機器人畢業(yè)論文開題報告

　　一．設(shè)計目的及意義

　　隨著計算機、網(wǎng)絡(luò)、機械電子、信息、自動化以及人工智能等技術(shù)的飛速發(fā)展，移動機器人的研究進入了一個嶄新的階段。同時，太空資源、海洋資源的開發(fā)與利用為移動機器人的發(fā)展提供了廣闊的空間。目前，智能移動機器人，無人自主車等領(lǐng)域的研究進入了應用的階段，隨著研究的深入，對移動機器人的自主導航能力，動態(tài)避障策略，壁障時間等方面提出了更高的要求。地面智能機器人路徑規(guī)劃，是行駛在復雜動態(tài)自然環(huán)境中的全自主機器人系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，而地面智能機器人全地域全自主技術(shù)的研究，是當今國內(nèi)外學術(shù)界面臨的挑戰(zhàn)性問題。

　　移動機器人是一類能夠通過傳感器感知環(huán)境和自身狀態(tài)，實現(xiàn)在有障礙物的環(huán)境中面向目標自主運動，從而完成一定功能的機器人系統(tǒng)。理想的自主移動機器人可以不需人的干預在各種環(huán)境中自主完成規(guī)定任務，具有較高的智能水平，但目前全自主的移動機器人還大多處于實驗階段，進入實用的多為自主移動機器人，通過人的干預在特定環(huán)境中執(zhí)行各種任務，而遙控機器人則完全離不開人的干預。

　　智能移動機器人是一類能夠通過傳感器、感知環(huán)境和自身狀態(tài)，實現(xiàn)在有障礙物的環(huán)境中面向目標自主運動，從而完成一定功能的機器人系統(tǒng)。移動機器人技術(shù)研究綜合了路徑規(guī)劃、導航定位、路徑跟蹤與運動控制等技術(shù)。涉及包括距離探測、視頻采集、溫濕度以及聲光等多種外部傳感器，作為移動機器人的輸入信息。移動機器人的運動控制主要是完成移動機器人的運動平臺，提供一種移動機器人的控制方式。性能良好的移動機器人運動控制系統(tǒng)是移動機器人運行的基礎(chǔ)，能夠服務于移動機器人研究的通用開發(fā)平臺。

　　隨著移動機器人技術(shù)的發(fā)展及其在工業(yè)軍事等領(lǐng)域中的廣泛應用，有關(guān)移動機器人的理論設(shè)計制造和應用的新的技術(shù)學科——機器人學，已經(jīng)逐漸形成，并越來越引起人們廣泛的關(guān)注。機器人學是一門綜合性很強的學科，它涉及現(xiàn)代控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、計算機系統(tǒng)和人工智能等多門學科．但是它又有自身的系統(tǒng)性和專業(yè)性。內(nèi)容極為豐富、廣泛，其中專業(yè)性比較強的有機器人動力學和運動學、機器人軌跡規(guī)劃和運動控制、機器人的傳感技術(shù)、機器人的編程語言、機器人的智能和任務規(guī)劃等。其中機器人的運動控制是實現(xiàn)機器人航跡控制的關(guān)鍵。

　　運動控制是移動機器人的執(zhí)行機構(gòu)，對機器人的平穩(wěn)運行起著重要作用。隨著新的智能控制算法的不斷涌現(xiàn)，移動機器人正向著智能化方向發(fā)展，這就對運動控制系統(tǒng)性能提出了更高的要求。設(shè)計實現(xiàn)智能移動機器人的控制系統(tǒng)，能夠熟悉移動機器人硬件和軟件的開發(fā)，掌握移動機器人的運動控制特性，為后續(xù)的移動機器人的功能擴展搭建一個可行、穩(wěn)定的平臺，而這個平臺則可以成為多種機器人開發(fā)的公共基礎(chǔ)平臺。實現(xiàn)智能移動機器人控制系統(tǒng)的開發(fā)具有一定的現(xiàn)實意義，將為以后的移動機器人開發(fā)奠定堅實基礎(chǔ)。

　　二．國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

　　移動機器人的研究始于60年代末期斯坦福研究院（SRI）的Nils Nilssen和Charles Roesn等人，在1966年至1972年中研制出了自主移動機器人Shakey。

　　70年代末，移動機器人研究又出現(xiàn)了新的高潮，特別是80年代中期以來，設(shè)計和制造機器人的浪潮席卷全世界。一大批世界著名的公司，如美國通用電氣、日本本田、索尼等開始研制移動機器人平臺，這些促進了移動機器人學多種研究方向的出現(xiàn)。例如，輪式移動機器人的代表作有：Smart Robots公司推出的新型基于Linux的移動機器人SR4；美國Activmedia Boties公司用于教學的P3-Dx輪式移動機器人；卡內(nèi)基梅隆研發(fā)的Nomad移動機器人；美國國家航天航空局聞名遐邇的火星登陸車“勇氣號”等。

　　我國的機器人學研究起步較晚，但進步較快，已在工業(yè)機器人特種機器人和智能機器人各個方面都取得了顯著成績。在“七五“期間，完成了示教再現(xiàn)工業(yè)機器聲成套技術(shù)。為了跟蹤國外搞技術(shù)，80年代國家高技術(shù)計劃中安排了智能機器人的研究

　　開發(fā)，包括水下無纜機器人高功能裝配機器人和多種特種機器人。進行了智能機器人體系結(jié)構(gòu)、機構(gòu)、控制、人工智能、機器視覺，高性能傳感器及新材料的應用研究，取得了大量成果。其中，輪式移動機器人的研究也碩果累累。

　　國內(nèi)研究輪式移動機器人的科研單位及公司主要有研制能力風暴的as-r機器人的上海廣茂達伙伴機器人有限公司；研制的casia-i自主移動機器人的中科院自動化所；研制“青青”輪式移動機器人的哈爾濱工業(yè)大學，研制“小蜘蛛”輪式移動機器人登月車的上海交大等。

　　當前，移動機器人技術(shù)的研究與發(fā)展的趨勢包括有：機器人機構(gòu)導航定位路徑規(guī)劃傳感器信息融合技術(shù)智能技術(shù)移動機器人傳感器技術(shù)等研究。

　　我國自“八五”期間開始進入這一研究領(lǐng)域，并在國家863計劃中予以重點支持。較為全面對路徑規(guī)劃、視覺導航、信息融合、自動駕駛等一些基本的智能機器人技術(shù)做了探索，所形成的一些關(guān)鍵技術(shù)成果也在其他領(lǐng)域得到應用。我國在機器人技術(shù)與自動化工藝裝備等方面已經(jīng)取得了突破性進展，縮短了同發(fā)達國家的差距，但是在機器人的核心及關(guān)鍵技術(shù)的原創(chuàng)性研究、高性能關(guān)鍵工藝裝備的自主設(shè)計和制造能力、高可靠性基礎(chǔ)功能部件的批量生產(chǎn)應用方面，同發(fā)達國家相比，我國仍存在較大差距。

　　三．課題任務、重點內(nèi)容、實現(xiàn)途徑

　　通過對各項機器人技術(shù)的研究與分析，設(shè)計了滿足教學實驗要求的智能移動機器人系統(tǒng)，完成機器人車體結(jié)構(gòu)、傳感系統(tǒng)、運動執(zhí)行系統(tǒng)、通信系統(tǒng)的功能設(shè)計和模塊化實現(xiàn)，以及機器人系統(tǒng)工程的整體設(shè)計，并著重研究嵌入式控制系統(tǒng)的軟硬件系統(tǒng)設(shè)計。需完成移動機器人的結(jié)構(gòu)圖紙1份、智能移動機器人原理分析、硬件設(shè)計并編寫相關(guān)程序。

　　本課題采用通用單片機實現(xiàn)輪式移動機器人電機驅(qū)動和閉環(huán)調(diào)速。實現(xiàn)基于渡越時間法的超聲波測距模塊設(shè)計，為機器人提供簡單方便的障礙物距離檢驗。ＤＳＰ實時監(jiān)測驅(qū)動電動機的正交編碼脈沖實現(xiàn)移動機器人的運動學定位，作為機器人一種比較粗略的定位方式，可以作為后續(xù)高精度定位方式的補充。使用模糊控制實現(xiàn)移動機器人路徑跟蹤控制，利用MATLAB的模糊控制工具箱實現(xiàn)路徑跟蹤控制決策，完成移動機器人的路徑跟蹤。最后，論文設(shè)計的移動機器人運行平穩(wěn)，控制簡單。路徑跟蹤控制規(guī)則能夠使機器人較好的跟蹤已知路徑�？梢宰鳛楹唵蔚囊苿訖C器人實驗平臺使用。

　　本課題的重點內(nèi)容是嵌入式操作系統(tǒng)，智能輪式移動機器人是一個典型的實時多任務系統(tǒng)，傳統(tǒng)單任務順序執(zhí)行機制不能滿足該系統(tǒng)設(shè)計的'實時性要求，而且對于復雜系統(tǒng)來說可靠性不高，因此選用實時操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ。它是一個源碼公開，可移植，可固化，可裁剪的嵌入式操作系統(tǒng)，具有代碼尺寸小，可占用實時內(nèi)核，任務多，可確定執(zhí)行時間，運行穩(wěn)定可靠等特點。將μC／OS-Ⅱ移植到S3C44B0X上，并對操作系統(tǒng)進行裁剪，以節(jié)省存儲空間。

　　基于實時內(nèi)核的多任務系統(tǒng)可劃分為系統(tǒng)層和應用層。系統(tǒng)層由內(nèi)核和驅(qū)動程序庫組成；應用層包括用于達成機器人任務目標的全部代碼。在該系統(tǒng)軟件應用層程序設(shè)計中，將機器人的任務分解成通信、信息采集、電機控制等多個用戶任務。嵌入式操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ?qū)θ蝿漳�塊進行管理調(diào)度，協(xié)調(diào)機器人各項任務運行，保證了系統(tǒng)的實時性和可靠性。

　　移動機器人控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)的主要內(nèi)容有底層系統(tǒng)設(shè)計和控制系統(tǒng)的實現(xiàn)：

　�。�1）移動機器人底層系統(tǒng)設(shè)計：移動機器人的底層系統(tǒng)設(shè)計包括移動機器人的控制電路設(shè)計、電機驅(qū)動電路設(shè)計和超聲波測距電路設(shè)計。底層設(shè)計涉及到的軟件算法包括電機驅(qū)動和速度閉環(huán)、電機碼盤的機器人定位、超聲波測距等。

　�。�2）移動機器人的控制系統(tǒng)的實現(xiàn)：移動機器人控制系統(tǒng)的主要內(nèi)容是生成機器人的運動控制信息，控制機器人的運動。軌跡跟蹤是移動機器人需要完成的任務之一，其典型工作過程為機器人運動。軌跡跟蹤是移動機器人需要完成的任務之一，其典型工作過程為機器人完成相應的移動，完成規(guī)劃路徑的跟蹤。運動控制過程中用到的輸入信息包括底層超聲波測距模塊提供的障礙物距離信息，電機碼盤提供的機器人的位置、速度信息，以及全景攝像機、單目視覺攝像機采集并經(jīng)過處理后的視頻信息等。

　　四．完成本課題所需工作條件（如工具書、計算機、實驗、調(diào)研等）及解決辦法

　　智能移動機器人集成了機械、電子、計算機、自動控制、人工智能等多學科的研究成果，在當前機器人研究領(lǐng)域具有突出地位�？刂葡到y(tǒng)是機器人的核心部分，所以完成本課題的條件之一就是對控制系統(tǒng)方面有很好的知識并且能受到指導老師的指導。

　　需要我們的計算機安裝ＭＡＴＬＡＢ仿真軟件、ＰＲＯＴＥＬ、ＳＯＬＩＤＷＯＲＫＳ等軟件。需要用到的參考書有：

　　[1] 王耀南.機器人智能控制工程[M].北京：科學出版社，2004

　　[2] 郭洪紅.工業(yè)機器人技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學出版社，2006

　　[3] 熊有倫.機器人技術(shù)基礎(chǔ)[M].武漢：華中科技大學出版社，1996

　　[4] 吳宗澤.機械設(shè)計實用手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，1999，2006(2)

　　[5] 張毅.移動機器人技術(shù)及其應用[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2007

　　[6]宋伯生.PLC 編程實用指南[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007

　　[7] 金波斯科，黃心漢.基于傳感器和模糊規(guī)則的機器人在動態(tài)障礙環(huán)境中的智能運動控制[J].控制理論與應用，2000，6：819~825.

　　[8] 王沫南，孟慶鑫.步行機器人控制方案及單足控制實驗研究[J].林業(yè)機械與木工設(shè)備，2003，5：10~14.

　　[9] 包明，包奎.基于FPGA的搬運機器人的控制系統(tǒng)[J].集成電路應用，2004，12：59~61.

　　[10] 張汝波，周寧.基于強化學習的智能機器人避碰方法研究[J].機器人.1999.