【正文】 年 月 日 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論 文 ) 第 Ⅲ 頁 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）誠信聲明 本人聲明：所呈交的畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）是在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果，論文中引用他人的文獻(xiàn)、數(shù)據(jù)、圖表、資料均已作明確標(biāo)注，論文 中的結(jié)論和成果為本人獨(dú)立完成，真實(shí)可靠，不包含他人成果及已獲得 或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書使用過的材料。在周倫老師的支持和指導(dǎo)下，完成了實(shí)物制作（包括電路板設(shè)計(jì)制作和機(jī)械加工）。本文首先初步討論總結(jié)了目前 主要的 路徑規(guī)劃技術(shù)。在動(dòng)態(tài)復(fù)雜環(huán)境中的移動(dòng)速度很快。很少改變原有系 統(tǒng)便可增加性能。 在機(jī)器 鼠 正向和側(cè)向 共有 3個(gè) 漫 反射式紅外線光電 傳感器 , 距離為 10cm～ 20cm ,兩個(gè)碰撞開關(guān)， 傳感器位置布置如圖 2所示 ， 當(dāng)傳感器前方有障礙物時(shí) , 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(jī)器人是靠自身動(dòng)力和控制能力來實(shí)現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器。工業(yè)機(jī)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(tái)工業(yè)機(jī)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(jī)器人執(zhí)行很多乏味、不愉快但必需的任務(wù)，如焊接和看門工作。 70 年代初期，日本早稻田大學(xué)研制出具有仿人功能的兩足步行機(jī)器人。 圖 12 火星探索車 移動(dòng)機(jī)器人除用于宇宙探測、海洋開發(fā)和原子能等領(lǐng)域外，在工廠自動(dòng)化、建筑、采礦、排險(xiǎn)、軍事、服務(wù)、農(nóng)業(yè)等方面也有廣泛的應(yīng)用前景。 Ram A 將基于事例的在線匹配和增強(qiáng)式學(xué)習(xí)相結(jié)合，提高了機(jī)器人的自適應(yīng)性能，較好地適應(yīng)了環(huán)境的變化。前者主要包括自由空間法、頂點(diǎn)圖像法、廣義錐法等，利用它們在進(jìn)行路徑規(guī)劃時(shí)可得到比較精確的解，但所耗 費(fèi)的計(jì)算量相當(dāng)大，不適合于實(shí)際的應(yīng)用。 作為當(dāng)前規(guī)劃研究的熱點(diǎn)問題，局部路徑規(guī)劃得到了深入細(xì)致的研究。此外，還出現(xiàn)了一些基于 A 的改進(jìn)算法，它們一般都是通過修改 A 算法中的估價(jià)函數(shù)和圖搜索方向而 實(shí)現(xiàn)的，可以較大地提高路徑規(guī)劃的速度，具有一定的復(fù)雜環(huán)境自適應(yīng)能力[25]。 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (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(shí)按順時(shí)針方向圍繞此未知物體進(jìn)行探測，直到回到初始點(diǎn)。每年有上百臺(tái)微型鼠，以它們的頭腦和速度進(jìn)行比賽。當(dāng)機(jī)器鼠開始行走的時(shí)候，不能給它 傳送 迷宮信息 [43]。同時(shí)，為了保證系統(tǒng)能夠成功運(yùn)行，對于這些現(xiàn)有技術(shù)的能力、實(shí)現(xiàn)代價(jià)以及相關(guān)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(jī)器人的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)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(dāng)機(jī)器鼠在自己的右側(cè)檢測到墻 壁時(shí)，它會(huì)沿原點(diǎn)位于墻左側(cè)的圓弧向遠(yuǎn)離墻的方向行駛；當(dāng)沒有檢測到任何東西，機(jī)器鼠就會(huì)沿原點(diǎn)位于墻右側(cè)的圓弧 軌跡 向墻 壁 靠近。當(dāng)機(jī)器鼠離墻太遠(yuǎn)，就會(huì)如 (b)所示，傳感器檢測不到墻壁的位置，機(jī)器鼠會(huì)重新向墻靠近，這時(shí)，機(jī)器鼠的行走軌跡是原點(diǎn)位于自己右側(cè)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(dāng)二者之間的距離偏小時(shí)，機(jī)器人向遠(yuǎn)離墻壁 的方向旋轉(zhuǎn)；當(dāng)距離偏大時(shí)，機(jī)器人向靠近墻壁的方向旋轉(zhuǎn)。 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 19 頁 判斷通道，觸發(fā)旋轉(zhuǎn)行為 基于行為的機(jī)器人學(xué)提出基本行為這一概念，用來表示機(jī)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(dāng)需要控制機(jī)器鼠驅(qū)動(dòng)電機(jī)的行為，只需要根據(jù)相關(guān)條件計(jì)算出電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行速度即可，行為實(shí)現(xiàn)過程中的其他具體細(xì)節(jié)主要取決于機(jī)器人運(yùn)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(huì)按照預(yù)先設(shè)定好的模式運(yùn)行，并且彈道式行為有一個(gè)明確的終點(diǎn)。 圖 312 機(jī)器鼠在通道環(huán)境中示意 以上分析已經(jīng)變得相當(dāng)繁瑣和難以處理，在這 種情況下實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)很容易發(fā)生錯(cuò)誤。判斷是否進(jìn)入旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，只需要前端傳感器的變量 d，旋轉(zhuǎn)結(jié)束的標(biāo)志 d=0，這樣可以避免使用彈道行為來設(shè)定旋轉(zhuǎn)角度值，減少誤差；旋轉(zhuǎn)方向，利用側(cè)向傳感器檢測信號，這里需要考慮在沿墻行走中，側(cè)向傳感器會(huì)出現(xiàn)檢測無狀態(tài)的情況，通過設(shè)定 d可以避免沿墻行走時(shí)發(fā)生誤判旋轉(zhuǎn)，但是在拐角需要設(shè)定一定延時(shí)判斷。如果 1 作為驅(qū)動(dòng)輪，可將輪 2 或輪 3 之一作為驅(qū)動(dòng)輪。但對采用三輪移 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 23 頁 動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)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(dòng)機(jī)構(gòu)能滿足要求。差動(dòng)轉(zhuǎn)向式控制較復(fù)雜，但精度高。 :如圖 (c)所示，輪 1 和輪 2為轉(zhuǎn)向輪，它們之間有同步輪轉(zhuǎn)向連桿，輪 3 或輪 4為驅(qū)動(dòng)輪，轉(zhuǎn)向通過轉(zhuǎn)向電機(jī)來實(shí)現(xiàn)。輪式和履帶式機(jī)器人適合于條件較好的路面，而步行機(jī)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(gè)變量中簡化系統(tǒng)的分析過程。 為得到某一執(zhí)行結(jié)果，首先利用伺服行為實(shí)現(xiàn)，伺服行為對環(huán)境變化能 做 出快速 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 20 頁 響應(yīng)，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(qiáng)的容錯(cuò)性。 基本行為由一個(gè)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(zhuǎn)換為機(jī)器人所要執(zhí)行的控制命令，而觸發(fā)單元?jiǎng)t用來確定在什么情況下控制系統(tǒng)應(yīng)該為機(jī)器人的執(zhí)行器產(chǎn)生的指令輸出。 其中，傳感器應(yīng)該安裝在機(jī)器人旋轉(zhuǎn)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(jī)器人兩個(gè)輪子的軸線上，它所測量的距離有時(shí)不能用來確定機(jī) 器人的旋轉(zhuǎn)方向。實(shí)現(xiàn) 這種行為的關(guān)鍵一點(diǎn)就是方向?qū)?zhǔn)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(dāng)系統(tǒng)變量低于某個(gè)值改變狀態(tài)，高于某個(gè)值改變狀態(tài)。大的延遲會(huì)導(dǎo)致機(jī)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(jī)器鼠的行走路徑近似 直線 ，幾乎觀察不到機(jī)器鼠有任何的方向矯正動(dòng)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(jī)器人以接近于期望速度值的速度運(yùn)行。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負(fù)反饋，若反饋 信號與系統(tǒng)給定值信號 相反 ，則稱為負(fù)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(fù)反饋，又稱負(fù)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(jié)構(gòu)要簡單得多，同時(shí)也比較經(jīng)濟(jì)。機(jī)器人通過由軟件或者硬件構(gòu)造的控制系統(tǒng) 實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。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(xiàng)目為迷宮探路，從起點(diǎn)到終點(diǎn)以最短的路線、最短時(shí)間到達(dá)者為優(yōu)勝。此算法能夠快速、準(zhǔn)確的得出未知物體的形狀。當(dāng)障礙物的距離在緊急距離之內(nèi)時(shí)候，機(jī)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(jǐn)慎地行走，且能自主判斷出前進(jìn)道路上的障礙物，并通過實(shí)時(shí)重規(guī)劃來作出后面行動(dòng)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(biāo)點(diǎn)指向機(jī)器人當(dāng)前位置的路徑，并在機(jī)器人向目標(biāo)運(yùn)動(dòng)過程中根據(jù)局部環(huán)境的更新信息來實(shí)時(shí)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(xì)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(gè)特征輔助規(guī)劃與 全局規(guī)劃結(jié)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(dòng)機(jī)器人按照某一性能指標(biāo) (如距離、時(shí)間、能量等 )搜索一條從起始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)的最優(yōu)或次優(yōu)路徑。 移動(dòng)機(jī)器人隨其應(yīng)用環(huán)境和移動(dòng)方式的不同，研究內(nèi)容也有很大差別。機(jī)器人被廣泛地用于制造業(yè)，而且，在強(qiáng)調(diào)最小維護(hù)需求的空間探索中，使用機(jī)器人更具有吸引力。 在制造業(yè)領(lǐng)域，機(jī)器人的開發(fā)集中在執(zhí)行制造過程的工程機(jī)器人手臂上?！?[43] 機(jī)器人能力的 評價(jià) 標(biāo)準(zhǔn)包括：智能，感覺和感知，包括 記憶 、 運(yùn)算 、 比較 、鑒別、判斷、決策、學(xué)習(xí)和 邏輯推理 等；機(jī)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(yùn)行能力、 可靠性 、聯(lián)用性、 壽命 等。這個(gè)詞是由劇作家 Karel Capek 引入的，他虛構(gòu)創(chuàng)作的機(jī)器人很像 Frankenstein 博士的怪物 － 由化學(xué)和生物學(xué)方法而不是機(jī)械方法創(chuàng)造的生物。 圖 2 機(jī)器鼠傳感器布置 行為的設(shè)計(jì)與機(jī)器人的能力密切相關(guān) ， 機(jī)器人的硬件限制了機(jī)器人的某些行為的能力 ， 根據(jù) 機(jī)器鼠 的 比賽任務(wù) ， 對 機(jī)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(qiáng)。 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(jié)構(gòu) [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(shè)計(jì)自主機(jī)器人的技術(shù)， 也是本文所重點(diǎn)研究的目標(biāo)。目前國內(nèi)外對吸塵機(jī)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(jìn)，會(huì)具有很大的市場潛力，并且 具有一定 的學(xué)術(shù)價(jià)值。 論文（設(shè)計(jì)）作者簽名： 日期： 年 月 日 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）版權(quán)使用授權(quán)書 本畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）作者同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文（設(shè)計(jì)）的 復(fù)印件和電子版，允許論文（設(shè)計(jì)）被查閱和借閱。 論文（設(shè)計(jì)）作者簽名： 日期： 年 月 日 指 導(dǎo) 教 師 簽 名： 日期： 年 月 日 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論 文 ) 第 Ⅲ 頁 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書 班 級 20xx 級機(jī)械一班 學(xué)生姓名 謝群 學(xué) 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(shè)計(jì)的自主式小型移動(dòng)機(jī)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(dú)立 設(shè)計(jì) 并 制作的 基于行為設(shè)計(jì)的 機(jī)器鼠 ，這個(gè)機(jī)器鼠的設(shè)計(jì)制作的主要目的是對基于行為的機(jī)器人算法的驗(yàn)證和試驗(yàn)。 學(xué)生應(yīng)完成的任務(wù) 機(jī)器 鼠 的 總體設(shè)計(jì)、路徑 設(shè)計(jì) 及機(jī)器鼠 的總調(diào)試 機(jī)器鼠的機(jī)械部分 設(shè)計(jì) 并加工組裝 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路板的設(shè)計(jì)、調(diào)試 51 單片機(jī) 控制 系統(tǒng)的硬件接線及軟件程序 設(shè)計(jì) 、調(diào)試 51 單片機(jī) 控制流程 圖 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片電路圖 一種自動(dòng)吸塵機(jī)器人的機(jī)械底盤設(shè)計(jì)建模，運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算