【正文】 年 月 日 西南交通大學本科 畢業(yè)設計 (論 文 ) 第 Ⅲ 頁 畢業(yè)論文（設計）誠信聲明 本人聲明：所呈交的畢業(yè)論文（設計）是在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果，論文中引用他人的文獻、數(shù)據(jù)、圖表、資料均已作明確標注，論文 中的結論和成果為本人獨立完成，真實可靠，不包含他人成果及已獲得 或其他教育機構的學位或證書使用過的材料。在周倫老師的支持和指導下，完成了實物制作（包括電路板設計制作和機械加工）。本文首先初步討論總結了目前 主要的 路徑規(guī)劃技術。在動態(tài)復雜環(huán)境中的移動速度很快。很少改變原有系 統(tǒng)便可增加性能。 在機器 鼠 正向和側向 共有 3個 漫 反射式紅外線光電 傳感器 , 距離為 10cm～ 20cm ,兩個碰撞開關， 傳感器位置布置如圖 2所示 ， 當傳感器前方有障礙物時 , 傳感器的輸出為 1, 否則為 0。Infrared remote control switch controller。一般說來，人們都可以接受這種說法，即機器人是靠自身動力和控制能力來實現(xiàn)各種功能的一種機器。工業(yè)機器人在 經(jīng)歷 了誕生 —— 成長 —— 成熟 期后，已成為制造業(yè)中不可少的 核心 裝備，世界上有約 75萬臺工業(yè)機器人正與工人 朋友 并肩 戰(zhàn)斗 在各條 戰(zhàn)線 上。 ? 不愉快的事 ：機器人執(zhí)行很多乏味、不愉快但必需的任務，如焊接和看門工作。 70 年代初期，日本早稻田大學研制出具有仿人功能的兩足步行機器人。 圖 12 火星探索車 移動機器人除用于宇宙探測、海洋開發(fā)和原子能等領域外，在工廠自動化、建筑、采礦、排險、軍事、服務、農(nóng)業(yè)等方面也有廣泛的應用前景。 Ram A 將基于事例的在線匹配和增強式學習相結合，提高了機器人的自適應性能，較好地適應了環(huán)境的變化。前者主要包括自由空間法、頂點圖像法、廣義錐法等，利用它們在進行路徑規(guī)劃時可得到比較精確的解，但所耗 費的計算量相當大，不適合于實際的應用。 作為當前規(guī)劃研究的熱點問題，局部路徑規(guī)劃得到了深入細致的研究。此外，還出現(xiàn)了一些基于 A 的改進算法，它們一般都是通過修改 A 算法中的估價函數(shù)和圖搜索方向而 實現(xiàn)的，可以較大地提高路徑規(guī)劃的速度，具有一定的復雜環(huán)境自適應能力[25]。 西南交通大學本科 畢業(yè)設計 (論文 ) 第 8 頁 圖 22 典型基于行為控制系統(tǒng) (1)緊急行為 緊急行為比其他行為具有更高的優(yōu)先級別。此時按順時針方向圍繞此未知物體進行探測，直到回到初始點。每年有上百臺微型鼠，以它們的頭腦和速度進行比賽。當機器鼠開始行走的時候，不能給它 傳送 迷宮信息 [43]。同時，為了保證系統(tǒng)能夠成功運行，對于這些現(xiàn)有技術的能力、實現(xiàn)代價以及相關局限需要通過論證。開環(huán)控制系統(tǒng)由控制器與被控對象組成。速度傳感器用來測量機器人的實際運轉速度 Vm。期望速度和測量速度的差值為誤差信號 Ve。在沿墻行走過程中，當機器鼠在自己的右側檢測到墻 壁時，它會沿原點位于墻左側的圓弧向遠離墻的方向行駛；當沒有檢測到任何東西，機器鼠就會沿原點位于墻右側的圓弧 軌跡 向墻 壁 靠近。當機器鼠離墻太遠，就會如 (b)所示，傳感器檢測不到墻壁的位置，機器鼠會重新向墻靠近，這時，機器鼠的行走軌跡是原點位于自己右側的半徑為 R 的圓弧。其中沿墻行走行為可能是最常用的一種邊緣行走行為。 圖 39 測距傳感器保持距離 維持墻壁和傳感器之間的距離為一固定常數(shù)：當二者之間的距離偏小時，機器人向遠離墻壁 的方向旋轉；當距離偏大時，機器人向靠近墻壁的方向旋轉。 西南交通大學本科 畢業(yè)設計 (論文 ) 第 19 頁 判斷通道，觸發(fā)旋轉行為 基于行為的機器人學提出基本行為這一概念，用來表示機器人比較低級的簡單行為。伺服行為采用反饋控制環(huán)作為控制單元，當需要控制機器鼠驅動電機的行為，只需要根據(jù)相關條件計算出電動機的運行速度即可，行為實現(xiàn)過程中的其他具體細節(jié)主要取決于機器人運行的軟件系統(tǒng)；彈道式行為，顧名思義，一旦觸發(fā)，該行為自始自終都會按照預先設定好的模式運行，并且彈道式行為有一個明確的終點。 圖 312 機器鼠在通道環(huán)境中示意 以上分析已經(jīng)變得相當繁瑣和難以處理，在這 種情況下實現(xiàn)系統(tǒng)很容易發(fā)生錯誤。判斷是否進入旋轉狀態(tài)，只需要前端傳感器的變量 d，旋轉結束的標志 d=0，這樣可以避免使用彈道行為來設定旋轉角度值，減少誤差；旋轉方向，利用側向傳感器檢測信號，這里需要考慮在沿墻行走中，側向傳感器會出現(xiàn)檢測無狀態(tài)的情況，通過設定 d可以避免沿墻行走時發(fā)生誤判旋轉，但是在拐角需要設定一定延時判斷。如果 1 作為驅動輪，可將輪 2 或輪 3 之一作為驅動輪。但對采用三輪移 西南交通大學本科 畢業(yè)設計 (論文 ) 第 23 頁 動機構的機器人來說，重心都比較低，載荷穩(wěn)定且中心位置基本不發(fā)生變化，所以三輪移動機構能滿足要求。差動轉向式控制較復雜，但精度高。 :如圖 (c)所示，輪 1 和輪 2為轉向輪，它們之間有同步輪轉向連桿，輪 3 或輪 4為驅動輪，轉向通過轉向電機來實現(xiàn)。輪式和履帶式機器人適合于條件較好的路面，而步行機器人則適于條件較差的路面。利用FSM 可以將系統(tǒng)的信息保存到某個變量中簡化系統(tǒng)的分析過程。 為得到某一執(zhí)行結果，首先利用伺服行為實現(xiàn)，伺服行為對環(huán)境變化能 做 出快速 西南交通大學本科 畢業(yè)設計 (論文 ) 第 20 頁 響應，不但具有良好的抗噪聲能力，而且對工作過 程中所出現(xiàn)的其他微小故障也具有較強的容錯性。 基本行為由一個觸發(fā)單元和控制單元（ 控制系統(tǒng)）組成，其中，控制單元用來將感知信息轉換為機器人所要執(zhí)行的控制命令，而觸發(fā)單元則用來確定在什么情況下控制系統(tǒng)應該為機器人的執(zhí)行器產(chǎn)生的指令輸出。 其中，傳感器應該安裝在機器人旋轉中心的前面，并且與該中心保持一定的距離；如果傳感器位于機器人兩個輪子的軸線上，它所測量的距離有時不能用來確定機 器人的旋轉方向。實現(xiàn) 這種行為的關鍵一點就是方向對準問題。 在狀態(tài)控制器中還需引入重要的環(huán)節(jié) —— 磁滯環(huán)節(jié)，使得當系統(tǒng)變量低于某個值改變狀態(tài)，高于某個值改變狀態(tài)。大的延遲會導致機器鼠的行走路徑由一系列大曲率的圓弧組成；小延遲能夠使機器鼠的行走路徑近似 直線 ，幾乎觀察不到機器鼠有任何的方向矯正動作。采用這種閉環(huán)控制的比例控制器，即使在環(huán)境發(fā)生變化的情況下，也能使機器人以接近于期望速度值的速度運行。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負反饋，若反饋 信號與系統(tǒng)給定值信號 相反 ，則稱為負反饋 ( Negative Feedback)，若極性相同，則 稱 為 正反饋，一般閉環(huán)控制系統(tǒng)均采用負反饋，又稱負反饋控制系統(tǒng)。同 閉環(huán)控制系統(tǒng) 相比，開環(huán)控制系統(tǒng)的結構要簡單得多，同時也比較經(jīng)濟。機器人通過由軟件或者硬件構造的控制系統(tǒng) 實現(xiàn)目標。走法示意如 圖 33： 圖 33 迷宮走法示意 為研究使用，綜合考慮迷宮通道情況，將迷宮簡化為一段 L型通道。（ 微型鼠競賽如照片所示，項目為迷宮探路，從起點到終點以最短的路線、最短時間到達者為優(yōu)勝。此算法能夠快速、準確的得出未知物體的形狀。當障礙物的距離在緊急距離之內(nèi)時候，機器人就立即停止。索杰納所采用路徑規(guī)劃方法就是 D 算法，它使索杰納能在火星表面自如而謹慎地行走，且能自主判斷出前進道路上的障礙物，并通過實時重規(guī)劃來作出后面行動的決策，真正做到了“三思而后行”。 Koeing S等提出了增量式的 D Lite 算法，該方法利用啟發(fā)式策略搜索一條從目標點指向機器人當前位置的路徑，并在機器人向目標運動過程中根據(jù)局部環(huán)境的更新信息來實時重規(guī)劃路徑，由此得出一條最優(yōu)路徑。 基于環(huán)境模型的規(guī)劃方法根據(jù)掌握環(huán)境信息的完整程度可以細分為環(huán)境信息完全已知的全局路徑規(guī)劃和環(huán)境信息完全未知或部分未知的局部路徑規(guī)劃。 Marefat M 把基于事例的方法作為一個特征輔助規(guī)劃與 全局規(guī)劃結合從而提高了全局規(guī)劃的效率。所謂路徑規(guī)劃是指移動機器人按照某一性能指標 (如距離、時間、能量等 )搜索一條從起始狀態(tài)到目標狀態(tài)的最優(yōu)或次優(yōu)路徑。 移動機器人隨其應用環(huán)境和移動方式的不同，研究內(nèi)容也有很大差別。機器人被廣泛地用于制造業(yè)，而且，在強調(diào)最小維護需求的空間探索中，使用機器人更具有吸引力。 在制造業(yè)領域，機器人的開發(fā)集中在執(zhí)行制造過程的工程機器人手臂上?！?[43] 機器人能力的 評價 標準包括：智能，感覺和感知，包括 記憶 、 運算 、 比較 、鑒別、判斷、決策、學習和 邏輯推理 等；機能，指變通性、通用性或空間占有性等；物理能，指力、速度、連續(xù)運行能力、 可靠性 、聯(lián)用性、 壽命 等。這個詞是由劇作家 Karel Capek 引入的，他虛構創(chuàng)作的機器人很像 Frankenstein 博士的怪物 － 由化學和生物學方法而不是機械方法創(chuàng)造的生物。 圖 2 機器鼠傳感器布置 行為的設計與機器人的能力密切相關 ， 機器人的硬件限制了機器人的某些行為的能力 ， 根據(jù) 機器鼠 的 比賽任務 ， 對 機器鼠 的 行為中作如 圖 3分解。分布式自組織并行工作 ,可靠性強。 可以承受局部損壞。 基于行為的方法 是 由 MIT的 Brooks在他著名的包容式結構 [42]中建立，它是一門從生物系統(tǒng) 得 到啟發(fā)而產(chǎn)生的用來設計自主機器人的技術， 也是本文所重點研究的目標。目前國內(nèi)外對吸塵機器人的研究，僅處于剛起步階段，國內(nèi)還沒有此類產(chǎn)品推出， 如果能夠繼續(xù) 改進，會具有很大的市場潛力，并且 具有一定 的學術價值。 論文（設計）作者簽名： 日期： 年 月 日 畢業(yè)論文（設計）版權使用授權書 本畢業(yè)論文（設計）作者同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文（設計）的 復印件和電子版，允許論文（設計）被查閱和借閱。 論文（設計）作者簽名： 日期： 年 月 日 指 導 教 師 簽 名： 日期： 年 月 日 西南交通大學本科 畢業(yè)設計 (論 文 ) 第 Ⅲ 頁 畢業(yè)設計（論文）任務書 班 級 20xx 級機械一班 學生姓名 謝群 學 號 20xx0718 發(fā)題日期： 20xx 年 月 日 完成日期： 20xx 年 月 日 題 目 基于行為設計的自主式小型移動機器人系統(tǒng)研究 本論文的目的、意義 本篇論文主要介紹 了我 獨立 設計 并 制作的 基于行為設計的 機器鼠 ，這個機器鼠的設計制作的主要目的是對基于行為的機器人算法的驗證和試驗。 學生應完成的任務 機器 鼠 的 總體設計、路徑 設計 及機器鼠 的總調(diào)試 機器鼠的機械部分 設計 并加工組裝 步進電動機驅動電路板的設計、調(diào)試 51 單片機 控制 系統(tǒng)的硬件接線及軟件程序 設計 、調(diào)試 51 單片機 控制流程 圖 步進電機驅動芯片電路圖 一種自動吸塵機器人的機械底盤設計建模，運動學計算