2016年优秀项目—勘测小车

新闻来源:作者:发布时间:2017-12-28浏览次数:53

第五届上海大学生创新创业论坛       上海师范大学        2017

勘测小车项目结题报告


顾宇辉,郁星宇,鲁川,蔡鑫晨

指导老师:刘世杰

(上海杉达学院沪东工学院)

摘要:机器人是体现人类创新能力和创新成果的载体,是多种学科交叉的综合性技术结晶,是当今世界十分活跃并具有巨大发展潜力的新型产业。从一定意义上说,机器人发展的水平,代表着一个国家的科技发展水平和工程人才的实力。时代呼唤着千百万新一代卓越工程师,因为没有工程师的创造就没有现代的文明。

关键词:机器人,微处理器,运动控制,环境感知


  1. 项目简介

本作品与已知其他机器人的区别在于:其采用了履带式底盘,拥有更高的环境适应性,可以实现原地转弯,全向行驶,拥有较好的通过及越障能力,适用于勘探,救援,侦查,排爆等领域。采用了ArdunioEdison开发板,61板,L298N电机驱动芯片,通过数字信号的传输处理实现了机器人对自身姿态的自主智能控制。且此机器人是一个基于单平台,多模块的系统,机器人可以根据任务的不同需要更换搭载不同的模块,这也是本作的亮点——模块化设计。此外,机器人采用新型材料打造而成,在保证结构强度的同时也减轻了整体重量。机器人主体采用合金板整体切割组装而成,避免了其内部的集成电路,工作单元因撞击而损坏,履带采用聚苯乙烯制成,既减轻重量保证强度又具有一定的韧性不易损坏。机器人搭载了无线信号传输模块,实现了无人状态下的远程控制,并且可将传感器收集到的环境信号进行处理和传输。

1.勘测小车实物图

PID增量式算法离散化公式

u(t)控制器的输出值。

e(t)控制器输入与设定值之间的误差。

Kp比例系数。

Ti积分时间常数。

Td 微分时间常数。

T调节周期。

第二部分 创新特点

本作品先进之处在于:与已有有人控制机器人相比,大规模集成电路带给其一定的智能,能够自主控制运动轨迹,通过模块多元化设计能够搭载不各型传感器和工作单元以满足不同的工作需要。机身采用新型材料而非一般的钢制或塑料制构件,既减轻重量又保证了结构强度,能够承受剧烈撞击。由于其采用履带底盘和活塞避震系统能够较大程度满足不同的地形需要,同时机器人完全由高性能锂电池驱动,续航时间长,没有传统燃油机带来的危险性,无温室气体排除,环保且节约能源。因其独特的结构与特性,能够在各种领域工作,如地下探矿,搜救,侦察等。其全向性保证了在狭小范围内亦能转弯。

项目设计采用嵌入式智能控制技术,建立了一套基于微处理器下的自主检测并适时调整勘测机器人的控制方案并将其应用。

项目开展的目的:一方面亲自动手设计、软件编程、硬件制作的作品展示给大家看;另一方面通过成品展示让更多的同学们能够了解机电专业学习的系统性知识,通过机械设计→传感器应用→电子通讯→动力系统→单片机最小系统等课程知识链的结构性学习。

关键技术及理论:机器人采用履带式底盘,通过一系列集成电路及程序有机控制各个系统间的协同工作,将传感器,GPS等模块采集的信息转换成数字信号,对外部环境实时反馈调整,通过无线信号传输模块实现机器人与PC之间的实时通讯与控制,将传感器收集到的图像,视频,声音等信息传输至电脑,完成机器人的远程智能控制及环境感知。AUV协调控制系统及多AUV系统,基于NDAP的全向机器人轨迹跟踪控制。

项目设计方法主要有三点:

1)以设计过程为主线,按照设计过程的需要来选择知识,以工作任务为中心整合理论与实践,重在培养工作任务的完成,而不是知识记忆。

2)以设计实践为起点,把知识与技能的学习相融合,激发自我学习兴趣。

3)知识模块的展开应以实际项目导入,根据设计流程或技术层次引入概念,充分体现实践性。

3  正文图

第三部分 图像传输

图像传输技术有模拟传输和数字传输两种方式。

图像模拟传输一般是通过一定的速率对图像进行周期性的扫描,把图像上不同亮度 的点变成不同大小的电信号,然后传送出去。压缩方法可以采取减少样点的点数、减少 样点的灰度级、隔行扫描等方法,达到减少传输的图像信息量的目的。

图像数字传输是先把模拟图像的信号数字化,然后对数字化的信号进行编码压缩。压缩的方法是在保持图像信息准确传输的要求下,利用图像的统计特性等去除多余传输的信息。图像信号有很强的相关性,例如,电视图像的变化虽然很快,但是在同一帧图像的各个相邻像点之间、前后帧的对应像点之间存在着很大的相似性。再如电视电话在一次通话期间,大部分时间的画面是用户说话的形像,画面几乎是相同的,只有嘴部动作变化较多。根据这种相关性,可以压缩很多重复相同的信息量,使传输的信息量大量减少。

模拟图像压缩与数字图像压缩对比起来,数字图像的压缩比较容易,而且压缩比例大。随着数字技术、计算机技术和大规模集成电路的迅猛发展,近些年来,数字图像压缩编码技术取得了很大进展。

图像的数字传输除了便于压缩编码处理外,还具有抗干扰性强、易于加密等一系列 重要的优点。因此,现在除了某些近距离的图像传输,例如有线电视、范围不大的内部图像通信系统等仍然是模拟方式传输外,大部分图像传输已都采用数字传输方式了。

第四部分 适用范围

小车适合地形:因履带底盘全向越野特性适用于所有底盘能通过的陆地,如沙漠,草原,山地丘陵,城市公路,地下洞穴矿脉等。适合工作范围:据其搭载的工作单元区分可用于搜救,勘探,侦察,运输,反恐排爆及军事领域等。由于其采用主动智能,远程遥控,无线数据传输,可以代替人工进入危险区域工作,如生化,核能,极地,太空环境等。避免了人因强辐射,重污染,严寒炎热而带来的健康损害。该型机器人不适用于民用,其市场更多的在于军事,矿业勘探,消防救援救灾,纪录片摄制等专业领域。从事专业工种的机器人售价十分昂贵,技术效益大于加工效益,除去成本,其盈利达到数倍乃至数十倍。所以该机器人销售量不会太大。但是由于其专利及自主研发特质带来的技术瓶颈,不会因山寨抄袭而带来市场竞争者。并且机器人的配套模块,维修保养也会带来潜在市场。

第五部分 结论

本项目通过搭建基于微处理器的勘探小车得出如下结论:

 1.动手设计、软件编程、硬件制作,呈现最终作品,对项目成员是一种鼓舞;更能深刻了解机电专业学习的系统性知识,通过机械设计→传感器应用→电子通讯→动力系统→单片机最小系统等课程知识链的结构性学习。学习并加以实践应用,最终成型的勘探小车具有一定的实用性及经济价值。

 2.专业教育体系它首先是一个课程体系,所以通过机器人创客项目的开展正是一个课程链的系统性认知、学习和应用。项目开展过程中着重 “创新能力”和“应用能力”的进一步实践和发挥。


参考文献

  1. 四轮全向移动机器人的运动控制与运动规划研究  广东工业大学  王建斌

以履带全向移动机器人(在本文中简称为“全向机器人”)为研究对象,结合自适应控制、反步设计法、神经网络、滑模变结构控制、大脑情感学习计算模型、多变量系统解耦原理、和声搜索智能算法以及李雅普诺夫稳定性理论等对运动控制中存在的一些问题进行深入研究,基于NDAP的全向机器人轨迹跟踪控制,针对使用传统的反步轨迹跟踪控制器容易产生速度突变的问题,提出一种基于NDAP(参数自适应神经动力学)的全向机器人轨迹跟踪控制方法。

  1. 软体机器人研究综述   同济大学学报自然科学版  何斌

传统机器人环境适应能力低。软体机器人是一类新型仿生连续体机器人,可以任意改变自身形状,在非结构化环境中应用前景广阔。

3.基于市场框架的多AUV协调控制技术研究  哈尔滨工程大学  宋玉

 AUV协调控制系统的体系结构和一个基于市场框架的多AUV协作方法。该体系结构根据传感器和管理AUV的数据调整自己的行为,并根据势态的变化对自身任务进行规划,使主体可以适应 动态环境,完成动态复杂的任务。多AUV系统AUV的组织方式则采用了集散式分层结构。AUV即可以独立工作,又可以在需要时协作。

后记(致谢):感谢刘世杰老师在勘探小车搭建期间对其提出的指导及修改意见,对我们的小车搭建产生了很多建设性的帮助。



指导教师评语

本项目在勘探方面对现有的机器人进行智能集成处理,适应地形更广更复杂,十分具有专业代表性。

指导教师:刘世杰