捡垃圾机器人资料公开

<!--[if !supportLists]-->一、 <!--[endif]-->研究意义及价值

电子技术的发展使得众多的设备越来越具有智能化，而现代生活的发展又使人们对于具有一定使用价值和自主性的“机器人”产生了需求。

研究一台具有自动导航、识别目标、清理目标的智能垃圾清扫车既具有科研价值、又具有实用价值。这样的一台智能车不光可以满足家用的需求，同时进行适当的改进也可以作为一款自动的垃圾清扫车以满足城市清洁的需求。

另外，本车设计为智能移动平台的先驱者，所以在结构设计上，有着通用平台的设计思路。在程序，硬件和机械结构上都留有通用接口，以便兼容同系类其他功能性模块。使机器人具有更强的适应性和拓展性，有着很好的市场价值和科研学习价值。

<!--[if !supportLists]-->二、 <!--[endif]-->研究思路

智能垃圾清扫车应具备以下几个特点：

<!--[if !supportLists]-->1）    <!--[endif]-->自导航，可以在一定的误差范围内通过GPS和惯导平台到达指定地点

<!--[if !supportLists]-->2）    <!--[endif]-->垃圾清扫，可以利用自身的机械臂和收集装置完成目标的清理工作

为了达到以上两个特点，智能车应由以下几个部分组成：

<!--[if !supportLists]-->1）    <!--[endif]-->车辆底盘

<!--[if !supportLists]-->2）    <!--[endif]-->垃圾清理装置，包括机械臂，收集框等

<!--[if !supportLists]-->3）    <!--[endif]-->导航及识别模块，用于引导智能车

<!--[if !supportLists]-->4）    <!--[endif]-->主控芯片，用于整台智能车的控制

<!--[if !supportLists]-->三、   <!--[endif]-->研究过程

3.1 车辆底盘的选择与分析

   车辆底盘用支撑于整个智能车系统，并提供系统的移动能力。考虑到本项目的目的之一是验证垃圾智能回收的可行性，车辆设计以实用为原则，考虑使用环境首选为室外，所以选用了简单底盘并加装了减震系统。

车体具体参数：

长：22mm

宽：21mm 

前后轮距： 15mm

左右轮距： 17.5mm

移动速度：1cm/s

最大承重：1.5kg

设计图：

<!--[if !vml]--><!--[endif]-->

3.2 主控部分

3.2.1 硬件电路设计

本系统由两块MSP430组成 , 一块为MSP430F149用于导航和定位, 另一块为MSP430F449用于系统控制和姿态控制，包含通信模块，壁障模块，红外人体热释模块，多路舵机控制接口，128x64LCD驱动接口，4x4键盘接口，导航模块接口和电机驱动接口。MSP430系列单片机是TI公司生产的超低功耗微处理器，适合本平台应用。

主控电路硬件设计如图：

<!--[if !vml]--><!--[endif]-->

3.2.2主控软件设计

操作系统采用M430/OS进行简单任务调度，开机后系统初始化，然后检测电池电量以及GPS、霍尔测速、超声探测器、各个舵机等模块是否能够正常工作。导航模块负责分析GPS和超声探测器的数据，并将数据发往主控模块。首先在主控模块数据库中导入以知地域的简单地貌信息，再使用导航模块的数据以及超声波传感器的扫描数据匹配地理信息，将未知地貌数据均设默认为“垃圾”。则通过超声探测器能方便检测出地面上的小个垃圾。一旦局域地图上出现垃圾，程序进入中断，执行垃圾处理任务，协调各舵机状态，完成垃圾回收动作。

<!--[if !vml]--><!--[endif]-->

局域地图匹配技术和改进的AStar算法结合能够使机器人在小空间内快速灵活的找到目标。超声探测器不断的扫描周围的空间，将障碍物标识在局域地图上。由于存储和处理能力的限制，我们采用构建静态的平面局域地图的方法，凡是有一个边界尺寸超过20cm（机器人处理能力极限）的障碍物均会直接映射在二维坐标地图上，而低于此尺寸的障碍物则会保留具体边界和尺寸并会被进一步具体甄别。在此基础上我们还加入了地图优化算法，将远距离边界进行模糊，并且运用Wolf方法和时空关联法构建静态地图以消除所需处理的障碍物个数和地图的背景噪声。

<!--[if !vml]--><!--[endif]-->

对距离的测量最好选用激光雷达测距传感器，考虑到成本问题我们选用的是超声波距离传感器，简称超声探测器。超声波传感器应用起来原理简单，也很方便，成本也很低。但是目前的超声波传感器都有一些缺点，比如，反射问题，噪音，交叉问题。如果被探测物体始终在合适的角度，那超声波传感器将会获得正确的角度。由于我们的机器人主要用于地面的垃圾垃圾处理，故将超声探测器安装在机器人的前方底部，用于地面扫描，扫描距离5m，扫描范围45度，这样可以较好的解决多重反射的问题。

<!--[if !vml]--><!--[endif]-->

3.3 导航模块

3.3.1 导航模块的硬件设计

<!--[if !vml]--><!--[endif]-->

3.3.2 导航部分的程序设计

由于任务数量少且都需要快速响应，所以在导航模块中并未使用操作系统，导航模块的程序设计主要是串口通信、GPS信息提取、超声模块数据分析三部分。

MSP430F149具有两个串口。串口0的发送端负责将处理好的数据送往主控模块，接收端负责接收GPS发来的编码信息。串口1的接收端负责接收超声探测器的信号。GPS程序主要处理$GPRM语句段，从中获取当地经纬度，速度和偏角。

3.4 垃圾清理装置的设计与分析

<!--[if !vml]--><!--[endif]-->3.4.1 垃圾清扫装置方案设计

垃圾清扫装置包括机械臂及收集框两个部分，由舵机提供转动的动力。识别出清扫目标后，机械臂将垃圾清扫到斜坡中，斜坡向上转动将垃圾放置在收集框中。

3.4.2 机械臂Matlab动力学仿真

1） 仿真原理

机器臂实际上为一个二联杆机器人。

R1 代表机器臂1的矢量，R2代表机器臂2的矢量，Rp代表二联杆机器人的末端。

Rp=R1+R2，

对该矢量式表量化，得到X轴及Y轴方向上的方程

<!--[if !vml]--><!--[endif]-->

<!--[if !vml]--><!--[endif]-->

分别求导，得到如下两个方程。

<!--[if !vml]--><!--[endif]-->

<!--[if !vml]--><!--[endif]-->

继续求导，又得两个约束方程。同时根据连杆质心处的加速度与连杆节点变量之间的关系建立约束关系，得到四个方程。

最后，分别对两个机器臂进行受力分析，得到6个方程。

根据这14个方程，可以建立二连杆机器人的约束方程。

利用Matlab进行仿真，得到以下仿真系统图：

<!--[if !vml]--><!--[endif]-->

以舵机转矩作为输入，并确定合适的初始值，便可以对二连杆机器人的运动情况进行仿真。

2） 仿真结果

以下为零输入情况下，即舵机提供转矩为零，二连杆在重力作用下，做自由落体运动的仿真情况，仿真时间为0至10s。

<!--[if !vml]--><!--[endif]-->

由上图可见，仿真情况与实际情况相符。

最终可以得到的输出结果由给定的输入量及约束方程决定，根据约束方程的输出结果，还可以求出其他的输出。

以下两图显示了为连杆1的转动角度和支架在水平方向作用于连杆1的力，横轴为仿真时间，单位为国际单位：

<!--[if !vml]--><!--[endif]-->

<!--[if !vml]--><!--[endif]-->

<!--[if !supportLists]-->四、 <!--[endif]-->研究成果

本项目实物成果为智能垃圾清扫车一辆。各种设计图纸一套。

<!--[if !vml]--><!--[endif]-->

<!--[if !vml]--><!--[endif]--> <!--[if !vml]--><!--[endif]-->

<!--[if !supportLists]-->五、 <!--[endif]-->项目的特色

智能垃圾清扫车，具有自主导航、目标识别、自动清扫的特点。在项目实施的过程中，项目团队成员具有国际化特点，充分利用了所学的专业进行了设计分析，在相互沟通中不断取得进步，在学习中不断收获。

该智能车成本低、通用性强、结构简单、改进空间大。可以在其基础上研制更为成熟的产品，使其不断完善、发展。

<!--[if !supportLists]-->六、 <!--[endif]-->改进及应用前景

<!--[if !supportLists]-->1. <!--[endif]-->本设计可作为进一步研制产品级智能车的验证

<!--[if !supportLists]-->2. <!--[endif]-->该智能车技术的关键系统已经得到验证

<!--[if !supportLists]-->3. <!--[endif]-->利用该智能车可以积累数据

<!--[if !supportLists]-->4. <!--[endif]-->在进一步研究中应更加关注各个部分的整合

<!--[if !supportLists]-->5. <!--[endif]-->更完善的智能车可以拥有更强大的动力和更大的垃圾清理能力

<!--[if !supportLists]-->6. <!--[endif]-->可以通过软件或硬件的方式提高垃圾的识别率

这里是视频（调试过程中的，最终视频没来得及拍就被组织拿走了……）：http://v.youku.com/v_show/id_XMjI5NzU5NjQ0.html

是直接从WORD复制过来的吧。因为网络语言和WORD语言不是同一种语言，不能通用的。所以只能从WORD中复制文字，以附件形式上传图片。

回复 6楼 soso 的帖子

回复 4楼 liaogao2 的帖子

回复 9楼 kevinrobot 的帖子

回复 12楼 gaoyang9992006 的帖子

我们都等着啊

Kevinrobot加我qq915864100我找您有事