基于asuii的机器人吸尘器的研究与设计测控技术与仪器.docx

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基于asuii的机器人吸尘器的研究与设计测控技术与仪器

毕业设计

题目：

基于AS-UII的机器人吸尘器的研究与设计

学院：

电气信息学院

专业：

测控技术与仪器班级：

学号：

学生姓名：

导师姓名：

完成日期：

2014年6月

毕业设计（论文）任务书

题目：

基于AS-UII的机器人吸尘器的研究与设计

姓名学院电气信息学院专业测控技术与仪器班级学号

指导老师职称讲师教研室主任

一、基本任务及要求：

本课题要求设计一个基于AS-UII的机器人吸尘器。

通过本系统的研究与设计，完成：

研究机器人工作原理与结构，包括机器人计算机系

统、传感器系统及执行系统；研究机器人的行走策略并设计算法；设计自动吸尘器的

硬件及软件。

二、进度安排及完成时间：

第1周讲解课题、分析、领会课题内涵，查阅资料

第2周~第4周查阅资料、撰写文献综述、撰写开题报告

第5周~第6周毕业实习、撰写实习报告

第7周~第8周提交需求分析报告

第9周~第10周完成硬件设计

第11周~第14周完成软件设计

第15周撰写毕业设计说明书

第16周毕业设计答辩

诚信声明

本人声明：

1、本人所呈交的毕业设计（论文）是在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果；

2、据查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经公开发表过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料；

3、我承诺，本人提交的毕业设计（论文）中的所有内容均真实、可信。

作者签名：

日期：

年月日

基于AS-UII的机器人吸尘器的研究与设计

摘要：

家用清洁机器人是当今服务机器人领域一个热门的研究方向。

虽然已有很多样机和产品产生，但它们仍有很多的问题需解决：

如动态环境中的适应性，它的覆盖率和盖效率及其成本等。

吸尘器自主地在房间内吸尘而不需主人太多的干预是一件非常有挑战性的工作，它涉及了当前多项人工智能技术，从理论和技术上讲，全自主智能吸尘器比较具体地体现了移动机器人的多项关键技术，具有较强的代表性．从市场前景角度讲，全自主吸尘器将大大降低劳动强度、提高劳动效率，适用于宾馆、酒店、图书馆、办公场所和家庭。

因此开发自主智能吸尘器既具有科研上的挑战性又具有广阔的市场前景。

本设计采用广茂达公司的能力风暴机器人AS-UII设计智能吸尘器，完成了对机器人工作原理与结构的研究，设计了机器人的行走策略并设计算法以及设计智能吸尘器的硬件。

本设计利用能力风暴机器人设计吸尘器，对吸尘机器人的路径规划和行走策略进行了探究，并注重相应算法的实现。

本设计利用能力风暴机器人支持多任务执行的优点，设计出了在同一时刻能执行多种任务的程序，这能大大提高系统的实时性，使机器人能及时处理各种输入信号。

关键字：

机器人；吸尘器；行走策略；路径规划

TheresearchanddesignofcleaningrobotbasedonAS-UIIrobot

Abstract:

Fullautonomouscleanerishotinthefieldofmobilerobot.Thoughmanyprototypesandproductshavebeenmanufactured,theystil1havemanyproblemstobesolved，suchasadaptabilityindynamicenvironments,coverageratio＆efficiencyanditscost.Tocleaninaroomwithoutthehelpofthehosts,itisachallengingtaskforautonomouscleanerbecauseitinvolvesmanycurrentAItechnologies.Intheviewoftheoryandtechnology,fullautonomouseleanerwasapp]iedmanykeytechnologyformobilerobot.Theycanreduceburdenofhouseworkandimproveefficiencyandareverysuitableforusinginhotel,hospitallibrary,officeandhome.Therefore,itisachallengeinscientificresearchandcommerce．

ThedesignofIntelligentrobotvacuumcleanerwasbasedontheGrandarcompany'sabilitystormrobotAS-UII.Itcompletedworksonthetheoryandthestructureofrobotanddesigntherobot’swalkingstrategyalgorithmsandtherobot’shardware.Thevacuumcleanerwasdesignedbyusingtheabilitystormrobot,anditmainlyexploresthepathplanningandwalkingexplorationstrategyofcleaningrobotandfocusesontherealizationofthecorrespondingalgorithms.

Thisdesignusestherobot’sadvantageofsupportingthemulti-taskexecutiontodesigntheprogramofprocessingavarietyofmissionsatthesametime.Thiscangreatlyincreasethesystem'sreal-time.Thustherobotcanhandleavarietyofinputsignalsintime.

Keywords:

robot;vacuumcleaner;walkingexplorationstrategy;pathplanning

第1章绪论

1.1吸尘机器人简介

1.1.1吸尘机器人概述

自第一台工业机器人问世以来，机器人有着突飞猛进的发展。

机器人在工业、国防和科学技术中日益广泛的应用，带来了巨大的经济和社会效益，也有力地推动了有关学科和技术领域的发展。

服务机器人是一个新的机器人研究领域。

作为正在发展新研究领域，服务机器人有许多不同的定义，但它的最基本特征是提供服务。

和工业机器人一样，服务机器人基本上包括机器人的所有基本特性。

它往往和人结合于同一工作环境中，这隐含着许多工业机器人没有的特性，如安全问题、人机交互性、在非结构化环境中的高度自治等。

目前服务机器人成功应用的领域有雕刻、消防、清洗、医疗、焊接等等。

从长期来看，服务机器人的应用数量将会超过工业机器人。

吸尘机器人是自动进行房间地面清洁的家庭服务机器人，集机械学、电子技术、传感器技术、计算机技术、控制技术、机器人技术、人工智能等诸多学科为一体。

吸尘机器人将移动机器人技术和吸尘器技术有机地融合起来，实现室内环境（地面）的半自动或全自动清洁，替代传统繁重的人工清洁工作，近年来已受到国内外的重视。

作为智能移动机器人的一个特殊应用，从技术层面上讲，智能化自主式吸尘器比较具体地体现了移动机器人的多项关键技术，具有较强的代表性。

从市场前景角度讲，自主吸尘器将大大降低劳动强度，提高劳动效率，适用于家庭和公共场馆的室内清洁。

因此开发自主智能吸尘器既具有科研上的挑战性，又具有广阔的市场前景。

吸尘机器人的发展，带动了家庭服务机器人行业的发展，也促进了移动机器人技术、图像和语音识别、传感器等相关技术的发展。

1.1.2吸尘机器人的特点

吸尘机器人具有如下的特点：

（1）有些吸尘机器人自带电源，小巧轻便、操作简单、自主性强、具有很强的实用性。

（2）吸尘机器人的工作环境主要为普通家庭环境，也可以用于机场候机大厅、展览馆、图书馆等公共场所。

环境的共同特征为有限的封闭空间、平整的地板以及走动的人员，因此可以归结为复杂多变、结构化的动态环境。

（3）吸尘机器人的任务是清扫地面，工作的对象是地面的灰尘、纸屑以及其他一些小尺寸物体，而大尺寸物体不作为吸尘机器人的处理对象。

考虑安全因素，吸尘机器人必须对人及家庭物品等不构成任何危害，同时吸尘机器人还必须具备自我保护能力。

1.1.3吸尘机器人的关键技术

吸尘机器人系统主要由五个部分组成：

移动机构、传感器系统、控制系统、吸尘系统和电源模块。

对吸尘机器人的研究涉及到机器人的机械结构设计、障碍物检测、自主避障、运动控制以及路径规划、导航定位等多个方面。

目前，关于吸尘机器人移动机构、控制系统、吸尘系统等的研究已经具备了良好的基础。

要提高清洁机器人的自动化程度和清洁效率，还必须在障碍物检测、自主避障以及路径规划等方面做大量工作。

对吸尘机器人发展影响较大的关键技术是：

传感器技术、自主避障技术、路径规划技术、吸尘技术等。

（1）传感器技术

传感器系统是机器人的感觉器官，负责采集外界环境和自身状态的信息。

根据采集

信息的种类可以分为内传感器和外传感器。

内传感器负责采集系统自身状态的信息，包

括编码器、陀螺仪、电子罗盘等。

外传感器负责采集系统外部信息,包括CCD视觉传感器、超声波传感器、红外传感器、接触和接近传感器等。

超声波、红外传感器和接触传感器，具有价格低廉、工作可靠、速度快的优点，广泛应用于机器人的局部无碰撞导航。

一般吸尘机器人的传感器系统都配备不止一种传感器，而是根据任务要求和非结构化环境特点，选择多种合适的传感器，安装在机器人本体合适的位置，联合构成多源传感器系统。

其主要优点就是在同样的探测条件下，可以协调使用多个传感器把分布不同位置的多个同质或异质传感器所提供的局部不完整探测量及相关数据库中的相关信息加以综合，消除多传感器间存在的冗余和矛盾，并加以互补，从而获得对物体或环境的一致性解释和描述，这都是任何单一传感器所无法获得的。

（2）自主避障技术

移动机器人自主避障技术的研究一直受到广泛关注，到现在已经有多种自主避障方法被提了出来，这些方法总的来说可以分为两类，即全局规划方法和局部控制方法。

清洁机器人多在非结构化环境下工作，面对的是未知、复杂的环境，因此，局部控制方法得到了更多的应用。

局部控制方法不需要建立环境模型，机器人所要做的也仅仅是一些相对简单的任务。

但是，由于机器人没有建立和读取高级环境地图的能力，所以有时候

并不能保证百分之百完成任务。

在这种情况下，为了保证较高的工作效率和安全系数，

需要有更多的探测工具来获取更多的环境信息。

吸尘机器人一般工作在未知、复杂的环境下，对于工作环境中各种静态和动态障碍

物，机器人不仅能够识别和避让，还要保证不对自身和障碍物造成伤害。

吸尘机器人依

靠传感器系统（涉及到多种传感器，如超声波传感器、红外光电传感器、接触传感器等

低成本但实用的传感器，以及CCD摄像机、激光雷达等高成本传感器）获得工作环境

下的各种静态和动态障碍物信息，然后由控制器对获得的障碍物信息进行判断