【正文】 6）步距角可在大范圍內(nèi)選擇,在小步距情況下,通?？梢栽诔娃D(zhuǎn)速下高轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定運(yùn)行,通?？梢圆唤?jīng)減速器直接驅(qū)動負(fù)載。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個脈沖信號，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個步距角。當(dāng)轉(zhuǎn)向行為被觸發(fā)時，該行為試圖控制機(jī)器人旋轉(zhuǎn)一定角度，以避開前方障礙。例如機(jī)器鼠的驅(qū)動電機(jī)就是一個典型的缺乏性資源。這種傳感器的實(shí)現(xiàn)方式有很多，使用虛擬和物理方式都能實(shí)現(xiàn)靜止傳感器。圖324 紅外光電傳感器實(shí)物 圖325 紅外光電傳感器原理電路這是一種應(yīng)用最為廣泛的光電開關(guān)，它的直徑為18毫米，固定時只要在設(shè)備外殼上打一個18毫米的圓孔就能輕松固定，長度約75毫米，背后有工作指示燈，當(dāng)檢測到物體時紅色LED點(diǎn)亮，平時處于熄滅狀態(tài)，非常直觀，引線長度為100毫米。當(dāng)被檢測物體經(jīng)過發(fā)射器和接收器之間且阻斷光線時，光電開關(guān)就產(chǎn)生了開關(guān)信號。圖322 紅外發(fā)射接受原理反射光強(qiáng)度的輸出信號電壓Vout 是反射面與傳感器之間距離x 的函數(shù),設(shè)反射面物質(zhì)為同種物質(zhì)時,x 與Vout 的響應(yīng)曲線是非線性的,如圖323 所示。2）互補(bǔ)性的：傳感器提供不同形式的數(shù)據(jù)。內(nèi)部傳感器通常由位置、加速度、速度及壓力傳感器等組成。接觸面積很大時它卻能獲得高的牽引力。在崎嶇的路面,車輪需要更具有附著力的輪胎面,它更能適應(yīng)地形增加摩擦力。還有另一種例外,就是有意讓輪子和標(biāo)準(zhǔn)鉛垂面之間形成一個角度,這個措施能削弱機(jī)器人由于電機(jī)未被妥善緊固而造成的偏離行進(jìn)方向的傾向。小于2磅的輕型機(jī)器人,可以使用軟性泡沫塑料車輪。圖320 對稱[7]對于單輪驅(qū)動,則要求驅(qū)動輪安裝在兩輔助輪軸線的中垂線上,即如圖320(b)所示。換句話說,圖319(b)所示的左、右車輪高低不同是不可取的。機(jī)器人的平移速度和旋轉(zhuǎn)速度同輪子速度之間的關(guān)系可以表示為：V=VLω=(VRVL)/w也經(jīng)常使用上述求解表達(dá)式的逆向計算過程：VL=VVR=ωw+V圖316坐標(biāo)系統(tǒng)F原點(diǎn)位于機(jī)器人的左輪在圖317所示差速驅(qū)動機(jī)器人運(yùn)動的某個特殊情況，當(dāng)機(jī)器人圍繞坐標(biāo)系統(tǒng)的原點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)操作時，由左輪所確定出的曲率半徑為向量rl。左右兩個驅(qū)動輪L和R之間的相對速度決定了機(jī)器鼠的整體運(yùn)動?？紤]到吸塵機(jī)器人在移動和避障時，其運(yùn)動和轉(zhuǎn)向的精度要求較高，所以本設(shè)計采用三輪差動轉(zhuǎn)向式。:如圖 (d)所示，輪1和輪2為自由輪，輪3和輪4分別由不同的電機(jī)來驅(qū)動，以實(shí)現(xiàn)差動轉(zhuǎn)向。輪式移動機(jī)構(gòu)運(yùn)動平穩(wěn)，自動操縱簡單，最適合平地行走，在無人工廠中，常用來搬運(yùn)零部件或做其他工作，應(yīng)用最廣泛?；谶@種思想，擬將整個系統(tǒng)分為兩個子系統(tǒng)：旋轉(zhuǎn)啟動系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)方向判斷系統(tǒng)。有限狀態(tài)分析（FSM：Finite State Machine）狀態(tài)指系統(tǒng)可能存在的所有結(jié)構(gòu)，在機(jī)器人研究領(lǐng)域，當(dāng)提及某個系統(tǒng)具有狀態(tài)時，通常指的是該系統(tǒng)具有記憶能力?；拘袨榈倪@兩個組成單元都可以檢測相同的或者不同的傳感器信息，以便確定自己的動作。如圖310所示，在遇到斜面時，當(dāng)傳感器檢測與墻壁距離太近，試圖轉(zhuǎn)向墻壁的方向旋轉(zhuǎn)以對此校正，但此時傳感器卻錯誤的判斷距離增大，而導(dǎo)致機(jī)器人撞向墻壁。l 基于接觸傳感器的沿墻行走行為只裝有碰撞檢測傳感器的機(jī)器人也能實(shí)現(xiàn)沿墻行走行為。兩值之間為狀態(tài)保持，這樣大大減少系統(tǒng)反復(fù)改變狀態(tài)的次數(shù)和頻率。狀態(tài)控制器有一個增益參數(shù)，亦即機(jī)器人運(yùn)動曲線的曲率半徑R。圖37 閉環(huán)控制系統(tǒng)示意雖然閉環(huán)控制系統(tǒng)具有控制精確等優(yōu)點(diǎn)，但由于系統(tǒng)中存在延遲問題將會導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩。閉環(huán)控制系統(tǒng)的例子很多。開環(huán)控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)是控制精度和抑制干擾的性能都比較差，而且對系統(tǒng)參數(shù)的變動很敏感。傳感器在控制系統(tǒng)中可有可無，但控制系統(tǒng)必須包含一個或者更多的執(zhí)行器以使機(jī)器人維持或者達(dá)到某個狀態(tài)。圖34 迷宮通道簡化模型機(jī)器人所必需具備的主要功能包括：l 在迷宮通道中，自主沿墻行走行為；l 在行走過程中，使車體與環(huán)境保持相對距離；l 判斷行駛方向前方是否遇到阻隔；l 根據(jù)左手規(guī)則，傳感器組滿足觸發(fā)要求，車體以最小轉(zhuǎn)彎半徑左轉(zhuǎn)九十度；l 在凹型通道，連續(xù)左轉(zhuǎn)九十度兩次，駛離通道。圖31 機(jī)器鼠比賽現(xiàn)場迷宮由1616個區(qū)域組成，起點(diǎn)設(shè)在拐角處。環(huán)境探索。因此，緊急行為如下：l 檢查周圍障礙物的距離；l 當(dāng)障礙物的距離在緊急距離之內(nèi)時就停止。 基于行為的結(jié)構(gòu)MIT的Brooks等人首先提出了基于行為的結(jié)構(gòu)。在國內(nèi)，張純剛等提出了基于滾動窗口的規(guī)劃方法，也取得了較好的效果。由于環(huán)境模型是已知的，全局路徑規(guī)劃的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)是盡量使規(guī)劃的效果達(dá)到最優(yōu)。Krusmaa M通過創(chuàng)建種群事例庫在理論上覆蓋了關(guān)于路徑搜尋問題所有可能的路徑解空間，克服了啟發(fā)式搜索方法在此方面的缺陷[16]。路徑規(guī)劃主要涉及的問題包括：利用獲得的移動機(jī)器人環(huán)境信息建立較為合理的模型，再用某種算法尋找一條從起始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)的最優(yōu)或近似最優(yōu)的無碰撞路徑；能夠處理環(huán)境模型中的不確定因素和路徑跟蹤中出現(xiàn)的誤差，使外界物體對機(jī)器人的影響降到最??；如何利用已知的所有信息來引導(dǎo)機(jī)器人的動作，從而得到相對更優(yōu)的行為決策。其共同的基本技術(shù)有傳感器技術(shù)、移動技術(shù)、操作器、控制技術(shù)、人工智能等方面。 其中移動機(jī)器人 （mobile robot）是一種由傳感器、遙控操作器和自動控制的移動載體組成的機(jī)器人系統(tǒng)。在航天工業(yè)中，機(jī)器人技術(shù)集中在高度專業(yè)的一種行星漫步者上。因此，可以說機(jī)器人是具有生物功能的空間三維坐標(biāo)機(jī)器。但現(xiàn)在流行文化中的機(jī)械機(jī)器人和這些虛構(gòu)的生物創(chuàng)作物沒有多大區(qū)別。圖3 機(jī)器鼠的基本行為組件機(jī)器鼠的設(shè)計是對基于行為的規(guī)劃方法的一種驗(yàn)證設(shè)計，這種算法正廣泛應(yīng)用于家庭服務(wù)類機(jī)器人，最典型的實(shí)例是自主吸塵機(jī)器人。為進(jìn)一步研究基于行為的規(guī)劃方法，而引入一個真實(shí)環(huán)境及任務(wù)模型，即IEEE每年舉辦的微型機(jī)器鼠比賽，通過設(shè)計基于行為的機(jī)器鼠模型論證該算法的可行性。 c. 高效性。它采用類似動物進(jìn)化的自底向上的原理體系，嘗試從簡單的智能體來建立一個復(fù)雜的系統(tǒng)。通過對AT89S52單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計調(diào)試，對如何組建單片機(jī)系統(tǒng)有了深刻的了解；通過對步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路的設(shè)計調(diào)試，熟悉了PCB的設(shè)計流程，增強(qiáng)了數(shù)字電路方面的知識。本人授權(quán)青島農(nóng)業(yè)大學(xué)可以將本畢業(yè)論文（設(shè)計）全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本畢業(yè)論文（設(shè)計）。本人離校后發(fā)表或使用該畢業(yè)論文（設(shè)計）或與該論文（設(shè)計）直接相關(guān)的學(xué)術(shù)論文或成果時，單位署名為 。最重要的是，通過這次設(shè)計并制作出實(shí)物，自己的實(shí)際動手能力得到了很大的增強(qiáng)。將其用于解決移動機(jī)器人路徑規(guī)劃問題是一種新的發(fā)展趨勢，它把導(dǎo)航問題分解為許多相對獨(dú)立的行為單元，比如跟蹤、避碰、目標(biāo)制導(dǎo)等。 軟件代碼可以是傳統(tǒng)的幾百分之一,硬件可以是傳統(tǒng)的幾十分之一。此項(xiàng)比賽要求機(jī)器人能夠自主在未知環(huán)境中完成迷宮穿越的任務(wù)。在機(jī)器鼠傳感和控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，本文進(jìn)一步針對自主吸塵機(jī)器人提出一種機(jī)械底盤設(shè)計方案，使機(jī)器鼠的實(shí)用意義得以提升。歐美國家認(rèn)為：機(jī)器人應(yīng)該是由計算機(jī)控制的通過編排程序具有可以變更的多功能的自動機(jī)械，但是日本不同意這種說法。 基本上，一個機(jī)器人包括：l 機(jī)械設(shè)備，如可以與周圍環(huán)境進(jìn)行交互的車輪平臺、手臂或其它構(gòu)造。不同于一臺高度自動化的制造業(yè)設(shè)備，行星漫步者在月亮黑暗的那一面工作：沒有無線電通訊或可能碰到意外的情況。移動機(jī)器人具有移動功能，在代替人從事危險、惡劣（如輻射、有毒等）環(huán)境下作業(yè)和人所不及的（如宇宙空間、水下等）環(huán)境作業(yè)方面，比一般機(jī)器人有更大的機(jī)動性、靈活性。它有相當(dāng)于人的眼、耳、皮膚的視覺傳感器、聽覺傳感器和觸覺傳感器。目前，對于移動機(jī)器人路徑規(guī)劃技術(shù)的研究已經(jīng)取得了大量的成果，許多問題獲得了比較滿意的答案。圖21 深海機(jī)器人近年來，自主式水下機(jī)器人由于其在海底資源探測上的優(yōu)勢而受到各國的關(guān)注，但因?yàn)樗颅h(huán)境十分復(fù)雜(能見度差、定位困難等)，導(dǎo)致一般的規(guī)劃方法都難以奏效，而水下環(huán)境的擁擠程度相對較低、機(jī)器人工作在同一區(qū)域的可能性較大這一特征恰好有利于基于事例的規(guī)劃方法的應(yīng)用，因此該方法被廣泛的用于解決水下機(jī)器人的路徑規(guī)劃問題，試驗(yàn)證明其效果也較為理想。在此領(lǐng)域已經(jīng)有了許多成熟的方法，包括可視圖法、切線圖法、Voronoi圖法、拓?fù)浞?、懲罰函數(shù)法、柵格法等。在環(huán)境部分未知時的規(guī)劃方法主要有人工勢場法、模糊邏輯算法、遺傳算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模擬退火算法、蟻群優(yōu)化算法、粒子群算法和啟發(fā)式搜索方法等。所謂基于行為的控制結(jié)構(gòu)是把復(fù)雜的任務(wù)分解成很多簡單的可以并發(fā)執(zhí)行的單元，每個單元有自己的感知器和執(zhí)行器，這兩者緊耦合在一起的，構(gòu)成感知動作行為，多個行為相互松耦合構(gòu)成層次模型。(2) 避障行為如果障礙物在左邊就向右轉(zhuǎn)；如果障礙物在右邊就向左轉(zhuǎn)；如果障礙物的距離位于緊急距離之內(nèi)則該行為被忽視。保證能夠?qū)λ杼綔y的環(huán)境或區(qū)域進(jìn)行完全的、無遺漏的搜索。規(guī)定通道長寬尺寸，頂面涂紅色，側(cè)面涂白色，地面涂黑色。以上的分析作為初步任務(wù)分解，將設(shè)計任務(wù)分解成各個易于處理的子任務(wù)，對于這些子任務(wù)機(jī)器人更有希望完成和實(shí)現(xiàn)。反饋控制系統(tǒng)采用某種算法，或者某種物理機(jī)制，將輸入信號和被控設(shè)備響應(yīng)的測量信號轉(zhuǎn)換為新的控制命令。因此，一般僅用于可以不考慮外界影響，或慣性小，或精度要求不高的一些場合，如步進(jìn)電機(jī)的控制，簡易電爐爐溫調(diào)節(jié)，水位調(diào)節(jié)等。比如人就是一個具有負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)，眼睛便是傳感器，充當(dāng)反饋，人體系統(tǒng)能通過不斷的修正最后做出各種正確的動作。通常提高系統(tǒng)的復(fù)雜程度為代價，許多方法可以使系統(tǒng)在不發(fā)生發(fā)散型振蕩的情況下，能夠以比較快的速度，精確的停止在目標(biāo)位置，其中最常用的一種閉環(huán)控制系統(tǒng)是PID控制器。如果R比較大，即使系統(tǒng)具有很大延遲，機(jī)器鼠也能夠比較平滑沿墻壁走。當(dāng)然任何系統(tǒng)都不可避免地存在著一定的磁滯現(xiàn)象。盡管這種機(jī)器人沒有安裝能保證自己在每個具體時刻都同向保持平行的機(jī)構(gòu)，但是通過左右旋轉(zhuǎn)他能在平均的意義上保持朝向同墻平行的。圖310 傳感器處于兩輪中間時失效l 基于接近覺傳感器的沿墻行走行為同接近覺傳感器相比，測距傳感器價格通常比較昂貴，并且性能穩(wěn)定性也比較差。一般來說，允許控制系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行，相比反復(fù)啟停計算過程具有更多實(shí)用性，并且編程過程更加簡單。如果系統(tǒng)具有狀態(tài)，那么系統(tǒng)響應(yīng)不但取決于當(dāng)前的傳感器檢測信息，而且還同以前采集到的所有傳感器信息以及過去的處理過程有關(guān)。將前端傳感器檢測到有無信號設(shè)輸出為d，檢測到有障礙d=1，無障礙保持d=0，右側(cè)傳感器有無信號輸出為a,檢測到有障礙a=1，無障礙保持a=0。圖314 輪式移動機(jī)構(gòu)布置[7]普通的輪式移動機(jī)構(gòu)一般有三個輪、四個輪或六個輪，其轉(zhuǎn)向裝置的結(jié)構(gòu)通常有兩種方式: :轉(zhuǎn)向輪裝在轉(zhuǎn)向鉸軸上，轉(zhuǎn)向電機(jī)通過減速器和機(jī)械連桿機(jī)構(gòu)控制鉸軸，從而控制轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向。四輪的穩(wěn)定性好，承載能力較大，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。采用標(biāo)準(zhǔn)差速驅(qū)動運(yùn)動平臺對于機(jī)器鼠已經(jīng)滿足其運(yùn)動條件。當(dāng)兩個輪子同時向前旋轉(zhuǎn)時，機(jī)器鼠就會前進(jìn)；當(dāng)兩個輪子以相同速度向相反方向旋轉(zhuǎn)時，機(jī)器鼠將會圍繞位于兩輪子中間的中心點(diǎn)進(jìn)行原地旋轉(zhuǎn)操作。隨著旋轉(zhuǎn)過程的進(jìn)行，?的值將從0增達(dá)到2π，此時左右兩個輪子的運(yùn)動軌跡形成了兩個同心圓，其周長分別為2πrl和2π（rl+w）。圖319 平衡[7]檢查的方法很簡單，將機(jī)器人放置在一個光滑的平面上，仔細(xì)觀察所有驅(qū)動輪是否同時接觸到平面，以及機(jī)器人是否傾斜，或者在每個驅(qū)動輪的正上方給一個正壓力，觀察機(jī)器人是否會晃動。3） 同軸當(dāng)驅(qū)動輪與電機(jī)直接連接時,還要注意驅(qū)動輪彼此是同軸的,也就是說,驅(qū)動輪都對準(zhǔn)正前方。由于機(jī)器人的重量輕,軟性材料的變形還不至于太嚴(yán)重,而且能在摩擦力很小時工作良好。為此輪胎的質(zhì)地需要更為堅硬,因?yàn)榇藭r只是借助輪胎的某個側(cè)面來運(yùn)動,而非整個底面。路面光滑時,使用光滑的胎面以增加車輪與路面間的接觸面積。因此在沙地上運(yùn)動時,應(yīng)該使用寬輪胎,因?yàn)檎喬葸M(jìn)去。外部的傳感器用于機(jī)器人對周圍的環(huán)境、目標(biāo)物的狀態(tài)特征獲取信息，使機(jī)器人和環(huán)境發(fā)生相互作用，從而使機(jī)器人對環(huán)境有自校正和自適應(yīng)能力。例如，識別三維物體的任務(wù)就說明這種類型的融合。設(shè)定輸出電壓達(dá)到某一閾值時作為目標(biāo),不同的目標(biāo)距離閾值電壓是不同的。當(dāng)檢測物體是不透明時，對射式光電開關(guān)是最可靠的檢測模式。 經(jīng)上述分析，擬采用以紅外漫反射光電傳感器為主，輔以微動開關(guān)組成的碰撞傳感器和由軟件控制的靜止檢測傳感器的方案。虛擬靜止傳感器的一種簡單實(shí)現(xiàn)方式是設(shè)計某個行為，該行為的主要任務(wù)實(shí)時檢測某個或多個物理傳感器的信息值是否發(fā)生變化。在機(jī)器鼠運(yùn)行過程中，執(zhí)行沿墻行走行為和執(zhí)行轉(zhuǎn)向行為，而執(zhí)行機(jī)構(gòu)只有步進(jìn)電機(jī)。那么，在行為開始時，首先應(yīng)該知道自己所發(fā)布的命令是否已經(jīng)起作用。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)。 7）速度可在相當(dāng)寬范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié),同時用一臺控制器控制幾臺步進(jìn)電動機(jī)可使它們完全同步運(yùn)行。 5）停止時可有自鎖能力。圖329 機(jī)器鼠的基本行為組件第4章 機(jī)器鼠四相步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動電路設(shè)計 步進(jìn)電機(jī)控制概況圖41 單路步進(jìn)電機(jī)控制的試驗(yàn)電路圖42 單片機(jī)控制電路板實(shí)物步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。然而，有時當(dāng)某些行為試圖控制機(jī)器人的電機(jī)時，需要知道自己的命令是否被通過。資源缺乏是指機(jī)器人的資源供不應(yīng)求。圖326 微動開關(guān)實(shí)物靜止傳感器用來檢測機(jī)器人是否仍在運(yùn)動?！?對射式光電開關(guān)包含在結(jié)構(gòu)上相互分離且光軸相對放置的發(fā)射器和接收器，發(fā)射器發(fā)出的光線直接進(jìn)入接收器。紅外反射光強(qiáng)法的測量原理是將發(fā)射信號經(jīng)調(diào)制后送經(jīng)紅外發(fā)光管發(fā)射,光敏管接收調(diào)制的紅外信號[1],原理如圖320所示。若陸標(biāo)觀測成功，則用陸標(biāo)觀測的結(jié)果，并對計算法的值進(jìn)行修正，否則利用計算法所得的結(jié)果。內(nèi)部傳感器是以機(jī)器人本身的坐標(biāo)軸來確定其位置，安裝在機(jī)器人自身中，