器人 動作的可靠性和準(zhǔn)確性。 關(guān)鍵詞 ： 機(jī)器人 ， 滅火 ， 傳感器 ， 軟件 目 錄 I 目 錄 畢業(yè)綜合實(shí)踐報告 . I 目 錄 . I 第一章 緒論 . 1 一、國內(nèi)外機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀 . 1 二、機(jī)器人技術(shù)的市場應(yīng)用 . 1 三、機(jī)器人技術(shù)的前景展望 . 2 第二章 滅火機(jī)器人的總體設(shè)計 . 3 一、外部構(gòu)造 . 3 二、操作面板的設(shè)計 . 3 三、電源部分 . 4 （一）、開機(jī)充電 . 4 （二）、關(guān)機(jī)充電 . 5 （三）、更換電池 . 5 第三章 機(jī)器人的傳動機(jī)構(gòu)和動力驅(qū)動 . 6 一、齒輪傳動機(jī)構(gòu) . 6 二、機(jī)器人的齒輪箱 . 6 三、動力 . 7 四、機(jī)器人的驅(qū)動方式 . 8 第四章 對多傳感器環(huán)境感知的研究 . 9 一、碰撞傳感器 . 10 二、紅外傳感器 . 11 三、光敏傳感器 . 12 四、話筒 . 12 五、光電編碼器 . 12 第五章 自動控制和程序的編寫 . 13 一、編程工具的選擇 . 13 （一） 流程圖 .13 （二） 圖形化編程 .14 二、方形走法的程序開發(fā) . 15 （一）、編程思路 .15 （二）、程序的編寫 .15 三、對機(jī)器人避障的研究 . 17 （一）、機(jī)器人的 避障原理 .17 （二）、傳感器的分析 .17 （三）、編程思路 .17 （四）、程序的編寫 .18 目 錄 II 四、對機(jī)器人尋跡的研究 . 19 （一）、綜合敘述 .19 （二）、尋跡傳感器 .19 （三）、編程思路 .19 總 結(jié) . 21 參考文獻(xiàn) . 22 第一章 緒論 1 第一章 緒論 機(jī)器人技術(shù)作為 20 世紀(jì)人類最偉大的發(fā)明之一，自 20 世紀(jì) 60 年代初問世以 來，經(jīng)歷 40余年的發(fā)展已取得長足的進(jìn)步。 未來的機(jī)器人是一種能夠代替人類在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下從事危險、復(fù)雜勞動的自動化機(jī)器，是集機(jī)械學(xué)、力學(xué)、電子學(xué)、生物學(xué)、控制論、計算機(jī)、人工智能和系統(tǒng)工程等多學(xué)科知識于一身的高新技術(shù)綜合體。 走向成熟的工業(yè)機(jī)器人，各種用途的特種機(jī)器人的 多 用化，昭示著機(jī)器人技術(shù)燦爛的明天。 一、 國內(nèi)外機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀 為了使機(jī)器人能更好的應(yīng)用于工業(yè)，各工業(yè)發(fā)達(dá)國家的大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)和大工業(yè)企業(yè)對機(jī)器人系統(tǒng)開發(fā)投入了大量的人力財力。在美國和加拿大，各主要大學(xué)都設(shè)有機(jī)器人研究室，麻省理工學(xué)院側(cè)重于 制造過程機(jī)器人系統(tǒng)的研究，卡耐基 梅隆機(jī)器人研究所側(cè)重于挖掘機(jī)器人系統(tǒng)的研究，而斯坦福大學(xué)則著重于系統(tǒng)應(yīng)用軟件的開發(fā)。德國正研究開發(fā) “MOVE AND PLAY”機(jī)器人系統(tǒng)，使機(jī)器人操作就像人們操作錄像機(jī)、開汽車一樣。 從六十年代開始日本政府實(shí)施一系列 扶植政策，使日本機(jī)器人產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展起來，經(jīng)過短短的十幾年。到 80 年代中期，已一躍而為 “ 機(jī)器人王國 ” 。其機(jī)器人的產(chǎn)量和安裝的臺數(shù)在國際上躍居首位。按照日本產(chǎn)業(yè)機(jī)器人工業(yè)會常務(wù)理事米本完二的說法： “ 日本機(jī)器人的發(fā)展經(jīng)過了 60 年代的搖籃期。 70 年代的實(shí)用期。到 80 年 代進(jìn)人普及提高期。 ” 并正式把 1980 年定為產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的普及元年 ” 。開始在各個領(lǐng)域內(nèi)廣泛推廣使用機(jī)器人。 中國機(jī)器人的發(fā)展起步較晚， 1972 年我國開始研制自己的工業(yè)機(jī)器人。 七五 期間，國家投入資金，對工業(yè)機(jī)器人及其零部件進(jìn)行攻關(guān)，完成了示教再現(xiàn)式工業(yè)機(jī)器人成套技術(shù)的開發(fā)，研制出了噴涂、點(diǎn)焊、弧焊和搬運(yùn)機(jī)器人。 1986 年國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃 (863 計劃 )開始實(shí)施，智能機(jī)器人主題跟蹤世界機(jī)器人技術(shù)的前沿，經(jīng)過幾年的研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特種機(jī)器人。 20 世紀(jì) 90 年代，我國的工業(yè)機(jī)器人又在 實(shí)踐中邁進(jìn)一大步，先后研制出了點(diǎn)焊、裝配、噴漆、切割、搬運(yùn)等各種用途的工業(yè)機(jī)器人，并實(shí)施了一批機(jī)器人應(yīng)用工程，形成了一批機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化基地，為我國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的騰飛奠定了基礎(chǔ) 。 二、 機(jī)器人技術(shù)的市場應(yīng)用 機(jī)器人融入我們?nèi)粘Ｉ畹牟椒ビ卸嗫?？?jù)國際機(jī)器人聯(lián)盟調(diào)查， 2004 年，全球個人機(jī)器人約有 200 萬臺，到 2008 年，還將有 700 萬臺機(jī)器人投入運(yùn)行。按照韓國信息通信部的計劃，到 2013 年，韓國每個家庭都能擁有一臺機(jī)器人；而日本機(jī)器人協(xié)會預(yù)測，到 2025 年，全球機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的“蛋糕”將達(dá)到每年 500 億美元的規(guī)模 (現(xiàn)在 僅有 50 億美元 )。與 20 世紀(jì) 70 年代 PC第一章 緒論 2 行業(yè)的情況相仿，我們不可能準(zhǔn)確預(yù)測出究竟哪些用途將推動這個新興行業(yè)進(jìn)入臨界狀態(tài)。不過看起來，機(jī)器人很可能在護(hù)理和陪伴老年人的工作上大展宏圖，或許還可以幫助殘疾人四處走走，并增強(qiáng)士兵、建筑工人和醫(yī)護(hù)人員的體力與耐力。 目前，我國從事機(jī)器人研發(fā)和應(yīng)用工程的單位 200 多家，擁有量為 3500 臺左右，其中國產(chǎn)占 20，其余都是從日本、美國、瑞典等 40 多個國家引進(jìn)的。 2000 年已生產(chǎn)各種類型工業(yè)機(jī)器人和系統(tǒng) 300 臺套，機(jī)器人銷售額 6.74 億元，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)對國民經(jīng)濟(jì)的年收益額為 47 億元，我國對工業(yè)機(jī)器人的需求量和品種將逐年大幅度增加。 三、 機(jī)器人技術(shù)的前景展望 機(jī)器人是人類的得力助手，能友好相處的可靠朋友，將來我們會看到人和機(jī)器人會存在一個空間里邊，成為一個互相的助手和朋友。機(jī)器人會不會產(chǎn)生飯碗的問題。我們相信不會出現(xiàn)“ 機(jī)器人上崗，工人下崗 ” 的局面，因?yàn)槿藗冸S著社會的發(fā)展，實(shí)際上把人們從繁重的體力和危險的環(huán)境中解放出來，使人們有更好的崗位去工作，去創(chuàng)造更好的精神財富和文化財富，機(jī)器人來做這些危險環(huán)境的工作，展望 21 世紀(jì)機(jī)器人將是一個與 20 世紀(jì)計算機(jī)的普及一樣，會深入地應(yīng)用到各個領(lǐng)域， 所以很多專家預(yù)測，在 21 世紀(jì)的前 20 年是機(jī)器人從制造業(yè)走向非制造業(yè)的發(fā)展一個重要時期，也是智能機(jī)器人發(fā)展的一個關(guān)鍵時期，目前國際上很多國家，也對機(jī)器人對人類社會的影響的估計提出了新的認(rèn)識，同時，我們也可以看到機(jī)器人技術(shù)，涉及到多個學(xué)科，機(jī)械、電工、自動控制、計算機(jī)測量、人工智能、傳感技術(shù)等等，它是一個國家高技術(shù)實(shí)力的一個重要標(biāo)準(zhǔn)。 語音識別處理是語音功能的一個重要方面，目前計算機(jī)語音識別處理過程基本上一致，是一種基于統(tǒng)計模式識別的理論。我國的語音識別研究起步于五十年代，近年來發(fā)展很快，其研究水平基本與國外同 步，在漢語語音識別技術(shù)上還有自己的特點(diǎn)和優(yōu)勢?？梢灶A(yù)計，語音技術(shù)的發(fā)展前景無限。第二章 滅火 機(jī)器人的 總體設(shè)計 3 第二章 滅火 機(jī)器人的 總體設(shè)計 本設(shè)計主要就是針對消防機(jī)器人的制作與研究，機(jī)器人以 NXP 公司 ARM7 系列中 LPC21 32 微處理器為核心，由碰撞傳感器、紅外傳感器、光敏傳感器、地面灰度傳感器、光電編碼器等作為檢測系統(tǒng)以及其它電路構(gòu)成。電源電路提供系統(tǒng)所需的工作電源，專用電機(jī)驅(qū)動芯片驅(qū)動電機(jī)控制小車的前進(jìn)后退以及轉(zhuǎn)向，光電對管完成尋跡和避障，光敏電阻傳感器檢測火焰，滅火風(fēng)扇進(jìn)行滅火。 一、外部構(gòu)造 滅火機(jī)器人外形呈小車狀， 由主板、傳感器、液晶顯示屏、底盤和上蓋組成，如圖 2-1 所示。 圖 2-1 滅火機(jī)器人外形簡圖 二、 操作面板的設(shè)計 操作面板由下載指示、下載口、充電口、開關(guān)、復(fù)位、運(yùn)行、電源指示等組成，如圖 2-2所示。 圖 2-2 機(jī)器人 操作面板 第二章 滅火 機(jī)器人的 總體設(shè)計 4 “開關(guān)”按鈕 控制 AS 一 Ul 日電源開關(guān)的按鈕，按此按鈕可以打開或關(guān)閉機(jī)器人電源。 “電源，指示燈 按下 AS 一 Ulll 的開關(guān)后，這個燈會發(fā)紅光，這時可以與機(jī)器人進(jìn)行交流了！ “充電口” 將充電器的相應(yīng)端插入此口，再將另一端插到電源上即可對機(jī)器人充電。具體使用方法見“ 1 . 4AS 一 Ulll 的充電”。 “下載口” “充電口”旁邊的“下載口”用于下載程序到機(jī)器人主板上，使用時只需將 USB 連接線的相應(yīng)端插入下載口，另一端與計算機(jī)連接好，這樣機(jī)器人與計算機(jī)就連接起來了。 “復(fù)位 A SOS 按鈕 這按鈕用于系統(tǒng)復(fù)位。當(dāng)機(jī)器人因故障不能運(yùn)行的時候，試試這個按鈕吧。 打開電源后，按擊“運(yùn)行”鍵，機(jī)器人就可以運(yùn)行內(nèi)部已存儲的程序，按照你的“指令”行動。例如在運(yùn)行自檢程序時，如果想執(zhí)行下一個模塊的自檢，請按“運(yùn)行”鍵。 三、 電源部分 本滅火機(jī)器人選擇在線充電：也就是不用取出電池，直接為機(jī)器人充電。充電示意圖如圖2-3所示。 圖 2-3 充電器充電示意圖 （一）、 開機(jī)充電 AS 一 U 川可以一邊充電一邊活動，這樣很方便，不會影響你對機(jī)器人進(jìn)行編程和調(diào)試。您要采用這種方式給 AS 一 Ul 日充電時，只需： 1、 將充電器取出； 2、 把充電器充電線插入能力風(fēng)暴上中的充電插口； 3、 另一端充電器電源插頭插入標(biāo)準(zhǔn)電源插座上（ 220V , 50 日 z ）。 第二章 滅火 機(jī)器人的 總體設(shè)計 5 （二）、 關(guān)機(jī)充電 AS 一 U 川也可以關(guān)機(jī)充電。只需將機(jī)器人的電源關(guān)閉，按擊控制按鍵中的“開關(guān)”鍵，“電 （三）、 更換電池 電池充滿電壓 8 . 4V ，額定工作電壓 7 . 2V ，最低工作電壓 SV 。電池可重復(fù)充電 1 000 次以上。因?yàn)?AS 一 Ul 日里用的是銼電池，沒有記憶和充爆問題，所以你可以隨時充電隨時用。但嚴(yán)禁把電池取下來充電！ 否則有可能會出現(xiàn)短路燃燒等嚴(yán)重后果。 當(dāng)電池達(dá)到使用壽命后，需要更換電池，我們按下面步驟進(jìn)行： 1、 關(guān)閉 AS 一 Ul 日的電源； 2、 將電池取出，更換電池； 3、 重新裝上新電池。第 三 章 機(jī)器人的傳動機(jī)構(gòu)和動力驅(qū)動 6 第 三 章 機(jī)器人的傳動機(jī)構(gòu)和動力驅(qū)動 有了傳感器對環(huán)境的感知，有了程序指令的處理和反映，便需要機(jī)械構(gòu)造對具體功能的執(zhí)行。這一章我們機(jī)器人的傳動機(jī)構(gòu)和動力驅(qū)動作了只要的介紹。 一、齒輪傳動機(jī)構(gòu) 齒輪，顧名思義就像是帶了齒的輪子。齒輪傳動機(jī)構(gòu)就是齒輪作為主要傳動件的傳動機(jī)構(gòu)。工作時，首先有一只主動輪先轉(zhuǎn)動起來，轉(zhuǎn)動過程中與另一 個從動輪的齒一個一個的咬和下去，這個與它咬和的齒輪也會跟著旋轉(zhuǎn)，這樣運(yùn)動就從主動輪傳遞到從動輪，這叫做齒輪的嚙合傳動。 齒輪的種類很多，它們通過不同的配合可以實(shí)現(xiàn)不同的傳動類型，如圖 5-1傳動類型 圖 3-1 齒輪的傳動方式 圖 3-1（ a） 所示的傳動類型能夠改變運(yùn)動的形式，齒輪是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，下方的齒條則是直線運(yùn)動； 圖 3-1（ b） 所示傳動類型能夠改變了旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的速度； 圖 3-1（ c） 所示傳動類型不僅改變了運(yùn)動的速度而且改變了旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的軸線方向。 二、機(jī)器人的齒輪箱 為什么齒輪箱里的傳動系統(tǒng)不能用一 級傳動呢 ？ 這是因?yàn)槿绻挥脙蓚€齒輪嚙合，為了達(dá)到改變速度的要求，就必須一個齒輪超小，一個齒輪超大，這樣不僅會造成空間上的浪費(fèi)，并且對小齒輪性能指標(biāo)的要求也很高。所以，為了達(dá)到一定的傳動比，我們有時候需要采用幾級傳動，一級一級的改變它的速度，直到將輸出軸的速度調(diào)整到所需要的指標(biāo)。 對于改變速度的傳動形式來說，就有一個傳動比的概念。對于齒輪傳動，傳動比可以用兩個齒輪的齒數(shù)來定義： I=Z1/Z2 Z1為主動齒輪的齒數(shù)， Z2為被動齒輪的齒數(shù) 輸出的速度可表達(dá)為： V 輸出 V 動力源 I 第 三 章 機(jī)器人的傳動機(jī)構(gòu)和動力驅(qū)動 7 我們在機(jī)器人上用到的齒輪箱展開圖（注：為了能看的更清楚，我們將齒輪箱展開，實(shí)際情況會略有不同）見圖 3-2: 圖 3-2 齒輪箱展開圖 當(dāng)然，機(jī)器人的腳除了齒輪箱以外，還有其他的部件，軸就是其中一個關(guān)鍵的部件。 軸在日常生活中是比較常見的，它依靠軸孔、軸承配合支撐帶孔的零件（如齒輪、渦輪等）并與之一起旋轉(zhuǎn)以傳遞運(yùn)動、扭矩或轉(zhuǎn)矩的機(jī)械零件。 觀察上圖，我們可以發(fā)現(xiàn)在齒輪頭里有三根軸，它們是齒輪的支架，在整個齒輪傳動中，我們根據(jù)軸的功能將軸分為三種： 1、 輸入軸一直接與動力源的輸出軸聯(lián)接 ； 2、 輸出軸一直接與其他的相關(guān)傳動件聯(lián)接的軸； 3、中間軸一齒軟傳動中儀作為齒軟支架的軸。 三、動力 機(jī)器人 的動力來源于位于機(jī)器人底盤內(nèi)的電池。 電池提供電能，而機(jī)器人運(yùn)動需要的是動能。這兩種能量是怎么轉(zhuǎn)化的呢？電能轉(zhuǎn)化為動能是利用了一種專門的設(shè)備一電動機(jī)，這種設(shè)備是現(xiàn)代工業(yè)必不可少的，是工業(yè)電氣化的標(biāo)志。直流電機(jī)將軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動輸入到齒輪箱，然后齒輪箱的輸出軸控制輪子轉(zhuǎn)動，從而驅(qū)動整個機(jī)器人的運(yùn)動。 第 三 章 機(jī)器人的傳動機(jī)構(gòu)和動力驅(qū)動 8 四、機(jī)器人的驅(qū)動方式 機(jī)器人的驅(qū)動是采用的差動驅(qū)動方式。 差動方式是指將兩個有差異的或獨(dú)立的運(yùn)動合成為一 個運(yùn)動。當(dāng)我們把兩個電機(jī)的運(yùn)動合成為一個運(yùn)動時，這就成了差動驅(qū)動。 機(jī)器人有兩個一樣的齒輪頭，每個齒輪頭都包括一個直流電機(jī)。這樣兩個直流電機(jī)分別獨(dú)立控制 1 個驅(qū)動輪，在運(yùn)行時，我們可以分別確定兩個電機(jī)各自的轉(zhuǎn)速，組合起來就能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的各種運(yùn)動方式，如直行、轉(zhuǎn)彎等，這就實(shí)現(xiàn)了差動驅(qū)動方式。 第四章 對多傳感器環(huán)境感知的研究 9 第 四 章 對多傳感器環(huán)境感知的研究 環(huán)境感知是移動機(jī)器人設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一。要實(shí)現(xiàn)移動機(jī)器人避障行走的自主控制，所面臨的基本問題是：一方面要求有充分的環(huán)境信息，另一方面要求能處理所獲得的環(huán)境信息并使其轉(zhuǎn)化成控制信息。 獲取這些信息的傳感器既需要足夠大的視場來覆蓋整個工作區(qū)，又需要較高的采集速率以保證在運(yùn)動的環(huán)境中能夠提供實(shí)時的信息。 通過對機(jī)器人的分析，對各傳感器的分析對比，我們選用 火焰?zhèn)鞲衅魈綔y火焰，焰?zhèn)鞲衅骼眉t外敏感型元件對紅外信號強(qiáng)度的檢測并將其轉(zhuǎn)換為機(jī)器人可以識別的信號，從而來檢測火焰信號。 準(zhǔn)確方便，易于操作。 然而單一火焰?zhèn)鞲衅鞯姆€(wěn)定性不理想，在 設(shè)計在 中 我們 采用多傳感器融合技術(shù)，事實(shí)上采用多傳感器融合技術(shù)會大大增加機(jī)器人的計算工作量，減緩機(jī)器人響應(yīng)時間。 在機(jī)器人的設(shè)計中，我們采用 碰撞傳感器、紅外傳感器、光敏傳 感器、地面灰度傳感器、光電編碼器等作為檢測系統(tǒng) 相互配合， 通過對采集信號的處理，確定機(jī)器人周圍環(huán)境的信息，進(jìn)而將所得到的環(huán)境特征傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，由上位單片機(jī)進(jìn)行協(xié)調(diào)決策，選擇機(jī)器人的 動作 策略。 圖 4-1 滅火機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第四章 對多傳感器環(huán)境感知的研究 10 圖 4-2 滅火機(jī)器人的感官部分 一、 碰撞傳感器 機(jī)器人的下部放置了一個碰撞系統(tǒng)，保證機(jī)器人的正?；顒?。機(jī)器人的碰撞機(jī)構(gòu)能夠檢測到來自 360 范圍內(nèi)物體的碰撞，使機(jī)器人遭遇到來自不同方向的碰撞后，能夠轉(zhuǎn)彎避開并保持正?；顒?。 碰撞傳感器是使能力風(fēng)暴智能機(jī)器人有感知碰撞環(huán)上的碰撞信息能力的傳感器。在能力風(fēng)暴智能機(jī)器人的左前、右前、左后、右后設(shè)置有四個碰撞開關(guān)（常開），它們與碰撞環(huán)共同構(gòu)成了碰撞傳感器（見圖 4-3）。碰撞環(huán)與底盤柔性連接，在受力后與底盤產(chǎn)生相對位移，觸發(fā)固連在底盤上相應(yīng)的碰撞開關(guān)，使之閉合。我們把來自四周的碰撞分為八個方向（見圖 4-4） 。 圖 4-3 碰撞開關(guān)機(jī)碰撞環(huán) 第四章 對多傳感器環(huán)境感知的研究 11 圖 4-4 碰撞傳感器方位 二、 紅外傳感器 機(jī)器人的紅外傳感器共包含兩種器件：紅外發(fā)射管和紅外接收管，看圖 3-2 就可以發(fā)現(xiàn)紅外接收管位于機(jī)器人的正前方，兩只紅外發(fā)射管位于紅外接收管的兩側(cè)。 紅外發(fā)射管可以發(fā)出紅外線，紅外線在遇到障礙后被反射回來，紅外接收管接收到被反射回來的紅外線以后，通過 A/D 轉(zhuǎn)換送入 CPU 進(jìn)行處理。機(jī)器人的紅外傳感器能夠看到前方 10cm 一 80cm，甚至更遠(yuǎn)， 90 范圍內(nèi)的比 210mm 150mm 面積大的障礙物，如果障礙物太小太細(xì)、或者在它的可視范圍以外，它可就沒法看到了。 圖 4-5 紅外傳感器 設(shè)計中我們 運(yùn)用了 2 只紅外發(fā)射管（ 970nm ）和一只紅外接收模塊構(gòu)成紅 外傳感系統(tǒng)（見圖 3-5) ，主要用來檢測前方、左前方和右前方的障礙，檢測距離范圍為 10 一 80cm , 甚至更遠(yuǎn)。 我們 可以通過調(diào)節(jié)兩個電位器來調(diào)節(jié)左右兩個紅外的檢測距離，順時針紅外發(fā)射強(qiáng)，檢測第四章 對多傳感器環(huán)境感知的研究 12 距離遠(yuǎn)，逆時針紅外發(fā)射弱，檢測距離近。逆時針將電位器旋轉(zhuǎn)到底時將關(guān)閉紅外線發(fā)射管。 三、 光敏傳感器 光敏傳感器位于機(jī)器人的正前方。 光敏傳感器能夠探測光線，我們還可以讓它看見特定的顏色。我們?nèi)绻跈C(jī)器人的光敏傳感器罩上一層濾光紙，則通過它的顏色可以決定機(jī)器人能探測什么顏色的光線。 光敏傳感器其實(shí)是一個光敏電阻，它的阻 值受照射在它上面的光線強(qiáng)弱 影響。 我們設(shè)計中所 使 用的光敏電阻的阻值在很暗的環(huán)境下為幾百 k ，室內(nèi)照度下幾 k ，陽光或強(qiáng)光下 幾十 。 四、 話筒 麥克風(fēng)（ microphone）是能夠識別聲音聲強(qiáng)大小的聲音傳感器 ，也就是我們所說的話筒。 機(jī)器人的話筒 可以 感受到聲音的強(qiáng)弱。我們知道我們自己的耳朵并不是所有聲音都可以聽見的，我們聽見的聲音在一定的頻率范圍內(nèi)， 機(jī)器人 的“耳朵”也是這樣，它能聽見的聲音頻率范圍跟人能聽到的范圍大致是一樣的，大約是 16Hz 一 20000Hz 的機(jī)械波。 機(jī)器人在聽到 我們 的聲音命令后，會根據(jù)你的 指示（由程序事先輸入）采取行動，比如拍一下桌子就開始向前逃跑等等。 五、 光電編碼器 在機(jī)器人 輪子的內(nèi)側(cè)裝 有碼盤 和光耦 （光電編碼器）。 光電編碼器是一種能夠傳遞位置信息的傳感器，它由光電編碼模塊及碼盤組成。 我們的 機(jī)器人有 2 只光電編碼器，運(yùn)用反射式紅外發(fā)射接收模塊。反射器（即碼盤）是黑白相間的鋁合金制成的圓片， 33 等分。當(dāng)碼盤隨輪子旋轉(zhuǎn)時，黑條和白條交替經(jīng)過光電編碼器，當(dāng)從黑條變?yōu)榘讞l和從白條變?yōu)楹跅l時，各會產(chǎn)生一個上跳沿或一個下跳沿的脈沖信號，因此 360 度共產(chǎn)生 66 個脈沖（包括上跳沿和下跳沿兩種脈沖）， 每個脈沖的分辨率約為 5.45 度，輪子直徑為65mm ，則周長方面的分辨率約為 3.09mm 。 圖 4-6 光敏傳感器 圖 4-7 麥克風(fēng) 圖 4-8光電編碼器 第 五 章 自動控制和程序的編寫 13 第 五 章 自動控制和程序的編寫 機(jī)器人的智能性的表現(xiàn)，主要包括對外界環(huán)境的感知能力和邏輯思維、決策判斷能力。處理器就是機(jī)器人的大腦，但在我們給他下載程序前，這個大腦是一片空白，我們的寫程序就是賦予機(jī)器人一定的智慧。機(jī)器人對外界環(huán)境的感知完全依賴于傳感器 ，而對現(xiàn)實(shí)情況的反應(yīng)卻完成依靠程序指令。因此，程序的編 寫便是至關(guān)重要。 一、 編程工具的選擇 通過對比和分析，我們選擇了 VJC 2.0 編程軟件對機(jī)器人控制程序進(jìn)行編寫。 VJC，全稱圖形化與編程語言，是用于能力風(fēng)暴智能機(jī)器人系列產(chǎn)品的軟件開發(fā)系統(tǒng)，具有基于流程圖的編程語言和 C 語言。 在 VJC 中，可以用直觀的流程圖編程。 VJC 操作簡便，有活潑明快的圖案和簡短的文字說明。我們可以使用形象化的模塊，由頂向下搭建流程圖，搭建流程圖的同時，動態(tài)生成無語法錯誤的 C 語言代碼。流程圖搭建完畢，程序就已經(jīng)編寫完成，可以立即下載到機(jī)器人中運(yùn)行。 （一） 流程圖 流程圖是用一些 圖形表示各種操作的。用圖形表示算法，直觀形象，能夠比較清楚地顯示程序的邏輯關(guān)系，因此它是表示算法的較好工具。 下面就通過一個具體的例子來認(rèn)識流程圖。 例：在 50 名學(xué)生中，將成績在 80 分以上者的學(xué)號和成績打印出來。 易于理解。流程圖 流程圖表示如下： 圖 5-1 流程圖 第 五 章 自動控制和程序的編寫 14 從圖 5-2 中，我們可以看出，一個流程圖包括以下幾個部分： 1）表示相應(yīng)操作的框； 2）帶箭頭的流程線； 3）框內(nèi)外必要的文字說明。 “表示相應(yīng)操作的框”有以下四種（見圖 5-2），流程圖使用這四種圖框，就能將編程的思想 很好地體現(xiàn)出來。 圖 5-2 操作框 （二） 圖形化編程 用常規(guī)的計算機(jī)編程語言（如 C、 FORTRAN 、 JAVA ）編程，需要輸入復(fù)雜的程序代碼，并且編寫的程序還要符合特定的語法。而流程圖編程不需要記憶計算機(jī)語言的語法，不需要使用鍵盤輸入程序代碼，只需要按照“先作什么，后作什么”的設(shè)想，就可以編出程序。 VJC 正是按這個思想設(shè)計的。 VJC 的流程圖模型由以下幾種基本形狀的模塊及帶有箭頭的方向線組成： VJC 的模塊包括：執(zhí)行器模塊（藍(lán)色矩形）、單功能傳感器模塊（紫色平行四 邊形）、帶判斷功能的傳感器模塊（紫色菱形）、控制模塊（紅色菱形）和程序模塊（黃色矩形或橢圓形）五種。 VJC 流程圖支持子程序調(diào)用、浮點(diǎn)數(shù)和整數(shù)、全局變量、簡單表達(dá)式、復(fù)合條件判斷以及循環(huán)嵌套等。 每一個模塊都可以完成一定的功能。只要按清晰的思路連接這些模塊，就可以很快地完成第 五 章 自動控制和程序的編寫 15 一個程序的編寫。 一般的程序甚至是復(fù)雜的滅火程序都能夠用流程圖實(shí)現(xiàn)。 二 、 方形走法的程序開發(fā) （一） 、 編程思路 機(jī)器人走四邊形，就是讓機(jī)器人完成“前進(jìn)轉(zhuǎn)彎前進(jìn)轉(zhuǎn)彎前進(jìn)轉(zhuǎn)彎前進(jìn)轉(zhuǎn)彎”的動作，也就是說機(jī)器人需要完成四個“前進(jìn)轉(zhuǎn) 彎”動作。 而要讓機(jī)器人完成一個“前進(jìn)轉(zhuǎn)彎”，需要啟動電機(jī)，使機(jī)器人以一定的速度向前運(yùn)行一段路程，然后停下，旋轉(zhuǎn) 90 ，再停下。這樣就走完了四邊形的一邊。要讓機(jī)器人走四個邊，有一個簡便的方法，這就是循環(huán)。上述步驟循環(huán) 4 次，機(jī)器人就能夠走出一個四邊形了。 （二） 、 程序 的編寫 進(jìn)入 VJC2.0 的流程圖編輯界面，編寫此程序的步驟如下： 用鼠標(biāo)點(diǎn)擊左邊“控制模塊庫”，從中選擇“多次循環(huán)”模塊。將它拖到流程圖生成區(qū)，與“主程序”相連，如圖 5-3（ a） 所示。鼠標(biāo)左鍵雙擊此模塊，就會出現(xiàn)圖 5-3（ b） 所示對話框，在對話 框中將循環(huán)次數(shù)寫為 4 ，這意味著下面的循環(huán)體要重復(fù)執(zhí)行 4 次。 圖 5-3 機(jī)器人 多次循環(huán) 程序圖 點(diǎn)擊“執(zhí)行器模塊庫 ” ，從中選擇“移動”模塊（圖 5-4（ a） ）所示，連接在流程圖中。在模塊上左鍵雙擊鼠標(biāo)，打開參數(shù)設(shè)置對話框（圖 5-4（ b） ）。在對話框中可設(shè)置平移速度，旋轉(zhuǎn)速度和時間，根據(jù)要求選擇合適的值，機(jī)器人就可以完成走一條邊的任務(wù)。 第 五 章 自動控制和程序的編寫 16 圖 5-4 機(jī)器人 直行 動作程序圖 再點(diǎn)擊“執(zhí)行器模塊庫 ” ，選擇“移動”模塊（圖 5-5（ a） ），連接在流程圖中，在模塊上雙擊鼠標(biāo) 左鍵打開參數(shù)設(shè)置對話框，在“旋轉(zhuǎn)速度”和“時間”狀態(tài)欄內(nèi)，分別填寫適當(dāng)?shù)闹?，使機(jī)器人向右旋轉(zhuǎn) 90（圖 5-5（ b） ）。 （ a） （ b） 圖 5-5 機(jī)器人 轉(zhuǎn)彎 動作程序圖 最后，打開程序模塊庫，將“結(jié)束”模塊添加上去，放在循環(huán)體外，就完成了走四邊形的流程圖的編寫 （圖 4-5（ a） ） 。 第 五 章 自動控制和程序的編寫 17 三 、 對機(jī)器人避障的研究 （一） 、機(jī)器人的避障原理 在機(jī)器人本體上有二個紅外發(fā)射二極管，分布在機(jī)器人的兩側(cè)和中間。一個接 收傳感器在中間。三個發(fā)射管輪流發(fā)射紅外線。當(dāng)紅外光遇到在其探測范圍內(nèi)的障礙物，并與障礙物構(gòu)成一定角度時，便有光反射到接收傳感器。紅外線探測即離 IOcm 一 SOcm 900 范圍內(nèi)的比ZIOmmxl5Omm 面積大的障礙物。在傳感器的卜有一個可變電阻可以通過調(diào)節(jié)電阻來調(diào)節(jié)紅外線發(fā)射距離。碰撞傳感器在接觸到障礙物時，會向 CPU 發(fā)送一個電平信號，而光敏電阻在避障時只是做為一個輔助判斷。 （二） 、傳感器的分析 紅外傳感器：紅外傳感器一般成對使用，由紅外發(fā)射和紅外接收傳感器構(gòu)成。紅外發(fā)射二極管顧名思義就是發(fā)射紅外線 的二極管。紅外接收管就是對紅外光這個波段很敏感的光電二極管。它的光譜范圍 700nm 一 IOO0nm , 94Onm 時光敏度最高。因其只對特定波段的光敏感，所以有較好的分光靈敏度，可避免受到靈敏度以外光信號的干擾。同理，遠(yuǎn)紅線傳感器對波長在6.0 1000 m 光較敏感。 光敏電阻：是一種對特定波長光照敏感的電阻。在光照下產(chǎn)生載流子，經(jīng)外加電場作用形成漂移運(yùn)動，電子和空穴分別向電源正極和負(fù)極移動參與導(dǎo)電，從而是電阻值下降。阻值受溫度影響較大，一般低溫下敏感度較高，高溫下敏感度較低。常用的制作材料為硫化 鎘 （ CDS ) ，用此材料做成的光敏電阻它感受光的波段和 人眼相近。 碰撞傳感器：實(shí)際上就是一個行程開關(guān)，它通過接觸碰撞產(chǎn)生一個 開關(guān)量。 （三） 、 編程思路 機(jī)器人避障流程圖如 圖 5-6所示。 圖 5-6 機(jī)器人避障流程圖 第 五 章 自動控制和程序的編寫 18 （四） 、程序的編寫 程序如圖 5-7 所示： 圖 5-7 機(jī)器人避障程序團(tuán) 第 五 章 自動控制和程序的編寫 19 四 、 對機(jī)器人尋跡的研究 （一） 、 綜合敘述 在自主式智能導(dǎo)航系統(tǒng)中，機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)自動導(dǎo)引功能就必須要感知引導(dǎo)線，即常說的“尋跡”，這相當(dāng)于給機(jī)器人一個視覺功能。他能沿引導(dǎo)線運(yùn)動。引導(dǎo) 線采用與地面顏色有較大差別的線條作引導(dǎo)。尋跡傳感器安裝在機(jī)器人的底部，用來探測引導(dǎo)線的位置信息，并把它傳輸?shù)紺PU 中處理， CPU 根據(jù)傳感器傳回引導(dǎo)線的位置信息來調(diào)整電機(jī)的運(yùn)行速度，從而達(dá)到調(diào)整機(jī)器人運(yùn)動姿態(tài)的目的。在引導(dǎo)線上某些位置加上特定的標(biāo)記，使機(jī)器人能在這些點(diǎn)能夠停卜來，播放一段音樂或是語音后繼續(xù)。語音部分通過外接一個 MP3 播放卡來實(shí)現(xiàn)。 （二） 、尋跡 傳感器 尋跡傳感器是一對光電二極管。一個發(fā)射管，一個接收管。當(dāng)發(fā)射光照射到不同顏色物體上時所吸收強(qiáng)度不一樣，導(dǎo)致反射光 強(qiáng)度不一樣，這樣對不同顏色接 收管接收的光強(qiáng)度也不一樣。尋跡傳感器如 圖 5-8： 圖 5-8 尋跡傳感器 傳感器上的可變電阻，可以調(diào)節(jié)發(fā)射紅外線的強(qiáng)度。 （三） 、編程思路 在白色的地面上，貼黑色引導(dǎo)線，在黑色引導(dǎo)線上做一些位置標(biāo)記，這里的位置標(biāo)記為一條比兩傳感器位置寬的黑線，這樣當(dāng)兩個傳感器同時檢測到黑線時，機(jī)器人就認(rèn)為這是一個停留點(diǎn)。機(jī)器人沿著黑色引導(dǎo)線運(yùn)動，并在標(biāo)記處停留并 圖 5-9 機(jī)器人 尋跡流程圖 第 五 章 自動控制和程序的編寫 20 播放語音信號。這個程序我們把它分成兩部分來做，一部分是尋跡部分，另一部分為與 MP3 通信部分，即 MP3 播放卡的控制。 流程圖如圖 5-9。 （四） 、程序的編寫 程序如圖 5-10 所示： 圖 5-10 機(jī)器人尋跡程序圖總 結(jié) 21 總 結(jié) 針對 畢業(yè)設(shè)計對滅火機(jī)器人的 要求， 經(jīng)過一個多月的分析和研討，我們 在已有平臺上 設(shè)計并 改進(jìn) 了這個機(jī)器人 。機(jī)器人要有合理的空間機(jī)構(gòu)、靈敏的外界感知能力、靈活的行走底盤、穩(wěn)定的行走驅(qū)動系統(tǒng)、快速準(zhǔn)確的運(yùn)動規(guī)劃等等，才能在 實(shí)際情況下真正做到及時發(fā)現(xiàn)火源、準(zhǔn)確消滅火源 。 這次設(shè)計，我們從 整體概念