一种多功能搜救机器人的设计

2013届本科毕业设计（论文）文献综述题目一种多功能搜救机器人的设计学院电气与自动化工程学院1.前言机器人大量生产和进入工业部门，代替人从事有害的生产活动，是新的工业革命特征之一。1982年美国对未来机器人的发展曾用特尔斐法作过预测。预计今后十几年里，非伺服、不可编程序的机器人将绝迹。到1995年，95％的工业机器人为智能、万能和可编程的机器人。其中一项具体预测是，到1990年机器人中25％有视觉功能；20％有触觉功能。在新型装配机器人中，45％为可编程序系统。日本机器人协会预测:八十年代将是日本机器人生产发展的一个重要时期。中国机器人的研究二十世纪七十年代开始的，至今已有30多年，到目前为止大体分为三个时期：摇篮期，规划发展期及拓广发展期。但相对于日本，美国，欧洲等发达国家来说，还处于追赶阶段；美国9.11事件中，其国内主要机器人生产公司和研究机构都组织参加了纽约世贸大厦现场的搜救工作，如南佛罗里达大学机器人辅助搜寻与救援研究中心，MIT的IRobot公司，美国海军的SPAWAR研究中心，以及具有五十多年历史的Foster–Miller公司等。据时代周刊报道：在最初的十天当中，救援机器人在搜救犬，人工无法抵达的狭小或危险区域找到十余具遇难者的遗体，与现场搜救工作人员找到的数量基本相同，但所花的时间却不到现场救援人员花费时间的一半。而我国在四川地震中，据资料显示，搜救机器人并未得到很好的利用，参加搜救的主要还是以消防官兵及搜救犬。2.功能论证按照预定要求，机器人应该满足搜与救两项功能。搜救机器人集成了温度传感器、烟雾传感器，可以辅助反映救灾现场情况，同时可以将这些信息发送到上位机，告知搜救人员搜救时将会遇到的问题。车上装有热释电红外线传感器和无线摄像头，可以进行较远距离的生命探测，告知搜救人员目标位置。同时当车行进到被困人员前，可以向其提供营养液，为正式的救援提供宝贵的时间，这一功能是许多搜救车都没有体现出来的。车上装有机械手，主要帮助搬运压在被困人员身上的物体，同时如搜救车行进途中遇到障碍，也可以使用它进行搬运排除。无线通讯距离长，抗干扰能力强，操作指令丰富并可编程，能满足大量操作需求。其硬件功能框图如下：研究内容本课题设计研究一种多功能搜救机器人，研究了机器人的机械结构、外围电路，软件时序研究及基于单片机的多路舵机控制方法研究，具体包括：（1）机器人机械结构设计：包括机械装置设计，机械强度测验等，保证搜救机器人有较好的越野性和抗震能力；（2）外围电路设计：包括电源供应，光检测电路，热释电红外人体检测电路及烟雾报警电路等；（3）软件时序研究：涉及到舵机的控制信号周期，温度检测元件，电机启动惯性导致的迟滞效应等，这些在调试中出现不少困难，需单独研究；（4）多路舵机控制算法：讨论算法的选择及具体设计思路。4.算法选择FPGA、模拟电路、单片机都可以产生舵机的控制信号，但FPGA成本高且电路复杂。对于脉宽调制信号的脉宽变换，常用的一种方法是采用调制信号获取有源滤波后的直流电压，但是需要50Hz信号，这对运放器件的选择有较高要求，从电路体积和功耗考虑也不应采用。5mV以上的控制电压的变化就会引起舵机的抖动，对于机载的测控系统而言，电源和其他器件的信号噪声都远大于5mV，所以滤波电路的精度难以达到舵机的控制精度要求。利用时间微分法单片机最高可以输出32路供舵机使用的PWM波。方法描述如下：将一个20ms的周期分成500个时间段，初始化时将各通道置高电平，定时器初值设定为40us，32个PWM通道的脉冲宽度计数器值放在一个数组内，定时器在每个时间片结束后进入中断程序，各脉冲宽度计数器都减1，如果值不为0，对应输出通道输出值仍为1，否则取反。中断结束后定时器再复位，开中断，500个时间段运行结束后重新开始一个周期，从而产生周期为20ms的PWM波。该方法最多能输出32路PWM波，但是会产生大量中断服务程序，对于多中断系统会导致严重的中断丢失问题，例如本文所设计的机器人需要利用串口进行双向传输数据的系统。考虑到上述原因，本文使用的是软件延时法，其程序算法说明如下：已知舵机对于输入的PWM波频率规定为50Hz，但是其对于相位并无要求，鉴于这个特点，使用软件延时最多能实现8路PWM波输出。算法描述如下：（1）A路输出2.5ms脉冲（根据设定角度输出相应时间的正脉冲，不足时间由低电平补至2.5ms），此时其他五路无输出，即输出2.5ms低电平；（2）B路输出2.5ms脉冲（同A路，不足时间由低电平补至2.5ms），此时包括A路的其他五路无输出，即输出2.5ms低电平；（3）同理，输出C,D,E,F,G,H路；此时，1-3步总共耗时为2.5*8=20ms，其中每路由一个小于2.5ms的正脉冲和低电平补偿时间组成。重复1-3步。总结本使用Atmel公司的8位单片机ATmega16为控制核心，外围信号采集设备包括热释电人体红外感应模块，烟雾报警模块及DS18B20测温芯片，通过蓝牙HC-06模块实现了机器人的远程控制。参考文献：[1] 张培仁.基于16/32位DSP机器人控制系统设计与实现[M].北京:清华大学出版社，2006.[2] 谢克明.自动控制原理[M].北京:电子工业出版社，2009.[3]邵贝贝.单片机嵌入式应用的在线开发方法[M].北京:机械工业出版社，2004.[4]薛涛.单片机与嵌入式系统开发方法[M].北京:清华大学出版社，2009.10.[5]孙传友，孙晓斌.测控系统原理与设计[M].第二版.北京:北京航空航天大学出版社，2007.12.[6]周丰，王南山，陈卉.C语言教程[M].武汉:华中科技大学出版社，2008.[7]谭浩强.C程序设计[M].北京:清华大学出版社，2005.[8]康华光.电子技术基础[M].北京:高等教育出版社，2006.1.[9]孙传友，孙晓斌.测控系统原理与设计[M].北京:北京航空航天大学出版社，2007.12.[10]彭伟，单片机C语言程序设计实训100例:基于AVR+Proteus仿真[M].北京:北京航空航天大学出版社，2010.5.[11]刘海成，AVR单片机原理及测控工程应用:基于ATmega48/ATmega16[M]北京:北京航空航天大学出版社，2008.3.[12]吴新杰AVR单片机项目教程:基于C语言[M].北京:北京航空航天大学出版社，2011.1.[13]范红刚，宋彦佑，董翠莲.AVR单片机自学笔记[M].北京:北京航空航天大学出版社，2012.7.[14]秦志强，彭建盛，谭立新.AVR单片机与小型机器人制作[M].北京:电子工业出版社，2009.6.[15]杭和平，邵明刚，杨芳.AVR单片机原理与GCC编程实践:智能小车的系统开发[M].北京:中国电力出版社，2012.9.学生（签名）年月日目录目录第一章总论 1一、项目概述 1二、可行性研究报告编制依据和范围 2三、项目主要经济技术指标 3四、******国家森林公园概况 3第二章项目背景及必要性 8一、项目背景 8二、项目建设的必要性与可行性 10第三章项目选址分析 13一、项目选址 13二、项目城市概况 13三、经济发展概况 14四、公共设施依托条件及施工条件 17第四章需求分析与建设规模 18一、****国家森林公园现状与存在问题分析 18二、****国家森林公园日容量预测 19三、****国家森林公园景区厕所需求面积分析 20四、****国家森林公园景区厕所建设规模的确定 20第五章项目建设方案 21一、景区厕所工程建设方案 21二、景区引水上山工程建设方案 27三、基础设施工程建设方案 32第六章环境保护与劳动卫生安全 34一、环境保护 34二、劳动卫生与安全 35第七章节约能源 36一、节能的相关法律及设计规范 36二、节约资源措施 37第八章项目实施进度与管理 39一、项目实施进度 39二、项目管理 40第九章工程招标 44一、招标依据及原则 44二、项目招标范围及内容 45第十章投资估算及资金筹措 48一、固定资产投资估算依据 48二、投资估算资金筹措方案 PAGE