【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 控制，是機(jī)器人進(jìn)行手動(dòng)巡視。寧波大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 2 室內(nèi)巡視機(jī)器人 設(shè)計(jì) 的總體方案 研究任務(wù) 本文的研究任務(wù)主要為機(jī)器人的自動(dòng)巡視和手動(dòng)控制巡視兩部分，其中包括路徑規(guī)劃，避障，實(shí)時(shí)圖像顯示等內(nèi)容。 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(jì)要求，是機(jī)器人在室內(nèi)的巡視效果到達(dá)最佳。 仿真 機(jī)器人的 組成 本次研究中所使用的 仿真 機(jī)器人是采用輪式結(jié)構(gòu)，由 2 個(gè)驅(qū)動(dòng)輪和一個(gè)輔助輪組成，此外還安裝有激光傳感器，攝像頭。 激光傳感器 本文中 所用的 仿真 激光傳感器是 按照 德國(guó) SICK 公司生產(chǎn)的 LMS200 設(shè)計(jì)的 ，它的掃描范圍最大可以到達(dá) 8m，掃描角度為 180176。，而將這個(gè) 180176。的半圓分成 0~360 共 361 份，其角度分辨率為 176。一份。如圖 所示。 圖 激光傳感器掃描范圍示意圖 攝像頭 本文中 所用的 仿真 攝像頭是按照日本 SANYO 公司生產(chǎn)的 CCD 設(shè)計(jì)的，它主要將機(jī)器人在室內(nèi)巡視時(shí)所到的地方的圖像顯示在窗口中，便于我們觀察，有利于我們對(duì)室內(nèi)的一切狀況進(jìn)行 實(shí)時(shí)的監(jiān)控。一旦遇到什么情況，我們可以第一時(shí)間知道并及時(shí)的做出相應(yīng)的正確的反應(yīng)。 寧波大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 差分驅(qū)動(dòng)輪 本次研究中 所使用的 仿真 機(jī)器人是采用輪式結(jié)構(gòu)，由 2 個(gè)驅(qū)動(dòng)輪和一個(gè)輔助輪組成。 因此機(jī)器人所能完成的動(dòng)作主要通過對(duì) 仿真 機(jī)器人左右輪的不同控制來實(shí)現(xiàn)的 ， 現(xiàn)在我們分別設(shè)仿真機(jī)器人的左輪子的速度為 1v ，右輪子的速度為 rv ， 如圖 所示 。 圖 機(jī)器人平面圖 接下來，我們 對(duì)二 輪 差分輪式移動(dòng)機(jī)器人 進(jìn)行 相關(guān)的 分析 ， 現(xiàn)在 分別設(shè)仿真機(jī) 器人的左輪子的速度為 1v ，右輪子的速度為 rv 。 圖 機(jī)器人位置和姿勢(shì) 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(jì)（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 。 根據(jù)圖 ， 機(jī)器人的位置和姿勢(shì)的表達(dá)形式 為 ( x ， y ， θ ) ， 其中 ( x ， y) 為 機(jī)器人重心到坐標(biāo)軸邊界的距離 ， θ 為機(jī)器人 與坐標(biāo)軸 X的夾角 ， 則 x= cosy= sin=??????????????? （ 22） 式 （ 22） 說明，我們可以講對(duì)機(jī)器人線速度和角速度的控制轉(zhuǎn)化對(duì)機(jī)器人左右輪子的速度的控制。 現(xiàn)在我們重新來 定義 一個(gè)新的函數(shù)關(guān)系式 d =f (x ， y) ， 其中 (x ， y)為 仿真 機(jī)器人 此時(shí)此刻所處的地理 位置 ， 而 f ( x ， y)= 0為 我們期望機(jī)器人所做的運(yùn)動(dòng)軌跡 ， 則 x y x2 2 2 2 2x x y y x y y x2 2 2 2 2x x y y x yy y x yd = f x + f y = f c o s sind = f c o s f sin 2 f c o s sin f c o s f sinf c o s f sin 2 f c o s sin== f c o s f sin? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ????? ? ???? ???? ? ? ???? ? ??? ?? ???（）（ ） （ 23） 式中 ， ? 為 我們剛剛設(shè)的控制變量 。 由式 （ 23） 得 : d=??? 室內(nèi)巡視機(jī)器 人的 開發(fā)環(huán)境 仿真環(huán)境 Microsoft Robotics Developer Studio 20xx R3 本文所采用的仿真環(huán)境是 Microsoft Robotics Developer Studio 20xx R3， 微軟機(jī)器人 的 通用開發(fā)平臺(tái) Robotics Developer Studio 20xx 第三個(gè)版本 R3 版本 ，簡(jiǎn)稱 RDS 20xx R3。 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(gè) 平臺(tái)， 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(tái)，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。 寧波大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 編程環(huán)境 visual studio 20xx 本文所采用的仿真環(huán)境是 Microsoft Visual Studio， 是面向 Windows Vista、 Office 20xx、Web 的開發(fā)工具 。 VS20xx 引入了 250 個(gè)新特性，整合了對(duì)象、關(guān)系型數(shù)據(jù)、 XML 訪問方式，語言更加簡(jiǎn)潔。這個(gè)版本包含了 眾多 版本，分別面向不同的開發(fā)角色。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。 使用 Visual Studio 20xx 可以高效 地 開發(fā) Windows 應(yīng)用程序 ， 可以實(shí)時(shí)反映變更，智能感知功能可以提高開發(fā)效率。同時(shí) Visual Studio 20xx 支持項(xiàng)目模板、部署程序 和 調(diào)試器。 仿真機(jī)器人的總體巡視方案 總體巡視方案 室內(nèi)巡視機(jī)器人的總體巡視方案結(jié)構(gòu)框圖如 所示。 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(shí)監(jiān)控，手動(dòng)控制。 圖 總體巡視方案結(jié)構(gòu)框圖 傳感器數(shù)據(jù)接口 激光傳感器、攝像頭數(shù)據(jù)的接口，它主要是將采集到激光傳感器、攝像頭的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的傳送到機(jī)器人。機(jī)器人，巡視的主體，它將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后根據(jù)程序做出相應(yīng)的正確的動(dòng)作，使其能夠順利的進(jìn)行巡視。 寧波大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 避障 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。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(gè)避障的控制程序，即當(dāng)激光檢測(cè)到的前方障礙物距離小于 500，就轉(zhuǎn)個(gè)方向。 路徑規(guī)劃 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) 。 它所要達(dá)到的目的是使機(jī)器人 在存在障礙物的環(huán)境中， 按照 一定的標(biāo)準(zhǔn) ， 尋找到 一條從 起點(diǎn) 到 終點(diǎn) 的最優(yōu)或近似最優(yōu)的無障礙路徑 。 這里我們可以根據(jù)獲得的傳感器信息 ，即障礙物的尺寸、形狀和位置等信息 ，然后對(duì)這些信息進(jìn)行處理，并根據(jù)所要到達(dá)的效果來設(shè)計(jì)一條最合適的路徑 。 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 。 實(shí)時(shí)監(jiān)控 實(shí)時(shí)監(jiān)控， 它主要將機(jī)器人在室內(nèi)巡視時(shí)所到的地方的圖像顯示在窗口中，便于我們觀察，有利于我們對(duì)室內(nèi)的一切狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控。一旦遇到什么情況，我們可以 第一時(shí)間知道并及時(shí)的做出相應(yīng)的正確的反應(yīng)。 手動(dòng)控制 手動(dòng)控制， 雖然自動(dòng)巡視具有很多的優(yōu)點(diǎn)，如方便，快捷，自主等，但是也有些不足，比如操作不靈活，功能單一等。為此我們專門引入了手動(dòng)控制器來增加操作的靈活性和多樣化的功能。 我們 設(shè)計(jì)出一個(gè) 可視化 的 操作界面 來 介入機(jī)器人 的 仿真過程，譬如啟動(dòng) /暫停仿真， 自動(dòng) /手動(dòng)的切換， 手工設(shè)置機(jī)器人的速度和 前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等 。 寧波大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 3 仿真 機(jī)器人巡視算法 及 實(shí)現(xiàn) 仿真環(huán)境建立及編程調(diào)試 仿真環(huán)境建立 首先啟動(dòng) Microsoft Visual Simulation Environment 20xx 仿真軟件， 選擇軟件自帶的Apartment Environment 場(chǎng)景， 然后在場(chǎng)景中添加一 個(gè)差分驅(qū)動(dòng)輪機(jī)器人，并且 機(jī)器人上添加攝像頭、激光傳感器 。如下圖： 圖 仿真環(huán)境 控制程序的編寫 首先打 開 Visual C 20xx，新建一個(gè)項(xiàng)目，選擇 Microsoft Robotics 的 DSS Service 模板，如下圖，名稱命名為 zmh： 寧波大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 圖 新建 DSS 模板 點(diǎn)擊“確定”后，出現(xiàn)如下選項(xiàng)： （如圖 所示） 圖 選項(xiàng)卡 寧波大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 點(diǎn)擊“ Partners”選項(xiàng)卡，選擇希望添加的合作關(guān)系，然后點(diǎn)擊“ Add as Partner”按鈕。我們?cè)诜抡姝h(huán)境中使用了差分驅(qū)動(dòng)輪，激光， Web 攝像頭。因此，總共需要添加四個(gè) Partner：Simulation Engine, Simulated Generic Differential Driver, Simulated Laser Range Finder, Simulated Webcam。然后點(diǎn)擊“ OK”后即可根據(jù)選項(xiàng)自動(dòng)創(chuàng)建項(xiàng)目文件。 總的控制步驟可以概括如下：機(jī)器人從 激光 傳感器 獲得數(shù)據(jù)→進(jìn)行運(yùn)算→輸出控制命令。 避障 獲取激光數(shù)據(jù) 對(duì)于一個(gè)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。為了獲取激光數(shù)據(jù)，我們?nèi)ヒ蚣す鈧鞲衅靼l(fā)送一個(gè) Get 消息，等待其返回后即可得到激光傳感器數(shù)據(jù)了。 因此 定義一個(gè)更新激光數(shù)據(jù)的任務(wù)函數(shù)： 圖 獲取激光數(shù)據(jù)程序 為了使 UpdateLaser 任務(wù)不斷地重復(fù)執(zhí)行， 我們定義一個(gè)計(jì)數(shù)器消息端口，延時(shí)一定時(shí)間后就執(zhí)行 UpdateLaser 任務(wù)。 zmhService 類中定義一個(gè)時(shí)間端口： 圖 定義時(shí)間端口程序 在類方法 Start 中，啟動(dòng)計(jì)時(shí)器： IEnumeratorITask UpdateLaser(DateTime dateTime) { var sensorOrFault = ()。 yield return ()。 if (!HasError(sensorOrFault)) { sensorState = ()sensorOrFault。 //激光數(shù)據(jù)放在 sensorState的 DistanceMeasurements屬性中。 } Activate((false, _dateTimePort, UpdateLaser))。 ((60), _dateTimePort)。 yield break。 } PortDateTime _dateTimePort = new PortDateTime()。 寧波大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 圖 啟動(dòng)計(jì)時(shí)器程序 第一句告訴 DSS，當(dāng) _dateTimePort 消息來時(shí)，執(zhí)行 UpdateLaser 任務(wù)，第一個(gè)參數(shù) false表示只執(zhí)行一次。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)。 第二句啟動(dòng)一個(gè)延時(shí)計(jì)數(shù)，當(dāng)經(jīng)過 600 毫秒后，就往 _dateTimePort 發(fā)送一個(gè)消息。這樣當(dāng) 600 毫秒之后，就會(huì)執(zhí)行 UpdateLaser 任務(wù)。 這樣只能執(zhí)行一次，為了使 UpdateLaser 任務(wù)不斷重復(fù)執(zhí)行，我們?cè)?UpdateLaser 任務(wù)函數(shù)的結(jié)尾再加上上述兩句，這樣的話 UpdateLaser 就能不斷地重復(fù)了。 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。 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(gè)避障的控制程序，即當(dāng)激光檢測(cè)到的前方障礙物距離小于 500mm，就轉(zhuǎn)個(gè)方向。又因?yàn)榧す鈹?shù)據(jù)是180176。 范圍的，我們?nèi)≈虚g的 60176。 作為障礙判斷依據(jù)， 如圖 所示。 為了更好的實(shí)現(xiàn)避障功能，使避障時(shí)機(jī)器