刘科-开题报告.doc

西南科技大学毕业设计（论文）开题报告
学 院
信息工程学院
专业班级
自动0301
姓 名
刘科
学 号
20035338
题 目
移动机器人感知单元的软件设计
题目类型
设计型
一、 选题背景及依据（简述国内外研究现状、生产需求状况，说明选题目的、意义， 列出主要参考文献）
1、移动机器人概述
近年来，机器人已成为高技术领域内具有代表性的战略目标。机器人技术的出现和发展，不但使传统的工业生产面貌发生了根本性的变化，而且将对人类的社会生活产生深远的影响。
机器人技术集力学、机械学、电子学、生物学、控制论、计算机、人工移动、系统工程等多种学科知识之大成，是一项综合性很强的新技术。
目前，随着机器人技术的迅速发展和自动化程度的进一步提高，人们对机器人的功能也提出了更高的要求，在这种情况下，移动机器人应运而生。
移动机器人是这样一类机器人：机器人本身能认识工作环境、工作对象及其状态，它根据人给予的指令和“自身”认识外界的结果来独立的决定工作方法，利用操作机构和移动机构实现任务目标，并能适应工作环境的变化。
这些移动机器人，有的能够模拟人类用两条腿走路，可在凹凸不平的地面上行走移动;有的具有视觉和触觉功能，能够进行独立操作、自动装配和产品检验：有的具有自主控制和决策能力。这些移动机器人，不仅应用各种反馈传感器，而且还能够运用人工移动中各种学习、推理和决策技术。随着各种新技术的出现，移动机器人还应用了许多最新的移动技术，如临场感应技术、虚拟现实技术、多移动体技术、人工神经网络技术、遗传算法和遗传编程、仿生技术、多传感器集成和融合技术以及纳米技术等。
移动机器人一般由硬件系统和软件系统两部分构成。
根据研制目的不同，移动机器人硬件系统的构成也不尽相同，比较完整的典型结构如图1-1所示。由图可见，移动机器人硬件系统综合运用了多种移动模拟技术，其目标是建立起一个“人”的模型。
移动机器人软件系统，就相当于机器人的“大脑”，移动机器人之所以能
够代替人做大量的工作，就是因为它具有和人类的大脑思维能力相仿的移动
控制系统。而这个移动控制系统其实就是移动机器人的软件系统。移动机器
人的软件系统实际上也就是人工移动主要技术对于机器人的综合运用。移动
机器人的软件系统，如图1-2所示。
2、 机器人与传感器
人们的生产和生活的需要，以及科学技术的发展，促使了机器人及其技术的发展。机器人研究首先是从模仿人开始，也就是说计算机是人类大脑或智力的外延，执行机构是人类四肢的外延，传感器是人类五官的外延。其中，传感器处于连接外界环境与机器人的接口位置，是机器人信息获取的窗口。要使机器人拥有智能，对环境的变化作出反应，首先，必须使机器人具有感知环境的能力，用传感器采集环境信息是机器人智能化的第一步；其次，如何采用适当的方法，将多个传感器获取的环境信息加以综合处理，控制机器人进行智能作业，更是机器人智能化的重要体现，所以，传感器及其信息处理系统，两者相辅相成，构成了机器的智能，为机器人智能作业提供决策的依据。
自从机器人问世以来，其技术上的发展大致经历了以下三个时期：

（1）第一代示教再现型机器人。它不配备任何传感器，一般采用简单的开关控制、示教再现控制和可编程序控制，机器人的作业路径或运动参数都需要示教或编程给定，在工作过程中，它无法感知环境的改变而改善自身的性能、品质。
（2）第一代感觉型机器人。此种机器人配备了简单的内外部传感器，能感知自身运行的速度、位置、姿态等物理量，并以这些信息的反馈构成闭环控制，如，配备简易视觉、力觉传感器等简单的外部传感器，因而具有部分适应外部环境的能力。
（3）第三代智能型机器人。目前尚在研究和发展之中，它具有多种外部传感器组成的感觉系统，可通过对外部环境信息的获取、处理，能确切地描述外部环境，鱼土地完成某一项任务。一般地，它拥有自己的知识库、多信息处理系统，可在结构或半结构的环境中工作，能根据环境的变化作出对应的决策。但是，我们还不得不承认，即使是目前世界上智能最高的机器人，它对外部环境变化的适应能力也非常有限，还远远没有达到人们预想的目标。
然而，我们还不得不承认，即使是目前世界上智能最高的机器人，它对外部环境变化的适应能力也非常有限，还远远没有达到人们预想的目标。为了解决这一问题，机器人研究领域的学者们一方面开发研究机器人的各种外部传感器，研究多信息处理系统，使其具有更高的性能指标和更宽的应用范围；另一方面，如何将多个传感器得到的信息、综合利用，发展多信息处理技术，使机器人能更准确、全面、低成本地获取所处环境的信息。
3、 机器人的感觉系统
机器人的感觉系统通常指的是机器人的外部传感器系统，通过这些传感器，机器人获得其所处环境的有关信息。
机器人的感觉研究首先从研究人的感觉出发，人的各种感觉器官及其功能都成为机器人感觉的模仿对象。从目前的研究现状看，有些感觉远不如人类，如视觉和图像理解；但也有些传感器，其性能指标超过人的感觉，如机器人的腕力传感器，它不光能测出小到几克的力变化，而且能感觉到六个方向的力和力矩，显然这对人来说是难以做到的。当然，人的感觉机理不是我们简单地用物理传感器能够模仿的，尤其是人的思维、推理方式、综合处理各种感觉信息的能力，更是现有的处理技术难以达到的，技术的发展还远落后于人类的需要，严峻的现实不应成为失望的根源，而是我们继续研究、不断前进的动力。
综合现有机器人的各种感觉及其对应的外部传感器，大致可按下图的结构表达其组成和划分（如图1-1所示）。
视觉
（包括颜色，光强等感觉）
平面视觉

立体感觉

触觉和痛觉
滑动觉
接近觉
热觉和温度觉
力觉
嗅觉
听觉
味觉
非视觉
机器人感觉

图1-3 机器人感觉系统的组成和划分
4、参考文献
[1] 徐国华，谭民.移动机器人的发展现状及其趋势[J].机器人技术与应用，2001.
[2] 宋丹琦，基于多传感器的移动机器人硬件电路设计[A]. 哈尔滨工程大学，2004.
[3] 田拓，郭中华，丁帅华.基于AT89C52单片机智能小车的设计[J].宁夏工程技术，2005年04期.
[4] 陈莹，基于单片机的超声测距系统[J].华中科技大学，2004
[5] 孟立凡，郑宾.传感器原理及技术[M].北京：兵器工业出版社，2000.2
[6] 陈懂,刘瑢,金世俊.智能小车的多传感器数据融合[J].现代电子技术，2005年06期.
[7] 王斌明.基于多传感器信息融合的移动机器人避障研究.南京理工大学，2006.
[8] R. M. Murray and S. S. Sastry , “Grasping and manipulation using multi fingered robot hands[J]”， Unite of California at Berkeley, 1990.
[9] 林风云，吕恬生.“Minimum-time trajectory planning based on the shortest path for the wheeled mobile robot”[J]. 哈尔滨工业大学学报(英文版),2006（03）.
[10] H.Arail and S.Tachi，“Position Control of a Manipulator with Passive Joints Using Dynamic Coupling[J] ,”IEEE Trans. on Robotic and Automation, 1991.

二、主要研究（设计）内容、研究（设计）思想及工作方法或工作流程
1、内容
（1）基于声、光的传感器的相关知识的学习及应用。
（2）对移动机器人的感知单元软件设计。
（3）掌握基本的数字滤波和基本算法。
（4）掌握ICCAVR编译器的应用。
（5）根据所需要完成的性能指标，实现程序设计。
2、工作方法或工作流程
（1）硬件方案介绍
本次设计系统包括三个部分：红外巡线、超声波测距和避障处理，其中避障处理由软件设计。硬件结构图如图2-1所示。

图2-1硬件方案框图
系统将单片机作为核心元件，对信号进行处理和系统的控制。在众多单片机中选用了ATmega8单片机基于以下几方面：
1、作为初学者，该单片机无论是学习还是应用都能很快上手，而且相关的学习和应用资料比较多，便于参考；
2、将常用的功能模块集成在一起，便于应用和扩展；
3、相对充足的存储空间等。
本设计所指的巡线是指移动机器人的工作环境中人为设置一条白线，移动机器人就在此线上运行。本设计采用红外传感器实现巡线功能，选用南旭科技的ST178H红外光电对管，该传感器检测可调范围大，最小距离为2mm。
移动机器人安全避障具体的实现方法有主要有超声避障、视觉避障、红外传感器、激光避障、接近觉传感器、微波雷达等避障方法。由于超声避障实现方便，技术成熟，成本低，成为移动机器人常用的避障方法。本设计采用超声传感器实现避障功能，选用SensComp公司生产的600系列传感器。
（2）确定软件方案
程序的设计主要包括3个方面： 红外巡线控制、超声波测距和避障处理。红外线信号在进入单片机以前由红外线传感器转换成模拟电压信号，而超声波的频率信号在LM567的作用下转换成低电平信号。
程序运行时，先通过ATmega8单片机的A/D转换模块，用查询的方法，分别对某时刻7个红外线传感器的电压信号采集一定的次数，然后对每个传感器的每组数据进行数字滤波。通过分析比较滤波后的数据，判断机器人实际运行路线与预定路线的偏离情况，来控制机器人的左右轮速度，达到巡线运动的目的。
接着，用定时器中断的方法在单片机的引脚上产生40KHz的方波信号，该信号用作超声波驱动信号。超声波产生后再一次运行定时器，并设定定时最大时间。当接收到超声波返回信号，如果在定时最大时间范围内，单片机根据时间和温度数据计算障碍物距离，并确定障碍物方向；如果超出定时最大时间，就舍弃该信号。
当定时器产生中断后就进入中断服务程序，根据障碍物的距离和方向信息，设计模糊控制器，完成避障控制。定时器中断服务程序完成后，程序返回到巡线程序入口。
程序运行后，在以上三个模块循环运行，程序设计的原理如图3-1所示。并根据软件设计方案对每一个 进行具体的设计和编写程序。

图3-1 程序设计的原理
3、程序的调试
软件的调试主要应用AVRstudio软件，该软件是Atmel官方发行的免费软件，其强大的功能和正中的血统，使其成为绝大部分AVR开发者必不可少的工具。

三、毕业设计（论文）工作进度安排
1月5日到1月21日前期准备工作，撰写开题报告；
1月25日到3月1日查找关于传感器和机器人干支感知单元方面的资料；
3月2日到3月10日完善设计思想；
3月11日到4月选择传感器，了解硬件设计思想；
4月6日到5月19日确定软件设计方案以及设计过程；
5月20日到6月20日对设计出的程序调试，并完成毕业论文。

指 导

教 师

意 见

指导教师签字___________

年 月 日

院 系

毕 业

设 计

领 导

小 组

审 核

意 见
难 度

综合训
练程度

是否隶属科研项目

教学院长（公章）___________

年 月 日
备注：1、题目类型分为： 研究型、设计型和应用型等。
2、题目难度分为： A、B、C、D四个等级。
3、综合训练程度分为： A、B、C三个等级。