無線視頻救援型機(jī)器人(S10016)大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目結(jié)題報(bào)告+驗(yàn)收表

#大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目結(jié)題報(bào)告一、選題背景、意義及創(chuàng)新性在現(xiàn)實(shí)生活與生產(chǎn)領(lǐng)域，經(jīng)常需要一種機(jī)器人能夠代替人類在復(fù)雜環(huán)境下從事勞動(dòng)，如災(zāi)難搜救、危險(xiǎn)場(chǎng)所作業(yè)以及狹小空間內(nèi)的勘探等，這種機(jī)器人一般要求體積小、重量輕，具有行走功能和感知功能，并且能夠遠(yuǎn)程遙控。為救援而采取先進(jìn)科學(xué)技術(shù)研制的機(jī)器人，如地震救援機(jī)器人，它是一種專門用于大地震后在廢墟中尋找幸存者執(zhí)行救援任務(wù)的機(jī)器人。隨著高新技術(shù)的發(fā)展，各種類型的軍用機(jī)器人已經(jīng)大量涌現(xiàn)，一些技術(shù)發(fā)達(dá)的國(guó)家相繼研制了智能程度高、動(dòng)作靈活、應(yīng)用廣泛的軍用機(jī)器人。目前軍用機(jī)器人主要是作為作戰(zhàn)武器和保障武器使用。在惡劣的環(huán)境下，機(jī)器人的承受能力大大超過載人系統(tǒng)，并且能完成許多載人系統(tǒng)無法完成的工作，如運(yùn)輸機(jī)器人可以在核化條件下工作，也可以在炮火下及時(shí)進(jìn)行戰(zhàn)場(chǎng)救護(hù)。在地面上，機(jī)器人為聯(lián)合國(guó)維和部隊(duì)排除爆炸物、掃除地雷；在波黑戰(zhàn)場(chǎng)上，無人機(jī)大顯身手；在海洋中，機(jī)器人幫助人清除水雷、探索海底秘密；在宇宙空間，機(jī)器人成了火星考察的明星。在前面介紹的眾多機(jī)器人中，我們不能忽視一點(diǎn)，就是在救援和探測(cè)的過程中由于機(jī)器人的自身體積較大和重量過重是影響其在行動(dòng)中的因素之一；再者，在救援時(shí)我們是無法長(zhǎng)時(shí)間對(duì)其進(jìn)行保養(yǎng)和維護(hù)，所以我們有必要精簡(jiǎn)設(shè)備（視頻的采集和傳輸）和提高穩(wěn)定性。所以綜上所述，我們的機(jī)器人是一種小巧、靈活、低成本、穩(wěn)定性高的機(jī)器人。二、項(xiàng)目研究目標(biāo)及工作方案1、研究（設(shè)計(jì)）目標(biāo)（1）機(jī)器人小型化（2）視頻無線收發(fā)（3）舵機(jī)的穩(wěn)定控制2、研究（設(shè)計(jì)）思路該機(jī)器人的設(shè)計(jì)主要是兩個(gè)大的方面，一是機(jī)器人本體部分，二是無線控制部分。在機(jī)器人本體部分我們采用輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)作為機(jī)器人的動(dòng)力部分，由四個(gè)直流減速電機(jī)完成；機(jī)器人的主控部分我們選擇德州儀器（TI）生產(chǎn)的MSP430F247低功耗單片機(jī)；無線控制部分使用瑞典生產(chǎn)的NRF905射頻模塊；機(jī)械部分使用8臺(tái)32g標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)（云臺(tái)2個(gè)，機(jī)械臂6個(gè)）；視頻采集依靠ov7660數(shù)字?jǐn)z像頭?？刂破鞑糠治覀冞x擇一塊3.5英寸液晶顯示屏；主控部分選擇MSP430F149單片機(jī)；3個(gè)搖桿電位器；發(fā)送部分選擇NRF905射頻模塊。在整個(gè)系統(tǒng)中由于電機(jī)需要6V供電，單片機(jī)需要5V供電，攝像頭和液晶屏需要12V供電，但是我們只有一塊8V電池，所以我們采用減壓和DCDC升壓的方法，做出了電源模塊，可以給整個(gè)系統(tǒng)供應(yīng)相應(yīng)的電源。在遙控部分，單片機(jī)自帶的ADC分3路采集搖桿電位器的電壓，分別控制機(jī)器人的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和云臺(tái)的位置還有機(jī)械臂的姿態(tài)。視頻的采集由ov7660數(shù)字?jǐn)z像頭完成，將圖像發(fā)送到機(jī)器人部分的2.4GHz的視頻發(fā)送模塊，之后發(fā)送到手持式遙控器上，操控著根據(jù)發(fā)回的圖像來確定機(jī)械臂的動(dòng)作，以達(dá)到救援探測(cè)的目的。三、項(xiàng)目研究過程中的難點(diǎn)及解決途徑，應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)在整個(gè)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中我們所遇到的難點(diǎn)和困難有以下幾點(diǎn)：（1）機(jī)械臂和云臺(tái)的設(shè)計(jì)問題：在這部分中我們主要是以機(jī)械體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為重點(diǎn)，一是要活動(dòng)靈敏，盡量少的受外界影響，如不能在強(qiáng)灰塵的環(huán)境中運(yùn)行等；二是機(jī)械臂和云臺(tái)的重量問題，前面說過車體不宜過大過重但是車在前后的配重問題上是要嚴(yán)格的考慮，如影響轉(zhuǎn)向，抓取東西的重量受到限制等等。在此問題上我們將機(jī)械臂的動(dòng)力部分使用舵機(jī)，這樣大大的增加的抓取物品的重量；在使用材料方面，我們大量的使用鋁合金材料，這樣大大的減少了車頭的重量，更好的達(dá)到了前后平衡。（2）舵機(jī)控制方面，我們使用舵機(jī)的初衷是這種電機(jī)的扭矩很大，再者是可以較為精確的控制其轉(zhuǎn)角而且速度較快，但是我們?cè)趯?shí)際的實(shí)驗(yàn)和使用的過程中發(fā)現(xiàn)其在運(yùn)動(dòng)的過程中有停頓的時(shí)候，所以我們采取軟件算法的升級(jí)，在這次項(xiàng)目中我們小組獨(dú)立開發(fā)了一種新型的舵機(jī)算法（P—to—P）算法，其有效的減少了舵機(jī)的停頓和在快速控制方面有了較大的提升。（3）視頻圖像的采集和傳輸，眾所周知視頻圖像的采集和處理是現(xiàn)在較為熱門的話題，在這次的項(xiàng)目中我們就需要相應(yīng)的視頻采集和發(fā)送處理。這次我們使用的是ov7660的數(shù)字?jǐn)z像頭，我們?cè)诔绦蛑性O(shè)置其圖像的輸出格式為QVGA(320*240),圖像的數(shù)據(jù)格式為RBG565,所以要想達(dá)到實(shí)時(shí)性的傳輸只是用單片機(jī)是不可能的，所以我們想了一種方法，單片機(jī)只給液晶屏初始化，圖像數(shù)據(jù)不經(jīng)過單片機(jī)直接發(fā)到液晶屏上，使用這種方法后視頻可以正常傳送。四、指導(dǎo)教師對(duì)項(xiàng)目成果的推廣應(yīng)用價(jià)值及存在問題總結(jié)機(jī)器人技術(shù)是一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)水平和國(guó)民經(jīng)濟(jì)現(xiàn)代化、化的重要標(biāo)志，也是打開21世紀(jì)大門的鑰匙。隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，其在教育領(lǐng)域的應(yīng)用也逐步得到重視。目前教育機(jī)器人主要應(yīng)用于課內(nèi)外教學(xué)和參加各級(jí)各類科技創(chuàng)新活動(dòng)，表現(xiàn)出了無可比擬的教育價(jià)值和極待挖掘的發(fā)展前景。機(jī)器人的定義在科技界，科學(xué)家會(huì)給每一個(gè)科技術(shù)語一個(gè)明確的定義，但機(jī)器人的定義卻至今沒有統(tǒng)一。原因之一是機(jī)器人還在發(fā)展，根本原因則是機(jī)器人涉及到了人的概念，使之成為難以回答的哲學(xué)問題。我國(guó)科學(xué)家對(duì)機(jī)器人的定義是：“機(jī)器人是一種自動(dòng)化的機(jī)器，所不同的是這種機(jī)器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動(dòng)作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度協(xié)同性的自動(dòng)化機(jī)器。從學(xué)習(xí)角度講，“教育機(jī)器人是由生產(chǎn)廠商專門開發(fā)的以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生綜合能力為目標(biāo)的機(jī)器人成品、套裝或散件”。它除了機(jī)器人機(jī)體本身之外，還有相應(yīng)的控制軟件和教學(xué)課本等。國(guó)內(nèi)已有一些企業(yè)和公司可以生產(chǎn)教育機(jī)器人或教學(xué)平臺(tái)。隨著機(jī)器人在工業(yè)上的廣泛應(yīng)用，如何加強(qiáng)工人對(duì)機(jī)器人的了解從而提高他們對(duì)機(jī)器人的控制也就成為一個(gè)顯著的問題。早在上世紀(jì)六十年代日本、美國(guó)、英國(guó)等西方發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)相繼在美國(guó)大學(xué)里開始了對(duì)機(jī)器人教育的研究，到了六十年代他們?cè)谥行W(xué)也開始了機(jī)器人教學(xué)，在此過程中也推出了各自的教育機(jī)器人基礎(chǔ)開發(fā)平臺(tái)。我國(guó)的機(jī)器人研究在七八十年代就已開展起來，在我國(guó)的“七五”計(jì)劃，“863”計(jì)劃中均有相關(guān)的內(nèi)容。機(jī)器人競(jìng)賽機(jī)器人教育對(duì)高科技社會(huì)的巨大影響已經(jīng)引起了美國(guó)、歐洲、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家和亞洲各國(guó)的高度重視，也得到了我國(guó)教育界的極大關(guān)注。國(guó)內(nèi)外機(jī)器人賽事不斷，引人注目。目前，全球每年有一百多項(xiàng)機(jī)器人競(jìng)賽，參加人員從小學(xué)生、中學(xué)生、大學(xué)生到研究者。這次我的學(xué)生所做的這個(gè)無線視頻救援型機(jī)器人在很大的程度上是對(duì)高校機(jī)器人學(xué)科的彌補(bǔ)，無論是從成本上還是軟硬件開發(fā)上都還有很大的上升空間。題目的立意很好，將現(xiàn)在的國(guó)際大環(huán)境結(jié)合和進(jìn)來，所以在很大的程度上是有應(yīng)用價(jià)值的，所以對(duì)這個(gè)項(xiàng)目的推廣身為指導(dǎo)教師我是有信心的。但是，項(xiàng)目作品終究不是產(chǎn)品，要看社會(huì)對(duì)它的認(rèn)可程度和適用范圍，還有一個(gè)最大的問題是工作的穩(wěn)定程度，一位學(xué)生的設(shè)計(jì)水平和經(jīng)驗(yàn)是無法和工程師相比的，所以我以一個(gè)很客觀的角度來評(píng)論這件作品。我們現(xiàn)在要看清情況，對(duì)于機(jī)器人的發(fā)展我們小組很有信心，但是面對(duì)國(guó)內(nèi)的情況我們應(yīng)該努力完善基本設(shè)施，所以我們認(rèn)為機(jī)器人必將為我國(guó)的素質(zhì)教育做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)，教育機(jī)器人的前途是光明的。五、成果總結(jié)及佐證材料（1）系統(tǒng)設(shè)計(jì)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為兩個(gè)方面，一是機(jī)器人本體（如圖1），二是遙控設(shè)備（如圖2）圖1機(jī)器人（車）系統(tǒng)框圖圖2機(jī)器人（遙控）系統(tǒng)框圖（2）硬件設(shè)計(jì)主控部分為MSP430x14x、MSP430x24x最小系統(tǒng)如圖3圖3MSP430最小系統(tǒng)原理圖圖4車載電源模塊圖5DCDC電源模塊（3）舵機(jī)控制1、P_TO_P算法intmax(uchartotal,intM){M=abs(position_change[total-1])>M?abs(position_change[total-1]):M;total--;if(total!=0)M=max(totalM);returnM;}voidP_to_P(intdelay,intdefine){uchari,j,k;inta,b=0,M=0;floatc,d;for(i=0;i<17;i++){position_buf[i]=position[i];}if(define==0){M=max(17,M);if(M>20)M=20;}elseM=define;for(i=1;i<=M;i++){for(j=1;j<16;j++){c=position-change[i];if(i==1)a=(c*i)/M;else{a=(c*i)/Mb=(c*(i-1))/M;position[i]+=(a-b);}PWM_24();sao_wei(delay);}}}2舵機(jī)的追隨特性①舵機(jī)穩(wěn)定在A點(diǎn)不動(dòng)；②CPU發(fā)出B點(diǎn)位置坐標(biāo)的PWM信號(hào)；③舵機(jī)全速由A點(diǎn)轉(zhuǎn)向B點(diǎn)；△8=8B-8A △T=△^+3④CPU發(fā)出B點(diǎn)PWM信號(hào)后，應(yīng)該等待一段時(shí)間，利用此時(shí)間舵機(jī)才能轉(zhuǎn)動(dòng)至B點(diǎn)。那么，具體的保持（等待）時(shí)間如何來計(jì)算，如下講解：令：保持時(shí)間為Tw當(dāng)Tw^^T時(shí)，舵機(jī)能夠到達(dá)目標(biāo)，并有剩余時(shí)間；當(dāng)Tw^^T時(shí)，舵機(jī)不能到達(dá)目標(biāo)；理論上：當(dāng)Tw=△T時(shí)，系統(tǒng)最連貫，而且舵機(jī)運(yùn)動(dòng)的最快。實(shí)際過程中由于2個(gè)因素：①1個(gè)機(jī)器人身上有多個(gè)舵機(jī)，負(fù)載個(gè)不相同，所以3不同；②某個(gè)舵機(jī)在不同時(shí)刻的外界環(huán)境負(fù)載也不同，所以3不同;則連貫運(yùn)動(dòng)時(shí)的極限AT難以計(jì)算出來。目前采取的方法是經(jīng)驗(yàn)選取3值。舵機(jī)TW數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)表格舵機(jī)Tw數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)表格1W值舵機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性1亞與^T關(guān)系該程序可行度備注500us不能跟隨Tw<△T不可行800us不能跟隨Tw<△T不可行1ms不能跟隨Tw<△T不可行1.1ms跟隨Tw°△T可行最快、平滑1.2ms跟隨Tw>△T可行最快、平滑1.6ms跟隨Tw>△T可行最快、平滑2ms跟隨Tw>△T可行最快、平滑2.6ms跟隨Tw>△T可行最快、平滑10ms跟隨Tw>>△T可行較慢、平滑20ms跟隨Tw>>△T可行較慢、平滑30ms跟隨Tw>>△T可行較慢、平滑40ms跟隨Tw>>△T可以較慢、微抖50ms跟隨Tw>>△T可以很慢、微抖70ms跟隨Tw>>△T不可以很慢、較抖100ms跟隨Tw>>△T不可以很慢、較抖六、參考文獻(xiàn)[1]MSP430單片機(jī)常用模塊與綜合系統(tǒng)實(shí)例開發(fā)[M][2]張毅坤，陳善久，裘雪紅.單片微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用[M][3]閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M][4]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分[M][5]侯媛彬.凌陽(yáng)單片機(jī)原理及其畢業(yè)設(shè)計(jì)精選[M][6]李剛.與8051兼容的高性能、高速單片機(jī)C8051FXXX[M][7]王松武，于鑫，武軍思.電子創(chuàng)新設(shè)計(jì)與實(shí)踐[M][8]張毅悝，陳善久.單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用[M][9]先鋒工作室.單片機(jī)程序設(shè)計(jì)實(shí)例[M][10]樓然苗，李光飛.51系列單片機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)例[M][11]謝桂林，黃章，劉允泓.電力拖動(dòng)與控制[M]王幸之，王雷，王閃等.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)與抗干擾技術(shù)[M]陳永甫.電子電路智能化設(shè)計(jì)實(shí)例與應(yīng)用[M]求是科技.單片機(jī)典型模塊設(shè)計(jì)實(shí)例導(dǎo)航[M]韓亞萍.ProtelDXP基礎(chǔ)教程[M]數(shù)據(jù)手冊(cè)網(wǎng)．AD公司官方網(wǎng)站.西科大圖書館．FPGA論壇.中國(guó)電子網(wǎng)．電子資料下載．歐林科電．電子愛好者論壇．PCB論壇網(wǎng).大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目結(jié)題驗(yàn)收表項(xiàng)目名稱無線視頻救援型機(jī)器人項(xiàng)目編號(hào)所在學(xué)院工程訓(xùn)練中心劃撥經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目組成員專業(yè)及班級(jí)在項(xiàng)目中承擔(dān)的工作簽名微電子學(xué)0801班硬件電路及軟件設(shè)計(jì)自動(dòng)化0904班機(jī)械臂硬件及軟件的制作微電子學(xué)0801班科技論文寫作微電子學(xué)0801班科技論文寫作微電子學(xué)0801班硬件電路設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師職稱研究方向智能儀器儀表一、研究成果簡(jiǎn)介（重點(diǎn)介紹特色及創(chuàng)新點(diǎn)）⑴該機(jī)器人體積小巧、靈活在救援和探測(cè)的過程中可較為自由的行動(dòng)；（2）機(jī)械臂自由度高，扭矩大可以抓取較大較重的物體；⑶云臺(tái)的設(shè)計(jì)可以在水平270度，縱向200度范圍觀測(cè)；（4）視頻設(shè)備小巧、較為穩(wěn)定，可以為野外探測(cè)提供保障；二、成果形式及數(shù)量1、論文（）篇；其中已公開發(fā)表（）篇：名稱,期刊（級(jí)別）；作者：名稱，期刊（級(jí)別）;作者：2、實(shí)物（2）件，名稱：無線救援型機(jī)器人實(shí)體及無線手持遙控裝置;TOC\o"1-5"\h\z3、調(diào)研報(bào)告 （）份；4、軟件 （）份；軟件說明書（）份；5、電子展板： （5）份；6、其它：MSP430x24x、L298、NRF905印刷電路板 三、經(jīng)費(fèi)使用情況資助