【毕业学位论文】（Word原稿）家用机器人自动充电系统设计

010 1 09034 家用 机器人自动充电系统设计 摘要 : 本课题主要采用超声波传感器来感知机器人周围的环境以及描述充电器周围的环境 ,并将充电器周围的环境通过无线电通讯装置传达给机器人 ,让机器人在房间内搜索一切环境同充电器周围环境相似的可疑区域 ,并以发现红外线作为找到充电装置的信号 ,此时机器人进入追踪模式，通过红外线 ,帮助其准确的进入充电装置进行充电 已经获得了部分关于充电器周围环境的信息 ,机器人的搜索不再盲目 ,使机器人能够更加快速的找到充电装置 红外光线的光强度进行导航所受热光源的干扰较大 ,本系统利用了红外通讯的一些特性来进行导航 ,虽然所用时间相比一般直接应用红外光强度导航的的方法要多一点 ,但通过试验验证确定能够不受热光源的干扰 关键字 : 自动充电 机器人导航 超声波测距 红外灯塔 无线电通讯 引言（前言） 随着机器人技术的进步，越来越多的家用机器人走进了我们的生活，例如各种各样的玩具机器人，以及能够在一定程度上帮助人们减轻负担的各种清扫机器人等。鉴于此，家用机器人在电不足 的情况下，自主寻找充电装置进行充电的功能，已经成了各个机器人研究机构必须要研究的方案。 家用机器人在运行时应有三种模式： 工作模式下的家用机器人在进行特定任务（比如扫地，检查房屋安全情况等）的同时，不断通过模数转换来实时监控自己的电压情况，当电压低于某一阀值时进入搜索模式， 在搜索模式中，本文主要采用超声波传感器来感知机器人周围的环境以及描述充电器周围的环境 ,并将充电器周围的环境通过无线电通讯装置传达给机器人 ,让机器人在房间内搜索一切环境同充电器周围环境相似的可疑区域 ,并以发现红外线作为找到充电装置的信号 ,此时机器人进入追踪模式，通过红外线 ,帮助其准确的进入充电装置进行充电 已经获得了部分关于充电器周围环境的信息 ,机器人的搜索不再盲目 ,使机器人能够更加快速的找到充电装置 本系统利用了红外通讯的一些特性来进行导航 ,虽然所用时间相比一般直接应用红外光强度导航的的方法要多一点 ,但通过试验验证确定能够不受热光源的干扰 010 2 （ 由于设备原因，发现充电坞之后利用红外导航系统进入充电坞的硬件设备与在没有发现充电坞的情况下，通过无线电通讯寻找充电坞的硬件设备存在不同。） 踪模式的硬件设计 追踪模式下的硬件系统采用复旦大学研发的家用机器人爱家一号 作为 实验设备。 图为爱家一号 爱家一号底盘 追踪模式下的控制电路为 用 发板由核心板 底板成 ， 用 6 层板设计，并用等长布线以满足电路信号完整性要求； 基于心板的功能测试底板，采用 2 层板设计，上面有各种常用的接口，如标准 络、音频输入输出、 (如图 1，图 2) 图 2 图 1 1 3频 400高 533板 64M 2据总线 ,钟频率高达 100口资源 : 1 个 56 距 口 1 个 50距 口1 个 56 距系统总线接口 在板复位电路 , 在板 10距 口 , 4 个用户调试灯 010 3 力部分 机器人采用的动力方案是三轮全向（如图 3），通过矢量合成的原理，拥有向八个方向移动的能力，本项目在实验过程中主要应用其后退以及转向的功能。 图 3 电坞的设计 电坞红外灯塔电路 机器人结束搜索模式并开启追踪模式的转折点在于，发现由红外线放出的信号，为了帮助机器人能够找到充电坞并成功对准位置进入充电坞，我们设计了这个红外灯塔电路，电路中包含一块控 制板： 过电路的调制，电路上的 3个红外发射装置不断向外发送 1， 42， 43，即字符 A， B， C。 充电坞红外灯塔电路图 010 4 电坞的红外分布设计以及形状设计 充电坞的红外灯塔的发射装置安装在充电坞内部，从左到右依次分部为发射 A， B， C 三种字符的发射装置，A， C 信号用作使机器人调整自己相对于充电器 的方位，红外发射信号的功率极小，通常只有在极近且位置正确地情况下才能被捕捉，所以 B 信号用来确认机器人是否已经调整到最正确的位置，并使其停止。 （图为红外发射装置分布示意图） 发射装置通过在充电坞的外壳上所开的“窗户”来实现将红外信号发射到外部，由于安装比较靠内部，所以不会造成在其他方向的误导机器人的红 外光，经过实验，红外发射装置的功率不宜过大，最适宜的功率是使机器人能在充电坞正面距离 的地方捕捉到红外线，功率过大易造成红外光线在室内胡乱反射，使机器人无法准确确定充电坞的位置。充电坞的形状类似于三角形的，在三角形的一条边上开口使机器人进入，其余两边封闭并设计成流线型，以此帮助在追踪过程中产生误差的机器人能够在进入充电坞之后，需要更精确调整位置的时候，能够通过机械手段进行误差校正。充电坞的充电插头是连接在充电器底部的两个金属突起，它们作为电极，当机器人在充电坞中，通过红外的帮助调整到最佳位置时，充电器 底部的金属突起会自动滑到机器人底部连接电池的两个金属片从而进行充电。（图 4为充电器图） 图 4 010 5 外接收模块的电路设计 追踪模式下机器人通过接收模块收到的 诉单片机它所接受到的 此得出机器人在充电坞的左，中，右的具体方位。（图 5为红外接收模块电路图，图 6为实物） 图 5 图 6 以上为追踪模式下的硬件设计，下面介绍搜索模式的硬件设计 索 模式下的硬件设计 追踪模式下的硬件设备使用的是 中鸣数码科技有限公司 的商业化开发平台。（ 图 7为追踪模式实验用的四轮全向机器人，图 8为模拟充电坞，图 9为模拟红外灯塔的红外发射装置） 图 8 图 9 图 10 索 模式下的控制电路 控制 器为 中鸣数码科技有限公司 设计的 制器，其核心单片机采用的是 司的 片，控制器备有 8 个模拟读数端口，更加细致地采集各种信息；还有 2 路马达专用端口、 12 路数字端口 。 控制器同时备有自由端口 ， 自由端口用来连接各类传感器模块和其它功能模块，并可根据需要由用户自由定义为输入或输出端口；自由端口允许连接多达 24 个以下的各类传感器，其中有 8 个模拟量输入端口。自由端口的定义十分灵活，除了包括电源针正极 (V)和负极 (G)外，可以使用一个或多个控制针，具体的定义要根据所使用到的传感器类型来决定。 2 图为控制器 大容量机器人控制器 鸣机器人， (械人无线模块（图 其特性为： 1. 微功率发射，最大发射功率 10 2. 调制方式，带内置纠错编码算法 3. 200米开阔地通讯距离。 4. 多 信道通信 图 个模块同时使用时频率设置 (收发模块设置成同一频率，注意先关闭电源 )，线路版上拔位开关的“ 1/2/3”用来设置频率 接口描述 ： 颜色 名称 /功能 黑 线 红 +5V+源 黄 据信号线 棕 钟信号线 目前， 器人无线模块使用的 件地址是 0要用标准 议，用发送数据，用 方式来接收数据就可以了。 3 而在本实验中，无线通讯模块被接插在 过程序在端口模拟 索 模式中的超声波测距模块 机器人使用超声波测距仪来探测周围环境， 测距用脉冲回波法，第一次收到物体反射回来的超声波与发送超声波之间的时间 t 乘以声音的速度 v 就是超声波传感器到被测物体之间距离 s 的 2 倍。声速 v=( )m/s，其中 T 为空气温度。 机器人所用的超声测距模块（图 中鸣数码科技有限公 司生产的 测量范围 3厘米 400厘米。 2块的硬件地址是 0用标准 块的返回数据是 个 4 鉴于笔者参考的几篇论文（详见论文后参考资料）的其中几篇 （图 文章说到的关于超声波测距可能存在的误差问题，笔者认为，超声 波测距仪虽有误差，也确实有极少数情况下出现一些论文所述的 34误差 5。但笔者认为在该方案中 3误差远远小于能够捕捉到红外线的 距离，这个误差在宏观应用中可以忽略，而参考大多数小康家庭的住房面积，超声波测距由于超声波本身在空气中传播的速度问题导致的运算速度偏慢体现也不明显，故笔者以为超声波传感器非常适合用于本方案。 索 模式中的指南针传感器 3 器人无线模块使用说明 ，中鸣数码科技有限公司 4 级超声波测距模块 用说明，中鸣数码科技有限公司 5 基于红外线传感器的机器人室内空间定位技术，复旦大学本科毕业论文，王迪 010 7 机器人所用的指南针模块（图 中鸣数码科技有限公司生产的 级指南针模块 ，精度为 2 度。通过软件模拟 实现同控制器的通讯。 图 机器人硬件 设计 器人动力部分设计 由图 8 可知（深蓝色部分为全向轮），机器人的动力方案为四轮全向（见图 通过矢量的加减法，在本实验中的机器人可以向八个方向进行移动。 感器方案 机器人在每隔九十度的四个方向上安装了四个超声波测距传感器用来搜索疑似区域以及避开障碍物。并在顶端安装了一个指南针传感器，用来校正机器人的正面同充电器的正面的角度偏差。由于设备原因，在追踪模式实验中的红外灯塔不具备发送字符的能力，而只是单纯的发射红外光。所以检测红外光的传感器也改成普通的可检 测红外光等热光源的传感器。 （如图 图 搜索 模式下的充电坞设计 在追踪模式的实验中用到的充电坞是用一个机器人模拟的。（见图 9）这个模拟充电坞包含四个超声波传感器，一个指南针以及一个无线电通讯设备，所用设备型号同机器人上所用的型号相同，用来模拟红外信号的是中鸣数码科技公司生产的 外小足球的内核（见图 10）。 （本实验方案无论在何种模式下，充电坞的红外灯塔处于常开状态） 工作模式下的家用机器人在进行特定任务（比如扫地，检查房屋安全情况等）的同时，不断通过模数转换来实时监控自己的电压情况，当电压低于某一阀值时，机器人应开始寻找充电设备，当机器人捕捉到充电坞发出的红外线时，机器人进入追踪模式，追踪红外线并通010 8 过红外线做出适当的姿态校正以进入充电器进行充电。而当机器人没有收到红外线的时候则进入搜索模式。 所以，机器人的流程控制图可表示为： 踪模式程序设计 通过 硬件介绍，我们可以知道，充电坞在不断的向外发送红外信号当机器人捕捉到红外信号时，在程 序中读到的信息是一个字符，比如字符 A，由于机器人红外传输信息存在丢包，也就是说同样发射 10000 次信号，而由于距离等因素，最后传感器只读到 2次字符。丢包的数量跟距离有关，距离越大，丢包数越大。所以当机器人靠近充电坞一侧时，接受到同侧的字符的次数必然大于另一侧的字符数，比如机器人在充电器的右端，那么必然接受到的字符数 C A，那么显然，通过比较接受到的字符数的多少，可以得到机器人相对于充电器的位置，是靠左还是靠右，从而进行位置的校正，在靠右侧则往左进行转向，在靠左侧则往右进行转向调整，当机器人的中轴线穿过充电坞 中点附近，即机器人应以正确姿态停止的地点时，机器人读到两遍字符次数差不多，此时机器人前冲靠近目标位置，算法用伪代码可表示为： AC） /左侧 右转（）； CA） /右侧 左转（）； 前冲（）； 而当机器人进入充电坞时，由于离发射电路距离极近，丢包现象不明显，由于机器人在010 9 不断的转向调整，所以机器人有可能是倾斜着进入充电坞，似乎不能继续靠此算法来调整姿态，但当机器人倾斜角很大时，由于遮挡的原因，离接收管用的红外不能被接收管捕捉，所以程序会认为在冲电坞的某侧，转向进行调整，当倾斜角不大时，充电坞硬件设计时考虑到的“流线型边框”可以帮助机器人通过机械手段来校正姿态，通过边框滑入充电槽。 图为倾斜进入充电坞 当机器人在充电坞内的极少数情况中，机械纠偏也许会使机器人卡死在边框上，笔者在实验过程中的红外最远可被机器人捕捉的距离是 卡死的情况通常发生在直冲的情况下，由于最远的直冲距离为 据机 器人的速度，易知在正常的情况下机器人不可能长时间出处于直冲状态，故笔者在机器人的直冲的部分程序中，加入了计时器，程序一旦进入直冲部分时便启动计时器，在正常时间范围内作出下一个非直冲的动作则计时器清零，如果发现此次直冲所计时间远远大于机器人正常情况下前冲到正确位置所用的时间，那么就进入防卡死程序，通过控制电机摆脱卡死。 图为运行过程中卡死的情况 机器人不断记录最后一次发现红外时自己红外线相对于自己的位置 ，以便在极少数突然失去红外信号的时候能够快速找回红外信号继续追踪，如果丢失信号后长时间无法找回，则进入搜索模式。 010 10 但机器人调整到较正确的位置并且已经进入充电坞时，机器人会检测到 B 信号，此时机器人电机前冲数秒，以在一些还未完全断对准位置的情况，仍有部分误差的情况下，通过机械纠偏滑入充电槽。 开始充电之后，机器人停止活动。 索模式的软件设计 当电压低于某一阀值时，而且机器人没有捕捉到充电坞发射的红外光的情况下，机器人通过无线电通讯设备向充电坞发送一个示意其电压偏低应回去充电的信号，此时，当充电 坞在接受到机器人所发出的信号后，将向机器人发送包含自己的指南针角度方向以及前后左右四个超声波测距仪的测量值的信息。 认通讯建立 发送之前，充电坞将先向机器人发送一个信号，机器人再收到这个信号之后，再发送另一个确认收到的信号给充电坞使其停止发送该信号，以此在数据开始传输之前先确认通讯是否已经建立。 般传感器 6信息 的发送 发送一般传感器数据时，为保障数据的成功发送，采用的是应答氏的发送模式，即在机器人没有向充电坞反馈其收到信号时，充电坞不断的发送这一数据，直到得到机器人的信号反馈 ，同样在发送新数据之前，充电坞会告知机器人即将发送一个新数据，让机器人好好能够做好接受准备。 南针数据的发送 指南针的数据发送方式仍是应答氏的模式，但由于硬件限制，无线电通讯模块一次只能发送一个字节的数据，而指南针得到的传感器范围是 0360。所以指南针数据的发送分为两个部分： 1 发送二进制数表示充电坞得到的指南针数据是否超过 255。 1：表示超过。 0 表示没有超过，机器人接受到之后会在解码后将数据取反之后再发还给充电坞，保证机器人确实得到了指南针的取值范围的信息。 2 当指南针数据小于 256 时，发送 当前数据，当指南针数据大于 255 时，发送当前数据减去 255 之后的数据，接收端的机器人收到数据后，根据先前收到的关于取值范围的信息，若原数据大于 255 则在接受到的数据基础上加上 255，反之则不对接受到的数据进行处理。 第二部分的程序截图 6 这里的一般传感器指返回给单片机的信息为一个字节的传感器 010 11 受到的数据的处 理 当机器人接受到充电坞发送的数据时，机器人将得到的数据进行分组归类，将充电器前后两个充电器的归到 X 轴组，左右两个充电器归入 Y 组，再在不同组间进行排列组合，得到四组数据，每组数据都由夹角为九 十度的两个超声波测距仪的数据组成，根据勾股定律算出哪一组传感器得到的离周围障碍物的距离最小，机器人就根据这组值来确定可疑区域，从而进行搜索。 同样的，在得到充电坞的具体数值之后，机器人将充电器所在的角度设定为正北方向（即数值上的 0 方向），在搜索的同时不断保持机器人的中轴线同充电器的中轴线大致平行且方向大致相同。 指南针置正北程序截图 保持平行的校正程 序截图 超声波测距数据处理程序截图 索模式下的路径规划 假设将机器人投掷在房间中央，机器人会先根据处理后的正北方向先对准这个方向再根据经过数据处理后得到的“最近超声波测距组”的数据 d1,行取值范围的微小放大，设放大后的区间叫 d3,器人会读取自身与充电坞“最近超声波测距组”相匹配的两个超声波测距仪的数值，并通过对电机的操作来靠近 d3,一般情况下，机器人总是先使机器人的一个测距仪满足区间，再去继续寻找另一个传感器匹配的区间，假设无法找到，就先 满足另一个传感器的区间再去寻找这个传感器的匹配范围如果仍旧无法找到疑似区域，那机器人将会使用“次近超声波测距组的数据组”的数据来寻找疑似地点，如若再无法找到则010 12 依次类推。 另外，在搜索过程中，机器人会不断捕捉充电坞的红外信号，如果在搜索时发现红外信号，则退出搜索直接进入追踪模式，否则则会继续搜索疑似区域，如果在到达疑似区域后无法检索到充电器的红外信号，机器人将继续向下一个疑似区域靠近直到捕捉到红外信号为止。 捕捉到信号后，机器人将自动进入追踪模式。 3 结论 本项目系统的综述了家用机器人如何有效的利用四 路超声测距仪、指南针，以及利用在充电坞上安装传感器描述其周围环境，并通过无线电通讯设备将充电器周围的环境信息告知机器人并最终能够快速的实现定位。且本文介绍的方法完全无需准确知道机器人当前所在准确位置