机器人搜救毕业论文

基于GMD竞赛为平台的搜救机器人 作者：任太伟

目录

第一章 绪论 ................................................................... 2 1.1 引言 ...................................................................................................................... 2 1.2 课题研究的背景及意义 ...................................................................................... 3 1.2.1 课题研究的背景 .......................................................................................... 3 1.2.2 课题研究的意义 .......................................................................................... 3 1.3 机器人的研究现状 .............................................................................................. 3 1.3.1 国外研究现状 .............................................................................................. 3 1.3.2 国内研究现状 .............................................................................................. 5 1.3.3 本系统研究现状 .......................................................................................... 5 第二章 搜救机器人本体结构分析 .............................................. 6 2.1.机器人定义描述 ................................................................................................ 6 2.2 机器人结构原理图 .............................................................................................. 7 2.3 微控制器 .............................................................................................................. 8 2.4 自带传感器 .......................................................................................................... 8 第三章 基于搜救竞赛为平台的搜救系统分析 ................................... 9 3.1 搜救机器人移动测量端系统分析 ...................................................................... 9

3.1.1 搜救机器人的移动系统分析 .................................................................... 10 3.1.2 搜救机器人的测量系统分析 ..................................................................... 11 3.2 搜救机器人显示报警端 .................................................................................... 14 3.2.1 搜救机器人的显示端 ................................................................................ 14 3.2.2 搜救机器人的报警端 ................................................................................ 16 第四章 基于搜救竞赛为平台的系统软硬件设计 ............................... 17 4.1 系统硬件设计 .................................................................................................... 17 4.1.1 远红外火焰火焰探头的安装 .................................................................... 17 4.1.2 地面检测模块的安装 ................................................................................ 19 4.2 系统软件设计 .................................................................................................... 20 4.2.1 图形化编程 ................................................................................................ 21 4.2.2 JC 语言 ...................................................................................................... 23 结论 .......................................................................... 28 致谢 .......................................................................... 29 参考文献 ...................................................................... 30

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基于GMD竞赛为平台的搜救机器人 作者：任太伟

第一章 绪论

1.1 引言

机器人大量生产和拥入工业部门,代替人从事有害的生产活动,是新的工业革命特征之一。 1982年美国对未来机器人的发展曾用特尔斐法作过预测。预计今后十几年里,非伺服、不可编程序的机器人将绝迹。到1995年,95％的工业机器人为智能、万能和可编程的机器人。其中一项具体预测是,到1990年机器人中25％有视觉功能；20％有触觉功能。在新型装配机器人中,45％为可编程序系统。日本机器人协会预测:八十年代将是日本机器人生产发展的一个重要时期。

中国机器人的研究二十世纪七十年代开始的，至今已有30多年，到目前为止大体分为三个时期：摇篮期，规划发展期及拓广发展期。但相对于日本，美国，欧洲等发达国家来说，还处于追赶阶段；例如，美国9.11事件中，美国国内主要机器人生产公司和研究机构都组织参加了纽约世贸大厦现场的搜救工作，他们是南佛罗里达大学机器人辅助搜寻与救援研究中心，MIT的IRobot公司,美国海军的SPAWAR研究中心，以及具有五十多年历史的Foster – Miller公司等。据时代周刊报道：在最初的十天当中，救援机器人在搜救犬，人工无法抵达的狭小或危险区域找到十余具遇难者的遗体，与现场搜救工作人员找到的数量基本相同，但所花的时间却不到现场救援人员花费时间的一半。而我国在四川地震中，据资料显示，搜救机器人并未得到很好的利用，参加搜救的主要还是以消防官兵，搜救犬及支援人士。

本系统结合现实应用，分析搜救原理及具体方法，以能力风暴AS-UII机器人为依托，在此基础上，使用硬件扩展，有远红外火焰传感器，光敏传感器，AS地面灰度传感器，红外避障传感器；使用软件编辑，用vjc1.6图形化编程和jc代码程序编辑。通过对本系统的调试，最终实现了搜救机器人的搜救功能。

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1.2 课题研究的背景及意义

1.2.1 课题研究的背景

机器人是人类智慧的产物，他能完成人类无法实现的作业，20世纪就已经得到社会各界人士高度重视的机器人，在21世纪更是如娇娇宠儿，得到世人关注。随着全球环境的变化，工作、生活中发生的意外事故的增多，一个必要的无人操作搜救机器人必然诞生。人类本体的搜救能力越来越显得拘束，人类在智慧上超出动物很多，但在特定环境的适应上就要比动物差很多。虽然人发明了很多的技术弥补了这一不足，但明显可以看到，舰船的灵活性比不上鱼类，飞机的灵活性比不上鸟类甚至昆虫，车辆的地形适应性比不上四条腿的动物。搜救机器人的研究可以弥补我们这方面的不足，对社会产生大的经济效益。搜救机器人的研究可以满足一些行业的需求。机器人由于其天生的多自由度，多冗余自由度，可以在狭小的空间内穿梭，可以满足在复杂环境中搜救、侦查、排除爆炸物等反恐任务；航空航天领域可用其作为行星表面探测器，轨道卫星的柔性手臂；工业上则可应用于管道排污机器人等方面。 1.2.2 课题研究的意义

1）课题研究的社会意义

搜救机器人的研究给搜救工作带来很大的方便，在灾难发生后，能够快速地投入到搜救工作中，提高搜救效率，减少人员伤亡，失踪等不幸事故，更好的为社会服务。

2）课题研究的科学意义

搜救机器人的研发，在很大程度上弥补了广茂达在搜救领域的不足，为后期更好的扩展，奠定了基础。

1.3 机器人的研究现状

1.3.1 国外研究现状

近十年来，尤其是“9.11”事件之后，美国、日本等西方发达国家在地震、火灾等救援机器人的研究方面做了大量的工作，研究出了各种可用于灾难现场救援的机器人。

1）履带式机搜救机器人

履带式机器人是为了满足军事侦察、拆除危险物等作业的需要，在传统的轮式移动机器人的基础上发展起来的。图1-1给出了目前国际上几家著名机器人公司的典型产品，他们主要是为了满足军事需要而开发的，体积普遍偏大，不太适合在倒塌的建筑物废墟中狭小空间内搜寻幸存者。

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（a）Foster-Miller公司 （b）Inuktun公司的 （c）SPAWAR的 的SOLEM机器人 Minitrac机器人 urbot机器人 图 1-1 机器人公司给出的典型产品

2）可变性（多态）搜救机器人

为了能进入狭小空间展开搜救工作，要求机器人的体积要尽可能小，但体积小了搜索视野就会受到限制，为了解决这已矛盾，近年来在传统牵引式多态搜救机器人。图1-2为美国Irobot公司生产的Packbot系列机器人，packbot机器人有一对鳍形前肢，这对鳍形前肢可以帮助崎岖的地面上导航，也可以升高感知平台以便更好地观察。图1-3为加拿大inuktun公司MicroVGTV 多态搜救机器人，他可以根据搜索通道的大小及搜寻范围的远近灵活地调整形状和尺寸。

(a)正常状态 （b）直立状态

图1-2 美国Irobot公司packbot多态搜救机器人

（a）平躺状态 （b）半直立状态 （c）直立状态

图1-3 加拿大Inuktun公司Micro VGTV多态搜救机器人

3)仿生搜救机器人

虽然履带式可变形多态机器人可根据搜索空间的大小改变其形状和尺寸，但受驱动方式的限制，其体积不可能做得很小。为了满足对更狭小空间搜索的需要，人们根据生态学原理研制了各种体积更小的仿生机器人，其中蛇形机器人就是其中很重要的一类。图1-4(a)为cmu研制的安装的蛇形机器人。图4（b）为日本大阪大学研制的蛇形机器人。图1-4（c）为美国加州大学伯克利分校研制的身高不足2cm的苍蝇搜救机器人。随着技术的不断成熟，相信蛇形、蝇形等仿生机器人会在灾难搜救工作中发挥越来越大的不可替代的特殊作用。

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（a）CMU研制的基于移动 (b)日本大阪大学研制的 （c）加州大学伯克利 平台的蛇形机器人 蛇形机器人 分校研制的苍蝇机器人

图1-4仿生机器人 1.3.2 国内研究现状

在日本大阪大学研制出蛇形机器人不久，我国中国科学院沈阳自动哈研究所，国防科技大学，北京航空航天大学等单位也都相继研制出了类似的蛇形机器人系统。

在5.12地震发生后，针对乱石之中被埋在抚恤下的生命很难发现，“如果有能穿越乱石的机器人，也许就可以发现废墟下的生命迹象从而救出更多的人！“谢敬涛等5位重庆交大的5位同学经过商量后便有这个想法，发明一个越障能力强的机器人----蛇形机器人（图1-5）.

图1-5 谢敬涛向记者展示能翻越障碍的机器人

1.3.3 本系统研究现状

本系统基于AS-UII机器人为平台，在此基础上加以扩展，结合国内外搜救机器人发展现状，以机器人竞赛为例，归纳总结出搜救机器人的运算方法和扩展设备的应用。

本系统现状优点是以AS-UII机器人为平台，可扩展空间大，利用的设备较多，可以从多个方面实现搜救效果；缺点是AS-UII机器人平台处于低发展中阶段，有些功能不是很完善，电机转速慢，不易于快速灵活的发展被搜救目标。

本系统主要研究搜救机器人执行搜救过程中的算法及其扩展设备的应用，对机器人的行动速度和灵活度不作具体分析，此方面的不足等待后期研究。

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第二章 搜救机器人本体结构分析

本系统是基于能力风暴广茂达公司生产的AS-UII机器人为平台，在此基础上做相应的扩展，以智能机器人搜救竞赛为例，以实现其红外壁障，地面检测，亮度检测的功能。AS-UII是面向教育的新一代智能移动机器人。AS-UII有一个功能强大的微处理系统和传感器系统，而且它还能扩展听觉、视觉和触觉，成为真正意义上的智能机器人。AS-UII是专门为大学进行课程教学、工程训练、科技创新以及研究服务的新型移动智能机器人。

2.1.机器人定义描述

我国科学家对机器人的定义是：“机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器人具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器”。智能机器人是21世纪的热点，也是一个国家整体实力的显示。智能机器人是一个多科学的综合，设计机械设计和制作传感器、控制与规划、电子电气、计算机与信息处理、通讯、能源、材料、系统工程。

能力风暴是广茂达公司开发的对动手和实现能力培养的机器人平台，它还可以借助于交互式C语言和开发式接口进一步提高机器人的开发潜力。该机器人外形成圆盘状，底盘上有两个主动轮和两个导向轮（图2-1），自带的传感器有：碰撞传感器、红外传感器、光敏传感器、光电编码器等，同时利用硬件扩展总线SBUS可以增加红外扩展卡以及其他各种类型的传感器。通过该机器人可以实现设计者做希望的各种动作和任务。从任务的实现过程中可以使设计者的各种能力得到进一步的训练和提高。

AS-UII 是面向教育的新一代智能移动机器人教学平台。其主控制器为32位ARM7系列控制芯片，并配有光敏、红外、声音等多种传感器。通过编程能对外界环境敏捷地作出反应，除了提供有独立的ASBUS总线，还有各类数字、模拟接口，能方便地对机器人现有功能进行扩展。

表 1 AS-UII机器人具体参数名称及性能指标 参数名称 性能指标 外形尺寸（mm） 直径φ220 高H150 重量（kg） ≈1.1 运行 可实现R=0转弯，速度可调，最高速度≥60cm/s 电池 额定电压7.2，锂电池；可充电：1000次 连续工作时间 ≥2h 串口速度 9600bps 人机交互 可通过程序的下载，执行界定的功能并将信息反馈，实现人机交互 扩展 可进行机械、电子、软件的扩展、ASBUS扩展

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图 2-1 AS-UII机器人结构简图

2.2 机器人结构原理图

稳压与低电 压复位系统 直流 驱动 2只直流电机

4只碰撞传感器 2只红外传感器 2只光敏传感器 2只光电编码器 1只麦克风 各种外部 扩张卡 外部存储器 喇叭 驱动 单片机 电机 驱动 LCD 喇叭 1只直流电机 或伺服电机 pc ASBUS 总线 串口 通讯 图2-2 能力风暴智能机器人的系统结构

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2.3 微控制器

采用Motorola生产的68HC11E1，其内部有CPU，片内存储器，定时器系统，串行口、A/D、并行I/O口，中断和复位系统组成。是主板的主体，位于AS-UII“心脏”部分的控制部件是A-UII的大脑，它由很多电子元器件组成，跟人的大脑一样，主要完成接受信息，处理信息，发出指令等一系列过程。

AS-UII的大脑有记忆功能，这主要由主板上的内存来实现的，至于“大脑”的分析、半段，决断功能则由众多芯片共同完成。

能力风暴运行于扩展工作方式，扩展了32K静态RAM和8个I/O口。注意：为了省引脚，单片机中一般以低8位地址和8位数据以时多路方式合用PC的8只引脚。

能力风暴充分利用了68HC11的全部硬件资源。

2.4 自带传感器

1）碰撞传感器

AS-UII机器人的下部放置了一个碰撞系统，保证AS-UII机器人的正常活动。AS-UII机器人的碰撞机构能够检测到来自360°范围内物体的碰撞，使AS-UII机器人遭遇到来自不同方向的碰撞后，能够转弯避开并保持正常活动。

2）红外传感器

AS-UII机器人的红外传感器共包含两种器件：红外发射管和红外接收管，红外接收管位于AS-UII机器人的正前方，两只红外发射管位于红外接收管的两侧。AS-UII机器人的红外传感器能够看到前方10cm～80cm

3）光敏传感器

光敏传感器是由两个光敏电阻组成，它位于机器人的正前方。能力风暴只能机器人上有2只光敏传感器，它可以检测到光线的强弱。光敏传感器其实是一个光敏电阻，它的阻值受照射在它上面的光线强弱的影响。能力风暴智能机器人所用的光敏电阻的阻值在很暗的环境下为几百KΩ，室内照度下几KΩ，阳光或强光下几十Ω。

4）话筒

AS-UII机器人的话筒的功能很强，它可以感受到声音的强弱。我们知道我们自己的耳朵并不是所有声音都可以听见的，我们听见的声音在一定的频率范围内，AS-UII的“耳朵”也是这样，它能听见的声音频率范围跟人能听到的范围大致是一样的，大约 是16Hz~20000Hz的机械波。

AS-UII机器人在听到你的声音命令后，会根据你的指示（由程序事先输入）采取行动。

5）光电编码器

在AS-UII机器人里有码盘和光耦（光电编码器）。光电编码器主要作为控制的反馈信号。光耦通过测定随轮轴一起转动的码盘的转动角度，得到轮子所转动的圈数，从而判定距离。

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第三章 基于搜救竞赛为平台的搜救系统分析

3.1 搜救机器人移动测量端系统分析

由于被搜救目标所处的位置不是固定的，搜救机器人必须具有移动测量的功能，所以，必须设计出一个具体的移动测量方案，在本平台中，移动测量系统分两个步骤执行，一是移动端，二是测量端。移 动端通过马达，电机执行；测量端分别利用远红外火焰探测模块、红外检测和地面灰度检测来完成。本论文以第十届全国智能机器人比赛广茂达杯中搜救机器人比赛为例进行分析。 第十届“广茂达杯”中国智能机器人大赛比赛规则： 搜救机器人比赛 1.概述

各参赛队必须设计方案并且编程来使机器人能独立在复杂的区域行动，在不碰到各种障碍物的情况下寻找到目标信号灯。 2.现实应用

本赛事中的机器人用以模拟现实世界中的搜救情景，搜救时的首要任务是找到被搜救者，这正是机器人的任务。可能使用的是紧急通讯设备发出的无线信号，甚至是求救声。

现实世界中，一旦机器人发现求援信号，它行进过程中必须躲避障碍物，而不能直接向者被救者进发。本次赛事，橡胶锥用作道路中的障碍物，但是现实中，障碍物可能是柱子，墙或者是橡胶。

除了行进中的物理障碍物，还可能有其他必须考虑的障碍物，例如，地板上的洞，或一块不安全的地板，或者一块不宜通过的区域。本赛事使用一块黑色的纸来表示一块禁止通行的区域。

这场比赛涉及到的不仅是智力问题，即需要创造正确而成功的编程逻辑和搜索算法，而且是物理问题，即怎样在实践中使用传感器，例如，如何安装，考虑传感器高度以及方向。这场比赛的目标仅是找到闪光灯。在现实世界中，机器人可能用来传送食物、水、药物和氧气来给被救援者。也可用以牵引救援绳或引导跟随的人。 3.目标

本赛的目标是使机器人尽快赶到信号灯闪光处，在最短时间内按照比赛规则完成目标的机器人获胜。 4.场地材料

场地——本赛事场地使用平的，白色或浅色油布或水泥地板。操作区域为244CM X 244CM正方区域，由黑色胶带标出，如图2-4所示。

障碍锥——赛场地板将会随机布放12个浅色的橡胶锥（22CM高，边缘有色带标出）。

禁区——由黑色绘图纸（至少20CM宽）构成的禁区将会布放在赛场各处。 信号灯——机器人搜寻目标将由一个闪烁灯表示（约每分钟25闪）。

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图2-4机器人搜救竞赛场地

通过比赛规则的分析，R为起始点（搜救机器人），B为终点（被搜救目标）。如果从R到B，在不碰到障碍物和黑色图带的情况下，必须运用合理的方法，由于障碍物的位置是随机的，通过定距走的方式无法实现搜救的效果，所以必须采用随机走的方式，遇到障碍锥，禁地绕行，在接近光源处执行趋光程序。 完成R到B的步骤大致为：

1.根据场地的现状，分析出机器人需要执行的算法，需要扩展的传感器。 2.购置材料，制作传感器。

3.将制作好的传感器安装到AS-UII机器人上，并对机器人跳线做相应的调整。 4.对现场的地面灰度参数，远红外光线亮度参数及红外壁障距离进行测试。 5.将测试结果带入到算法中，测试运行结果。 6.最后调试。

3.1.1 搜救机器人的移动系统分析

1)AS-UII机器人的主动轮有两只，能够完成向前直走，向后转弯，左转，右转，原地打转这些平地上的技术动作；正因为有驱动机构齿轮箱的存在，AS-UII才可以利用直流电机输出的动力。

2）从动轮

AS-UII机器人有2只从动轮，通过安置弹簧，它们可以在垂直于地面的方向上上下移动，保持机器人动作平衡和实现一定的越障功能。

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3）直流电机

在AS-UII机器人上有两个直流电机。

以电为原动力产生机械旋转动力的装置叫做电动机。电动机如果是依靠直流电源工作，则称为直流电机。在AS-UII中，直流电机将轴的旋转运动输入到齿轮箱，然后齿轮箱的输入轴控制轮子转动，从而驱动整个机器人的运动。

直流电机上的电压大小影响它的转速和扭矩。 4）AS-UII的动力

AS-UII的动力来源于位于机器人底盘内的电池。 电池提供电能，而机器人运动需要的是动能。

电能转化为动能是利用了一种专门的设备—电动机，这种设备是现代工作必不可少的，是工作电气化的标志。

结合AS-UII机器人的移动设备，欲在搜救中完成移动的任务，必须执行随机走，这要求在算法中，必须编辑出一个随机走的程序。 3.1.2 搜救机器人的测量系统分析

1)远红外火焰探测模块

远红外火焰扩展套件包括两个远红外火焰探头和一个远红外探测扩展卡，远红外火焰探头可以用来探测火焰或其他一些波长在700nm~1000nm范围内的热源。

远红外火焰探头由一个硅光电二极管和一个塑料圆环组成。如图2-5所示，塑料圆环用于固定硅光电二极管，同时起屏蔽作用，可防止外界光源干扰。

图 2-5 磁场检测模块

远红外探测接口卡

图 2－6为远红外火焰探测扩展卡，可以通过ASBUS的PE5、PE6模拟输入口采集来自远红外火焰探头的信号。

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图2-6远红外火焰探测接口卡

2)地面灰度检测卡

地面灰度检测卡可以检测地面反射光线的强度，使机器人能识别地面颜色的深浅。

地面灰度检测卡由地面灰度传感器探头、地面灰度接口卡组成。 地面灰度传感器探头

图2-7为AS地面灰度检测传感器探头，有4根连接线，其中两个为光敏电阻的引出线，另两根位发光二极管的。

图 2-7地面灰度传感器探头

地面灰度接口卡

地面灰度传感器探头与能力风暴机器人主板之间的接口。图2-8为AS地面灰度检测卡，利用光敏电阻的阻值会随着光照强弱的变化而变化的这一特性。AS地面灰度检测传感器通过发光二极管照亮地面，地面的反射光线被光敏电阻接收，电阻值根据反射光线强弱而改变。地面灰度深，光敏电阻值大；地面灰度浅，光敏电阻值小。然后，阻值的变化转变成电信号，通过模拟口PE5输入到机器人主板上的为控制器，再由微控制器中的A/D转换器将电信号进行转换后供程序使用。

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图 2-8 地面灰度接口卡

3.红外检测模块

能力风暴运用了2只红外发射管（970nm）（图2-9）和一只红外接收管（图2-10）构成红外传感系统，主要用来检测前方、左前方和右前方的障碍，检测距离范围为10~80cm。用户可以通过调节两个电位器来调节左右两个红外的检测距离，顺时针红外发射强，检测距离远，逆时针红外发射弱，检测距离近。注意强红外线尅穿透塑料，在机器人的上盖中传播，造成接收信号始终表现为有障碍。解决方法是在红外发射管上套上黑纸环，使其侧面不能透出红外线。同时也要避免地面的反射影响。逆时针将电位器旋转到底时将关闭红外线发射管。

图2-9 红外发射管 图2-10 红外接收管

红外传感器检测障碍的过程如下：

1.左右发射管均关闭，红外探测器探测一次当前信号，并保存下来以跟后面采集到得数据比较。

2.当程序中调用ir_detector()时，启动红外发射探测系统。首先，左红外发射管发射一次，演示1ms后红外探测器探测一次信号；然后，右红外发射管发射一次，延时1ms后红外探测器探测一次信号，红外探测器采样一次信号的时间为0.064ms。红外探测器通过PE4口采用当前值，并保存下来。由于先后时间的不同，就可以分别探测左右两边的红外信号。

3． 调用一下ir_detector()函数，红外探测系统开启一下。完成后，左右发射管关闭。根据采集的数据可以班别是否有发射，只有在初始探测无发射而第二次探测有反射时，右反射管才是有发射的，右方被认为有障碍。采用这种方法可以抑制很多环境红外噪音。原理图如图2-11。

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图2-11红外传感器原理图

3.2 搜救机器人显示报警端

3.2.1 搜救机器人的显示端

搜救机器人在搜救过程中，红外传感器，地面灰度传感器，远红外火焰探测器同时在进行工作，并将在搜救过程中检测到的信号发送给机器人大脑中，并在显示器上显示出来。 红外传感器显示端

机器人执行红外检测程序，如图2-12

图2-12红外传感器检测程序

当红外传感器检测到前方有障碍物，将检测到的信息发送到机器人头脑中，并在前段显示器上显示，如图2-13。

图2-13 红外检测显示

地面灰度检测显示端

机器人执行地面检测程序，如图2-14.

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图2-14 地面灰度检测程序

三个地面灰度检测探头在搜救过程中，因为地面环境的不同，显示地面的灰度值也不一样，地面灰度检测探头将灰度值显示到显示器上（图2-15）。

图2-15 地面灰度显示值

远红外火焰探测器

机器人执行亮度检测程序，如图2-16。

图2-16 远红外火焰探测程序

远红外火焰探测器将检测到的左前右三侧的光线亮度传输到显示器上（图2-17）。

图2-17 远红外检测的亮度数值

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ir_1 =ir_detector();

if( ir_1 == 2)\\*检测到右边有障碍物*\\

{

drive( 0 , -40); wait( 0.100000 ); stop(); } else {

if(photo_1 >= photo_2) {

motor( 1 , 45 ); motor( 2 , 38 ); wait( 0.200000 ); } else {

motor( 1 , 38 ); motor( 2 , 45 ); wait( 0.200000 ); } } } } } } } }

photo_1 =photo(1); photo_2 =photo(2);

photo_3 =(photo(1)+photo(2))/2; } } }

void SubRoutine_1( ) {

tone(261.600006,0.500000); tone(293.600006,0.500000); tone(329.600006,0.500000); return; }

void SubRoutine_2( ) {

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if(photo_1 < photo_2) {

motor( 1 , 20 ); motor( 2 , 80 ); wait( 0.200000 ); } else {

if(photo_2 < photo_1) {

motor( 1 , 80 ); motor( 2 , 20 ); wait( 0.200000 ); } else {

motor( 1 , 20 ); motor( 2 , 20 ); wait( 0.500000 ); } } }

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结论

本课题根据国内外机器人的发展现状，对于在灾难发生后，如地震，火灾等，人员不宜进入或无法进入的特殊环境，进行了初步分析，设计一款能够在复杂环境中能够自由行走，并发现被困目标的搜救机器人。国外一些国家在发生灾难后利用机器人参加搜救行动的例子很多，而国内的搜索救援行动中，很少见到搜救机器人的影子，这说明我国的搜救机器人还处于发展阶段。

本课题详细阐述了机器人搜救的研究背景和研究意义，为搜救机器人的提供了更好的依据。

系统基于AS-UII机器人为平台，以智能机器人比赛中搜救竞赛为例，研究搜救机器人的搜救原理、算法及其扩展设备的运用，设计出一套理论清晰，具有实际应用价值的搜救机器人，在灾难发生的地段能够更好的得到利用，在以后的搜救工作中会得到充分的发挥，甚至成为家庭必备的防意外事故的消防员。

本系统在设计中，在原有设备的基础上，遇到的主要问题在于机器人检测到光源的同时，前方又有障碍物，如果执行趋光程序，势必会撞到障碍物，导致违规；如果执行壁障程序，则机器人很难再次找到光源，甚至进入死循环；在这个问题上一度陷入了僵局，后经研究，实验，指导，将机器人原有的光敏传感器替换为远红外火焰传感器，根据距离光源远近，光线亮度的不同，达到了搜救的效果。其原因是距离光源越近，则光线亮度越强，亮度检测器显示的数值就越小，当数值小于一定数值后，机器人执行趋光程序，否则继续随即走。而光敏传感器检测到光线亮度的精确度不如远红外火焰探测器，远红外火焰探测的亮度检测值精确到10一下，可以根据机器人本身距离光线远近来判断目标的位置。

本系统的优点是利用结构相对简单的机器人，实现了搜救的效果，减少了很多繁琐的过程。特色是在AS-UII机器人的基础上，进行了改装，拆除了光敏传感器，替换为远红外火焰探测器，这样可以更精确，更迅速地发现信号源；闲置其碰撞检测模块，扩展了三个地面灰度检测模块，分别检测左前右的地面灰度，防止撞到障碍物。算法相对简单，实用，运用少量的嵌套，循环，条件判断语句，完成基础的算法工作。

由于本系统还处于设计阶段，还有很多的不足之处，如机器人本身的行动速度慢，工作时间短，灵活度不高等，需要在电机，能耗，传感器方面做更进一步的探究，在以后的会做更细一步的研究。

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基于GMD竞赛为平台的搜救机器人 作者：任太伟

致谢

非常感谢方武老师在我大学的最后学习阶段——毕业设计阶段给自己的指导，从最初的定题，到资料收集，到写作、修改，到论文定稿，给了我耐心的指导和无私的帮助。他是一个为人和善，体贴爱护学生，学历又高的教师，得到同学们的一致好评，在此我向他表示我诚挚的谢意。希望方武老师以后的教研生涯走的越来越远，越来越有成就，培育出一个又一个出色的人才。

感谢所有任课老师和所有同学在这三年来给自己的指导和帮助，是他们教会了我专业知识，教会了我如何学习，教会了我如何做人。正是由于他们，我才能在各方面取得显著的进步，在此向他们表示我由衷的谢意，并祝所有的老师培养出越来越多的优秀人才，桃李满天下！

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基于GMD竞赛为平台的搜救机器人 作者：任太伟

参考文献

[1] 上海广茂达伙伴机器人有限公司. 能力风暴智能机器人VJC1.6开发版使用手

册[J].现代电子技术，2005.

[2] 肖松雷,华剑. 机器人在搜索救援中的应用[J].机器人技术与应用，2006. [3] 曹祥康,谢存.我国机器人发展历程[J].机器人技术与应用,2008.

[4] 王勇,朱华,王永胜.煤矿救灾机器人研究现状及需要重点解决的技术问题[J].煤

矿机械，2007.

[5] 上海广茂达伙伴机器人有限公司.扩展卡使用手册修改（总）[J].机器人技术与

应用,2003.

[6] 柏龙,葛文杰,陈晓红,张铭. 用于行星探测的跳跃机器人研究[J],机器人，2009.

[7] 丛爽,钱辉环.广茂达机器人几个实际应用问题的解决方案[J].机器人技术与应

用,2003.

[8] 赵长富,李千新.传感器在工业机器人中的应用[J].组合机床与自动化加工技

术,1987.

[9] 张福学. 机器人传感器(上)[J] . 测控技术,1987.

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4.2.1 图形化编程

用常规的计算机编程语言（如C、FORTRAN、JAVA）编程课需要输入复杂的程序代码，并且编写的程序还奥符合特定的语法。而流程图编程不需要记忆计算机语言的语法，不需要使用键盘输入程序代码，只需要按照“先作什么，后作什么” 的设想，就可以编出程序。 Vjc正是按这个思想设计的。使用vjc软件，学生们不用关心语言实现的细节，同时有效避免了语法错误，用利于集中精力寻求解决问题的方法。

Vjc的流程图模型由以下几种基本形状的模块及带有箭头的方向线组成（图4-8）：

图 4-8 Vjc的流程图模型

Vjc的模块包括：执行器拨快（蓝色矩形）、单功能传感器模块（紫色平行四边形）、带判断功能的传感器模块（紫色菱形）、控制模块（黄色矩形或椭圆形）五种。

Vjc流程图支持多任务程序、子程序调用、浮点数和整数、全局变量、简单表达式、复合条件判断以及循环嵌套等。

每一个模块都可以完成一定的功能。只要按清晰地思路连接这些模块，就可以很快地完成一个程序的编写。

*一般的程序甚至是复杂的灭火程序都能用流程图实现。 1.主程序

本系统所研究的搜救机器人的按图形化编程也可以得到完美的实现。具体步骤如下：

1）亮度检测程序

由于在现实中，红外传感器容易受外界光线的影响，精度不够高，所以用高红外光的远红外火焰探测模块替代，将原红外传感器接在AS-UII主板上的插脚替换为远红外火焰探测器的插脚。此系统首先执行亮度检测，判断光线亮度是否达到信号灯的光线亮度，如达到，则停止电机，并发出找到信号灯的提示音，否则继续执行搜索程序。图4-9为亮度检测程序。

图 4-9 亮度检测程序

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2）趋光程序

搜救机器人在前进的过程中，远红外火焰探测传感器执行趋光任务。

当机器人左测的光线亮度大于右测的亮度时，启动电机左电机功率小于右电机功率，机器人向左偏；当机器人左侧的光线亮度小于右侧亮度时，启动电机的左电机功率大于右电机功率，机器人向右偏。如图4-10为趋光的主体程序。

图4-10趋光程序

3）地面检测程序

机器人在执行除执行趋光程序，必须同时执行地面检测。 模拟口1代表右地面检测传感器； 模拟口2代表前地面检测传感器； 模拟口3代表左地面检测传感器；

当模拟口1检测到的地面灰度大于240时，机器人向后退，并右转，否则执行模拟口2；当模拟口2检测到的地面灰度大于230时，机器人向右转，否则执行模拟口3；当模拟口3检测到的地面灰度大于230时，机器人向左转，否则执行红外检测程序。如图4-11为地面检测的主程序。

图4-11 地面检测程序

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红外检测程序

机器人在执行趋光，地面检测的同时，也必须执行红外壁障程序。

当检测到前方有障碍物时，向后退，并右转，否则检测左侧是否有障碍物；当检测到左方有障碍物时，向右转，否则检测右方是否有障碍物；当检测到右方有障碍物时，向左转，否则再次执行趋光程序。如图4-12所示。

图 4-12 红外检测程序

4.2.2 JC 语言

交互式C语言（简称JC）是用于能力风暴智能机器人的专用开发语言。

JC由两部分组成：编译环境和能力风暴操作系统ASOS。JC实现了标准C语言的一个子集，它包括控制语句（for，while，if else）、局部变量和全局变量、数组、指针、16位和32位整数以及32位浮点数。

JC不直接编译生成针对特定处理器的机器代码，而是先编译生成基于堆栈虚拟机的伪代码。然后这种伪代码由能力风暴操作系统解释执行。JC这种不寻常的编译方式有以下优点：

解释执行：允许检查运行出错。例如：JC在运行，数组下标的检查。

代码更精简：伪代码是完全基于堆栈的，进程状态完全由它的堆栈和程序计数器所决定。因此只需要装载新的堆栈指针和程序计数器就可以方便地实现任务切换。任务切换操作系统处理，而不是编译器。

本系统机器人搜救所使用的JC代码如下: void main() {

photo_1 =photo(1);\\*定义亮度变量1为左*\\ photo_2 =photo(2); \\*定义亮度变量2为右*\\

photo_3 =(photo(1)+photo(2))/2; \\*定义亮度变量3为平均*\\ while(1) {

if(photo_3 < 14)

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{

stop();\\*停止电机*\\ SubRoutine_1 ();

wait( 3000.000000 );\\*延时等待*\\ }

else {

if(photo_3 < 80)\\*亮度检测3检测到的数值小于80*\\ {

if(photo_1 < photo_2) {

motor( 1 , 20 ); motor( 2 , 80 ); wait( 0.200000 );

else {

if(photo_2 < photo_1) {

motor( 1 , 80 ); motor( 2 , 20 ); wait( 0.200000 ); } else {

motor( 1 , 20 ); motor( 2 , 20 ); wait( 0.500000 ); } } } else {

ma_1 =analogport(7); \\*模拟通道7设为模拟1*\\ ma_2 =analogport(6); \\*模拟通道6设为模拟2*\\ ma_3 =analogport(5); \\*模拟通道5设为模拟3*\\

if(ma_2 > 240) \\*模拟2大于240，此为地面检测程序，检测到前方有障碍物*\\

{

drive( -40 ,0); wait( 0.100000 ); stop();

drive( 0 , 40);

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wait( 0.100000 ); stop(); } else {

if(ma_3 > 230) \\*模拟3大于240，此为地面检测程序，检测到左方有障碍物*\\

{

drive( 0 , 40); wait( 0.100000 ); stop(); } else {

if(ma_1 > 230) \\*模拟1大于230，此为地面检测程序，检测到右方有障碍物*\\

{

drive( 0 , -40); wait( 0.100000 ); stop(); } else {

ir_1 =ir_detector();\\*红外检测*\\

if( ir_1 == 4)\\*检测到前面有障碍物*\\ {

drive( -40 ,0); wait( 0.100000 ); stop();

drive( 0 , 40); wait( 0.100000 ); stop(); } else {

ir_1 =ir_detector();

if( ir_1 == 1)\\*检测到左面有障碍物*\\ {

drive( 0 , 40); wait( 0.100000 ); stop(); } else {

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/uhg2.html