發(fā)布時(shí)間：2020-03-18 14:42

【摘要】：隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,越來越多的任務(wù)需要人來完成。這就促使著人們發(fā)明了各種可以替代自已完成不同任務(wù)的機(jī)器人,因此機(jī)器人技術(shù)獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。機(jī)器人可以代替工作人員完成很多高負(fù)荷的工作,大大減輕了工作人員的勞動強(qiáng)度,也可以替代工作人員進(jìn)入一些危險(xiǎn)的場合或是完成一些危險(xiǎn)的任務(wù),保障了工作人員的生命安全。在很多對未知領(lǐng)域的探索活動和任務(wù)中,需要進(jìn)入可能有危險(xiǎn)的未知場所,比如對礦井的勘測或者對隧道內(nèi)部的科學(xué)研究,對發(fā)生爆炸或者火災(zāi)的工廠等進(jìn)行救援活動,等等。在完成這些任務(wù)的時(shí)候,由于不了解未知場所內(nèi)部的情況,進(jìn)去完成任務(wù)的人員很有可能面臨著生命的危險(xiǎn)。這就需要一種移動探測機(jī)器人,可以在人們進(jìn)入未知場所完成任務(wù)之前,先進(jìn)去對未知場所的環(huán)境進(jìn)行探測,并進(jìn)行路徑規(guī)劃,以全覆蓋的方式遍歷整個(gè)未知環(huán)境,獲取整個(gè)未知場所完整的環(huán)境信息。根據(jù)機(jī)器人探測得到的環(huán)境信息,人們可以更好地對任務(wù)進(jìn)行規(guī)劃,提前做好安全相關(guān)的準(zhǔn)備和預(yù)案,一定程度上避免危害人身安全的事故發(fā)生。本課題的設(shè)計(jì)目標(biāo)就是設(shè)計(jì)一種可以進(jìn)入未知場所內(nèi)部進(jìn)行探測的移動機(jī)器人,并且能夠進(jìn)行路徑規(guī)劃,以全覆蓋的方式遍歷整個(gè)需要探測的未知環(huán)境,將探測到的環(huán)境信息發(fā)送給外部的監(jiān)控人員,使得監(jiān)控人員了解未知場所內(nèi)部的大致情況。根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo),首先,對移動探測機(jī)器人的硬件平臺進(jìn)行了設(shè)計(jì),其中包括機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和主控電路板的設(shè)計(jì)與制作。采用激光雷達(dá)作為主要的探測手段,對周圍環(huán)境進(jìn)行掃描獲取數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理,數(shù)據(jù)量豐富,數(shù)據(jù)獲取速度快而且精確。還為機(jī)器人配備了相關(guān)的傳感器,用于獲取機(jī)器人運(yùn)動的狀態(tài)信息,并且設(shè)計(jì)了接口電路將傳感器連接在主控電路板上。其次,為移動探測機(jī)器人開發(fā)了軟件,控制機(jī)器人實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的目標(biāo)功能。開發(fā)的驅(qū)動軟件保證了外部的傳感器和設(shè)備能夠與主控板進(jìn)行正常的通訊和對機(jī)器人運(yùn)動狀態(tài)的獲取與控制。在此基礎(chǔ)上,開發(fā)了應(yīng)用服務(wù)軟件,實(shí)現(xiàn)了對機(jī)器人的運(yùn)動控制,對環(huán)境信息的獲取與數(shù)據(jù)處理,發(fā)送數(shù)據(jù)信息至上位機(jī)和接收上位機(jī)的指令改變機(jī)器人的行為,等等。最后,采用內(nèi)螺旋覆蓋算法并開發(fā)了相應(yīng)軟件。移動探測機(jī)器人以內(nèi)螺旋的方式,覆蓋所需探測的整個(gè)未知場所的內(nèi)部,對環(huán)境信息進(jìn)行全方位的收集與獲取,并且進(jìn)行路徑規(guī)劃,遍歷場所內(nèi)部的同時(shí),避開障礙,并記錄環(huán)境地圖�；诩す饫走_(dá)的移動探測機(jī)器人的設(shè)計(jì)和開發(fā)完成后,對其設(shè)計(jì)的功能進(jìn)行了驗(yàn)證與測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該移動探測機(jī)器人基本能夠完成目標(biāo)任務(wù),在不是很復(fù)雜的環(huán)境中,運(yùn)動軌跡可以基本覆蓋整個(gè)環(huán)境,并記錄環(huán)境地圖,獲取環(huán)境信息并傳輸至上位機(jī),同時(shí)可以根據(jù)上位機(jī)的命令調(diào)整運(yùn)動狀態(tài)。雖然本課題設(shè)計(jì)的移動探測機(jī)器人還存在著一些缺陷,但是基本達(dá)到了預(yù)期的目的,為今后的實(shí)驗(yàn)研究和技術(shù)的改進(jìn)奠定了基礎(chǔ)。
【圖文】：

根據(jù)應(yīng)用場合的需求，即探測可能具有危險(xiǎn)的未知場所的內(nèi)部環(huán)境，如礦井逡逑隧道以及發(fā)生火災(zāi)或者爆炸的工廠等場所，設(shè)計(jì)了移動探測機(jī)器人的硬件系統(tǒng)，逡逑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖２－１所示。整個(gè)硬件系統(tǒng)包括電源、微控制器、外部設(shè)備與傳感逡逑器及其接口屯路和電機(jī)及其驅(qū)動電路等。逡逑邐＾電源鏌塊邐激光雷達(dá)邐接口電路邋一＾邋傳感器逡逑Ｉ邐邐Ｉ邋Ｉ邋Ｉ逡逑邐ｒ—邋微控制器邐邐逡逑邐無線傳輸摸塊ｐ電機(jī)驅(qū)動電路｜￣電機(jī)逡逑邐邋邐邐Ｉ邐１邐１逡逑圖２－１硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖逡逑由于不同的外部設(shè)備和傳感器對供電的不同需求，設(shè)計(jì)了專爪的電源模塊，逡逑移動探測機(jī)器人采用了可充電鋰電池，容量大、動力足，并且還專門設(shè)計(jì)了穩(wěn)壓逡逑電源，滿足了外部設(shè)備和模塊對不同供電電壓需求。微控制器是硬件系統(tǒng)的核心，逡逑控制著整個(gè)系統(tǒng)的工作和數(shù)據(jù)的處理，包括電機(jī)的運(yùn)動和外部設(shè)備與傳感器的工逡逑作，獲取外部環(huán)境的信息，處理得到的數(shù)據(jù)，以及控制機(jī)器人和上位機(jī)的通訊，逡逑等等。外部設(shè)備與傳感器包括二維激光雷達(dá)、Ｚｉｇｂｅｅ無線模塊、光電編碼器和逡逑ＧＹ９５１電子羅盤，并且為其設(shè)計(jì)了接口電路，與微控制器進(jìn)行通訊。激光雷達(dá)對逡逑未知場所內(nèi)部進(jìn)行掃描獲取數(shù)據(jù)信息，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行對障礙物的自主避障，逡逑７逡逑

可以實(shí)時(shí)獲取移動機(jī)器人的移動速度。逡逑２．１．２機(jī)器人實(shí)物圖逡逑如圖２－２所示，我們設(shè)計(jì)的移動探測機(jī)器人為輪式移動機(jī)器人，，兩層結(jié)構(gòu)，逡逑上層放置激光雷達(dá)掃描周圍環(huán)境信息，下層放置主控電路板板和傳感器，主控板逡逑控制著機(jī)器人的運(yùn)動和傳感器對周圍信息數(shù)據(jù)的獲取，主控電路板下是鋰電池組，逡逑給機(jī)器人供電。圖２－３所示為我們設(shè)計(jì)和制作的主控電路板。逡逑三二１１１逡逑圖２－２機(jī)器人實(shí)物圖逡逑８逡逑
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TP242;TN958.98

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2588850