創(chuàng)新設計實訓--網格導航.doc

機械專業(yè)設計創(chuàng)新設計實訓 設計題目： 網格導航 完成日期： 2 0 1 2年 4 月 學 院： 機 械 工 程 學 院 專 業(yè)： 機 械 工 程 及 自 動 化 指導老師： 武 剛 小組成員：課程成績評價表學號姓名年級專業(yè)工作分工成績程序編寫論文撰寫模型搭建造型設計模型搭建造型設計模型搭建造型設計模型搭建造型設計整體評價性能（70%）美觀與創(chuàng)意（30%）評語：目 錄一、樂高機器人簡述.4二、問題的提出和分析.52.1 設計目標.52.2 功能分析.5三、方案的選擇和模型的搭建.63.1 行走功能.63.2 定位功能.73.3 停車功能.73.4 避障功能.73.5 美感工作.8四、程序的實現(xiàn).94.1 程序流程圖.94.2 功能模塊.124.3 程序全圖.13五、設計小結.145.1 感想.145.2 感謝.15- 16 -一、樂高機器人簡述上個世紀的八十年代，稱為個人計算機（PC）的時代，把九十年代稱為Internet飛速發(fā)展的時代，那么本世紀的第一個十年，會是個人機器人（PR）的時代。隨著智能機器人技術的發(fā)展，智能機器人的教育走入中、小學校已經成為必然趨勢。智能機器人教育走進普通中、小學校的可能性和必然性估計會在今后的五年內得以實現(xiàn)。21世紀是全球科技經濟激烈競爭的世紀。參與激烈的競爭，擔負建設的重任，時代向新一代中國青少年提出了高標準、高要求，讓他們提高素質、發(fā)展?jié)撃?，適應當今這樣一個科學普及的信息化，現(xiàn)代化時期，他們才能成長為合格的祖國現(xiàn)代化事業(yè)的建設者和接班人。在這里，你可以了解到：樂高機器人發(fā)展史及發(fā)展方向、機器人的構成、機器人的制作、操作、機器人的語言編程、機器的競賽規(guī)則、競賽技巧等。在這里，我們將破除青少年對機器人的神秘感，提高青少年的邏輯思維能力、動手協(xié)作能力和創(chuàng)造能力，讓青少年親手搭建制造一個屬于自己的夢想中的個人機器人。我們還會組織一些對個人機器人感興趣的青少年，參加多項國際性的機器人大賽，展現(xiàn)證明中國新一代的智慧和風采。 機器人教育是當今教育中“第一綜合”教育資源。 在美國麻省理工、塔輔茨大學、卡內基梅隆大學、哈佛大學、美國太空總署等等世界著名高等學府和科研機構應用樂高機器人在教育和科研項目的設計中，有許多教授使用樂高積木開展和研究各種課程，包括機器人、機械、計算機、設計與技術和創(chuàng)造性思維的促進等。他們設計的這些教育方法和課程有適合大中小學的，也有適合研究生課題的。中國也有許多學校開始使用樂高積木來開展各種拓展性和創(chuàng)新性的科學技術類課程，促進學生的創(chuàng)造力、解決問題能力，以推進素質教育。每年，國際和國內的樂高機器人大賽更是吸引了很多的學生和家長愛好者的參與。 二、問題的提出和分析2.1 設計目標網格導航小車主要有兩個實驗的目標：（1）能夠識別方向且能正確判斷經過的網格位置，以及它能立即識別自身所在方向，通過不斷的調整方向，最后將小車停止在指定網格內。（2）能夠識別前方是否有障礙物的存在，并在有障礙物阻礙的時候，改變方向以避開障礙物。2.2 功能分析網格導航小車必須具備一些主要的功能：（1）行走功能。網格導航小車的行走系統(tǒng)可由LEGO低速電機經齒輪傳動適當組合進行減速，驅動輪子。這過程需要兩個個電動機，用來給左右的兩個輪胎提供動力，使其運動。（2）定位功能。小車還要具備定位功能，定位過程中需要判斷。我們在小車上安裝了光傳感器，根據它來判斷經過網格線個數及方位。在定位過程中根據經過的網格線個數判斷小車的坐標位置及方向：根據網格反射光線的強弱進行判斷，用LEGO光感傳感器。事先需要大致測量網格線光光度及網格內白色面積光感度，取其中間值。我們用了兩個光的傳感器使光感的定位更加的準確。（3）到達終點或邊緣停車功能。到達指定位置或邊線，要求小車強制停車，防止小車掉落損壞：由于光感接頭有限，于是我們想到當小車檢測到經過的網格線達到需要的位置時強制停車。這樣的問題是我們必須想到的，也是必須要克服的。（4）避障功能。能夠識別前方是否有障礙物的存在，這里可以用觸動傳感器進行判斷。并在觸動傳感器發(fā)現(xiàn)有有障礙物阻礙的時候，改變方向以避開障礙物。三、方案的選擇和模型的搭建我們在初步分析了上述需要實現(xiàn)的功能后，開始了我們方案的選擇和模型的搭建。3.1 行走功能。（1）骨架的搭建。首先，我們要把小車的骨架搭建好，骨架作為整個小車的支撐其承載力必須要滿足要求，否則就不能支撐小車的重量，所以我們選擇多列板作為底板并且選用單列板進行加強固定，提高小車的碰撞強度，在行進途中也更加的穩(wěn)定。搭建結果如下圖所示。骨架的搭建 （2）輪胎的安裝。骨架搭建好后，就要考慮怎么讓小車行走的問題了。有多種組件可以實現(xiàn)這種功能，例如說履帶或者車輪，但考慮到我們要讓小車要有向前走、向后走、向左、向右轉這幾個功能，所以選用了四車輪設計。在給底架安上輪胎時，由于限制于功率及接口，輪胎和電動機之間采用較短的軸，通過它將輪胎、齒輪和軸套鏈接起來，再在底板里面加上了兩個長梁，將軸穿過中間的孔加以固定。（3）電動機的放置。接下來就是放置電動機了。這里主要是指用來帶動輪胎運動的電動機的發(fā)置的選擇。輪胎驅動方面，先要考慮的是采用四輪驅動好，還是兩輪驅動好。二輪驅動力量小及體積大，不適合網格轉向及不允許齊線走的要求；于是我們選擇了結構緊湊的四大輪驅動。3.2 定位功能。小車的定位功能是利用一個光傳感器來實現(xiàn)的。采用兩個光傳感器的原因是為了可以根據光線的強弱，通過判斷比較兩個光傳感器的數值來判斷小車在網格的位置。這樣通過程序的修正可以不斷的靠近終點坐標。3.3 到達終點或邊緣停車功能。小車在到達邊緣或指定終點網格之后就要停止電動機轉動，防止小車掉落損壞。3.4 避障功能。我們在小車前端裝上了觸動傳感器，這是探知前方障礙物用的。當障礙物碰撞到前方的觸動傳感器，則用程序控制小車避開障礙物。 3.5 美感工作。經過上面三個內容后，我們小車的結構基本上就完整了。作為工科的學生，我們都把性能放在了第一位，在性能實現(xiàn)的基礎上，我們也對小車進行了美化工作。 四、程序的實現(xiàn)ROBOLAB是樂高機器人專用的編程語言，它利用圖形化編程環(huán)境，使的我們特別容易掌握，ROBOLAB軟件編程不需要記各種語句的格式，不需要在電腦上輸入語句，只要將所需要的圖標邏輯性的連接起來就可完成程序的編寫。4.1 程序流程圖。（1）主流程圖：開始結束避障分支程序坐標分支程序圖4.1 主流程圖（2）避障分支流程圖：進入循環(huán)觸動傳感觸動傳感電機A、C正轉1秒電機A正轉、C反轉觸動傳感2按下0.5秒流程圖續(xù)圖圖4.2 蔽障分支流程圖（3）坐標分支流程圖。進入坐標循下光感觸控藍色容值 光感值40 容器值0 容器值0A、C正轉A、C正轉紅色容器值+1紅色容器值-1電機A、C正轉流程圖續(xù)圖紅色容值 3 3黃色容值黃色容值 3 3 3保持原動作電機A、C停止c正轉藍色容值藍色容值1010紅色起跳下落電機A反轉、C正轉電機A反轉、C正轉保持原動作保持原動作1秒1秒圖4.3 網格導航流程圖4.2 功能模塊。（1）蔽障功能模塊：小車蔽障功能主要是實現(xiàn)目標為：能夠識別前方是否有障礙物的存在，并在觸動傳感器發(fā)現(xiàn)有有障礙物阻礙的時候，改變方向以避開障礙物。蔽障功能模塊的程序圖如圖4.4所示。圖4.4 蔽障功能模塊程序圖（2）網格導航模塊：小車的網格功能主要體現(xiàn)在：們在小車上安裝了光傳感器，根據它來判斷經過網格線個數及方位。在定位過程中根據經過的網格線個數判斷小車的坐標位置及方向：根據網格反射光線的強弱進行判斷，用LEGO光感傳感器。事先需要大致測量網格線光光度及網格內白色面積光感度，取其中間值。我們用了兩個光的傳感器使光感的定位更加的準確。并且最后準確停在規(guī)定終點坐標位置。搜索功能模塊的程序圖如圖4.5所示。圖4.5 搜索功能模塊程序圖4.3程序全圖圖4.7 程序全圖五、設計小結5.1 感想我認為這次的創(chuàng)新設計實驗是非常有意義的，因為我們在學校大多數時間都是在和理論打交道。理論固然非常的重要，但是實踐卻也是不可或缺的，一個人即使理論再好，但是他的動手能力和臨場創(chuàng)新以及組織協(xié)商比較差，也會對自己以后的工作造成很大的麻煩。而且這次實驗讓我們充分的認識到了自己的不足，尤其是創(chuàng)新能力，所以在以后的學習中：我們不僅要牢固的掌握好理論基礎，而且也要關注前沿的與本專業(yè)有關的科技，與時俱進豐富自己的視野。這次實驗的編寫程序對于我們也是一個很大的挑戰(zhàn)，在老師講解下我們也初步了解編程，通過反復的實驗終于調好了自己的程序，完成了這些簡單程序編寫。5.2 感