毕业设计（论文）-室内巡视机器人设计和仿真实现.doc

1 提供全套毕业论文，各专业都有 本科本科毕业设计毕业设计（ （论论文）文） 题目：（中文）室内巡视机器人设计和仿真实现 （英文）indoor patrol robot design and simulation 学 院 专 业 班 级 学 号 姓 名 指导教师 职称 完成日期 室内巡视机器人设计和仿真实现 2 诚诚 信信 承承 诺诺 我谨在此承诺：本人所写的毕业论文室内巡视机器人设计和 仿真实现均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的 观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。 承承诺诺人（人（签签名）：名）： 年年 月月 日日 宁波大学信息科学与工程学院本科毕业设计（论文） 3 室内巡视机器人设计和仿真实现 【 【摘要摘要】 】巡视机器人是一个集环境感知、路线规划、动态决策、行为控制等功能集于一体的综合系统， 采用巡视机器人进行定点监控巡视或不间断自动巡视将是目前一种可行的解决方案。将机器人用于巡视工 作，具有广阔的应用前景。本文以自主移动机器人为平台，主要任务与目标是在 robotic studio 仿真系 统中建立差分驱动轮式移动机器人进行巡视仿真环境，通过获取激光数据和摄像头数据来完成路径规划， 避障和实时监控，设计手动控制界面来手动控制机器人进行巡视。 【关键词】移动机器人；路径规划；避障；巡视；仿真； 【abstract】with the constantly expanding the size and number of social and economic development, supermarkets, airports, railway stations, exhibition centers and logistics warehouses and other large-scale flow of passengers and places, large and medium-sized cities of high-level, high-end commercial buildings, an increasing number, the automation needs of the increasingly urgent. the patrol robot is a set of environmental perception, route planning, dynamic decision-making, behavior control functions into one integrated system, patrol robot sentinel surveillance visits or continuous automatic inspection will be a viable solution. the robot for the inspection work has broad application prospects. in this paper, the autonomous mobile robot platform, the main task and goal differential drive wheeled mobile robots in the robotic studio simulation system to conduct an inspection of the simulation environment, by acquiring laser data and camera data path planning, obstacle avoidance and real-time monitoring design manual control interface to manually control the robot to conduct an inspection. 【key words】mobile robot；path planning ；obstacle avoidance；inspections；simulation； 室内巡视机器人设计和仿真实现 4 目目录录 1 1绪论绪论.1 1.1引言.1 1.2移动机器人的研究内容及发展趋势.1 1.2.1移动机器人的国内外研究现状 1 1.2.2移动机器人的发展趋势 2 1.3论文的主要内容.2 2 2室内巡视机器人设计的总体方案室内巡视机器人设计的总体方案.3 2.1研究任务.3 2.2仿真机器人的组成.3 2.2.1激光传感器.3 2.2.2摄像头.3 2.2.3差分驱动轮.4 2.3室内巡视机器人的开发环境.5 2.3.1仿真环境 microsoft robotics developer studio 2008 r35 2.3.2编程环境visual studio 2008 6 2.4仿真机器人的总体巡视方案.6 2.4.1总体巡视方案.6 2.4.2传感器数据接口.6 2.4.3避障.6 2.4.4路径规划.7 2.4.5实时监控.7 2.4.6手动控制.7 3 3仿真机器人巡视算法及实现仿真机器人巡视算法及实现.8 3.1仿真环境建立及编程调试.8 3.1.1仿真环境建立.8 3.1.2控制程序的编写.8 3.2避障.10 3.2.1获取激光数据.10 3.2.2避障的实现.11 3.2.3避障程序.12 3.3路径规划.14 3.3.1机器人沿墙巡视的设计.15 3.3.2最小二乘原理.15 3.3.3直线拟合.16 3.3.4机器人沿墙走巡视的设计.16 3.3.5机器人沿墙走巡视的实现.18 3.3.6机器人沿墙走巡视的特殊情况.20 3.4实时监控.20 3.4.1获取摄像头数据.20 3.4.2图像显示及刷新.22 宁波大学信息科学与工程学院本科毕业设计（论文） 5 3.5手动控制器的设计.24 3.5.1手动操作面板控制原理.25 3.5.2手动操作面板控制的功能.25 3.5.3手动控制器的实现.26 4实验结果实验结果.28 4.1数据输出程序.28 4.2数据分析.28 4.2.1避障时数据分析.28 4.2.2沿墙走时数据分析.29 4.3总结.31 5总结与展望总结与展望.32 5.1本文总结.32 5.2展望.32 参考文献参考文献33 致谢致谢35 宁波大学信息科学与工程学院本科毕业设计（论文） 3 1 1 绪论绪论 1.1引言引言 21 世纪，随着经济，科技，社会不断向前进步和发展，我们生活中的各种各样的的人 流以及物流的集散场所不断的增加，其数量与规模是以往所不能比拟的，例如仓库、车站， 大型购物中心，高级写字楼、会议中心以及飞机场等等。正是由于这些人流，物流集散场 所在数量和规模上的不断增加，随之而来的是这些场所中各种设备、装置的自动化需求也 越来越高。然而巡视机器人，它是一个集环境感知、路线规划、动态决策、行为控制等功 能集于一体的综合系统，采用巡视机器人进行定点监控巡视或不间断自动巡视将是目前一 种可行的解决方案。将机器人用于巡视工作，具有广阔的应用前景，近年来已受到国内外 的重视，成为服务机器人的一个新研究方向。 本文主要综述室内巡视机器人设计的相关问题，并进行问题分析及提出相关的解决方 案。 1.2移动机器人的研究内容及发展趋势移动机器人的研究内容及发展趋势 1.2.1移动机器人的国内外研究现状移动机器人的国内外研究现状 国外移动机器人的研究开展较早，斯坦福研究院从 1966 年开始并用了 6 年时间研制 出了“shakey”的移动机器人。目前研究的方向主要是人工智能技术，即在复杂环境下机 器人能够进行自主推理、规划和控制，并且它还安装有视觉、距离和碰撞等传感器，可以 通过计算机对采集的图像进行处理和任务规划等功能。70 年代，美国加州理工大学研制的 移动机器人和法国 laas 的机器人和人工智能研究小组开发的 hiare 移动机器人，是当时移 动机器人研究领域的代表之作。80 年代，美国国防高级研究计划局揭开了世界范围内全面 研究移动机器人的序幕。其代表是 mit 研发的 wheelesley 机器人。90 年代，移动机器人 进入更高层次的研究领域，其研究的主要内容在于研发出高水平的环境信息传感器、信息 处理技术、高适应性的移动机器人控制技术和真实环境下的规划技术等。美国 probotics 公司 1999 年生产了 cye 小型家用移动机器人，它采用双轮差动驱动方式，可以自主的进行 相应的工作。 国内移动机器人的研究起步较晚，但通过对国外机器人平台的引进和自主开发，现已 取得很大进展。很多高校和研究机构对移动机器人各方面的功能展开了广泛的研究。 宁波大学信息科学与工程学院本科毕业设计（论文） 2 1.2.2移动机器人的发展趋势移动机器人的发展趋势 虽然，在目前欧美一些国家和日本在移动机器人研究领域取得很大的进步，并领先于其 他国家，但是其相应的成本也是相当高昂的。因此结台我国的基本国情，且考虑到移动机 器人的市场等相关因素，我们必须在以下几个方面上进行努力： (1)必须降低成本，研发出能够满足不同功能需求的相关系列产品。 (2 移动机器人未来的发展方向是智能化和自主式。 (3)保证移动机器人能够正常巡视并正确的呈现出当前环境的具体状况。 (4)必要时我们可以通过人机结台，运用无线通信技术和因特网技术对移动机器人系统 进行控制，来处理一些突发、紧急情况，保证移动机器人的正常工作。 1.3论文的主要内容论文的主要内容 本论文的主要内容是在 robotic studio 仿真系统中建立差分驱动轮式机器人的室内巡 视仿真环境，通过编写程序对激光传感器数据的采集和处理，规划机器人的运动路径及避 障，使其能够自主巡视，再将摄像头采集到的图像显示出来，进行实时监控，然后在设计 一个手动控制功能，即手动控制机器人进行巡视。课题的主要工作如下： 1.学习和了解 robotic studio 仿真系统，掌握建立机器人仿真环境和编程控制机器人 的基本方法； 2.学习和了解差分驱动轮式移动机器人的基本运动控制方式；本文中我们要求机器人 完成的动作都是在改变机器人左右轮子的速度来实现的，所以我们的重点是掌握机器人左 右轮速度的控制上。 3.通过编程实现机器人沿墙进行自主巡视及实时监控；其中涉及到机器人移动的路径 规划，避障，摄像头数据获取，图像显示，图像实时刷新等问题。 4. 通过编程来实现对机器人进行手动控制进行巡视；虽然自动巡视具有很多的优点， 如方便，快捷，自主等，但是也有些不足，比如操作不灵活，功能单一等。为此我们专门 引入了手动控制器来增加操作的灵活性和多样化的功能。 5.在 robotic studio 仿真系统中编程实现机器人在室内进行巡视。机器人能够沿着墙 壁进行自动巡视，实时监控，躲避障碍物，还要能够进行手动控制，是机器人进行手动巡 视。 宁波大学信息科学与工程学院本科毕业设计（论文） 3 2 2 室内巡视机器人室内巡视机器人设计的总体方案设计的总体方案 2.1研究任务研究任务 本文的研究任务主要为机器人的自动巡视和手动控制巡视两部分，其中包括路径规划， 避障，实时图像显示等内容。寻找一种合理，有效，方便，成熟的方法来到达我们所要求 的设计要求，是机器人在室内的巡视效果到达最佳。 2.2仿真机器人的组成仿真机器人的组成 本次研究中所使用的仿真机器人是采用轮式结构，由 2 个驱动轮和一个辅助轮组成， 此外还安装有激光传感器，摄像头。 2.2.1 激光传感器激光传感器 本文中所用的仿真激光传感器是按照德国 sick 公司生产的 lms200 设计的，它的扫 描范围最大可以到达 8m，扫描角度为 180，而将这个 180的半圆分成 0360 共 361 份， 其角度分辨率为 0.5一份。如图 2.1 所示。 图 2.1 激光传感器扫描范围示意图 2.2.2摄像头摄像头 本文中所用的仿真摄像头是按照日本 sanyo 公司生产的 ccd 设计的，它主要将机器 人在室内巡视时所到的地方的图像显示在窗口中，便于我们观察，有利于我们对室内的一 切状况进行实时的监控。一旦遇到什么情况，我们可以第一时间知道并及时的做出相应的 正确的反应。 宁波大学信息科学与工程学院本科毕业设计（论文） 4 2.2.3 差分驱动轮差分驱动轮 本次研究中所使用的仿真机器人是采用轮式结构，由 2 个驱动轮和一个辅助轮组成。 因此机器人所能完成的动作主要通过对仿真机器人左右轮的不同控制来实现的，现在我们 分别设仿真机器人的左轮子的速度为，右轮子的速度为， 如图 2.2 所示。 1 v r v 图 2.2 机器人平面图 接下来，我们对二轮差分轮式移动机器人进行相关的分析，现在分别设仿真机器人的 左轮子的速度为，右轮子的速度为。 1 v r v 图2.3 机器人位置和姿势示意图 宁波大学信息科学与工程学院本科毕业设计（论文） 3 则将仿真机器人的左右轮子的速度，转换成线速度v 及角速度分别为: 1 v r v （2- 1 1 v 2 d r r vv vv 1） 式中d 为仿真机器人右边轮子到左边轮子的距离。 根据图2.3知， 机器人的位置和姿势的表达形式为( x ，y ，) ，其中( x ，y) 为机器 人重心到坐标轴边界的距离，为机器人与坐标轴x的夹角，则 （2- x= cos y= sin = 2） 式（2-2）说明，我们可以讲对机器人线速度和角速度的控制转化对机器人左右轮子的速度 的控制。 现在我们重新来定义一个新的函数关系式d =f (x ，y) ，其中(x ，y)为仿真机器人 此时此刻所处的地理位置，而f ( x ，y)= 0为我们期望机器人所做的运动轨迹，则 （2- xyx 22222 xxyyxyyx 22222 xxyyxy yyxy d=f x+f y=fcossin d=fcosfsin2fcos sinfcosfsin fcosfsin2fcos sin = =fcosfsin （） （-） 3） 式中，为我们刚刚设的控制变量。 由式（2-3）得: d= 2.3室内巡视机器人的开发环境室内巡视机器人的开发环境 2.3.1仿真环境仿真环境 microsoft robotics developer studio 2008 r3 本文所采用的仿真环境是 microsoft robotics developer studio 2008 r3，微软机器人的 通用开发平台 robotics developer studio 2008 第三个版本 r3 版本，简称 rds 2008 r3。robotics developer studio 是微软在 06 年开始，面向机器人应用开发而推出的一个平 台，是基于.net framework 的开发环境，微软 rds 支持多种机器人平台，既可以在运行 着 windows 系统的嵌入式 pc 上直接运行，也可以在 windows pc 上通过蓝牙、wi-fi 等无 宁波大学信息科学与工程学院本科毕业设计（论文） 6 线连接远程控制。 2.3.2编程环境编程环境 visual studio 2008 本文所采用的仿真环境是 microsoft visual studio，是面向 windows vista、office 2007、web 2.0 的开发工具。vs2008 引入了 250 个新特性，整合了对象、关系型数据、 xml 访问方式，语言更加简洁。这个版本包含了众多版本，分别面向不同的开发角色。能 创建满足关键性要求的多层次智能客户端、web、或基于 microsoft office 等应用程序。使 用 visual studio 2008 可以高效地开发 windows 应用程序，可以实时反映变更，智能感知 功能可以提高开发效率。同时 visual studio 2008 支持项目模板、部署程序和调试器。 2.4仿真机器人的总体巡视方案仿真机器人的总体巡视方案 2.4.1总体巡视方案总体巡视方案 室内巡视机器人的总体巡视方案结构框图如 2.4 所示。总体方案主要包括：激光传感 器、摄像头数据的接口，避障，路径规划，实时监控，手动控制。 图2.4 总体巡视方案结构框图 2.4.2传感器数据接口传感器数据接口 激光传感器、摄像头数据的接口，它主要是将采集到激光传感器、摄像头的数据实时 宁波大学信息科学与工程学院本科毕业设计（论文） 3 的传送到机器人。机器人，巡视的主体，它将接收到的数据进行处理，然后根据程序做出 相应的正确的动作，使其能够顺利的进行巡视。 2.4.3避障避障 避障，就是机器人在接收到激光传感器传来的关于前方障碍物的距离信息后，根据已 经编写好的程序来控制机器人偏转的方向和角度达到避开障碍物的目的。本文所采用的避 障方法：获取激光数据后，我们可以根据获取的数据编写一个避障的控制程序，即当激光 检测到的前方障碍物距离小于 500，就转个方向。 2.4.4路径规划路径规划 路径规划，路径规划是机器人在室内进行巡视的基本环节。它所要达到的目的是使机 器人在存在障碍物的环境中，按照一定的标准，寻找到一条从起点到终点的最优或近似最 优的无障碍路径。这里我们可以根据获得的传感器信息，即障碍物的尺寸、形状和位置等 信息，然后对这些信息进行处理，并根据所要到达的效果来设计一条最合适的路径。本文 所采用的路径规划方法是沿墙走，即机器人沿着室内的墙壁进行巡视。 2.4.5实时监控实时监控 实时监控，它主要将机器人在室内巡视时所到的地方的图像显示在窗口中，便于我们 观察，有利于我们对室内的一切状况进行实时的监控。一旦遇到什么情况，我们可以第一 时间知道并及时的做出相应的正确的反应。 2.4.6手动控制手动控制 手动控制，虽然自动巡视具有很多的优点，如方便，快捷，自主等，但是也有些不足， 比如操作不灵活，功能单一等。为此我们专门引入了手动控制器来增加操作的灵活性和多 样化的功能。我们设计出一个可视化的操作界面来介入机器人的仿真过程，譬如启动/暂停 仿真，自动/手动的切换，手工设置机器人的速度和前进、后退、左转、右转等。 宁波大学信息科学与工程学院本科毕业设计（论文） 8 3 3 仿真机器人巡视算法及仿真机器人巡视算法及实现实现 3.1 仿真环境建立及编程调试仿真环境建立及编程调试 3.1.1 仿真环境建立仿真环境建立 首先启动 microsoft visual simulation environment 2008 仿真软件，选择软件自带的 apartment environment 场景，然后在场景中添加一个差分驱动轮机器人，并且机器人上添 加摄像头、激光传感器。如下图： 图 3.1 仿真环境 3.1.2 控制程序的编写控制程序的编写 首先打开 visual c# 2008，新建一个项目，选择 microsoft robotics 的 dss service 模板， 如下图，名称命名为 zmh： 宁波大学信息科学与工程学院本科毕业设计（论文） 3 图 3.2 新建 dss 模板 点击“确定”后，出现如下选项：（如图 3.3 所示） 图 3.3 选项卡 宁波大学信息科学与工程学院本科毕业设计（论文） 10 点击“partners”选项卡，选择希望添加的合作关系，然后点击“add as partner”按钮。 我们在仿真环境中使用了差分驱动轮，激光，web 摄像头。因此，总共需要添加四个 partner：simulation engine, simulated generic differential driver, simulated laser range finder, simulated webcam。然后点击“ok”后即可根据选项自动创建项目文件。 总的控制步骤可以概括如下：机器人从激光传感器获得数据进行运算输出控制命 令。 3.2 避障避障 3.2.1 获取激光数据获取激光数据 对于一个控制程序，一般的步骤是：从机器人的传感器获取传感数据-运算-输出控 制命令。为了获取激光数据，我们去要向激光传感器发送一个 get 消息，等待其返回后即 可得到激光传感器数据了。因此定义一个更新激光数据的任务函数： ienumerator updatelaser(datetime datetime) var sensororfault = _simulatedlrfserviceport.get(); yield return sensororfault.choice(); if (!haserror(sensororfault) sicklrf.state sensorstate = (sicklrf.state)sensororfault; /激光数据放在sensorstate的distancemeasurements属性中。 activate(arbiter.receivewithiterator(false, _datetimeport, updatelaser); taskqueue.enqueuetimer(timespan.frommilliseconds(60), _datetimeport); yield break; 图 3.4 获取激光数据程序 为了使 updatelaser 任务不断地重复执行，我们定义一个计数器消息端口，延时一定 时间后就执行 updatelaser 任务。zmhservice 类中定义一个时间端口： port _datetimeport = new port(); 图 3.5 定义时间端口程序 在类方法 start 中，启动计时器： 宁波大学信息科学与工程学院本科毕业设计（论文） 3 activate(arbiter.receivewithiterator(false, _datetimeport, updatelaser); taskqueue.enqueuetimer(timespan.frommilliseconds(600), _datetimeport); 图 3.6 启动计时器程序 第一句告诉 dss，当_datetimeport 消息来时，执行 updatelaser 任务，第一个参数 false 表示只执行一次。由于_datetimeport 的消息类型是 datetime，所以我们需要重新定 义 updatelaser 任务为：ienumerator updatelaser(datetime datetime)。 第二句启动一个延时计数，当经过 600 毫秒后，就往_datetimeport 发送一个消息。 这样当 600 毫秒之后，就会执行 updatelaser 任务。 这样只能执行一次，为了使 updatelaser 任务不断重复执行，我们在 updatelaser 任 务函数的结尾再加上上述两句，这样的话 updatelaser 就能不断地重复了。 3.2.2 避障的实现避障的实现 避障就是机器人在接收到激光传感器传来的关于前方障碍物的距离信息后，根据已经 编写好的程序来控制机器人偏转的方向和角度达到避开障碍物的目的。 本文所采用的避障方法：获取激光数据后，我们可以根据获取的数据编写一个避障的 控制程序，即当激光检测到的前方障碍物距离小于 500mm，就转个方向。又因为激光数据 是 180范围的，我们取中间的 60作为障碍判断依据，如图 3.7 所示。为了更好的实现 避障功能，使避障时机器人的转向与下面将要讲到的沿墙走路径规划有效的结合起来，以 达到巡视时的最佳效果，现我们将这 60的范围分成左右各 30（即 6090和 90 120） 。当激光检测到 6090范围内有障碍物且只小于 500 的安全距离时，机器人向 左转，如图 3.8（a）所示；当激光检测到 90120范围内有障碍物且只小于 500mm 的 安全距离时，机器人向右转，如图 3.8（b）所示。这样就实现了机器人的避障功能。 图 3.7 激光探测示意图 宁波大学信息科学与工程学院本科毕业设计（论文） 12 避障示意图如下所示： 图 3.8（a） 机器人避障示意图 图 3.8（b） 机器人避障示意图 3.2.3避障程序避障程序 根据机器人获取来的激光传感器数据，结合我们选择的避障方法，按照我们的要求编 写的避障程序。 （1）当激光检测到 6090范围内有障碍物且只小于 500mm 的安全距离时，机器 人向左转的避障程序如下图所示。 宁波大学信息科学与工程学院本科毕业设计（论文） 3 int lasercount = sensorstate.distancemeasurements.length; for (int i = lasercount / 3; i updateimage(datetime datetime) byte rgbdata = null; size size = new size(0, 0); yield return arbiter.choice(_simulatedwebcamserviceport.queryframe(), success = rgbdata = success.frame; size = success.size; , failure = logerror(failure.toexception(); ); if (rgbdata != null) | destbitmap.width != srcdatawidth | destbitmap.height != srcdataheight | (destbitmap.pixelformat = pixelformat.format32bppargb else destbitmap = new bitmap(srcdatawidth, srcdataheight, pixelformat.format32bpprgb); activate(arbiter.receivewithiterator(false, _datetimeportimage, updateimage); taskqueue.enqueuetimer(timespan.frommilliseconds(60), _datetimeportimage); 宁波大学信息科学与工程学院本科毕业设计（论文） 3 byte rgbdata = null; size size = new size(0, 0); yield return arbiter.choice(_simulatedwebcamserviceport.queryframe(), success = rgbdata = success.frame; size = success.size; , failure = logerror(failure.toexception(); ); 图 3.22 这段程序是定义一个选择仲裁器，往 webcam 服务端口发送一个 queryframe 请求当请 求成功时，将数据保存到 rgbdata 中，并将图像尺寸保存到 size 中；当请求失败时，给出 出错信息。 3.4.2 图像显示及刷新图像显示及刷新 从摄像头获取到图像数据以后，我们希望能把图像在窗口中直观地显示出来，所以要 添加一个窗体，在窗体中添加一个 picturebox 控件来显示图像。然后就是在 start 方法中 定义一个函数来启动窗体： winformsserviceport.post(new runform() = _laserdataform = new laserdata(); _laserdataform.show(); return _laserdataform; ); 图 3.23 启动窗体程序 启动窗体后，把摄像头拍摄到的图像显示在窗体里，接下来就是不断地刷新图像来实 时更新图像，以便我们更方便更准确的观察，因此需要在窗体类中新添一个方法 updatewebcam 供调用刷新图像。程序如下： 宁波大学信息科学与工程学院本科毕业设计（论文） 24 internal void updatewebcam(bitmap bmp) bmpwebcam = bmp; pictureboxwebcam.size = new size(bmp.width, bmp.height); pictureboxwebcam.image = bmpwebcam; this.invalidate(true); 图 3.24 刷新图像程序 这段程序是将 bitmap 图像保存到类属性 bmpwebcam 变量中，让 picturebox 空间显示 图像，根据图像大小重新设置 picturebox 控件的尺寸。这样就可以实现不断的刷新图像， 从而到达实时显示的目的。 编译运行后可看到摄像头图像监控画面如图 3.25 所示： 图 3.25 摄像头图像监控画面 机器人进行室内巡视时的实时监控图，如图 3.26 所示，带有摄像头实时监控画面和机 器人在室内的位置，这样就可以更好的观察和判断实时监控的画面是否如实的反映机器人 所在处的情况。 宁波大学信息科学与工程学院本科毕业设计（论文） 3 图 3.26 仿真环境下的实时监控画面 3.5 手动控制器的设计手动控制器的设计 上文讲到的都是机器人自动巡视，虽然自动巡视具有很多的优点，如方便，快捷，自 主等，但是也有些不足，比如操作不灵活，功能单一等。为此我们专门引入了手动控制器 来增加操作的灵活性和多样化的功能。我们设计出一个可视化的操作界面来介入机器人的 仿真过程，譬如启动/暂停仿真，自动/手动的切换，手工设置机器人的速度和前进、后退、 左转、右转等。手动控制操作面板如图 3.27 所示。 图 3.27 手动控制操作面板示意图 手动控制操作面板上有前进，后退，左转，右转，加速，减速，自动/手动切换和启动 /暂停仿真引擎 8 个按键。 宁波大学信息科学与工程学院本科毕业设计（论文） 26 3.5.1手动操作面板控制原理手动操作面板控制原理 手动操作面板控制原理：当我们点击手动操作面板中按键，此时就会立即先主服务程 序发送一个 port 消息，然后住服务程序根据接收到的 port 信息调用预先编写好的程序进 行处理，处理完后控制机器人做出相应状态的改变。如图 3.28 所示。 图 3.28 手动控制操作面板控制原理示意图 3.5.2手动操作面板控制的功能手动操作面板控制的功能 手动控制操作面板上有前进，后退，左转，右转，加速，减速，自动/手动切换和启动 /暂停仿真引擎 8 个按键。各个按键的功能： （1） “自动/手动”切换键：实现自动与手动操作之间的灵活切换。 （2） “启动/暂停仿真引擎”键：简易方便的开启和关闭仿真引擎，而不必每次都通过 修改 xml 文件，将其中的项由 true 改成 false。 （3） “前进”键：通过控制机器人左右轮子的转向来实现机器人向前行进。 （4） “后退”键：通过控制机器人左右轮子的转向来实现机器人向后行进。 （5） “左转”键：通过控制机器人左右轮子的转速来实现机器人的转向，向左转时， 右轮的速度应大于左轮的速度。 （6） “右转”键：通过控制机器人左右轮子的转速来实现机器人的转向，向右转时， 左轮的速度应大于右轮的速度。 （7） “加速”键：将加速的速度值预先通过程序编写出来，然后当按下此键时实现速 度的增加。 （8） “减速”键：将加速的速度值预先通过程序编写出来，然后当按下此键时实现速 宁波大学信息科学与工程学院本科毕业设计（论文） 3 度的减少。 3.5.3手动控制器的实现手动控制器的实现 现在我们以启动/暂停仿真引擎为例。首先在窗体中增加一个按钮 btnrunpausedengine，当点击该按钮时希望能够暂停或者运行仿真引擎。为了能够在窗体 中向主服务程序发送消息，我们首先需要把主服务程序的消息端口告诉窗体类，在窗体类 中新增一个全局变量保存主服务程序的消息端口： 图 3.29 然后，在 zmhtypes.cs 中定义所需要的消息体类型： public class pausedengine : submit public pausedengine() : base(new pausedenginerequest() paused = true; public bool paused; /paused属性为真时暂停；为假时运行引擎 datacontract public class pausedenginerequest 图 3.30 同时在服务端口中新增一个 pauseengine 消息，将 zmhoperations 改为： serviceport public class zmhoperations : portset 图 3.31 在创建窗体时，把消息端口传递给窗体类中的全局变量_mainport。同时需要修改主服 务程序中启动窗体的代码为： zmhoperations _mainport; 宁波大学信息科学与工程学院本科毕业设计（论文） 28 winformsserviceport.post(new runform() = _laserdataform = new laserdata(_mainport); _laserdataform.show(); return _laserdataform; ); 图 3.32 把主服务程的主端口传递给窗体。 接下来，我们要为 pauseengine 消息编写消息处理任务函数： servicehandler(servicehandlerbehavior.concurrent) public virtual ienumerator pausedenginehandler(pausedengine state) var stateorfault = _simulationengineport.get(); yield return stateorfault.choice(); if (haserror(stateorfault) /如果有错误，报错并返回 logerror(“failed to get state of simulation engine.“); yield break; var state = (microsoft.robotics.simulation.proxy.simulationstate)stateorfault; state.pause = state.paused; /改变暂停状态 var replace = new engine.replace(state); _simulationengineport.post(replace); yield return replace.responseport.choice(); var fault = replace.responseport; if (haserror(fault) /更新状态失败 logerror(“failed to set state of simulation engine.“); yield break; else /更新状态成功 if(paused) loginfo(“simulation is paused!“); else loginfo(“simulation is started!“); 图 3.33 宁波大学信息科学与工程学院本科毕业设计（论文） 3 4 实验结果实验结果 4.1 数据输出数据输出程序程序 运行仿真程序后，我们希望把机器人的运动轨迹记录下来，主要是左右轮的速度，这 些信息都能够作为以后的分析。所以在完成差分驱动程序结尾处添上以下 2 行，把仿真机 器人避障时左右轮子的速度 vl、vr 这 2 个量输出到文本文档中： string strinfo = vl.tostring() + “,“ + vr.tostring() + “rn“; sw.write(strinfo); 图 4.1 下面是把仿真机器人沿墙走时左右轮子的速度 vl、vr 及角度这 3 个量输出到文本文档 中： 图 4.2 然后在程序开头加上如下程序，来保存输出的数据的存放地址： system.io.streamwriter sw = new system.io.streamwriter(“d:zmh.txt“, true); 图 4.3 4.2 数据分析数据分析 4.2.1避障时数据分析避障时数据分析 我们从输出的上千组数据中选取了些具有代表性的数据，现在我们把这些数据导入 matlab 中将仿真机器人避障时左右轮子的速度 vl、vr 的变化趋势画成波形图，如图 4.4 所示。 string strinfo = jd.tostring() + “,“ + vl.tostring() + “,“ + vr.tostring() + “rn“; sw.write(strinfo); 宁波大学信息科学与工程学院本科毕业设计（论文） 30 图 4.4 机器人左右轮速度变化趋势示意图 我们通过对仿真机器人避障时左右轮子速度的采集，整理，分析，并且将仿真机器人 左右轮子的速度的变化趋势画成波形图，以便我们更加清晰，直观的观察和分析。通过仔 细的分析对比，我们发现当仿真机器人在室内进行巡视时，如果仿真机器人没有遇到障碍 物时，其左右轮子的速度保持一致且相等，这样就可以保证仿真机器人能够做直线运动， 一直向前运动；如果仿真机器人在巡视时遇到障碍物，此时仿真机器人左右轮子的速度同 时减小一些，然后左轮子速度减小的幅度远小于右轮子速度减小的幅度，这样就使得仿真 机器人的左轮子的速度大于右轮子的速度，从而使得仿真机器人向右转向，以使仿真机器 人能够成功的避开障碍物，到达避障的目的。最后，综合上述仿真机器人巡视时左右轮子 速度的数据，跟我们预先编写好的程序和我们设定好的要求基本上能到达一致，因此仿真 机器人的避障行为顺利实现。 4.2.2沿墙走时数据分析沿墙走时数据分析 我们从输出的上千组数据中选取了些具有代表性的数据，现在我们把这些的数据导入 matlab 中画出仿真机器人沿墙走时左右轮子的速度 vl、vr 及角度的变化趋势画成波形图， 如图 4.5 所示。 宁波大学信息科学与工程学院本科毕业设计（论文） 3 图 4.5 沿墙走时偏转角度和左右轮速度的波形示意图 我们通过对仿真机器人沿墙走时左右轮子速度的采集，整理，分析，并且将仿真机器 人左右轮子的速度的变化趋势画成波形图，以便我们更加清晰，直观的观察和分析。通过 仔细的分析对比，我们发现当仿真机器人在室内进行巡视时，因为我们预先设计仿真机器 人始终是右侧靠近墙壁进行巡视，仿真机器人右边检测到激光束的数量小于 3 个，并且仿 真机器人与墙壁的距离小于 8000mm，此时仿真机器人左右轮子的速度保持一致并且相等， 这样就保证了仿真机器人向前行进；当仿真机器人的右边检测到有激光束数量大于 3 条且 仿真机器人与墙壁的距离小于 8000mm 时，仿真机器人还是向前进，知道仿真机器人检测到 的激光束的距离接近安全距离时，仿真机器人的左右轮子速度开始减小，这样来让仿真机 器人与墙壁的距离保持在安全距离以上。然后将采集来的激光数据进行处理，按照最小二 乘原理进行直线拟合，从而规划出仿真机器人的最佳行进轨迹。最后，综合上述仿真机器 人巡视时左右轮子速度的数据，跟我们预先编写好的程序和我们设定好的要求基本上能到 达一致，因此仿真机器人的沿墙走行为顺利实现。 宁波大学信息科学与工程学院本科毕业设计（论文） 32 4.3 总结总结 通过对仿真机器人在室内巡视时避障情况和沿墙走情况下的左右轮子速度数据的采集、 整理、分析、总结，使我们更加清晰、直观的理解了仿真机器人避障和沿墙走的原理。对 二轮差分驱动机器人的运动原理掌握的更加全面和深刻。对通过控制仿真机器人左右轮子 的速度是其能够做出各种各样的动作有了更加全面和深刻的认知。 宁波大学信息科学与工程学院本科毕业设计（论文） 3 5 总结与展望总结与展望 5.1 本文总结本文总结 本文是在移动机器人仿真软件的基础上，主要研究了室内巡视机器人设计中的激光数 据的获取，路径规划，避障，图像显示，手动控制等方面问题，从最初的程序编写调试到 自己的算法设计到最后的仿真实现，比较完整地研究了激光数据的获取，路径规划，避障， 图像显示，手动控制等问题。完成的工作如下： 1)掌握了 robotic studio 仿真系统和 microsoft visual studio 编程软件的基本操作， 对这两款软件的功能和应用有了更深一步的了解。能够建立一些简单的仿真环境 以及控制机器人的基本方法。 2)对激光数据获取和处理的方法有了深刻的认识，通过获取激光数据并进行处理， 从而解决了相应的避障和路径规划问题，并在 c#软件上设计合理机器人运动控制 程序。 3)对差分驱动轮式机器人的基本运动控制方式的认识有了很大的提高，掌握了差分 驱动的原理。知道了通过程序是怎么来实现差分驱动轮的。 4)掌握了摄像头数据获取的方法，通过获取摄像头数据并进行处理来解决图像显示 的问题，并在 c#软件上进行编程实现。 5)完成了手动控制器的设计，增强了机器人的功能多样性和可操作灵活性，是机器 人能更好的进行巡视工作。 5.2 展望展望 在计算机技术、传感技术、控制技术、网络技术迅猛发展的今天，移动机器人的应用 范围越来越大，使用的复杂程度也是一天一天的增大。因此也相应的对机器人的相关技术 方面提出了很多新的想法，建议和要求： （1）增加探测范围和目标的识别能力； （2）加强实时性； （3）增加灵活性、功能性、可靠性； （4）完善多传感器信息的融合和处理能力； （5）实行功能的模块化，增强抗干扰能力； （6）实现互联远程控制功能； 宁波大学信息科学与工程学院本科毕业设计（论文） 34 参考文献参考文献 11 郭小勤,陈彬. 未知环境下移动机器人遍历路径规划j, 计算机工程与设计, 2010, 31(1)， 172-175 22 禹建丽, 徐亮，黄吉祥. 室内自主清扫机器人的路径规划j, 中原工学院学报, 2010,21(3)，