网格式的移动机器人导航创新设计方案.doc

网格式的移动机器人导航创新设计方案一、问题的提出和分析11 问题的提出创新实训课程是利用乐高机器人套装设计机器人完成实训任务的。最后我们选择的结课任务是基于网格式的移动机器人导航。它要求我们自主导航机器人，并编写导航控制程序。 乐高机器人套装中包括RCX控制器、马达、角度传感器、光线传感器、触动传感器、温度传感器以及近800件搭建机器人所用的基础构件等。利用这些器件，可方便搭建各种机器人。Robolab软件是乐高机器人编程软件，拥有图形化的编程界面；运用该软件可方便快速的编写机器人控制软件。 自主导航机器人是指移动机器人通过传感器感知环境和自身状态，实现在有障碍物的环境中面向目标的自主运动。 导航主要解决的问题：1) 通过一定的检测手段获取移动机器人在空间中的位置、方向以及所处环境的信息。2) 用一定的算法对所获信息进行处理并建立环境模型。3) 寻找一条最优或近似最优的无碰路径，实现移动机器人安全移动的路径规划。总结一下导航面对的问题有三点：定位、建图、路径规划。 传统的导航方式：A.电磁导航（路径地下埋电缆，流过不同频率的电流，作为路径信息）B.光反射导航（路径上贴光反射条）C.视觉导航（实时性是关键）D.味觉导航（搜寻空气污染源和化学药品泄露源）E.声音导航（无方向性,时间分辨率高,能在黑暗中工作等优点）前两者多用于制造行业，目前已比较成熟。 路径规划：移动机器人按照某一性能指标搜索一条从起始状态到目标状态的最优或次最优的无碰路径。(1) 静态路径规划：离线全局路径规划，环境信息完全已知。(2) 动态路径规划：在线局部路径规划，环境信息部分或者完全未知。12 问题的分析1、乐高组件：通过前三次认真仔细的创新实训，我对乐高组件已经有了更多的认识。乐高组件是一种优秀的科技教育产品，它将模型搭建和计算机编程有效的结合在一起，使学生能够设计自己的机器人，在计算机上编写程序，然后通过与计算机相连的红外发射器将程序下载到机器人的大脑RCX微型电脑，启动RCX的开关，机器人就可以完全脱离计算机，按指令独立运动。LOGO电动机，可以用来驱动轮胎，可以用来带动齿轮转动；LOGO光电传感器，可以用来感知前方光源的变化；LOGO触动传感器，只要接触到物体就可以通过他传输到RCX微型电脑来改变命令；LOGO齿轮，可以用来传递各种运动；LOGO积木，可以达成各种形状，实现多种功能。2、实训目标：【实训目标】 机器人导航运行环境是用黑色纸带拼成的网格，网格尺寸约20cm，以使各种尺寸的乐高机器人都能在一格内旋转任意角度而不出界。网格至少为55格大小。背景为白色，这样方便光线传感器判断网格边界。导航功能如下：机器人开始处于某一单元格中，计为（X0，Y0），由此开始运行到（Xn，Yn）单元格处。然后返回（X0，Y0）处。在某些单元格中，放置障碍物。要求机器人能绕过障碍物，自主规划行走路线。【初步分析】导航机器人必须具备下面一些主要的功能：（1）行走功能，导航机器人的行走系统可由LEGO低速电机经齿轮传动适当组合进行减速，驱动轮子。这过程需要两个个电动机，用来给左右的两个轮胎提供动力，使其运动。（2）导航机器人开始处于某一单元格中，计为（X0，Y0），由此开始运行到（Xn，Yn）单元格处。在某些单元格中，放置障碍物。要求机器人能绕过障碍物，自主规划行走路线，停在（Xn，Yn）格内。 三、方案选择和模型搭建 1、导航机器人的搭建。经过上面的分析，本次实训的任务和目标我们完全可以用实训四的小车加以改进得到。所以我们把光电传感器从新安放就得到了本次实训的机器人。2、光传感器的放置。光传感器1，用于判断是否有障碍物我们在原小车前端的两侧空余地方装上了两个光传感器，这是准确判断是不是再走黑线用的。并完成坐标运算中的计算（容器值的计算）。光敏传感器3，用来X轴计数光敏传感器2，用来Y轴计数 GROUP 14 导航机器人传感器布置 3、导航机器人的最后外型右视图俯视图左视图后视图四、程序编制和程序说明 ROBOLAB是乐高机器人专用的编程语言，它利用图形化编程环境，使的我们特别容易掌握，ROBOLAB软件编程不需要识记各种语句的格式，不需要在电脑上输入语句，只要将所需要的图标逻辑性的连接起来就可完成程序的编写。程序的实现过程，将近用了我们实训的一半时间，因为这里面需要考虑到太多的因素，时时都有新的想法出现。我们也是在摸索中不断的完善我们的程序。程序全图： 见附件1 导航机器人程序全图程序流程图：见附件2 导航机器人程序流程图程序说明： 程序总体上是利用分支结构和事件监控来完成设计所需任务的。事件的定义和监控主要用来应对导航机器人遇见障碍物后执行的动作任务。 从（X1，Y1）开始，直到导航机器人运行到（X5，Y4）单元格，我们采用容器计数的方法，用红色容器值表示X轴，用蓝色容器值表示Y轴，当光传感器2，3每经过一次黑线后各容器自动减1。注意：X轴先减，减到0值后转弯完成Y轴容器值的变化，最终完成到达目标坐标的任务。五、运行结果和实训小结 运行结果：在输入程序之后，两小组机器人按照预先的指令实现了设计的要求。经老师查看后进行拍照、程序记录。导航机器人在初始位置（X1 ，Y1）导航机器人在行进过程中的位置（X5 ，Y1）导航机器人在目标位置（X5 ，Y4）实训小结：经过八个星期的学习，我们迎来了创新实训课程的结课设计，创新实训课程即将结课。短短八个星期的学习，我感受到了巨大的提高。对于创新实训课程和乐高组件，我有太多的感受。通过此次创新实训结题实训，我们出色的完成了基于黑线网格的机器人导航任务。当然过程中我们遇到了很多的困难，不过在老师的帮助下我们最后还是成功了。本次实训我们还录制了视频剪辑，对大家在完成任务过程中遇到的困难做了详细的记录，对大家来说也是一个记忆和宝贵的经验。我们传统的教学方式与教材，都倾向与就一个给定的问题，告诉我们一个既定的答案，所以以前的我，思考问题总是照着一条思路走，特别是对于课本上的知识，都是老师讲什么我就接受什么。而现在，通过这个实训，通过乐高组件，给我提出了开放性的问题，可以让我用不同的方法达到同一项目标，这在很大的程度上锻炼了我的想象力、创造性和开放性思维。特别是在方案的选择和程序的编写上，那不断的改进，都让我不断的开阔了思维。我们的提高和学校开设这门课程是息息相关的，我们要特别感谢学校以及学院给我们这样一次机会，让我们得到了锻炼，让我们充分认识了创新能力的重要。 六、鸣谢 我们的提高和学校开设这门课程是息息相关的，我们要特别感谢学校以及学院给我们这样一次机会，让我们得到了锻炼，让我们充分认识了创新能力的重要。另外要特别感谢武刚老师在整个过程中给予的指导和帮助，老师总是耐心给我们讲解这些知识，特别是在我们遇到困难的时候，总是热情的启发我们去解决，使我们顺利完成了机器人的设计和编程，也让我们充分发挥了我们的创新才能。 还要感谢李辉同学提供了数码相机，为我们拍照片，和录制实训过程。造型专业王耀民同学对我们视频做的非专业级别的剪辑。14键入文档的引述或关注点的摘要。您可将文本框放置在文档中的任何位置。可使用“文本框工具”选项卡更改重要引述文本框的格式。附件一 七、参考资料 1, 刘全良.基于LEGO的工程创新设计.北京：机械工业出版社，2006.3 2, 罗绍新.机械创新设计.北京：机械工业出版社，20033，黄纯颖 .机械创新设计.北京：高等教育出版社,20004，乐高教育部门：/dacta/5， Robolab的官方网站：/dacta/robolab/6, http:/conexi