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1、南 京 理 工 大 学毕业设计说明书(论文)作作 者者:雷杨学学 号：号：0810190126学院学院(系系):自动化学院专专 业业:电气工程及其自动化题题 目目:2012 年亚太香港机器人竞赛自动机器人控制系统的设计与实现指导者：指导者： (姓 名) (专业技术职务)评阅者：评阅者： (姓 名) (专业技术职务)2012 年 5 月李军副研究员毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文）中中文文摘摘要要随着智能控制、计算机网络、仿生学以及人工智能等理论的发展，移动机器人技术的研究及应用越来越受到国内外学者的重视。机器人竞赛正在全世界范围内积极开展并广泛推广，本文就是以亚太大学生机器人大赛为依托展
2、开对机器人技术的研究。首先，对机器人大赛的任务要求和比赛规则进行详细分析，制定机器人总体方案。其次，以研究自动机器人寻线为主要目标，并通过码盘辅助进行定位。以光纤传感器实现寻线行走，通过码盘判断行走距离，两者相结合可以实现机器人定位。最后，研究机器人的控制系统的实现，设计以 FPGA 与 DSP 为核心的控制，对伺服电机进行实时控制，完成规定的任务。经过系统调试，自动机器人控制系统运行正常，能够顺利完成规定的任务。关键词 机器人 编码器 传感器 FPGA DSP 通信毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文）外外文文摘摘要要TitleTitle 2012 Asia-Pacific Robot C
3、ontest in Hongkong The Design and Implementation of Automatic Robot Control System AbstractAbstractWith the development of the theory of intelligent control, computer network, bionics and artificial intelligence, mobile robot has become the focus in the field of robotics and automation for scholars
4、at home and abroad. Robot competitions are active worldwide and expanded, and this article is based on the Asia-Pacific Robot Contest launched on robotics research.First of all, after analysising the task of the robot competition requirements and rules of the game, the overall plan of automatic robo
5、tsis designed.Secondly, the main objective is to study the automatic robot hunting line.The robot hunt line to move by fiber optic sensors. What determines the robot walking distance is encoder, a combination of both can achieve robot localization.Finally, the main task is studying robot control sys
6、tem, FPGA and DSP is the core control chips, which can control servo motor in real-time and complete the required task.After system debuging, the automatic robot control system has been in smooth operation, and it can finish the given task successfully.KeywordsKeywords Robot Encoder Sensor FPGA DSP
7、Communication目 次1 绪论 .11.1 机器人发展概况.11.2 机器人技术的研究现状.21.3 论文选题的意义和研究内容52 竞赛机器人总体设计 .62.1 亚太机器人大赛的主题和规则62.2 亚太机器人比赛策略.92.3 自动机器人系统总体设计102.4 机器人理想运动学模型.112.5 本章小结133 自动机器人机构总体设计 143.1设计指标143.2底盘.143.3手爪机构153.4提升机构153.5支承机构184 信号采集处理系统设计 .194.1 控制芯片 FPGA.194.2 信号采集系统硬件选型.204.3信号采集处理系统设计.244.4 本章小结335 自动机
8、器人的运动控制系统设计 345.1 需求分析及总体设计.345.2 寻迹算法355.3 非寻迹算法395.4手柄通信435.5LED 数码管显示.455.6本章小结496 无线调试 506.1 无线通讯模块功能需求.506.2 程序介绍506.3 通讯协议516.4 无线模块调试使用.526.5本章小结557 系统调试 567.1 系统调试中遇到的问题及解决方法.56结 论 .58致 谢 .59参 考 文 献 60附 录 .621 1 绪论绪论机器人技术是现代科学技术高度集成和交融的产物，它涉及机械、控制、电子、传感器、计算机、人工智能、知识库系统以及认识科学等众多学科领域，是当代最具代表性的
9、机电一体化技术之一1。经过 40 多年的发展，现代机器人技术在工业、农业、国防、航空航天、商业、旅游、医药卫生、办公自动化及生活服务等诸多领域获得了越来越普遍的应用，21 世纪将是一个更为广泛地开发和应用机器人技术的时代。伴随着科学技术的阶跃式更新以及计算机与光、机、电一体化等科学技术的迅猛发展，机器人将发展为具有人类智能的智能型机器人，具有一定的感觉思维能力和自主决策能力。1.11.1 机器人发展概况机器人发展概况机器人一词最早出现在捷克剧作家雷尔查培克的剧本罗萨姆的万能机器人 ，剧中机器人（robot）的本意是苦力，即剧作家笔下的机器人是一个具有人的外表、特征和功能的机器，是一种人造的苦力
10、2。 “机器人”一词虽然出现的较晚，然而这一概念在人类的想象中却早已出现，并做了诸多尝试。西周时期，我国的能工巧匠偃师就制造出了能歌善舞的伶人，这是我国最早记录的具备机器人概念的文字资料。春秋时期，我国的木匠鲁班在机械方面也是一位发明家，据墨经记载，他曾制作过一只飞鸟，能在空中行“三日而不下” ，体现了我国人民的聪明才智。三国时期，蜀国丞相诸葛亮成功地制造了“木马流牛” ，用其运送粮草，并用其中的机关“牛舌头”巧取司马懿，被后人传为佳话。木马流牛虽已失传，但是其明显具有机器人的功能和机构。1893 年，加拿大人莫尔设计的能行走的机器人“安得罗丁”以蒸汽为动力，实现机器人的自我驱动和行走。进入
11、20 世纪 40 年代中后期，机器人的研究与发展得到了更多人的关注。20 世纪 50 年代后期，美国橡树岭国家实验室开始研究能搬运原料的遥控操纵机械手。在此期间，一些实用化的机器人相继问世，1959 年第一台工业机器人在美国诞生，开创了机器人发展的新纪元1。目前全球机器人技术的发展最有影响力的国家是美国和日本。美国在机器人技术的综合研究水平仍处于领先地位，而日本生产的机器人的数量，种类方面居于世界首位。20 世纪 70 年代以来，许多大学开设了机器人课程，开展了机器人学的研究工作。如美国的 MTI、RPI、Stanford、Carnegie-Mellon、Conell、Purdue、Univ
12、of California 等大学都是研究机器人学富有成果的著名学府。随着机器人学的发展，相关的国际学术会议交流活动也日渐增多，目前最有影响的国际会议是 IEEE 和工业机器人及自动化国际会议，此外还有国际工业机器人会议（ISIR）和国际工业机器人技术会议（CIRT）等135。我国机器人的研究起步较晚，但发展很快，最具代表性的的成果主要有：国防科技大学研制的全自主无人驾驶汽车，能够在无人干预情况下，自主点火、起步、换档、停车等，高速公路环境下，最高时速达 75.6 公里；清华大学研制的 THMR-V 自动驾驶车；吉林大学研制的 JLulv 系列实验车以及西安交通大学研制的 SPringrobo
13、t 实验车等47。中国科学院自动化研究所也成功的研制了一种具有视觉和口令导航功能并能与人进行语音交互的机器人座椅。该机器人具有口令识别、自我定位、动态避障、多传感器信息融合和实时自适应导航能力。除此之外，北京航空航天大学机器人研究所为北京西客站开发了一台玻璃顶棚清洗机器人。哈尔滨工业大学于 1996 年研制成功了导游机器人 DY-I 型，如图 1-1 所示。DY-I 型导游服务机器人是哈工大机器人技术公司推出的第一代智能导游机器人。该机器人可以自主做出最优的智能导航和路径规划，并配有的语音播报系统，遇到人时可以说：“您好” 。可以为游客进行简单的导游服务6。图 1.1 DY-I 型导游服务机器
14、人相对国外机器人单体与群体技术的蓬勃发展，我国的移动机器人技术与应用有了长足的进步，但是还落后于国外的发展水平。1.21.2 机器人技术的研究现状机器人技术的研究现状1.2.1 机器人分类应用于不同领域的机器人按照不同的功能、目的、用途、规模、结构、驱动方式等分成很多类型，目前国内外尚无统一的分类标准。一般按照开发内容和应用可分为三大类1：工业机器人（industrial robot）：工业生产中使用的机器人的总称，主要用于完成工业生产的某些作业。主要有焊接机器人，用于实现自动化焊接作业；装配机器人，用于电子部件和电气的装配；喷涂机器人进行各种喷涂作业；搬运机器人根据工况要求的速度和精度，将物
15、品从一处搬运到另一处。工业机器人的优点在于它可以通过更改程序，方便迅速的改变工作内容和方式，以满足生产要求的变化，提高劳动生产率。操作型机器人（teleoperator robot）：用于非工业生产的各种作业，分为服务机器人与特种机器人等。服务机器人可以代替或者协助人完成为人类提供服务和安全保障的各种工作，如清洁、护理、娱乐、执勤等。特种机器人主要完成一些人类目前无法完成或不便完成的工作，如深空探测，深海探测等领域。智能机器人（intelligent robot）：具有多种内外传感器组成的感觉系统，不仅可以感知内部关节的运行速度、力的大小等参数，还可以通过外部传感器（如视觉传感器、触觉传感器等） ，对外部环境信息进行感知、提取、处理等作出适当决策，从而完成预定任务。1.2.2 机器人研究的关键技术自主式移动机器人是一种具有高度自规划、自组织、自适应能力的高度复杂的系统7，其研究领域涉及多种学科的交叉与融合。伴随社会发展的需要，机器人必须具备越来越强大的功能，以适应不同环境的应用要求。在某些特殊的应用环境下，机器人必须有良好的信息反馈、优化控制、协调集成的理论和方法来解决实际中的问题。研究这些理论和方法，正是机器人研究领域的重点和热点。其中导航与定位技术、多传感器数据融合技术、智能控制理论等已成为机器人的研究的关键技术。1.2.2.1 导航与
