基于行为设计的自主移动机器鼠研究毕业设计

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IEEE每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 AbstractThe Mobile Robert is a recently developing synthetic discipline which represents mechanical-electrical integration and centralizes the latest research of mechanics, 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. 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 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 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 mechanical 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 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 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 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 机器鼠的设计任务及方案分析103.1 微型机器鼠竞赛介绍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 机器鼠移动机构方案选择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 机器鼠红外传感器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 Karel 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：