多功能机器人“灵狐”的研究与实现

第九届“挑战杯”全国课外学术作品西北工业大学参赛作品1序号：编码：第九届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛作品申报书作品名称：基于DSP无线通讯的多功能机器人“灵狐”的研究与实现学校全称：西北工业大学申报者姓名（集体名称）：周飞，崔海华，许斌，欧为军，王庆，类别：□自然科学类学术论文□哲学社会科学类社会调查报告和学术论文■科技发明制作A类□科技发明制作B类报送方式：□省级报送作品■高校直送作品说明基于DSP无线通讯的多功能机器人“灵狐”的研究与实现21．申报者应在认真阅读此说明各项内容后按要求详细填写。2．申报者在填写申报作品情况时只需根据个人项目或集体项目填写A1或A2表，根据作品类别（自然科学类学术论文、哲学社会科学类社会调查报告和学术论文、科技发明制作）分别填写B1、B2或B3表。所有申报者可根据情况填写C表。3．表内项目填写时一律用钢笔或打印，字迹要端正、清楚，此申报书可复制。4．序号、编码由第九届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛全国组委会填写。5．学术论文、社会调查报告及所附的有关材料必须是中文（若是外文，请附中文本），请以4号楷体打印在A4纸上，附于申报书后，字数在8000字左右（文章版面尺寸14.5×22cm）。6．发起高校的三件直送作品和各省（区、市）通过初评的作品（数量参照“作品数额分配方案”）各一式四份分别按全国组委会规定的时间用特快专递寄至全国竞赛组委会办公室。7．作品申报书须按要求由各省或各校竞赛组织协调机构统一寄送。8．其他参赛事宜请向本校竞赛组织协调机构咨询。9．寄送地址：复旦大学团委第九届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛组委会办公室联系人：丁力联系电话：021—65642631传真：021—65642631邮政编码：200433A2申报者情况（集体项目）第九届“挑战杯”全国课外学术作品西北工业大学参赛作品3说明：1．必须由申报者本人按要求填写；2．申报者代表必须是作者中学历最高者，其余作者按学历高低排列；3．本表中的学籍管理部门签章视为申报者情况的确认。申报者代表情况姓名周飞性别男出生年月83.7学校西北工业大学系别自动化学院专业测控技术及仪器年级大四学历本科学制四年入学时间2001.9作品名称基于DSP无线通讯的多功能机器人“灵狐”的研究与实现通讯地址西北工业大学自动化学院907教研室邮政编码710072办公电话88495943常住地通讯地址西北工业大学旺园学生公寓51＃信箱邮政编码710072住宅电话82374476其他作者情况姓名性别年龄学历所在单位崔海华男21本科西北工业大学自动化学院许斌男21本科西北工业大学自动化学院欧为军男20本科西北工业大学自动化学院王庆男20本科西北工业大学自动化学院资格认定学校学籍管理部门意见以上作者是否为2005年7月1日前正式注册在校的全日制非成人教育、非在职的高等学校中国籍专科生、本科生、硕士研究生或博士研究生。■是□否（部门签章）年月日院、系负责人或导师意见本作品是否为课外学术科技或社会实践活动成果■是□否负责人签名：年月日B3．申报作品情况（科技发明制作）说明：1．必须由申报者本人填写；基于DSP无线通讯的多功能机器人“灵狐”的研究与实现42．本部分中的科研管理部门签章视为对申报者所填内容的确认；3．本表必须附有研究报告，并提供图表、曲线、试验数据、原理结构图、外观图（照片），也可附鉴定证书和应用证书；4．作品分类请按照作品发明点或创新点所在类别填报。作品全称基于DSP无线通讯的多功能机器人“灵狐”的研究与实现作品分类（ABC）A．机械与控制（包括机械、仪器仪表、自动化控制、工程、交通、建筑等）B．信息技术（包括计算机、电信、通讯、电子等）C．数理（包括数学、物理、地球与空间科学等）D．生命科学（包括生物、农学、药学、医学、健康、卫生、食品等）E．能源化工（包括能源、材料、石油、化学、化工、生态、环保等）第九届“挑战杯”全国课外学术作品西北工业大学参赛作品5作品设计、发明的目的和基本思路，创新点，技术关键和主要技术指标一、目的：“机器人可以部分或完全地解放人类！”这是机器人最有诱惑力的一面。一个国家的军事力量是整个国家的综合国力的重要体现。综合上面的因素，我们积极开拓创新，大胆设想，针对DSP诸多高性能的特点，努力挖掘高性能机器人在军事领域的应用价值。二、基本思路：将高性能DSP运用于军事领域，可以提高作战能力。同时我们利用步进电机作为执行机构，利用无线通讯编码技术进行通讯，利用无线图像传输技术及GPS定位技术进行定位，利用超声波传感器阵列进行检测避障，利用语音识别及合成技术等实现特殊复杂功能。未来人类将会利用军事机器人执行各种特殊的任务。除了作战功能，我们制作的机器人还将具有舞蹈功能、逐球功能，这归功于美学及路径规划技术、图像采集和处理技术等的发展。我们的目标就是让机器人“无所不能”。三、创新点：1.将高性能DSP运用到小型轮式机器人领域；2.运用GPS进行辅助导航功能；3.利用无线图像传输技术进行侦察配合精确打击（军事），以及高危环境的环境勘测（商用）；4.机器人体积小，便于隐藏，还适合小环境作业；5.特定的语音识别技术使机器人更加智能化，如可以识别我方特工（军用），以及人机互动（民用娱乐）；6.交互式无线通讯方式可以保证控制的有效性，实时性。四、技术关键：该机器人涉及到的关键技术有DSP控制技术、无线通讯与编码技术、音乐美学与路径规划技术、图像采集传输与处理技术、GPS定位导航技术、超声波检测避障技术、语音识别与合成技术、多传感器数据融合技术等等。五、主要技术指标（实现功能）：一、机器人军事功能演示：机器人通过无线通讯接收指令；机器人开始往指定目的地运动，运动过程中，不断传回图像数据；控制台工作人员可以利用PC、控制平台及GPS定位信息控制机器人；到达指定地点实现特殊任务，如爆破。二、机器人舞蹈功能演示：两个机器人编队在抒情的音乐下跳起优美的舞蹈；这期间可以实现图像定位、与人语音交互、超声波测距、无线通讯接收命令等功能；演示方式一：用图像进行定位（半自主）；演示方式二：用内部程序进行舞蹈（全自主）；三、机器人逐球功能演示：操作者利用已编好的软件通过摄像头对小车、小球、以及背景进行色样采点，然后由已编好的程序算出小车与小球的相对位置坐标，然后发送指令控制小车去追逐小球。六、部分技术参数：DSP：指令周期25ns,AD转换时间只需375ns,且含有8个16位PWM通道；GPS：利用12颗卫星，控制精度15m；超声波传感器精度：1cm；舞蹈用的执行机构理论精度0.08cm；无线通讯传输速率100Kbps。基于DSP无线通讯的多功能机器人“灵狐”的研究与实现6作品的科学性先进性（必须说明与现有技术相比、该作品是否具有突出的实质性技术特点和显著进步。请提供技术性分析说明和参考文献资料）一、科学性和先进性：基于高性能DSP无线通讯的军事机器人涉及数学、力学、机械、电子、自动控制、传感器、通信、计算机、人工智能及美学等多个领域的前沿研究和技术融合，其高性能的实时处理能力、高精度的定位能力、高可靠性的作战能力使之具有较强的军事作战价值。二、与现有作品相比，突出实质性技术：7.实现了DSP步进电机控制器的解决方案；8.采用无线通讯及编码技术可以远距离传输指令；9.设计出配合音乐节拍的路径（美学）；10.建立了完整而实用的轮式移动机器人运动学和动力学模型；11.运用超声波、无线视频传输和GPS组合导航可使该机器人准确安全到达目的地；12.将DSP和无线通讯编码技术运用在军事领域可增强国家国防力量；13.对室外自主导航小型机器人这个前沿学科的探索，打破国外发达国家的技术封锁。三、作品中有潜在价值的技术水平：14.40MIPS运行速度使得指令周期为25ns，可以快速进行各种数值运算；15.8个16位PWM通道，可产生任意占空比的波形；16.步进电机工作在四相八拍方式下，可转几乎任意半径的圆圈，理论控制精度为0.0855cm；17.无线通讯可一次性传输（收发）32个字节，接收方可以实现一系列的动作；通讯速度可以达到100Kbps，可以很好的满足对实时性有一定要求的场合。而且无线通讯具有交互功能，可以进一步扩大应用空间；18.单个GPS接收机定位精度小于15m，差分后可以减小到1m级别，甚至mm级别；19.超声波测距0.1～2m，控制精度在cm级别；20.语音识别既可以实现特定人也可以非特定人，而且正确率均在95％以上。作品在何时、何地、何种机构举行的评审、鉴定、评比、展示等活动中获奖及鉴定结果其基础框架构建作品《基于DSP无线通讯的轮式移动机器人的研究与实现》在校“三航杯”课外科技作品竞赛中获本科生科技制作发明类二等奖（一等奖空缺），当时我们只实现了舞蹈机器人功能。终审意见表为“基于DSP无线通讯的WMR作品采用了高性能DSP与无线编码技术，该机器人系统结构设计合理、功能较强、智能化程度较高。”“该作品技术含量较高，涉及知识面较广，作为本科生课外科技作品，体现了作者较强的独立工作能力和科研创新能力。”作品所处阶段（A）A实验室阶段B中试阶段C生产阶段D（自填）技术转让方式第九届“挑战杯”全国课外学术作品西北工业大学参赛作品7作品可展示的形式■实物、产品□模型□图纸□磁盘■现场演示■图片□录像□样品使用说明及该作品的技术特点和优势，提供该作品的适应范围及推广前景的技术性说明及市场分析和经济效益预测一、现有作品的特点和优势：21.补充我国机器人种类，可增加我国军事力量，提高我国的综合国力；22.运用高性能DSP技术提高作战整体水平；23.运用高速无线通讯技术可以有效地保证实时性；24.具有超声波多路采集系统实现自我避障功能；25.GPS定位技术给导航提供很好的依据；26.科技水平高，应用前途广。二、适应范围和推广前景：可适用于军事领域，可从事部分高危险性作业，如工作在核实验基地等；可适用于商业领域，实现人机互动，伴随音乐进行舞蹈，键盘遥控等娱乐功能。可适用于体育事业，实现足球机器人功能。三、初步市场分析：在很多国家包括我国，特种机器人的数量不是很多。美国将机器人看作未来作战体系的中心，军事机器人无论在数量还是质量上均却遥遥领先，而且技术封锁。我国是一个军事强国，在军事方面肯定不可以落后。该产品具有价格低、体积小、控制精确、实时性高等诸多优点，相信再开发半年应该就可以运用到战场上。除此之外，该机器人还可用于商业开发，主要是娱乐业和体育行业，商业前景广阔。专利申报情况□提出专利申报申报号申报日期年月日□已获专利权批准批准号批准日期年月日■未提出专利申请科研管理部门签章年月日基于DSP无线通讯的多功能机器人“灵狐”的研究与实现8C.当前国内外同类课题研究水平概述说明：1.申报者可根据作品类别和情况填写；2.填写此栏有助于评审。机器人制作是近年来国际上迅速开展起来的一种高技术活动，它涉及数学、力学、机械、电子、自动控制、传感器、通信、计算机、人工智能等多个领域的前沿研究和技术融合，集高技术，娱乐和比赛于一体，能有效培养学生的动手能力、创造能力和协作精神，引起了公众的广泛关注和极大的兴趣。根据文献资料，基于DSP的WMR制作在国外已经轰轰烈烈的开展起来，国外已经有一定这样的成型产品。但由于各种条件的限制，基于DSP的WMR在国内仍处于起步阶段。和该项目相似的在国内外有舞蹈机器人、足球机器人及巡迹机器人等，而且几乎都是用单片机实现的。为了改善机器人的性能，中科院自动化研究所接国家863计划制作了基于DSP技术和嵌入式操作系统技术开发研制了智能移动机器人系统CASIA-I，同时国防科技大学为了参加足球机器人竞赛将处理器改为DSP。www.roboticfan.com另一篇文章《基于DSP的移动机器人的设计与实现》表明上海交通大学已经有基于DSP的WMR。在www.roboticfan.com中《移动机器人的发展展望》一文中说道：“工业用自动引导移动机器人（AGV）也得到了飞速发展，在拥有了视觉和激光扫描传感器之后，AGV已经被提高到了一个新的高度了