探測機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì),探測,機(jī)器人,系統(tǒng),設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書 系別 ：機(jī)電工程學(xué)院 專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化 班級：機(jī)0405 學(xué)生情況 指導(dǎo)教師情況 題目類型 姓 名 學(xué) 號 姓 名 職 稱 單 位 理論研究 □ 科研開發(fā) □ 王亮 18 王會香 講師 機(jī)電工程學(xué)院 工程設(shè)計(jì) □ 論文 □ 題目 探測機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 主要 內(nèi)容 以及 目標(biāo) 主要內(nèi)容： 1、 研究探測機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則。 2、 確定探測機(jī)器人的移動方式，并對整個(gè)探測機(jī)器人的整體進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)。 3、對探測機(jī)器人系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，繪制機(jī)械圖。 4、給出移動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，。 目標(biāo)： 掌握探測機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則，從實(shí)際應(yīng)用環(huán)境出發(fā)確定機(jī)器人的移動方式，選用合理的目標(biāo)監(jiān)測手段，來實(shí)現(xiàn)探測目的，并撰寫畢業(yè)論文，達(dá)到機(jī)電一體化綜合能力訓(xùn)練的目的。 成果 形式 具體工作量：1.3000字的開題報(bào)告一份； 2.與畢業(yè)設(shè)計(jì)相關(guān)的英文翻譯一份，5000字以上； 3.完成機(jī)械圖紙A0 3張，編制控制界面； 4.撰寫一篇15000字以上的關(guān)于探測機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的畢業(yè)論文。 成果形式：論文、圖紙、程序。 基本 要求 1、設(shè)計(jì)圖紙符合國家標(biāo)準(zhǔn)， 2、結(jié)合機(jī)械與機(jī)電的有關(guān)知識對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 實(shí)習(xí) 調(diào)研 要求 實(shí)習(xí)調(diào)研提綱： 1、探測機(jī)器人的設(shè)計(jì)原則。 2、探測機(jī)器人的幾種移動方式 3、探測機(jī)器人的監(jiān)測手段。 實(shí)習(xí)調(diào)研時(shí)間：第1-3周 實(shí)習(xí)調(diào)研地點(diǎn)：機(jī)電控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 主要 參考 文獻(xiàn) 1. 主要 儀器 設(shè)備 計(jì)算機(jī)， 工控機(jī)。 PCI數(shù)據(jù)采集板卡 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開始日期 2007-3-1 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）完成日期 2007-6-27 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）進(jìn)度計(jì)劃（起止時(shí)間、工作內(nèi)容） 1. 第1-3周 實(shí)習(xí)調(diào)研基本結(jié)束； 2. 第4周 撰寫并提交調(diào)研報(bào)告和開題報(bào)告； 3. 第5-6周 制定探測移動機(jī)器人的設(shè)計(jì)原則； 4．第7周 確立機(jī)器人的移動方式； 5. 第8-12周 設(shè)計(jì)機(jī)器人系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)； 6. 第13-14周 設(shè)計(jì)控制方案及監(jiān)測手段； 7．第15-16周 撰寫并提交畢業(yè)論文；審閱、評審并修改畢業(yè)論文； 8．第17周 完成畢業(yè)答辯 指導(dǎo)教師（簽字）： 年 月 日 督導(dǎo)教師（簽字）： 年 月 日 系畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）領(lǐng)導(dǎo)小組審查意見： 組長（簽字）： 年 月 日 摘要 本設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，以便根據(jù)要求選擇和定制配置，并在需要的時(shí)候方便更換和添加其他模塊，而且給出了兩種移動方式的設(shè)計(jì)方案，即履帶式移動方式和輪式的設(shè)計(jì)，兩者都有各自的特點(diǎn)，但主要以研究設(shè)計(jì)履帶式為主，它具有良好的機(jī)動性，在越障、跨溝、攀爬方面具有明顯優(yōu)勢。該機(jī)器人的最大優(yōu)點(diǎn)是具有良好的越障性能、環(huán)境適應(yīng)性能、防摔抗沖擊性能并具備全地形通過能力。而輪式探測機(jī)器人則機(jī)動性能比較好。除了設(shè)計(jì)探測機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)外，還給出了移動控制方案。 機(jī)器人最重要的機(jī)構(gòu)是運(yùn)動底盤的設(shè)計(jì)，即使軟件設(shè)計(jì)的再好，移動方式?jīng)]有設(shè)計(jì)好，那么機(jī)器人也不會很好的執(zhí)行任務(wù)。輪式，腿式，履帶式的移動方式在設(shè)計(jì)過程中已經(jīng)給出， 可以根據(jù)自己設(shè)計(jì)的要求進(jìn)行選擇如果地形比較平緩，或是有溝壑的地形，可以選擇履帶的移動方式；如果是平緩沒有溝壑的地形，就選用輪式的移動方式；如果地形成階梯狀，而且地形比較復(fù)雜，最好選用腿式的方法。 本設(shè)計(jì)可以采用兩種控制系統(tǒng)，即通過上位機(jī)直接通過總線對機(jī)器人進(jìn)行控制或是通過無線電臺對機(jī)器人進(jìn)行控制。 關(guān)鍵詞： 探測機(jī)器人； 模塊化設(shè)計(jì)； 履帶移動方式； 機(jī)器人的控制系統(tǒng)； Abstract The design is modular in design so that in accordance with requirements of options and custom configuration, and when needed to facilitate the replacement and add other modules, and is given two mobile forms of design options, that is, tracked and wheeled mobile way of design , Both have their own characteristics, but mainly to crawler-based research and design, it has good mobility in the barrier, the inter-ditch, climbing has obvious advantages. The robot is the greatest advantage of the barrier has a good performance, adapt to environmental performance, Fangshuai impact resistance and have all-terrain capacity. The wheeled robot will detect mobility is better。In addition to detecting robot design the overall structure, but also gives a mobile control ways。 Robot is the most important bodies of the sports chassis design, even the best software design, mobile design means no good, then the robot will not be very good mission. Wheeled, legged, tracked the movement of way in the design process has been given, Can be designed in accordance with the requirements of their own choice if the relatively flat terrain, or a gully of the terrain, can choose to track the movement; If the gully is not flat terrain, on the choice of wheeled mobile way, if formed ladder, and More complex terrain, the best choice legged approach。 This design uses two types of control systems, through the PC directly through the bus to control the robot through the radio or to control the robot。 Keywords： Detecting robot; modular design；tracked mobile； robot's control system； 目 錄 摘要 ――――――――――――――――――――――――I Abstract――――――――――――――――――――――II 第一章　概述――――――――――――――――――――――――４ 1.1 機(jī)器人的應(yīng)用范圍――――――――――――――――――――――４ 1.2 探測機(jī)器人的先狀及發(fā)展趨勢―――――――――――――――――４ 1.3 研究內(nèi)容――――――――――――――――――――――――――５ 第二章　機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)―――――――――――――――――――７ 2.1 計(jì)算機(jī)模塊的設(shè)計(jì)――――――――――――――――――――――７ 2.2　　傳感器模塊的設(shè)計(jì)――――――――――――――――――――――８ 2.3　　電源及驅(qū)動模塊的設(shè)計(jì)――――――――――――――――――――８ 2.4　　底盤運(yùn)動模塊的設(shè)計(jì)―――――――――――――――――――――８ 2.5　　各模塊的連接――――――――――――――――――――――――11 第三章　能源驅(qū)動的設(shè)計(jì)選擇―――――――――――――――――14 3.1 能源的供給―――――――――――――――――――――――――14 3.2　　電機(jī)的選擇―――――――――――――――――――――――――14 3.3　　電機(jī)驅(qū)動的選擇―――――――――――――――――――――――15 第四章　傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)――――――――――――――――――17 4.1 視覺傳感器―――――――――――――――――――――――――17 4.2　　超聲波傳感器――――――――――――――――――――――――17 4.3　　紅外傳感器―――――――――――――――――――――――――19 第五章　探測機(jī)器人的硬件系統(tǒng)――――――――――――――――20 5.1 傳感器采集系統(tǒng)―――――――――――――――――――――――20 5.2　　保護(hù)電路――――――――――――――――――――――――――20 5.3　　紅外傳感器的接線――――――――――――――――――――――21 5.4　　超聲波傳感器的接線―――――――――――――――――――――21 5.5　　羅盤處理流程――――――――――――――――――――――――21 5.6　　RS485-RS232轉(zhuǎn)換電路――――――――――――――――――――22 第六章　探測機(jī)器人計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)――――――――――――――23 6.1 無線電臺通訊系統(tǒng)――――――――――――――――――――――23 6.2　　電子羅盤――――――――――――――――――――――――――23 第七章　探測機(jī)器人軟件系統(tǒng)的開發(fā)――――――――――――――25 　　　　移動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)―――――――――――――――――――――25 　　　　演示控制程序――――――――――――――――――――――――25 結(jié)束語　　　　　　―――――――――――――――――――――29 參考文獻(xiàn)　　　　　―――――――――――――――――――――30 第一章概述 出于重要的戰(zhàn)略意義，資源領(lǐng)域已成為各科技強(qiáng)國相互競爭的一個(gè)焦點(diǎn)，出于安全性等因素的考慮，對探測機(jī)器人的研究設(shè)計(jì)也成為了開發(fā)資源的重要硬件之一，探測機(jī)器人可以幫助人類完成一些不能完成的任務(wù)。 1.1 機(jī)器人的應(yīng)用范圍 1）行星探測移動機(jī)器人 行星探測移動機(jī)器人的研究對于發(fā)展行星科學(xué)、提高國防能力、提高國家的國際地位等方面均有重要意義，因?yàn)?①移動機(jī)器人是行星科學(xué)研究中著陸探測和取回樣品到實(shí)驗(yàn)室分析的有力工具。②人類在太空中停留數(shù)月之久會嚴(yán)重丟失鈣和磷，這似乎意味著人類不可能在重力為零的狀態(tài)下飛行6一9個(gè)月或更長一點(diǎn)時(shí)間。但機(jī)器人不存在這個(gè)問題。因此，行星探測移動機(jī)器人的研究是對行星進(jìn)行長期實(shí)地考察的需要。③大大節(jié)省探測成本。以月球探測為例，根據(jù)粗略的估計(jì)，一次有人駕駛的飛行所花費(fèi)的錢要比無人駕駛飛行多50一100倍。因此，光就科學(xué)上的探索來說，用機(jī)器人執(zhí)行無人駕駛飛行任務(wù)是合算的。④有利于提高國家國防自動化的水平和國際地位。因此，行星探測移動機(jī)器人的研究受到世界各國的高度重視。 2）海洋探測機(jī)器人 海洋探測機(jī)器人人已經(jīng)廣泛應(yīng)用于海洋開發(fā)的許多領(lǐng)域，隨著海洋開發(fā)的不斷深入，續(xù)航力大、探測范圍廣、能執(zhí)行多種復(fù)雜任務(wù)的大型機(jī)器人需求也越來越大。主要用于海洋石油開發(fā)、海底管道光纜巡查檢修以及其他各種復(fù)雜任務(wù)。為了使機(jī)器人能更好的完成指定任務(wù)，水下機(jī)器人的運(yùn)動性能預(yù)報(bào)就成為了一個(gè)重要的研究課題。 3）油井故障探惻機(jī)器人 探測儀器的送進(jìn)是油田上測井、修井等井下作業(yè)中的一項(xiàng)重要技術(shù)。 4) 履帶式井下探測機(jī)器人 中國作為世界產(chǎn)煤大國，也是世界煤礦事故高發(fā)國家，需要非常重視煤礦生產(chǎn)的安全。這種探測機(jī)器人可在災(zāi)害發(fā)生前對隱患進(jìn)行準(zhǔn)確及時(shí)的檢測與預(yù)防，災(zāi)后進(jìn)行施救等重要的危險(xiǎn)任務(wù)。 關(guān)于探測機(jī)器人應(yīng)用范圍比我們想象的要廣泛的多，在軍事方面，已經(jīng)研究出了反坦克雷探測機(jī)器人；還有醫(yī)學(xué)探測機(jī)器人等。 2006年，中國政府制定的《國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十一個(gè)五年規(guī)劃綱要》和《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006－2020年）》，將發(fā)展航天事業(yè)置于重要地位。根據(jù)上述兩個(gè)規(guī)劃綱要，中國政府制定了新的航天事業(yè)發(fā)展規(guī)劃，明確了未來五年及稍長一段時(shí)期的發(fā)展目標(biāo)和主要任務(wù)。按照這一發(fā)展規(guī)劃，國家將啟動并繼續(xù)實(shí)施載人航天、月球探測、高分辨率對地觀測系統(tǒng)、新一代運(yùn)載火箭等重大航天科技工程，以及一批重點(diǎn)領(lǐng)域的優(yōu)先項(xiàng)目，加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，超前部署和發(fā)展航天領(lǐng)域的若干前沿技術(shù)，加快航天科技的進(jìn)步和創(chuàng)新。要發(fā)展航空事業(yè)，對月球進(jìn)行探索，那么研究設(shè)計(jì)探測機(jī)器人是必不可少的過程。 1.2 探測機(jī)器人的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 1） 在行星探測機(jī)器人的研制方面，美國和俄羅斯處于世界領(lǐng)先地位。從20世紀(jì)60年代開始，美、蘇向月球以及金、火、水、木、土等星球發(fā)射了許多探測器。格林威治時(shí)間1997年7月4日17時(shí)07分，美國國家航空航天局困ASA)發(fā)射的火星探路者號宇宙飛船成功地在火星表面著陸。探路者登陸器上帶有各種儀器及“索杰納”火星車團(tuán)。這是上世紀(jì)自動化技術(shù)最高成就之一。 日本對機(jī)器人的設(shè)計(jì)也處于領(lǐng)先地位。日本京都大學(xué)科研人員已經(jīng)開發(fā)出一種新型機(jī)器人,能在強(qiáng)烈地震發(fā)生后到廢墟中探測被埋人員。還專門進(jìn)行了實(shí)用演示。這種機(jī)器人外表象是一條粗大的節(jié)足昆蟲,長1·43 m,由7節(jié)組成,有人的小腿一般粗細(xì),每節(jié)周身都纏滿縱向履帶。它可以在遙控下從瓦礫的夾縫中蜿蜒穿行,裝在頭部的攝像機(jī)鏡頭會隨時(shí)傳輸觀察到的影像和搜集到的聲音,從而供控制者判斷里面是否有需要救助的存活人員。 未來的空間探測任務(wù)要求機(jī)器人系統(tǒng)能夠在預(yù)先未知或非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中執(zhí)行變化的任務(wù)，機(jī)器人移動平臺應(yīng)具備良好的幾何通過性、越障性、抗傾覆性、行駛平順性、牽引控制特性和能耗特性?；诓煌脑砗托阅軅?cè)重點(diǎn)，國內(nèi)外提出并試驗(yàn)了多種類型的空間探測機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)。 2）探測機(jī)器人移動系統(tǒng)的發(fā)展趨勢如下: (1)輪腿式，履腿式等復(fù)合型結(jié)構(gòu)的移動機(jī)器人是一個(gè)研制方向。 (2)由于航天器技術(shù)、尺寸、質(zhì)量和費(fèi)用的限制,微小型行星探測機(jī)器人是目前發(fā)展的主流。 (3)由于通信時(shí)延和微重力作用的緣故,中低速移動機(jī)器人是研制的主流。 (4)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制方案相結(jié)合是研制靈活可靠的行星探測機(jī)器人的設(shè)計(jì)方向。 3）設(shè)計(jì)探測機(jī)器人所面臨的問題 盡管國內(nèi)外已經(jīng)研制出了輪式、腿式、輪腿式、履帶式和其它特殊形式的移動機(jī)器人,但到目前為止,無論國內(nèi)還是國外,同時(shí)具備以下性能的移動機(jī)器人還沒有出現(xiàn):(1)能跨越大于輪子直徑的壕溝和高于輪子半徑的臺階;(2機(jī)器人陷入軟土壤中時(shí),能自動脫離軟土壤區(qū),恢復(fù)正常的行駛能力;(3)整機(jī)的可密封性和可壓縮性良好;(4)克服傾翻對機(jī)器人行駛能力的不良影響;(5)行駛的高速高效性;(6)容積可進(jìn)行擴(kuò)充，而這些又是行星探測等領(lǐng)域移動機(jī)器人運(yùn)動系統(tǒng)所應(yīng)具備的重要性能,因此,研制出新型的、綜合性能更好的行星探測機(jī)器人是行星探測機(jī)器人移動系統(tǒng)研究中有待解決的問題之一。 1.3 研究內(nèi)容 本設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，以便根據(jù)要求選擇和定制配置，并在需要的時(shí)候方便更換和添加其他模塊，而且給出了兩種移動方式的設(shè)計(jì)方案，即履帶式移動方式和輪式的設(shè)計(jì)，兩者都有各自的特點(diǎn)，但主要以研究設(shè)計(jì)履帶式為主，它具有良好的機(jī)動性，在越障、跨溝、攀爬方面具有明顯優(yōu)勢。該機(jī)器人的最大優(yōu)點(diǎn)是具有良好的越障性能、環(huán)境適應(yīng)性能、防摔抗沖擊性能并具備全地形通過能力。而輪式探測機(jī)器人則機(jī)動性能比較好。除了設(shè)計(jì)探測機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)外，還給出了移動控制方案。 其具體研究內(nèi)容如下： 1、 研究探測機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則。 依據(jù)運(yùn)動學(xué)原理，對機(jī)器人進(jìn)行性能指標(biāo)分析，動態(tài)分析，使機(jī)器人能夠自適應(yīng)路面，即具有抗傾覆性、爬坡性能、越障性能、跨溝性能等功能。 2、確定探測機(jī)器人的移動方式，并對整個(gè)探測機(jī)器人的整體進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)。 1）移動方式的確定； 2）總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 3）傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 3、給出移動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。 1）監(jiān)測方法； 2）計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)； 3）計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 4、探測機(jī)器人的擬定工作流程如圖1-1。 接通通訊電纜 打開控制界面 點(diǎn)擊所需運(yùn)動 機(jī)器人開始運(yùn)行 圖1-1機(jī)器人工作流程 第二章 機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)對探測機(jī)器人采用了模塊化設(shè)計(jì)，總體分為四個(gè)模塊，即計(jì)算機(jī)模塊，傳感器模塊，電源及驅(qū)動模塊，運(yùn)動底盤模塊。模塊化設(shè)計(jì)的探測機(jī)器人結(jié)構(gòu)比較明了，而且在一些模塊預(yù)留了一些空間，可以在需要的時(shí)候更換或添加其他模塊。其簡圖如圖2-1 控制計(jì)算機(jī)模塊 傳感器模塊 電源驅(qū)動模塊 底盤運(yùn)動模塊 圖2-1測機(jī)器人簡圖 其性能參數(shù)的基本要求如表所示2-1 表2-1 機(jī)器人性能參數(shù)基本要求 性能 參數(shù) 額定電壓 24VDC 工作電流 2A 驅(qū)動方式 直流電機(jī)驅(qū)動 電池 鉛酸蓄電池組 最大速度 3m/s 最小速度 0.01m/s 最大負(fù)載 30kg 工作時(shí)間 6小時(shí) 爬地能力 15度 越障能力 3cm 2.1計(jì)算機(jī)模塊的設(shè)計(jì) 計(jì)算機(jī)模塊分為兩部分結(jié)構(gòu)，上端為度支撐架，下端是計(jì)算機(jī)的保護(hù)架。其中支撐架是用來控制攝像頭的監(jiān)測方向，將攝像頭安裝在支撐架的套筒里，此設(shè)計(jì)是為減小外界環(huán)境對攝像頭表面和線路的影響，如水，陽光的腐蝕等，雖然不能完全隔離外界的影響，但盡量增加了攝像頭的使用壽命。在支撐架的右方和下方安裝兩個(gè)舵機(jī)，使套筒具有上下，左右兩個(gè)自由度，從而使攝像頭可以全方位的監(jiān)測周圍的環(huán)境。保護(hù)架是用來防止計(jì)算機(jī)受到外界環(huán)境的撞擊，另外，保護(hù)架提高了攝像設(shè)備的高度，可以看的更遠(yuǎn)一些。 其簡圖如圖2-2所示 圖2-2探測機(jī)器人攝像云臺簡圖 2.2傳感器模塊的設(shè)計(jì) 傳感器就像人類的感覺器官，探測機(jī)器人必需要有這方面的設(shè)計(jì)，視覺傳感器也有他的局限性，實(shí)現(xiàn)視覺的功能是需要光的，如果在夜間執(zhí)行任務(wù)時(shí)就很難實(shí)現(xiàn)其功能，為更好的使機(jī)器人完成認(rèn)為，再加一組超聲波傳感器。 傳感器模塊是一個(gè)由金屬材料板組成的圓柱體，這種結(jié)構(gòu)是根據(jù)主板的形狀設(shè)計(jì)的，傳感器模塊雖然結(jié)構(gòu)簡單，但里邊所安裝的電路主板是機(jī)器人的樞紐，機(jī)器人個(gè)部分的電路板都在這里，所以密封工作一定要做好。傳感器塊周圍安裝了24路紅外傳感器和超聲波傳感器。當(dāng)人遙控機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)且視頻效果較好時(shí)可以關(guān)閉紅外和超聲波傳感器，當(dāng)視頻效果不好或是機(jī)器人自行執(zhí)行任務(wù)時(shí)，紅外和超聲波傳感器都要開啟。傳感器與箱體板安裝如圖所示： 2.3電源及驅(qū)動模塊的設(shè)計(jì) 電源及驅(qū)動模塊是為機(jī)器人提供能源的部分，安裝有電池組和左右電機(jī)驅(qū)動器，因?yàn)殡姵亟M喝驅(qū)動部分有一些重量，所以采用鑄鐵作為箱體。 2.4底盤運(yùn)動模塊 2.4.1移動方式的選擇 機(jī)器人的移動方式主要有輪式、履帶式、腿足式三種，另外還有步進(jìn)移動式、混合移動式、蛇行移動式等，各種移動方式的機(jī)動性能對比如表2-2 表2-2 車輪式、輪、履、腿式移動機(jī)構(gòu)性能比較： 移動機(jī)構(gòu)方式 輪式 履帶式 腿式 移動速度 快 較快 慢 越障能力 差 一般 好 機(jī)構(gòu)復(fù)雜程度 簡單 一般 復(fù)雜 能耗量 小 較小 大 機(jī)構(gòu)控制難易程度 易 一般 復(fù)雜 探測器需要一個(gè)良好的工作性能，要想較好的完成任務(wù)，需要平穩(wěn)的移動方式。很明顯，履帶式移動機(jī)構(gòu)的性能居于輪式和腿式移動機(jī)構(gòu)之間，在地面適應(yīng)性能、越障性能方面有良好表現(xiàn)。履帶移動機(jī)構(gòu)地面適應(yīng)性能好，在復(fù)雜的野外環(huán)境中能通過各種崎嶇路面以及溝壑等，它的活動范圍廣，性能可靠，使用壽命長，輪式移動機(jī)構(gòu)無法與其比擬，適合作為探測機(jī)器人的推進(jìn)系統(tǒng)。所以采用履帶式的移動方式。另外，考慮到履帶移動方式的機(jī)動性能比較差，所以，本章節(jié)也設(shè)計(jì)了2輪+1個(gè)萬向輪的移動方案，這樣可以根據(jù)地形的不同，才用不同的移動方式，在平緩的地形中，可以采用輪式，在有溝壑的地形中采用履帶式。這樣就增加了探測機(jī)器人的工作效率。 2.4.2 履帶的選擇 根據(jù)探測機(jī)器人性能參數(shù)表可知，要求的移動速度不高，但移動距離應(yīng)該精準(zhǔn)，根據(jù)這些要求，履帶選用梯形齒同步帶，其特點(diǎn)如下： 結(jié)構(gòu)簡圖如圖2-3 圖2-3 履帶簡圖 結(jié)構(gòu)：工作面為梯形齒，承載層為玻璃纖維繩芯、鋼絲繩等環(huán)形帶，有氯丁膠和聚氨酯橡膠兩種。 特點(diǎn)：靠嚙合傳動，承載層保證帶齒嚙合齒距不變，傳動比較準(zhǔn)確，軸壓力小，結(jié)構(gòu)緊湊，耐油，耐磨性好，但安裝制造要求較高。 應(yīng)用：v<50m/s P<300kw i<10要求同步的傳動，也可用于低速傳動。 2.4.3 履帶、齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 常見的行走機(jī)構(gòu)形式就是同步帶/齒形帶。同步帶/齒形帶傳動具有帶傳動，鏈傳動和齒輪傳動的優(yōu)點(diǎn)。同步帶傳動由于帶與帶輪是靠嚙合傳遞運(yùn)動和動力，故帶與帶輪間無相對滑動，能保證準(zhǔn)確的傳動比。同步帶通常以鋼絲或玻璃纖維為抗拉體，氯丁橡膠或聚氨酯為基體，這種帶薄而且輕，故可以用于較高速度。傳動的線速度可達(dá)50m/s，傳動比可達(dá)10，效率可達(dá)98% 。傳動噪音比帶傳動，鏈傳動和齒輪傳動小，耐磨性好，不需有潤滑，壽命比摩擦帶長。其主要缺點(diǎn)是制造和安裝精度要求較高，中心距要求較嚴(yán)格。所以同步帶廣泛應(yīng)用于要求傳動比準(zhǔn)確地中，小功率傳動中，如家用電器，計(jì)算機(jī)，儀器及機(jī)器人，機(jī)床，化工，石油等機(jī)械。 同步帶的設(shè)計(jì)計(jì)算 1．選擇設(shè)計(jì)功率 (1) 2．選擇帶型和節(jié)距 選取帶型為H型 (2) 3．根據(jù)帶型H和小帶輪轉(zhuǎn)速n1 查得最小齒輪，此處取Z=20 小帶輪節(jié)圓直徑d1 (3) 查表得其外徑 設(shè)計(jì)Z2=Z1=20 4．帶速 v= (4) 5．定軸間距=400mm 6．帶長及其齒數(shù) (5) 7．查表應(yīng)選用帶長代號為420的H型同步帶，其節(jié)線長，節(jié)線上的齒數(shù)Z=84 8．實(shí)際軸間距a= (6) 9．小帶輪嚙合齒數(shù) (7) 10．基本額定功率 (8) 查得 所需帶寬 (9) 查表得：H型帶 查表得應(yīng)選帶寬代號為150的H型帶，其 11．帶輪結(jié)構(gòu)和尺寸 傳動選用同步帶為H150 帶輪Z1=Z2=20，d1=d2=80.85mm,da1=da2=79.48mm 采用同步帶作為履帶的優(yōu)點(diǎn)是：效率高，最高效率能達(dá)到90%以上；設(shè)計(jì)簡單，只須根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格選擇節(jié)矩，齒數(shù)，長度，寬度就可以了。但是同步帶一旦選定，長度，寬度就是固定的，因此基本屬于定制，設(shè)計(jì)不同的履帶式平臺就需要不同的同步帶。這個(gè)特點(diǎn)限制了同步帶應(yīng)用的靈活性。 本設(shè)計(jì)還附加了輪式底盤的移動方式，2輪加萬向輪，因?yàn)楸M管履帶移動方式的穩(wěn)定性比較強(qiáng)，但機(jī)動性比較差，所以，在必要的時(shí)候，可以根據(jù)地形的不同，裝配不同的移動方式。輪式底盤的裝配圖在附錄中，其他模塊不便。 2.4.4錐齒輪的設(shè)計(jì) 這是輪式移動方式中，傳動是通過錐齒輪來實(shí)現(xiàn)的。錐齒輪的計(jì)算如下： 齒輪比 u=1 大端分度圓直徑 de1=20mm 齒數(shù) Z1=Z2=30 大端模數(shù) me1=de1/Z1=6.67 分錐角δ1=45° 外錐距 Re=de1/2sinδ1=141.4 齒寬 b1=φRRe=42.42 齒寬系數(shù) φR=b/Re=0.3 平均分度圓直徑 dm1=de1 (1-0.5φR)=170 中錐距 Rm=Re((1-0.5φR)=120.19 平均模數(shù) Mm=me1 (1-0.5φR)=5.6695 切向變位系數(shù) Xt=0 徑向變位系數(shù) Xε=0.46（1-cosδ2/ucosδ1）=0 齒頂高 ha1=me（1+x1）=6-67 齒根高 hf1=me（1+c＊-x1）=8.004 頂隙 c= c＊m 齒距角 θa1=θf2=θf1 齒根角θf1=arctan(hf1/Re)=3.24° 頂錐角 δa1=δ1+δf2=48.24° 根錐角 δf1=δ1-θf1=41.76° 齒頂圓直徑 da1=de1+2ha1cosδ1=209.43 安裝距A1 冠頂距 Ak1=de2/2-ha1sinaδ1=95.285 輪冠距=H1=A1-Ak1 大端分度圓齒厚S1=me（π/2+2x1tanα+xt1） 端面當(dāng)量齒數(shù) Zv1=z1/cosδ1=42.43 錐齒輪在這個(gè)設(shè)計(jì)中的作用是連接電機(jī)轉(zhuǎn)軸和車輪轉(zhuǎn)軸，采用的兩個(gè)90度錐齒輪進(jìn)行連接，這樣既可以保證兩個(gè)轉(zhuǎn)軸之間的傳動，有可以很好的黏合。 2.5 各模塊的連接 2.5.1 計(jì)算機(jī)模塊與傳感器模塊的連接如圖2-4所示 傳感器箱體 連接件 傳感器蓋板 計(jì)算機(jī)模塊 圖2-4 計(jì)算機(jī)模塊與傳感器模塊的連接 計(jì)算機(jī)模塊與傳感器模塊的連接很簡單，設(shè)計(jì)的原則就是模塊化設(shè)計(jì)，各模塊的拆裝應(yīng)該簡單明了。其中連接計(jì)算機(jī)模塊與蓋板的是8顆M3內(nèi)六角沉頭螺釘，圖中顯示的是其中的兩個(gè)，其它6顆都與這兩個(gè)對稱。注意，這里的螺釘式直接連接到蓋板上的，并且計(jì)算機(jī)固定架僅僅靠著幾顆螺釘連接。因此，安裝時(shí)務(wù)必裝緊，避免由于震動等造成螺釘?shù)乃蓜印? 傳感器上的蓋板則是用8顆M5內(nèi)六角沉頭螺釘固定的，一個(gè)連接機(jī)構(gòu)需兩個(gè)螺釘，其它六個(gè)與這兩個(gè)均勻分布，這樣的拆卸非常方便。從圖中可以看出，8顆內(nèi)六角沉頭螺釘都固定在了計(jì)算機(jī)模塊的外部，很明顯，這樣連接即使不拆除計(jì)算機(jī)模塊，也可以打開蓋板看到傳感器模塊里的情況，為排查故障等提供了方便，還有就是，蓋板要比傳感器的箱體要大，因?yàn)?，傳感器箱體里放的是幾乎所有機(jī)器人所需要的電路板，防止大量灰塵進(jìn)入到里邊影響電路的正常工作。 在傳感器模塊與蓋板之間有一條扁平電纜連接，在末端分成兩個(gè)插頭，其中一個(gè)是插在傳感器主板上，是24V電源插頭，為傳感器層頂?shù)挠秒娫O(shè)備提供24V電源插頭；另一個(gè)插在傳感器主板上的一個(gè)擴(kuò)展卡上。作用是將機(jī)器人底層的RS-485總線轉(zhuǎn)換為方便連接計(jì)算機(jī)的RS-232電平。 2.5.2 傳感器模塊與電源驅(qū)動模塊的部分連接 傳感器箱體 連接方法如圖2-5 兩模塊連接件 電源及驅(qū)動模塊蓋板 圖2-5 傳感器模塊與電源驅(qū)動模塊的連接 如圖所示，這里蓋板的連接方式與傳感器蓋板的連接方式相同，用8顆M5內(nèi)六角沉頭螺釘固定。 由于傳感器箱體底部安裝了電路主板等，所以是封閉的，用計(jì)算機(jī)架的連接方式就不能實(shí)現(xiàn)拆卸方便的原則，所以采用途中所示的方法，兩個(gè)模塊分別固定各自的連接快，然后結(jié)合到一塊兒，然后用一顆M5內(nèi)六角圓柱頭螺釘進(jìn)行緊固，螺釘頭朝外，這樣拆裝就相當(dāng)簡單了，兩個(gè)模塊之間共有四組這樣的連接方式，分布在蓋板的四周。 2.5.3電源驅(qū)動模塊與底盤運(yùn)動模塊的連接圖 如圖2-6所示，1為電源及驅(qū)動模塊，2為減振機(jī)構(gòu)，3為連接架，4位履帶當(dāng)板。這兩個(gè)模塊連接較其它模塊有所不同，電源及驅(qū)動模塊與運(yùn)動底盤連接，它的穩(wěn)定性直接影響機(jī)器人的工作效率，為了減小底盤移動產(chǎn)生的震動，在與電源及驅(qū)動模塊的連接中，加進(jìn)一個(gè)減震機(jī)構(gòu)，如圖所示，這個(gè)結(jié)構(gòu)剛性比較好，可以消除一些由于路面不平產(chǎn)生的震動。連接架的下端用四顆M5螺栓進(jìn)行固定。機(jī)器人共有四組這樣的減振機(jī)構(gòu)，左右各兩組。 電源及驅(qū)動模塊 減震機(jī)構(gòu) 連接架 運(yùn)動底盤 圖2-6電源驅(qū)動模塊與底盤運(yùn)動模塊的連接 第三章 能源驅(qū)動的設(shè)計(jì)選擇 機(jī)器人運(yùn)行條件不同消耗的電能如表3-1 表3-1 機(jī)器人消耗電能量 運(yùn)行條件 電流（A） 機(jī)器人待機(jī)（傳感器處于休眠狀態(tài)） <0.5A 機(jī)器人靜止（所有傳感器工作） 2A 機(jī)器人前進(jìn)（最大3m/s速度） 3.5A 機(jī)器人旋轉(zhuǎn)（1m/s速度） 4.5A 從表中可以看出，機(jī)器人的功耗控制的較低，并且散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有效的利用了金屬殼作為散熱器。在正常工作環(huán)境下，機(jī)器人長時(shí)間工作也不會過熱，所以可以放心使用。 3.1能源的供給 本機(jī)器人的能源裝置配置了兩單元鉛酸蓄電池，其參數(shù)如下： 容量： 24V17Ah(2單元12V串聯(lián)，單元容量12V17Ah),408Wh 重量： 11kg 放電能力： 10-20,170-340A連續(xù)電路 能量密度： 39Wh/kg 循環(huán)壽命： 〉500次 工作時(shí)間： 4---6小時(shí) 3.2電機(jī)的選用 驅(qū)動裝置的選擇 按照能源的不同 ，可分為液動，氣動，電動三大類。電驅(qū)動器由于電能易于獲取，容易傳輸，沒有污垢，易于維修等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用。在機(jī)器人使用的電驅(qū)動器中，步進(jìn)電機(jī)與數(shù)字電子計(jì)算機(jī)的結(jié)合上，表現(xiàn)出很好的發(fā)展前景。 根據(jù)第二章計(jì)算結(jié)果和機(jī)器人性能要求，配置了樂日本三洋公司生產(chǎn)的Super_L直流電機(jī)，外觀如圖3-1所示： 圖3-1 Super L三洋直流電機(jī) 電機(jī)參數(shù)如下： 額定電壓 24V 額定功率 60W 額定轉(zhuǎn)速 3000n/min 減速比 1:5 編碼盤線數(shù) 512-1024 3.3電機(jī)驅(qū)動的選擇 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(gè)機(jī)器人運(yùn)動。直流電機(jī)上的電壓大小影響它的轉(zhuǎn)速和扭矩。 探測機(jī)器人的調(diào)速是通過直流運(yùn)動控制器來實(shí)現(xiàn)的，此探測機(jī)器人配置了瑞士FAULHABER公司的MCDC2805，如圖3-2所示： 圖3-2MCDC2805驅(qū)動器 MCDC2805運(yùn)動控制器是專為直流電機(jī)而量身定做的，配合性能優(yōu)異的SANYOSuperL電機(jī)及集成編碼器，即使在轉(zhuǎn)速非常低的情況下，也能到達(dá)0.18度的定位控制精度。 MCDC 2805 運(yùn)動控制器由功能強(qiáng)大的16位處理器和性能卓越的數(shù)字濾波器組成智能化的MCDC 2805 能實(shí)現(xiàn)以下功能： 1．速度控制：在絕大多數(shù)應(yīng)用中，均能達(dá)到優(yōu)異的速度同步性能，同時(shí)轉(zhuǎn)矩波動最小內(nèi)置PI調(diào)節(jié)器能準(zhǔn)確到達(dá)指定位置。 2．速度模式可以方便實(shí)現(xiàn)諧波，三角形，梯形及更復(fù)雜的復(fù)合運(yùn)動速度圖運(yùn)行模式。 3．位置控制：采用限位開關(guān)，參考令位及高分辨率的編碼器，可以實(shí)現(xiàn)高精度定位控制。 4．附加控制模式：可以通過步進(jìn)控制模式同步控制多個(gè)電機(jī)工作。 5．轉(zhuǎn)矩控制：通過調(diào)節(jié)電流實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制 6．保存和運(yùn)行程序：可以完全脫離PC主機(jī)獨(dú)立運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)所有控制功能。 7．輸入輸出： 給定信號輸入：可以用模擬方式或數(shù)字方式輸入給定速度，此書如也可以作為參考信號用。根據(jù)不同的工作模式，又是需要頻率信號輸入。 故障輸出端（集成極開路輸出）：可以設(shè)置成旋轉(zhuǎn)方向輸入，數(shù)字輸入或參考輸入 口。 RS232串口：用于與PC主機(jī)通訊和控制程序運(yùn)作。 MDCD2805接線口如表3-2 表3-2 MDCD2805的接線表如下： 電源側(cè) 9針D型串口 電機(jī)側(cè) 接線端 功能 接線端 功能 接線端 功能 V1 RS-232 TXD (RS-232發(fā)送端) 2 RS-232RXD(RS-232接收端) M1 InputNo.5(第三輸入端) V2 RS-232RXD (RS-232接收端) 3 RS-232TXD(RS-232發(fā)送端) M2 InputNo.4(第三輸入端) V3 AnalogGND (模擬地) 5 GND(地) M3 Channel A (編碼器A通道) V4 Fault Ouput (故障輸出端) M4 Channel B (編碼器B通道) V5 Analog Input（模擬輸入端） M5 VCC(+5)(系統(tǒng)提供+5V) V6 +24V(點(diǎn)源正極) M6 Signal GND (信號地) V7 GND(地) M7 MOTOR+(接電機(jī)正極) V8 Input No.3 (第三輸入端) M8 MOTOR_（接電機(jī)負(fù)極） 第四章 傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 首先，機(jī)器人的傳感器就像人體上的感覺器官，它可以探測到周圍的環(huán)境，然后經(jīng)過綜合性的測量、計(jì)算，對他的行為進(jìn)行選擇判斷。其中，視覺是最重要的，因?yàn)?，即使只有視覺的時(shí)候，也能根據(jù)看到的進(jìn)行前行或是改變行為方式，但如果失去了視覺，即使其他的感覺功能都存在，也很難判斷周圍的環(huán)境，很難對行為方式進(jìn)行判斷。所以首先應(yīng)選擇視覺傳感器。 4.1視覺傳感器 因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)過程中，為了保護(hù)好攝像設(shè)備的連接線以及防止設(shè)備被環(huán)境腐蝕等，已經(jīng)設(shè)計(jì)了用舵機(jī)控制自由度的攝像云臺，安裝攝像頭的部位可以在控制下朝向任何的方向，所以只需一個(gè)USB攝像頭即可。 如圖3-3所示；具體視覺參數(shù)如表4-1 圖4-1 表4-1 視覺具體參數(shù)如下： 傳感器類型 Ccd感光器 傳感器像素 130 最高分辨率(dpi) 1280*960 最大帖數(shù)(FPS) 30 色彩位數(shù)(bit) 24 對焦方式/范圍 自動對焦 攝像頭壓縮比 5:1 兼容操作系統(tǒng) Windows 2000/Windows XP PC接口類型 USB 2.0 顏色 銀灰色 其它 內(nèi)置麥克風(fēng)，用Rightsound技術(shù)，清晰，無回音的語音系統(tǒng)。 為了使機(jī)器人更好地執(zhí)行任務(wù)，配置了24路超聲波傳感器和PSD紅外傳感器。兩種測距傳感器可以互補(bǔ)，例如有些不反射紅外的物體（像黑色塑料等）卻能很好地反射超聲波，反之，很多超聲波傳感器無法檢測到的物體（像纖細(xì)的織物）很容易被紅外測距傳感器檢測到。 4.2超聲波傳感器 超聲波傳感器安裝如圖４-2 圖4-2 超聲波傳感器安裝圖 超聲波傳感器就是被兩個(gè)螺釘固定在了箱體上，共配置了24路超聲波傳感器安裝到了傳感器的箱體周圍的壁上。 超聲波傳感器的測距工作原理：超聲波傳感器激發(fā)出一束很窄的超聲波在空氣中傳播，當(dāng)遇到障礙物時(shí)，超聲波返回。根據(jù)超聲波的傳遞時(shí)間就能準(zhǔn)確地計(jì)算出障礙物的相對距離。 原理如圖4-3 定時(shí)器 控制 顯示器 調(diào)制器 計(jì)時(shí)器 接受檢驗(yàn) 振蕩器 超聲波接收器 超聲波發(fā)生器 圖4-3 超聲波檢測距板原理圖 本設(shè)計(jì)采用的使集成的超聲測距傳感器，使用簡單。首先將超聲波傳感器的INIT信號拉到高電平，此時(shí)超聲波傳感器換能器的將激發(fā)超聲波。INIT信號高電平的時(shí)間與需要測量的最長距離有關(guān)。當(dāng)超聲波遇到障礙物時(shí)，超聲波將返回，超聲波傳感器檢測到回波信號后，將ECHO置為高電平。當(dāng)INIT信號為低電平時(shí)，ECHO同時(shí)也變?yōu)榈碗娖?。因此可以?jì)算障礙物的距離： 障礙物的距離S=（INIT高電平時(shí)間T1---ECHO高電平的時(shí)間）*聲速/2。超聲波傳感器工作的時(shí)序如圖4-4所示 圖4-4 超聲波傳感器工作時(shí)序圖 4.3紅外傳感器的配置 除了超聲波傳感器，還為探測機(jī)器人配置了24路紅外傳感器參數(shù)的型號為E18-B0，規(guī)格數(shù)據(jù)為： VCC: 6V----36V(典型12V) 工作電流: 小于300mA 輸出形式: NPN三極管OC輸出 封裝形勢: 工程材料 安裝方式: 直徑17mm殼體螺紋，帶鎖緊螺母 光電開關(guān)輸出是開關(guān)量，只能判斷在測量距離內(nèi)有無障礙物，不成給出障礙物的實(shí)際距離，而且其開關(guān)的臨界距離要受外界光環(huán)境的影響。因此僅作為超聲波傳感器的補(bǔ)充，以測量超聲波傳感器的補(bǔ)充，以測量超聲波傳感器的盲區(qū)內(nèi)有無障礙物。另外，該傳感器有一個(gè)靈敏度調(diào)節(jié)旋鈕，可以調(diào)節(jié)傳感器觸發(fā)的距離。隨供電電壓不同，最遠(yuǎn)探測距離在5-60cm可調(diào)。雖然紅外傳感器的功能有限，但恰恰與超聲波的功能互補(bǔ)，所以為了使探測機(jī)器人更好的執(zhí)行任務(wù)，紅外傳感器是必不可少的。 第五章 探測機(jī)器人的硬件系統(tǒng) 5.1 傳感器采集系統(tǒng) 5.1.1 傳感器主板如圖5-1 圖5-1 傳感器主板 圖中只顯示了一個(gè)超聲波傳感器，其他24路沿主板均勻排列，將收集到的信息存到采集卡里，并傳輸給計(jì)算機(jī)。 5.1.2 電源輸入以及簡單保護(hù)電路 ： 傳感器主板電源輸入如圖5-2：由兩針接口POWER輸入之后分成兩路，一路經(jīng)過可恢復(fù)保險(xiǎn)管與TVS管（用于反接與過壓保護(hù)）為傳感器系統(tǒng)提供24V電源，另一路直接為PC提供電源。其中LED01與LED02分別是傳感器系統(tǒng)與PC系統(tǒng)電源指示電源電路。 圖5-2 傳感器主板電源輸入 5.2電源保護(hù)電路 電源保護(hù)電路如圖5-3 為了便于用擴(kuò)展，對各擴(kuò)展卡的每一路電源以及信號都進(jìn)行可靠的保護(hù)如圖，即使用出現(xiàn)把短路，接反，信號混亂也不會導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)崩潰。 圖5-3 電源保護(hù)電路 5.3紅外傳感器的接線 紅外傳感器輸入接口如圖5-4 傳感器供電為5V,HY_OUT為輸入端。 圖5-4紅外傳感器輸入接口圖 5.4超聲波傳感器的接線 超聲波傳感器輸入接口如圖5-5 傳感器主板上24路超聲波傳感器接口，其定義如圖所是： POWER,GND是12V供電接口 ECHO_OUT是超聲波傳感器回波信號輸出 INT_IN是超聲波傳感器使能輸入 圖5-5 超聲波傳感器接口圖 5.5羅盤處理 基本工作原理： 在接收到PC查詢指令后讀取羅盤數(shù)據(jù)，并按標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議發(fā)送到PC. 程序基本流程圖5-6 初始化 發(fā)送 總指令為查詢羅盤？ 向羅盤發(fā)出讀指令 羅盤返回?cái)?shù)據(jù)？ 加入數(shù)據(jù)包頭和校驗(yàn) 十次連續(xù)查詢 是 是 否 否 是 是 圖5-6 羅盤數(shù)據(jù)基本流程圖 5.6 RS485-RS232轉(zhuǎn)換電路 基本工作原理： 通過MAX491將+12V~-17V的RS485差分電平轉(zhuǎn)化為0-5V的CMOS電平，然后通過MAX232將CMOS電平轉(zhuǎn)化為PC的+12~-7的VRS232電平，實(shí)現(xiàn)PC與模塊設(shè)備的通信。如圖5-7所示 圖5-7 RS485-RS232轉(zhuǎn)換電路 第六章 探測機(jī)器人計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng) 在機(jī)器人的研究中，機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一直是人們關(guān)注的熱點(diǎn)。通用開放式機(jī)器人系統(tǒng)是今后發(fā)展的趨勢。首先，開放機(jī)器人應(yīng)具備以下特征： 1． 使用基于非專用局算機(jī)平臺的開發(fā)系統(tǒng)； 2． 使用標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)的控制語言； 3． 硬件基于標(biāo)準(zhǔn)總線結(jié)構(gòu)，能夠與各種外圍設(shè)備和傳感器接口； 4． 能與分布式系統(tǒng)中其他單元共享數(shù)據(jù)，并允許遠(yuǎn)程操作； 5． 機(jī)器人系統(tǒng)的性能和功能可以根據(jù)使用需求很方便地增減。 本人設(shè)計(jì)的探測機(jī)器人符合上述條件，是開放式的機(jī)器人。本設(shè)計(jì)采用筆記本電腦架構(gòu)，集成Windows操作系統(tǒng)和VC開發(fā)環(huán)境。基于架構(gòu)的機(jī)器人系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是： 1． 通用的機(jī)器人系統(tǒng)，開放性好； 2． 良好的通訊功能；PC很容易與其他設(shè)備實(shí)現(xiàn)通訊，因此很容易擴(kuò)展其他硬件設(shè)備； 3． 具有成熟的標(biāo)準(zhǔn)總線結(jié)構(gòu)，能夠與各種外圍設(shè)備和傳感器接口； 4． 系統(tǒng)的處理能力強(qiáng)，容易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的算法； 5． 機(jī)器人系統(tǒng)的性能和功能可以根據(jù)實(shí)用需求很方便的增減。 基于操作系統(tǒng)和開發(fā)環(huán)境的機(jī)器人系統(tǒng)有點(diǎn)是： 1． 友好的人機(jī)界面； 2． 廣泛的用戶基礎(chǔ)； 3． 完備的軟件開發(fā)環(huán)境； 4． 豐富的軟件資源； 6.1無線電臺通訊系統(tǒng) 無線電臺通訊系統(tǒng)通過USB與筆記本或PC上的接口連接。此特定的USB最好不要用隨意改變，否則需要重新安裝驅(qū)動。目前無線電臺通訊的波特率19200。 6.2電子羅盤 所選三軸電子羅盤的參數(shù)為： 1． 主要用于自主機(jī)器人定位和導(dǎo)航，以及姿態(tài)測量； 2． 三軸電子羅盤可以進(jìn)行機(jī)器人自身的滾轉(zhuǎn)，俯仰姿態(tài)測量，峰—峰值（最大誤差）精度可高達(dá)1度，典型精度0.5度，分辨率0.度。 3． 帶有電子常平架的羅盤即使傾斜達(dá)40度，也能給出精度的航向。 4． 完善的羅盤自動標(biāo)定程序?qū)⑿拚脚_的磁影響。磁場計(jì)的寬度范圍（正負(fù)1G或100）允許工作在當(dāng)?shù)剌^大的磁場。 6．3電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)控制原理如圖6-1 顯示電路 脈沖整形 PWM功放電路 編碼盤 鍵盤 MCS51-8051 PWM波形發(fā)生器 M 圖6-1 電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)控制原理 調(diào)速系統(tǒng)的硬件原理是以MCS51-8051彈片機(jī)為控制核心，包括測速電路，PWM波形發(fā)生器和PWM功放電路。其電路圖在附件中。 主程序流程圖如圖6-2 顯示速度 送入控制系統(tǒng) 偏差=即時(shí)速度-鍵值 開外不中斷 讀取鍵值 系統(tǒng)初始化 開始 按鍵S是否按下 圖6-2主程序流程圖 第七章　探測機(jī)器人軟件系統(tǒng)的開發(fā) 機(jī)器人的控制系統(tǒng)是指機(jī)器人的信息處理裝置，在本設(shè)計(jì)項(xiàng)目中，選擇數(shù)字電子計(jì)算機(jī)。這是一個(gè)依據(jù)事先和事后的信息而產(chǎn)生對機(jī)器人的控制命令的系統(tǒng)。信息主要來自人---機(jī)對話和感覺系統(tǒng)。機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)前。在計(jì)算機(jī)重要貯存好一個(gè)運(yùn)動模型，一個(gè)環(huán)境模型，一些與執(zhí)行任務(wù)有關(guān)的數(shù)據(jù)及一定數(shù)量的執(zhí)行任務(wù)的策略和算法，在執(zhí)行任務(wù)過程中，計(jì)算機(jī)接受來自傳感器的機(jī)器人目前狀態(tài)的信息和涉及到目前包括工作對象在內(nèi)的環(huán)境狀況的信息。依據(jù)上述的所有數(shù)字模型，原始數(shù)據(jù)，感受的信息，利用控制策略和算法，以及過去執(zhí)行任務(wù)的經(jīng)驗(yàn)等，計(jì)算機(jī)產(chǎn)生一個(gè)對機(jī)器人的控制命令。 7.1移動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 一個(gè)在實(shí)際工作中的機(jī)器人，他的運(yùn)動由驅(qū)動器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，任務(wù)的具體執(zhí)行有終端機(jī)具完成。在執(zhí)行任務(wù)的過程中，感覺系統(tǒng)將內(nèi)感受和外感受的信息反饋給控制系統(tǒng)，有控制系統(tǒng)對整個(gè)機(jī)器人的活動作決策和付諸實(shí)施。系統(tǒng)的控制部分的工作方式要適合于執(zhí)行的任務(wù)。采用某一種工作方式，例如，人進(jìn)行的干預(yù)很少---自由方式；人的干預(yù)很多---手動方式；斷斷續(xù)續(xù)干預(yù)---監(jiān)督管理方式等，都要按任務(wù)的需求而定。 在控制機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)過程中涉及三方面： 信息---機(jī)器人自身及環(huán)境的信息。他們來自感覺系統(tǒng)即感知的機(jī)器人自身狀態(tài)。 決定---產(chǎn)生執(zhí)行任務(wù)的行動方式，任務(wù)的程序設(shè)計(jì)。 行動---控制信號的產(chǎn)生和實(shí)施。 如圖7-1所示 人 決定 行動（控制） 信息（感覺） 環(huán)境 操作部分 控制部分 圖7-1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 需要注意的是,傳感器能幫助機(jī)器人采集到周圍的環(huán)境情況，在機(jī)器人采集到信息進(jìn)行處理后,不是所有行動都由他自己來決定,因?yàn)闄C(jī)器人畢竟不是人,在一些簡單的地形可以由它自行決定行為,但是在復(fù)雜的地形當(dāng)中,還得由人來控制,以免出現(xiàn)損壞,或不能較好的完成任務(wù)。所以，應(yīng)隨時(shí)觀察機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)的情況，在出現(xiàn)機(jī)器人出現(xiàn)差錯時(shí)及時(shí)進(jìn)行更改，使其順利完成認(rèn)為。 7.2演示控制界面 本設(shè)計(jì)用c++作操作控制界面，用單片機(jī)語言控制探測機(jī)器人的移動狀況。 顯示界面如圖 設(shè)置： 這個(gè)模塊分兩部分，一個(gè)是與機(jī)器人的通訊串口屬性設(shè)置；另一個(gè)是傳感器使能配置。探測機(jī)器人的控制軟件必須與硬件連接才能發(fā)揮作用，在這里可以設(shè)置連接的串口號以及波特率，點(diǎn)擊“打開”按鈕即可建立與機(jī)器人軟件上的連接。 此機(jī)器人配置了24路組超聲波傳感器，在這里可以通過24個(gè)復(fù)選框在軟件上配置傳感器的讀取和顯示。 當(dāng)控制軟件與機(jī)器人建立了連接之后，可以通過這個(gè)模塊進(jìn)行超聲與紅外傳感的自動查詢工作。 輸入超聲的查詢間隔，然后點(diǎn)擊“激活超聲”即可激活超聲傳感器自動查詢功能控制軟件會定時(shí)查詢傳感數(shù)據(jù)，并顯示在界面上。點(diǎn)擊“關(guān)閉超聲”即可停止超聲傳感器的自動查詢動作。紅外傳感器的操作與超聲類似。 根據(jù)傳感器本身的原理，超聲波傳感器的查詢間隔一般不應(yīng)低于200ms。紅外傳感器查詢間隔盡量不低于100ms，以保證總線暢通。 數(shù)據(jù)顯示 當(dāng)進(jìn)行超聲波傳感器或者紅外傳感器的數(shù)據(jù)的采集的過程中，傳感器返回的數(shù)據(jù)經(jīng)過換算，成為具體數(shù)值顯示在這模塊當(dāng)中。超聲部分顯示的是以米為單位的數(shù)值，表示單個(gè)超聲傳感器探測到前方障礙的距離；紅外傳感器的顯示的是在其檢測范圍內(nèi)是否存在障礙物。 運(yùn)動控制 這部分是普通的運(yùn)動控制模塊，在于機(jī)器人建立了連接之后可以控制機(jī)器人進(jìn)行簡單的前進(jìn)，后退，左右轉(zhuǎn)向等操作，輸入移動速度，點(diǎn)擊“更新”按鈕，所輸入速度值便作為上述操作的默認(rèn)速度。 下面的兩個(gè)輸入框分別為左右電機(jī)的輸入，輸入相應(yīng)的數(shù)值并點(diǎn)擊“執(zhí)行”按鈕，機(jī)器人便在左右電機(jī)分別按輸入量運(yùn)轉(zhuǎn)。 視頻 在連接了USB攝像頭之后，可以通過視頻模塊進(jìn)行視頻圖像的采集，點(diǎn)擊“開啟視頻”打開攝像頭畫面，點(diǎn)擊“停止視頻”關(guān)閉攝像頭畫面。在開啟視頻的狀態(tài)可以對畫面中的紅色，藍(lán)色，綠色物體的識別篩選。 注：程序和機(jī)器人的電氣總圖在附錄中。 結(jié)束語 本設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是采用了模塊化設(shè)計(jì)方案，看起來機(jī)構(gòu)很簡單，但功能突出，并且聯(lián)接方式大都采用螺釘，螺栓的方式，拆裝比較方便。缺點(diǎn)就是，采用了履帶的行走方式，雖然移動比較平穩(wěn)，而且可以越障，跨過溝壑等。但機(jī)動性能比較差，而且，由于大量采用螺釘，螺栓的連接，所以一定要經(jīng)常禁固螺釘，螺母。 在設(shè)計(jì)機(jī)器人的過程中，遇到的最大難點(diǎn)就是機(jī)器人的通訊運(yùn)動過程，經(jīng)過大量的學(xué)習(xí)詢問，同學(xué)老師的幫助，本人基本掌握了這個(gè)過程。但細(xì)節(jié)問題需要在以后繼續(xù)學(xué)習(xí)。 本人在畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中得到了很多老師的幫助，向各位老師表示真誠感謝，不僅僅是在畢業(yè)設(shè)計(jì)當(dāng)中的幫助，也包括這四年來，所有老師對我們的教誨。很多同學(xué)說上大學(xué)是沒用的，是在浪費(fèi)時(shí)光。有這種看法的人無非就是有的在網(wǎng)游的世界里徘徊，要么就是沒有真正理解大學(xué)生會給我們帶來的真正意義。在我看來，對大學(xué)