機器人畢業論文開題報告

　　一．設計目的及意義

　　隨著計算機、網絡、機械電子、信息、自動化以及人工智能等技術的飛速發展，移動機器人的研究進入了一個嶄新的階段。同時，太空資源、海洋資源的開發與利用為移動機器人的發展提供了廣闊的空間。目前，智能移動機器人，無人自主車等領域的研究進入了應用的階段，隨著研究的深入，對移動機器人的自主導航能力，動態避障策略，壁障時間等方面提出了更高的要求。地面智能機器人路徑規劃，是行駛在復雜動態自然環境中的全自主機器人系統的重要環節，而地面智能機器人全地域全自主技術的研究，是當今國內外學術界面臨的挑戰性問題。

　　移動機器人是一類能夠通過傳感器感知環境和自身狀態，實現在有障礙物的環境中面向目標自主運動，從而完成一定功能的機器人系統。理想的自主移動機器人可以不需人的干預在各種環境中自主完成規定任務，具有較高的智能水平，但目前全自主的移動機器人還大多處于實驗階段，進入實用的多為自主移動機器人，通過人的干預在特定環境中執行各種任務，而遙控機器人則完全離不開人的干預。

　　智能移動機器人是一類能夠通過傳感器、感知環境和自身狀態，實現在有障礙物的環境中面向目標自主運動，從而完成一定功能的機器人系統。移動機器人技術研究綜合了路徑規劃、導航定位、路徑跟蹤與運動控制等技術。涉及包括距離探測、視頻采集、溫濕度以及聲光等多種外部傳感器，作為移動機器人的輸入信息。移動機器人的運動控制主要是完成移動機器人的運動平臺，提供一種移動機器人的控制方式。性能良好的移動機器人運動控制系統是移動機器人運行的基礎，能夠服務于移動機器人研究的通用開發平臺。

　　隨著移動機器人技術的發展及其在工業軍事等領域中的廣泛應用，有關移動機器人的理論設計制造和應用的新的技術學科——機器人學，已經逐漸形成，并越來越引起人們廣泛的關注。機器人學是一門綜合性很強的學科，它涉及現代控制技術、傳感器技術、計算機系統和人工智能等多門學科．但是它又有自身的系統性和專業性。內容極為豐富、廣泛，其中專業性比較強的有機器人動力學和運動學、機器人軌跡規劃和運動控制、機器人的傳感技術、機器人的編程語言、機器人的智能和任務規劃等。其中機器人的運動控制是實現機器人航跡控制的關鍵。

　　運動控制是移動機器人的執行機構，對機器人的平穩運行起著重要作用。隨著新的智能控制算法的不斷涌現，移動機器人正向著智能化方向發展，這就對運動控制系統性能提出了更高的要求。設計實現智能移動機器人的控制系統，能夠熟悉移動機器人硬件和軟件的開發，掌握移動機器人的運動控制特性，為后續的移動機器人的功能擴展搭建一個可行、穩定的平臺，而這個平臺則可以成為多種機器人開發的公共基礎平臺。實現智能移動機器人控制系統的開發具有一定的現實意義，將為以后的移動機器人開發奠定堅實基礎。

　　二．國內外研究現狀

　　移動機器人的研究始于60年代末期斯坦福研究院（SRI）的Nils Nilssen和Charles Roesn等人，在1966年至1972年中研制出了自主移動機器人Shakey。

　　70年代末，移動機器人研究又出現了新的高潮，特別是80年代中期以來，設計和制造機器人的浪潮席卷全世界。一大批世界著名的公司，如美國通用電氣、日本本田、索尼等開始研制移動機器人平臺，這些促進了移動機器人學多種研究方向的出現。例如，輪式移動機器人的代表作有：Smart Robots公司推出的新型基于Linux的移動機器人SR4；美國Activmedia Boties公司用于教學的P3-Dx輪式移動機器人；卡內基梅隆研發的Nomad移動機器人；美國國家航天航空局聞名遐邇的火星登陸車“勇氣號”等。

　　我國的機器人學研究起步較晚，但進步較快，已在工業機器人特種機器人和智能機器人各個方面都取得了顯著成績。在“七五“期間，完成了示教再現工業機器聲成套技術。為了跟蹤國外搞技術，80年代國家高技術計劃中安排了智能機器人的研究

　　開發，包括水下無纜機器人高功能裝配機器人和多種特種機器人。進行了智能機器人體系結構、機構、控制、人工智能、機器視覺，高性能傳感器及新材料的應用研究，取得了大量成果。其中，輪式移動機器人的研究也碩果累累。

　　國內研究輪式移動機器人的科研單位及公司主要有研制能力風暴的as-r機器人的上海廣茂達伙伴機器人有限公司；研制的casia-i自主移動機器人的中科院自動化所；研制“青青”輪式移動機器人的哈爾濱工業大學，研制“小蜘蛛”輪式移動機器人登月車的上海交大等。

　　當前，移動機器人技術的研究與發展的趨勢包括有：機器人機構導航定位路徑規劃傳感器信息融合技術智能技術移動機器人傳感器技術等研究。

　　我國自“八五”期間開始進入這一研究領域，并在國家863計劃中予以重點支持。較為全面對路徑規劃、視覺導航、信息融合、自動駕駛等一些基本的智能機器人技術做了探索，所形成的一些關鍵技術成果也在其他領域得到應用。我國在機器人技術與自動化工藝裝備等方面已經取得了突破性進展，縮短了同發達國家的差距，但是在機器人的核心及關鍵技術的原創性研究、高性能關鍵工藝裝備的自主設計和制造能力、高可靠性基礎功能部件的批量生產應用方面，同發達國家相比，我國仍存在較大差距。

　　三．課題任務、重點內容、實現途徑

　　通過對各項機器人技術的研究與分析，設計了滿足教學實驗要求的智能移動機器人系統，完成機器人車體結構、傳感系統、運動執行系統、通信系統的功能設計和模塊化實現，以及機器人系統工程的整體設計，并著重研究嵌入式控制系統的軟硬件系統設計。需完成移動機器人的結構圖紙1份、智能移動機器人原理分析、硬件設計并編寫相關程序。

　　本課題采用通用單片機實現輪式移動機器人電機驅動和閉環調速。實現基于渡越時間法的超聲波測距模塊設計，為機器人提供簡單方便的障礙物距離檢驗。ＤＳＰ實時監測驅動電動機的正交編碼脈沖實現移動機器人的運動學定位，作為機器人一種比較粗略的定位方式，可以作為后續高精度定位方式的補充。使用模糊控制實現移動機器人路徑跟蹤控制，利用MATLAB的模糊控制工具箱實現路徑跟蹤控制決策，完成移動機器人的路徑跟蹤。最后，論文設計的移動機器人運行平穩，控制簡單。路徑跟蹤控制規則能夠使機器人較好的跟蹤已知路徑。可以作為簡單的移動機器人實驗平臺使用。

　　本課題的重點內容是嵌入式操作系統，智能輪式移動機器人是一個典型的實時多任務系統，傳統單任務順序執行機制不能滿足該系統設計的'實時性要求，而且對于復雜系統來說可靠性不高，因此選用實時操作系統μC／OS-Ⅱ。它是一個源碼公開，可移植，可固化，可裁剪的嵌入式操作系統，具有代碼尺寸小，可占用實時內核，任務多，可確定執行時間，運行穩定可靠等特點。將μC／OS-Ⅱ移植到S3C44B0X上，并對操作系統進行裁剪，以節省存儲空間。

　　基于實時內核的多任務系統可劃分為系統層和應用層。系統層由內核和驅動程序庫組成；應用層包括用于達成機器人任務目標的全部代碼。在該系統軟件應用層程序設計中，將機器人的任務分解成通信、信息采集、電機控制等多個用戶任務。嵌入式操作系統μC／OS-Ⅱ對任務模塊進行管理調度，協調機器人各項任務運行，保證了系統的實時性和可靠性。

　　移動機器人控制系統設計與實現的主要內容有底層系統設計和控制系統的實現：

　　（1）移動機器人底層系統設計：移動機器人的底層系統設計包括移動機器人的控制電路設計、電機驅動電路設計和超聲波測距電路設計。底層設計涉及到的軟件算法包括電機驅動和速度閉環、電機碼盤的機器人定位、超聲波測距等。

　　（2）移動機器人的控制系統的實現：移動機器人控制系統的主要內容是生成機器人的運動控制信息，控制機器人的運動。軌跡跟蹤是移動機器人需要完成的任務之一，其典型工作過程為機器人運動。軌跡跟蹤是移動機器人需要完成的任務之一，其典型工作過程為機器人完成相應的移動，完成規劃路徑的跟蹤。運動控制過程中用到的輸入信息包括底層超聲波測距模塊提供的障礙物距離信息，電機碼盤提供的機器人的位置、速度信息，以及全景攝像機、單目視覺攝像機采集并經過處理后的視頻信息等。

　　四．完成本課題所需工作條件（如工具書、計算機、實驗、調研等）及解決辦法

　　智能移動機器人集成了機械、電子、計算機、自動控制、人工智能等多學科的研究成果，在當前機器人研究領域具有突出地位。控制系統是機器人的核心部分，所以完成本課題的條件之一就是對控制系統方面有很好的知識并且能受到指導老師的指導。

　　需要我們的計算機安裝ＭＡＴＬＡＢ仿真軟件、ＰＲＯＴＥＬ、ＳＯＬＩＤＷＯＲＫＳ等軟件。需要用到的參考書有：

　　[1] 王耀南.機器人智能控制工程[M].北京：科學出版社，2004

　　[2] 郭洪紅.工業機器人技術[M].西安：西安電子科技大學出版社，2006

　　[3] 熊有倫.機器人技術基礎[M].武漢：華中科技大學出版社，1996

　　[4] 吳宗澤.機械設計實用手冊[M].北京：化學工業出版社，1999，2006(2)

　　[5] 張毅.移動機器人技術及其應用[M]. 北京：電子工業出版社，2007

　　[6]宋伯生.PLC 編程實用指南[M].北京：機械工業出版社，2007

　　[7] 金波斯科，黃心漢.基于傳感器和模糊規則的機器人在動態障礙環境中的智能運動控制[J].控制理論與應用，2000，6：819~825.

　　[8] 王沫南，孟慶鑫.步行機器人控制方案及單足控制實驗研究[J].林業機械與木工設備，2003，5：10~14.

　　[9] 包明，包奎.基于FPGA的搬運機器人的控制系統[J].集成電路應用，2004，12：59~61.

　　[10] 張汝波，周寧.基于強化學習的智能機器人避碰方法研究[J].機器人.1999.