专业综合实验设计报告 项 目： 循迹小车设计 班 级： 姓 名： 学 号： 同组同学： 学 期： 2016-2017-1 一、实验目的和要求1.1实验目的本实验的于研究及制作一种能够实现对障碍物的检测和基本信息测量（位置，距离）的轮式机器人，在不熟悉周围环境的情况下，自动避开障碍物，实时采集数据，实现对环境的监控，把环境的信息变换成数据，发送到信息终端，从而减少人的工作。是学生接触实际电气工程专业复杂工程问题的重要及关键途径。通过实验培养学生实践动手能力，运用现代工程工具和信息技术工具的能力，分析和解决实际工程问题的能力。从而使学生初步能够解决主要涉及电气工程专业知识的复杂工程问题。通过构建智能小车系统，培养设计并实现自动控制系统的能力。在实验过程中，熟悉以单片机为核心控制芯片，设计小车的检测障碍、寻线和电机驱动等外围电路，采用智能控制算法实现小车的智能循迹以及避障。在此过程中，加深对控制理论的理解和认识。1.2 实验技术要求对于所设计的轮式机器人，需要能够自动避障，自动识别，并且具有一定的通信能力，把所需要的信息能够实时传输到信息终端。本实验能够通过不断检测各个模块传感器的输入信号，根据内置的程序分别控制小车左右两个直流电机运转，实现小车自动识别路线，判断并避开障碍物，智能停车等功能。1.3实验控制要求（1）自动沿预设轨道行驶小车在行驶过程中，能够自动检测预先设好的轨道，实现直道和弧形轨道的前进。若有偏离，能够自动纠正，返回到预设轨道上来。（2）当小车探测到前进前方的障碍物时，可以自动报警调整，躲避障碍物，从无障碍区通过。小车通过障碍区后，能够自动循迹（3）自动检测停车线并自动停车。二、实验仪器设备与器件轮式机器人机械组件、控制系统组件，调试用电脑三、实验原理分析1、轮式机器人简介轮式机器人是以驱动轮子来带动机器人进行移动和工作的机器人。虽然其运动稳定性与路面的路况有很大关系，但是由于其具有自重轻、承载大、机构简单、驱动和控制相对方便、行走速度快、工作效率高等特点，从而被广泛应用。20世纪末，传动机构的设计一直是阻碍机器人发展的难题。此后，国内外做了大量的设计研究，在短短不到20年的时间，已经解决了轮式机器人的传动机构难题。现在机器人通过搭载视觉传感器或气体传感器等设备，可以在缺少人干预的环境中进行战场侦察、室内或库房的巡逻及行星探测等任务，也可以通过搭载声光电等设备作为一种新颖的具有移动性和交互性的儿童玩具。轮式机器人适用性较广，在教学、科研、野外作业、民用运输方面有着广泛的应用前景，在反恐及其它尖端领域具有重大的应用价值。总体来说在轮式机器人领域国内外都取得了大量的成果，所设计的轮式机器人都能够在不可预测的环境中保持正常的运动，能够适应复杂多变的各种未知环境、能够处理各种突发情况并具有较强的避障能力从而能够顺利的完成任务。机器人应用领域不断扩大，机器人完成的操作变得更加复杂。传统的轮式机器人构型己不能满足许多特殊作业要求。为了适应特殊的作业要求，需要设计新型的机器人结构，以实现准确、快速的预期运动。轮式机器人技术具有延伸性和一定的通用性，可以应用到其它领域。如军用扫雷、排险机器人、勘探机器人、环保机器人和救援机器人等。轮式机器人是机器人技术和智能控制技术相结合和产物，因此轮式机器人的研究和实现对推动机器人机构学、智能机器人技术和智能控制技术的提高具有举足轻重的意义。 目前对设计出能在非结构环境下运动的轮式机器人提出了更高的要求，设计的轮式机器人应该具有体积小、质量轻、结构紧凑、对地形适应能力强等特点。总的来说，轮式机器人发展趋势主要是: 轮式机器人的结构不再是简单的轮式结构，取而代之的是具有很强的非结构化环境适应能力的轮、腿、履带式的复合结构和可变现的轮式结构。 由于现在机器人技术、尺寸、质量和费用的限制，微小型和小型轮式机器人是目前发展的主流的热点。 由于轮子的多少，直接关系到机器人设计的技术和难度，以及其功用。所以轮式机器人的分类一般都是根据其轮子多少进行分类。按照已经出现的机器人，可以分为如下几类：单轮滚动机器人（如球形机器人）、两轮移动机器人（如自行车机器人）、三、四轮机器人（如智能车）、六轮机器人和复合轮式机器人。一般而言，三轮机器人简单实用，四轮机器人稳定性好，承载能力大，而相比之下，六轮机器人比四轮机器人更为优越。I、单轮滚动机器人单轮滚动机器人是一种全新概念的轮式机器人。从外观上看它只有一个轮子,它的运动方式是沿地面滚动前进,后来又开发出的球型机器人也属于单轮滚动机器人。早期的典型代表是美国卡内基-梅隆大学机器人研究所研制的单轮滚动机器人Gyrover。Gyrover是一种陀螺稳定的单轮滚动机器人，它的行进方式是基于陀螺运动的基本原理,具有很强的机动性和灵活性，他们开发该机器人的目的是用于空间探索。英国巴斯大学的Rhodri H Armour对单轮滚动机器人做了系统的总结性研究。他从自然界生物存在的滚动前行方式开始论述,通过分析11种单轮滚动机器人,总结出了7种单轮滚动机器人的设计原理:弹性中心构件原理、车辆驱动原理、移动块原理、半球轮原理、陀螺仪平衡器原理、固定于质心轴上的配重块原理、移动于质心轴上的配重块原理。 近年来,国内也对单轮滚动机器人也进行了深入研究。香港中文大学设计了一种单轮滚动机器人。它的驱动部件是一个旋转的飞轮。飞轮的轴承上安装有双链条的操纵器和一个驱动马达。飞轮不仅可以使机器人实现稳定运行,还可以控制机器人运动的方向。哈尔滨工业大学设计了一种球形滚动机器人。在进行结构和控制系统设计时,使转向与直线行走两种运动相互独立，从而避免了非完整约束的存在,简化了动力学模型和控制算法，使该机器人转向非常灵活。 针对单轮滚动机器人的研究工作主要包括:(1)单轮滚动机器人的动态模型建立以及推进力与操纵机构的耦合和参数化问题；(2)基于位置传感器的运动信息获取方法；(3)动态稳定而静态不稳定的控制方案。单轮滚动机器人的研究具有广阔的应用前景:利用其水陆两栖的特性,将它引入到海滩和沼泽地等环境,进行运输、营救和矿物探测；利用其外形纤细的特性将它用作监控机器人,实现对狭窄地方的监控；在航天领域,基于单轮滚动机器人的原理可以开发一种不受地形影响、运动自如的月球车。ii、两轮移动机器人两轮轮式机器人主要包括自行车机器人和两轮呈左右对称布置的两轮移动机器人。自行车机器人自行车机器人是机器人学术界提出的一种全新的智能运输(或交通)工具的概念,由于其车体窄小、可作小半径回转、运动灵活、结构简单,因此可在灾难救援、森林作业中得到广泛应用。但到目前,仍处于理论探讨和初步的实验研究阶段。自行车运动力学特征较为复杂,其两轮纵向布置,与地面无滑动接触,它本身就是一个欠驱动的非完整系统,还具有一定的侧向不稳定性,如果不对它实施侧向控制,自行车就一定会不能站立起来。同时自行车具有对称性特征,即它的拉格朗日函数和约束关于自行车在路面上的位姿变化是不变的。因此,自行车机器人的控制问题相当困难,如不能采用连续或可微的纯状态反馈实现系统的渐近稳定,不能采用非线性变换实现整体线性化等。所以,自行车机器人是一个令人非常感兴趣的研究领域,其动力学与控制极具挑战性。 近年来,大部分研究工作都是围绕着自行车机器人动力学建模和提出新的控制算法这两方面内容展开的。Neni H Getz提出了一种较为简单的自行车机器人动力学模型,并为机器人设计了一个内部平衡控制器,在他所建的动力学模型中,将转动车把的扭矩和自行车后轮的驱动扭矩作为系统输入。一些研究人员提出了一种2个二阶非线性微分方程描述的自行车动力学模型,并使用在线加强学习的智能算法实现自行车机器人的稳定控制。另一些研究人员考虑到配重机构对于自行车机器人稳定控制的重要作用,提出了一种1个二阶非线性微分方程描述的动力学模型,并使用非线性控制理论设计了基于该模型的控制律。自行车机器人研究存在的问题主要包括自行车机器人在运动时的建模和分析、自行车机器人的侧向稳定控制机理、自行车机器人在不同载重下的平衡问题、自行车机器人对复杂地面的适应能力。不加装车体的两轮移动机器人是典型的机器人结构,左右轮分别由一个电机驱动,依靠差速实现转向,转向灵活。但当安装上车体时,就同自行车机器人一样,要考虑机器人的平衡问题。这种两轮移动机器人具有极强的灵活性而且它的行为与火箭飞行以及两足机器人行走有很大的相似性,因而对其理论及控制系统的研究受到国内外机器人领域的高度重视。近年来,该机器人逐渐成为全球机器人领域的研究热点之一。美国和日本的研究机构相继开始了这方面的应用研究并取得了初步成果。两轮行走机构是自然不稳定体,是高阶次、不稳定、多变量、非线性、强耦合系统。目前还存在许多问题,不能实际应用。 1996年日本筑波大学研制的两轮机器人采用倒钟摆式结构,左右两个独立的驱动轮,用陀螺仪传感器测量车身倾角角速度、用旋转编码器来测量车轮度。他们的研究目的是使机器人在平地上行驶的同时保持其自身平衡。控制算法由平衡和速度控制,转向控制和直线跟踪控制组成。 最近几年对两轮呈左右对称布置的移动机器人主要的研究有如下:美国卡内基-梅隆大学下属的生物机器人实验室研制了一种两轮机器人,用于城市搜索和营救,该机器人具有很强的生存能力,能承受很大的坠落冲击力。中国台湾成功大学研制了两轮机器人TWV,TWV是由两个独立的马达分别驱动左右轮,用动态分析来获得机器人的数学模型,用渴望车轮响应值和车体倾斜角度来控制车体的动作,使用自适应比例微积分控制器来稳定和控制TWV的姿态。英国巴斯大学的Rhodri H Armour在其论文中提到了近年大学研制的两轮机器人,它没有采用由两个驱动马达与地面产生驱动力矩的原理,而是在中央底盘上设置了悬挂摆锤进行驱动。在实验中,它能顺利地爬上斜坡、翻过障碍物。当用球形外壳代替它的两个轮子时,它就变成了单轮滚动机器人。iii、三轮及四轮机器人轮式机器人中最常见的机构就是三轮及四轮轮式机器人。当在平整地面上行走时，这种机器人是最合适的选择，并且在其他领域(如汽车领域)已为其发展提供了成熟的技术。三轮移动机器人与四轮移动机器人类似,按转向及驱动方式的不同,分为前轮由电机实现转向、后轮驱动；前轮由电机实现转向、前轮驱动；前轮为万向轮、后面两个车轮分别由一个电机驱动,从而实现差速转向这3种方式。西班牙塞维利亚大学研制的机器人ROM EO 3R其前轮即是转向轮又是驱动轮,并且带有人工遥控和机器人自动行走的转换装置。 到目前为止,对三轮及四轮移动机器人的相关研究很多,主要涉及到机器人机构、体系结构、运动规划、导航与定位、跟踪控制、运动控制的反馈镇定、交互技术、多传感器系统与信息融合、智能技术等关键技术。同时,该类机器人的研究也为发展多轮及复合式机器人提供了基础。并将对现代汽车工业的发展产生深远影响。iv、六轮机器人六轮机器人相比四轮机器其移动灵活性及可靠性更高，越野能力更好，但结构相对复杂，具有代表性的是美国研制的火星探测车，它采用的是六轮摇臂悬架机构，其采用对称式结构，单侧摇臂主要包括主摇臂、副摇臂、前后两个主动轮以及中间的随动轮。与四轮结构相比，由于引入了副摇臂和从动轮，当遇到障碍时，通过对副摇臂的转动，并借助于从动轮来调整重力在各个轮上的分力，可以提高车体的稳定性和越野能力。v、复合轮式机器人由于轮式、履带式等各类移动机器人都具有各自的优点和缺点,因此研制复合式机器人就显