四足载物箱的设计与实现-软件设计.docx
《四足载物箱的设计与实现-软件设计.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《四足载物箱的设计与实现-软件设计.docx(47页珍藏版)》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、四足载物箱的设计与实现-软件设计学 院:专 业:姓 名:指导老师:工业自动化学院机械电子工程吴吉烘学 号:职 称:160404102634宫赟讲师中国珠海二二年四月北京理工大学珠海学院2020届本科生毕业设计诚信承诺书本人郑重承诺:本人承诺呈交的毕业设计四足载物箱的设计与实现-软件设计是在指导教师的指导下,独立开展研究取得的成果,文中引用他人的观点和材料,均在文后按顺序列出其参考文献,设计使用的数据真实可靠。本人签名: 日期: 年 月 日四足载物箱的设计与实现-软件设计摘 要在当今社会上,运输机器大都是轮式或者履带式的机器,虽然它们在人类生活地区广泛应用,但是在人类生活地区内,还存在着崎岖不平
2、或者坑坑洼洼的地形,轮式或者履带式的机器难以在如此地形上行走搬运物资,故而需要一类可适用于该地形的机器来代替这类运输机器运输物品。经过大自然的物竞天择法则,哺乳动物在各种地形上具有非常强大的适应性和机动性,而足式机器人是模仿哺乳动物的机器人,在人类生活地区中,它可以很好地进行行走和跑动,非常适合成为人类生活中另一种搬运的机器人。四足机器人在足式机器人中最具代表性,是移动机器人研究的热点,虽然它并没有广泛出现在人们眼前,但它在社会中具有非常巨大的实用性。在此次研究中,主要研究一款可成为人类生活中便捷的搬运四足机器人,此机器要求具备有一些基础功能分别是行走功能,跟踪功能,避障功能和防走失功能,使其
3、能在复杂的地形上进行物体跟踪,实现物资运输功能。关键词:四足机器人,行走功能,跟踪功能,避障功能,防走失功能,物资运输Design and implementation of quadruped load box software designAbstractIn todays society, most of the transportation machines are wheel type or track type machines. Although they are widely used in human living areas, there are still rugged
4、or potholed terrain in human living areas. It is difficult for wheel type or track type machines to move materials on such terrain, so a kind of machine suitable for the terrain is needed to replace this kind of machine Transport machines transport goods. Through the natural law of natural selection
5、, mammals have a very strong adaptability and mobility in various terrain, while the foot robot is a robot that imitates mammals. In the human life area, it can walk and run well, and it is very suitable to become another kind of carrying robot in human life. Quadruped robot is the most representati
6、ve of the foot robot, and it is the hot spot of mobile robot research. Although it does not widely appear in front of people, it has great practicability in the society. In this study, we mainly study a quadruped robot that can be used in human life. This machine requires some basic functions, such
7、as walking function, tracking function, obstacle avoidance function and loss prevention function, so that it can track objects on complex terrain and realize material transportation function.Key words: Quadruped robot, walking function, tracking function, obstacle avoidance function, loss prevention
8、 function, material transportation目录1. 引言11.1. 研究背景及意义11.2. 研究内容及目标11.3. 国内外发展现状11.4. 四足机器人发展趋势22.四足机器人软件设计方案32.1. 树莓派32.2. python语言33、元器件分析43.1. 舵机43.2. 超声波43.3. 蜂鸣器43.4. 摄像头54、功能设计64.1.行走功能64.1.1. 舵机控制64.1.2. 步态84.2. 避障功能94.3. 防走失功能114.4. 跟踪功能124.4.1. 颜色识别124.4.2. 图像处理144.4.3. 获取轮廓154.4.4. 跟踪算法PID
9、165. 结论18参考文献19谢 辞20附 录211. 引言1.1. 研究背景及意义在这个信息大爆炸时代,人工智能的发展以非常迅速的速度向人类生活蔓延,在各处行业中都能够看到人工智能机器的身影。在其中最具代表性的是机器人,其模仿人类或者动物的行为举止,代替人类或者动物服务于人类,如端茶送水的餐厅服务员机器人,工厂里分类物资的小型机器人,打扫卫生的扫地机器人和服务大厅答疑机器人,这些形形色色的机器人被人为做出专注于做某一件事,代替人类成为此事件的负责人,本文研究的四足载物箱也是有此意思。人们在外出旅行或者逛街都喜欢简洁的出门,身上不愿带有众多物品,但当购物的时候人们身上难免需要承担物品,加重了自
10、身重量,行走困难,不一会儿就会身体疲惫,若是有一款机器代为承重,则免去了这些麻烦,故本文设计的四足载物箱的作用就是适用于人们外出旅行或者逛街,它的功能是成为主人随身的物资搬运工。当主人购买或者搬运东西时,主人可以将物资放于四足载物箱中,让机器人成为搬运工具,解放主人的双手,使得主人在做事情能够更为便捷,行走更为自如。类似的机器人还有很多,它们加入到人类生活中,方便了人类生活,解放了人类劳动力,促进了人类文明的进步,让人们有更多时间去做更有意义的事情。1.2. 研究内容及目标本文研究目标是通过软件编写程序实现四足载物箱的功能。研究内容:行走功能:使用8个LX824串行总线舵机模拟正常动物行走的关
11、节,按照walk步态行走;避障功能:使用超声波进行避障;防走失功能:使用蜂鸣器报警;跟踪功能:使用摄像头识别并进行跟踪。1.3. 国内外发展现状 从20世纪60年代起,McGhee研制出第一台四足机器人,四足机器人开始问世。此后经过许多年的发展,四足机器人的驱动方式达到了三种,分别是气压驱动、液压驱动和电机驱动。气压驱动由于非线性特性难以控制;液压驱动能够提供较强劲的动力而得到广泛应用;电机驱动控制精度高,噪声低,负载小,是人们较为喜欢,也是较为常用的驱动方式。此外,四足机器人的步态从单一状态发展到现在多种步态转换,有trot步态(对角小跑), bound步态(跳跃),pace步态(踱步),w
12、alk步态(行走)等步态。四足机器人的模式也从一开始满足行走的愿望,到现在的负载型四足机器人、速度型四足机器人和平稳型四足机器人。现在,在国外最为出名的是美国波士顿公司推出的Spot Mini四足机器人,该机器人重量轻并且完全采用电机驱动方式,噪声低,运动上也更加灵活,在其上还可搭载机械臂,完成抓取,递放等一系列手臂行为。在国内四足机器人发展比较晚,是从20世纪90年代起,但国家综合实力发展迅速,四足机器人也做出了许多成就,就最近2018年,云深处科技公司推出四足机器人“绝影”超过国外众多四足机器人,重亮上达70kg,可负载20kg,不仅能够在恶劣的环境稳定地行走,更能失去平衡之后迅速调整过来
13、,其移动速度最高达到为6km/h,续航2小时。1.4. 四足机器人发展趋势从国内外四足机器人发展现状来看,我认为未来四足机器人的发展趋势主要有以下几方面:一、移动速度方面在速度上,轮式机器人远远超过足式机器人,足式机器人速度还是具有较大的发展潜力。二、负载能力方面负载是输运物资的重要参数,负载多少影响运输的效率。通过结构设计的改变和功率的提升,可以进一步提升负载能力。三、环境适应能力目前的四足机器人已经具有较强的环境适应能力,但在一些特殊的地方还是需要设计更专业的四足机器人四、续航能力高速度,高负载,高功率带来的是续航能力的低,故而还需降低能量的消耗五、驱动方式目前的驱动方式各有各的优点和缺点
14、,想要将各种能力齐于一身,需要新的驱动方式2.四足机器人软件设计方案2.1. 树莓派树莓派类似于一个小型的电脑系统,具有非常强大的功能,能够如同电脑播放视频,听歌,玩游戏等功能,同时具备许多外接端口,能接网线,连接键盘、鼠标和显示器等输入输出设备,许多功能的实现也都不需要格外设计硬件电路,只需一个简单的拓展版,就可以实现,而且其操作简单,编程容易,支持众多语言,其中以python为编程语言,具备了电脑几乎所有的基本功能。树莓派内部包含众多器件,硬件系统稳定,其作为产品测试或者模型机,可节约时间成本,减少各种风险。软件上的编程只需在树莓派系统上编写,烧录快速,反应灵敏。2.2. python语言
15、软件编程中语言有许多种,如C语言,C+语言,python语言,Java语言等,在本次研究中,语言选择python语言进行编程。选择python语言作为本次研究中的语言,主要有以下几点:1、树莓派主支持python语言;2、Python语言是一款面向对象的语言,它将对象进行封装,把对象的各种属性包装成一个数据库,调用简洁明了;3、Python语言应用方向主要是网络爬虫和人工智能;4、Python语言内置函数,可外载模块,许多复杂的函数不需要写,直接调用;5、Python语言不需要声明变量类型;6、python编写程序简单,不像其他语言代码冗杂,一行代码抵数行代码;7、Python语言测试过程发生
16、错误,易查找问题;综合以上原因,我决定使用python进行编程,虽然python执行效率不如C语言(C语言是底层语言,编译出来的程序是机器直接执行的代码),但在程序编写上简单,方便,代码少,测试易,特别在应用上,python更适合四足机器人的编程,所以在这里我选用了python进行编程。3.元器件分析3.1. 舵机舵机的种类繁多,不同的舵机适用的环境不同,如果只是单纯测试与玩耍,倒可以选择便宜的舵机,力矩小,转动角度范围小,材料刚度低的舵机,但本文中,舵机要求适用于四足机器人,充当四足机器人的腿部,则需要选择精度高,力矩大,转动角度范围如同动物一般的舵机,经过仔细筛选,选择LX-824型号的舵
17、机,该舵机为当今较为出名的幻尔机器人公司经常使用的舵机,具有精度高,转动速度快,扭矩大,续航能力强等特点,主要适用于仿生机器人关节,而且该舵机是串行总线舵机,可以与其他舵机串联,以一组IO口调用多个舵机,接线精简,故障排查简便。该舵机参数如表3.1,频率50HZ,周期为1/f=20ms,高电平范围是0.5ms-2.5ms,活动角度范围从0-180,舵机线与一般舵机一样有三条,分别是VCC,GND和控制线,控制线可用于传输角度控制信号。表3.1舵机参数频率周期脉宽范围中立区活动角度范围50HZ20ms500us-2500us1500us0-180舵机的工作原理是接受来自外界的PWM脉冲信号,控制
18、电机转动,从而带动齿轮组的转动,当传至输出舵盘时,带动位置反馈电位计,使其反馈信号到控制电路板上,然后控制电机转动的速度和时间。3.2. 超声波超声波频率高,超出人耳的听力频率(20Hz-2KHz),不会对人体造成损坏,也不会干扰人们生活,而且方向性好,能够在遇到障碍物后反射回来,给传感器传递信号。使用超声波传感器进行避障也是传统方式,它工作原理是发射端发出超声波信号,接收端接收超声波信号,根据发射时间和接收时间的时间差,使用超声波在空气的传播速度340m/s计算超声波传感器与障碍物的距离。3.3. 蜂鸣器蜂鸣器工作原理其实很简单,当外界给予蜂鸣器一个电位信号,使得蜂鸣器产生电平的翻转,蜂鸣器
19、就会产生声音。声音的产生主要是内部的振荡器振动的结果。按结构分类,蜂鸣器主要有两种,一是电压式蜂鸣器,二是电磁式蜂鸣器。这两者的区别在于一个是以电压方式使蜂鸣器振荡器振动,另一个是以磁场方式使蜂鸣器振荡器振动;按信号分类,有无源蜂鸣器和有源蜂鸣器,这两者的区别是一个可以通过调整频率控制发出的声音,另一个是只有固定的频率,声音也只有一种;按驱动方式分类,有PWM 驱动方式和GPIO口控制驱动方式,就如同信号分类一般,PWM驱动方式就是输出固定的信号驱动蜂鸣器,GPIO口控制驱动方式可以自己调整频率,控制占空比,输出想要的声音,如音乐,报警声之类。在本文中为了方便,简洁代码,使用的蜂鸣器是有源电压
20、式蜂鸣器,用PWM驱动方式,进行声音报警。3.4. 摄像头摄像头的工作原理如图3.1.景物通过镜头传到图像传感器,转为电信号,经过A/D转换变为数字图像信号,再经过数字信号处理芯片处理,通过USB传送到电脑。图3.1 摄像头工作原理图摄像头控制原理主要是由OpenCV计算机视觉库控制。OpenCV支持python语言,内含有图像处理和计算机视觉方面的很多通用算法,可在多个系统中运行。4、功能设计4.1. 行走功能小型的四足机器人的行走关节大多数都是使用舵机进行控制,在本文研究中也是使用舵机进行控制。4.1.1. 舵机控制脉宽ms角度占空比%0.502.51.04551.5907.52.0135
21、102.518012.5表4.1脉宽、角度和占空比对应关系表4.1是舵机脉宽、角度与占空比的关系,从0.5ms-2.5ms的脉宽范围中进行角度控制。可通过ChangeDutyCycle()函数(占空比函数)使得舵机可以“缓慢的”接近最终的角度。占空比计算公式:2.5+r/360*20,r为转动角度。根据公式可以通过想要的转动角度计算出占空比,带入ChangeDutyCycle()函数控制舵机。舵机控制程序编写流程图:转动角度改变占空比设置舵机参数导入模块图4.1程序流程图程序代码:此程序简单地控制了舵机做出相应的角度转动,导入了RPI.GPIO模块,time模块,设置了舵机基本参数,使用ran
22、ge函数改变了占空比的数据,控制舵机来回转动。舵机完成控制后,可对四足载物箱的行走功能进行操作。四足机器人的行走模式是模仿动物的行为,8个舵机对应四足的两处关节,通过控制两处关节的舵机模仿出各种步态,不同的步态有不同的效果,有快速,有平衡还有跳跃等模式。4.1.2. 步态表4.2步态常用术语支撑相腿着地状态摆动相腿悬空状态步行周期T四足机器人完成步态循坏占空比b一个步行周期内,每条腿处于支撑相的时间的比值稳定裕度四足机器人重心垂直投影点到支撑区域边界的最短距离表4.3占空比对应步态00.5最多两条腿处于支撑相,奔跑步态=0.5两组腿交替摆动,对角小跑0.50.75两条腿或三条腿处于支撑相,处于
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 四足载物箱 设计 实现 软件设计
限制150内