吉林大学大学生创新性实验计划项目申请书范文

项目编号 吉林大学吉林大学 大学生创新性实验计划大学生创新性实验计划 项项 目目 申申 请请 书书 项目名称 基于行星履带的无线控制搜救机器人 项目负责人 学院 年级 专业 联系电话 电子邮件 指导教师姓名 职称 填表日期 年 月 日 吉林大学教务处制表吉林大学教务处制表 填填表表说说明明 一 吉林大学大学生创新性实验计划项目申请书 要按顺序逐项填 写 填写内容要实事求是 讲究诚信 不能有雷同 表达要明确 严谨 空缺项要填 无 要求一律用 A4 纸打印 于左侧装订成册 二 申请参加 吉林大学大学生创新性实验计划 项目团队人数不 得超过 5 人 1 人为项目负责人 参与合作研究者 4 人以内 三 申请参加 吉林大学大学生创新性实验计划 项目的个人或团 队必须聘请教师作为项目指导教师 并请指导教师在申请书上签名 四 吉林大学大学生创新性实验计划项目申请书 由项目负责人所 在学院初审 签署意见后报送教务处实习与实验教学科 一式 3 份原件 五 项目编号 由教务处填写 1 项目名称基于行星履带的无线控制搜救机器人 申请经费 元 起止时间2010 年 7 月至 2011 年 5 月 教学号姓名年级所在学院 专业联系电话 E mail 负 责 人 二年级 二年级 二年级 二年级 参 加 成 员 二年级 姓名 学院职称指 导 教 师 E mail 联系电话 签 名 2 一 项目申请理由一 项目申请理由 包括项目背景及自身具备的知识 素质 能力和已参加过的研究等条件 1 项目背景 项目背景 很多自然灾害 让我们难以预测和防范 这些灾害往往会带来很大的损失和伤害 随着科技的进步 发展 搜救机器人在各种抢险救灾中发挥着越来越重要的作用 而现有的搜救 机器人一般结构复杂 制作成本高 难以投入实际应用中 鉴于此 我们创新的提出了一种基于 行星式履带行走机构的搜救机器人 并实现对搜救机器人的无线控制和 GPS 导航 使其发挥更大 的作用 为我国的抗震救灾事业贡献出自己的一份力量 2 自身具备的素质 自身具备的素质 xxx 负责人 负责人 学习成绩优秀 做事认真负责 积极向上 有良好的组织能力 能够团结 队友 还有较强的调研能力 曾经参加过的研究和所具备的能力 1 大一参加过汽车学院的本田节能车项目 隶属于发动机组 负责发动机排量和压缩比的 改进 2 大一参加过全国数学建模竞赛 但由于经验不足 只取得了鼓励奖 3 大二参加汽车学院的 FSAE 项目 隶属于悬架组 做过有关防倾杆 阻尼器 轮辋的调 研和研究 4 能熟练应用 CATIA 三维建模软件 参加过培训 熟悉常用 CAE 软件 如多体动力学软 件 ADAMS Recurdyn 前处理软件 hypermesh 后处理软件 abaqus xxx 学习成绩优秀 做事认真负责 曾参加过的研究和所具备的能力 1 大二参加汽车学院的 FSAE 项目 隶属于转向组 做过有关转向器的调研设计工作 2 原计算机学院学生 擅长 C C 语言程序编写 xxx 学习成绩优秀 校二等奖学金 做事认真负责 大一参加过数学建模竞赛 由于经 验不足未能获奖 对单片机程序编写比较了解 xxx 学习成绩优秀 做事认真负责 大二参与了通信学院的足球机器人的研究工作 主要 负责视屏信号采集 xxx 学习成绩优秀 做事认真负责 擅长机械设计 3 二 项目研究内容二 项目研究内容 目前研究的现状 主要研究内容 重点和难点及可能的创新点 研究思路 和方法等 1 1 总述总述 1 11 1 设计总述设计总述 我们设计的这一款基于行星履带式行走机构行星履带式行走机构的无线控制无线控制搜救机器人具有以下特点 1 创新性的将行星机构与履带结合 提高了搜救机器人的越障能力 尤其是客服 了履带式行走机构无法翻越梯度较大障碍的弱点 2 配套的设计了铰接式车身 提高了搜救机器人的通过性 3 基于无线控制的搜救系统 更加灵活方便 可实现远距离遥控 提高了机器人 的实用性 4 各种传感器与 GPS 定位系统的添加 使得实际该机器人真正能投入到市场 通过 CATIA 的三维建模我们初步得到行走机构的三维模型如下图 1 21 2 设计的技术要求及指标设计的技术要求及指标 1 2 11 2 1 设计的技术要求设计的技术要求 针对我们构想的搜救机器人所要实现的功能 结构以及工作环境 对搜救机器人 存在以下要求 4 保证机器人能够在各种路况下稳定的行走 有视觉采集装置 摄像头 遥控装置 按照人的意识行走 生命探测装置 人体热释电传感器 1 2 21 2 2 设计的技术指标设计的技术指标 要保证机器人能够在不平坦的废墟中稳定地行走 则要求机器人具有一定的越障 能力和行驶稳定性 这是我们工作的重点也是我们创新的地方 我们设计了一种行星行星 式的履带行走机构式的履带行走机构 能够适合各种路况 并且配套设计了铰接式车身 更加增强了机 器人的越障能力 有很强的实用性 符合我国国情 但是无论越障能力再强 也有机器人自身大小无法克服的障碍 因此是机器人选 择适当的路径也是很重要的 为了使机器人能够感知路面情况 从而选择有利行走的 线路 达到目标位置 我们为此设计了摄像机构 并添加各种传感器模块 然后将采 集到的信息通过无线电传送到主控制机 在救灾人员的遥控下 选择最佳的行走路线 为了能够真正投入到实际的救灾搜救中 我们添加了各种传感器和 GPS 定位导航系统 这样的机器人才真正具有市场价值 2 2行星履带式机器人的机械设计行星履带式机器人的机械设计 创新点 重点创新点 重点 2 2 1 1 行走方式的选择及国内外研究现状 常见的行走机构有以下三种形式 履带式 车轮式 步行式 步行式行走机构难以控制 而且行走速度较慢不适合于救灾 所以轮式的行走机 构国内外都不够成熟 不能投入到实际应用当中 轮式行走机构最适合平地行走 不能跨越高度 不能爬楼梯 虽然速度较快 但 无法适合救灾中复杂的地形地貌 然而履带式行走机构有着自身独特的优点 第一 履带式行走机构支撑面积较大 接地比压小 适合松软或泥泞场地作业 下限度小 滚动阻力小 通过性好 越野机动性能好 尤其是爬坡性能优于轮式行走 5 机构 第二 履带式行走机构转向半径极小 可以实现原地转向 其转向原理是靠两条 履带之间的速度差实现转向 第三 履带的支撑表面上有履齿 不易打滑牵引附着性能好 有利于发挥较大的 牵引力 鉴于以上三条 履带式行走机构有着得天独厚的优点 在越障救灾方面普遍采用 履带式行走机构 传统的履带式行走机构及其缺点传统的履带式行走机构及其缺点 但是这种单纯的靠两条履带的行走机构最大的弱点就是无法翻越比自身履带轮半 径大的 梯度较高的障碍 例如上下楼梯 翻越大型石块 鉴于此 很多人对履带装 置做些改造 增强了履带的适应性 常见的有 双关节 多关节履带式行走机构 双关节 多关节履带式行走机构 6 以上两种机器人采用的是给主车体添加一个前摆臂 机器人通过调节摆臂关节角度适 应地面的变化 越障过程中不断调解前摆臂的角度 来实现对阶梯的翻越 但由于加 了摆臂 驱动控制起来就有点复杂 不但要给机体本身施加动力 而且关节处还有施 加相应的驱动 尤其是前臂何时抬起 抬起到什么角度 需要多大的力 都需要进行 精确的计算 这样关节式履带机器人往往造价较高 无法普及 不符合我国国情 轮履复合式行走机构轮履复合式行走机构 这种行走机构一般分为三节 中间是轮式 两边为履带摆臂 采用这种机构可以 充分发挥轮式的快递性 又可以突出履带式良好的地面适应性 但同样这种设计造价 很高 不宜推广 以上三种设计主要是为了克服履带不能翻越梯度较高的障碍这一缺点 但普遍存 在造价高 机构复杂 难以控制的通病 2 1 2 行走机构方案设计 鉴于上述的介绍和分析 我们设计了一种基于行星机构的履带式行走机构 这种 设计机构简单 在保证履带式行走机构优点的前提下 克服了履带式行走机构不能翻 越梯度较高的障碍这一弱点 创意来源 创意来源 此次的创意来源与生活 如下图所示 7 这种常见的用于上下楼梯的行李车就是采用了三角式的行星装置 我们受此启发 集合行星轮与履带 创造出了这种行星履带式的行走机构 三角行星式履带内部结构及翻转原理三角行星式履带内部结构及翻转原理 三角行星结构原理图如图所示 M 三角行星结构原理示意图 具体工作原理为 由直流电机 8 驱动中心齿轮 5 转动 来带动过渡齿轮 4 和驱动 齿轮 2 进行转动 而驱动齿轮 2 和履带轮 1 是固接在一起的 从而带动履带轮轮 1 绕 驱动轮轴 3 转动 将这种三角行星装置合理的添加到履带行走机构上 就能够克服履带不能翻越较高 梯度障碍这一弱点 在梯度较为平缓的路况下 该机构和正常的履带式行走机构一样 有较好的适应 性和通过性 能适应大多数路况 当遇到较大梯度的障碍时 这种行星机构就显示出了自己独特的优势 克服了传 统履带不能翻越高梯度障碍的弱点 其工作原理如下所述 当履带轮中的前行驶轮无 8 法越障时 该行走机构由定轴轮系转变为行星轮系 行星轮架转动 空转轮变为前行 驶轮 原前行驶轮变为后行驶轮 后行驶轮变为空转轮 也就是说 该行走机构通过 驱动轮在定轴轮系和行星轮系的的转换提高越障能力 如下图所示 当行星履带式行走机构回到正常行驶状态时 任意两个履带轮间的履带接地 系 杆 7 不能转动只能随车沿路面平动 此时驱动轮系演变成定轴轮系 实现在低梯度路面 的快速行驶 这样 传统的履带式行走机构的优势依然保留 行星轮系越障轮不需要借助复杂的辅助机构 甚至比单纯的履带更简单 来实现 平面上运动与越障运动之间转换 因此作业时具有很高的可靠性 因此这种机构实用 性强 造价低 适合普及 铰接式车体的设计及运动原理铰接式车体的设计及运动原理 结合三角行星翻转原理分析 行星机构在遇到小型障碍时可以凭借三角机构的自 动翻转通过 但是翻越大型障碍 则有较大的难度 而结合了链接式车体后 越障能 力则大大加强 结合链接式车体后的行星轮通过垂直障碍运动过程如下图所示 9 这样 铰接式车身的设计更增强了救灾机器人的通过性和对路面的适应能力 对于搜救机器人机械结构的具体参数设计我们会在后期的设计阶段中借助于 ADAMS recurdyn 等多体动力学软件辅助设计 该设计主要考虑到的因素有 1 可跨越最大垂直障碍高度 2 最小转弯半径 3 静态稳定性 2 22 2 运动的实现运动的实现 此次设计的行星履带式行走机构的动力来源于电机驱动 同时机器人的转向依 靠两侧履带的速度差实现 鉴于此 我们一共需要四个电机作为动力源输出动力 前 部分车身左右各一个电机 后部分左右各一个电机 前部分车身的每个电机 通过一 些齿轮或链条的传动 分别控制左右两个轮的转动 后部分的两个电机分别控制左右 单个轮的转动 对于电机及其驱动模块的选择 在之后的详细设计中 我们会根据各种电机 10 直流电机 步进电机 伺服电机 和搜救机器人的具体质量 最大行走速度 轮径 并综合考虑各个工况计算出所需电机功率及其他参数 选择相应的电机 电机驱动模 块和蓄电池 3 3 搜救机器人的控制系统设计 难点 学科交叉 搜救机器人的控制系统设计 难点 学科交叉 3 13 1 人工遥控的实现人工遥控的实现 人工控制的实现也就是搜救机器人的无线控制的实现 通过搜救机器人与控制 计算机 PC 的信号交流 人为的控制搜救机器人的运动 大大提高了搜救的效率 为了使搜救机器人实现无线控制 希望它能够满足一下要求 1 运行稳定 能 够方便的配置不同类型的传感器和 CCD 摄像头 2 实现机器人与遥控 PC 机的良好通 信 实现稳定控制 3 23 2 搜救机器人的体系结构搜救机器人的体系结构 该机器人的体系结构采用模块化结构 各个模块都是相对独立的运行 协调工 作 其硬件总体框图如下图所示 其中机器人微控制器系统主要是由控制主板及其扩展板组成 它们负责完成传 感器的信号采集 电机控制以及与遥控 PC 机的通讯三大任务 机器人的运动控制及 执行机构系统是机器人的动作执行部分 具体完成机器人的各个动作 如前进 后退 转弯等 通过对步进电机的控制 就能够控制机器人的转速与转向 搜救机器人的通 讯系统对于整个系统的稳定运行起着至关重要的作用 因为机器人的运动是远离控制 计算机系统的 为了实现计算机与移动机器人之间的通讯 我们将采用无线通讯方式 3 33 3 搜救机器人的微控制系统搜救机器人的微控制系统 遥控计算机控制系统是整个机器人的核心部分 它决定了控制系统的性能优劣 也决定了机器人智能化的高低 经过长期的调研 我们了解到对于这种小型的移动机 11 器人 Arduino 控制主板是很理想的选择 Arduino 控制主板 是一块基于开放源代码的 USB 接口 Simple i o 接口板 包 括 12 通道数字 GPIO 4 通道 PWM 输出 6 8 通道 10bit ADC 输入通道 并且具有使 用类似 Java C 语言的 IDE 集成开发环境 Arduino 可以使用开发完成的电子元件例如 Switch 或 sensors 或其他控制器 LED 步进马达或其他输出装置 Arduino 也可以独立运作成为一个可以跟软件沟的接 口 例如说 flash processing Max MSP VVVV 或其他互动软件 Arduino 开发 IDE 接口基于开放源代码原 而且在中国的代理公司网站可以下载到很多代码源与教程 方便我们对其开发 Arduino 控制主板的特色有 1 开放源代码的电路图设计 程序开发接口免费下载 也可依需求自己修改 2 使用低价格的微处理控制器 ATMEGA8 或 ATmega168 可以采用 USB 接口供电 不需外接电源 也可以使用外部 9VDC 输入 3 可简单地与传感器 各式各样的电子元件连接 EX 红外线 超音波 热敏电阻 光敏电阻 伺服马达 等 4 可依据官方提供的 Eagel 格式 PCB 和 SCH 电路图 简化 Arduino 模组 完成 独立运作的微处理控制 5 支持多种互动程序 如 Flash Max Msp VVVV PD C Processing 等 6 应用方面 利用 Arduino 可以使用鼠标 键盘 CCD 等输入的装置 3 43 4 视觉采集装置及生命探测装置的添加视觉采集装置及生命探测装置的添加 3 4 13 4 1 视觉采集装置视觉采集装置 但是无论越障能力再强 也有机器人自身大小无法克服的障碍 因此是机器人选 择适当的路径也是很重要的 为了使机器人能够感知路面情况 从而选择有利行走的 12 线路 达到目标位置 我们为此设计了摄像机构 通过摄像对路面情况的反应 在救 灾人员的遥控下 选择最佳的行走路线 为了更多的发挥摄像机的功能 我们基于监控技术中的云台理念 使摄像机能够 监控到各个方向的信息 全方位云台内部有两个舵机 分别负责云台的上下和左右各 方向的转动 将摄像头放在云台上 就可以控制摄像头的上下 左右的选择 大大提 升了摄像头的功能 图 摄像头及云台 舵机控制云台的转动 摄像头放在云台上 就可以控制摄像头的上下 左右 3 4 23 4 2 生命探测装置的添加生命探测装置的添加 由于现有的生命探测仪价格昂贵 而且在项目中也没有必要加入如此昂贵的仪器 所以我们用一种人体热释电传感器来代替生命探测仪的功能 热释电红外传感器是一 种能检测人或动物身体发射的红外线而输出电信号的传感器 适当的利用这种传感器 也可以实现生命探测 该传感器可以在较近的范围能感受到人体发射的红外线 当捕 捉到这样的信息以后就反馈给控制机 工作人员便有目标的进行搜救 增援 3 53 5 各种传感器的添加各种传感器的添加 为了能够更好的了解搜救机器人及其周围环境的情况 有必要加入一些传感器 实现机器人与控制人员的信息交流 我们初步决定要加入的传感器有 13 1 温度湿度传感器 感受外界温度与湿度 2 陀螺仪 测量角速和角度的传感器 一般用来对机器人进行姿势修正 3 速度与加速度传感器 测量机器人的速度与加速度 更好的了解机器人的行 驶状况 4 超声波传感器模块 可以通过该模块了解到确切的障碍物的距离 更好的实 现避障 以上传感器的具体选择将在后期工作中进行 3 63 6 无线通讯模块的硬件设计总述无线通讯模块的硬件设计总述 无线通信环节是整个系统的关键部分 它联系着作业现场的搜救机器人和遥控 处的计算机 是图像信息 传感器信息和控制信息的传输通道 这套遥控系统由遥控 计算机 搜救机器人 数据无线通讯系统 图像无线传输系统组成 图像无线传输系 统将搜救机器人前方的摄像头图像传输到遥控计算机上 合成立体图像 供操作者使 用 数据无线通讯系统负责在搜救机器人和遥控计算机之间传递搜救机器人的状态参 数以及遥控控制命令 3 6 13 6 1 数据无线通信系统数据无线通信系统 数字无线通信系统实现了遥控计算机和机器人双向的数据交换 经过我们长期 的调研 我们初步选定了 APC220 这款价格适中 传输距离较长 1000 米 包含天线 的无线串口数据传输模块模块 该产品有以下优点 1 体积小 约为 39mm x 19mm x 2 8mm 并且接受发射合一 2 工作频率为 431MHz to 478MHz 国际通用的数传频段为 433MHz 3 工作温度为 20 70 摄氏度 能适合大部分的温度状况 4 接受灵敏度高 117dBm 1200bps 14 5 传输距离较长 可达一千米 3 6 23 6 2 图像无线传输系统及立体视频显示图像无线传输系统及立体视频显示 图像无线传输系统是遥控系统中的重要模块 为遥控操作人员提供可靠的视觉 信息 经过调研 我们初步采用下图所示的摄像产品 2 4G 无线摄像头套装 该无线摄像头有如下优点 1 图象清晰 能兼容大多数监控软件 2 Windows 操作系统可识别 3 尺寸小 65 40 25 毫米 便于布置 4 重量轻 减少机器人载荷 3 73 7 搜救机器人的控制系统软件搜救机器人的控制系统软件 控制软件是机器人控制系统的重要组成部分 控制软件的好坏直接影响到系统 所能实现的功能 控制的准确度及可靠性 不仅要求高效 而且易读易懂 易于调试 修改 同时还要求有一个友好的人机交互界面 对于此次设计的搜救机器人来说 要 求做到能实现机器人的直线前进 后退 拐弯等动作 归根到底就是对各个电机转速 的控制 在精力足够的情况下 我们会利用计算机语言努力开发一款适合于本机器人的 控制系统软件 实现对机器人的控制 即使没有足够的精力 我们也可以借助于现有的机器人控制软件实现对该搜救 机器人的控制 经过调研 我们初步选定了如下控制软件 履带 轮式 4WD 小车控制 软件 该软件具有控制球和视频显示 15 该软件有如下优点 1 自动识别连接电脑的 USB 游戏手柄 2 自动识别连接电脑的摄像头 3 使用串口通讯 可使用无线数传模块远程控制 4 可显示 3 路红外测距 GP2D12 参数 5 可显示 3 路超声波测距 URM37V3 2 URM04V2 0 SRF08 等等 参数 6 可显示 3 路加速度 3 轴加速度传感器 参数 7 可显示电机控制球 X Y 方向速度 8 可显示云台控制球 X Y 方向速度 9 机器人状态显示 3 83 8 基于基于 GPSGPS 的移动机器人导航系统的移动机器人导航系统 为了让机器人能够顺利 可靠的完成工作任务就必须有较高精度的定位导航系统 提高搜救机器人搜救的目的性 该系统需要用到的设备有 GPS 信号接收机 主要包 括 天线 信号接收处理单元 记录装置 输入 输出单元 下图是我们调研到的用于 小型移动机器人上的 GPS 模块 16 该模块是 USGlobalSat 出品的 EM 406A 基于高性能的 SiRF StarIII 芯片组的 GPS 模块 该模块体积小巧 定位精度可达到五米 十分适合小型机器人 3 93 9 各个模块间的系统集成及协调工作 难点 各个模块间的系统集成及协调工作 难点 如何使上述各个硬件模块能够协调工作 是我们实现无线控制的关键所在 在 后期的项目实现过程中我们将解决如下几个问题 1 计算机与控制板间无线通信的数据交换 2 控制计算机 PC 接收 发射部分编程 3 机器人控制板收发部分编程 4 机器人运动执行机构与控制板间的数据交换 5 各传感器与控制板间的数据交换 注 此栏可附页 17 三 项目进度安排三 项目进度安排 查阅资料 选题 自主设计项目研究方案 开题报告 实验研究 数据统 计 处理与分析 研制开发 填写结题表 撰写研究论文和总结报告 参加结题答辩和成果推广 等 整个项目的实施需要大致一年的时间 结合我校的教学时间安排 初步的计划进度安排及 时间节点如下 1 2010 年 7 月初 8 月初 完成机器人所有的机械设计 该内容包括 机器人车体的 制作材料 车体长宽高的参数设计 履带参数的选择 传动齿轮参数的选择 各个模块的在车内 部的总体布置等 这个阶段的工作主要通过 ADAMS Recurdyn 等多体动力学软件的动力学仿 真分析优化 并结合详细的市场调研 选材尽量做到通用化 标准化 有利于生产 2 2010 年 8 月初 10 月初 进一步改进机器人的机械设计 并完成机器人行走机构部 件的订购和加工组装 3 2010 年 10 月初 2010 年 12 月初 完成机器人控制模块的设计 这一阶段要在大 量调研的基础上完成整个控制系统中各个模块参数的设定 匹配以及后期的选购 这一阶段的工 作涉及到了学科交叉 是项目的难点 4 2010 年 12 月初 2011 年 3 月初 机器人无线电控制的实现 这阶段主要通过研读 各个模块的产品说明书 设计各个模块的接口电路及