机器人组计划书.docx

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机器人组计划书

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电源模块并联系统Rescuingmachinedog策划书参赛团队：

梦飞扬队员：

安红宣丁慧朱阁马春友田苏慧敏弋伟国尊敬的评委：

您好！

感谢您在百忙之中阅读这篇策划书。

我们是来自大西北的一支创新团队，作为一名大学生，作为西部地区的一名学子，我们多么渴望让每一个人知道，我们这些大学生是怎样关心百姓，关注国家的。

随着科技的进步，机器人技术已经在新技术革命中成为迅速发展起来的一种高新技术，为了积极参与校园活动和响应学校的号召，提高自身的学习积极性、创新意识和勇于实践的科学精神，特此设计了这款救机器人。

机器人的设计是一个复杂的工作，工作量很大，涉及的知识面很广，由于设计者水平有限，所以作品尚有许多纰漏和不足之处，请评委指正。

设计团队：

梦飞扬机器人简介机器人名：

仿生救援机器狗机器人类型：

地震灾害救援机器人规格：

长*宽*高（cm）：

60*45*50摘要在世界各地，由于自然灾害和各种突发事故等原因，灾难经常发生。

在灾难救援中，救援人员只有非常短的时间（约48小时）用于在倒塌的废墟中寻找幸存者，否则发现幸存者的几率几乎为0。

在这种紧急而危险的环境下，救灾机器人可以为救援人员提供帮助。

因此，将具有自主智能的救灾机器人用于危险和复杂的灾难环境下“搜索和营救”（SAR）幸存者，是机器人学中的一个新兴而富有挑战性的领域。

防灾、减灾和救灾事关人民生命和财产安全,是国家公共安全的重要组成部分，面临极其危险和恶劣的灾难救援环境,救援机器人的参与可以有效地提高救援的效率和减少施救人员的伤亡，它们不但能够帮助工作人员执行救援工作，而且能够代替工作人员执行搜救任务本文中设计的救援机器人具有较高的运动能力，能自动越过障碍物而且又具有较低的重心，越障时不会失去牵引力，可以实现寻迹检测，自动避障和自动排除险情并控制机械臂准确定位，通过单片机控制抢险执行开关进行抢险。

关键词:

救援机器狗，救援，避障，单片机第一章绪论

1、1研究背景仿生学的范围很广，譬如雷达是对蝙蝠超声测距能力的模仿，而机翼使用的防震措施则借鉴了蜓蜻翅膀的结构。

仿生机器人运动学是仿生学的一个很重要的发展。

人类在智慧上超出动物很多，但在特定环境的适应上就要比动物差很多。

虽然人发明了很多的技术弥补了这一不足，但明显可以看到，舰船的灵活性比不上鱼类，飞机的灵活性比不上鸟类甚至昆虫，车辆的地形适应性比不上四条腿的动物。

仿生运动的研究可以弥补我们这方面的不足，对社会产生大的经济效益。

救援机器狗的研究可以满足一些行业的需求。

救援机器狗由于其天生的多关节、多自由度，多冗余自由度，可以有多种运动模式，可以满足在复杂环境中搜救、侦查、排除爆炸物等反恐任务。

1、2国内外机器人发展现状及趋势

1、2、1水下仿生机器人水下机器人由于其所处的特殊环境,在机构设计上比陆地机器人难度大、在水下深度控制、深水压力、线路绝缘处理及防漏、驱动原理、周围模糊环境的识别等诸多方面的设计均需考虑、以往的水下机器人采用的都是鱼雷状的外形,用涡轮机驱动,具有坚硬的外壳以抵抗水压、由于传统的操纵与推进装置的体积大、重量大、效率低、噪音大和机动性差等问题一直限制了微小型无人水下探测器和自主式水下机器人的发展、鱼类在水下的行进速度很快,金枪鱼速度可达105km/h,而人类最快的潜艇速度只有84km/h、所以鱼的综合能力是人类目前所使用的传统推进和控制装置所无法比拟的,鱼类的推进方式已成为人们研制新型高速、低噪音、机动灵活的柔体潜水器模仿的对象、仿鱼推进器效率可达到70%～90%,与水的相对速度比螺旋桨推进器小得多,有效地解决了噪音问题、美国麻省理工学院和日本都研制出了仿鱼机器人。

在国内,中科院沈阳自动化研究所和北京航空航天大学机器人研究所已研制了机器鱼样机、图1就是北京航空航天大学机器人研究所研制的机器鱼样机。

美国罗克威尔公司和IS机器人公司研制的扫雷机器蟹,如图2所示,得到了美国国防高级研究计划局及海军研究局的资助、这种扫雷机器蟹可以隐藏在海浪下面,在水中行走,也可以通过振动,将整个身子隐藏在泥沙中、扫雷机器蟹长约560mm,重10、4kg、它还装备了多个状态传感器和集成的控制系统,并且每条腿都具有2个运动自由度,当地形改变时,通过这些系统可迅速地调整机器人的姿态和运动方式,使机器人能稳定、迅速地到达目标区域、当遇到水雷时,就把它抓住,等待控制中心的命令、一旦收到信号,就会自己爆炸,同时引爆水雷、水下机器鱼和机器蟹的灵活性远远高于现有的潜艇,几乎可以达到水下任何区域,由人遥控,它可轻而易举地进入海底深处的海沟和洞穴,可用于测绘海洋地图,检测水下污染,拍摄海洋生物、也可以悄悄地溜进敌方的港口,进行侦察而不被发觉、作为军用侦察和科学探索的工具,其发展和应用的前景分广阔分广阔、1、2、2空中仿生机器人空中机器人即具有自主导航能力,无人驾驶的飞行器、这类机器人活动空间广阔、运动速度快,居高临下而不受地形限制、在军事、森林火灾以及灾难搜救中,前景极好、其飞行原理分为:

固定翼飞行、旋飞行和扑翼飞行、目前国内外广泛关注的微型飞行器侧重于扑翼机的研究、它模仿鸟类或昆虫的扑翼飞行原理,将举升、悬停和推进功能集于一个扑翼系统,可以用很小的能量做长距离飞行,同时具有较强的机动性,适合于长时间无能源补给及远距离条件下执行任务、美国加州大学伯克利分校的科学家们利用仿生学原理制造出了世界上第一只能飞翔的“机器蝇”,如图3所示他们利用一种类似玻璃纸的原料聚酰亚胺,造出了只有长10mm,宽3mm,厚0、005mm的仿生翅膀、它能够每秒钟扇动150下,而且还让机器蝇实现了绑在一根细线上的半自主飞行、其重量只有0、1g,身高不到30mm,在100m上空飞行,人们用肉眼几乎发现不了它,而它却可以拍出极为清晰的照片传回来、美国五角大楼对有望成为“微型间谍”的机器蝇极为重视,设想机器蝇在未来战争中,可以进行空中侦察,甚至可以带上微型炸药,袭击指定目标、在未来的机器蝇身上,将安装许多传感器和微型摄像机,可以用来发现森林火灾,在灾难中搜寻废墟中的幸存者、1、2、3地面仿生机器人美国、日本、德国、英国、法国等国家都开展了蛇形机器人的研究,并研制出许多样机、日本东京大学的Hirose教授从仿生学的角度,在1972年研制了第一台蛇形机器人样机、美国卡内基1所示，整个系统由主控制子系统、执行子系统、传感子系统组成。

（1）主子系统作为控制站系统的核心部分，负责信息的整合及规划的决策，并操控救援机器狗执行规划部署。

控制站主控模块对交互信息进行提取、解码、分析、优化、统筹、存储等处理，为操作人员及仿生救援机器狗之间闭环交互提供可靠的人机接口。

（2）操控子系统结合人机界面模块及指令操控模块，基于多交互资源实现控制指令的输入。

操作人员可结合不同的操作任务和受灾现场状况灵活切换操控模式，提高控制站系统环境适应能力。

（3）感知子系统通过数据、视频及音频的多信息通道为操作人员的控制决策提供依据。

具有环境感知及状态感知功能。

其中，环境感知提供声觉和视觉两种通道来获取外部环境信息。

状态感知包括救援机器狗步态以及任务执行状态感知。

（4）通信子系统作为控制站与机器人之间信息交互的桥梁，实现操作人员控制规划指令以及机器人状态反馈信息的无线传输，确保控制站系统对机器人状态的实时监视与远距离操控。

图2—用超声波传感器来完成机器人的测距绘图模块。

所用到得材料：

HC-SR04超声波传感器2个步进电机1个Arduino单片机1块步进电机驱动板1块导线数根所用到的软件：

vsxxHC-SR04超声波测距模块可提供2cm-400cm的非接触式距离测量功能，测距精度可达3mm，模块包括超声波发射器、接受器。

基本工作原理：

（1）采用IO口TRIG触发测距，给至少10us的高电平信号；

（2）模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回；（3）有信号返回，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续时间就是超声波从发射到返回的时间。

★公式：

us/58=厘米或者us/148=英寸；或是：

测试距离=（高电平时间*声速（340/S））/2；建议测量周期为60ms以上，以防止发射信号对回响信号的影响。

被测物体面积不小于0、5

3、1、4FPGA对步进电机的控制

3、1、4、1FPGA简介FPGA是英文FieldProgrammableGateArray的缩写，即现场可编程门阵列，它是在PAL,GAL,EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。

它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（LogicCellArray）这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（ConfigurableLogicBlock）、输出输入模块IOB（InputOutputBlock）和内部连线（Interconnect）三个部分、FPGA的基本特点主要有：

1、采用FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片生产，就能得到合用芯片。

2、FPGA可以作为其它全定制或半定制ASIC电路的样片、3、FPGA内部有丰富的触发器和I/O引脚。

4、FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。

5、FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS,TTL电平兼容。

可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。

6、丰富的片上可编程逻辑资源。

目前FPGA的品种很多，有XILINX的XC系列、TI公司的TPC系列、ALTERA公司的Cyclone系列等。

3、1、4、2FPGA原理现场可编程门阵列（FieldProgrammableGateArrayFPGA）的电路结构是由若干独立的可编程逻辑模块组成，用户可以通过编程将这些模块连接成所需要设计的数字系统。

基于查找表（Look-Up-Table，LUT）的FPGA结构为现在主流的FPGA结构。

FPGA结构一般由三个部分组成:

可配置逻辑功能模块（ConfigurableLogicBlocks,CLB）、输入输出模块（Input/OutputBlocks,IOB）、可编程内部互连资源（ProgrammableInterconnection,PI）。

查找表LUT本质上就是一个RAM。

目前FPGA中多使用4输入的LUT,所以每一个LUT可以看成一个有4位地址线16*1的RAM。

当用户通过原理图或HDL语言描述了一个逻辑电路以后，PLD/FPGA开发软件会自动计算逻辑电路的所有可能的结果，并把结果事先写入RAM。

这样，每输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一个地址进行查表，找出地址对应的内容，然后输出即可。

3、1、4、3FPGA设计流程图3FPGA设计流程采用现场可编程逻辑门阵列FPGA（FieldProgrammableGateArray）

对步进电机控制具有很大的优势。

FPGA器件及其开发系统是开发大规模数字集成电路的新技术。

用户可利用FPGA软件绘制出逻辑原理图或用硬件描述语言等方式作为设计输入；然后验证进行模拟仿真；最后将设计好并由软件生成的烧写文件下载到配置设备中去进行在线调试，如果调试的结果与设计要求不一致，可以立即更改设计软件直到结果与要求一致，而不必改动外接硬件电路，使设计易于调试。

用FPGA进行分层模块设计使系统设计变得更加简单，在实时性和灵活性等性能上都有很大的提高，有利于步进电机的运动控制。

3、3仿生救援机器狗的控制系统设计为了使本文所研制的救援机器狗运动平台能扩展为一个全自动机器人，能在户外复杂地形下行走，并具有一定的负载能力。

因此，控制成导航、路径规划、步态规划、关节伺服。

1、整个控制系统需装在机器人上，尺寸和控制、各类传感器信息的采集任务，具体设计要求如下:

重量尽可能小;

2、尽可能模块化，扩展性好，便于后续功能模块的增加;

3、实时性强;

4、具备友好的人机界面，为系统的调试、监控提供方便;

5、实现导航、路径的规划;

6、单关节的伺服控制，机器人的运动是通过各关节的协调运动来实现的，单关节实时、准确的控制是实现机器人协调运动的前提;

7、多关节的协调控制，四足仿生机器人运动是通过各关节之间的协调运动来实现，因此多关节的协调控制直接关系到机器人步态的合理性以及运性;

8、平衡控制，保证机器人在不平整的地形能稳定运行，机器人受力时仍然能保持稳定状态;

9、各类传感器信息的采集与处理，要实现机器人的自主运动，须传感器来获取环境及机器人自身的信息;

10、具有一定的容错能力，当机器人出现某些异常时，控制系统能根据需要做出一定的处理。

第五章总结

5、1系统部分实验测试

5、1、1超声波测距：

5、2主要成果与结论本设计以单片机为核心部件，利用红外传感检测、电机控制等技术，通过各种方案的讨论及尝试，再经过多次的整体软硬件结合调试，不断地对系统进行优化，避开障碍物，并寻找到合适的路径；自动识别路线状况，并根据实时状况快速做出判断，准确控制机器人的转向；自动显示所要求的信息；自动智能检测、最后救援机器狗得以实现；在设计过程中，力求硬件电路简单，外形美观，充分发挥软件设计的优势来满足系统的要求。

本设计的主要研究成果如下：

1、本创新团队所设计的救援机器狗通过其各腿之间，腿与机身的姿态之间，腿机构与转向的关系等运动的协调控制最终实现了救援机器狗在救灾环境中的行走、自主适应粗糙地面的能力和避障能力；通过先进的传感技术和多传感信息融合处理技术解决了环境识别和导航问题。

2、用FPGA进行分层模块设计使系统设计变得更加简单，在实时性和灵活性等性能上都有很大的提高，有利于步进电机的运动控制。

5、3前景与展望四足机器狗和其它足式机器人一样，最基础和首要的的问题是如何实现动态稳定行走；其次就是实现行走功能的进一步扩大和不同的地形环境的自适应能力，如越障、爬楼梯等；再次就是环境识别能力和导航技术，使之能自主在非结构化野外环境中行走和工作。

动物因长期进化而形成的以大脑为中心的高效控制反应系统，是现代四足机器人控制系统追求的目标；动物的肌肉和骨骼系统组成的高效运动执行机构，是现代四足机器人腿机构研究的范例。

运动仿生将是足式机器人进入实际应用的最有希望的技术方法。

附录一Lcd12864液晶显示器与Arduino单片机的连接可以用串行通信和并行通信，考虑到Arduino单片机的引脚有限我们选用串口通信的方式连接，以下是lcd12864与Arduino单片机串口通信的程序:

#defineSID2//12864数据#defineSCLK3//12864时钟//#defineID10x02//|ID1---00000010//游标左右移动1右0左//#defineID00xfd//&ID0---11111101////#defineSS10x01//|S1---00000001//显示画面整体移动1使能0不能//#defineSS00xfe//&S0---11111110////#defineDD10x04//|DD1---00000100//整体显示1开0关//#defineDD00xfb//&DD0---11111011////#defineCC10x02//|CC1---00000010//游标1有0无//#defineCC00xfd//&CC0---11111101////#defineBB10x01//|BB1---00000001//游标反白1反0常//#defineBB00xfe//&BB0---11111110////#defineSC10x08//|SC1---00001000//游标跟随显示1跟随0分开//#defineSC00xf7//&SC0---11110111////#defineRL10x04//|RL1---00000100//显示右移左移1左移0右移//#defineRL00xfb//&RL0---11111011////#defineDL10x01//|DL1---00010000//

8、4位设定18位04位//#defineDL00xfe//&DL0---11101111////#defineSR10x01//|RS1---00000001