機(jī)器人設(shè)計(jì)思路

文檔從網(wǎng)絡(luò)中收集，已重新整理排版.word版本可編輯.歡迎下載支持.掃地機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)內(nèi)容摘要：隨著人類發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步，智能化在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用越來越廣泛。本文闡述了掃地機(jī)器人在無人操控的情況下完成清掃具有桌子、椅子、飲水機(jī)和茶幾的室內(nèi)地面的任務(wù)。本設(shè)計(jì)由控制模塊、感知模塊、移動(dòng)模塊、清潔模塊四大模塊組成。控制模塊由控制器部分和電源部分構(gòu)成，是整個(gè)設(shè)計(jì)的中心。感知模塊要運(yùn)用到傳感器，常用的傳感器有感應(yīng)式傳感器、電容式傳感器、超聲波傳感器、紅外光反射傳感器、碰撞傳感器和感光傳感器。移動(dòng)模塊一般用到的結(jié)構(gòu)包括步進(jìn)式、輪式和履帶式及其他方式，輪式和履帶式結(jié)構(gòu)一般用于平滑的地面，而步進(jìn)式則適合在路況較差的地面上運(yùn)動(dòng)。清潔模塊包括吸塵裝置、清掃裝置，吸塵裝置可以吸附地面上較小的垃圾以及灰塵，清掃刷可以除去地面上的頑固污漬。小車采用智能控制技術(shù)，按照規(guī)定路線在室內(nèi)行駛，具有自動(dòng)發(fā)現(xiàn)垃圾并清潔地面的功能。基于AT89C51單片機(jī)和C語言小車能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的功能。關(guān)鍵字：感知移動(dòng)清潔Iword版本可編輯.歡迎下載支持.目錄概述 1.1設(shè)計(jì)目的和設(shè)計(jì)要求 1.2設(shè)計(jì)構(gòu)思 設(shè)計(jì)原理及方案 2.1模塊設(shè)計(jì) 2.2工作流程 2.3路徑規(guī)劃研究 2.4路徑的實(shí)現(xiàn)一一內(nèi)螺旋算法 實(shí)驗(yàn)及其結(jié)果 總結(jié)與心得體會(huì) 參考文獻(xiàn) 掃地機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)1.概述1.1設(shè)計(jì)目的和設(shè)計(jì)要求隨著人類文明的不斷發(fā)展，科技已經(jīng)深入到了我們生活的方方面面。在當(dāng)今社會(huì)，人們的工作與學(xué)習(xí)愈加繁忙，機(jī)械自動(dòng)化便順理成章地成為了社會(huì)發(fā)展的趨勢，這樣可以極大地提高工作效率。機(jī)器人若要實(shí)現(xiàn)智能化就必須要能獨(dú)立感知外界環(huán)境并作出及時(shí)的判斷與處理，隨后觸發(fā)指令并完成相應(yīng)的動(dòng)作。本次設(shè)計(jì)的要求是小車能夠在指定區(qū)域內(nèi)不留遺漏地打掃干凈地面。1.2設(shè)計(jì)構(gòu)思感知模塊I—S感知模塊I—S移動(dòng)模塊2.設(shè)計(jì)原理及方案2.1模塊設(shè)計(jì)掃地機(jī)器人由各功能模塊構(gòu)成，各功能模塊相互協(xié)調(diào)，共同作用，保證機(jī)器人的順利工作。掃地機(jī)器人的中心是控制模塊，使用了AT89C51單片機(jī)，它對其他各功能模塊進(jìn)行控制。移動(dòng)模塊負(fù)責(zé)行走，由驅(qū)動(dòng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)輪和萬向輪組成，因房間地面平滑，故采用輪式結(jié)構(gòu)。感知模塊負(fù)責(zé)采集周圍環(huán)境的各種信息。感知模塊由傳感器構(gòu)

成，傳感器的選擇取決于機(jī)器人的工作需要，機(jī)器人對傳感器的一般要求是:精度高，可重復(fù)使用，穩(wěn)定性好，不受外界干擾干擾，質(zhì)量和體積小。綜合這幾點(diǎn)，同時(shí)考慮到機(jī)器人對避障和清掃任務(wù)的要求，感知模塊決定采用超聲波傳感器、紅外線傳感器。清潔模塊由起塵刷、擋塵蓋、清掃電機(jī)、清掃刷、集塵室和吸塵風(fēng)機(jī)組成，由于客觀條件的限制，沒有安裝灑水裝置和擦地裝置。圖一和圖二為機(jī)械結(jié)構(gòu)圖。萬向輪傳感器起生刷擋塵蓋驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)集塵空清掃的限制，沒有安裝灑水裝置和擦地裝置。圖一和圖二為機(jī)械結(jié)構(gòu)圖。萬向輪傳感器起生刷擋塵蓋驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)集塵空清掃電機(jī)清掃刷圖一圖估感器底盤驅(qū)劾輪吸塵風(fēng)機(jī)系統(tǒng)也路圖估感器底盤驅(qū)劾輪吸塵風(fēng)機(jī)系統(tǒng)也路2.2工作流程首先啟動(dòng)機(jī)器人，令其開始進(jìn)行工作。機(jī)器人開始工作后便控制吸塵裝置進(jìn)行吸塵，清掃裝置開始掃地。機(jī)器人一旦開始工作，感知模塊就開始不停地搜集周圍的信息，送入控制模塊進(jìn)行分析處理從而決定機(jī)器人的行走路徑。當(dāng)路徑規(guī)劃需要機(jī)器人實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向的時(shí)候，控制模塊便改變兩輪的速度，通過速度差來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。該掃地機(jī)器人利用安裝的傳感器獲得房間內(nèi)部的基本信息，例如障礙物的位置，墻壁的位置，然后根據(jù)獲得的信息，采取相應(yīng)的措施，通過以單片機(jī)為核心的控制模塊進(jìn)行障礙物的判斷、避障方式選擇和前進(jìn)的實(shí)施。2.3路徑規(guī)劃研究所謂機(jī)器人路徑規(guī)劃技術(shù)，就是機(jī)器人根據(jù)自身的傳感器對環(huán)境的感知，按照某種優(yōu)化指標(biāo)，在起點(diǎn)和終點(diǎn)之間規(guī)劃出一條與障礙物無碰撞的路徑。路徑規(guī)劃可分為兩類，一種是傳統(tǒng)的從起點(diǎn)到終點(diǎn)的路徑規(guī)劃，它的目標(biāo)是找到一種兩點(diǎn)間的最優(yōu)路徑，其中包括路程最短，耗時(shí)最少，耗能節(jié)約等方面，并且使機(jī)器人能正常運(yùn)行并避開障礙物；另一種是完全遍歷路徑規(guī)劃，這是一種在平面工作范圍中特殊的路徑規(guī)劃，指在滿足某種前提下，找到一條在設(shè)定區(qū)域內(nèi)從起點(diǎn)到終點(diǎn)且經(jīng)過所有可達(dá)到點(diǎn)的連續(xù)路徑。對于掃地機(jī)器人來說，由于它要將整個(gè)房間清掃干凈，這就要求它要走遍房間的每一個(gè)角落，所以這與一般的移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃不同，它要按照一定的軌跡來運(yùn)動(dòng)，同時(shí)具有運(yùn)動(dòng)的遍歷性和不重復(fù)性。遍歷性指的是機(jī)器人要盡可能地走遍所有需要清掃的區(qū)域。它反映了機(jī)器人的實(shí)效性。不重復(fù)性指的是機(jī)器人的行走路線應(yīng)盡量避免重復(fù)。它反映了機(jī)器人的工作效率的高低。同時(shí)我們希望路徑是連續(xù)的、不間斷的;機(jī)器人能避開所有障礙;清潔機(jī)器人行走的總距離和時(shí)間最小，以達(dá)到最小的能量消耗。在本設(shè)計(jì)中，我米用的是完全遍歷路徑規(guī)劃，機(jī)器人不必去探測垃圾的具體位置，只需走遍房間的每個(gè)角落即可，發(fā)現(xiàn)有垃圾便清潔即可。2.4路徑的實(shí)現(xiàn)一一內(nèi)螺旋算法內(nèi)螺旋算法是讓機(jī)器人沿墻壁移動(dòng)，進(jìn)行內(nèi)螺旋式“回”字型路徑規(guī)劃，內(nèi)收縮式的清掃，如圖三。圖中箭頭表示前進(jìn)方向，直線表示行進(jìn)路線。在清掃過程中遇到障礙物時(shí)，清潔機(jī)器人的正常軌跡就會(huì)中斷，進(jìn)入繞障礙的程序，繞障結(jié)束后回歸原來的軌跡。同時(shí)清潔的軌跡需要依據(jù)一定的規(guī)則來限定。本路徑規(guī)劃易于實(shí)現(xiàn)較大的覆蓋率。這種方法簡單，滿足了遍歷性和不重復(fù)性的要求。在整個(gè)行進(jìn)過程中，機(jī)器人是從外向內(nèi)運(yùn)動(dòng)的。機(jī)器人的初始位置是靠墻的。自起點(diǎn)開始，采用“回”字型內(nèi)螺旋式進(jìn)行清掃，沿順時(shí)針方向繞房間沿墻行走，每轉(zhuǎn)一周與墻邊距離增加一個(gè)車身的寬度，直至走到房間中心，機(jī)器人在每一周的直線運(yùn)行過程中要保持與墻不變的距離，當(dāng)遇到障礙物時(shí)就繞過障礙物。具體流程如圖四圖三內(nèi)螺旋算法示意圖

3.實(shí)驗(yàn)及其結(jié)果3.實(shí)驗(yàn)及其結(jié)果結(jié)束清掃工作為了驗(yàn)證方案的可行性，選擇一個(gè)房間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)機(jī)器人是否能按照預(yù)先規(guī)劃好的路徑行走且能夠成功避障直到完成清掃任務(wù)。同時(shí)，通過實(shí)驗(yàn)，對機(jī)器人的硬件結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)電路和控制程序的正確性做進(jìn)一步驗(yàn)證。機(jī)器人在走直線和轉(zhuǎn)彎時(shí)均有一定偏差，此外還有漏掃的情況，經(jīng)分析和處理后機(jī)器人基本可以完成任務(wù)。4.總結(jié)與心得體會(huì)在這次設(shè)計(jì)中，我親自動(dòng)手制作了機(jī)器人，令其完成清潔工作看似是一件容易的事情，但是實(shí)際的過程中遇到了很多麻煩。對于出現(xiàn)的各種情況，我采取了相應(yīng)的辦法。首先要考慮的就是機(jī)器人應(yīng)該分成哪幾個(gè)部分，掃地只是它的功能，為此則需要多個(gè)模塊來共同實(shí)現(xiàn)，首先要有清掃工具，，移動(dòng)依靠輪子，為了避免撞到墻壁和障礙物則需要傳感器做出感應(yīng)，所有這一切都需要控制器的統(tǒng)一協(xié)調(diào)和安排。在考慮路徑規(guī)劃時(shí)，我查閱了一些資料，其中包括自由空間法，柵格法等，但是這些方法要么需要較大的內(nèi)存空間，要么對傳感器的要求非常高，或者有一些其他的要求，這些要求客觀上都不太容易滿足，權(quán)衡各方面因素，我最終選擇了內(nèi)螺旋法。在實(shí)驗(yàn)的過程中，機(jī)器人在走直線的時(shí)候存在偏差，在程序中設(shè)置的兩個(gè)輪子理想的行駛速度是一致的，但是兩個(gè)輪子的大小不可能完全一樣，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)可能也稍有差別。機(jī)器人在轉(zhuǎn)彎的時(shí)候不能達(dá)到90度，這與硬件有關(guān)，可能也受到地面摩擦的影響，我不斷調(diào)整兩輪速度大小以及持續(xù)時(shí)間從而達(dá)到理想的效果。地面上的某些區(qū)域是機(jī)器人沒有能夠清掃到的，我發(fā)現(xiàn)機(jī)器人離障礙還有較遠(yuǎn)的距離時(shí)就開始躲避障礙，這應(yīng)該是傳感器感知障礙的距離的設(shè)置有問題，將距離適當(dāng)設(shè)小一些就能讓機(jī)器人基本上清掃到所能清掃的所有區(qū)域。另外，程序本身也有一定問題，機(jī)器人顯得不夠靈活，應(yīng)該是各個(gè)模塊之間的協(xié)同性不夠好，經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，各個(gè)模塊之間可以較好的配合。機(jī)器人在改進(jìn)后基本上能達(dá)到了預(yù)期的實(shí)驗(yàn)效果。通過實(shí)驗(yàn)我明白了理論和實(shí)際是有偏差的，設(shè)計(jì)程序時(shí)要考慮到硬件和客觀環(huán)境這些因素的影響。這次實(shí)驗(yàn)是讓我把理論知