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提高机器人竞走速度的研究毕业设计论文
本科毕业设计（论文）
提高机器人竞走速度的研究
摘要
目前人类正以惊人的速度走出工业文明，步入信息时代和新型技术时代。
新型技术时代的来临不仅改变着人们的生产和生活方式，而且改变着人们的思维和学习方式，这对教育提出了前所未有的挑战，也为教育的改革发展提供了千载难逢的机遇。
机器人是作为现代高新技术的重要象征和发展结果，已经广泛应用于国民生产的各领域，并正在给人类传统的生产模式带来革命性的变化，影响着人们生活的方方面。
虽然机器人的技术现在已日趋成熟，但是有关机器人的定义却众说纷纭，美国机器工业协会给出的定义是：
“机器人是一种可再编程的多功能操作机，通过可变的程序流，以完成多样化的任务”。
我国著名的机器人专家蒋新松给出的定义则相对简洁：
“机器人是一种具有拟人功能的机械电子装置”。
不管这些定义如何，但他们都包含了机器人的共性：
能模仿人的一些动作；具有一定的智力、感觉和识别能力；是人造的机器人机械电子装置。
关键词双足步行机器人，信息时代，高新技术，人工智能
ABSTRACT
Humanbeingoutoftheindustrialcivilizationatbreakneckspeed,stepintotheinformationageandtheneweraoftechnology.Comingoftheeraofnewtechnologyisnotonlychangingthewayofproductionandwayoflife,andchangingthewayofthinkingandlearningstyles,thisunprecedentedchallengetoeducation,hasprovidedagoldenopportunityforeducationreformanddevelopmentRobotisanimportantsymbolofmodernhigh-techanddevelopmentresultshavebeenwidelyusedinvariousareasofnationalproduction,andaretraditionalmodesofproductionbroughtaboutrevolutionarychangestomankind,affectingpeople'slives.Althoughtherobottechnologyhasnowmatured,butdefinedifferentopinionsabouttherobot,UnitedStatesmachineindustryassociation'sdefinitionis:
"isareprogrammablemultipurposemanipulatorrobot,throughprocedureswithavariableflow,tocompleteavarietyoftasks".DefinitionofChina'sleadingrobotexpertsJiangXinsongisrelativelysimple:
"robotisamechanicalandelectronicdevicewithhumanoidfeatures."
Keywordsbipedwalkingrobot，informationage，newtechnology，ArtificialIntelligence
1绪论
1.1课题背景
智能机器人技术是利用电子、信息（包括传感、人工智能、控制和计算）技术使机械柔性化和智能化的综合性技术，被宋健院士称为“当代最高意义上的自动化”。
实际上，机器人技术不仅仅是传统意义上的自动化，而是结合了人工智能、智能控制、先进传感技术等，综合了机械、自动化、计算机技术的综合性技术。
但是由于上述的课程设置滞后的原因，长期以来，对智能机器人技术的教学和研究分成了两大方向：
机器人平台的教学与研究，机器人智能和决策的研究。
由于缺少相关的教学实验系统，造成机械、电子、算法与策略各自开展，整体化教学和研究困难,美国机器工业协会给出的定义是：
“机器人是一种可再编程的多功能操作机，通过可变的程序流，以完成多样化的任务”。
我国著名的机器人专家蒋新松给出的定义则相对简洁：
“机器人是一种具有拟人功能的机械电子装置”。
不管这些定义如何，但他们都包含了机器人的共性：
能模仿人的一些动作；具有一定的智力、感觉和识别能力；是人造的机器人机械电子装置。
机器人技术的发展，正是当今新型技术时代的一个重大标志。
机器人技术是“体现了当前最高意义上的自动化”的一门技术，是自动化学科的集大成者，综合了材料、结构、控制、感知、智能等各方面的最新研究成果。
1.2设计原理
本课题在掌握了自动控制原理的基础上，通过计算机C语言编程来实现对智能机器人的可控性，通过程序的输入控制机器人的行动，在人为控制下完成指定的任务。
1.3设计任务
运用自动控制原理，对机器人输入控制语句，控制其的运动，使其在短时间内通过制定路程，并记录其通过全程所用的时间，计算平均速度，比较快慢。
1.4设计的意义
近年来，人类的生产和生活方式发生了巨大的变化，产生这一变化的重要原因就是计算机技术的飞速发展。
第一台计算机诞生至今仅仅几十年的时间，计算机的性能已经大大提高，价格不断的下降，从而使之可以迅速而广泛地应用于人类的生产和生活的各个领域。
然而机器人的发展无疑得益于计算机技术的发展。
在对机器人的研究的基础上，我们可以通过对其的研究与改变，利用机器人的可控性，智能性，让机器人走入大众，使机器人成为我们的家庭一员，让其为我们的日常生活服务，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领让机器人行动。
它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工业，双足竞步机器人的研究在传统意义上就是对机器人的基本了解的基础上，再更层次的研究它是如何竞步走，如何提高行走速度，这对人类也是大有帮助的。
移动机器人是机器人学中非常活跃的领域，移动方式有轮式、履带式、步行等方式。
轮式、履带式车辆虽好，但当在不平地面上行驶时，它们的能耗大大增加，而在松软地面或严重崎岖不平的地形上，车轮的作用将严重丧失。
足式运动系统却可以通过松软地面（如沼泽、沙漠等）以及跨越较大的障碍（如沟、坎等）。
2双足竞步机器人的优势
2.1双足机器人运动方式的优势
双足步行机器人在与其它相视功能的机器人相比，双足的机器人是有很多优点与先进性的，步行机器人包括双足、四足、六足和八足机器人等。
与其它足式机器人相比，双足机器人具有更高的灵活性和独特的优势，主要特点如下[3]：
双足机器人对步行环境要求很低，能适应各种地面且具有较高的逾越障碍的能力，不仅能够在平面行走，而且能够方便的上下台阶及通过不平整、不规则或较窄的路面，它的移动“盲区”很小。
双足机器人具有广阔的工作空间，由于行走系统占地面积小，活动范围很大，其上布置的机械手具有更大的活动空间，也可使机械手臂设计得较为短小紧凑。
双足行走是生物界难度最高的步行动作，但其步行性能却是其它步行结构所无法比拟的。
因此，开展双足机器人研究工作可以有力推进机器人学及其它相关学科的发展。
双足机器人能在人类的生活和工作环境中与人类协同工作，而不需要专门为其对环境进行大规模改造。
目前，双足步行机器人的应用领域主要是康复医学。
从长远来看，双足机器人在无人工厂、核电站、海底开发、宇宙探索、康复医学以及教育、艺术和大众服务行业等领域都有着潜在而广阔的应用前景。
双足步行机器人不但具有双足移动的特点，还具有其它类人的智能特点，如手臂运动功能、手抓取物体功能、视觉功能、语音功能、自主决策功能等等。
因此，是集机构学、机械设计、传感技术、控制理论与技术、计算机技术等多学科技术为一体的综合性。
2.2生物工程、仿生工程学的研究意义
在对双足机器人的研究上有很多重大的意义，研究开发双足步行机器人的另一重要意义是为了更好的了解人类和其他动物的行走机理，并为下肢瘫痪者提供较理想的假肢。
尽管人类对腿和身体运用自如，但对行走和奔跑的控制机制的理解仍处于初始阶段。
探讨动物运动控制机理的一种方法是研究步行机器人。
由于动物和机器需要完成相同的任务，它们的控制系统和机械结构必须解决类似的问题。
通过研究步行机器人，我们能够更好地分析这些问题，得到真正的答案。
再者，动物行走机理的研究和步行机的开发是双向互惠的。
一旦对动物行走机理有了正确的理解，可以反过来更有效地指导步行机器人的研究和开发。
其典型实例是为残疾人研制假肢或轮椅等步行载体。
在对人类生活上，机器人能给与很大的帮助，所以，对机器人的研究，很大程度上可以改变人类的生活方式，大大的提高人类的生活水平。
2.3双足机器人的触及的领域场合
双足步行机器人能在与人类的生活和工作环境中与人类协同人类工作，而更为方便的是机器人的人工智能，容易操控。
目前，双足步行机器人的应用领域非常广泛，主要有：
为残疾人（下肢瘫痪者或截肢者）提供室内和户外行走工具。
利用人工假腿、腿椅或步行座椅尽可能使残疾人恢复正常行走功能（平地行走、坡地行走、跨越沟坎、爬越阶梯），减少对他人的依赖。
极限环境下代替人工作业，如太空星球表面考察、海底勘探、水下资源的开发和设备维修、沉船的寻找和协助打捞（代替浮游式机器人作为运载工具，以减少推选器对水底的扰动，提高能见度）；核电站内的监视和维护作业（如吸附式步行机对金属壁容器的检修）；高层建筑玻璃的擦洗；管道的探伤和维修（管内爬行式机器人）；遥控救灾、灭火；爆炸物的处置（如探雷、排雷等）；战地侦察、警戒等。
在教育、艺术和大众服务行业等领域都有着潜在而广阔的应用前景。
娱乐机器人、可作为人类同伴的机器人是发展的新方向，这将使双足机器人逐渐走向普通大众。
2.4国内双足机器人目前的研究现况
国内双足机器人的研制工作起步相比国外算是起步比较晚的了。
1985年以来，相继有几所高校进行了这方面的研究并取得了一定的成果。
哈尔滨工业大学自1985年开始研制双足步行机器人迄今为止已经完成了三个型号的研制工作。
其中HIT一ⅡI为12个自由度，实现了静态步行和动态步行，能够完成前／后行、侧行、转弯、上下台阶及上斜坡等动作。
目前，该校正致力于功能齐全的双足机器人HIT一Ⅳ的研制工作，新机器人包括行走机构、上身及髋部执行机构，初步设定32个自由度。
国防科技大学也进行了这方面的研究。
在1989年研制成功了一台双足行走机器人，这台机器人具有10个自由度，能完成静态步行和动态步行。
国防科技大学还将工业机器人的轨迹示教方法用到了两足步行机器人的步态规划中，形成了步行机器人的步态示教规划技术。
值得一提的是，北京理工大学研制成功我国首例拟人机器人BRH01，该机器人身高1．58米，体重76公斤，具有32个自由度，每小时能够行走l公里，步幅O．33米。
除了能打太极拳，这个机器人还会腾空行走，并能根据自身的平衡状态和地面高度变化，实现未知路面的稳定行走。
它在系统集成、步态规划和控制系统等方面实现了重大突破。
2.5双足步行机器人研究的发展趋势
概括起来，双足步行机器人的发展趋势包括如下十个方面：
能动态稳定地高速步行能以自由步态全方位灵活行走；具有良好的地形适应性；具有极强的越障和避障能力；具有很高的载重／自重比；可靠性高、工作寿命长；具有丰富的内感知和外感知系统；控制系统和能源装置机载化；具有完全的自律能力；具有灵活的操作能力（安装一个或多个机械手）。
目前，日本和美国对双足步行机器人的研究已经达到了相当高的水平，研制出了能静态或动态行走的多种样机。
其他国家，尤其是欧洲的一些国家，步行机器人的研究水平也很高。
国内由于起步较晚，与国际最高水平还有一段差距，需要迎头赶上。
3无线遥控原理
无线遥控，有基于电磁波和红外线两种。
红外遥控距离短，只能直线方向遥控。
电磁波的遥控具有衍射作用，能跨越一定的屏障，遥控时也不需要直线。
电磁波无线遥控，就是在发射端发射一定频率的电磁波，接收端只提取出相同频率的电磁波信号，并经过解码得到发射端的数据。
3.1发射电路原理
遥控器发射电路，有振荡电路、高频放大器，调制方式一般采用ASK和FSK。
振荡电路可以采用电容、电感的振荡特性来设计，也可加入晶振来简单获得载波信号。
一般载波信号的频率在315MHZ-433MHZ，也可实现更高的频率。
通过高频放大器，高频信号获得更高的发射能量，提高发射距离。
图3.1发射电路原理
3.2接收电路原理
接收电路里面主要有：
天线，滤波电路，解调电路等几部分组成。
图3.2接收电路原理
4遥控方案设计
4.1系统设计
遥控器部分框图如：
图4.1遥控器部分框图
遥控接受部分框图如：
图4.1遥控接受部分框图
4.2解决方案
（一）
采用玩具遥控芯片TX-2/RX-2编码解码芯片。
TX-2/RX-2是一对采用CMOS工艺制造的遥控专用集成电路.它具有功耗低,电源电压适用范围宽,工作稳定可靠,外围元件少等特点.TX-2是编码发射电路,RX-2是与TX-2配套使用的译码接收电路.
图4.2译码接收电路
.
TX-2/RX-2的典型的应用电路如：
图4.2应用电路
图4.2应用电路
4.3解决方案
（二）
采用PT2262和PT2272的编码解码芯片。
PT2262和PT2272最多支持6位数据编码，一般支持4位数据编码。
PT2262和PT2272有三态地址编码功能，只有地址匹配时才能传输数据。
PT2262和PT2272的典型应用电路如：
图4.3PT2262的典型应用电路
图4.3PT2272的典型应用电路
PT2262接受模块图如下：
图4.3PT2262的接受模块图
PT2272模块接受图如下：
图4.3PT2272的接受模块图
4.4方案讨论
基于现在用仿真环境代替实际操作，对于机器人的启动就用软件的启动按钮代替。
5红外传感设计
5.1红外传感的定义
红外辐射的物理本质是热辐射，它是由于物体内部分子的转动及振动而产生，其程度主要由物体的温度决定。
温度越高，辐射的红外线就越多，辐射的能量就越强。
通常所有物体都是红外辐射源，只是发射的红外光波长不同。
火焰光谱从紫外、可见光到红外都有能辐射，但在红外波段内的4.35µm附近有一个峰值，同时由于此波长的太阳辐射因大气的吸收作用而强烈衰减，因此该波段是用于火焰探测的重要波段。
然而由于4.35µm波长热释电传感器的窗口材料通常为蓝宝石，成本较高，本文讨论了一种将人体探测器PIRD203S用于火焰探测的方法，该传感器探测波长为5～14µm，虽然不是专门用于火焰探测，但它也能感应火焰的部分光谱，而且价格低廉，具有良好的经济效益。
5.2系统描述
由热释电传感器和火焰红外辐射的特点而知，设计合理的火灾识别算法是火灾探测系统的核心。
传统的火灾分析方法有
：
阈值能量信号比较；
闪变频率分析；
与已记忆光谱的关联性分析。
阈值能量信号比较法是使用最普遍的。
思想是照需求事前确定能量阈值，当传感器探测到的辐射能量超过该阈值时即认为有火灾发生。
此方法有两大缺点：
一是阈值的确定没有可靠的依据，主要凭借经验；二是容易产生误报警，靠近传感器的干扰源如烟头等很容易引发报警，造成不必要的损失。
闪变频率分析的依据是研究表明火焰的红外辐射闪烁频率是低频信号，范围在1～30Hz，因此滤除掉辐射到传感器的红外信号，保留闪烁信号，即可实现火灾的识别。
实验表明本系统使用的热释电传感器探测到的火焰辐射信号以及高温物体辐射信号在该频段都有较大的能量分布，因此使用此方法在本系统中无法准确的区分火灾和高温干扰物体
5.3红外传感器原理
热释电红外传感器是基于热释电效应工作的。
下图为热释电效应的示意：
恒温时温度变化时温度变化时的等效
图5.3热释电效应示意图
温度恒定时，由于热释电晶体表面吸附有来自于周围空气中的异性电荷，因而观察不到自发极化现象，表现为电中性。
当温度变化时，晶体表面的极化电荷则随之改变，而它周围的吸附电荷因跟不上它的变化，失去电的平衡，这时即显现出晶体的自发极化，对外表现出电性。
其热释电输出电流：
i＝pA.dθ/dt
（1）式中：
p为材料的热释电系数，A为热释电灵敏元受光照的面积，θ为热释电材料的温度，t为时间。
从式
（1）看出，热释电电流是与辐射引起的热释电材料的温度变化而不是温度本身成正比，所以热释电器件具有很高的响应速度，但静态热辐射是不会产生热释电电流的。
由于该传感器是一种高阻抗容易引入噪声，与它相连的前置放大器的第一级必须采用高输入阻抗（RG＞1010Ω）、低噪声的场效应晶体管，并把它封装在热释电探测器管壳内，这样可以有效的降低噪声、防止外界干扰及机械振动带来的不利影响。
场效应管构成了源极跟随器，同时起到阻抗变换的作用，它的输出阻抗由外接在S端和G端之间的负载电阻RS决定。
电阻器RG的作用是释放栅极电荷,使场效应管安全的工作。
由于热释电红外传感器的输出信号十分微弱，因此设计性能优异的前置放大电路就显的尤为重要。
本系统设计的前置放大电路如下图所示。
图5.3热释电红外传感器内部结构
由于热释电红外传感器的输出信号十分微弱，因此设计性能优异的前置放大电路就显的尤为重要。
图5.3前置放大电路
本电路的核心为两片OP37运算放大器，采用级联方式提高放大倍数。
考虑到火焰的闪烁信号频率为低频信号，传感器的输出信号也以该频率变化，因此将放大器接成低通形式，截止频率为45Hz，两级电压放大倍数分别为AU1＝120，AU2＝4，总的放大倍数为AU＝AU1×AU2＝480＝54db。
5.4方案讨论
基于现在用仿真环境代替实际操作，所以可以用仿真环境中的火源代替红外传感，代替实际操作中红外传感发送停止指令。
6AS_VRobot软件仿真实现
6.1AS_VRobot能力风暴虚拟机器人简介
AS_VRobot能力风暴虚拟机器人仿真平台（以下简称AS_VRobot）是一款机器人仿真软件，力求模仿现实生活中智能机器人行为特点，用户能在三维仿真环境中快速搭建比赛场地、快速设计出自己的机器人，并能通过流程图或C代码给设计的机器人编写控制程序，在仿真环境中观察机器人运行，给用户亲临其境的感觉。
由于AS_VRobot采用了C/S结构，不但支持单机仿真，同时支持局域网内多机器人仿真，多个AS_VRobot用户能在服务器上进行灭火、足球等传统机器人比赛，同时也能采用软件提供的丰富的执行装置、传感器等自行设计比赛。
各客户端能从不同角度观看比赛实况。
用户通过使用AS_VRobot快速建构机器人知识体系，掌握计算机编程思想。
AS_VRobot主要面向中小学机器人教学、仿真比赛。
6.1.1AS_VRobot软件安装
◆vjc1.6setup.EXE：
VJC1.6开发版，能用流程图或C语言直接编写AS_VRobot仿真机器人控制程序。
◆AS_VROBOTClient.EXE：
AS_VRobot仿真机器人客户端程序。
可编辑场地、设计仿真机器人，并单机仿真运行，同时能上传场地、机器人及代码到服务器，进行多机比赛、观看比赛实况。
◆AS_VROBOTServer.EXE：
AS_VRobot仿真机器人服务器程序。
可编辑场地、设计仿真机器人，并多机仿真运行，同时能通过网络发送比赛实况。
软件安装可通过双击相应软件安装程序图标，安装完毕后计算机桌面上出现相应程序快捷图标。
图6.1.1快捷方式
在相应程序图标上双击，即可启动相应程序。
6.1.2AS_VRobot的服务器
双击AS_VRobot服务器桌面快捷图标，程序启动界面如下，即进入AS_VRobot仿真机器人环境编辑界面。
注：
通过点击AS_VRobot软件视图切换区可在“环境编辑”、“机器人编辑”、“仿真比赛”视图之间切换。
7代码编辑
双击VJC1.6开发版桌面快捷图标，程序启动界面如下，即进入AS_VRobot仿真机器人可视化编程环境。
图7流程图编辑区
7.1流程图编程
流程图编程提供了以下几类可视化模块：
图7.1流程图编辑的模块图
执行器模块库：
包含电机直行、转弯、电机启动、电机停止、启动风扇、停止风扇、延时等待、发音、计算、以及自定义模块。
传感器模块库：
包含地面检测、亮度检测、红外测障、碰撞检测、金属检测、红外测距、声纳测距、数字罗盘、远红外探测、声音检测、系统时间模块。
控制模块库：
包含多次循环、永远循环、条件循环、条件碰撞模块。
程序模块库：
包含新建子程序、结束模块。
通过对流程图编辑的学习，最终获得编译成功的机器人竞走的流程图，如下图所示：
图7.1主程序流程图
流程图：
主程序一启动，机器人便终止延时等待，开始地面检测沿线竞走，在沿线的过程中，如果没有遇到红外障碍，则继续沿线，地面检测，如果遇到红外障碍，则停止沿线，随即停止电机，启动风扇，熄灭火源。
7.2C代码编程
图7.2C语言代码编辑区
通过对C语言的学习，最终获得了编译成功的C语言程序，控制机器人的行进，C语言程序如下所示：
voidmain（）
{
intiFireOut=0;
Init（）;
while（iFireOut!
=1）
{
if（FindFire（）==1）
{
if（NearFire（）==1）
{
if（Fire（）==1）
{
Song（）;
break;
}
}
}
else
{
FollowLeft（）;
}
}
stop（）;
}
voidInit（）
{
fanstop（0）;
}
intNearFire（）
{
intiRet=0;
intphoto0=0;
intphoto1=0;
photo0=photo（0）;
photo1=photo
（1）;
if（（photo0<40）||（photo1<40））
{
if（abs（photo0-photo1）<2）
{
iRet=1;
}
elseif（photo0{
motor（1,-10）;
motor（2,10）;
wait（0.05）;
}
elseif（photo0>photo1）
{
motor（1,10）;
motor（2,-10）;
wait（0.05）;
}
}
elseif（（photo0<50）||（photo1<50））
{
if（abs（photo0-photo1）<1）
{
motor（1,40）;
motor（2,40）;
wait（0.0
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