【正文】 ...................................................................... 33 致謝 .......................................................................................................................................................................... 35 寧波大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 1 緒論 引言 21 世紀(jì)，隨著經(jīng)濟(jì)，科技，社會不斷向前進(jìn)步和發(fā)展， 我們生活中的各種各樣的的人流以及物流的集散場所不斷的增加，其數(shù)量與規(guī)模是以往所不能比擬 的，例如倉庫、車站，大型購物中心，高級寫字樓、會議中心以及飛機(jī)場等等。 1 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 題目：（中文） 室內(nèi)巡視機(jī)器人設(shè)計和仿真實(shí)現(xiàn) （英文） Indoor patrol robot design and simulation 室內(nèi)巡視機(jī)器人設(shè)計和仿真實(shí)現(xiàn) 2 誠 信 承 諾 我謹(jǐn)在此承諾：本人所寫的畢業(yè)論文《 室內(nèi)巡視機(jī)器人設(shè)計和仿真實(shí)現(xiàn) 》均系本人獨(dú)立完成，沒有抄襲行為，凡涉及其他作者的觀點(diǎn)和材料，均作了注釋，若有不實(shí)，后果由本人承擔(dān)。本文以自主移動機(jī)器人為平臺，主要任務(wù)與目標(biāo)是在 Robotic Studio 仿真系統(tǒng)中建立差分驅(qū)動輪式移動機(jī)器人 進(jìn)行巡視 仿真環(huán)境，通過 獲取激光數(shù)據(jù)和攝像頭數(shù)據(jù)來完成路徑規(guī)劃，避障和 實(shí)時監(jiān)控 ，設(shè)計 手動控制界面來手動控制機(jī)器人進(jìn)行巡視 。將機(jī)器人用于 巡視 工作，具有廣闊的應(yīng)用前景，近年來已受到國內(nèi)外的重視 ， 成為服務(wù)機(jī)器人的一個新研究方向。 70 年代，美國加州理工大學(xué)研制的移動 機(jī)器人和法國 LAAS 的機(jī)器人和人工智能研究小組開發(fā)的 Hiare 移動 機(jī)器人，是 當(dāng)時 移動 機(jī)器人研究領(lǐng)域的代表之作 。 美國 Probotics公司 1999 年生產(chǎn)了 Cye 小型家用 移動 機(jī)器人，它采用雙輪差動驅(qū)動方式，可以自主的進(jìn)行相應(yīng)的工作。 因此 結(jié)臺 我 國 的基本國 情， 且 考慮到 移動 機(jī)器人的 市場 等相關(guān)因素 ， 我們 必須在 以下幾個方面上進(jìn)行努力 ： (1)必須降低成 本 ， 研發(fā)出能夠滿足不同功能需求的相關(guān)系列產(chǎn)品 。 論文的主要內(nèi)容 本論文的主要內(nèi)容是在 Robotic Studio仿真系統(tǒng)中建立差分驅(qū)動輪式機(jī)器人的 室內(nèi)巡視 仿真環(huán)境，通過 編寫程序 對激光傳感器數(shù)據(jù)的采集和處理 ， 規(guī)劃機(jī)器人的運(yùn)動路徑及避障 ， 使 其能夠自主巡視，再將攝像頭采集到的圖像顯示出來， 進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控， 然后 在設(shè)計一個手動控制功能，即手動控制機(jī)器人進(jìn)行巡視 。為此我們專門引入了手動控制器來增加操作 的靈活性和多樣化的功能。 尋找一種合理，有效，方便，成熟的方法來到達(dá)我們所要求的設(shè)計要求，是機(jī)器人在室內(nèi)的巡視效果到達(dá)最佳。的半圓分成 0~360 共 361 份，其角度分辨率為 176。一旦遇到什么情況，我們可以第一時間知道并及時的做出相應(yīng)的正確的反應(yīng)。 圖 機(jī)器人位置和姿勢 示意圖 寧波大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 則 將仿真 機(jī)器人的 左右輪子的速度 1v ， rv 轉(zhuǎn)換成 線速度 v 及角速度 ? 分別為 : ? ?? ?11v 2drrvvvv??? ??? ???? （ 21） 式中 d 為 仿真機(jī)器人右邊輪子到左邊輪子的距離 。 Robotics Developer Studio 是微軟 在 06 年開始 ， 面向機(jī)器人應(yīng)用開發(fā)而推出的一 個 平臺， 是 基于 .NET Framework 的 開發(fā)環(huán)境，微軟 RDS 支持多種機(jī)器人平臺，既可以在運(yùn)行著 Windows 系統(tǒng)的嵌入式 PC 上直接運(yùn)行，也可以在 Windows PC 上通過藍(lán)牙、 WiFi 等無線連接遠(yuǎn)程控制。能創(chuàng)建滿足關(guān)鍵性要求的 多層次 智能客戶端、 Web、 或基于 Microsoft Office 等 應(yīng)用程序。 總體方案主要包括： 激光傳感器、攝像頭數(shù)據(jù)的接口，避障， 路徑規(guī)劃， 實(shí)時監(jiān)控，手動控制。本文所采用的避障方法：獲取激光數(shù)據(jù)后，我們可以根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)編寫一個避障的控制程序，即當(dāng)激光檢測到的前方障礙物距離小于 500，就轉(zhuǎn)個方向。 本文所采用的路徑規(guī)劃方法是沿墻走，即機(jī)器人沿著室內(nèi)的墻壁進(jìn)行巡視 。為此我們專門引入了手動控制器來增加操作的靈活性和多樣化的功能。我們在仿真環(huán)境中使用了差分驅(qū)動輪，激光， Web 攝像頭。 避障 獲取激光數(shù)據(jù) 對于一個控制程序，一般的步驟是：從機(jī)器人的傳感器獲取傳感數(shù)據(jù) 運(yùn)算 輸出控制命令。 yield return ()。 ((60), _dateTimePort)。由于 _dateTimePort 的消息類型是 DateTime，所以我們需要重新定義UpdateLaser 任務(wù)為： IEnumeratorITask UpdateLaser(DateTime dateTime)。 避障的實(shí)現(xiàn) 避障就是機(jī)器人在 接收到激光傳感器傳來的關(guān)于前方障礙物的距離信息后，根據(jù)已經(jīng)編寫好的程序來控制機(jī)器人偏轉(zhuǎn)的方向和角度達(dá)到避開障礙物的目的。 作為障礙判斷依據(jù)， 如圖 所示。 ~90176。當(dāng)激光檢測到 60176。范圍內(nèi)有障礙物且只 小于 500mm 的安全距離 時，機(jī)器人向右轉(zhuǎn) ，如圖 （ b） 所示 。 寧波大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 避障示意圖如下所示： 圖 （ a） 機(jī)器人避障示意圖 圖 （ b） 機(jī)器人 避障 示意圖 避障程序 根據(jù)機(jī)器人獲取來的 激光傳感器數(shù)據(jù)，結(jié)合我們選擇的避障方法，按照我們的要求編寫的避障程序 。 寧波大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 圖 避障程序 圖 這 條 語句是將 存 放在 sensorState的 DistanceMeasurements 屬性中 的 激光數(shù)據(jù) 賦值給我們設(shè)的整型變量 laserCount。 圖 這段程序是實(shí)現(xiàn)避障，當(dāng)機(jī)器人與障礙物的距離小于 500mm 時，機(jī)器人的右輪子的速度就減小，而左輪子的速度不變，這樣就實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人向 左 轉(zhuǎn)；當(dāng)機(jī)器人與障礙物的距離大于 500mm 時，機(jī)器人左右輪的速度保持不變且一樣，這樣機(jī)器人就直線前進(jìn)。 for (int i = laserCount / 3。 Activate((false, _dateTimePort, UpdateLaser))。 if ([i] 500) { (, )。 yield break。 ~120176。 路徑規(guī)劃 路徑規(guī)劃 是 機(jī)器人在室內(nèi)進(jìn)行巡視的基本環(huán)節(jié) 。因?yàn)楸疚膄or (int i = laserCount / 2。 Activate((false, _dateTimePort, UpdateLaser))。 ((200), _dateTimePort)。 當(dāng)其殘差 i? = i??? 滿足 n 2ii=1??=min 時，顯然對于任何 ? 而， i i in n n2i i ii= 1 i= i=nniii= i====n = nX X XX X XX? ? ? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ??? ? ? ? ????????????? ? ???22112 2 211（ ） （ ）（ ） （ ）+2（ ） （ ）（ ） （ 32） 當(dāng) X= ? 時， nii=??21取得最小值，以上就是最小二乘原理。而將這個 180176。 ? ?iid = ii=2D?????? （ 36） 式中， i 表示激光束的第 i 束。 ~45176。 最后 對 轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo) 運(yùn)用最小二乘 直線 擬合，經(jīng)過計算得出擬合后的直線 Y=C+DX，其中 C,D 由最小二乘直線擬合法求出，見公式（ 34）， (35)。再根據(jù)斜率 D 按照公式（ 38）計算出角度 ? 。而我們這里計算出來的角度 ? 的范圍是 90176。 ( ) , ( 0 )2, ( 0 )2jdjd?? ? ??? ? ?? ? ? ? ????? ? ? ??? （ 39） 仿真機(jī)器人左右輪子的速度計算見公式（ 310） l1r2==jdjd? ? ? ?? ? ? ????? ??? （ 310） 其中 ? 是當(dāng)前機(jī)器人行進(jìn)的速度， ?1 ， 2? 為調(diào)試系數(shù)， 且 12=??， 經(jīng)過反復(fù)的調(diào)試，最后我們確定比較理想系數(shù) 12=??=。 ~45176。 圖 沿墻走 特殊情況 擬合示意圖 實(shí)時監(jiān)控 獲取攝像頭數(shù)據(jù) 攝像頭數(shù)據(jù)的獲取過程與激光數(shù)據(jù)的獲取過程類似定義一個獲取攝像頭數(shù)據(jù)的任務(wù)函數(shù) UpdateImage。 size = 。amp。amp。 ((60), _dateTimePortImage)。程序如下： (new RunForm(() = { _laserDataForm = new LaserData()。 { byte[] rgbData = null。 }, failure = { LogError(())。 編譯運(yùn)行后可看到攝像頭圖像監(jiān)控畫面 如圖 所示： 圖 攝像頭圖像監(jiān)控畫面 機(jī)器人進(jìn)行室內(nèi)巡視時的實(shí)時監(jiān)控圖，如圖 所示，帶有攝像頭實(shí)時監(jiān)控畫面和機(jī)器人在室內(nèi)的位置，這樣就可以更好的觀察和判斷實(shí)時監(jiān)控的畫面是否如實(shí)的反映機(jī)器人所在處的情況。 (true)。 手動控制操作面板如圖 所示。 圖 手動控制操作面板 控制原理 示意圖 手動操作面板控制的 功能 手動控制操作面板上有前進(jìn)，后退，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)，加速，減速，自動 /手動切換和啟動 /暫停仿真引擎 8 個按鍵。 （ 4）“后退”鍵：通過控制機(jī)器人左右輪子的轉(zhuǎn)向來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人向后行進(jìn)。 （ 8）“減速”鍵： 將加速的速度值預(yù)先通過程序編寫出來，然后當(dāng)按下此鍵時實(shí)現(xiàn)速度寧波大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 26 的 減少。同時需要修改主服務(wù)程序中啟動窗體的代碼為： public class PausedEngine : SubmitPausedEngineRequest, PortSetDefaultSubmitResponseType, Fault { public PausedEngine() : base(new PausedEngineRequest()) { paused = true。 接下來，我們要為 PauseEngine 消息編寫消息處理任務(wù)函數(shù)： 圖 [ServiceHandler()] public virtual IEnumeratorITask PausedEngineHandler(PausedEngine state) { var stateOrFault = ()。 } var state = ()stateOrFault。 yield return ()。 } else //更新狀態(tài)成功 { if(paused) LogInfo(Simulation is Paused