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1、西 南 交 通 大 学本科毕业设计（论文）基于行为设计的自主式小型移动机器人系统研究年 级: 2003级学 号: 20030718姓 名: 专 业: 机电一体化指导老师: 2007年 6月 院 系 机械工程学院 专 业 机械电子工程 年 级 2003级 姓 名 谢群 题 目 基于行为设计的自主式小型移动机器人系统研究 指导教师评 语 指导教师 (签章)评 阅 人评 语 评 阅 人 (签章)成 绩 答辩委员会主任 (签章) 年 月 日毕业设计（论文）任务书班 级 2003级机械一班 学生姓名 谢群 学 号 20030718 发题日期： 2007年 月 日 完成日期： 2007年 月 日题 目 基
2、于行为设计的自主式小型移动机器人系统研究 1、本论文的目的、意义 本篇论文主要介绍了我独立设计并制作的基于行为设计的机器鼠，这个机器鼠的设计制作的主要目的是对基于行为的机器人算法的验证和试验。基于行为的方法在中智能家庭等商业领域受到了许多研究人员的青睐，IRobot公司成功地研制出Roomba家庭式自动地板吸尘除菌机器人，将基于行为的思想引入机器人的作业规划中，提高了规划的效率和对环境的适应度，具有良好的应用前景。在机器鼠设计过程中，依照基于行为的设计方法，对机器鼠的环境、行为和执行任务进行分析和重构，以此对传感器的布局，机械结构和程序流程进行了理论分析设计。在周伦老师的支持和指导下，完成了实
3、物制作（包括电路板设计制作和机械加工）。在机器鼠控制系统的基础上，提出了一种吸尘机器人机械底盘设计方案，结合控制系统初步可以完成室内吸尘任务的要求：能够按照预先设定的算法，自动按照一定的路径行驶，行驶过程中可以自动的识别并绕开障碍物，达到对房间进行无人自动吸尘的目的。目前国内外对吸尘机器人的研究，仅处于刚起步阶段，国内还没有此类产品推出，如果能够继续改进，会具有很大的市场潜力，并且具有一定的学术价值。通过对AT89S52单片机系统的设计调试，对如何组建单片机系统有了深刻的了解；通过对步进电机驱动电路的设计调试，熟悉了PCB的设计流程，增强了数字电路方面的知识。最重要的是，通过这次设计并制作出实
4、物，自己的实际动手能力得到了很大的增强。 2、学生应完成的任务 机器鼠的总体设计、路径设计及机器鼠的总调试 机器鼠的机械部分设计并加工组装 步进电动机驱动电路板的设计、调试 51单片机控制系统的硬件接线及软件程序设计、调试 51单片机控制流程图 步进电机驱动芯片电路图 一种自动吸尘机器人的机械底盘设计建模，运动学计算 AT89S52单片机外围硬件接线图 外文资料翻译 设计、计算说明书 3、论文各部分内容及时间分配：（共 12 周）第一部分 实习 (1周) 第二部分 收集资料、进行市场调查、完成总体设计 (3周) 第三部分 进行详细方案设计、完成控制系统、电路板的调试及机械零件的加工(4周)第四
5、部分 完成机器人的总装及功能调试 (2周) 第五部分 外文翻译以及设计说明书 (2周)评阅及答辩 ( 周)备 注 指导教师： 年 月 日审 批 人： 年 月 日摘 要移动机器人是近年来发展起来的一门综合学科，集中了机械、电子、计算机、自动控制以及人工智能等多学科最新研究成果，代表了机电一体化的最高成就。移动机器人在工业生产中常用来完成运输和上下料等任务，同时也被广泛用于农业、医疗等不同行业。在移动机器人相关技术研究中，路径规划技术是一个重要研究领域17。本文首先初步讨论总结了目前主要的路径规划技术。从基于事例、基于环境模型和基于行为三个方面全面而系统地综述了移动机器人路径规划技术的研究现状，对
6、于目前普遍采用的路径规划方法及其实际应用情况进行了较为详细介绍和分析。基于行为的方法是由MIT的Brooks在他著名的包容式结构42中建立，它是一门从生物系统得到启发而产生的用来设计自主机器人的技术，也是本文所重点研究的目标。它采用类似动物进化的自底向上的原理体系，尝试从简单的智能体来建立一个复杂的系统。将其用于解决移动机器人路径规划问题是一种新的发展趋势，它把导航问题分解为许多相对独立的行为单元，比如跟踪、避碰、目标制导等。这些行为单元是一些由传感器和执行器组成的完整的运动控制单元，具有相应的导航功能，各行为单元所采用的行为方式各不相同，这些单元通过相互协调工作来完成导航任务。基于行为的机器
7、人学反对抽象的定义, 因此采用场景化、具体化的解释更适合该领域的哲学思想。基于行为的机器人学的重要研究内容是系统结构而不是算法, 基于行为设计的机器人在非结构化动态环境中的性能非常优越，用基于符号的机器人学设计的类似的机器人无法达到如下性能:a. 高速度,高灵活性。在动态复杂环境中的移动速度很快。b. 高鲁棒性。 可以承受局部损坏。 c. 高效性。 软件代码可以是传统的几百分之一,硬件可以是传统的几十分之一。 d. 经济性。价格是传统的十几分之一。 e. 可扩展性。很少改变原有系统便可增加性能。f. 可靠性。分布式自组织并行工作,可靠性强。为进一步研究基于行为的规划方法，而引入一个真实环境及任
8、务模型，即IEEE每年举办的微型机器鼠比赛，通过设计基于行为的机器鼠模型论证该算法的可行性。此项比赛要求机器人能够自主在未知环境中完成迷宫穿越的任务。针对机器鼠比赛项目的环境模型未知或不确定，以及该机器人本身的某些限制, 采用基于行为的研究方法, 实现了自行设计的自主式小型移动机器人在未知、动态环境中的自动避障。通过对机器鼠所运行的环境建模，根据基于行为的方法对机器鼠的执行任务、沿墙行走、判断障碍旋转进行分解构建，以及对机器鼠传感器布置及机械平台设计进行理论分析。本文所研究的自主式微小型移动机器人个体是自行搭建的机器鼠实物平台, 它由两步进电机驱动, 其外形如图1所示。在机器鼠正向和侧向共有3
9、个漫反射式红外线光电传感器, 距离为10cm 20cm ,两个碰撞开关，传感器位置布置如图2所示，当传感器前方有障碍物时, 传感器的输出为1, 否则为0。 图1 机器鼠外形照片采用了ATMEL公司的AT89S52单片机控制，小型四相步进电机及专用的PMM8713步进电机驱动方案，红外接近开关作为主要传感器，差动式底盘结构，初步实现针对微型机器鼠竞赛的自主移动小车的设计。图2 机器鼠传感器布置行为的设计与机器人的能力密切相关，机器人的硬件限制了机器人的某些行为的能力，根据机器鼠的比赛任务，对机器鼠的行为中作如图3分解。图3 机器鼠的基本行为组件机器鼠的设计是对基于行为的规划方法的一种验证设计，这
10、种算法正广泛应用于家庭服务类机器人，最典型的实例是自主吸尘机器人。在机器鼠传感和控制系统的基础上，本文进一步针对自主吸尘机器人提出一种机械底盘设计方案，使机器鼠的实用意义得以提升。关键词：移动机器人；路径规划；单片机控制步进电机驱动；红外接近开关传感器；自主吸尘机器人AbstractThe Mobile Robert is a recently developing synthetic discipline which represents mechanical-electrical integration and centralizes the latest research of mech
11、anics, electronics, computer, auto-control artificial intelligence, etc. In production industries the robot is used to transport and load-unload meanwhile it also widely used in others, like agriculture, medicine, and so on. In the relevant researches, the technology of it is a very important field.
12、 Firstly this paper make a summary of current technologies of path planning preliminarily, and then from case-based environment model-based and behavior-based aspects, make a summary of the recent situation mobile robots path planning researches comprehensively and systematically. Finally introduces
13、 and analyzes the commonly used methods and their applications.Because of the uncertain and dynamic the environment models and the limitation of the robotic mice, we choose the method of adopting behavior-based. The self-designed autonomous navigation of mobile robot avoiding obstacles automatically
14、 can be realized. Though modeling for the circulating-circumstance of robotic mice, its tasks performing, along wall walking and obstacle-rotating judging are analyzed and constructed according to the behavior-based method as well as the arrangement of robotic mices sensor and the design of mechanic
15、al platform.We have built the platform of practicality for the robotic mice. The AT89S52 single-chip controlling also miniature four phase stepper motor and circuit of step motor driving program are adopted, with infrared remote control switch controller as the major sensor and differential chassis
16、structure. Therefore, the design of autonomous navigation of mobile vehicle aimed at the miniature robotic mice contest will be achieved. Use limited funds to make a simple carriage, build an experimental electric circuit, draw and print the circuit board and accomplish the assembling and debugging
17、work.The design of robotic mice is a validation for behavior-based method. The computational algorithm is widely used in household services robots and the typical form is autonomous cleaning robots. On the ground of robotic mice sensor and control system, the thesis further put forwards a mechanical
18、 chassis design, accomplish CAD modeling calculate and analyze in terms of autonomous cleaning robots. Key word: Mobile robot;Path planning;Singlechip-controlling drive circuit of step motor;Infrared remote control switch controller;Autonomous cleaning robots目 录第1章 绪论1第2章 移动机器人路径规划方法的分类及现状52.1 基于事例的
19、学习规划方法52.2 基于环境模型的规划方法62.3 基于行为的结构7第3章 自主式小型移动机器人设计任务及方案分析103.1 微型鼠竞赛介绍103.2 设计任务分解113.3 机器鼠任务分析及基于行为设计123.3.1 巡视通道，沿墙行走行为133.3.2 判断通道，触发旋转行为193.3机械平台213.4.1 机器人移动机构方案选择213.4.2 车轮的安装与选择263.4.3 车轮的选择273.5 多传感器的配合使用283.5.1 传感器在机器人学科应用283.5.2 机器人红外传感器303.5.3机器鼠传感器设计方案34第4章 机器鼠四相步进电机及驱动电路设计384.1 步进电机控制概
20、况384.2 反应式步进电动机的结构及工作原理394.3 步进电机功率的确定434.4 驱动电源454.4.1 步进电动机的控制474.4.2 机器鼠所使用的步进电机驱动电路494.5 单片机控制534.6 单片机控制程序流程图64第5章 基于机器鼠控制系统的一种实用自主吸尘机器人机械部分设计695.1差动式车体运动学分析705.2 驱动轮机构组成745.3 随动轮机构组成79结 论81致 谢83参考文献85附录一： C语言单片机控制程序88附录二： PCB印刷图88附录三： 外文翻译88附录四： 实习报告88第1章 绪论“机器人”一词起源于捷克语，意为强迫劳动力或奴隶。这个词是由剧作家 Ka
21、rel Capek 引入的，他虚构创作的机器人很像 Frankenstein 博士的怪物 由化学和生物学方法而不是机械方法创造的生物。但现在流行文化中的机械机器人和这些虚构的生物创作物没有多大区别。欧美国家认为：机器人应该是由计算机控制的通过编排程序具有可以变更的多功能的自动机械，但是日本不同意这种说法。日本人认为“机器人就是任何高级的自动机械”，这就把那种尚需一个人操纵的机械手包括进去了。因此，很多日本人概念中的机器人，并不是欧美人所定义的。 现在，国际上对机器人的概念已经逐渐趋近一致。一般说来，人们都可以接受这种说法，即机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。联合国标准化组织
22、采纳了美国机器人协会给机器人下的定义：“一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。”43 机器人能力的评价标准包括：智能，感觉和感知，包括记忆、运算、比较、鉴别、判断、决策、学习和逻辑推理等；机能，指变通性、通用性或空间占有性等；物理能，指力、速度、连续运行能力、可靠性、联用性、寿命等。因此，可以说机器人是具有生物功能的空间三维坐标机器。 基本上，一个机器人包括：l 机械设备，如可以与周围环境进行交互的车轮平台、手臂或其它构造。 l 设备上或周围的传感器，可以感知周围环境并向设备提供有用的反馈。 l 根据设备当前的情况处理
23、传感输入，并按照情况指示系统执行相应动作的系统。 机器人技术作为20世纪人类最伟大的发明之一，自60年代初问世以来，经历40年的发展已取得长足的进步。工业机器人在经历了诞生成长成熟期后，已成为制造业中不可少的核心装备，世界上有约75万台工业机器人正与工人朋友并肩战斗在各条战线上。特种机器人作为机器人家族的后起之秀，由于其用途广泛而大有后来居上之势，仿人形机器人、农业机器人、服务机器人、水下机器人、医疗机器人、军用机器人、娱乐机器人等各种用途的特种机器人纷纷面世，而且正以飞快的速度向实用化迈进。 在制造业领域，机器人的开发集中在执行制造过程的工程机器人手臂上。在航天工业中，机器人技术集中在高度专
24、业的一种行星漫步者上。不同于一台高度自动化的制造业设备，行星漫步者在月亮黑暗的那一面工作：没有无线电通讯或可能碰到意外的情况。至少，一个行星漫步者必须具备某种传感输入源、某种解释该输入的方法和修改它的行动以响应改变着的世界的方法。此外，对感知和适应一个部分未知的环境的需求需要智能（换句话说就是人工智能）。从军事科技和空间探索到健康产业和商业，使用机器人的优势已经被认识到了这种程度：它们正在成为我们集体经验和日常生活的一部分，能把我们从危险和枯燥中解脱出来7：l 安全：机器人技术已经被开发用于处理核能和放射性化学制品的很多不同用途，包括核武器、电厂、环境清洁和某些药品的处理。 l 不愉快的事：机
25、器人执行很多乏味、不愉快但必需的任务，如焊接和看门工作。 l 重复和精度：装配线工作已经成为机器人技术工业的一个中流砥柱。机器人被广泛地用于制造业，而且，在强调最小维护需求的空间探索中，使用机器人更具有吸引力。 其中移动机器人 （mobile robot）是一种由传感器、遥控操作器和自动控制的移动载体组成的机器人系统。移动机器人具有移动功能，在代替人从事危险、恶劣（如辐射、有毒等）环境下作业和人所不及的（如宇宙空间、水下等）环境作业方面，比一般机器人有更大的机动性、灵活性。 图1-1 四足移动机器人60年代后期，美国和苏联为完成月球探测计划，研制并应用了移动机器人。美国“探测者”3号,其操作器
26、在地面的遥控下，完成了在月球上挖沟和执行其他任务。苏联的“登月者”20号在无人驾驶的情况下降落在月球表面，操作器在月球表面钻削岩石，并把土壤和岩石样品装进回收容器并送回地球。70年代初期，日本早稻田大学研制出具有仿人功能的两足步行机器人。为适应原子能利用和海洋开发的需要，极限作业机器人和水下机器人也发展较快。 移动机器人随其应用环境和移动方式的不同，研究内容也有很大差别。其共同的基本技术有传感器技术、移动技术、操作器、控制技术、人工智能等方面。它有相当于人的眼、耳、皮肤的视觉传感器、听觉传感器和触觉传感器。移动机构有轮式（如四轮式、两轮式、全方向式、履带式）、足式（如 6足、4足、2足）、混合
27、式(用轮子和足)、特殊式(如吸附式、轨道式、蛇式)等类型。轮子适于平坦的路面，足式移动机构适于山岳地带和凹凸不平的环境。移动机器人的控制方式从遥控、监控向自治控制发展，综合应用机器视觉、问题求解、专家系统等人工智能等技术研制自治型移动机器人。 图1-2 火星探索车移动机器人除用于宇宙探测、海洋开发和原子能等领域外，在工厂自动化、建筑、采矿、排险、军事、服务、农业等方面也有广泛的应用前景。 在移动机器人相关技术的研究中，导航技术是其核心，而路径规划是导航研究的一个重要环节和课题。所谓路径规划是指移动机器人按照某一性能指标(如距离、时间、能量等)搜索一条从起始状态到目标状态的最优或次优路径。路径规
28、划主要涉及的问题包括：利用获得的移动机器人环境信息建立较为合理的模型，再用某种算法寻找一条从起始状态到目标状态的最优或近似最优的无碰撞路径；能够处理环境模型中的不确定因素和路径跟踪中出现的误差，使外界物体对机器人的影响降到最小；如何利用已知的所有信息来引导机器人的动作，从而得到相对更优的行为决策。目前，对于移动机器人路径规划技术的研究已经取得了大量的成果，许多问题获得了比较满意的答案。第2章 移动机器人路径规划方法的分类及现状从到目前为止的研究来看，移动机器人路径规划方法主要可以分为以下三种类型：2.1 基于事例的学习规划方法 基于事例的学习规划方法依靠过去的经验进行学习及问题求解，一个新的事
29、例可以通过修改事例库中与当前情况相似的旧的事例来获得。将其应用于移动机器人的路径规划中可以描述为：首先，利用路径规划所用到的或已产生的信息建立一个事例库，库中的任一事例包含每一次规划时的环境信息和路径信息，这些事例可以通过特定的索引取得；随后，将由当前规划任务和环境信息产生的事例与事例库中的事例进行匹配，以寻找出一个最优匹配事例，然后对该事例进行修正，并以此作为最后的结果。移动机器人导航需要良好的自适应性和稳定性，而基于事例的方法能满足这个需求。Ram A将基于事例的在线匹配和增强式学习相结合，提高了机器人的自适应性能，较好地适应了环境的变化。利用基于事例的方法时要注意保持事例库中的事例数量，
30、以防止增加机器人在线规划时间或产生信息爆炸问题。Marefat M把基于事例的方法作为一个特征辅助规划与全局规划结合从而提高了全局规划的效率。Krusmaa M通过创建种群事例库在理论上覆盖了关于路径搜寻问题所有可能的路径解空间，克服了启发式搜索方法在此方面的缺陷16。图2-1 深海机器人近年来，自主式水下机器人由于其在海底资源探测上的优势而受到各国的关注，但因为水下环境十分复杂(能见度差、定位困难等)，导致一般的规划方法都难以奏效，而水下环境的拥挤程度相对较低、机器人工作在同一区域的可能性较大这一特征恰好有利于基于事例的规划方法的应用，因此该方法被广泛的用于解决水下机器人的路径规划问题，试验
31、证明其效果也较为理想。2.2 基于环境模型的规划方法 该方法首先需要建立一个关于机器人运动环境的环境模型。在很多时候由于移动机器人的工作环境具有不确定性(包括非结构性、动态性等)，使得移动机器人无法建立全局环境模型，而只能根据传感器信息实时地建立局部环境模型，因此局部模型的实时性、可靠性成为影响移动机器人是否可以安全、连续、平稳运动的关键。环境建模的方法基本上可以分为两类：网络图建模方法、基于网格的建模方法。前者主要包括自由空间法、顶点图像法、广义锥法等，利用它们在进行路径规划时可得到比较精确的解，但所耗费的计算量相当大，不适合于实际的应用。而后者在实现上要简单许多，所以应用比较广泛，其典型代
32、表就是四叉树建模法及其扩展算法(如基于位置码四叉树建模法、Framed-quadtrees建模法等)。基于环境模型的规划方法根据掌握环境信息的完整程度可以细分为环境信息完全已知的全局路径规划和环境信息完全未知或部分未知的局部路径规划。由于环境模型是已知的，全局路径规划的设计标准是尽量使规划的效果达到最优。在此领域已经有了许多成熟的方法，包括可视图法、切线图法、Voronoi图法、拓扑法、惩罚函数法、栅格法等。前4种方法都是采用基于图论的思想，将目标、机器人及其工作空间用一个连接图表示，如此一来，路径规划问题就转化为在图上寻找一条从起始节点到目标节点的路线。惩罚函数法将路径规划这个有约束的问题(
33、受到障碍物的限制)转化为一个无约束最优化问题，再求解就可得出解答。栅格法用网格描述机器人的工作环境，根据栅格的可信度值可确定出障碍物的分布，此时通过避障规划就可得到无碰路径。作为当前规划研究的热点问题，局部路径规划得到了深入细致的研究。对环境信息完全未知的情况，机器人没有任何先验信息，因此规划是以提高机器人的避障能力为主，而效果作为其次。Koeing S等提出了增量式的D Lite算法，该方法利用启发式策略搜索一条从目标点指向机器人当前位置的路径，并在机器人向目标运动过程中根据局部环境的更新信息来实时重规划路径，由此得出一条最优路径。在国内，张纯刚等提出了基于滚动窗口的规划方法，也取得了较好的
34、效果。在环境部分未知时的规划方法主要有人工势场法、模糊逻辑算法、遗传算法、人工神经网络、模拟退火算法、蚁群优化算法、粒子群算法和启发式搜索方法等。前4种方法相对应用较广，后几种则是近年来才比较流行，其中启发式方法的研究取得了较大进展。启发式方法的最初代表是A 算法而其新发展是D和Focussed D 这两种由Stentz A提出的增量式图搜索算法(又称作Dynamic A*算法)的产生。D 算法可以理解为动态的Dijkstra(最短路径)算法，而Focussed D 算法则利用了A 算法的主要优点即使用启发式估价函数，两种方法都能根据机器人在移动中探测到的新的环境信息快速地修正和重规划出最优路
35、径，减少了局部规划的时间，对于在线的实时路径规划有很好的效果。此外，还出现了一些基于A 的改进算法，它们一般都是通过修改A 算法中的估价函数和图搜索方向而实现的，可以较大地提高路径规划的速度，具有一定的复杂环境自适应能力25。基于环境模型的方法由于其规划的精确性和平稳性应用在很多领域特别是在宇宙空间探测中，美国于1996年12月发射了“火星探路者”探测器，并用所携带的“索杰纳”火星车对火星进行了实地考察，获得了很大的成功。索杰纳所采用路径规划方法就是D 算法，它使索杰纳能在火星表面自如而谨慎地行走，且能自主判断出前进道路上的障碍物，并通过实时重规划来作出后面行动的决策，真正做到了“三思而后行”
36、。2.3 基于行为的结构MIT的Brooks等人首先提出了基于行为的结构。所谓基于行为的控制结构是把复杂的任务分解成很多简单的可以并发执行的单元，每个单元有自己的感知器和执行器，这两者紧耦合在一起的，构成感知动作行为，多个行为相互松耦合构成层次模型。机器人的最终操作由控制器根据行为的优先级和本身的任务做出综合的反应41。这种方法的主要优点在于每个行为的功能比较简单，因而可以通过简单的传感器及其快速信息处理过程获得比较好的运行效果。对于移动机器人的自主导航来说，所具备的行为包括紧急行为、避障行为、任务行为(包括障碍物识别和环境探索)，每种行为有不同的优先级，其中应急行为优先级最高，避障次之，任务
37、行为优先级最低，整个体系结构，如图所示。图2-2 典型基于行为控制系统(1) 紧急行为紧急行为比其他行为具有更高的优先级别。紧急距离是由预先定义的，距离传感器不断告诉移动机器人离周围障碍物的距离。当障碍物的距离在紧急距离之内时候，机器人就立即停止。因此，紧急行为如下：l 检查周围障碍物的距离；l 当障碍物的距离在紧急距离之内时就停止。(2) 避障行为如果障碍物在左边就向右转；如果障碍物在右边就向左转；如果障碍物的距离位于紧急距离之内则该行为被忽视。(3) 任务行为由障碍物识别和环境探索两个行为组成。障碍物识别。当机器人探测到前方有未知物体，执行未知障碍物检测行为。此时按顺时针方向围绕此未知物体
38、进行探测，直到回到初始点。结束未知障碍物检测。此算法能够快速、准确的得出未知物体的形状。环境探索。保证能够对所需探测的环境或区域进行完全的、无遗漏的搜索。基于行为的方法在中智能家庭等商业领域受到了许多研究人员的青睐，iRobot公司成功地研制出Roomba家庭式自动地板吸尘除菌机器人，将基于行为的思想引入机器人的作业规划中，提高了规划的效率和对环境的适应度，具有良好的应用前景。图2-3 Roomba公司生产的清洁机器人第3章 自主式小型移动机器人设计任务及方案分析3.1 微型鼠竞赛介绍微型鼠竞赛大会自1977年5月IEEE的光谱（Spectrum）杂志上载文倡议以来，在世界各国相继开展起来。 （http:/www.ieee.org/） 日本在1980年举办第一次微型鼠竞赛大会。每年有上百台微型鼠，以它们的头脑和速度进行比赛。和其他机器人比赛型比，它是最有实际的理智比赛。（http:/www.bekkoame.ne.jp/ntf/mouse/mouse.html）微型鼠竞赛如照片所示，项目为迷宫探路
