毕业论文设计机器人避障模型
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说明
本系统正是针对人力资源部门的人员信息管理，通过对员工基本信息﹑人事管理等的系统界面设计，将会给管理者带来极大的方便，具有手工管理无法比拟的优点，例如检索速度快、查找方便、可靠性高、存储量大、使用时间长等。用计算机管理取代传统的手工操作，大大减少了管理人员的工作量，提高了工作效率，为获取详细的人力资源信息提供了保证，方便各类人员的查询和信息保证，增强了管理工作的时效和人员主动性。
人力资源管理系统主要包括：系统登录、系统管理、信息设置、人事管理、工资管理等模块。在本系统中侧重实现人力资源的基本信息管理。
目录
摘要 (4)
一、问题重述 (5)
二、问题分析 (5)
三、模型假设 (6)
四、符号说明 (6)
五、模型建立与求解 (6)
六、模型检验 (25)
七、模型评价 (26)
八、模型推广 (26)
参考文献 (27)
附录 (28)
机器人避障模型
摘要
本文针对机器人避障问题进行分析与研究，在800×800的平面场景摆放有12个不同形状的障碍物，以O（0，0）点为起点，对A、B、C、O为目标点，通过分析，我们假设在圆弧的半径为10个单位，且下建立模型，由出发点到达目标点可以有很多条路径行走，所以就有不同的几种方案可以到达目标点，据题意；我们把机器人行走的路径都看成是由直线和拐角圆弧线组成的，根据这个原理，我们对机器人可行走的路径分析直线与拐角圆弧的关系，将所有路径都转化为若干个线圆结构来进行求解，对于途中经过的拐角圆弧，我们都将只考虑半径最小的情况，然后建立解析几何图形模型对可行走的不同路径进行求解，从而得到最短路径。
对于问题一：我们根据几何图形模型很容易求解出可能行走的路径，然后列出二种明显的方案进行比较，得到最终的求出最短路径：
O →A 最短路径为：471.2219
O →B 最短路径为：607.5783
O →C 最短路径为：1090.942
O→A→B→C→O最短路径为：2843.1693
对于问题二，我们采用Dijkstra算法（见附录三），解出最短时间路径为：462.4194。
本模型在建立过程中，始终以圆的公切线和弦为理论基础，确保模型的正确性，在求解数据过程中，因数据量大而繁琐，我们用到了MATLAB软件对模型求解，确保了结果的准确性和有效性，适用于生活中开车、赛车，对安全实际问题起到作用，有很强的实用性和借鉴性。
关键词：最短路径几何图形 Dijkstra算法 MATLAB软件
一、问题重述
根据图（附录一）的一个800×800的平面场景图，在原点O(0, 0)点处有一个机器人，它只能在该平面场景范围内活动。图中有12个不同形状的区域是机器人不能与之发生碰撞的障碍物，障碍物的数学描述见附录二：
在图（附录一）的平面场景中，障碍物外指定一点为机器人要到达的目标点（要求目标点与障碍物的距离至少超过10个单位）。规定机器人的行走路径由直线段和圆弧组成，其中圆弧是机器人转弯路径。机器人不能折线转弯，转弯路径由与直线路径相切的一段圆弧组成，也可以由两个或多个相切的圆弧路径组成，但每个圆弧的半径最小为10个单位。为了不与障碍物发生碰撞，同时要求机器人行走线路与障碍物间的最近距离为10个单位，否则将发生碰撞，若碰撞发生，则机器人无法完成行走。
机器人直线行走的最大速度为50=v 个单位/秒。机器人转弯时，最大转弯速
度为2
1.0100
e
1)(ρρ-+==v v v ，其中ρ是转弯半径。如果超过该速度，机器人将发生侧
翻，无法完成行走。
建立机器人从区域中一点到达另一点的避障最短路径和最短时间路径的数学模型。对场景图中（见附录一）4个点O(0, 0)，A(300, 300)，B(100, 700)，C(700, 640)，具体计算：
(1) 机器人从O(0, 0)出发，O→A、O→B、O→C和O→A→B→C→O的最短路径。 (2) 机器人从O (0, 0)出发，到达A 的最短时间路径。
注：要给出路径中每段直线段或圆弧的起点和终点坐标、圆弧的圆心坐标以及机器人行走的总距离和总时间。
二、问题分析
问题一、根据问题的分析，题目要求按照目标点与障碍物的距离至少超过10个单位，以定点O （0,0）行走绕过障碍物到达目标点的最短路径，机器人不能与障碍物碰撞、不能折线转弯的因素下，到达的点有，机器人从O(0, 0)出发，O→A、O→B、O→C和O→A→B→C→O的最短路径，A 、B 、C 的坐标为A(300, 300)，B(100, 700)，C(700, 640)，我们采用几何图形来描绘出起点到达终点的路线。先用包络线画出机器人行走的危险区域路线，拐角处就是一个半径为10的圆弧，采用划直线的方法寻找可能的最短路径（比如求O 和A 之间的最短路动径，就可以连接O 和A 之间的每条线段，求出O 到A 的线段长度便是O 到A 的一条可能的最短路径），然后采用解析几何、平面图形、避障路径规划、决策算法解决最短路径。列出O 到每个目标点的可能路径的最短路径，然后比较其大小便可得出O 到目标点的最短路径。（1）、在O 到A 点时，有二条最短路径，在O 到B 点时，有一条最短路径。在O 到C 点时，有三条路径。（2）、O 到A 到B 到C 到O 点的最短路径。根据每一个障碍物的特点，运用不同的线圆结构和几何图形，计算出达到每一个目标点的最短距离。
问题二、对问题二的分析，在问题一分析的基础上，以O点到达A点的最短时间路径，从起始点O（0，0）经过中间的若干个障碍物，按照解析几何的规则绕过障碍物到达目标点，我们应该考虑经过障碍物拐点的问题和经过路径中的目标点处转弯的问题，这时简单的线圆结构就不能解决这种问题，我们在拐点及途中目标点处都采用最小转弯半径的形式，也可以适当的变换拐点处的拐弯半径，在拐点处增大或缩小圆的半径，提高机器人的速度，使机器人能够沿直线到达目标点，用集合把每条线段的值表达出来，用几何图形建立模型，采用长线段距离大于短线段的距离，三角形中的，两边之和大于第三边，两边之差小于第边。然后采用Dijkstra算法二种方案进行比较，最终求得最短时间路径。
三、模型假设
1、假设转弯时，机器人行走线路与障碍物间的最近距离大于等于10个单位，设定为10个单位。
2、假设障碍物全是矩形。
3、假设机器人是一个圆点或一个圆。
4、假设机器人转弯时，都是一个圆。
5、假设保留四位小数。
四、符号说明
：转弯半径
V：最大转弯速度
e：取2.71828
S：O→A→B→C→O的最短路径。
O
R :圆的半径
五、模型建立与求解
根据本文的已知和要求，我们仔细的分析了题目，O点每到一个目标点的距离最短，而且要避开障碍物，在拐角时也不能折线转弯。运用了不同颜色的线段在平面上标出基本的最短路径，在平面上也可以比较的最短路径。如图1
OA：黑线 OB：鲜绿线 OC：蓝色线
这是O点到目标点的可能的最短路径，几种路径进行分析比较。
模型一、根据问题的分析，已知图2机器人从O（0，0）坐标出发，O到A点的最短路径。A（300，300），5到6图形距离为70，用平面坐标画出A点的路径，从平面上可以看出，结合图形在坐标中的每一个坐标，可以得到图2为O到A点的最短路径，求出O点到A 点的距离，我们采用解析几何图形进行分析与建立此模型，进行求解。O到A路径图（见附录十三）
一、第一种方案设机器人是一个小圆或一个小点在移动，在转弯的时候，产生了一条弧形。而弧形也是机器人所走的路径，如图3，圆就是机器人，以H点为圆心，OD、AG是圆的公切线。切点为D、G。HD垂直于OD，HG垂直于AG，根据附录一、附录二的图和坐标，算出OH、AH，运用线性结构的算法得到最短路径为OA=OD+DG+GA，
由O （1x ,y 1）点为起点，A(x 5,y 5)为终点，D(x 3,y 3)和G （4,4y x ）以H （2,2y x ）为圆心，A 点的坐标为（300，300）、H （80，210）。半径为r （r ≥10）,OA=a 、OH=b 、AH=c ，∠OHA=α、∠OHD=β、∠AHG=γ、∠
DHG=θ。求弧A G D O
的长度，设为OA L .即方程组为：
???
????-+-=-+-=-+-=2
522522122122
1
5215)()()()()(a ）（y y x x c y y x x b y y x x 解得到边长 a=424.2641, b=224.7221, c=237.6973. 根据三角形的性质与定理，算出α、β、γ、θ的度数。
中：在OHA ? α=arccos （bc 2a c b 2
22-+）= 133
:t 中在OHD R ?b r
arccos
=β= 87 中：
在AHG R ?t c
r
arccos =γ= 87 γβαπθ---2=∴= 53
→→
++=∴GA G D OD L OA
即
θr r c r b 2222+-+-=OA L =471.2219
通过matlab 软件计算（见附录五）， 1到 90余弦函数值（见附录四）， 解得O 到目标点A 的第一种方案的最短距离为471.2219.
2、通过O 起点到达A 目标点第二种方案，分析最短路径。采用长线
段距离大于短线段的距离，三角形中的，两边之和大于第三边，两边
之差小于第边的原理，根据圆的弧形求出弧长，弧长公式：180
r
n l π =，
建立模型，求出路径，见图四：
已知O 点的坐标（0，0）,A （300,300）,H(230,60)。OD 、AG 是线圆切线切点于D 、G ，设O （x,y ）为起点，A （2x ,2y ）为目标点，路径过D （3x ,3y ）和G(4x ,4y )与H （1x ,1y ）为圆心，r （r 》10）以半径为圆的切点，OA=a ，OH=b ，HA=c 。角∠OHA=α,∠OHD=β,∠AHG=γ，∠DHG=θ。令OA=a ，OH=b ，HA=c 。求出DG 的弧长和OA 的最短路径。方程组如下：
???
????-+-=-+-=-+-=2
122122
1212
2
22)()()()()(a ）（y y x x c y y x x b y y x x 解得方程为：a=424.2641 b=237.6973 c=250
在Rt △OHA 中：α=arccos （bc 2a c b 2
22-+）= 120
在Rt △ODH 中：b r
arccos
=β= 88 在Rt △OAGH 中：c
r
arccos =γ= 87
γβαπθ---2=∴= 55
→→
++=∴GA G D OD L OA
即
θr r c r b 2222+-+-=OA L =493.0218
通过matlab 软件计算（见附录六）， 1到 90余弦函数值（见附录四）， 解得O 到目标点A 第二种方案的最短距离为493.0218。
综上所述，第一种方案得471.2219， 第二种方案得493.0218。第一种方案小于第二种方案，比较得到第一种方案为最优最短距离，同理，其它方案也没有第一种方案最短，所以O 到目标点A 的最短距离为471.2219。
二、第一种方案，从O 起点到B 点的最短距离。机器人要经过三个障碍物的拐角点，这个三个拐角点，用小圆表示出来，根据图1中平面图形路径。我们选择了一条最短路径，得到一个用线圆和公切线组成了一个图4。采用图形和点的坐标，计算出每一条线段的值。图（见附录一、附录二），根据图形5建立以下模型：
()()()()().,,,,,,,.f 2
e d b a ,,600,150,400,300,210,80,700,100,300300)10(),(),(),(),(),,(,,),(22221112212222222,2222211111,111111,1212
1221212121222661881771554433D G BG L D G D A L D G BG D G D A A G D O D H G H MD H BG B H H D H G G MH D AH H AH H H MH M H BH B H H H AH c AH H H H B ，A r r 。H ，，G D y x H y x G y x D y x A y x G y x D y x O
+==+++=∠=∠=∠=∠=∠=∠=∠=∠=-
======≥设求，，，，的圆的切点，半径为为圆心以切点经过为圆心，以和）（出发，经过由θγβαθγβα M 点是圆1H 与圆2H 的圆心距离与公切线的交点，得到以下模型：
??
??
?+=+=∴22,9
5
139513
1313y y y x x x y x M ）即（ ??
??
??
??????
?+=-+-=-+-=-+-=-+-=+-=-+-=-222
6
1326132129212
92
6122612256256292692
5
92592)()()(e )()()(b )()(a r f g y y x x f y y x x y y x x d y y x x c y y x x y y x x ）（）（）（）（
解得a =335.4102 b =98.9949 c =243.5759 d= 208.0865 e=111.8034 f=80.1561 g=161.2451
78r
arccos
t 87c r
arccos t 155bc 2a -c b arccos 11111112
22121==?==?=+=?f
G MH R D AH R H AH γβα中：在中：在中：在 10111=--=γβαθ
5317.2932r 2222
11=+-+-=θr r f C L 所以
1602be d -e b arccos 2
22221=+=?α中：在B H H
85e
r
arccos
:t 222==?β中在H BG R
3--78arccos t 2222222====?γβαθγ所以中：在f r
H MD R
2222r r -e θ+=L 即=111.8786
21L L L L O A O B ++==471.2219+293.5317+111.8786=876.6322
通过matlab 软件计算（见附录七）， 1到 90余弦函数值（见附录四）， 解得O 到目标点B 第一方案的最短距离为876.6322。
2、从O 到B 的第二种方案。也采用线圆结构，线段和三角形定理，建立模型。如图6。
根据题意，已知从O 点出发到达B 点，坐标O （0，0），B （100，700），H （230，60），H1（220，410），H2（150，600）。以O （x,y ）为起点，B(4x ,4y )为目标点。路径经过D ，E 点，以H （1x ,1y ）为圆心，r （r 》10）以半径为圆拐角小贺弧的切点，1D ，1E 以1H （2x ,2y ）为圆心，r （r 》10）以半径为圆拐角小贺弧的切点，2D ，2E 以2H （3x ,2y ）为圆心，r （r 》10）以半径为圆拐角小贺弧的切点，
令O 1H =a,OH=b,H 1H =ED=c, H 2H =1a ,2M 1H = H 1H =1b , 2H B=1c ,1H B=2a ,三角形的角度，∠OH 1H =α,∠OHD=β,∠1H HE=γ=2
π，∠H 1H 2H =1α,∠M 1H 1E =1β, ∠H 1H D=1γ=
2
π
,∠1H 2H B=2α,∠B 2H 2E =2β,∠M 2H 2D =2γ,求ODE 1D +1D 1E 1E 2D +2D 2E 2E B 的弧长度。
设弧长ODE 1D =1L ，1D 1E 1E 2M =2L ，M 2D EB=3L ， OB L =1L +2L +3L M 是圆1H 与圆2H 公切线与圆心距的交点，设M 点坐标为（00,y x ）即
??
???+=+=222
3
0230
y y y x x x 即方程如下： ????
????
?????-+-=-+-=-+-=-+-=-+-=+-=-+-=-2
242242
2
3
42341
2
2322312132131
2
12212212122
22)()()()()(b )()()(b )()(a y y x x a y y x x c y y x x y y x x a y y x x c y y x x y y x x ）（）（）（）（
解得a=573.8313 b=237.6586 c=470.1064 1a =545.8938 1b =98.9949
1c =559.0170 2a =509.2151
在△OH 1H 中：α=arccos （bc 2a c b 2
22-+）= 76
在Rt △ODH 中：b
r
arccos
=β= 87 在Rt △1H HE 中：c r arccos =γ=2
π
=r
γβαπθ---2=∴= 7
5155.717r 221=++-=θr c b L
1
1111112
1
22
11212
arccos t 78b 2r
arccos t 44bc 2a -c b arccos r D HH R H ME R H HH ==?==?=+=?π
γβα中：在中：在中：在
14821111=---=γβαπθ
122
12r r -2b θ+??
?
??=L =569.568
=+=?1
12
1
21212212b a -c b arccos c B H H α中：在 78
课程设计任务书 （ 2015 级） 目录 摘要------------------------------------------------------4 引言------------------------------------------------------5 任务书-----------------------------------------------------6 第一章 我国机器人技术的发展概况------------------------------------7 第二章机器人的总体设计解剖 1.1资料的收集与阐述-----------------------------------------7 1.2机器人工作原理简介 1.总体设计剖------------------------------------------------8 2.伺服电机的剖析--------------------------------------------9 第三章机器人总体设计综述 ---------------------------------12 1、1设计课题的阐述-----------------------------------------12 1、2单片机的选择-------------------------------------------12 1、3主控板部分简介-----------------------------------------12 第四章机器人的总体设计方案与部分简介 1、1设计方案-----------------------------------------------13 1、2各部分功能及原理简介-----------------------------------13 第五章机器人的原理图设计、仿真及电路板制作 1、1机器人的原理图设计-------------------------------------15 1、2电源部分-----------------------------------------------16 1、3稳压电源部分-------------------------------------------16 1、5接口电路部分-------------------------------------------17 1、6单片机最小系统和ISP在线编程---------------------------18 1、9电路板制作---------------------------------------------18 第六章机器人电路板的调试与结论
机器人避障问题 摘要 本文主要运用直线逼近法等规律来解决机器人避障问题.对于问题一：要求最短路径运用直线逼近法证得圆弧角三角形定理，得出结论：若一大圆弧角三角形完全包括另一小圆弧角三角形，则该三角形曲线周长必大于小的三角形周长.那么可知机器人在曲线过弯时，选择最小半径可满足路径最短，即为10个单位半径，通过观察可得可能的所有曲线，通过仅考虑直线段的大致筛选选出总长较小、长度相近（之差小于100）的曲线，然后利用平面几何知识对相关切点，进而求出各直线、曲线的长度，求和可得最段路线.对于问题二：通过对机器人过弯规律2 1.0100 e 1)(ρ ρ-+= =v v v 的分析可知，当过弯 半径13ρ=时，机器人速度达最大速度为50=v 个单位/秒，再大就无变化了，那么可分两种情况考虑：1）当13ρ>时，过弯速度无变化，但由圆弧角三角形定理可知，此时随着ρ的不断变大，其路线总长不断变大，这时ρ越小O A →所用时间最短；2）当13ρ≤时，统计计算ρ分别为10、11、12、13时，过弯速度v 也不断变化，计算所用时间发现随ρ不断变大，O A →所用时间越短，此时当13ρ=时，时间最短.综合上述可知：当 13ρ=时，时间最短. 关键词： 质点机器人 安全范围 直线逼近法 圆弧角三角形定理 10单位半径
1 问题重述 在一个800×800的平面场景中，在原点O(0, 0)点处有一个机器人，它只能在该平面场景范围内活动，其中有12个不同形状的区域是机器人不能与之发生碰撞的障碍物， 物的距离至少超过10个单位）.规定机器人的行走路径由直线段和圆弧组成，其中圆弧是机器人转弯路径.机器人不能折线转弯，转弯路径由与直线路径相切的一段圆弧组成，也可以由两个或多个相切的圆弧路径组成，但每个圆弧的半径最小为10个单位.为了不与障碍物发生碰撞，同时要求机器人行走线路与障碍物间的最近距离为10个单位. 机器人直线行走的最大速度为50=v 个单位/秒.机器人转弯时，最大转弯速度为 2100.11 0()(1e ) v v v ρρ--==+，其中ρ是转弯半径.如果超过该速度，机器人将发 生侧翻，无法完成行走. 下面建立机器人从区域中一点到达另一点的避障最短路径和最短时间路径的数学模型.对场景图中4个点O(0, 0)，A(300, 300)，B(100, 700)，C(700, 640)，具体计算： (1) 机器人从O(0, 0)出发，O→A 、O→B 、O→C 和O→A→B→C→O 的最短路径. (2) 机器人从O (0, 0)出发，到达A 的最短时间路径. 2 问题分析 2.1问题一： 该问题要求路径最短，即不要求速度与时间，则可认为以最小半径10的圆过弯. 如图2.1所示：由圆弧角三角形定理（简单证明见模型准备5.3）可知过弯时，只有采用10单位半径过弯时，才会使得过弯路径最短，因此解决问题一的过弯拐角问题均采用10单位半径过弯路径. 2.2问题二： 由于O→A 过程中，机器人至少要经过一
目的： 本毕业设计是红外蔽障小车的设计，通过设计使学生系统的熟悉和掌握单片机控制系统设计方面的内容体系、开发流程和程序设计，培养学生具有综合运用所学的理论知识去开拓创新及解决实际问题的能力。培养学生掌握设计题的思想和方法，树立严肃认真的工作作风、培养学生调查研究、查阅技术文献、资料、手册以及编写技术文献的能力。同时是为了掌握电路设计的方法和技巧。如何将学习到的理论知识运用到实际当中去，怎样能够活学活用，深入的了解电子元器件的使用方法，了解各种元器件的基本用途和方法，能够灵活敏捷的判断电路中出现的故障，学会独立设计电路，积累更多的设计经验，加强焊接能力和技巧，完成基本的要求。并能完美的完成这次实训。 目录 一、任务书...............................P1 二、引言..............................P2 二、要求与发挥...........................P4 三、设计摘要.............................P6 四、模块方案比较.......................P7 1.避障模块 2.驱动模块
3.控制模块 五、程序设计.........................P9 1.程序流程图 2.程序编写 六、工作原理.........................P13 七、结论............................P13 八、参考文献........................P14 九、毕业设计（论文）成绩评定表.....P15 任务： 利用单片机、红外实现避障，要求具有下述功能： 1.小车前进可以避开（前、左、右）20cm的障碍物； 2.实现下车前进时，不碰障碍物； 3.具有声音播报功能。 引言 随着微电子技术的不断发展，微处理器芯片的集成程度越来越高，单片机已可以在一块芯片上同时集成CPU、存储器、定时器、并行和串行接口、看门狗、前置放大器、A/D转换器、D/A转换器等多种电路，这就很容易将计算机技术与测量控制技术结合，组成智能化测量控制系统。这种技术促使机器人技术也有了突飞猛进的发展，目前人
H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y 课程设计说明书（论文） 设计题目：超声波避障小车 院系：电气学院自动化测试与控制系 班级： 设计者： 学号： 指导教师：周庆东 设计时间：9.2~9.13 哈尔滨工业大学 哈尔滨工业大学课程设计任务书
*注：此任务书由课程设计指导教师填
开题报告 1立项依据 1.1立项目的 （1）设计一辆利用超声波传感器来实现避障功能的小车，使小车对其运动方向受到的阻碍作出各种躲避障碍的动作。 （2）进一步学习单片机原理及其应用，提高程序的编写能力。 （3）掌握单片机系统外扩器件的连接与使用，了解超声波传感器的工作原理。 （4）掌握软件和硬件调试的基本技巧与方法。 1.2立项意义 在当今社会，汽车成为了越来越普遍，人们不可缺少的交通工具。但汽车的不断增加，随之而来就是越来越多的交通事故。交通事故成为了现在越来越严重的安全隐患。所以随着汽车工业的快速发展，我们必须加强对汽车安全性能的考虑。所以，智能汽车概念应运而生，他既是汽车产业的机遇也是汽车产业的挑战。汽车的智能化必将是未来汽车产业发展的趋势，在这样的背景下，我们开展了基于超声波的智能小车的避障研究。 超声波作为智能车避障的一种重要手段，以其避障实现方便，计算简单，易于做到实时控制，测量精度也能达到实用的要求，在未来汽车智能化进程中必将得到广泛应用。我国作为一个世界大国，在高科技领域也必须占据一席之地，未来汽车的智能化是汽车产业发展必然的，在这种情况下研究超声波在智能车避障上的应用具有深远意义，这将对我国未来智能汽车的研究在世界高科技领域占据领先地位具有重要作用。 2主要设计内容及方案 2.1总体方案 系统采用51单片机作为核心控制单元用于智能车系统的控制,在超声波检测到障碍物之后,主控芯片根据距离值控制直流电机的转动,在与障碍物距离较大的情况下，快速前进，在与障碍物距离较小但还未到达临界转弯方向值的时候，慢速前进。在与障碍物距离很近需要转向避障时，方案上将尝试进行转向，来进行避障。 2.2设计原理 该智能车系统可分为三个主要模块：单片机主控核心模块，传感器避障模块，电机驱动模块。系统主要原理是：通过超声波避障模块（即感测模块）实时监测路面情况并及时传输给单片机。由单片机主控核心模块根据感测模块给予的信息控制小车两电机转动工作状态。电机驱动模块驱动两电机转动，实现前进或者左、右转。
1 引言 管道运输是当今五大运输方式之一，已成为油气能源运输工具。目前，世界上石油天然气管道总长约200万km，我国长距离输送管道总长度约2万km。国家重点工程“西气东输”工程，主干线管道(管径1118mm)全长4167km，其主管道投资384亿元，主管线和城市管网投资将突破1000亿元。 世界上约有50%的长距离运输管道要使用几十年、甚至上百年时间，这些管道大都埋在地下、海底。由于内外介质的腐蚀、重压、地形沉降、塌陷等原因，管道不可避免地会出现损伤。在世界管道运输史上，由于管道泄漏而发生的恶性事故触目惊心。据不完全统计，截至1990年，国内输油管道共发生大小事故628次。1986到2b00年期间美国天然气管道发生事故1184起，造成55人死亡、210人受伤，损失约2. 5亿美元。因此，研究管道无损检测自动化技术，提高检测的可靠性和自动化程度，加强在建和在役运输管道的检测和监测，对提高管线运输的安全性具有重要意义。 1.1管道涂层检测装置的发展、现状和前景 1.1.1管道涂层检测装置的发展 管内作业机器人是一种可沿管道自动行走,携有一种或多种传感器件和作业机构,在遥控操纵或计算机控制下能在极其恶劣的环境中进行一系列管道作业的机电仪一体化系统.对较长距离管道的直接检测、清理技术的研究始于本世纪50年代美、英、法、德、日等国,受当时的技术水平的限制,主要成果是无动力的管内检测清理设备——PIG,此类设备依靠首尾两端管内流体的压力差产生驱动力,随着管内流体的流动向前移动,并可携带多种传感器.由于PIG本身没有行走能力,其移动速度、检测区域均不易控制,所以不能算作管内机器人.图1所示为一种典型的管内检测PIG[5]. 这种PIG的两端各安装一个聚氨脂密封碗,后部密封碗内侧环向排列的伞状探头与管壁相接触,测量半径方面的变形,并与行走距离仪的旋转联动,以便使装在PIG内部的记录仪记录数据.它具有沿管线全程测量内径,识别弯头部位,测量凹陷等变形部位及管圆度的功能,并可以把测量结果和检测位置一起记录下来. 70年代以来,石油、化工、天然气及核工业的发展为管道机器人的应用提供了广阔而诱人的前景,而机器人学、计算机、传感器等理论和技术的发展,也为管内和管外自主移动机器人的研究和应用提供了技术保证.日、美、英、法、德等国在此方面做了大量研究工作,其中日本从事管道机器人研究的人员最多,成果
基于单片机的智能寻迹小车毕业设计 系统主要由红外避障模块、声控模块、光电寻迹、电机驱动及语音播报模块组成。 采用P89V51单片机作为智能小车控制核心。系统能实现对线路进行寻迹，小 车可以 前进或后退，遇到障碍物可以自行停止并可以实现反向运行，系统可以利用声 音控 制小车的启停。整个系统小巧紧凑，控制准确，性价比高，人机互动性好。 P89V51单片机；红外避障；线路寻迹；直流减速电机 ABSTRACT System is mainly by infrared obstacle avoidance module, voice module, opto-electronics and motor drive tracing module. Used as a single- chip smart car P89V51 control core. System can realize the tracing lines, cars can go forward or backward, encountered obstacles can stop and reverse operation can be achieved, the system can use voice to control the start and stop car. Compact the entire system to control the accurate, cost-effective, good human-computer interaction. KEYWORD: P89V51MCU;Infrared obstacle avoidance；Tracing；DC motor speed 1
单片机系统 课程设计 成绩评定表 设计课题：自动避障小车 学院名称：电气工程学院 专业班级：自动1105 学生姓名： 学号： 指导教师： 设计地点：31-630 设计时间：
单片机系统课程设计 课程设计名称：自动避障小车 专业班级：自动1105 学生姓名： 学号： 指导教师： 课程设计地点：31-630 课程设计时间：
单片机系统课程设计任务书
目录 1概述-------------------------------------------------------------- 4 1.1研究背景----------------------------------------------------- 4 1.2设计思想及基本功能------------------------------------------- 4 2总体方案设计------------------------------------------------------ 4 2.1方案论证----------------------------------------------------- 4 2.2系统框图----------------------------------------------------- 5 2.3总体方案设计------------------------------------------------- 6 3硬件电路设计------------------------------------------------------ 7 3.1电源电路----------------------------------------------------- 7 3.2晶振电路----------------------------------------------------- 8 3.3复位电路----------------------------------------------------- 8 3.4键盘电路----------------------------------------------------- 8 3.5显示电路----------------------------------------------------- 9 3.6超声波测距电路---------------------------------------------- 10 3.7舵机电路---------------------------------------------------- 11 3.8电机驱动电路------------------------------------------------ 11 3.9电机转速测量电路-------------------------------------------- 13 3.10设计PCB和腐蚀电路板--------------------------------------- 14 4系统软件设计----------------------------------------------------- 16 4.1分模块程序设计---------------------------------------------- 18 4.2主程序设计-------------------------------------------------- 20 5系统调试 ------------------------------------------------------- 20 6总结 ----------------------------------------------------------- 22参考文献：------------------------------------------------------- 23附录A硬件电路图------------------------------------------------- 24附录B 源程序 ---------------------------------------------------- 25
浙江工贸职业技术学院 毕业设计（论文）课题名称：机器人手臂机构
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期： 指导教师签名：日期： 使用授权说明 本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名：日期：
学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名：日期：年月日 导师签名：日期：年月日
开放性实验报告 ——避障机器人设计 系别：智能科学与技术 姓名：唐继鹏 姚武浩 姜飞鹏 郑光旭 指导老师：袁立行、王曙光、亢红波时间：2011.9.16——2012.4.28
目录 1 系统功能介绍 (1) 2 设计任务与要求 (1) 3 系统硬件设计 (1) 3.1系统总体设计框图 (1) 3.2寻线模块(ST188) (2) 3.3电机控制模块 (3) 3.4单片机最小模块 (4) 3.5数码管显示模块 (6) 4 系统软件实现 (7) 4.1 设计思路 (7) 4.2 软件程序流程图 (8) 4.3程序代码见附录Ⅰ (8) 5 调试结果 (8) 6 实验总结 (9) 附录Ι (10) 附录Ⅱ (18) 附录Ⅲ (19)
1 系统功能介绍 本设计以单片机作为控制核心，电路分为最小系统模块，黑线检测模块，电机驱动模块，数码管显示模块。黑线检测模块采用反射式关电传感器st188，并且接相应的三级管来规划传感器的输出，当输出高电平为正常情况。电机为伺服电机，给定脉宽为1.5ms的信号电机保持不动，给定脉宽为1.7ms的信号电机正向转到给定脉宽为1.3ms的信号电机逆向转到。数码管动态显示机器人行进过程所用的时间。 2 设计任务与要求 ◆熟悉51系列单片机的原理及应用。 ◆掌握ST188设计电路和传感器的使用。 ◆掌握直流电机的驱动方法。 ◆掌握动态数码管显示的方法。 ◆设计机器人的硬件电路及软件程序。 ◆制作机器人的硬件电路，并调试软件，最后实现机器人的自动测量黑线。 3 系统硬件设计 3.1系统总体设计框图 该系统中51单片机作为主微控芯片，其外多个I/O口作为通用I/O口接受传感器的信号并输出相应的控制信号。 系统硬件总体设计框图如下图3.1-1所示。
机器人避障优化模型 摘要 “机器人避障问题”是在一个规定的区域范围内，有12个位置各异、形状不同的障碍物分布，求机器人从出发点到达目标点以及由出发点经过途中的若干目标点到达最终目标点的避障最短路径及其最短时间，其中必须考虑如圆与切线的关系等问题。基于优化模型，对于题目实际情况进行研究和分析，对两个问题都用合适的数学思想做出了相应的解答和处理，以此建立符合题意的数学模型。 问题一，要求建立机器人从原点出发到达以区域中另一点为终点的最短路径模型。机器人的避障路径规划主要包括环境建模、路径搜索、路径平滑等环节，针对本题的具体情况，首先对图形进行分析，并用AutoCAD 软件进行环境建模，使其在障碍物外围延伸10个单位，然后考虑了障碍物对路径安全的影响再通过蚁群算法来求它的的最短路径，由于此时最短路径中存在转弯路径，需要用人工势场法进行路径平滑处理，从而使它的最短路径在蚁群算法算出的结果情况下，可以进一步缩短其路径，从而存在机器人以区域中一点到达另一点使其避障的路径达到最短，在最终求解时，通过matlab 软件求其最优解。 问题二，仿照问题一机器人避障路径规划的基本环节所建立的一般模型，再根据题二所提出的具体问题，建立机器人从O （0，0）出发，使达到A 的最短时间路径模型。其中已知最大速度为50=v 个单位/秒，机器人转弯时，最大转弯速度为 2 1.0100 e 1)(ρρ-+= =v v v ，其中ρ是转弯半径，并有ν为增函数。且有0νν<恒成立，则可 知行走路径应尽量减少走圆弧，且可时间由走两段直线加圆弧的时间之和。 关键词： 最短路径 蚁群算法 人工势场法 机器人避障
海南大学 毕业论文（设计） 题目：基于stm32的智能小车设计学号：20112834320005 姓名：陈亚文 年级：2011级 学院：应用科技学院（儋州校区） 学部：工学部 专业：电子科学与技术 指导教师：张健 完成日期：2014 年12 月 1 日
摘要 本次试验主要分析了基于STM32F103微处理器的智能小车控制系统的系统设计过程。此智能系统的组成主要包括STM32F103控制器、电机驱动电路、红外探测电路、超声波避障电路。本次试验采用STM32F103微处理器为核心芯片，利用PWM技术对速度以及舵机转向进行控制，循迹模块进行黑白检测，避障模块进行障碍物检测并避障功能，其他外围扩展电路实现系统整体功能。小车在运动时，避障程序优先于循迹程序，用超声波避障电路进行测距并避障，在超声波模块下我们使用舵机来控制超声波的发射方向，用红外探测电路实现小车循迹功能。在硬件设计的基础上提出了实现电机控制功能、智能小车简单循迹和避障功能的软件设计方案，并在STM32集成开发环境Keil下编写了相应的控制程序，并使用mcuisp软件进行程序下载。 关键词：stm32;红外探测;超声波避障;PWM;电机控制
Abstract This experiment mainly analyzes the control system of smart car based on microprocessor STM32F103 system design process. The composition of the intelligent system mainly including STM32F103 controller, motor drive circuit, infrared detection circuit, circuit of ultrasonic obstacle avoidance. This experiment adopts STM32F103 microprocessor as the core chip, using PWM technique to control speed and steering gear steering, tracking module is used to detect the black and white, obstacle avoidance module for obstacle detection and obstacle avoidance function, other peripheral extended circuit to realize the whole system function. When the car is moving, obstacle avoidance program prior to tracking, using ultrasonic ranging and obstacle avoidance obstacle avoidance circuit, we use steering gear under ultrasonic module to control the emission direction of ultrasonic, infrared detection circuit is used to implement the car tracking function. On the basis of the hardware design is proposed for motor control function, simple intelligent car tracking and obstacle avoidance function of software design, and in the STM32 integrated development environment under the Keil. Write the corresponding control program, and use McUisp program download software. Keywords：STM32；Infrared detection；Ultrasonic obstacle avoidance；PWM；Motor control
下载可编辑 前言 --------------------------------------------------- 随着生产自动化的发展需要，机器人已经越来越广泛地应用到生产自动化上，随着科学技术的发展，机器人的传感器种类也越来越多，其中红外传感器已经成为自动行走和驾驶的重要部件。 红外的典型应用领域为自主式智能导航系统，机器人要实现自动避障功能就必须要感知障碍物，感知障碍物相当给机器人一个视觉功能。智能避障是基于红外传感系统，采用红外传感器实现前方障碍物检测，并判断障碍物远近。 由于时间和水平有限，我们暂选最基本的避障功能作为此次设计的目标。 本设计通过小车这个载体再结合由AT89S51为核心的控制板可以达到其基本功能，再辅加由漫反射式光电开关组成的避障电路、555组成的转速控制电路、电源电路、差分驱动电路就可以完善整个设计。
目录 前言------------------------------------------------------------------------------1目录------------------------------------------------------------------------------2摘要------------------------------------------------------------------------------3功能概述------------------------------------------------------------------------3硬件设计------------------------------------------------------------------------3 避障电路------------------------------------------------------------------------4单片机电路---------------------------------------------------------------------7电机转速控制电路------------------------------------------------------------7电源电路------------------------------------------------------------------------8电机驱动电路---------------------------------------------------------------9主程序设计--------------------------------------------------------------------12小结-----------------------------------------------------------------------------23参考文献-----------------------------------------------------------------------23
目录 第1章、绪论 (2) 1、1智能机器人技术发展的重要意义 (2) 1、2国内外机器人的发展史 (2) 1、2、1 国外机器人的发展历史 (2) 1、2、2 国内机器人的发展历史 (3) 1、3服务机器人的特点关键技术 (3) 1、4本论文的主要研究内容 (4) 1、5本章小结 (4) 第2章、物体检测与报警机器人的总体设计 (5) 2、1概述 (5) 2、2主要组成 (5) 2、2、1 头部旋转机构 (5) 2、2、2 主体部 (6) 2、2、3 电机 (6) 2、3主要技术参数 (7) 2、4、电机的选型 (7) 2、4、1 驱动机构的组成、 (7) 2、4、2 步进电机的选型比较 (8) 2、4、3 步进电机的选型计算 (9) 2、5蜗轮蜗杆传动的选型设计 (11) 2、6电机的效核.................................... 错误!未定义书签。 2、7轴的较核及联件的选型.......................... 错误!未定义书签。 2、7、1、蜗杆轴的较核、......................... 错误!未定义书签。 2、7、2、蜗杆轴上轴承的选型..................... 错误!未定义书签。 2、7、 3、蜗轮轴的较核、......................... 错误!未定义书签。 2、7、4、蜗轮轴上轴承的选型..................... 错误!未定义书签。 2、7、5、键的较核............................... 错误!未定义书签。 2、7、6、联轴器的选型........................... 错误!未定义书签。 2、8本章小结...................................... 错误!未定义书签。第3章、驱动机构及其控制方式........................ 错误!未定义书签。 3、1、概述........................................ 错误!未定义书签。 3、2步进电机及其控制系统.......................... 错误!未定义书签。 3、2、1 步进电机的工作特性、..................... 错误!未定义书签。 3、2、2 步进电机的开环控制系统................... 错误!未定义书签。 3、3本章小结...................................... 错误!未定义书签。结束语............................................... 错误!未定义书签。
机器人避 障问题 摘要 本文研究了机器人避障最短路径和最短时间路径的问题。主要研究了在一个区域中存在12个不同形状障碍物，由出发点到达目标点以及由出发点经过途中的若干目标点到达最终目标点的多种情形，寻找出一条恰当的从给出发点到目标点的运动路径使机器人在运动中能安全、无碰撞的绕过障碍物而使用的路径和时间最短。由于规定机器人的行走路径由直线段和圆弧组成，其中圆弧是机器人转弯路径，机器人不能折线转弯。所以只要给定的出发点到目标点存在至少一个障碍物，我们都可以认为最短路径一定是由线和圆弧所组成，因此我们建立了切线圆结构，这样无论路径多么复杂，我们都可以将路径划分为若干个这种切线圆结构来求解。在没有危险碰撞的情况下，圆弧的半径越小，路径应该越短，因此我们尽量选择最小的圆弧半径以达到最优。对于途中经过节点的再到达目标点的状况，我们采用了两种方案，一种是在拐点和节点都采用最小转弯半径的形式，另一种是适当扩大拐点处的转弯半径，使得机器人能够沿直线通过途中的目标点。然后建立了最优化模型对两种方案分别进行求解，把可能路径的最短路径采用穷举法列举出来，用lingo 工具箱求解得出了机器人从O(0,0)出发，O→A、O→B、O→C 和O→A→B→C→O 的最短路径；利用matlab 中的fminbnd 函数求极值的方法求出了机器人从O(0,0)出发，到达A 的最短时间路径。本文提出一种最短切线圆路径的规划方法，其涉及的理论并不高深，只是应用了几何知识和计算机程序、数学工具计算，计算简易，便于实现，能搞提高运行效率。 问题一 O→A 最短路径为：OA L =471.0372 O→B 最短路径为：=1OB L 853.8014 O→C 最短路径为：4OC L =1054.0 O→A→B→C→O 最短路径为： 问题二机器人从O(0,0)出发，到达A 的最短时间路径： 最短时间是94.5649，圆弧的半径是11.5035,路径长4078.472=OA L 关键词最短路径；避障路径；最优化模型；解析几何；数学工具 一、问题重述 图1是一个800×800的平面场景图，在原点O(0,0)点处有一个机器人，它只能在该平面场景范围内活动。图中有12个不同形状的区域是机器人不能与之发生碰撞的障碍物，障碍物的数学描述如下表：
毕业论文：智能避障小车 摘要 避障是智能小车应具备的基本功能之一以P89C51RA芯片为核心采集前方障碍信息并对智能小车进行控制选用红外避障传感器检测智能小车前方的障碍物设计了智能小车的自动避障系统并阐述其工作原理该系统设计简单成本低实时性好在室环境中取得了预期的实验结果使智能小车无碰撞到达目的地关键词P89C51RA智能红外避障传感器 Abstract The obstacle avoidance is one of the main functions that an independently intelligent carriage should be provided Use the P89C51RA as a key component collecting the environmental information and controlling the intelligent carriage a kind of obstacle avoidance system of intelligent carriage is designed In this system infrared obstacle avoidance sensors are used to detect the barrieswhich are front of distance between the intelligent carriage and the barriers The systems design is simple and has lower cost and better real time features And at the same time this system has obtained anticipated experimental results in the indoor environment That is the intelligent carriage can arrive at the destination without any collision Keywords P89C51RA intelligent infrared obstacle avoidance sensors
随着生产自动化的发展需要，机器人已经越来越广泛地应用到生产自动化上，随着科学技术的发展，机器人的传感器种类也越来越多，其中红外传感器已经成为自动行走和驾驶的重要部件。 红外的典型应用领域为自主式智能导航系统，机器人要实现自动避障功能就必须要感知障碍物，感知障碍物相当给机器人一个视觉功能。智能避障是基于红外传感系统，采用红外传感器实现前方障碍物检测，并判断障碍物远近。 由于时间和水平有限，我们暂选最基本的避障功能作为此次设计的目标。 本设计通过小车这个载体再结合由AT89S51 为核心的控制板可以达到其基本功能，再辅加由漫反射式光电开关组成的避障电路、555 组成的转速控制电路、电源电路、差分驱动电路就可以完善整个设计。
目录 前言------------------------------------------------------ 1目录------------------------------------------------------ 2摘要------------------------------------------------------ 3功能概述-------------------------------------------------- 3硬件设计-------------------------------------------------- 3避障电路-------------------------------------------------- 4单片机电路------------------------------------------------ 7电机转速控制电路------------------------------------------ 7电源电路-------------------------------------------------- 8电机驱动电路----------------------------------------- 9主程序设计------------------------------------------------ 12小结----------------------------------------------------- 23参考文献------------------------------------------------- 23
摘要 在生产过程工业机械手是模拟人手动作的机械设备，它可以替代人工搬运重物或单调，在高粉尘，高温，有毒，易燃，放射性和其他相对较差的工作环境。机器人可用于在生产过程中的自动化抓住并移动工件自动化设备，它是在生产过程的机械化和自动化，开发出一种新的类型的设备。近年来，随着电子技术，特别是计算机的广泛使用机器人的开发和生产的高科技领域已成为迅速发展起来的一项新兴技术，它更促进机器人的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手能够代替人类完成危险、减轻人类劳动强度、重复枯燥的工作，提高劳动生产力。 本设计是关于三自由度的圆柱形机械手。利用Auto CAD软件对制件进行设计绘图。其包括夹持器、小臂、大臂和底座。明确合理的设计思路，确定了机械手工作原理并对然夹持器、气缸、步进电机、轴承进行了校核计算并附带了简图并对零件的质量、重心、惯性主轴和惯性力矩进行辅助设计计算，可以大大减轻在设计过程中繁琐计算及校核步骤。 关键字：机械手，气缸，校核。
Abstract Industrial manipulator is the mechanical equipment which is used in the production process and simulate to the behave of hands with electrical integration. It can carry heavy objects and work in the harsh environment which is high temperature, poisonous ,full of dust, flammable and combustible monotonous and full of radioactive substance instead of people. Manipulator is a automatic device which is used in the automatic production process and it can carry and move things. It is a new device which is developed in the mechanization and automatic production process. In recent years , with the widely used of electronic technique especially the electronic computer. The research and production of robot has became a new technology which is developing rapidly in the high-tech industry . It promotes the development of manipulator. It makes the combination of the manipulator with mechanization and automation become easier . Manipulator can complete the dangerous and boring work instead of people. It can reduce labour intensity of people and raise the labour productivity . This design is a cylindrical manipulator which is related to delta degrees of freedom. It designs and draws the picture with Auto cad software ,it includes holder, a small arm, the big arm and the base. The clear and reasonable thinking determines the working principle of the manipulator . This also checks and calculates the holder, cylinder, stepper motor and bearing. Apart from this , it contains some pictures and design and measure the quality , barycentre principal axis of inertia and force of parts. It can greatly reduce the complicated calculation and check in the design process. Keywords: robot, cylinder, checking