机器人课设报幕表演机器人.docx
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机器人课设报幕表演机器人
课程设计报告
课程名称
题目
指导教师
设计起止日期
系别
专业
学生姓名
班级/学号
成绩
目录
一、课程设计目的3
二、课程设计内容3
2.1、设计方案3
2．2、设计流程图3
2.2.1总流程图3
2.2.2程序流程图4
2.3、理论程序框架图4
2.4、结果分析5
三、课程设计条件5
四、系统设计6
4.1系统简介6
4.1.1控制器：
6
4.1.2NorthSTAR图形化软件：
6
4.1.3舵机7
4.1.3.1舵机基本概念：
7
4.1.3.2舵机的工作原理：
7
4.1.3.3舵机驱动的应用场合：
7
4.1.3.4舵机图片：
7
4.2整个系统介绍8
4.2.1硬件部分：
8
4.2.2软件部分9
4.2.2.1、工程设计步骤：
10
4.2.2.2每个模块功能12
五．实验调试过程17
六．心得体会与总结17
七、参考文献17
附录18
博创报幕表演机器人
一、课程设计目的
1了解一个机器人的基本组成部分及结构。
2熟悉NorthStar软件并且掌握使用NorthStar编程。
3掌握舵机的调整方法。
４设计属于自己的机器人。
二、课程设计内容
2.1、设计方案
先是由主持机器人第一次前进，然后执行语音功能为大家报幕：
“下面我们有请小白为大家带来一首芊芊．＂然后主持机器人退回原位。
这时候我们可以给机器人戴上一顶小帽子，变身为歌手机器人，歌手机器人先执行前进，然后再左转，行驶到左上方，为大家唱一首歌曲芊芊，歌曲唱完后，然后歌手机器人转回正前方为大家介绍：
我在为大家带来一首歌曲海绵宝宝希望大家能够喜欢哦，歌手机器人在右转，行驶到右上方，为大家唱一首歌曲海绵宝宝，唱完歌曲后，歌手机器人转回到正前方和大家告别：
再见．然后执行后退。
整个程序结束。
2．2、设计流程图
2.2.1总流程图
图1总体流程图
整个的结构流程为首先是在众多经典的机器人中组建适合本设计并且能满足要求的机器人，机器人不用很复杂，但我比较喜欢稳定性高的机器人，所以选择了类似于避障小车的机器人。
选好机器人后，在根据客户的喜好，根据客户的想法，为小车编写一段程序，这样小车就能动起来了，使得小车非常的有趣，当然编程中也可以加入语音，让客户与他对话。
做完上述两步之后本设计就把程序下载到机器人中，让机器人执行程序执行完程序后如果有问题会在在发现纠正问题。
改好后，所有的结束。
2.2.2程序流程图
图2程序流程图
此设计的程序的流程如下：
首先机器人小车要进行第一次的前进，第一次机器人小车作为一名主持人，前进后为大家报幕，之后再次后退完成了第一部分。
这时可以给机器人小车带上一顶帽子，这时候机器人小车就是一名明星是一个小歌手。
再次让他前进左转，舞台的左上为大家唱一首歌曲。
机器人小车回到正中间给大家介绍下一首所要唱的歌曲，然后再右转，到右上方，为大家唱一首歌曲，机器人小车唱完歌曲后，回到中央与大家告别，退回到起点，整个程序结束。
2.3、理论程序框架图
根据理论上，小车所设计的程序应该是一个大的串联，将所有的小模块都串联到一起，每一步动作完成后执行下一步动作，开始后执行前进，然后执行语音报幕，紧接着小车执行后退动作，小车再次执行前进动作，接着执行左转动作，小车执行语音播放歌曲，小车执行转回到中央的动作，小车在执行语音自我报幕功能，小车右转在执行语音播放歌曲功能。
小车再次转回中央，小车执行播放语音与大家告别，小车后退，退回到起始点。
整个程序完成结束。
图3整体程序图
2.4、结果分析
把程序下载到小车后，小车首先第一次前进然后报幕，报幕后后退退回到客户所设定的地方偏差不大。
小车第二次前进，然后左转唱歌。
在转回，并非能准确的转回到指定的位置但偏差不是很大，在为大家介绍给大家带来另一首歌曲，中间间隔时间合适，然后右转为大家唱歌，小车再次转回到正前方，依旧有一点点的偏差，然后与大家告别后退。
虽然不是很是准确，但大致上小车完成了客户所设定的目标。
令我十分满意。
三、课程设计条件
准备好所需要的一切：
如下
PC机
博创软件安装盘两张
MultiFLEX2控制器
提前准备好的录音
软件安装
四、系统设计
4.1系统简介
博创科技推出的最新UP-InnoSTAR创意之星机器人套件产品，以替换上一代“创意之星”产品。
该套件是一套用于开展机器人创新实验的模块化机器人套件。
分为入门版、标准版和高级版，并有多种配件可选购。
创意之星机器人套件的总体特点类似LEGOMindstormsNXT套件，都是具备多种基本“积木”构件的模块化零件套装，包括多种数百个结构零件，一个控制器，多个电机、舵机执行器，多种传感器，以及电池、电缆等附件。
用这些“积木”可以搭建出各种发挥想象力的机器人模型来。
创意之星机器人套件主要为创作机器人而设计。
具备32位520MHz的处理器，可处理视频、语音、大容量存储；支持最多254个CDS5500总线式舵机（也可作减速电机使用，指令兼容Robotis的DynamixelAX12+），并同时具备多个I/O和A/D转换器，以及USB、WiFi等端口。
另外，机器人的结构件和创新的连接方式专为创作机器人而设计，连接刚度和结构强度不逊色于铝合金构件，并且连接非常方便。
4.1.1控制器：
MultiFLEX2控制器是一款专为智能机器人和小型智能设备设计的多功能控制器，适合作为为智能机器人的主控制器。
它具备以下功能：
1.具备520MHz、32位的高性能嵌入式处理器和Linux操作系统，运算处理能力强大，而功耗只有2瓦，尺寸只有11厘米X7厘米，重不到250克；2.控制直流电机（须配合BDMC系列伺服驱动器）控制舵机，（包括所有的传统航模舵机、博创的机器人舵机、韩国AX12+等机器人舵机）；调速、位置控制、力矩控制；可控制多达64路电机/舵机；3.连接各种传感器。
通过20个数字/模拟量的输入/输出端口，可以连接数百种传感器，采集传感器数据并处理、决策；4.可连接摄像头，实现人联识别、颜色识别、形状识别等智能特性；可实现中文语音识别和语音合成，非常适合家庭服务机器人、教育娱乐机器人和特种服务机器人使用；5.具备RS422总线、USB总线、CAN总线和无线以太网（WiFi），市场上的各种功能模块，例如U盘、网络、视频监控系统、电子罗盘、GPS等设备，均可以直接连接到这款控制器上；
4.1.2NorthSTAR图形化软件：
目前来说，阻碍机器人技术普及和大规模发展的主要因素有两个，一个是硬件没有统一标准，另一个是各种机器人都有自己独立的软件，无法通用。
假设A厂商和B厂商都生产硬件类似的扫地机器人。
目前，如果要将A机器人的功能移植到B机器人，除了编写程序之外别无他法。
而对比目前巨大的PC市场，会发现如果A、B两个厂商生产的是PC机，那么只需要简单地把相应的程序拷贝过去就可以实现同样的功能。
这是PC机市场能够发展到今天的规模的重要原因，即软件通用化。
在当前机器人硬件标准不统一的阶段，博创科技为提高机器人软件的通用性，降低开发难度，推出了NorthSTAR图形化机器人开发环境。
包括以下三个部分的功能：
1.用图形化、可视化的方式给机器人编程，同步生成C语言代码，在后台编译、并下载到机器人控制器上执行；2.集成3D仿真。
可进行动作仿真、步态及路径规划等。
仿真数据能输入图形化编程环境；集成实时、可视化数据采集与显示。
类似虚拟示波器的功能，能在机器人运行的时候实时监控机器人各部分的数据，并用波形的方式显示在PC机上。
4.1.3舵机
4.1.3.1舵机基本概念：
舵机在机器人机电控制系统中，舵机控制效果是性能的重要影响因素。
舵机可以在微机电系统和航模中作为基本的输出执行机构，其简单的控制和输出使得单片机系统非常容易与之接口。
舵机是一种位置（角度）伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。
目前在高档遥控玩具，如航模，包括飞机模型，潜艇模型；遥控机器人中已经使用得比较普遍。
舵机是一种俗称，其实是一种伺服马达。
4.1.3.2舵机的工作原理：
控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。
它内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。
最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。
当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。
当然我们可以不用去了解它的具体工作原理，知道它的控制原理就够了。
就象我们使用晶体管一样，知道可以拿它来做开关管或放大管就行了，至于管内的电子具体怎么流动是可以完全不用去考虑的。
4.1.3.3舵机驱动的应用场合：
1.高档遥控仿真车,至少得包括左转和右转功能,高精度的角度控制,必然给你最真的驾车体验。
2.多自由度机器人设计，为什么日本人设计的机器人可以上万RMB的出售，而国内设计的一些两三千块也卖不出去呢,还是一个品质的问题。
3.多路伺服航模控制，电动遥控飞机，油动遥控飞机，航海模型等
4.1.3.4舵机图片：
图4舵机图片
4.2整个系统介绍
4.2.1硬件部分：
本实验用到的硬件包括：
创意之星套件。
“创意之星”机器人套件。
“创意之星”机器人套件是一套用于高等工程创新实践教育的模块化机器人套件，他是一个套数百个基本“积木”单元的组合套件包.这些“积木”包括传感器单元、执行器单元、控制器单元、可通用的机构零件等。
这些“积木”单元都很容易互相拼接、组装。
用这些“积木”可以很方便地搭建出各种发挥想象力的机器人，并可为自己搭建出的机器人编程。
创意之星可搭建不同的机器人：
图5可组装的典型构型
通过上面可组装的典型的构型，结构式多种多样的，也是能够完成不同动作不同的同能我这次就用“创意之星”机器人套件搭建了一个与壁障小车类似的机器人小车，这个小车具有稳定的特点并且能够语音，搭建起来也方便，综合种种因素我选择了这个类型的小车，下面及时我的小车完成后的图片。
图6完成后的机器人
4.2.2软件部分
给本设计的机器人一个灵魂，让他可以动起来和可以说话甚至可以与客户交流互动，从一个不会动的小车让他成为一个生动的机器人。
软件部分根据设计用给机器人编程的NorthStar软件和调整舵机RobotServoTerminal软件来实现，
NorthStar软件：
NorthStar是一个图形化交互式机器人控制程序开发工具。
在NorthStar中，通过鼠标拖动模块和对模块做简单的属性设置，就可以快捷的编写机器人控制程序。
程序编程完成后，可以翻译并下载到机器人控制器中运行。
NorthStar编程环境具有操作间编辑功能强大等特点，能在图标拖动中穿件复杂的逻辑，让机器人按照客户的意愿动作。
RobotServoTerminal软件：
控制舵机的调整，方便控制机器人的动作。
能够数字舵机查找；设置参数，如ID、波特率、加速度以及位置限制等参数；参看舵机状态，如舵机当前温度，位置，载荷，电压等；动态曲线观测；BootLoader程序下载；想能展示。
舵机的控制：
舵机的控制一般需要一个20ms左右的时基脉冲，该脉冲的高电平部分一般为0.5ms~2.5ms范围内的角度控制脉冲部分。
以180度角度伺服为例，那么对应的控制关系是这样的：
0.5ms--------------0度；
1.0ms------------45度；
1.5ms------------90度；
2.0ms-----------135度；
2.5ms-----------180度；
机器人舵机调试系统如下图所示：
图7舵机调试框图
4.2.2.1、工程设计步骤：
打开NorStar机器人设计软件，将会看到如下图所示的界面，这个界面中，就可以设计所需求要用到的控制器和构型。
在这款语音机器人中本设计用的是新版的控制器
，所以根据需求选择它。
本设计是语音机器人，不是界面中提到五种机器人的任何一种，所以本设计勾选“自定义”。
图8控制器选项和构型选项图
勾选完成，点击下一步，进入下一个界面。
这个界面是舵机和模式的设置，因为本设计用到4个舵机，所以，在当前构型的舵机个数一栏中填写“4”，根据需求可以暂时将舵机的模式暂定为舵机模式，当有需要改时，在将其改为电机模式。
图9舵机设置
舵机设置完成，点击下一步，进入下一个界面，进行AD的设置。
本设计的语音机器人用到2个AD通道，因此，在当前构型使用的AD通道个数处填写“2”即可。
图10AD设置
设置完成，点击下一步，进入下一个界面，进行IO的设置。
本设计的语音机器人没有用到IO通道，因此，在当前构型使用的IO通道个数处填写“0”即可。
图11IO口设置
4.2.2.2每个模块功能
START模块：
程序开始
舵机模块：
根据多级参数决定机器人执行什么样子的动作。
Delay模块：
延时根据录制MP3的长短进行设置。
ＭＰ３模块：
添加所需要的语音。
ＥＮＤ模块：
程序结束
1、主要完成第一部分动作：
机器人前进－－＞机器人讲话－－＞机器人退回
首先作为主持机器人前进一段距离，语音部分是给大家报幕，报完幕向后退。
下面是这一部分的主要程序。
图12机器人完成前进动作，语音报幕，后退动作
1）前进前进由舵机控制，调试舵机使得机器人前进满足本设计所需要求。
2）报幕主持人首先报幕内容如下：
“下面我们有请小白为大家带来一首芊芊”。
下面是MP3模块属性：
图13MP3模块属性
3）退回原地主持人退后，相当于主持人退到后台，退回原地也是由舵机控制，调试舵机使得机器人退后是所要求。
此部分舵机主要是控制小车的动作，调节舵机参数使得机器人完成前进动作，根据延时时间的不同使得小车前进的时间不同，插入MP3音频文件，使得小车能够自我播放语音。
在MP3模块中选择本设计所需要的MP3文件。
再次调整最后一个舵机参数，使得小车完成后退动作。
2、主要完成第二部分动作
机器人第二次前进－－＞机器人左转－－＞机器人唱一首歌
这部分本设计给机器人带上一个小帽子让他变成一位歌手，走到前台之后左转再为大家带来一首歌曲“芊芊”。
图14机器人完成前进动作，接着完成左转动作
1）前进这次的前进依旧是由舵机控制，本设计调整舵机满足让机器人前进。
2）左转再上一步前进后的位置上左转，这样本设计的机器人就类似于站在了台上的左上方为大家表扬节目。
调整舵机满足本设计所需要求。
3）唱歌由机器人为大家带来一首动听的歌曲，像大明星一样。
下面是MP3模块属性
图15MP3模块属性
此部分舵机主要是控制小车的动作，调节舵机参数使得机器人前进，根据延时时间的不同使得小车前进的时间不同，再次调整后一个舵机参数，使得小车完成左转动作。
插入MP3音频文件，使得小车能够自我播放语音。
在MP3模块中选择本设计所需要的MP3文件。
3、主要完成第三部分动作
机器人转回－－＞讲话－－＞机器人右转－－＞机器人演唱另一首歌曲
歌手机器人从左上方转回到正上方，然后说：
“我为大家带来另一首歌曲，歌曲名字叫：
海绵宝宝＂，然后再向右转，转到右上方，接着为大家演唱一首歌曲海绵宝宝。
图16机器人完成左转动作，接着语音自我报幕，接着右转动作，接着在完成语音。
１）转回 机器人转回正前方，由舵机控制机器人的动作。
２）报幕 机器人和大家介绍：
“我为大家带来另一首歌曲。
”
３）右转 机器人像右转，转到右上方。
由舵机控制动作
４）演唱歌曲 机器人演唱歌曲海绵宝宝。
此部分舵机主要是控制小车的动作，调节舵机参数使得机器人完成转回动作，根据延时时间的不同使得小车转回的时间不同，插入MP3音频文件，使得小车能够自我播放语音。
在MP3模块中选择本设计所需要的MP3文件。
再次调整后一个舵机参数，使得小车完成右转动作。
再次插入MP3音频文件，使得小车能够自我播放语音。
在MP3模块中选择本设计所需要的MP3文件。
也可以换成与大家互动的程序
歌手机器人从左上方转回到正上方，然后说：
“大家想听什么歌曲＂，然后输入：
客户想听海绵宝宝。
然后再向右转，转到右上方，接着为大家演唱一首歌曲海绵宝宝。
图17机器人转回动作，接着语音，这是插入语音识别，机器人在执行右转动作，在执行语音
此部分舵机主要是控制小车的动作，调节舵机参数使得机器人完成转回动作，根据延时时间的不同使得小车转回的时间不同，插入MP3音频文件，使得小车能够自我播放语音。
在MP3模块中选择本设计所需要的MP3文件。
插入音频文件，使得机器小车识别，再次调整后一个舵机参数，使得小车完成右转动作。
再次插入MP3音频文件，使得小车能够自我播放语音。
在MP3模块中选择本设计所需要的MP3文件。
Speech模块的作用是能够插入音频文件，此文件能够让小车识别，使得相互之间互动起来。
4、主要完成第四部分动作
机器人转回－－＞机器人与大家告别－－＞机器人后退－－＞整个程序结束。
图18机器人转回，机器人语音告别，机器人后退
１）转回 机器人再次转回正前方，由舵机控制机器人的动作。
２）告别 机器人与大家告别：
“再见”。
MP3模块
图19MP3模块属性图
３）后退 机器人后退，退回到后面，相当于歌手机器人退场
４）结束 整个程序完成结束。
此部分舵机主要是控制小车的动作，调节舵机参数使得机器人完成转回动作，根据延时时间的不同使得小车转回的时间不同，插入MP3音频文件，使得小车能够自我播放语音。
在MP3模块中选择本设计所需要的MP3文件。
再次调整后一个舵机参数，使得小车完成后退动作。
整个程序结束。
五．实验调试过程
1．转盘运转不够平稳，这是实验台的机械结构造成的，但经过仔细的 PID参数整定可以使调速系统尽量满足要求；
2．设计中使用的光电传感器为反射式光电传感器，工作原理是利用测速转盘上的反光点反射的光线使传感器探头上的三极管导通或者截止，从而形成脉冲信号，通过测量这个脉冲信号的频率就可以得到此时转盘的转速。
但是，由于转盘上的反光点反射的光一般很弱，且不同的反光点反射性能也不同，光电传感器很容易误动作。
经过滤波，再加上反光片，尽量减少了控制系统的误动作；
3．由于位置式PID算法控制过程中的输出为绝对输出，每一次输出均需要重新计算，而不像增量式PID算法，输出的知识增量。
这样当系统出现误动作时，就会对输出产生较大的影响，以致产生较大的误差。
鉴于此，将位置式PID算法改进为增量式，减小了系统误差；
4．上面所说的PID整定方法理论性很强，但真正动起手来还真是费了一番工夫的，具体讲：
当转盘高速运转时，根据经典的PID理论整定出一个比例积分微分参数，但突然将速度减小至100r/min，参数必须经过重新调整才能使系统跟踪性能好，超调小，运行稳定且很好的抗干扰能力。
六．心得体会与总结
这次课设，收获颇丰，在开始连接机器人的过程中，增强了我们的动手能力。
在连接程序的时候，其中也是先把每个模块的功能弄清楚。
在过程中也会出现一些问题，如我们所需要的语音中，必须是mp3格式。
所以我们要不录音变换成MP3格式，否则机器人不会说话。
连接过程中还有延时的时间一定要记得调整，只能多不能少。
过程中程序虽然不是很复杂，但是也必须每部都很小心，特别是这次程序中有一些的小创意，两次机器人虽然都前进，但是并非执行我们要求的一个内容。
这次课设，我了解一个机器人的基本组成部分及结构，并且熟悉NorthStar软件并且掌握使用NorthStar编程。
在编程的过程中掌握舵机的调整方法，最终设计属于自己的机器人，这次完成也要感谢许老师的指点和同学的帮助，才能让我完成一个完整的生动的机器人。
七、参考文献
创意之星：
模块化机器人创新设计与竞赛[M].北京:
北京航空航天大学出版社,2010[2]谭浩强.
C程序设计[M].北京:
清华大学出版社,2005[3]（美）JosephL.Jones著.
机器人编程技术:
基于行为的机器人实战指南[M].北京:
机械工业出版社,2006[4]王立权，陈东良，陈凯云编著.
机器人创新设计与制作[M].北京:
清华大学出版社,2007
附录
ｃ语言编写程序
#include"background.h"
intmain（intargc,char*argv[]）
{
MFInit（）;
MFSetPortDirect（0x00000FFE）;
MFADEnable（0）;
MFDigiInit（100）;
DelayMS（100）;
MFADInit（100）;
MFSetServoMode（1,0）;
MFSetServoMode（2,0）;
MFSetServoMode（3,0）;
MFSetServoMode（4,0）;
//前进
{
MFSetServoPos（1,512,512）;
MFSetServoPos（2,512,512）;
MFSetServoPos（3,512,512）;
MFSetServoPos（4,512,512）;
MFServoAction（）;
}
DelayMS（1000）;
//开幕
MFMp3Play（（char*）&（""）,0）;
DelayMS（1000）;
//后退
{
MFSetServoPos（1,512,512）;
MFSetServoPos（2,512,512）;
MFSetServoPos（3,512,512）;
MFSetServoPos（4,512,512）;
MFServoAction（）;
}
DelayMS（1000）;
//前进2
{
MFSetServoPos（1,512,512）;
MFSetServoPos（2,512,512）;
MFSetServoPos（3,512,512）;
MFSetServoPos（4,512,512）;
MFServoAction（）;
}
DelayMS（1000）;
//左转
{
MFSetServoPos（1,512,512）;
MFSetServoPos（2,512,512）;
MFSetServoPos（3,512,512）;
MFSetServoPos（4,512,512）;
MFServoAction（）;
}
DelayMS（1000）;
//演唱歌曲“芊芊”
MFMp3Play（（char*）&（"芊芊.mp3"）,8）;
DelayMS（1000）;
//转回
{
MFSetServoPos（1,512,512）;
MFSetServoPos（2,512,512）;
MFSetServoPos（3,512,512）;
MFSetServoPos（4,512,512）;
MFServoAction（
升级会员 