畢業(yè)設計（論文）-滅火機器人工作原理與設計

i GDGM-QR-03-077-B/0 Guangdong College of Industry & Commerce 畢業(yè)綜合實踐報告 Graduation synthesis practice report 題目 ： 滅火機器人工作原理與設計 (in English) ： The Theory and Design of Fire Fighting Robot 系 別： 電氣自動化系 班 級： 07 機 電 一 體 化 1 班 學生姓名： 學 號： 指導老師 ： ii 摘 要 畢業(yè)設計滅火機器人的設計對機器人 傳感器環(huán)境感知、 空間機構、自動控制、多智能決策的研究提出了嚴格的要求，也提供了一個良好的理論聯(lián)系實際的實驗平臺。本論文主要在機器人領域的以下三個方面進行了分析研究： 對多傳感器環(huán)境感知的研究 機器人以 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，確定機器人周圍環(huán)境的信息，并根據(jù)路徑規(guī)劃出決策行進運動。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度的檢測并將其轉換為機器人可以識別的信號，從而來檢測火焰信號。 準確方便，易于操作。多個傳感器的合理運用，使機器人對室內環(huán)境分析更加細致，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)境的反應過程主要是感覺 大腦思考 作出反映 ， 機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，便需要有程序讓機器對實際情況作出反應，程序的選擇和編寫也就變得至關重要。通過對多個方案的對比和 分析，我們選擇使用 VJC2.0 對程序進行編寫。 VJC（圖形化與編程語言）是用于能力風暴智能機器人系列產(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。我們結合實際情況可能出現(xiàn)的問題 進行編程，通過各方面的整合，機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)。 對機器人機械結構、空間機構的研究 按照設計的要求構思機器人機械結構，機器人必須具備能夠自動火源定位、靠近火源及滅火等動作；行走機構實現(xiàn)直行進退、左右拐彎、避開障礙物等動作。并在此基礎上分析機構運動學和動力學特性，保證機器人 動作的可靠性和準確性。 關鍵詞 ： 機器人 ， 滅火 ， 傳感器 ， 軟件 目 錄 I 目 錄 畢業(yè)綜合實踐報告 . I 目 錄 . I 第一章 緒論 . 1 一、國內外機器人技術發(fā)展的現(xiàn)狀 . 1 二、機器人技術的市場應用 . 1 三、機器人技術的前景展望 . 2 第二章 滅火機器人的總體設計 . 3 一、外部構造 . 3 二、操作面板的設計 . 3 三、電源部分 . 4 （一）、開機充電 . 4 （二）、關機充電 . 5 （三）、更換電池 . 5 第三章 機器人的傳動機構和動力驅動 . 6 一、齒輪傳動機構 . 6 二、機器人的齒輪箱 . 6 三、動力 . 7 四、機器人的驅動方式 . 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、對機器人避障的研究 . 17 （一）、機器人的 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 . 21 參考文獻 . 22 第一章 緒論 1 第一章 緒論 機器人技術作為 20 世紀人類最偉大的發(fā)明之一，自 20 世紀 60 年代初問世以 來，經(jīng)歷 40余年的發(fā)展已取得長足的進步。 未來的機器人是一種能夠代替人類在非結構化環(huán)境下從事危險、復雜勞動的自動化機器，是集機械學、力學、電子學、生物學、控制論、計算機、人工智能和系統(tǒng)工程等多學科知識于一身的高新技術綜合體。 走向成熟的工業(yè)機器人，各種用途的特種機器人的 多 用化，昭示著機器人技術燦爛的明天。 一、 國內外機器人技術發(fā)展的現(xiàn)狀 為了使機器人能更好的應用于工業(yè)，各工業(yè)發(fā)達國家的大學、研究機構和大工業(yè)企業(yè)對機器人系統(tǒng)開發(fā)投入了大量的人力財力。在美國和加拿大，各主要大學都設有機器人研究室，麻省理工學院側重于 制造過程機器人系統(tǒng)的研究，卡耐基 梅隆機器人研究所側重于挖掘機器人系統(tǒng)的研究，而斯坦福大學則著重于系統(tǒng)應用軟件的開發(fā)。德國正研究開發(fā) “MOVE AND PLAY”機器人系統(tǒng)，使機器人操作就像人們操作錄像機、開汽車一樣。 從六十年代開始日本政府實施一系列 扶植政策，使日本機器人產(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 “ 機器人王國 ” 。其機器人的產(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)機器人工業(yè)會常務理事米本完二的說法： “ 日本機器人的發(fā)展經(jīng)過了 60 年代的搖籃期。 70 年代的實用期。到 80 年 代進人普及提高期。 ” 并正式把 1980 年定為產(chǎn)業(yè)機器人的普及元年 ” 。開始在各個領域內廣泛推廣使用機器人。 中國機器人的發(fā)展起步較晚， 1972 年我國開始研制自己的工業(yè)機器人。 七五 期間，國家投入資金，對工業(yè)機器人及其零部件進行攻關，完成了示教再現(xiàn)式工業(yè)機器人成套技術的開發(fā)，研制出了噴涂、點焊、弧焊和搬運機器人。 1986 年國家高技術研究發(fā)展計劃 (863 計劃 )開始實施，智能機器人主題跟蹤世界機器人技術的前沿，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器人。 20 世紀 90 年代，我國的工業(yè)機器人又在 實踐中邁進一大步，先后研制出了點焊、裝配、噴漆、切割、搬運等各種用途的工業(yè)機器人，并實施了一批機器人應用工程，形成了一批機器人產(chǎn)業(yè)化基地，為我國機器人產(chǎn)業(yè)的騰飛奠定了基礎 。 二、 機器人技術的市場應用 機器人融入我們日常生活的步伐有多快？據(jù)國際機器人聯(lián)盟調查， 2004 年，全球個人機器人約有 200 萬臺，到 2008 年，還將有 700 萬臺機器人投入運行。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器人；而日本機器人協(xié)會預測，到 2025 年，全球機器人產(chǎn)業(yè)的“蛋糕”將達到每年 500 億美元的規(guī)模 (現(xiàn)在 僅有 50 億美元 )。與 20 世紀 70 年代 PC第一章 緒論 2 行業(yè)的情況相仿，我們不可能準確預測出究竟哪些用途將推動這個新興行業(yè)進入臨界狀態(tài)。不過看起來，機器人很可能在護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，并增強士兵、建筑工人和醫(yī)護人員的體力與耐力。 目前，我國從事機器人研發(fā)和應用工程的單位 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 多個國家引進的。 2000 年已生產(chǎn)各種類型工業(yè)機器人和系統(tǒng) 300 臺套，機器人銷售額 6.74 億元，機器人產(chǎn)業(yè)對國民經(jīng)濟的年收益額為 47 億元，我國對工業(yè)機器人的需求量和品種將逐年大幅度增加。 三、 機器人技術的前景展望 機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器人會存在一個空間里邊，成為一個互相的助手和朋友。機器人會不會產(chǎn)生飯碗的問題。我們相信不會出現(xiàn)“ 機器人上崗，工人下崗 ” 的局面，因為人們隨著社會的發(fā)展，實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，機器人來做這些危險環(huán)境的工作，展望 21 世紀機器人將是一個與 20 世紀計算機的普及一樣，會深入地應用到各個領域， 所以很多專家預測，在 21 世紀的前 20 年是機器人從制造業(yè)走向非制造業(yè)的發(fā)展一個重要時期，也是智能機器人發(fā)展的一個關鍵時期，目前國際上很多國家，也對機器人對人類社會的影響的估計提出了新的認識，同時，我們也可以看到機器人技術，涉及到多個學科，機械、電工、自動控制、計算機測量、人工智能、傳感技術等等，它是一個國家高技術實力的一個重要標準。 語音識別處理是語音功能的一個重要方面，目前計算機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上還有自己的特點和優(yōu)勢?？梢灶A計，語音技術的發(fā)展前景無限。第二章 滅火 機器人的 總體設計 3 第二章 滅火 機器人的 總體設計 本設計主要就是針對消防機器人的制作與研究，機器人以 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)以及其它電路構成。電源電路提供系統(tǒng)所需的工作電源，專用電機驅動芯片驅動電機控制小車的前進后退以及轉向，光電對管完成尋跡和避障，光敏電阻傳感器檢測火焰，滅火風扇進行滅火。 一、外部構造 滅火機器人外形呈小車狀， 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 滅火機器人外形簡圖 二、 操作面板的設計 操作面板由下載指示、下載口、充電口、開關、復位、運行、電源指示等組成，如圖 2-2所示。 圖 2-2 機器人 操作面板 第二章 滅火 機器人的 總體設計 4 “開關”按鈕 控制 AS 一 Ul 日電源開關的按鈕，按此按鈕可以打開或關閉機器人電源。 “電源，指示燈 按下 AS 一 Ulll 的開關后，這個燈會發(fā)紅光，這時可以與機器人進行交流了！ “充電口” 將充電器的相應端插入此口，再將另一端插到電源上即可對機器人充電。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”用于下載程序到機器人主板上，使用時只需將 USB 連接線的相應端插入下載口，另一端與計算機連接好，這樣機器人與計算機就連接起來了。 “復位 A SOS 按鈕 這按鈕用于系統(tǒng)復位。當機器人因故障不能運行的時候，試試這個按鈕吧。 打開電源后，按擊“運行”鍵，機器人就可以運行內部已存儲的程序，按照你的“指令”行動。例如在運行自檢程序時，如果想執(zhí)行下一個模塊的自檢，請按“運行”鍵。 三、 電源部分 本滅火機器人選擇在線充電：也就是不用取出電池，直接為機器人充電。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，不會影響你對機器人進行編程和調試。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暴上中的充電插口； 3、 另一端充電器電源插頭插入標準電源插座上（ 220V , 50 日 z ）。 第二章 滅火 機器人的 總體設計 5 （二）、 關機充電 AS 一 U 川也可以關機充電。只需將機器人的電源關閉，按擊控制按鍵中的“開關”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 。電池可重復充電 1 000 次以上。因為 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。但嚴禁把電池取下來充電！ 否則有可能會出現(xiàn)短路燃燒等嚴重后果。 當電池達到使用壽命后，需要更換電池，我們按下面步驟進行： 1、 關閉 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 機器人的傳動機構和動力驅動 6 第 三 章 機器人的傳動機構和動力驅動 有了傳感器對環(huán)境的感知，有了程序指令的處理和反映，便需要機械構造對具體功能的執(zhí)行。這一章我們機器人的傳動機構和動力驅動作了只要的介紹。 一、齒輪傳動機構 齒輪，顧名思義就像是帶了齒的輪子。齒輪傳動機構就是齒輪作為主要傳動件的傳動機構。工作時，首先有一只主動輪先轉動起來，轉動過程中與另一 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，這樣運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動的形式，齒輪是旋轉運動，下方的齒條則是直線運動； 圖 3-1（ b） 所示傳動類型能夠改變了旋轉運動的速度； 圖 3-1（ c） 所示傳動類型不僅改變了運動的速度而且改變了旋轉運動的軸線方向。 二、機器人的齒輪箱 為什么齒輪箱里的傳動系統(tǒng)不能用一 級傳動呢 ？ 這是因為如果只用兩個齒輪嚙合，為了達到改變速度的要求，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，并且對小齒輪性能指標的要求也很高。所以，為了達到一定的傳動比，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整到所需要的指標。 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) 輸出的速度可表達為： V 輸出 V 動力源 I 第 三 章 機器人的傳動機構和動力驅動 7 我們在機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，實際情況會略有不同）見圖 3-2: 圖 3-2 齒輪箱展開圖 當然，機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）并與之一起旋轉以傳遞運動、扭矩或轉矩的機械零件。 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 機器人 的動力來源于位于機器人底盤內的電池。 電池提供電能，而機器人運動需要的是動能。這兩種能量是怎么轉化的呢？電能轉化為動能是利用了一種專門的設備一電動機，這種設備是現(xiàn)代工業(yè)必不可少的，是工業(yè)電氣化的標志。直流電機將軸的旋轉運動輸入到齒輪箱，然后齒輪箱的輸出軸控制輪子轉動，從而驅動整個機器人的運動。 第 三 章 機器人的傳動機構和動力驅動 8 四、機器人的驅動方式 機器人的驅動是采用的差動驅動方式。 差動方式是指將兩個有差異的或獨立的運動合成為一 個運動。當我們把兩個電機的運動合成為一個運動時，這就成了差動驅動。 機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。這樣兩個直流電機分別獨立控制 1 個驅動輪，在運行時，我們可以分別確定兩個電機各自的轉速，組合起來就能實現(xiàn)機器人的各種運動方式，如直行、轉彎等，這就實現(xiàn)了差動驅動方式。 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)境感知是移動機器人設計的關鍵技術之一。要實現(xiàn)移動機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動的環(huán)境中能夠提供實時的信息。 通過對機器人的分析，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度的檢測并將其轉換為機器人可以識別的信號，從而來檢測火焰信號。 準確方便，易于操作。 然而單一火焰?zhèn)鞲衅鞯姆€(wěn)定性不理想，在 設計在 中 我們 采用多傳感器融合技術，事實上采用多傳感器融合技術會大大增加機器人的計算工作量，減緩機器人響應時間。 在機器人的設計中，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，確定機器人周圍環(huán)境的信息，進而將所得到的環(huán)境特征傳輸?shù)缴衔粰C，由上位單片機進行協(xié)調決策，選擇機器人的 動作 策略。 圖 4-1 滅火機器人的系統(tǒng)結構 第四章 對多傳感器環(huán)境感知的研究 10 圖 4-2 滅火機器人的感官部分 一、 碰撞傳感器 機器人的下部放置了一個碰撞系統(tǒng)，保證機器人的正?；顒?。機器人的碰撞機構能夠檢測到來自 360 范圍內物體的碰撞，使機器人遭遇到來自不同方向的碰撞后，能夠轉彎避開并保持正?；顒?。 碰撞傳感器是使能力風暴智能機器人有感知碰撞環(huán)上的碰撞信息能力的傳感器。在能力風暴智能機器人的左前、右前、左后、右后設置有四個碰撞開關（常開），它們與碰撞環(huán)共同構成了碰撞傳感器（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)固連在底盤上相應的碰撞開關，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 碰撞開關機碰撞環(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)紅外接收管位于機器人的正前方，兩只紅外發(fā)射管位于紅外接收管的兩側。 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 轉換送入 CPU 進行處理。機器人的紅外傳感器能夠看到前方 10cm 一 80cm，甚至更遠， 90 范圍內的比 210mm 150mm 面積大的障礙物，如果障礙物太小太細、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 設計中我們 運用了 2 只紅外發(fā)射管（ 970nm ）和一只紅外接收模塊構成紅 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。 我們 可以通過調節(jié)兩個電位器來調節(jié)左右兩個紅外的檢測距離，順時針紅外發(fā)射強，檢測第四章 對多傳感器環(huán)境感知的研究 12 距離遠，逆時針紅外發(fā)射弱，檢測距離近。逆時針將電位器旋轉到底時將關閉紅外線發(fā)射管。 三、 光敏傳感器 光敏傳感器位于機器人的正前方。 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。我們如果在機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器人能探測什么顏色的光線。 光敏傳感器其實是一個光敏電阻，它的阻 值受照射在它上面的光線強弱 影響。 我們設計中所 使 用的光敏電阻的阻值在很暗的環(huán)境下為幾百 k ，室內照度下幾 k ，陽光或強光下 幾十 。 四、 話筒 麥克風（ microphone）是能夠識別聲音聲強大小的聲音傳感器 ，也就是我們所說的話筒。 機器人的話筒 可以 感受到聲音的強弱。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， 機器人 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 的機械波。 機器人在聽到 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 在機器人 輪子的內側裝 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 機器人有 2 只光電編碼器，運用反射式紅外發(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。當碼盤隨輪子旋轉時，黑條和白條交替經(jīng)過光電編碼器，當從黑條變?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 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器人一定的智慧。機器人對外界環(huán)境的感知完全依賴于傳感器 ，而對現(xiàn)實情況的反應卻完成依靠程序指令。因此，程序的編 寫便是至關重要。 一、 編程工具的選擇 通過對比和分析，我們選擇了 VJC 2.0 編程軟件對機器人控制程序進行編寫。 VJC，全稱圖形化與編程語言，是用于能力風暴智能機器人系列產(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，可以立即下載到機器人中運行。 （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識流程圖。 例：在 50 名學生中，將成績在 80 分以上者的學號和成績打印出來。 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）表示相應操作的框； 2）帶箭頭的流程線； 3）框內外必要的文字說明。 “表示相應操作的框”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)的計算機編程語言（如 C、 FORTRAN 、 JAVA ）編程，需要輸入復雜的程序代碼，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”的設想，就可以編出程序。 VJC 正是按這個思想設計的。 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用、浮點數(shù)和整數(shù)、全局變量、簡單表達式、復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雜的滅火程序都能夠用流程圖實現(xiàn)。 二 、 方形走法的程序開發(fā) （一） 、 編程思路 機器人走四邊形，就是讓機器人完成“前進轉彎前進轉彎前進轉彎前進轉彎”的動作，也就是說機器人需要完成四個“前進轉 彎”動作。 而要讓機器人完成一個“前進轉彎”，需要啟動電機，使機器人以一定的速度向前運行一段路程，然后停下，旋轉 90 ，再停下。這樣就走完了四邊形的一邊。要讓機器人走四個邊，有一個簡便的方法，這就是循環(huán)。上述步驟循環(huán) 4 次，機器人就能夠走出一個四邊形了。 （二） 、 程序 的編寫 進入 VJC2.0 的流程圖編輯界面，編寫此程序的步驟如下： 用鼠標點擊左邊“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)體要重復執(zhí)行 4 次。 圖 5-3 機器人 多次循環(huán) 程序圖 點擊“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，打開參數(shù)設置對話框（圖 5-4（ b） ）。在對話框中可設置平移速度，旋轉速度和時間，根據(jù)要求選擇合適的值，機器人就可以完成走一條邊的任務。 第 五 章 自動控制和程序的編寫 16 圖 5-4 機器人 直行 動作程序圖 再點擊“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 左鍵打開參數(shù)設置對話框，在“旋轉速度”和“時間”狀態(tài)欄內，分別填寫適當?shù)闹?，使機器人向右旋轉 90（圖 5-5（ b） ）。 （ a） （ b） 圖 5-5 機器人 轉彎 動作程序圖 最后，打開程序模塊庫，將“結束”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 、 對機器人避障的研究 （一） 、機器人的避障原理 在機器人本體上有二個紅外發(fā)射二極管，分布在機器人的兩側和中間。一個接 收傳感器在中間。三個發(fā)射管輪流發(fā)射紅外線。當紅外光遇到在其探測范圍內的障礙物，并與障礙物構成一定角度時，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節(jié)電阻來調節(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動，電子和空穴分別向電源正極和負極移動參與導電，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：實際上就是一個行程開關，它通過接觸碰撞產(chǎn)生一個 開關量。 （三） 、 編程思路 機器人避障流程圖如 圖 5-6所示。 圖 5-6 機器人避障流程圖 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 機器人避障程序團 第 五 章 自動控制和程序的編寫 19 四 、 對機器人尋跡的研究 （一） 、 綜合敘述 在自主式智能導航系統(tǒng)中，機器人要實現(xiàn)自動導引功能就必須要感知引導線，即常說的“尋跡”，這相當于給機器人一個視覺功能。他能沿引導線運動。引導 線采用與地面顏色有較大差別的線條作引導。尋跡傳感器安裝在機器人的底部，用來探測引導線的位置信息，并把它傳輸?shù)紺PU 中處理， CPU 根據(jù)傳感器傳回引導線的位置信息來調整電機的運行速度，從而達到調整機器人運動姿態(tài)的目的。在引導線上某些位置加上特定的標記，使機器人能在這些點能夠停卜來，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。當發(fā)射光照射到不同顏色物體上時所吸收強度不一樣，導致反射光 強度不一樣，這樣對不同顏色接 收管接收的光強度也不一樣。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，可以調節(jié)發(fā)射紅外線的強度。 （三） 、編程思路 在白色的地面上，貼黑色引導線，在黑色引導線上做一些位置標記，這里的位置標記為一條比兩傳感器位置寬的黑線，這樣當兩個傳感器同時檢測到黑線時，機器人就認為這是一個停留點。機器人沿著黑色引導線運動，并在標記處停留并 圖 5-9 機器人 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 機器人尋跡程序圖總 結 21 總 結 針對 畢業(yè)設計對滅火機器人的 要求， 經(jīng)過一個多月的分析和研討，我們 在已有平臺上 設計并 改進 了這個機器人 。機器人要有合理的空間機構、靈敏的外界感知能力、靈活的行走底盤、穩(wěn)定的行走驅動系統(tǒng)、快速準確的運動規(guī)劃等等，才能在 實際情況下真正做到及時發(fā)現(xiàn)火源、準確消滅火源 。 這次設計，我們從 整體概念