智能化机器人设计说明书.docx
《智能化机器人设计说明书.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《智能化机器人设计说明书.docx（22页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
智能化机器人设计说明书
机械装备设计制造综合技能大赛
设
计
说
明
书
姓名：
孙小平洪耀林徐海昌
指导老师：
黄伟玲
2014年9月17日
江西·赣州
摘要
随着计算机技术，人工智能技术的迅速发展以及智能采集器的不断改进和推陈出新，智能信息采集装置已经取得了很大进展。
但是对于应用比较复杂通用性较高的全自动信息采集车还没有突破性的进展。
智能数据信息采集车的研究将会告别信息相互孤立缺乏联动性的现象，是一个复杂的，面向智能化的，不断发现的过程。
近年来，很多关于信息采集的研究和设计，尤其是智能数据信息采集车更是吸引了很多人的眼球。
对于智能信息采集车来说，不但要有环境信息获取功能，还要有对信息理解和信息处理的功能。
对自动信息采集车的研究是针对环境空间的识别，然后建立相应数据通道，通过雷达和无线装置把获取的数据传送到终端。
智能信息采集车采用了应用范围广，性价比高的基于单片机的多数据通道采集系统，将来自传感器的信号通过转换器转换为数字信号后由单片机采集然后利用SPI通信将数据送到主机进行数据的存储后期处理与显示实现数据处理功能强大的智能化高端信息采集设备。
智能数据信息采集车是一个集自动驾驶、环境感知、规划决策等功能于一体的综合系统。
它集中的运用了人工智能、导航、传感器及自动控制等技术；应用了计算机、信息传递、通信交流等现代装备，是典型的高新技术综合体。
关键词：
智能信息采集车、智能化、传感器、数据通道、现代装备
目录
第一章绪论......................................1
1.1信息采集的现状及发展概述......................1
1.2信息采集车国内外研究现状......................2
1.3智能信息采集车的背景意义.......................4
1.4设计要求及内容...............................6
第二章智能信息采集车的结构与工作原理...........6
2.1数据获取装置的设计............................6
2.2行走方案选择...................................7
2.3基本结构........................................9
2.4工作原理........................................11
第三章智能信息采集车的功能与特点...............12
3.1智能信息采集车的功能...........................12
3.2智能信息采集车的特点............................13
第四章智能信息采集车的设计思路.................15
4.1基本工作思路............................15
4.2动力选择思路............................15
4.3设计后的调整............................16
第五章总结与展望...............................17
参考文献.........................................18
绪论
1.1信息采集的现状及发展概述
为了更好的发展城市信息化基础建设,相继出现了移动3DGIS实景采集系统；在移动载体上安装CCD影像获取系统、全球定位系统（GPS）、惯性测量单元（IMU）以及激光扫描仪（LS）等新型传感器设备；在车辆行驶过程中,快速获取与处理城市空间三维实景数据,形成有效的三维GIS实景交通管理信息平台。
这些技术的相继出现，无疑让智能信息采集车得到了一切技术上的支撑。
近三十年年以来，国内外专家、学者也研制了很多信息采集设备，这些检测设备大致可划分成三大类:
感应线圈检测器、波频检测器、视频检测器。
感应线圈检测器。
感应线圈检测器由三部分组成:
埋设在路面下的环形线圈传感器、信号检测处理单元及馈线。
该检测器的工作原理是检测单元同环形线圈与馈线线路组成一个调谐电路。
电路中的电感主要决定于环形线圈，环形线圈是此电路的电感元件，电容则决定于检测单元中的电容器。
当电流通过环形线圈时，在其周围形成一个电磁场，再根据这些物理信息进行分析收集我们所需的数据。
波频检测器。
波频检测器是以微波、超声波和红外线等对物体发射电磁波产生感应的检测器。
这种检测器是通过接受由超声波探头发出并经过反射的超声波来检测物体信息的。
其工作原理可分为两种:
传播时间差法和多普勒法。
由于波频检测器采用悬挂式安装，这与感应线圈检测器相比有很多优点。
使用寿命长、可移动、架设方便，在国外被大量采用。
其不足之处是容易受环境影响，当风速6级以上时，超声波产生漂移而无法正常检测波频检测器已成为目前使用量仅次于感应线圈检测器的一种检测器。
微波检测器根据被检测目标返回的回波，测算出目标的数据信息，每隔一段时间通过RS232向控制中心发送。
红外检测器是具有良好应用前景的悬挂式检测器。
该检测器一般采用反射式检测技术。
反射式检测器探头由一个红外发光管和一个红外接收管组成，其工作原理是由调制脉冲发生器产生调制脉冲，经红外探头向物体上辐射，当有信息变动时，红外线脉冲从物体反射回来，被探头的接收管接收，经红外解调器解调，通过选通、放大、整流和滤波后触发器输出一个检测信号。
这种检测器具有快速准确、轮廓清晰的检测能力。
视频检测器。
视频检测，也被称为图像处理或人工视觉，是一种结合视频图像和电脑化模式识别的技术。
通过视频摄像机和计算机模仿人眼的功能，视频检测技术为无数的实际应用提供了工作平台。
可以获得大区域范围内的数据参数。
也引起了国内外的广泛研究。
视频检测器是一种基于视频图像的检测技术，是一种结合数字视频图像和人工模式识别的技术。
与传统接触式检测方法比较，这类非接触式检测方法的安装工程量小、检测范围大、系统可靠性高，是一种很有前途的方法。
视频采集技术利用视频、计算机及现代通信等技术，实现对动态信息的采集，视频采集技术对视频图像数据处理及特征提取都是实时进行的。
视频检测器通常是由电子摄像机、图像处理机和显示器等部分组成。
摄像机对一定区域范围内摄像，图像经传输送入图像处理机，处理机对图像信号进行模数转换、格式转换等，再由微处理器处理图像背景，实时识别不同的信息参数，控制中心可根据这些信息，向执行机构发出控制命令。
这些信息采集的技术、装置都在朝着一个方向发展，那就是智能化，高端化，一步步把人类从体能付出中解放出来。
1.2信息采集车的国内外研究现状
科学家在很早就有对信息采集系统的研究，但是由于受到当时科技的限制，这一领域的研究并没有取得多少有实际运用价值的成果。
进入八十年代后，随着计算机运算能力的增强以及小型机的普及，使计算机视觉和模式识别领域的研究进入空前活跃的程度，自然也对基于视觉的信息采集的研究形成了巨大的推动力量。
国外。
美国、日本以及几个欧洲发达国家相继投入了巨大的财力、物力来进行信息采集这方面的研究，并且开发了实际系统，比较广泛应用并具有代表性的产品有美国和欧洲十一国联合研制的EuRo一cosT系统、ImageSensingsystem公司（简称155公司）的AUTOSCOPE2004TM系列、AuTOSCOPESoLOTM[36]和PEEK公司的VideoTraek900、叭deoTraek905等系统。
这两家公司是最早从事视频信息检测产品研制的，它们的产品代表了目前视频信息检测技术的最高水平，基本上覆盖了欧美市场的70%。
这两家公司的技术均来源于美国的明尼苏达大学技术学院公共工程系，因此两家公司产品在原理上、结构上、功能上极其相似。
AutoscoPe大区域视频检测技术由美国155公司开发，作为全世界研发最早并最先获得国际专利的视频检测技术。
到目前为止，已有14000多套的AutoscoPe视频检测系统运行在超过三十多个国家的智能交通管理系统中，得到全世界交通专业人士的普遍认可。
美国155公司对Autoscope视频检测技术的研究始于八十年代初期，在开发的过程中155公司与美国明尼苏达大学交通运输系、美国联邦公路署以及美国政府和各地的交通管理部门建立了密切的合作关系，共同对交通管理中面临的许多重要课题进行了合作研究。
第一代原型机诞生于1987年。
1992年，155公司生产出Autoscope2003，产品的各项性能趋于成熟，实现了全天候检测。
美国佐治亚、密歇根等州开始广泛采用这一产品，以后又在原有的基础上不断扩大使用规模。
1995年，随着微软WindowS95的问世，155公司又推出了其软件基于新一代Windows95加T操作系统的Autoseope2004，AutoseopesoLoPRoNe是Autoscope2004的升级产品。
它包括了其所有的功能特点，它完美地将视频处理器集成在密封的MVP（视频处理模块）中，使用更方便，灵活可靠。
国内。
国内也有一些科研机构和企业开始这方面的研究，在图像信息处理方法等软件开发方面取得了很大的进展，也有了实验样机。
这些样机分两种结构：
一种是纯粹的仿真机，即利用标准工业控制计算机配置图像采集卡处理一些视屏信号，它的主要任务仍然局限于算法研究，并不适合产业化应用；另一种是采用嵌入式工业控制计算机，配置相应的存储器、信息采集器等外围设备，实现通信采集，这种结构实际上仍然是标准的计算机结构系统，类似上面介绍的国外产品。
目前具有代表性的有广州市交通管理科学研究所和哈尔滨工业大学联合开发的VTD2000系列视屏动态信息采集系统
1.3智能信息采集车的背景意义
时代要求。
由于数据采集系统的应用范围越来越宽,所涉及到的测量信号和信号源的类型越来越多,对测量的要求也越来越高。
国内现在已有的这些数据测量和采集的系统很多都存在功能单一采集通道少,采集速率低，操作复杂并且对测试环境要求较高等问题。
还有一个是目前市场上对智能型信息采集车的需求正处在上升期，但目前市场上的信息采集系统产品基本都是功能简单的堆砌，车顶设备凌乱、线缆纵横外露；车内设备拥挤、多个控制器操作不方便等问题。
同时随着国内汽车品种和数量不断攀升，车辆技术也日益更新；急需探讨一种适用各种车载平台的结构设计方案，来满足基层实际和实战要求，为信息采集系统装备现代化提供支撑，为推动社会进步发挥更重要的作用。
网络进步。
互联网的飞速发展，紧跟着与互联网有关的东西也蓬勃兴起。
在互联网基础上的延伸和扩展,通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备,按约定的协议,把任何物体与互联网相连接,进行信息交换和通信,以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。
是现代信息技术发展到一定阶段后出现的一种聚合性应用与技术提升,它将各种感知技术、现代网络技术和人工智能与自动化技术聚合与集成应用,使人与物智慧对话,创造一个智慧的世界。
对于现在这样一个高度信息化的社会,信息的获取至关的重要,信息的多元化、丰富性、实时性最为重要。
刚好智能数据信息采集车可以把外界的一切动感信息及时有效的收集，并自动进行处理分析把信息分层次分类别的呈现在人们的获取通道中。
经济环保。
太阳能利用领域出现了两项重大突破：
一是1954年美国贝尔实验室研制出的实用型单晶硅电池。
二是l955年以色列Tabor提出选择性吸收表面概念和理论并研制成功选择性太阳吸收涂层。
这两项突破既是太阳能利用进入现代发展时期的划时代标志，也是人类能源技术又一次变革的技术基础。
从此世界上很多国家掀起了开发利用太阳能的热潮。
在我们国家太阳能成为可持续发展战略的重要内容。
智能信息采集车采用太阳能为动力源的能源，太阳能是一种洁净的能源，是人类可以利用的最丰富的能源，可以说是取之不尽，用之不竭。
在开发和利用时，不会产生废渣、废水、废气，也没有噪音，更不会影响生态平衡。
在如此多的时代要求和召唤之下智能信息采集车是众多领域数据信息获取的首选智能装备。
智能信息采集系统。
它是在关键基础理论模型研究的前提下，把先进的信息技术、数据通信技术、电子控制技术及计算机处理技术等有效地综合运用于信息获取管理体系，从而建立起一种大范围、全方位发挥作用、实时、准确、高效的信息收集管理系统。
它利用无线通讯专网低频段以低成本实现了数据的实时采集、快速传输，自行开发研制了无线通讯系统车载智能终端设备及控制系统，具有数据和话音双重传输功能。
具有用户容量大、网络范围覆盖广、调度信息响应速度快、全自动语音报站自动化、信息发布广泛、出行者信息服务智能化、设备自维护智能化的特点。
智能信息采集车的提出，必将大大改善信息管理水平，提高信息获取系统经济效益，减少政府财政补贴，减少环境污染，改善环境，带来巨大的社会效益。
1.4设计要求及内容
智能信息采集车就是运用计算机技术、传感器技术、图像处理技术、3D技术、人工智能等高新技术，集成GPS接收机、光电编码器、激光传感器、超声传感器、线扫描照相机、图像采集卡等设备，对外界数据进行自动采集、分析和处理，从而达到对信息进行检测的目的，进而建立智能化数据信息采集系统，进行信息处理、信息管理，设施性能预测，资源执策支持，以全面提升对外界信息获取的水平。
同时还要实现对智能信息采集车行走的地面信息有特别的识别分析能力，这些信息一定要准确、高效的采集才能保证智能采集车正常运行。
研究的主要内容；
智能信息采集车辅助系统功能分析。
车载采集设备供电需求分析，传感器输出数据与信息采集的系统数据需求分析，各个设备工作相互关系分析。
供电的设计与优化；对车上传感器的供电的设计与优化；对传感器、陀螺仪、照相机等设备供电控制的设计；包括对激光传感器、加速度传感器、超声传感器接口设计以及同步控制接口设计。
智能数据信息采集车行进路线和地面状况如何分析处理判断的设计、辅助系统标定、实验方案设计及数据分析处理，如光电编码和器陀螺的标定，实验方案设计以及数据的分析处理。
智能信息采集车的结构与工作原理
2．1数据获取装置的设计
随着科学技术的发展，感觉传感器种类越来越多，其中视觉传感器成为智能采集车自动驱动行走和驾驶的重要部件。
视觉的典型应用领域为自主式智能导航系统，对于视觉的各种技术而言图像处理技术已相当发达，而基于图像的理解技术还很落后，机器视觉需要通过大量的运算也只能识别一些结构化环境简单的目标。
视觉传感器的核心器件是图像数据信息获取装置（如图2-1）。
智能数据信息采集车可以分为四大组成部分：
信息收集装置部分、传感器检测部分、执行部分、CPU。
智能数据采集车要实现自动导引功能和避障功能就必须要感知导引线和障碍物，感知导引线相当给采集车的一个视觉功能。
可以实现采集车自动识别路线，选择正确的行进路线，并检测到前方的障碍物自动躲避绕行以免在数据采集过程中发生相撞事故。
反射式红外传感器ST188采用高发射功率红外广电二极管和高灵敏度光电晶体管组成。
检测距离可调整范围为4－15mm；采用非接触检测方式。
可用于IC卡电度表脉冲数据采集、集中抄表系统数据采集和传真机纸张检测等。
反射式红外传感器中包含一个发射器LED和一个光探测器着两个元件被封装在同一个塑料壳体中，并且排列成适合他们工作的理想位置。
LED发出的一束光被一个表面
反射后又回到探测器中。
封装在矩形壳体中的是发射器LED和探测器装置。
虚线表示光线从发射器LED中发出并反射回探测器；探测器检测到的光强大小取决于物体表面的反射率，而这一光强就是传感器的输出值。
反射式传感器在高度受控的理想环境下的工作性能更好，因为影响它输出的外界因素有很多，如环境光的变动、传感器与被探测物体之间的距离，以及被探测物体的反射率等。
为了减少环境光的干扰，首先需要调整传感器的方位使环境光不能直接射到探测器。
图2-1信息获取装置
为了使我们设计的智能数据信息车拥有更多的功能，除了有空间中的信息数据获取之外，我们还增加了钻井装置如图2-2来获取土壤信息，对土壤等物质也能深入探测它的数据信息，比如说土壤成分结构等。
这大大增加了智能数据信息采集车的勘探功能。
土壤信息的获取一方面可以对地质硬度做出分析，为智能车的运动提供安全保障，以免使车陷入泥土里。
另一方面收集的土壤信息还可以经处理器处理后传送到接收端为科研所用。
图2-2钻井数据信息获取装置
2．2行走方案选择
2.2.1履带式
履带行走装置由行走架、引导轮、履带张紧装置、托链轮、支重轮、履带总成以及驱动轮等组成，左右两条履带包绕在上述4种轮子之外，由张紧装置张紧，直接与地面接触如图2-3所示。
驱动轮驱动履带绕四种轮子转动，不直接在地面上滚动。
导向轮是张紧履带，并引导它正确卷绕。
若干个支重轮在履带轨面上滚动，传递垂直载荷给履带。
托链轮支持着履带的上半边，使之不下垂，并可减小其上下振动。
上述四种轮子和张紧装置，除驱动轮外都集装在一个轮架（即台车架，也称履带架）上，从而形成一个台车。
每辆履带车辆都有左、右两个台车。
整车重量通过台车架、支重轮传给下方履带，使下方履带紧压在地面上。
当驱动轮被最终传动齿轮（从动齿轮）带动时，轮齿拉动履带，地面立即产生作用在履带上的反作用力，使台车架相对地面产生向前或向后的运动，整车也就随之运动。
图2-3履带式行走
2.2.2轮胎式
轮式在硬质路面的机动性非常好，速度更快；而且轮式底盘也更轻，对路面的承重要求相对较低。
轮式车也大多轻便，非常灵活；另外，轮式车的地盘多为向地锥形，可以分散底盘下的冲击力，加上大多数轮式车的轮轴结构隐蔽在车内，两项加起来，一定程度上减少了轮轴受损的可能。
但轮式在软质地面上对地面压强太大，非常容易陷车，而且不能承载厚重的装甲板。
但是我们的信息采集车是太阳能驱动的全自动采集车，没有过重的装备要承担。
相比之下我们选择了轮胎式。
研究的智能数据信息采集车比较独特。
建立了六个车轮的线性二自由度数学模型如图2-4通过数学计算的方法分析了该车辆的操纵稳定特性，对车辆的稳态响应进行了数值分析。
另外还应用虚拟现实技术对信息采集车建立了多体系统动力学仿真模型，并在此基础上模拟分析了该车的操纵动力学特性，包括稳态转向特性试验及双移线试验。
它在非道路条件下具有较强的动力性、通过性和良好的机动性能。
它车身小，质量轻，适合在雪地、山地、沼泽、水淹地、泥泞地及沙地等非道路地形条件下使用。
要保持车辆行驶的稳定性，使采集车直道稳定、弯道转向轻便，必须确定车轮定位参数，包括主销后倾、主销内倾和前轮外倾。
采集车的布局以精简、可靠、稳定为前提。
电路底板采用万通板搭建，放置于车前部。
编码器安装于车最后。
通过调整布局，基本上使车重心维持在中心偏后处。
图2-4车轮分布
2.3智能数据信息采集车基本结构
车载设备采取加固和固定措施，并具备快速拆装、整车美观的特点。
车载设安装不破坏原车车体及设备结构，同时车辆改装后需符合有关车辆的安全技术标准，确保车辆的车速、转弯半径、爬坡度、制动距离、越壕宽度、接近角、离去角、涉水深度等技术指标应与原载车的相应指标相同或接近。
保证车辆行驶的安全性和稳定性。
信息采集车的主体采用越野型尖峰车型，硬件设备安装于车顶和车前；车顶从前到后依次安装通信天线、雷达装置、主取景器。
车前有太阳能收集装置收集整个车所需的动力能源，车前取景器能够上下转动可以更大范围收集前方的信息。
智能信息采集车以STC12C5A60S2单片机为控制核心，具有光电循迹检测、超声波避障、电机驱动等主要功能。
首先，两组电机（同侧两个电机为一组）分别控制左右4个车轮，通过调节两组电机的转速及转动时间，达到采集车正常行驶及转向的目的。
车头的红外光电传感器通过对路况的检测反馈给单片机，控制车行走路线，防止超出边界线。
与此同时通过超声波模块，检测前方是否有障碍，并且将信息反馈给单片机，控制采集车减速，防止出现撞车。
钻井数据获取装置收集地下信息如图2-5。
增加了智能信息采集车的信息获取渠道，体现智能信息采集车的独特功能。
图2-5地下信息收集
车顶所有设备的线缆都放置在采集车主体的车厢内，所有改动及安装不需在原车身上打孔，不破坏原车涂镀，不破坏原车的结构。
此方案的特点：
顶部设备、车载专用横向太阳能板、设备安装平台、便携式设备主机等都可分离，便于在紧急状态下便携式设备站的搭建与撤收。
同时方便设备平台及便携式设备主机设备的检测与维修；满足日常工作和战时应急的需求。
整体如图2-6所示
图2-6信息采集车整体模型
2.4智能数据采集车的工作原理
控制系统收到指令后智能数据信息采集车开始工作，当前取景器检测并分析出前方的状况时如果没有障碍继续前进；有障碍时，采集车停车五秒，让采集车的金属探测模块和寻黑带导行模块停止工作，同时开启行走避障模块和寻光模块，当采集车向前行走时，遇到障物（硬件设制前端离障碍物5厘米时，表示遇到了障碍物），向左转90°；而如则边传感得到遇障信号（硬件高制则边离障碍物3厘米时，表示遇到障碍物），这时向别一边偏转一小段，然后再向发现障碍则偏传一小段，这两次偏转要求偏转角度相同。
采集车偏转方法用降低遇障另边车轮速度。
要实现偏转角度相同，用单片机记录跑程计数是否相等来实现。
车内的辅助系统做出判别，控制车身往左或往右直到可以通过如图2-7。
如此构成了智能信息采集车的运动循环。
图2-7运动循环图
经过反复考虑论证，制定了左右两轮分别驱动，后万向轮转向的方案。
即左右轮分别用两个转速和力矩基本完全相同的直流减速电机进行驱动，车体尾部装一个万向轮。
这样，当两个直流电机转向相反同时转速相同时就可以实现电动车的原地旋转，由此可以轻松地实现采集车保持坐标不变打转90度甚至180度。
在安装时我们力求保证两个驱动电机同轴。
当采集车前进时，左右两驱动轮与后万向轮形成了三点支撑结构，这种结构使得车子在前进时比较平稳，可以避免出现后轮过低而引发左右两驱动轮驱动力不足的情况。
后万向轮同时还起到了防止车子重心偏移的作用。
前轮亦为驱动轮,其决定信息采集车能否灵活拐弯的关键部分。
这辆信息采集车与一般的车不同，不是靠摆舵来控制转弯，而是靠左右后轮速度差来实现转弯控制。
小车的两前轮是靠舵机进行驱动的。
通过两路PWM波实现对其的控制。
只要调整PWM波的占空比即可控制舵机的转速。
当采集车左轮的速度高于右轮时，采集车右转弯；反之，当车右轮的速度高于左轮时，采集车左转弯。
车后轮属从动轮，质地较硬，其与地面磨擦力较小，与其动力相比可以忽略不记。
所以它可以自由偏移，而不影响采集车的转向。
智能信息采集车的信息收集装置主取景器和前取景器工作把收集的数据进行处理分析，通过雷达和通信天线传输发送到达指定终端。
红外发射管发出红外线，当发出的红外线照射到白色的平面后反射，若红外接收管能够接收到反射回来的光线则检测出白线继而输出低电平，若接收不到发射管发出的光线则检测出黑线继而输出高电平。
这样自己制作的寻迹传感器能够满足要求。
图2-8信息传送
智能信息采集车的功能与特点
3.1智能信息采集车的功能
周围空间信息自动采集。
在智能信息采集车中主取景器处于顶端，它将被摄物体的光图像转变为电信号，为系统提供信号源，因此它是系统中最重要的设备之一。
前端的前取景器用于获取前方区域地图像。
两个取景器的核心是摄像机，它是光电信号转换的主体设备，是整个系统的眼睛。
把系统所检测的目标，即把被摄物体的光、声信号变成电信号，然后送入系统的传输分配部分进行传送。
前头的钻井设备要有土壤获取分析、归类成分、呈现结构等信息的采集。
智能信息采集车以计算机信息技术为基础，通过遥传、遥测、遥控技术实现深层勘探钻井技术的自动化和智能化。
成像测井解释勘探技术可以对深层土壤的复杂地质空间以及深层物质储层的非均质性等进行科学的分析，该技术可以充分实现对土壤情况的精细评价，并能根
升级会员 