導(dǎo)購機(jī)器人計(jì)劃書

中國科技大學(xué)第十三屆RoboGame機(jī)器人大賽 參賽計(jì)劃書隊(duì)伍名稱：A杖地卜師 所在院系：工院九系參賽內(nèi)容：機(jī)器人導(dǎo)購負(fù)責(zé)人姓名：何啟明負(fù)責(zé)人電話:隊(duì)員信息:職務(wù)姓名學(xué)號手機(jī)學(xué)校郵箱隊(duì)長何啟明PB11009隊(duì)員曹龍軒PB11009隊(duì)員盧強(qiáng) PB11009隊(duì)員成亞能PB11009隊(duì)員楊金釗P(yáng)B11009指導(dǎo)老師： 承 諾 書組委會承諾：我們組委會保證及時解決各參賽隊(duì)就比賽相關(guān)問題提出的疑問，為各參賽隊(duì)的制作計(jì)劃等保密，公正處理機(jī)器人比賽相關(guān)事務(wù)，選拔優(yōu)秀成員擔(dān)任比賽裁判，保證裁判的公正。組委會負(fù)責(zé)人（簽字）： 2013年5月22日參賽者承諾： 我們隊(duì)承諾對本人填寫的各項(xiàng)內(nèi)容保證是本隊(duì)的原創(chuàng)，沒有抄襲他人。我們保證以本承諾為有約束力的協(xié)議，遵守中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)第十三屆robogame組委會的有關(guān)規(guī)定，認(rèn)真進(jìn)行機(jī)器人的設(shè)計(jì)制作等工作，就比賽相關(guān)問題積極與組委會交流，服從組委會的活動安排與最終裁判。對于由本隊(duì)引發(fā)的一切不良后果由本隊(duì)承擔(dān)相應(yīng)責(zé)任。參賽隊(duì)員（簽字）： 何啟明 曹龍軒 盧強(qiáng) 楊金釗 成亞能 2013年5月22日 序： 戰(zhàn)隊(duì)簡介隊(duì)伍取名淵源：地卜師生活在黑森林中，最初被赫爾馬尼的異族所崇拜的神Meepo，是個淘氣的小土靈。身體偏小的土精一點(diǎn)也不弱小，造世主給予了他們過人的智慧。它的強(qiáng)大在于它“分則能成”的強(qiáng)力大招，出A杖后五只精靈一起進(jìn)攻更是強(qiáng)大到不可思議，我們戰(zhàn)隊(duì)的五個人就代表了這五精靈。 戰(zhàn)隊(duì)宣言:五只精靈團(tuán)結(jié)一致，同進(jìn)同退，我們相信在隊(duì)長的帶領(lǐng)下我們一定能發(fā)揮出“分則能成”的強(qiáng)大力量，秒殺一切，馬到成功！戰(zhàn)隊(duì)分工:何啟明：程序設(shè)計(jì)及調(diào)試曹龍軒：程序設(shè)計(jì)及調(diào)試盧強(qiáng): 機(jī)械設(shè)計(jì)，加工及調(diào)試楊金釗：程序設(shè)計(jì)，加工及調(diào)試成亞能: 電路設(shè)計(jì)及調(diào)試一機(jī)械部分1 機(jī)器人總裝配圖 主視圖： 俯視圖： 側(cè)視圖：2. 機(jī)器人各零部件介紹2.1 三角鋼 我們機(jī)器人的構(gòu)架由三角剛來搭建，三角鋼較易購買，易打孔與其他構(gòu)件連接，而且性能穩(wěn)定。三角鋼：2.2 底框底座俯視圖：底座主視圖:上面是底座的俯視圖和主視圖，是50cm乘50cm的方形結(jié)構(gòu)，由三角鋼搭成。2.3 輪子 底座框架前面和后面的正中間有兩個從動輪（萬向輪），20mm的寬度，類似超市里的手推車的前輪，起到支撐和導(dǎo)向的作用。前后萬向輪： 左右兩側(cè)是兩個主動輪，用倆控制行走和轉(zhuǎn)向，每個輪子分別用一個電機(jī)控制。 左右主動輪：轉(zhuǎn)向輪和電機(jī)和底邊三角鋼：2.4 機(jī)器人直線行走及轉(zhuǎn)向問題 當(dāng)左右輪子轉(zhuǎn)速相等時，機(jī)器人走直線。在機(jī)器人轉(zhuǎn)彎的問題上，我們采用原地轉(zhuǎn)的方式，即機(jī)器人向左轉(zhuǎn)時，左側(cè)輪子反轉(zhuǎn)，右側(cè)輪子正轉(zhuǎn)，同理，機(jī)器人右轉(zhuǎn)時左輪正傳右輪反轉(zhuǎn)。用原地轉(zhuǎn)能很好地控制機(jī)器人的位置，不至于在轉(zhuǎn)彎過程中機(jī)器人因發(fā)生位移而使后面的運(yùn)動跑偏。底部是一塊鐵板，鋪在方形框架上，用來放電機(jī)等其他東西。底板：從底邊框架的立起四個三角鋼的豎直桿，用來支撐其他結(jié)構(gòu)。在桿的中部和頂部會搭建兩個平板，中部的平板用來放置傳送帶的電機(jī)和籃子，頂部的電機(jī)用來絲杠電腦及其它的一些東西。2.5 底座加桿底座加桿后視圖：支撐平板用的是與豎直絲杠焊接的三角鐵。2.6 三角鐵及固定三角鐵：三角鐵固定于三角鋼上：2.7 電機(jī)下面介紹一下電機(jī)和傳送帶分類裝置。電機(jī)簡介：電機(jī)固定板：我們的機(jī)器人總共需要五個電機(jī)，左右兩個輪子各一個，傳送帶兩側(cè)各一個，還有一個用來收放繩子。2.8 分類裝置介紹：我們用傳送帶的傳送來完成分類任務(wù)。傳送帶左側(cè)和右側(cè)各焊接一個矩形鐵框，框下吊著一個布袋子，布袋用來緩沖壓力，以免物品落下后摔碎。傳送帶電機(jī)的正傳和反轉(zhuǎn)由程序控制，電機(jī)帶動傳送帶向左或向右轉(zhuǎn)動，從而使放到傳送帶上的物品掉到左側(cè)（生活類）或右側(cè)（食品類）的籃子里，達(dá)到分類的目的。本來我們打算只用一個電動機(jī)，另一個帶輪用從動輪，但考慮到一個電機(jī)可能動力不足，最后決定兩側(cè)帶輪均由電機(jī)控制。傳送帶裝配圖：下面詳細(xì)介紹一下傳送帶這一部分用到的各個部件:傳送帶履帶:傳送帶帶輪：傳送帶履帶和帶輪：傳送帶固定1：傳送帶固定2：傳送帶裝配圖及固定：左右分類框及固定板：2.9 提籃裝置 下面介紹機(jī)器人完成導(dǎo)購任務(wù)后，最后一步走向收銀臺將貨物打包并提到收銀臺上的過程。 由于我們的傳送帶分類裝置已經(jīng)直接把兩類物品分別放到兩個購物袋里面，所以機(jī)器人下面只需將購物袋從籃子里面提出即圓滿完成了任務(wù)。 我們設(shè)計(jì)用一個絲杠來完成提袋的任務(wù)。購物袋放在籃子里，兩個袋口用一根線穿起來（不系)，與左右兩側(cè)連接的兩根線最后均通過一根總線與絲杠連接。 絲杠上面還有一節(jié)桿，桿端有一個定滑輪，總線通過定滑輪連接到下面的一個電機(jī)，通過電機(jī)的轉(zhuǎn)動來控制總線的收放，從而來完成購物袋提起和放下的任務(wù)。 絲杠水平放置,可以前后運(yùn)動。機(jī)器人到達(dá)收銀臺后，在完成提起購物袋的過程中，絲杠往前伸，同時，控制拉繩子的電機(jī)開始轉(zhuǎn)動，使繩子開始收縮。這兩個部分的綜合作用，能使購物袋同時提到收銀臺的上方，最后電機(jī)反轉(zhuǎn)，繩子伸長，購物袋放到桌面上，即圓滿完成任務(wù)！下面具體介紹一下提籃的裝置：2.9.1提籃工具總圖：2.9.2 絲杠和電機(jī)：2.9.3 混合步進(jìn)電機(jī)86BYGHS： 該電機(jī)放在絲杠的一端，電機(jī)轉(zhuǎn)動來控制絲杠的前伸和后縮，從而來完成提袋和放袋的過程。2.9.4 定滑輪： 我們需要兩個這樣的定滑輪，一個固定在絲杠的前端，另一個固定在框架的上平的下方?；喒潭?：滑輪固定2： 這個滑輪固定裝置相當(dāng)于一個軸承，把滑輪固定在滑輪固定1當(dāng)中。2.9.5 拉繩電機(jī)下面講一下轉(zhuǎn)動電機(jī)部分。拉繩轉(zhuǎn)軸：上面是拉繩轉(zhuǎn)軸，中間有一個洞，繩子從洞中穿過。該轉(zhuǎn)軸與電機(jī)相連，電機(jī)固定在中間的平板上。電機(jī)轉(zhuǎn)動時帶動拉繩轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，從而達(dá)到收縮繩子的目的。拉繩電機(jī)及固定：在機(jī)器人完成任務(wù)的過程中，需要電腦隨時控制，電腦放在框架中部的平板上。2.9.6 電腦：3：重要步驟介紹以上，我把機(jī)器人地卜師每個機(jī)械部分及其工作原理都做了詳細(xì)介紹，下面具體介紹一下機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)兩個重要步驟的動作。3.1 重要步驟一：物品分類 在分類過程中，人取物品后放在傳送帶上，機(jī)器人的程序控制傳送帶電機(jī)旋轉(zhuǎn)，物品即落入左邊或右邊的框中，完成分類任務(wù)。機(jī)器人在進(jìn)行物品分類：3.2重要步驟二：提袋過程在完成所有的導(dǎo)購任務(wù)后，機(jī)器人走到收銀臺前面，機(jī)器人轉(zhuǎn)向，正面面對收銀臺。然后開始完成提袋任務(wù)。購物袋很難用solidworks畫圖畫出來，就簡單地用一個立方體代替。在該過程中，固定在框架中部控制拉繩的電機(jī)開始轉(zhuǎn)動，繩子收縮，兩個購物袋同時從左右兩側(cè)的框中被提到半空中。機(jī)器人在提袋：3.3重要步驟三：放袋過程 最后，控制絲杠的電機(jī)轉(zhuǎn)動，絲杠前伸，同時控制拉繩的電機(jī)反轉(zhuǎn)，使繩子略微放長。兩個購物袋被放到收銀臺的上空。然后，控制拉升的電機(jī)繼續(xù)反轉(zhuǎn)，繩子伸長，購物袋被到收銀臺上，本次比賽任務(wù)圓滿完成！二程序部分： 程序的目的是讓機(jī)器人自主完成導(dǎo)購過程與跟隨過程，以及最后的分類與裝袋過程，現(xiàn)分不同的階段逐一討論： 1.導(dǎo)購階段 導(dǎo)購階段要求機(jī)器人自主尋找已經(jīng)設(shè)定好的商品位置，主動前往并且繞過路上的障礙（可能是繞過障礙，或者直接換路行走）。分析可知，該階段的重點(diǎn)是機(jī)器人自動生成最優(yōu)路徑，并且在最優(yōu)路徑檢測到障礙物之后，重新生成最優(yōu)路徑，并沿著新生成的路徑行走。 考慮到現(xiàn)行流行rpg游戲人物定位方法可以應(yīng)用到路徑自動生成中，我們預(yù)在游戲人物定位算法的基礎(chǔ)上編輯機(jī)器人自定位算法。游戲中人物當(dāng)前位置被記錄，如果鼠標(biāo)指向已經(jīng)儲存在電腦中的地圖某處，計(jì)算機(jī)就會自動生成最優(yōu)路徑并且命令人物沿著生成路徑行走。如果人物行走過程中遇到移動型障礙（我們稱之為卡位）一直擋在路徑前方，電腦就會隨時更新生成最優(yōu)路徑，繞開障礙達(dá)到目的地。在最優(yōu)路徑設(shè)計(jì)過程中，依靠先驗(yàn)地圖（可行路線與不可達(dá)位置）和后驗(yàn)勘測（發(fā)現(xiàn)障礙并生成新路徑）的算法可以應(yīng)用在機(jī)器人實(shí)踐中。這種算法被專業(yè)人士稱為A星算法。 A星算法簡介：首先將地圖分為不同的節(jié)點(diǎn)，儲存節(jié)點(diǎn)與相鄰節(jié)點(diǎn)的關(guān)系，將地圖中不可達(dá)的地方設(shè)置為死節(jié)點(diǎn)。其次，從起始點(diǎn)開始檢索相鄰活節(jié)點(diǎn)，并計(jì)算相鄰節(jié)點(diǎn)的G值與F值。如上圖所示，G值可以看做從綠色節(jié)點(diǎn)到周圍節(jié)點(diǎn)的距離，H值是可以看做相鄰節(jié)點(diǎn)到目的地紅色節(jié)點(diǎn)的距離。在計(jì)算G值時，正向相鄰記作10，斜向相鄰記作14（1.414倍），之所以不用小數(shù)是考慮到計(jì)算機(jī)執(zhí)行效率。而計(jì)算H值時采用簡單的曼哈頓算法（移動像過街道一樣只有橫向與縱向位移），每經(jīng)過一個格子加十，死節(jié)點(diǎn)也需計(jì)算進(jìn)入。這樣在上圖的節(jié)點(diǎn)中生成了F=G+H值（左上角F，左下角G，右下角H），選取F值最小的節(jié)點(diǎn)，重復(fù)檢索該節(jié)點(diǎn)的相鄰節(jié)點(diǎn)（父節(jié)點(diǎn)不予考慮以免重復(fù)檢索）。這樣重復(fù)下去就可以生成一條相對較短的路徑 如上圖所示就是A星算法生成最短路徑的過程。A星算法避免了深度優(yōu)先和廣度優(yōu)先算法的遍歷，也避免了狄杰斯特拉算法的繁瑣，用較簡單的方法找到了類優(yōu)路徑。 下面給出A星算法的偽代碼實(shí)現(xiàn)：heap.add(firstnode) /將開始節(jié)點(diǎn)加入堆,同時也是加入openlistdo fleast=heap.pop(); /從openlist取fcost最小的元素 current=fleast; /取出的元素作為當(dāng)前節(jié)點(diǎn) fleast.flag=1 /1:on close 0:not on open nor on close for(int i=current.x-1;icurrent.x+1;i+) /考察當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的所有相鄰節(jié)點(diǎn) for(int j=current.y-1;jcurrent.y+1;j+) if(mapij!=unwalkable|!onclose(node(i,j) /相鄰節(jié)點(diǎn)可通并且沒有考察過 if(!onopen(node(i,j) /相鄰節(jié)點(diǎn)不在openlist中 heap.add(node(i,j); /加入openlist node(i,j).parent=current; /設(shè)置相鄰節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)為當(dāng)前節(jié)點(diǎn) node(i,j).calculate(f,g,h); /重新計(jì)算fcost,gcost,hcost if(node(i,j)=dest) /如果加入的節(jié)點(diǎn)是目標(biāo)點(diǎn)則找到路徑 path=find; else temp.gcost=parent.gcost+addcost; /相鄰節(jié)點(diǎn)已經(jīng)在openlist中 node(i,j).hcost=10*(abs(i-parent.x)+abs(j-parent.y); node(i,j).fcost=node(i,j).gcost+node(i,j).hcost; if(tempgcostnode(i,j).gcost) node(i,j).parent=current; node(i,j).recaculate(f,g,h); /重新計(jì)算fcost,gcost,hcost while(!hp.isempty() /如果堆空則沒有找到路徑if(path=find)outpath; /輸出路徑elsecoutpath not find;!endl; A星算法應(yīng)用在本次機(jī)器人制作需要以下幾個工作： 1.1、地圖的劃分 A星算法需要知道地圖的分布，因此合理將場地劃分是執(zhí)行程序的第一步。考慮到現(xiàn)實(shí)情形，機(jī)器人有碰撞體積，并不能將場上所有的空地設(shè)置為活節(jié)點(diǎn)，可以設(shè)置機(jī)器人型心為質(zhì)點(diǎn)，考慮該型心所能到達(dá)的地方，如果機(jī)器人型心超出此范圍，則其邊界有可能碰到貨架或者場地邊界，地圖的分塊是建立在此范圍之內(nèi)，下圖顯示了計(jì)算過機(jī)器人大小的型心運(yùn)動區(qū)域分布圖，其中陰影部分就是機(jī)器人的型心可以到達(dá)的區(qū)域。 之后在這個區(qū)域上劃分小塊，考慮到機(jī)器人繞障礙的精度要求，我們將可行區(qū)域劃分為200X200MM的小區(qū)域，以區(qū)域中心作為節(jié)點(diǎn)所在位置，如下圖所示，所畫區(qū)域恰好分成諸多小塊1.2、節(jié)點(diǎn)的儲存為了避免不穩(wěn)定性，我們設(shè)定機(jī)器人只能沿節(jié)點(diǎn)橫向或縱向移動（G值不能為14），將每個節(jié)點(diǎn)與其鄰居節(jié)點(diǎn)用結(jié)構(gòu)體儲存，結(jié)構(gòu)體應(yīng)該包括節(jié)點(diǎn)編號，節(jié)點(diǎn)死活，節(jié)點(diǎn)鄰居指針，節(jié)點(diǎn)中心坐標(biāo)等元素。1.3節(jié)點(diǎn)的定標(biāo) 我們擬采用加速度計(jì)與陀螺儀判定機(jī)器人當(dāng)前位移與身姿（詳見電路部分）加速度的積分是速度，速度的積分是位移，只需知道水平面上的加速度，通過計(jì)算機(jī)的積分運(yùn)算可以得到位移數(shù)據(jù)，只要知道機(jī)器人的具體坐標(biāo)值，就可以判定機(jī)器人現(xiàn)在位置屬于哪個具體的節(jié)點(diǎn)。這對于繞障礙以及出現(xiàn)故障重新開始時重新定標(biāo)起到幫助作用。1.4、相鄰節(jié)點(diǎn)間的移動控制轉(zhuǎn)向的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)體具體包含的幾個變量如下：typedef struct float x; /該方塊的x坐標(biāo) float y; /該方塊的y坐標(biāo) float G; /該方塊的G值 float H; /該方塊的H值 rect R; /該方塊的右鄰方塊（right） rect L; /該方塊的左鄰方塊（left） rect T; /該方塊的上鄰方塊（top） rect D; /該方塊的下鄰方塊（down）int isLive; /該方塊的死活狀態(tài)Int N /該方塊的編號*rect;為了使機(jī)器人能夠判斷怎樣走到相鄰的方塊（如應(yīng)該先旋轉(zhuǎn)多少角度后再移動），則機(jī)器人必須先知道自己現(xiàn)在的朝向（朝向可以通過之前走過的路徑判斷，如果出現(xiàn)故障，可以采用電子羅盤輔助尋找朝向，具體見電路部分）為此，我們將四個方向標(biāo)記為不同的值以資區(qū)分，各個方向?qū)?yīng)的值如下圖：設(shè)機(jī)器人當(dāng)前朝向方向的值為direct，則機(jī)器人要走到R方塊（右鄰方塊），則需要順時針旋轉(zhuǎn)的角度為：angle= (direct%4-1)*（-90）%360；下面為各個值對應(yīng)的順時針旋轉(zhuǎn)角度：若direct=1,則angle=0*(-90)%360=0；若direct=2,則angle=1*(-90)%360=-90；若direct=3,則angle=2*(-90)%360=-180；若direct=4,則angle=(-1)*(-90)%360=90；同理可以得到要走到T方塊需要順時針旋轉(zhuǎn)的角度：angle= （(direct%4-1)*(-90) - 90）%360;同理可以得到要走到L方塊需要順時針旋轉(zhuǎn)的角度：angle= （(direct%4-1)*(-90) - 180)%360;同理可以得到要走到D方塊需要順時針旋轉(zhuǎn)的角度：angle= (direct%4-1)*(-90) + 90)%360;當(dāng)角度轉(zhuǎn)完后，再前行200mm即可到達(dá)下一節(jié)點(diǎn)這樣就可以從一個節(jié)點(diǎn)移動到它任意鄰居節(jié)點(diǎn)。1.5、卡位節(jié)點(diǎn)的刪除 如果機(jī)器人在行進(jìn)過程中偶遇障礙物，需要將障礙物所在處的節(jié)點(diǎn)刪除并重新生成最優(yōu)路徑（繞障礙或者換路）。首先發(fā)現(xiàn)障礙并且確定障礙位置和障礙所在節(jié)點(diǎn)（發(fā)現(xiàn)障礙的算法見程序部分的識別板塊），之后并不能簡單刪除該節(jié)點(diǎn)，如果只刪除單一節(jié)點(diǎn)有時并不能生成符合實(shí)際的最優(yōu)路徑。如圖，假設(shè)機(jī)器人處于藍(lán)色方塊的位置檢測到障礙物的存在，如果僅刪除一個節(jié)點(diǎn)，其余節(jié)點(diǎn)仍然可以行走，則機(jī)器人可能走到如圖所示位置，會碰到障礙 因此為了保證行走的可行性與避障不碰障礙的要求，我們采用以下方法：首先檢測到障礙中心所在節(jié)點(diǎn)，其次刪除其所有相鄰節(jié)點(diǎn)，刪除相鄰節(jié)點(diǎn)時檢測相鄰節(jié)點(diǎn)的相鄰節(jié)點(diǎn)（鄰居的鄰居），如果鄰居鄰居節(jié)點(diǎn)中心到障礙中心的橫坐標(biāo)（或縱坐標(biāo)）之差的絕對值小于400mm，就將該節(jié)點(diǎn)刪除，否則不刪除。改進(jìn)以后的刪除方式見下圖 這樣機(jī)器人若想到對面去只有一條路可以選擇就是繞道（我們設(shè)定機(jī)器人轉(zhuǎn)向只能原地旋轉(zhuǎn)再前行）。經(jīng)多次測試，這種方法可以保證準(zhǔn)確刪除障礙節(jié)點(diǎn)，并完成繞路算法。如果路被堵死的情況：機(jī)器人前行檢測到障礙并刪除節(jié)點(diǎn)機(jī)器人重新生成最優(yōu)路徑并轉(zhuǎn)向。3. 商品的定位商品的位置可以對應(yīng)到相應(yīng)最近的節(jié)點(diǎn)上，由于我們分塊的時候已經(jīng)照顧到商品的位置，故只需將機(jī)器人目的地設(shè)置在商品旁邊的位置，這樣也方便機(jī)器人接近貨架200mm以內(nèi)如圖綠色框圖所在節(jié)點(diǎn)就是商品所在的節(jié)點(diǎn)，可以將商品編號與節(jié)點(diǎn)進(jìn)行一一映射，從而讓機(jī)器人方便的找到目的地。 綜上，我們可以對基于A星算法的導(dǎo)購過程進(jìn)行一個概述：1、開始時機(jī)器人受到指令，了解商品節(jié)點(diǎn)位置2、機(jī)器人生成最優(yōu)路徑并按照路徑行走3、機(jī)器人發(fā)現(xiàn)障礙，將障礙位置節(jié)點(diǎn)刪除，重新生成最優(yōu)路徑，再次遇到障礙之后重復(fù)刪除步驟和最優(yōu)路徑生成步驟5、報價，導(dǎo)購階段結(jié)束4、機(jī)器人到達(dá)商品位置，移動到與商品間距不超過200mm處，重復(fù)2過程尋找下一物品2、跟隨部分：跟隨部分不再需要機(jī)器人自己尋找最優(yōu)路徑，而是只要跟著人走就可以了，因此也就不再需要使用劃分的方塊，考慮到前后的一致性，機(jī)器人按照如下圖的路徑行走比較合適（與導(dǎo)購階段的路徑相比只是將方塊去掉了）：跟隨階段有幾個主要的問題需要解決：2.1.識別人和障礙。識別需要攝像頭。但由于導(dǎo)購階段人跟隨在機(jī)器人后方，因此機(jī)器人只需要通過超聲波傳感器測出與人之間的距離，就可以通過調(diào)整自己的速度來達(dá)到距離上的要求，這樣來看機(jī)器人后方并沒有安裝攝像頭的必要。而跟隨階段機(jī)器人需要跟隨著人行走，并且還有可能遇到障礙，因此機(jī)器人前方一定至少有一個攝像頭，以識別人和障礙。2.2.測量與人之間的距離以及與障礙之間的距離。機(jī)器人通過超聲波傳感器測量與人之間的距離。但是由于超聲波傳感器基本上只能測量與它正對的物體的距離，而機(jī)器人需要測量的人的位置不是固定的，因此在機(jī)器人上安裝多個超聲波傳感器是必要的；由于測量與障礙之間的距離是非常重要的（這涉及到導(dǎo)購階段的挖掉死方塊），為了保證盡可能準(zhǔn)確地測出機(jī)器人與障礙之間的距離，我們通過雙目識別來測量，這需要機(jī)器人前方有兩個攝像頭。這些裝置我們認(rèn)為按下圖（俯視圖）放置比較合適。其中前方的兩個攝像頭的高度在500mm(障礙的高度)以下，通過雙目識別技術(shù)，這兩個攝像頭可以比較有效精準(zhǔn)地識別圓柱體障礙物到機(jī)器人的距離。由于人的中心位置不好測定，因此我們不打算也用雙目識別來測量機(jī)器人與人之間的距離，而是通過超聲波傳感器直接測量。由于測量人的上半身的距離比較容易，因此前后的超聲波傳感器都放置在機(jī)器人的頂部，這樣可以達(dá)到人的腰部的高度；由于安裝在機(jī)器人前面（后面）的超聲波傳感器之間的距離為200mm，超聲波傳感器與機(jī)器人邊緣的距離為150mm，而人的腰部寬度一般大于200mm，因此可以保證在跟隨過程中只要人大致在機(jī)器人前方時，就能保證至少有一個超聲波傳感器是正對著前方的人的，如下圖所示：在導(dǎo)購和跟隨過程中，只要人的中心位置在上圖所示兩條綠色虛線范圍之內(nèi)，機(jī)器人就能比較準(zhǔn)確地測定與人之間的距離。由于超聲波傳感器有一定的發(fā)射角（約15），因此圖中所示范圍與實(shí)際相比還要略小一些。跟隨階段的大致流程圖如下：跟隨階段開始機(jī)器人跟隨人走，并保持與人之間的距離為400500mm人轉(zhuǎn)彎時機(jī)器人記下最后一次測出的人的位置，并在最接近此位置的路徑上轉(zhuǎn)彎機(jī)器人識別出人到達(dá)貨架旁停下，機(jī)器人到達(dá)商品旁邊停下等待人取放商品人取下商品交與機(jī)器人并通過機(jī)器人獲取價格人向下一個商品的位置出發(fā)人取完商品后向收銀臺出發(fā)機(jī)器人跟隨人到達(dá)收銀臺區(qū)，并停在指定的位置跟隨階段結(jié)束分類裝袋與報價過程 由于已知商品分為食品類與生活類兩種，機(jī)器人需要準(zhǔn)確區(qū)分兩種商品，并自主將其分類在不同的位置。我們的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)留出了這種裝置。簡單而言，通過已經(jīng)儲存在電腦中的商品位置來判斷商品種類，通過帶輪正反轉(zhuǎn)來將放置在平臺的商品轉(zhuǎn)送到不同的袋子中。 導(dǎo)購階段商品的位置是提前輸入給電腦，而跟隨階段的商品由攝像機(jī)識別條形碼，由電腦將條形碼信息與商品信息對應(yīng)并順利完成計(jì)算與報價、分類等過程。下簡單介紹條形碼的實(shí)現(xiàn)。 在跟隨過程中，商品的識別我們決定采用條形碼識別的方案，現(xiàn)今的商品上都貼有條形碼標(biāo)識，很容易通過商品上的條形碼來判別商品的各項(xiàng)信息（類別，價格等）。條形碼(barcode)是將寬度不等的多個黑條和空白，按照一定的編碼規(guī)則排列，用以表達(dá)一組信息的圖形標(biāo)識符。常見的條形碼是由反射率相差很大的黑條（簡稱條）和白條（簡稱空）排成的平行線圖案。條形碼的掃描需要掃描器，掃描器利用自身光源照射條形碼，再利用光電轉(zhuǎn)換器接受反射的光線，將反射光線的明暗轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。不論是采取何種規(guī)則印制的條形碼，都由靜區(qū)、起始字符、數(shù)據(jù)字符與終止字符組成。有些條碼在數(shù)據(jù)字符與終止字符之間還有校驗(yàn)字符。關(guān)于識別的部分，我們可以采用攝像頭的拍照傳輸給計(jì)算機(jī)，然后通過特定的識別軟件將分析得出的結(jié)果傳給單片機(jī)，從而達(dá)到機(jī)器人識別商品的目的。相對于手動輸入，條形碼識別主要有以下幾點(diǎn)好處：1輸入速度快：與鍵盤輸入相比，條形碼輸入的速度是鍵盤輸入的5倍，并且能實(shí)現(xiàn)“即時數(shù)據(jù)輸入”。2可靠性高：鍵盤 輸入數(shù)據(jù)出錯率為三百分之一，利用光學(xué)字符識別技術(shù)出錯率 為萬分之一，而采用條形碼技術(shù)誤碼率低于百萬分之一。 機(jī)器人需要實(shí)現(xiàn)的另一項(xiàng)任務(wù)是計(jì)算總價并報價，我們計(jì)劃用擴(kuò)音器讓機(jī)器人發(fā)聲，機(jī)器人將每件已購產(chǎn)品儲存并計(jì)算出總價值并通過電腦傳輸指令播放音頻，通過擴(kuò)音器發(fā)出聲音。該過程用簡圖表示如下語音播報當(dāng)前商品名稱，現(xiàn)有商品總價，并由機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行分類獲取商品（導(dǎo)購階段直接了解商品信息）條形碼識別商品（導(dǎo)購階段記錄所選商品）3.基于雙目視覺的障礙識別系統(tǒng) 由之前的循跡算法可知，定位繞路等算法的核心在于如何準(zhǔn)確識別障礙物所在的節(jié)點(diǎn)，我們考慮使用計(jì)算機(jī)視覺中的雙目視覺來實(shí)現(xiàn)對障礙物的識別。 雙目立體視覺，即由不同位置的兩臺或者一臺攝像機(jī)(CCD)經(jīng)過移動或旋轉(zhuǎn)拍攝同一幅場景，通過計(jì)算空間點(diǎn)在兩幅圖像中的視差，獲得該點(diǎn)的三維坐標(biāo)值。 當(dāng)一個攝像機(jī)拍攝圖像時，由于圖像中的像素點(diǎn)坐標(biāo)相對于真實(shí)的世界坐標(biāo)并不是唯一的，這就造成深度信息的丟失。然而用兩個攝像機(jī)同時拍攝圖像時，可以獲取同一場景的兩幅不同的圖像，通過三角測量原理計(jì)算圖像像素間的位置偏差，復(fù)原三維世界坐標(biāo)中的深度信息。融合兩只眼睛獲得的圖像并觀察它們之間的差別，使我們可以獲得明顯的深度感，建立特征間的對應(yīng)關(guān)系，將同一空間物理點(diǎn)在不同圖像中的映像點(diǎn)對應(yīng)起來，這個差別，我們稱作視差(Disparity)圖像，如圖。 以下對雙目視覺原理進(jìn)行簡單闡述：立體視覺系統(tǒng)由左右兩部攝像機(jī)組成。如圖所示，圖中分別以下標(biāo)l和r標(biāo)注左、右攝像機(jī)的相應(yīng)參數(shù)。世界空間中一點(diǎn)A(X，Y，Z)在左右攝像機(jī)的成像面Cl和Cr上的像點(diǎn)分別為al(ul，vl)和ar(ur，vr)。這兩個像點(diǎn)是世界空間中同一個對象點(diǎn)A的像，稱為“共軛點(diǎn)”。知道了這兩個共軛像點(diǎn)，分別作它們與各自相機(jī)的光心Ol和Or的連線，即投影線alOl和arOr，它們的交點(diǎn)即為世界空間中的對象點(diǎn)A(X，Y，Z)。這就是立體視覺的基本原理。在平行光軸的立體視覺系統(tǒng)中，左右兩臺攝像機(jī)的焦距及其它內(nèi)部參數(shù)均相等，光軸與攝像機(jī)的成像平面垂直，兩臺攝像機(jī)的x軸重合，y軸相互平行，因此將左攝像機(jī)沿著其x軸方向平移一段距離b（稱為基線baseline）后與右攝像機(jī)重合。由空間點(diǎn)A及左右兩攝像機(jī)的光心Ol、Or確定的極平面（Epipolar plane）分別與左右成像平面Cl、Cr的交線pl、pr為共軛極線對，它們分別與各自成像平面的坐標(biāo)軸ul、ur平行且共線。在這種理想的結(jié)構(gòu)形式中，左右攝像機(jī)配置的幾何關(guān)系最為簡單，極線已具有很好的性質(zhì)，為尋找對象點(diǎn)A在左右成像平面上的投影點(diǎn)al和ar之間的匹配關(guān)系提供了非常便利的條件。 將上述原理應(yīng)用于計(jì)算機(jī)識別還需要進(jìn)行特征點(diǎn)匹配，特征點(diǎn)匹配分為稀疏點(diǎn)匹配和密集點(diǎn)匹配，由于本次任務(wù)對識別對象形狀要求并不高(紅色圓柱體)，并且只需要定出圓柱體型心所在的坐標(biāo)值，故只需采用基于窗口的稀疏點(diǎn)匹配。下面將結(jié)合圓柱實(shí)物簡單介紹特征匹配的方法并定出型心。實(shí)驗(yàn)所用的圓柱對上述識別圖像進(jìn)行輪廓提取由于圖形輪廓具有很好的連續(xù)性，在一些弱角點(diǎn)的地方無法提取到角點(diǎn)卻可以提取到輪闊點(diǎn)。 提取到特征點(diǎn)以后，以左攝像機(jī)的圖像為參考對象，對右圖進(jìn)行匹配，用極點(diǎn)坐標(biāo)法中的向量夾角匹配的方法計(jì)算兩圖同一行特征點(diǎn)的cos值，將取值最大且大于0.9的特征點(diǎn)作為對應(yīng)匹配點(diǎn)，兩個點(diǎn)x坐標(biāo)差值為視差值，視差越大則三維點(diǎn)離攝像機(jī)距離越近，反之越遠(yuǎn)。上式中的最大視差，最小視差，則視差圖中的灰度值就可以幫助計(jì)算出視點(diǎn)離攝像頭的距離。 在獲取多個視點(diǎn)之后，就是圓柱型心的判定。 上面通過灰度值算出了圓柱邊緣到攝像機(jī)的距離，為了簡化起見，我們現(xiàn)將機(jī)器人視為質(zhì)點(diǎn)，計(jì)算出圓柱的位置，如下圖：設(shè)測出的機(jī)器人到圓柱邊緣的距離為d1，圓柱半徑為r（已知量），設(shè)圓心到攝像機(jī)的距離為x，則由勾股定理容易得到： x2 = (d12-r2), 又因?yàn)閔為已知量，則圓心到攝像機(jī)的水平距離s = x2+h2 = (d12+h2-r2)0.5，攝像機(jī)的位置是已知的，則圓柱圓心的坐標(biāo)也就很容易得到，為（x攝-s , y攝+h）。三電路部分1.電路總體框圖：攝像頭傳（加速度傳感器）感（超聲波傳感器）器（電子羅盤）外圍電 路單片機(jī)機(jī)械臂系統(tǒng)傳送帶系統(tǒng)移動系統(tǒng)功 能實(shí) 現(xiàn)計(jì)算機(jī)2.電源電路：鑒于這次的機(jī)械部分較為復(fù)雜，簡化后可以將電源分為三部分。其一，是為傳感器，單片機(jī)這類低功耗器件提供電力的電源；其二，是為機(jī)器人下部的移動部分以及機(jī)械臂牽引繩子的部分提供電力的電源；其三，是在機(jī)器人上部平臺處提供機(jī)械臂絲杠部分以及傳送帶部分電力的電源。這三處電源我們決定采用一個三端子穩(wěn)壓器變壓來給低功耗器件提供電力，其余電機(jī)的可以使用兩個電池分別在機(jī)器人的上，下方供電。正電壓輸出的78系列的三端穩(wěn)壓集成電路輸出的電壓范圍是5V24V，可以在選購時挑選出符合需求的規(guī)格下圖為TO-200封裝的78系列恒壓電路芯片從左至右三個針腳依次對應(yīng)INPUT，COMMON以及OUTPUT下圖為下位7805（輸出電壓為5V）原理圖：3.控制電路：由于傳感器的數(shù)目和種類較多，運(yùn)算較為復(fù)雜，所以我們決定采用計(jì)算機(jī)與單片機(jī)聯(lián)合控制的方法。 計(jì)算機(jī)方面，我們將把諸多傳感器（超聲波，加速度等）所得到的信息傳遞給計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)程序得出最優(yōu)算法，并傳遞給單片機(jī)。具體的算法實(shí)現(xiàn)過程見程序部分。 單片機(jī)方面，根據(jù)往年的經(jīng)驗(yàn)及性價比，可以采用基于增強(qiáng)的AVR RISC 結(jié)構(gòu)的ATmega 16單片機(jī)。下圖為ATmega 16單片機(jī)的引腳圖：相對于其他的單片機(jī)，ATmega16具有高性能，低功耗的特點(diǎn)。它具有先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，以及非易失的程序和數(shù)據(jù)存儲器。它的內(nèi)核具有豐富的指令集以及32個通用工作寄存器，工作于16MHz時，性能高達(dá)16MPS，大大提高了代碼效率。同時它具有32個可編程的I/O口，完全可以滿足本次機(jī)器人的設(shè)計(jì)需求。4.移動系統(tǒng)：由于機(jī)器人的行進(jìn)過程較為復(fù)雜，轉(zhuǎn)向和定位需要精確，所以應(yīng)當(dāng)采用直流伺服電機(jī)，并相應(yīng)的要求電機(jī)的功率放大器具有良好的電壓調(diào)節(jié)特性?，F(xiàn)在最常用的功率放大器為橋式PWM功放電路，及H型功放電路。下圖為雙極性橋式PWM晶體管放大器的結(jié)構(gòu)圖：由左圖可以看出，H型結(jié)構(gòu)的晶體管按Q1、Q4，Q2、Q3配對工作。Q1、Q4導(dǎo)通則Q2、Q3截止，反之Q2、Q3導(dǎo)通則Q1、Q4截止。實(shí)際工作時，要靠在晶體管上施加不同的占空比的脈沖信號來控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。顯然兩路不能同時導(dǎo)通，故若Q1、Q4的導(dǎo)通時間比Q2、Q3長，則電機(jī)正傳，反之則電機(jī)反轉(zhuǎn)，導(dǎo)通時間相等則電機(jī)停止不動，從而實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的控制。而市場上最常見的基于H型功放電路的驅(qū)動芯片就是L298N驅(qū)動芯片了。L298N內(nèi)含兩個H橋的高電壓大電流雙橋式驅(qū)動器，可以驅(qū)動46V、2A以下的電機(jī)。下圖為采用15腳Multiwatt封裝的L298N的管腳示意圖：其中，2、3腳，13、14腳可分別輸出控制兩個直流電機(jī)，5、7腳，10、12腳可由單片機(jī)向驅(qū)動芯片輸入控制信號，從而對兩個電機(jī)進(jìn)行控制。下圖為其使能、輸入引腳、輸出引腳的邏輯關(guān)系。5.機(jī)械臂部分 由于絲桿部分需要完成推進(jìn)的任務(wù)，需要很高的精度，并且不需要很高的速度，所以采用混合式步進(jìn)電機(jī)來作為絲桿滑臺移動的動力。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的速度和位移大小，可由電氣控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖數(shù)加以控制。由于步進(jìn)電機(jī)的位移量與脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比，故步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動可以達(dá)到較高的重復(fù)定位精度。由于步進(jìn)電機(jī)的步距或轉(zhuǎn)速不受電壓波動和負(fù)載變化的影響，不受環(huán)境（溫度、壓力等）的限制，僅與脈沖頻率同步，能按控制脈沖的要求立即啟動、停止、翻轉(zhuǎn)或改變轉(zhuǎn)速，它每一轉(zhuǎn)都有固定的步數(shù)，在不丟步的情況下運(yùn)行時，步距誤差不會長期積累，所以十分適合完成寫字這種精度較高的工作。下圖為混合式步進(jìn)電動機(jī)剖面圖： 在考慮承重的條件下，我們選用57BYGH56型電機(jī)，它可以提供一個較為合適的移動速度。下圖為57BYGH56型電機(jī)及其參數(shù)：機(jī)身長 56 mm重量 0.7 kg轉(zhuǎn)動慣量 300 g.cm2靜扭矩 12.6 kg.cm相電流 2.8 A步距腳 1.8。6.傳感器電路6.1超聲波傳感器機(jī)器人在行進(jìn)過程中需要識別障礙物以及人的位置與自身的距離，所以需要超聲波傳感器來測距。下圖為超聲波傳感器實(shí)物圖：超聲波感應(yīng)器的原理比較簡單，向傳感器輸入至少10us的高電平信號，模塊會自動發(fā)送8個40kHz的方波，自動檢測是否有信號返回，若有信號返回，通過I/O輸出一高電信號，高電平信號持續(xù)時間及時超聲波從發(fā)射到返回的時間，這樣就可以得出測試距離S