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电信学院毕业设计开题报告姓名冉旭升专业自动化班级自动化（2）班学号12220217指导教师潘峥嵘题目类型工程设计题目自动走迷宫对抗机器人的设计（攻方）一、选题背景及依据（简述题目的技术背景和设计依据，如实说明选题目的、意义，列出主要参考文献）1.技术背景和设计依据二十一世纪机器人产业将成为和汽车、电脑和手机并驾齐驱的主要产业。不管任何领域，机器人正在慢慢走近我们的生活，成为人类最好的朋友。机器人技术和产业化在中国具有一定的现实基础和广阔的市场前景。当今人类已经进入了知识经济社会和信息社会。随着科学技术和经济的发展，人类的一切技术活动都围绕着一个目的而展开：将人类从现有的各种事务中解脱出来，去开辟新的领域，那就是机器人。如今机器人已经非常广泛地应用于现代工业、农业、农业、航天、军事等领域中，用机器人代替传统的人力劳动，不仅提高了工作效率、工作质量，还避免了在某些.领域中人长期在恶劣环境下工作对身体的伤害。现代科学和技术的交叉和综合大部分体现在机器人技术，先进机器人技术是一个国家综合实力的体现，比如我国的神舟系列，蛟龙下海，这些都无不体现我国的综合国力。目前，许多国家都已将机器人技术列入本国本世纪高技术发展计划。举办各种机器。人竞赛已成为机器人发展的一种新动力，国际上各种机器人竞赛中，最为著名的是：机器人足球竞赛、机器人灭火竞赛和亚太机器人大赛，这些竞赛推动着机器人技术一步一步地发展。在我国，机器人大赛以中国机器人大赛RobotCup公开赛和“未来伙伴”杯中国智能机器人大赛最具影响力。2.选题意义及目的迷宫机器人是移动机器人路径规划算法的典型应用，在国内外迷宫机器人一直是计算机领域和控制领域的研究热点话题。1969年，TheMachineDesign组织了一次走迷宫比赛，从那以后世界各地举办了很多关于迷宫机器人的比赛，至1980年，为了很好解决迷宫机器人的路径问题，IEEEMagazine提出了一个“Micrometer”的概念。后来，就关于走迷宫的比赛就一直没有中断过。迷宫机器人硬件越来越先进，算法越来越多。早期有随机算法，概率算法，向左(右)算法，在迷宫中，机器人一直沿着迷宫隔栅走，在岔路口用随机选的办法等，可以顺利走出迷宫，但对于有独立的迷宫，这种算法就容易陷入死循环，后来又有流水法，即广度优先算法等等。近年来，在反恐防暴不时有人民警察或者人民战士牺牲。自动走迷宫对抗机器人的研究与设计对于未来战争或者反恐防暴来说都具有重要的意义，可以大大减少制裁犯罪分子的风险，也大大提高了效率。因此设计出结构合理，算法冗余度高的走迷宫攻击机器人具有重要的研究意义。3.参考文献[1]望威,周茜.实用机器人制作讲座(八)机器人用电动机及其传动机构[J].电子制作.2003(12).[2]望威,周茜.实用机器人制作讲座(九)机器人驱动DC电机的控制[J].电子制作.2004(01).[3]陌尘.实用机器人制作讲座(五)——机器人供电系统(电池应用部分)[J].电子制作.2003(09).[4]陌尘.实用机器人制作讲座(六)——机器人供电系统(电源稳压部分)[J].电子制作.2003(10).[5]董大为,李琳,张铁,谢存禧.移动机器人自动循线及避障检测的设计[J].机床与液压.2008(04).[6]金文俊,冯浩,华亮.基于超声波传感器的自主移动机器人的探测系统[J].现代电子技术.2008(04).[7]白英彩.微型计算机常用芯片手册[M].上海:上海科技出版社，2000.[8]谢宜仁.单片机实用技术问答[M].北京:人民邮电出版社，2005.[9]刘必虎.中小规模集成电路的原理与应用[M].上海:上海科技出版社，2000.[10]周林等.PWM控制器的控制方法[J].重庆邮电学院学报,2001(6):110-113.[11]张晓青.直流电动机数字PWM调速系统设计[J].北京机械工业学院学报,2004,12(4):44-48.[12]BelG.R,MiehaelL.G.ExPertsystemdefectionandPerfeetion[J].LogistiesInformationManagement,2009,12(5)[13]HaiqiaoWu,YiLiu,YunliangDing,YongqingQiu.Faultdiagnosisexpertsystemformoderncommercialaircraft[J].AircraftEngineeringandAerospaceTeehnology,2004,76(4)二、主要设计（研究）内容、设计（研究）思想、解决的关键问题、拟采用的技术方案、设计（研究）工作步骤1.毕业设计的主要内容如图所示迷宫，场地尺寸：4000mm*4000mm，在白色地面上用黑胶带平面铺设而成，线宽20mm，线间距280mm，出口宽度600mm。在比赛过程中不允许压线。参赛双方的两个机器人，各背一个气球，气球下边沿距离地面不得高于50mm，并且裸露于机器人本体外侧。对抗双方分别从迷宫A、B两个端口进入并开始计时，在中心区域C区进行对抗，对抗目的是扎破对方气球而保护自己的气球，扎破对方气球后，走出迷宫，计时结束。图1迷宫示意图2.设计实现的主要功能：1)能够识别迷宫地图，自主进入中心区域C区；2)具备有效攻击对方的能力；3)具备在攻击之余，快速走出迷宫的能力；3.主要技术指标1)总用时不得大于20分钟。2)对抗过程中不得出现出界压线的行为。4.拟解决的关键性问题1）针对迷宫机器人设计合理的机械结构安装方式；合理的机械结构安装是迷宫攻击机器人是否能够准确走出迷宫和精确攻击敌方机器人的首要关键性问题。2）冗余度高、计算精确的控制算法研究；在机器人采用合理的机械结构后，采用恰当的控制算法，可以大大提高机器人的前进速度以及攻击速度。是迷宫攻击机器人准确完成任务所必须要解决的关键问题之一。5.自动走迷宫可以采用的方式5.1红外传感器工作原理当小车在白色地面行驶时，装在车下的红外发射管发射红外线信号，经白色反射后被接收管接收，一旦接收管接收到信号，那么光敏三极管将会导通，比较器输出低电平；当小车行驶到黑色引导线时，红外线信号被吸收后，光敏三极管截止，输出高电平，从而实现通过红外线检测信号的功能。将检测到的信号送到单片机I/O口，当I/O口检测到信号为高电平时，表明红外光被地上的黑线引导线所吸收了，表明小车处在黑色的引导线上；同理，当I/O口检测到的信号为低电平时，表明校车行驶在白色底面上。红外传感器可以实现机器人位置的随时调整，但是红外线传感器的输出电压与距离不成线性，加大了控制难度。5.2调制激光电路光电组要想跑的快，大的前瞻是必要的，但是以往所用的红外或者其它光敏电阻之类的都不能达到要求，最好的选择就是调制激光。激光传感器由发射、接收、调制、透镜等组成。激光传感器由两部份构成，一部分为发射部分，一部分为接收部分。发射部分由一个震荡管发出180KHz频率的震荡波后，经三极管放大，激光管发光。接收部分由一个相匹配180KHz的接收管接收返回的光强，经过电容滤波后直接接入单片机，检测返回电压的高低。由于激光传感器使用了调制处理，接收管只能接收相同频率的反射光，因而可以有效防止可见光对反射激光的影响。另外，配合大透镜使用，接收效果和抗干扰能力更强。5.3光电传感器工作原理光电传感器由1个红外发射（发射器）和1个光电二极管(接收管）构成，红外发射管发出的红外光在遇到反光性比较强的物体（表面为白色或近白色)后被折回，被光电二极管接收到，引起光电二极管电流增大。将这个变化转换为电压信号，就可以被处理器处理并处理，进而实现对反光性差别较大的两种颜色的识别。5.4线阵CCD线阵CCD是用一排像素扫描过图片，做三次曝光-分别对红、绿、蓝三色滤镜，正如名称所表示的一样，线性传感器是捕捉一维图像。初期应用于广告界拍摄静态图像，线性阵列，处理高分辨率的图像时，受限于移动的连续光照物体。线性CCD用于高分辨率的静态照相机，它每次只拍摄图像的一条线，这与平板扫描仪扫描照片的方法相同。这种CCD精度高，速度慢，无法用来拍摄移动的物体，也无法使用闪光灯。基于以上三种走迷宫传感器的特点及性价比比较，选用激光传感器比较合适。6.电机驱动6.1步进电机基于以上步进电机(steppingmotor)是将电脉冲信号装换为相应的角位移或者直线位移的一种特殊电机，每输入一个电脉冲信号，电机就转动一个角度，它的运动形式是步进的，所以称为步进电动机，又由于它输入的是脉冲电流，所以也叫脉冲电动机。步进电动机在不需要变换的情况下，能直接将数字脉冲信号装换成角位移或线位移，因此它很适合作为数字控制系统的伺服元件。此外，它还具有一系列的优点，一是输出角位移量或者线位移量与其输入的脉冲数成正比，而转速或线速度与脉冲的频率成正比，在负载能力范围内这些关系不受电压的大小、负载的大小、环境条件等外界各种因素的干扰。二是它每转一周都有固定的步数，所以步进电动机在不失步的情况下运行，其步距误差不会长期积累。三是控制性能好，它可以在开环系统中很宽的范围内通过改变脉冲的频率来调节电机转速，并且能够快速启动、制动和反转。四是有些型式的步进电动机在停止供电的状态下还有定位转矩，有些型式在停机后某些相绕组仍保持通电状态具有自锁能力，不需要机械制动装置。等当采用速度和位置检测装置后它可构成闭环控制系统。计算机技术、电力电子技术和微电子技术的发展，给步进电机的应用开辟了广阔的前景，应用非常广泛。如数控机床、绘图机、自动记录仪表、遥控装置和航空系统等等，都大量使用步进电动机。步进电机的主要缺点是效率较低，并且需要专用电源供给电脉冲信号，带负载惯量的能力不强，在运行中会出现共振和振荡问题。6.2直流电动机直流电动机的工作原理就是把电枢线圈中的感应的交变电动势，靠换向器配电刷额换向作用，使之从电刷引出时变为直流电动势。直流电动机的优点主要有：（1）调速范围广，易于平滑调节。（2）过载、启动、制动转矩大。（3）易于控制、可靠性高。（4）调速时的能量损耗较少。鉴于直流电机的可调速性，在自动走迷宫对抗机器人中可以采用直流电机。7.发起有效攻击的模式7.1超声波利用超声波测量已知基准位置和目标物体表面之间距离的方法，称为超声波测距法。利用超声波作为定位技术是蝙蝠等一些无法目视生物作为防御及捕捉猎物生存的手段。由于超声波的速度相对于光速要小的多，其传播时间就比较容易检测，并且易于定向发射，方向性好，强度好控制，因而人类采用仿真技术利用超声波测距。超声波测距是一种利用声波特性、电子技术、光电开关相结合来实现非接触式距离测量方法。在本设计中用来非接触式定位守方是否在攻击范围内。7.2红外探测在室内自动感知障碍的设备中，常使用红外线探测障碍物的存在与否，探测原理为：在测量的范围内，主动向探测方向发射红外信号，如果存在障碍物，就会把发射信号反射回发送端。在发送端，如果收到反射的信号，就确认障碍物的存在。就确认但是在实际应用中，红外干扰源较多，而且在有反射光的情况下，由于光线的干扰，很容易判断失误，出现虚警。综上所述，采用超声波探测气球会更加精确。8.拟采用的技术方案及工作过程本设计拟采用最常用的STM32F103处理器作为机器人的控制核心，其具有高可靠性、功能强、高速度、低功耗、低价位和使用方便的优点。采用L298N直流电机驱动，它是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片采用15脚封装。主要特点是L298N双H桥直流步进电机驱动芯片工作电压高，电机驱动电源电压DC5-40V，输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，最大输出功率25W。可以单独控制2台直流电机或1台两相4线(或6线)步进电机。相应的机器人的驱动电机选用普通直流电机。在本次设计中用三节电池串联供电的方式，一般来说单节18650电池的容量为3400mAH,正常放电电压在4v左右，至于功率就在于选的车模上面的电机，其它模块功率相对较小，因此选择供电电压为12V左右。由于迷宫场地是白色地面，识别迷宫是黑色带状条纹，对比线性CCD、摄像头和光电这