走网格机器人创新实验报告

创新设计

设计题目：网格导航机器人

专业班级：机械工程及自动化０７－２班指导老师：孙启援武刚

小组成员：

完成日期：2010年4月8日

天津理工大学机械工程学院

课程成绩评价表

学号姓名年级专业工作分工成绩

机械07-2班模型搭建

造型设计

机械07-2班模型搭建

造型设计

机械07-2班模型搭建

造型设计

机械07-2班程序编写

论文撰写

机械07-2班模型搭建

造型设计

性能（70%）美观与创意（30%）整体评价

评语：

目录

一、前言 (3)

二、问题的提出和分析 (4)

2.1 实验目标 (4)

2.2 功能分析 (4)

三、方案的选择和模型的搭建 (5)

3.1 骨架的搭建 (5)

3.2 轮胎的安装 (6)

3.3 传感器的放置 (6)

3.4 电机的放置 (7)

3.5 美化外观 (7)

3.6 整体外观 (8)

四、程序的实现 (9)

4.1 程序流程图 (9)

4.2 功能模块 (10)

4.3 程序全图 (12)

五、设计小结 (12)

一、前言

上个世纪的八十年代，称为个人计算机（PC）的时代，把九十年代称为Internet飞速发展的时代，那么本世纪的第一个十年，会是个人机器人（PR）的时代。随着智能机器人技术的发展，智能机器人的教育走入中、小学校已经成为必然趋势。智能机器人教育走进普通中、小学校的可能性和必然性估计会在今后的五年内得以实现。

21世纪是全球科技经济激烈竞争的世纪，尤其是金融危机的到来，更加加剧了竞争的激烈程度。参与激烈的竞争，担负建设的重任，时代向我们提出了高标准、高要求，让我们提高素质、发展潜能，适应当今这样一个科学普及的信息化、现代化的时期，只有这样我们才能成长为合格的祖国现代化事业的建设者和接班人。所以我们学校顺应时代的呼唤，开设了“创新设计实训”这门课程。

创新贵在于实践，在实践中创新，在创新中学习，从而构筑新的知识框架和达到知识积累的目的，是实现素质教育和培养创新型人才的根本，这门课程将有助于增强我们的动手能力和激发我们的创新思维。

乐高机器人很像我们小时候搭积木的玩具，我们在学习知识、增加竞争力的同时还重温了小时候的美好时光，同时我们的团队精神得到了提升，思维也变的更加严密了。

二、问题的提出和分析

2.1 实验目标

网格导航机器人主要有两个实验的目标：

（1）能够实现从网格中某处，例如坐标（0，0）处网格单元，走到网格中指定的坐标处，例如坐标（5，5）处单元格。

（2）途中可能遇到障碍物，当碰到障碍物之后能够绕过障碍物，并且仍旧能够走到指定坐标处单元格。

2.2 功能分析

网格导航机器人必须具备一些主要的功能：

（1）行走功能。

小车的行走系统可由LEGO低速电机经齿轮传动适当组合进行减速，从而保证小车的运行平稳。

（2）避障功能。

通过触碰传感器判断是否触碰障碍物，当碰到障碍物之后，通过编程实现小车的左转右转进行避障。

（3）记录功能。

因为要实现从网格中某处走到网格中指定的坐标，因此需要记录小车走过的网格数目和方向。

三、方案的选择和模型的搭建

我们在初步分析了上述需要实现的功能后，开始了我们方案的选择和模型的搭建。

3.1 骨架的搭建。

首先，要先把这辆小车的骨架搭起来。我们挑选了多列的板作为底板，再用各种尺寸的梁和块，搭成了小车的骨架。

搭建结果如图3.1所示。

3.2 轮胎的安装

考虑到我们要让小车要有向前走、向后走、向左、向右转这几个功能，以及行进过程中的平稳问题，为了更好的实现这个功能，我们采取了带橡圈的轮胎以增大与地面的摩擦力。

搭建结果如图3.2所示。

3.3 传感器的放置

考虑到小车需要壁障，因此在最前方放置一个触碰传感器，同时为了保证触碰传感器能够更加有效的触碰，因此在触碰传感器之前搭建一个骨架放置一个小轮，保证有效触碰；又因为要记录走过的格数以及进行小车走歪之后的校正，所以在小车前方两侧分别放置两个光电传感器，并且保证传感器不被搭建小车的零件挡住影响测到的光感值。

搭建结果如图3.3所示。

3.4 电机的放置

考虑到我们的车质量比较大，所以驱动方面我们采用的是四轮驱动，用以得到足够大的动力驱动小车。又因为我们已经将光电传感器放置在前方，所以我们将电机放在后轮处，同时使用小齿轮与之啮合再用大齿轮传递到轮胎处，用以对小车进行减速，保证小车运行的比较平稳。

搭建结果如图3.4所示。

3.5 美化外观

我们不止保证小车拥有可靠的性能，还对小车的外观进行了美化，在后方加了两个尾灯，并加了一些连接的管件。

搭建结果如图3.5所示。

3.6 整体外观

搭建结果如图3.6所示

四、程序的实现

ROBOLAB 是乐高机器人专用的编程语言，它利用图形化编程环境，使得我们特别容易掌握，ROBOLAB 软件编程不需要记各种语句的格式，不需要在电脑上输入语句，只要将所需要的图标逻辑性的连接起来就可完成程序的编写。

4.1 程序流程图。

停止

碰到网格

左右交替转弯

碰撞

计数

结束

与目标值相等

前进

N

N

Y

Y

Y 开始

4.2 功能模块。

（1）避障功能模块：

为了保证小车能够正确的从起点到达指定坐标处，必须保证小车的触碰传感器碰到障碍物转弯后下一次转弯为反向，否则将回转，即向X轴或Y轴反方向行走。所以使用容器4保存一个默认值零，只有当容器值为零时小车右转，而当容器值为一时小车左转。右转后将此容器赋值为一，左转后将此容器赋值为零，这样我就能保证小车每次转向都是不同的，从而实现小车行走而不回走，最终到达指定坐标处。当小车左转或右转时还需要设定时间，保证小车转弯是转过90度，刚好由沿X（Y）方向走转到沿Y（X）方向走。

避障功能模块的程序图如图4.2.1所示

（2）计数功能模块：

小车需要从起点走到指定的终点，说明小车要记住走过的格数，当两个光电传感器感光值同时小于一个数（即光电传感器在黑色方格线的感光值，）时说明两端同时压线，此时小车走过一格，容器作为计数器加1，当只有其中一个光感值小于此数时说明只有一端压线，需要强制另一端也压线，则使用“等待光感值下降”使小车旋转到另一侧也压线位置。又因为小车会由于避障而转向，则X 方向与Y方向需要分别记录。当容器4储存值为0时说明小车正在沿X方向走，则红色容器值加一；当容器4储存值为1时说明小车正在沿Y方向走，则蓝色容器值加一。这样小车沿X与Y方向走过的格数就被记录下来了。

计数功能模块的程序图如图4.2.2所示

（3）判断功能模块

小车需要走到指定点，使用两个容器储存指定点X轴Y轴坐标，并判断红色蓝色容器与储存XY值的容器进行比较：当红色和蓝色两个容器的值均大于储存XY值容器的值则说明小车到达终点，小车停止。当其中一个大于而另一个小于时，则通过容器4的值进行判断行走方向，进而实现小车一个轴到达后转弯沿另一个方向行走，保证实现到指定点停止。

计数功能模块的程序图如图4.2.3所示

（4）整体设计

由于程序情况比较多，所以使用时间来实现程序整体功能。触碰传感器是否触碰为事件2，两个光感传感器光感值小于设定值为事件1和3。然后根据小车走的真实状况进行光感值及时间的调试。经测，小车压线光感值在32-34之间，所以设光感值需要小于35；小车转弯需要0.65s正好转过90度；小车两边均压线后再向前走0.20秒再转弯小车在网格正中间。设置各个容器初始值及目的点坐标。

整体设计的程序图如图4.2.4所示

4.3 程序全图。

网格导航机器人的程序全图如图4.3所示。

五、设计小结

创新设计实训真的锻炼了我们的创新能力。

这次创新设计实训的时间虽然短暂，但是老师还是给我们讲了许多东西，这些都是他多年来用心血总结下来精辟的知识，尤其是一些方法类的东西。通过我们的一番努力，我们终于将网格导航机器人的程序编出来了，看着我们的小车在网格上正确的行走，那种满足感让我心潮澎湃，我也充分的感觉到了成功的喜悦。而且通过这次实训也让我明白了不管是什么问题，解决方法远不止一种，无论是什么思路都能最终实现我们的目标。开放性的题目和开放性的解决方法都在很大的程度上锻炼了我的创新能力，开拓了我解决问题的思路。