基于行为设计的自主移动机器鼠研究-吸尘机器人（全套含CAD图纸）
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本科毕业设计（论文） 基于行为设计的自主 移动机器鼠 研究 年 级 : 学 号 : 姓 名 : 专 业 : 指导老师 : 院 系 年 级 题 目 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 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 页 毕业设计（论文）任务书 班 级 发题日期 题 目 基于行为设计的自主移动机器鼠 研究 1、本论文的目的、意义 独立设计并制作的基于行为设计的机器鼠，对基于行为的机器人算法的验证和试验。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 和 设计。 提出了一种机器鼠机械底盘设计方案，结合控制系统初步可以完成： 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。通过对 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 设计流程，增强了数字电路方面的知识。 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 机器鼠的机械底盘设计建模，运动学计算 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 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 页 工 (4 周 ) 第四部分 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 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 科毕业设计（论文） 基于行为设计的自主 移动机器鼠 研究 年 级 : 学 号 : 姓 名 : 专 业 : 指导老师 : 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 系 年 级 题 目 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 日购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 业设计（论文）任务书 班 级 发题日期 题 目 基于行为设计的自主移动 机器鼠 研究 1、本论文的目的、意义 独立 设计 并 制作的 基于行为设计的 机器鼠 ，对基于行为的机器人算法的验证和试验。 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 和 设计 。 提出了一种 机器鼠 机械底盘设计方案，结合控制系统初步可以完成： 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。通过对 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 强了 数字 电路方面的知识。 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 机器鼠 的机械底盘设计建模，运动学计算 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购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 (4周 ) 第四部分 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。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。 论文 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。 然后针对 年举办的 微型机器鼠比赛 此项比赛要求 机器鼠 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 机器鼠 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。 最后 研 制出 具备 自主 移动 功能的 机器鼠实物 , 它由两 个 步进电机驱动 ,在机器 鼠正向和侧向 共有 3个 漫 反射式红外线 光电 传感器 和 两个碰撞开关 。 当传感器前方有障碍物时 , 传感器的输出为 1, 否则为 0。 采用了 司的 片机控制，小型四相步进电机及 专用的 外接近开关作为 主要传感器，差动式 底盘 结构，初步实现 了 微型 机器鼠 竞赛 用 自主移动 机器 鼠样机 研制和实验验证 。 关键词： 机器鼠；自主移动 ；路径规划；单片机 ； 步进电机驱动；红外接近开关 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 页 is a of In is to it in so In of it is a a of of a of s of of we of of be of to as as of s of We of of as of of at be to a an of is a is in is On of a AD in of of 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 页 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 . 5 于事例的学习规划方法 . 5 于环境模型的规划方法 . 6 于行为的结构 . 7 第 3 章 机器鼠的 设计任务及方案分析 . 10 型 机器 鼠竞赛介绍 . 10 计任务分解 .器鼠任务分析及基于行为设计 . 12 视通道，沿墙行走行为 . 13 断通道，触发旋转行为 . 19 械平台 . 22 器鼠 移动机构方案选择 . 22 轮的安装与选择 . 26 轮的选择 . 27 传感器的配合使用 . 29 感器在机器人学科应用 . 29 器鼠 红外传感器 . 30 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 . 38 进电机控制概况 . 38 应式步进电动机的结构及工作原理 . 39 进电机功率的确定 . 43 动电源 . 45 进电动 机的控制 . 47 器鼠所使用的步进电机驱动电路 . 49 片机控制 . 53 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设计 . 69 动式车体运动学分析 . 70 动轮机构组成 . 74 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： 刷图 . 88 附录三： 外文翻译 . 88 附录四： 实习报告 . 88 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 1 页 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 入的，他虚构创作的机器人很像 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 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： 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。 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。 根据设备当前的情况处理传感输入，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 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 2 页 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： 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。 不愉快的事 ：机器人执行很多乏味、不愉快但必需的任务，如焊接和看门工作。 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 （ 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。 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 3 页 图 1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 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 4 页 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。 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 5 页 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： 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。 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，以防止增加机器人在线规划时间或产生信息爆炸问题。 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。 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 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 6 页 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，试验证明其效果也较为 理想。 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、 。 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、 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 (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。 等提出了增量式的 D 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、 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 7 页 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 这两种由 提出的增量式图搜索算法 (又称作 *算法 )的产生。 D 算法可以理解为动态的 短路径 )算法，而 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”。 于行为的结构 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，任务行为优先级最低，整个体系结构，如图所示。 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 8 页 图 2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： 检查周围障碍物的距离； 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， 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。 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 9 页 图 2 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 10 页 第 3 章 机器鼠 设计任务及方案分析 型 机器鼠 竞赛介绍 微型 机器鼠 竞赛大会自 1977 年 5 月 光谱（ 志上载文倡议以来，在世界各国相继开展起来。 （ ） 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。（ 微型鼠竞赛如照片所示，项目为迷宫探路，从起点到终点以最短的路线、最短时间到达者为优胜。 图 3器鼠比赛现场 迷宫由 16 16个区域组成，起点设在拐角处。规定通道长宽尺寸，顶面涂红色，侧面涂白色，地面涂黑色。机器人的长宽不超过规定尺寸，高度和重量没有限制。把从起点到终点用最短时 间行走的纪录作为这个机器人的记录。另外，机器人必须是自律的，行走过程中不能用手接触，和外界的通信。当机器鼠开始行走的时候，不能给它 传送 迷宫信息 43。 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 11 页 图 3器鼠比赛场地模型 计任务分解 针对微型鼠竞赛任务，选择迷宫走法，即左手规则：设定机器人的传感器判别左侧是否有可通过通道，当传感器判断出左侧为通道，即可机器 人响应转向左侧通道，如遇凹形通道，连续左转两次返回。走法示意如 图 3 图 3宫走法示意 为研究使用，综合考虑迷宫通道情况，将迷宫简化为一段 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 12 页 图 3宫通道简化模型 机器人所必需具备的主要功能包括： 在迷宫通道中，自主沿墙行走行为； 在行走过程中，使车体与环境保持相对距离； 判断行驶方向前方是否遇到阻隔； 根据左手规则，传感器组满足触发要求，车体以最小转弯半径左转九十度； 在凹型通道，连续左转九十度两次，驶离通道。 以上的分析作为初步任务分解，将设计任务分解成各个易于处理的子任务，对于这些子任务机器人更有希望完成和实现。为了得到这种任务分解方式，从机器人的视角出发，全局考虑整个任务的实现过程。基于行为的机器人学的一个重要特征：复杂行为可以由比较 简单的行为相互组合和实现 41。 器鼠任务分析及基于行为设计 由于设计目的是在短时间内构建和实现机器人系统，因此在选取实现穿过迷宫的这一任务的相关方案时，选择使用满足要求的现有技术。同时，为了保证系统能够成功运行，对于这些现有技术的能力、实现代价以及相关局限需要通过论证。 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 13 页 图 3器鼠 已 完成实物（ a） 图 3器鼠已完成实物（ b） 视通道，沿墙行走行为 通常情况下为了实现任务，机器人需要努力完成各式各样的目标。机器人通过由软件或者硬件构造的控制系统实现目标。传感器在 控制系统中可有可无，但控制系统必须包含一个或者更多的执行器以使机器人维持或者达到某个状态。反馈控制系统采用某种算法，或者某种物理机制，将输入信号和被控设备响应的测量信号转换为新的控制命令。 1) 控制系统选择 开环控制系统（ 系统的控制输入不受输出影响的控制系统。在开环控制系统中，不存在由输出端到输入端的反馈通路（见 反馈控制系统 ）。因此，开环控制系统又称为无反馈控制系统。开环控制系统由控制器与被控对象组成。控制器通常具有功率放大的功能。同 闭环控制系统 相比，开环控制系统的结构要简单得多，同时也比较经济。开环控制系统 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 14 页 的缺点是控制精度和抑制干扰的性 能都比较差，而且对系统参数的变动很敏感。因此，一般仅用于可以不考虑外界影响，或惯性小，或精度要求不高的一些场合，如步进电机的控制，简易电炉炉温调节，水位调节等。 开环控制器是一种最简单的控制系统，下图所示为小车的开环控制系统。速度选择器用来为机器人输入期望速度 号变换器用来将速度选择器的输入信号调整，产生适用于传动系统的速度命令 动系统包括电动机和轮子，这些装置将电子信号转换为机器人的实际动作。速度传感器用来测量机器人的实际运转速度 图 3环控制系统示意 闭环控制系统（ 闭环控制系统的特点是系统被控对象的输出 (被控制量 )会反送回来 影响 控制器的输出， 形成 一个或多个闭环。闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈 信号与系统给定值信号 相反 ，则称为负反馈 ( 若极性相同，则 称为 正反馈，一般闭 环控制系统均采用负反馈，又称负反馈控制系统。闭环控制系统的例子很多。比如人就是一个具有负反馈的闭环控制系统，眼睛便是 传感器 ，充当反馈，人体系统能通过不断的修正最后 做 出各种正确的 动作 。如果没有 眼睛 ，就没有了 反馈 回路，也就成了一个开环控制系统。 通过在开环控制器中增加一些辅助性元件和更加复杂的环节可以实现系统的闭环控制。闭环控制器通过减小期望速度 测量速度 c。期望速度和测量速度的差值为误差信号 差信号备放大 g 倍后产生控制命令。 采用这种闭环控制的比例控制器，即使在环境发生变化的情况下，也能使机器人以接近于期望速度值的速度运行。 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 15 页 图 3环控制系统示意 虽然闭环控制系统具有控制精确等优点，但由于系统中存在延迟问题将会导致系统振荡。通常提高系统的复杂程度为代价，许多方法可以使系统在不发生发散型振荡的情况下，能够以比较快的速度，精确的停止在目标位置，其中最常用的一种闭环控制系统是 针对机器鼠比赛的状态控制器 由于考虑采用步进电机作为驱动部件，因此在开环控制器的基础上提出状态控制器，这种控制器比比例控制器还要简单，只 有两种状态，根据传感器反馈信息实现状态之间的切换：当检测量高于某个设定的阀值，控制器输出一个数值；而当检测量低于该值时，则输出另外一个不同的数值。 状态控制器针对小车沿墙行走具有较高效的控制，如下图所示，在沿墙行走中，机器鼠试图在自己的右侧检测墙的位置，并据此确定自己的动作，最终达到沿墙行走的效果。机器鼠 采 用红外接近觉传感器检测自己的右侧是否有墙存在，这种传感器符合状态控制器要求，输出值为 0 或 1， 1 代表检测到有墙存在， 0 代表没有检测到任何东西。在沿墙行走过程中，当机器鼠在自己的右侧检测到墙壁时，它会沿原点位 于墙左侧的圆弧向远离墙的方向行驶；当没有检测到任何东西，机器鼠就会沿原点位于墙右侧的圆弧 轨迹 向墙 壁 靠近。 系统的延迟在一定程度决定了机器鼠 能 否能够完美的沿墙走。大的延迟会导致机器鼠的行走路径由一系列大曲率的圆弧组成；小延迟能够使机器鼠的行走路径近似 直线 ，几乎观察不到机器鼠有任何的方向矫正动作。 状态控制器有一个增益参数，亦即机器人运动曲线的曲率半径 R。如果 使系统具有很大延迟，机器鼠也能够比较平滑沿墙壁走。然而，出现拐弯时，如果拐弯方向朝向机器鼠一侧，那么机器鼠容易同墙壁发生碰撞；如果拐弯朝向另一 侧，那么机器鼠需要移动很远的距离才能返回靠近墙壁的位置。如果 R 比较小，机器鼠能够根据墙壁的状态变化坐车快速反应，然而如果系统延迟特别大的话，机器鼠在运行 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 16 页 过程中可能做出比较激烈的左右摇摆。 图 3器鼠沿墙行走示意 在 (a)中，机器鼠检测到在其附近有墙存在，机器鼠就会沿原点位于自己左侧的半径为 R 的圆弧向远离墙壁的左前方行驶。当机器鼠离墙太远，就会如 (b)所示，传感器检测不到墙壁的位置，机器鼠会重新向墙靠近，这时，机器鼠的行走轨迹是原点位于自己右侧的半径为 器鼠按照这种方式继续运行，要么靠近墙 ，要么离开。 在状态控制器中还需引入重要的环节 磁滞环节，使得当系统变量低于某个值改变状态，附录 三 ： 外文翻译 A is of to at of up of is an of a of by to as is a to a it is to a of of an on to I. a in It in an in a In of is is no TV of to is to a of as by a of 1. a we to as of is by a of 2. As a we to a to a at a of A. e a of of a an on we as it is to It be to a of it It be to a in of be a is of be to in it is so it t TV on an to a . an in is no to of in to to is of be no of of . to be it be to by on it be to of in or it to in of s). B. a s to It by to an to a of of is in is in in if to et a in a in is at a be In to It is do to be on of to to in of or of a be 1) be is a 2) s) be to an to be we as in 3) be to in of to to of to to of is be or of As a is a on of on to to of on of be C. on of 2). 1) be a of an be of a 13. It be an to an 2) be a) a of to If a is to in it to be or of b) If a or of an or if of an or it is a of of 3) We to no or at do is of of an 4) is it is a as if it is to be to 5) a of to a 6) do of be of a it is a to a be we no 7) to by to of is be as 8) be to or of or be be at If it is to it be to To we do we to 9) We in in a be to an As by We we of to as a A. 3, 6, l I, 12, 14, 41, 51) a be as a of a s to of of An of be in to at to a to it or be in a to do or of be to We to as of up on of of we on of of To we a of of an A of is an of a of a it A of a of We of an of l) as a in 0)or 1) 2) “by in 3) a of to 4) in 5) in of to 6) of in 7) of in of as a of a of a of it be of on B. he of of is we of a to of a to an to to of We by a It is We We it we we It is to is to of of to of it is to of 3). We a In a we a in as we be be We to A. be on is is no to an on be of of to of be In we as a to a of as be to a At be by be in to of be to of a be is of in a to a of by in it in a at a of An to is to on We is as in on In we be C. ut t we to a in is to is we t to in a We to We to a of to is a to is no or of on It is to is no of in is no we to as in a is no as it to be be by is by of . A to of is of is in In we of of a . A. is a a of a of is be if a on an is a to is up in a is on to A be as of An as a of s is to an A is of s is to a as a of A is A on s is on of is A of of to to of is in of of on of An of a in is . 附录四 ：实习报告 学生姓名： 学号： 专业： 班级： 时间： 实习单位：昆明铁路局昆明机务段 实习内容：参观昆明机务段修理厂，并学习专业相关的技术在实际中的使用情况，以及了解当前一些新的技术的发展与使用。 2007 年 4 月 9 日，我们机械电子工程专业的学生，开始进行毕业实习。在老师的带领下，踏上了北上的火车，经过将近一天的疲惫旅程，于次日到达春城昆明。四月的昆明，气候温和，神清气爽。阳春四月，春暖花开。出火车站， 一股暖洋洋的春意迎面扑来，顿使我们精神大增，忘却旅途劳累。同时，也给我们本次的昆明之行带上了神秘的色彩。去昆明实习的同时又可领略春城无限风光，一举两得，使得我们这次实习充满了无限的新奇与乐趣。 我们这次实习的地点是昆明铁路局机务段。出站口的时候，厂里面已经提前派人来接我们了。坐上武船重型工程有限公司的专用车，我们也顾不上疲劳了，一路顺道欣赏春城的美景。春城昆明，繁花似锦，美景如画，让人心旷神怡。 昆明机务段检修环境 按照实习安排，首先来到昆明机务段，学习相关的安全事项以及昆明机务段的历史、现况。 昆明机务 段位于昆明枢纽的昆明东站 ， 成立于 1965年，至今已有 41年的历史，有 2千多名员工，是成立的比较早的铁路服务部门， 该段电气化改造前为内燃机车中修段，担当贵昆线昆明至宣威机车交路和成昆线广通至昆明机车折返任务。七五期间贵昆电气化引入后，该段已建为内燃中修、电力小修段；八五期间南昆电气化引入后，该段改建为内燃、电力中修段；在九五期间，成昆电气化还将引入该段，并担当昆明至广通、金江机车交路 三条干线电气化引入昆枢后昆明机务段改建为昆明分局的内燃、电力机车中修基地。 为保证了西南地区的铁路系统正常运行 做 出了很大的贡献。 在以后的参观中，我们相继走访了内燃机修理车间、零件配修车间、电机维修车间、车体维修车间、车轮维修车间、零件自动存取立体仓库、电器元件及电力系统维修车间、机车测控系统实验室。 在内燃机维修车间内，主要是进行内燃机的大修。首先将其从机车上拆卸下来，然后进行全方位的维修，如排除故障、除尘、更换机油及润滑剂等。相对于内燃机车的维修车间，电机维修车间内显得拥挤不堪。到处是转子和定子及其他零部件。由于电力机车本身不携带动力，而是通过与电网接触来获得能量。电力机车用电机经历了直流直流模，交流直流模式到交流直流交流 模式。 待检修电机内部 在参观了电机及内燃机维修车间后，来到车轮及车体维修车间。在车体维修车间内，主要对车体性能的检测以判断车体性能是否还适合继续运行，以及对车体的破损部分进行修补。而车轮维修加工车间到处陈列着大型设备，主要是利用机床对车轮轮轨塌面进行矫正。 用于轮毂修缘的数控机床 昆明机务段使用的 双链传动 (气动步进 )自动超声波清洗机 该清洗机 使用时 工件由吊钩通过双链传动带动，自动进入各清洗槽，每工位同步传送，清洗时间可调。工件篮框经过多道清洗工序，最后被送至出料口处，自动放置在出料滚道上，完成全部清洗过程。清洗工序可以有：超声波清洗，漂洗喷淋清洗，漂洗，压缩空气鼓泡，吹干，高温浸泡，热风烘干，上油，磷化等工序及工序组合。 除此，我们还参观了调度室，这是一个小型的调度室，管理作附近的几十对列车的运行。虽然管理的对象不以多取胜，但是它的设施及功能还是比较完备的。在调度室内有数据库，由微机统一管理列车的信息。如列车编号，起始站、终点站，出车时间及相关 个司机等详细的信息，并通过大型的二极管阵列显示屏显示，使得信息简单明了，并且在调度室内还有自动查询机，可以供有关人员方便的查询与运行列车有关的信息。还让人感兴趣的设备就是一套列车仿真设备。它可以仿真该调度室管理的列车的运行：运行线路情况，包括路段上的转弯半斤，相应的行驶速度，涵洞个数及其位置。司机可以与仿真器进行一些惯常的交互操作，并能显示该操作的结果。通过这些仿真虚拟操作，可以使司机熟悉相关线路，错误降低到最少。 参观了其他车间后，作为实习的最后一项安排我们来到机务段的测控实验室，主要参观学习列车气压检测系 统和轴承温度检测系统。其中温度检测系统采用网络结构，将列车上的所用传感器集成在一个系统中，便于信息的统一采集和管理。 在参观后半段，机务段的管理人员还专门为我们介绍机务段的工作职能和管理体制。 目前机务段机车检修主要采用计划预防修，段技术室、检修车间根据机车走行公里数、各修程的定检公里制定机车检修计划，根据各主要部件在各修程的检修内容及技术人员对各部件的检测情况开列检修工单，各班组、各工段检修人员按检修工单的要求完成检修任务。机车乘务员在机车运行中发现的故障及地勤检查人员在机车检查中发现的故障
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