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西南交通大学本科毕业设计（论文）基于行为设计的自主式小型移动机器人系统研究年级:2003级学号:20030718姓名:谢群专业:机电一体化指导老师:周伦2007年6月西南交通大学本科毕业设计(论文)第Ⅰ页院系机械工程学院专业机械电子工程年级2003级姓名谢群题目基于行为设计的自主式小型移动机器人系统研究指导教师评语指导教师(签章)评阅人评语评阅人(签章)成绩答辩委员会主任(签章)年月日西南交通大学本科毕业设计(论文)第Ⅲ页毕业设计（论文）任务书班级2003级机械一班学生姓名谢群学号20030718发题日期：2007年月日完成日期：2007年月日题目基于行为设计的自主式小型移动机器人系统研究1、本论文的目的、意义本篇论文主要介绍了我独立设计并制作的基于行为设计的机器鼠，这个机器鼠的设计制作的主要目的是对基于行为的机器人算法的验证和试验。基于行为的方法在中智能家庭等商业领域受到了许多研究人员的青睐，IRobot公司成功地研制出Roomba家庭式自动地板吸尘除菌机器人，将基于行为的思想引入机器人的作业规划中，提高了规划的效率和对环境的适应度，具有良好的应用前景。在机器鼠设计过程中，依照基于行为的设计方法，对机器鼠的环境、行为和执行任务进行分析和重构，以此对传感器的布局，机械结构和程序流程进行了理论分析设计。在周伦老师的支持和指导下，完成了实物制作（包括电路板设计制作和机械加工）。在机器鼠控制系统的基础上，提出了一种吸尘机器人机械底盘设计方案，结合控制系统初步可以完成室内吸尘任务的要求：能够按照预先设定的算法，自动按照一定的路径行驶，行驶过程中可以自动的识别并绕开障碍物，达到对房间进行无人自动吸尘的目的。目前国内外对吸尘机器人的研究，仅处于刚起步阶段，国内还没有此类产品推出，如果能够继续改进，会具有很大的市场潜力，并且具有一定的学术价值。通过对AT89S52单片机系统的设计调试，对如何组建单片机系统有了深刻的了解；通过对步进电机驱动电路的设计调试，熟悉了PCB的设计流程，增强了数字电路方面的知识。最重要的是，通过这次设计并制作出实物，自己的实际动手能力得到了很大的增强。2、学生应完成的任务机器鼠的总体设计、路径设计及机器鼠的总调试机器鼠的机械部分设计并加工组装步进电动机驱动电路板的设计、调试51单片机控制系统的硬件接线及软件程序设计、调试51单片机控制流程图步进电机驱动芯片电路图一种自动吸尘机器人的机械底盘设计建模，运动学计算西南交通大学本科毕业设计(论文)第Ⅲ页AT89S52单片机外围硬件接线图外文资料翻译设计、计算说明书3、论文各部分内容及时间分配：（共12周）第一部分实习(1周)第二部分收集资料、进行市场调查、完成总体设计(3周)第三部分进行详细方案设计、完成控制系统、电路板的调试及机械零件的加工(4周)第四部分完成机器人的总装及功能调试(2周)第五部分外文翻译以及设计说明书(2周)评阅及答辩(周)备注指导教师：年月日审批人：年月日西南交通大学本科毕业设计(论文)第Ⅳ页摘要移动机器人是近年来发展起来的一门综合学科，集中了机械、电子、计算机、自动控制以及人工智能等多学科最新研究成果，代表了机电一体化的最高成就。移动机器人在工业生产中常用来完成运输和上下料等任务，同时也被广泛用于农业、医疗等不同行业。在移动机器人相关技术研究中，路径规划技术是一个重要研究领域[17]。本文首先初步讨论总结了目前主要的路径规划技术。从基于事例、基于环境模型和基于行为三个方面全面而系统地综述了移动机器人路径规划技术的研究现状，对于目前普遍采用的路径规划方法及其实际应用情况进行了较为详细介绍和分析。基于行为的方法是由MIT的Brooks在他著名的包容式结构[42]中建立，它是一门从生物系统得到启发而产生的用来设计自主机器人的技术，也是本文所重点研究的目标。它采用类似动物进化的自底向上的原理体系，尝试从简单的智能体来建立一个复杂的系统。将其用于解决移动机器人路径规划问题是一种新的发展趋势，它把导航问题分解为许多相对独立的行为单元，比如跟踪、避碰、目标制导等。这些行为单元是一些由传感器和执行器组成的完整的运动控制单元，具有相应的导航功能，各行为单元所采用的行为方式各不相同，这些单元通过相互协调工作来完成导航任务。基于行为的机器人学反对抽象的定义,因此采用场景化、具体化的解释更适合该领域的哲学思想。基于行为的机器人学的重要研究内容是系统结构而不是算法,基于行为设计的机器人在非结构化动态环境中的性能非常优越，用基于符号的机器人学设计的类似的机器人无法达到如下性能:a.高速度,高灵活性。在动态复杂环境中的移动速度很快。b.高鲁棒性。可以承受局部损坏。c.高效性。软件代码可以是传统的几百分之一,硬件可以是传统的几十分之一。d.经济性。价格是传统的十几分之一。e.可扩展性。很少改变原有系统便可增加性能。f.可靠性。分布式自组织并行工作,可靠性强。为进一步研究基于行为的规划方法，而引入一个真实环境及任务模型，即IEEE每年举办的微型机器鼠比赛，通过设计基于行为的机器鼠模型论证该算法的可行性。此项比赛要求机器人能够自主在未知环境中完成迷宫穿越的任务。针对机器鼠比赛项西南交通大学本科毕业设计(论文)第Ⅳ页目的环境模型未知或不确定，以及该机器人本身的某些限制,采用基于行为的研究方法,实现了自行设计的自主式小型移动机器人在未知、动态环境中的自动避障。通过对机器鼠所运行的环境建模，根据基于行为的方法对机器鼠的执行任务、沿墙行走、判断障碍旋转进行分解构建，以及对机器鼠传感器布置及机械平台设计进行理论分析。本文所研究的自主式微小型移动机器人个体是自行搭建的机器鼠实物平台,它由两步进电机驱动,其外形如图1所示。在机器鼠正向和侧向共有3个漫反射式红外线光电传感器,距离为10cm～20cm,两个碰撞开关，传感器位置布置如图2所示，当传感器前方有障碍物时,传感器的输出为1,否则为0。图1机器鼠外形照片采用了ATMEL公司的AT89S52单片机控制，小型四相步进电机及专用的PMM8713步进电机驱动方案，红外接近开关作为主要传感器，差动式底盘结构，初步实现针对微型机器鼠竞赛的自主移动小车的设计。图2机器鼠传感器布置行为的设计与机器人的能力密切相关，机器人的硬件限制了机器人的某些行为的能力，根据机器鼠的比赛任务，对机器鼠的行为中作如图3分解。西南交通大学本科毕业设计(论文)第Ⅳ页图3机器鼠的基本行为组件机器鼠的设计是对基于行为的规划方法的一种验证设计，这种算法正广泛应用于家庭服务类机器人，最典型的实例是自主吸尘机器人。在机器鼠传感和控制系统的基础上，本文进一步针对自主吸尘机器人提出一种机械底盘设计方案，使机器鼠的实用意义得以提升。关键词：移动机器人；路径规划；单片机控制步进电机驱动；红外接近开关传感器；自主吸尘机器人西南交通大学本科毕业设计(论文)第Ⅴ页AbstractTheMobileRobertisarecentlydevelopingsyntheticdisciplinewhichrepresentsmechanical-electricalintegrationandcentralizesthelatestresearchofmechanics,electronics,computer,auto-controlartificialintelligence,etc.Inproductionindustriestherobotisusedtotransportandload-unloadmeanwhileitalsowidelyusedinothers,likeagriculture,medicine,andsoon.Intherelevantresearches,thetechnologyofitisaveryimportantfield.Firstlythispapermakeasummaryofcurrenttechnologiesofpathplanningpreliminarily,andthenfromcase-basedenvironmentmodel-basedandbehavior-basedaspects,makeasummaryoftherecentsituationmobilerobot’spathplanningresearchescomprehensivelyandsystematically.Finallyintroducesandanalyzesthecommonlyusedmethodsandtheirapplications.Becauseoftheuncertainanddynamictheenvironmentmodelsandthelimitationoftheroboticmice,wechoosethemethodofadoptingbehavior-based.Theself-designedautonomousnavigationofmobilerobotavoidingobstaclesautomaticallycanberealized.Thoughmodelingforthecirculating-circumstanceofroboticmice,itstasksperforming,alongwallwalkingandobstacle-rotatingjudgingareanalyzedandconstructedaccordingtothebehavior-basedmethodaswellasthearrangementofroboticmice’ssensorandthedesignofmechanicalplatform.Wehavebuilttheplatformofpracticalityfortheroboticmice.TheAT89S52single-chipcontrollingalsominiaturefourphasesteppermotorandcircuitofstepmotordrivingprogramareadopted,withinfraredremotecontrolswitchcontrollerasthemajorsensoranddifferentialchassisstructure.Therefore,thedesignofautonomousnavigationofmobilevehicleaimedattheminiatureroboticmicecontestwillbeachieved.Uselimitedfundstomakeasimplecarriage,buildanexperimentalelectriccircuit,drawandprintthecircuitboardandaccomplishtheassemblinganddebuggingwork.Thedesignofroboticmiceisavalidationforbehavior-basedmethod.Thecomputationalalgorithmiswidelyusedinhouseholdservicesrobotsandthetypicalformisautonomouscleaningrobots.Onthegroundofroboticmicesensorandcontrolsystem,thethesisfurtherputforwardsamechanicalchassisdesign,accomplishCADmodelingcalculateandanalyzeintermsofautonomouscleaningrobots.Keyword:Mobilerobot;Pathplanning;Singlechip-controllingdrivecircuitofstepmotor;Infraredremotecontrolswitchcontroller;A