军用爬楼机器人运动学、动力学分析及遥控装置的设计.doc

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1、中国人民解放军炮兵学院毕 业 设 计 军用爬楼机器人运动学分析及遥控装置的设计毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交

2、毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完

3、全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日指导教师评阅书指导教师评价：一、撰写（设计）过程1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神 优 良 中 及格 不及格2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度 优 良 中 及格 不及格3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 优 良 中 及格 不及格4、研

4、究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性 优 良 中 及格 不及格5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”

5、）指导教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日评阅教师评阅书评阅教师评价：一、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）评阅教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日教研室（或答

6、辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）评价：一、答辩过程1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况 优 良 中 及格 不及格2、对答辩问题的反应、理解、表达情况 优 良 中 及格 不及格3、学生答辩过程中的精神状态 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明

7、书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格评定成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）教研室主任（或答辩小组组长）： （签名）年 月 日教学系意见：系主任： （签名）年 月 日摘 要楼梯是人造环境中的最常见的障碍，也是机器人移动作战最难跨越的障碍之一。本论文主要研究爬楼机器人行走机构的结构设计。在深入分析爬楼机构及其攀爬对象的基础上，设计了相对优势较明显的轮组结构爬楼机器人。对机器人小车的运动学模型进行分析，论证。本文介绍了具有四角行星轮驱动系统的爬楼小车，在路况良好的情况下，运动子轮平稳行驶，遇到小型障碍四角机构自动翻转轻松翻越障碍。四角轮式系统能适应不断变化的地面特性

8、，攀越楼梯等复杂障碍，具有极强的机动性、灵活性和地面适应性。通过对爬楼小车运动学和动力学分析。设计了小车的遥控装置，对车载可附属设备进行了简单介绍。论文所作的工作，为进一步设计结构性能更优，控制智能更高的爬楼机器人搭建了良好平台。关键字： 行星轮 机器人 运动学 遥控器目录摘 要11 绪 论11. 1课题研究的目的和意义11. 2移动机器人的发展概况11.3爬楼梯机器人的研究现况22 爬楼机器人结构原理32. 1爬楼梯机器人总体方案设计32.1.1爬楼机器人的设计要求32. 1. 2爬楼机器人的总体方案42. 2.爬楼机器人传动设计42.2.1轮组单元的传动设计及基本原理42. 2. 2爬楼机

9、器人结构设计52. 2. 3小车物理样机设计参数62.3电机功率计算63爬楼梯机器人小车的运动学建模及通过性分析73. 1爬楼机器人运动学分析73.1.1前提与假设73. 1. 2机器人模型的运动学分析83.2爬楼机器人通过性分析93. 2. 1可跨越最大垂直障碍高度93. 2. 2最小转弯半径104 小车遥控装置设计104.1红外遥控装置工作原理104.2红外遥控装置设计124.2.1 红外线遥控装置的发送器134.2.2 红外线遥控装置的接收器145 车载装置155.1装载武器系统165.2装载侦测系统166 结束语16参考文献17附录171 绪 论 自盘古开天辟地，人类诞生以来，人们就一

10、直用智慧开辟着完美的生活!进入崭新的21世纪，人类除了致力于自身的发展外，还十分关注机器人、外星人和克隆人等问题。机器人正是本论文研究的对象。 “机器人”这人名词对许多人来说，并不陌生。从古代的神话传说，到现代的科学幻想小说，戏剧，电影和电视，都有许多关于机器人的精彩描绘。而且越来越多的机器人出现在我们的生活生产中，更多科学工作者和业余爱好者也投入到机器人研究的行列当中来。 机器人应用范围遍及工业、水利科技和国防的各个领域。在“机器人王国”日本，一直拥有全世界60%左右的机器人，工业机器人应用于最多的工业部部门依次为家用电器制造、汽车制造、塑料成型、通用机械制造和金属加工等工业，而且正应用于更

11、多的新领域中。在军事领域，机器人的广泛应用也成为了不可阻挡的军事变革趋势，在新的历史条件和世界格局下，可以说机器人正在也必将代替人类完成更多军事任务。1. 1课题研究的目的和意义随着美军参与实战的机器人士兵现身近几场战争，军用机器人进入了实用化阶段，无人战斗装备将成为减少军队伤亡、节省军费开支的有效手段。在我国，警用保安机器人已进入实用化阶段，但军用机器人的研制大多还处于论证阶段，鉴于我国面临的严峻国内国际形势，为了在未来“信息及尺度不均衡战争”中能与敌实施有效的抗衡,尽早开展高机动性、强适应性、低成本智能无人地面武器机动平台技术的研究,对于军事作战、反恐、捍卫国家主权和领土完整有着重大的现实

12、意义。越障机器人的研究，对适应未来战场需要，扩展作战空间，完成广袤战场的侦查，顺应瞬息万变的高技术战场环境具有重大意义。另外，越障机器人还可用于工业中的一些险难作业，不仅可提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境.减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。楼梯是人造环境中的最常见的障碍，也是最难跨越的障碍之一，爬楼梯机器人的研究是解决当前全自主机器人在非结构环境下正常工作的重要环节之一。爬楼梯机器人可应用于危险环境探查、侦察、救灾、导盲、助残、搬运、清扫、维修、安装等作业，其实际意义重大。1. 2移动机器人的发展概况 机器人一词最早使用是在

13、1920年捷克作家卡雷尔查培克的剧本罗萨姆的万能机器人中，剧中机器人(Robot)这个词的本意是苦力，即剧作家笔下的一个具有人的外表、特征和功能的机器，是一种人造的劳力。西周时期，我国的能工巧匠堰师就研制出了能歌善舞的伶人，这是我国最早记载的具备有机器人概念的文字资料。春秋后期，我国著名的木匠鲁班在机械方面也是一位发明家，据墨经记载，他曾制造过一只木鸟，能在空中飞行“三日而不下”，体现了我国劳动人民的聪明才智。 要给机器人下个合适的和为人们普遍同意的定义是困难的。就目前各种定义的共同之处来说，即认为机器人(1)像人或人的上肢，并能模仿人的动作;(2)具有智力或感觉与识别能力;(3)是人造的机器

14、或机械电子装置。“智能机器人”是一种集数学、物理、化学、生物、机械、电子、材料、能源、计算机硬件、软件、人工智能等众多领域的科学与技术知识于一身的综合技术平台。机器人技术的迅速发展，已对许多国家的国防工业生产、太空和海洋探索、以及整个国民经济和人民生活产生了重大影响，而且这种影响必将进一步扩大。 目前在工业上运行的90%以上的机器人，都不具有智能。随着工业机器人数量的快速增长和工业生产的发展，对机器人的工作能力也提出更高的要求，特别是需要各种具有不同程度智能的机器人和特种机器人。这些智能机器人，有的能够模拟人类用两条腿走路，可在凹凸不平的地面上行走移动;有的具有视觉和触觉功能，能够进行独立操作

15、、自动装配和产品检验;有的具有自主控制和决策能力这些智能机器人，不仅应用各种反馈传感器，而且还运用人工智能中各种学习、推理和决策技术。智能机器人还应用许多最新的智能技术，如临场感技术、虚拟现实技术、多智能体技术、人工神经网络技术、遗传算法和遗传编程、仿生技术、多传感器集成和融合技术以及纳米技术等。21世纪的机器人智能水平将提高到更高的水平，令人赞叹。 移动机器人是机器人学中的一个重要分支，是一类能够通过传感器感知环境和自身状态，实现在非结构环境下，动态决策与规划、行为控制与执行等多项功能于一体的高智能化机器系统。它与机器人学、计算机视觉、多传感器信息融合、智能控制以及多智能体C Multi-A

16、gent、机械学等学科密切相关，体现了信息科学和人工智能技术的最新成果，具有重要的军用及民用价值，是现代机器人学中一个重要而且相当活跃的研究领域。自上世纪90年代以来，以研制高水平的环境信息传感器和信息处理技术、高适应性旷移动机器人控制技术，真实环境下的规划技术为标志，开展了移动机器人更高层次的研究。国内在移动机器人方面的研究起步较晚，主要的研究工作有:清华大学的THMR-V自驾驶小车，香港城市大学的自动导航车和服务机器人，中国科学院沈阳自动化研究所的防爆机器人，中国科学院自动化所自行设计和制造的CASIA-I全方位移动机器人视觉导航系统等。1.3爬楼梯机器人的研究现况 机器人作为一种自动化的

17、机器，所不同的是这种机器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。对不同任务和特殊环境的适应性，也是机器人与一般自动化装备的重要区别。非结构环境中的多功能全自主的移动机器人技术多年来一直是机器人研究中的热点问题之一。但是非结构环境给移动机器人的运动造成了自主决策和路径规划的困难。越障机器人的研究，对扩展机器人的作业空间，在人不能到达或不便到达的环境中进行作业，具有重要的意义。越障机器人还可用于工业中的一些险难作业，不仅可提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境.减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低

18、生产成本，有着十分重要的意义。其中，移动机器人从事各项事务响应任务时，楼梯是人造环境中的最常见的障碍，也是最难跨越的障碍之一。针对各种不同的运动环境，一直以来移动机器人所采用的运动方式大体包括轮式、履带式、足式等。 总结目前国内外现有的爬楼梯装置和专利，按爬楼梯功能实现的原理主要分为履带式、轮组式、步行式爬楼梯装置。下面分别对国外、国内各种类型装置的发展作简要介绍，并分析其各白优缺点。 (1)履带式 履带式爬楼梯装置的原理类似于履带装甲运兵车或坦克，其原理简单，技术也比较成熟。英国Baronmead公司开发的一种电动轮椅车，底部是履带式的传动结构，可爬楼梯的最大坡度为350，上下楼梯速度为每分

19、钟15-20个台阶。法国Topchair公司生产的电动爬楼梯轮椅，它的底部有四个车轮供正常情况下平地运行使用，当遇到楼梯等特殊地形时，用户通过适当操作将两侧的橡胶履带缓缓放下至地面，然后把这四个车轮收起，依靠履带无需旁人辅助便能自动完成爬楼等功能。履带式结构传动效率比较高，行走时重心波动很小，运动非常平稳，且使用地形范围较广，在一些不规则的楼梯上也能使用。它除了具备爬楼梯功能外，也能作为普通的电动轮椅使用。但是这类装置仍存在很多不足之处:重量大、运动不够灵活、爬楼时在楼梯边缘造成巨大的压力，对楼梯有一定的损坏;且平地使用所受阻力较大，而且转弯不方便，这些问题限制了其在日常生活中的推广使用。 (

20、2)轮组式 轮组式爬楼梯装置按轮组中使用小轮的个数可分为两轮组式、三轮组式以及四轮组式。单轮组式结构稳定性较差，在爬楼过程中需要有人协助才能保证重心的稳定;而双轮组式虽能实现自主爬楼，但由于其体积庞大且偏重，影响了它的使用范围。 (3)步行式 早期的爬楼梯装置一般都采用步行式，其爬楼梯执行机构由铰链杆件机构组成。上楼时先将负重抬高，再水平向前移动，如此重复这两个过程直至爬完一段楼梯。步行式爬楼梯装置模仿人类爬楼的动作，外观可视为足式机器人，采用多条机械腿交替升降、支撑座椅爬楼的原理。步行式爬楼梯装置爬楼时运动平稳，适合不同尺寸的楼梯;但它对控制的要求很高，操作比较复杂，在平地行走时运动幅度不大

21、，动作缓慢。 (4)复合类机器人 基于履带式、轮式、腿式移动机器人的优缺点，在研究中，采用了腿一履复合和轮-腿一履带复合等结构。设计主要是依靠腿式机构来完成越障，以及履带平稳性和轮组的灵活性来达到功能的完整。机器人摆臂在一定范围可上下摆动，辅助越障、攀爬，具有较强的越障性能、路面通过性和上下台阶能力。但是各种机构的复合也给控制方面提出了更高的要求，而且爬楼过程中的稳定性、如何适应不同尺寸的楼梯、如何实现手动操作省力与省时的问题以及反向自锁等问题仍然存在。 综上所述，国外在爬楼梯装置方面的研究已经有一百多年的历史，成果也较多，但是它们大多结构复杂、造价昂贵，远远超出了发展中国家人民的经济承受能力

22、。国内的研究相对较晚，虽然也诞生了很多专利，但由于受到体积、重量、稳定性及安全性的限制，还没有产品真正投入使用。由此可见，为了解决移动机器人使用受限的问题，同时考虑到我国经济承受能力，需要研究一种价格低廉、功能多样的爬楼梯装置。 2 爬楼机器人结构原理2. 1爬楼梯机器人总体方案设计2.1.1爬楼机器人的设计要求比较现有爬楼梯装置，综合分析其各自优缺点。见下表2. 1所示。 表2. 1典型移动机构的性能对比表移动机构方式轮式履带式腿式移动速度快较快慢越障能力差一般好机构复杂程度简单一般复杂能源消耗小较小大控制难易程度易一般复杂经分析，设计的爬楼梯装置要解决的几个基本问题 (1)爬楼梯装置在爬楼

23、梯过程中的稳定性是影响其实用安全性的重要指标; (2)使用安全性; (3)对于多功能爬楼梯装置，如何实现平地模式与爬楼模式之间的平滑切换也是重要的问题。 其次，爬楼机器人还要满足以下几个基本要求: (1)我国建筑楼梯模数协调标准规定:楼梯踏步高度“不宜大于210mm，并不宜小于140mm;楼梯踏步宽度b，应采用220, 240, 260, 280, 300, 320mm;楼梯踏步高与宽的关系式:2a + b _ 600(“a-踏步高，b-踏步宽)。机器人要适应规定的尺寸范围，能够顺利的上下楼梯，即强调它的强适应性。 (2)爬楼机器人的动力系统的参数要符合，国标GB 12996-91电动轮椅车的

24、主要技术性能标准。2. 1. 2爬楼机器人的总体方案 经综合分析，本课题确定采用爬楼梯优势较强的轮式机构。爬楼机器人要求具有在平面行驶和爬楼梯的功能(楼梯规格:140_a_210, 220_b_320)，当然也具备转向避障和良好的行走线性轨迹。本论文设计的轮组式爬楼梯机器人的整体结构由两部份组成，包括位于机器人中间部位由四个轮组驱动的主车架，以及轮组机构。2. 2.爬楼机器人传动设计2.2.1轮组单元的传动设计及基本原理如图2. 2所示，轮组采用行星轮式结构，包括传动轴，过渡齿轮，中心齿轮，小车轮和驱动齿轮轮组的机械原理:车体重量通过轴承间接承载在四个轮组上，轮组中的所有齿轮都绕转臂上的小轴转

25、动，当电机动力传到传动轴时，轴带动中心齿轮转动，中心齿轮带动过渡齿轮转动，再传给驱动齿轮，由于小车轮与驱动齿轮固连，机器人前进。当车轮组机构运行在平直的路面上时，受两个车轮同时着地的约束限制，转臂不能转动只能随车沿路面平动，此时驱动轮系为定轴轮系，实现机构在平直面上的快速行驶; 当小车遇上台阶时，由于台阶与车轮的摩擦力，行星轮的齿轮系都被锁住，无法转动，这时整个行星轮板在中心齿轮的驱动下，变成一个类轮机构转动，从而带动小车爬上台阶。图2. 2轮组机构示意图 2. 2. 2爬楼机器人结构设计(1)轮组单元的结构设计 轮组的结构尺寸范围根据楼梯的踏步高a和踏步宽b两个参数来确定。建筑楼梯模数协调标

26、准规定楼梯踏步高度不宜大于210mm，并不宜小于140mm;楼梯踏步宽度，应采用220, 240, 260, 280, 300, 320mm;楼梯踏步高与宽的关系式:2a + b _ 600 ( a一踏步高b一踏步宽)。 根据以上条件可知:bmin =220, a min =140, a max =190mm;如图2.4所示，有以下关系L=取b，a则rx220得到184.4mm同理取得b，a，有134.4m轮组结构的最大值r可通过a和b得到，如图2.5所示 ，得到130.4根据以及的范围，取恰当的值，可以得到轮组结构转臂宽，如图.所示综合上述条件公式可以得到轮组结构的主要参数（R，r以及t）所

27、设计出来的轮组是以最小楼梯为基础，并满足最高楼梯尺寸的要求，当在更宽尺寸楼梯行驶时，一次翻滚发生滑移便接着进行二次翻滚爬行，所以能够自动适应各种规格的楼梯，具有强适应性。 2. 2. 3小车物理样机设计参数按照上节的设计，我们确定制作物理样机的主要参数如下:车体长:L=782 mm;车体宽:Y=660 mm;车体重心高度:h=100mm;车体质量:M=61Kg;车体重心位置:两个车轮组回转中心连线的中点;车轮组中心轴到小车轮圆心的距离R=180mm;车轮组半径:r=80mm;车轮组中心齿轮半径:r1=60mm;车轮组过渡齿轮半径:r2=30mm;小车轮驱动齿轮半径:r3=60mm;2.3电机功

28、率计算 根据装置平地和爬楼两种不同的运动情形，分别计算驱动电机所需的功率。设装置机架的质量mb为25kg，每个轮组的质量ms为4kg，加载设备的最大重量m、不超过20kg，因此车体和负载的总质量上限为61kg。该总质量由四个轮组共同分担，取车轮与地面之间的附着系数 为0. 710(1)平地所需功率 轮组在电机驱动下，克服小的行驶阻力旋转前进，此时有八个小车轮同时着地分担小车的重量。驱动轮承受的正压力:N=1/8(+)+1/2 *g=76.3N;驱动轮的附着力:=N=54.2N小车轮的直径d为160mm，轮组半径R为180mm。根据装置运行速度和车轮直径算得各参数如下。设平地运动最大速度为:v=

29、3. 5km/h=0. 97m/s ;小车轮最大转速为:=116rpm小车轮最大角速度为:=12.1rad/s小车轮受到的外力转矩为:=d/2=4.34Nm电机所需的功率为: =58.3W（其中电机传递的机械效率为=90%）由于是八个小车轮着地，则需要两个功率为4=233. 2W的电机。(2)爬楼所需功率 装置在爬楼时需要克服车体和负载的重力做功，估算重力作用线与驱动轴之间的垂直距离L为300mm。所需克服阻力矩为:M2=GxL= 1/2 (25+20) +2x4 *g*0. 3=91. 5Nm;爬楼最快速度:n2=4rpm ;驱动轮最大角速度：=1.57rad/s电机所需的功率为：=159.

30、6W 我们所选的电机是瑞士MAXON公司的空心杯无刷直流电机EC45 (136207)，电机性能参数如下:额定电压:24V;额定功率:250W;额定电流:7. 47A ;额定转速:4520rpm；最大连续转矩:310mNm;转子惯量:209gcm2.3爬楼梯机器人小车的运动学建模及通过性分析3. 1爬楼机器人运动学分析3.1.1前提与假设爬楼机器人在平地及越障等运动轨迹从宏观上看是曲线运动，但是从微观上它可以看成是由很多直线与圆弧、不同方向的直线、不同方向圆弧之间的拟合。所以轨迹控制的关键在于任意方向的直线运动以及任意方向圆的运动控制。为了便于分析，提出了如下假设:(1)车体，驱动轮与地面均为

31、刚体;(2)车轮的厚度忽略不计;(3)每个车轮组的四个小车轮简化成一个车轮且车子底盘重心与中心重合;(4)每个车轮与地面只发生纯滚动，即每瞬时与地面接触点的速度都等于零。3.1.2 机器人小车模型的简化选择固定在车体中心的坐标系XOY，如图所示。由于车轮组左右前后是对称分布的，根据假设，每个车轮与地面之间只发生纯滚动，因此可得出如下结论: (3.1)(3.2) 其中，表示左侧轮子移动的速度矢量，表示右侧轮子移动的速度矢量，由式(3.1), (3.2)可以看出，只要知道了前面2个轮子或者后面2个轮子的速度值和方向，就可以得到机器人所有4个轮子的速度和方向，据此，可将机器人模型进一步简化，用一个2

32、轮模型来加以分析，如图3.2所示。图3. 1机器人小车坐标系， a表示两侧轮子与原点O的横向距离;b表示两侧轮子与原点之间的纵向距离;表示两侧轮子与原点的连线和横向之间的夹角。的大小可由如下关系求出: =arctan(b/a) （3.3） 3. 1. 2机器人模型的运动学分析由于机器人不具有侧向移动机构，因此要让机器人一次实现侧向的移动是不切实际的，但是可以把这种移动分解为自转加直线前进或者自转加圆弧前进来实现。可以知道，有了自转、直线前进、圆弧前进这三组基本的运动单元，就可以实现任意曲线的行走。以下将分别就这3个基本运动单元来分别加以介绍。 1)机器人自转 设机器人自转的角速度为(以逆时针方

33、向为正)，则车体的运动与驱动轮的运动之间的运动关系如下:- (3.4)(3.5)由式(3.3)可得出所以上式可简化成: (3.6)(3.7)由此可得出所有轮子绕质心自转时的速度和方向情况。(2)直线前进设机器人前进的速度为，则车体的运动与驱动轮的运动之间的运动关系如下:(3.8) (3.9)可以看出，直线前进时，所有轮子的速度大小和方向相同，都等于车体运动的方向和速度 (3)圆弧前进 设机器人小车弧线的圆弧半径为R(即圆心到机器人质心的距离)，其质心绕圆弧前进的角速度为，则车体的运动与驱动轮的运动之间的运动关系如下: (3.10)(3.11)式中表示圆弧圆心与左轮的连线和X轴向间的夹角，表示圆

34、弧圆心与右轮的连到和X轴向间的夹角，如图3.3所示:和可由如下关系求得: (3 .12) (3.13)把它们带入上面的方程组，得:。= (3 .14)= (3.15)将以上三种情况的计算结果带入式(3.1),(3.2)，即可得到所有情况下的4个车轮组在二维平面的速度大小与方向。3.2爬楼机器人通过性分析3. 2. 1可跨越最大垂直障碍高度爬楼机器人小车除具有强劲的爬楼能力外，当然也具备一定的越障能力，下面我们分析一下车轮组的越障能力，如图3.4 图中:a障碍物高度; b障碍物宽度;一车轮组小车轮半径; R一为车轮组中心轴到小车轮圆心的距离;车轮组要攀爬上障碍物，必须满足以下关系: (3.16)

35、为保证越障时，障碍物不致卡死于两车轮之间，并且越障后的前轮能与障碍物可靠接触，障碍物的宽度要满足如下要求：即：b (3.17)根据我们制作的物理样机参数R=180mm, r=80mm，经式(3.16)和(3.17)可知，机器人轮组最大越障高度:amaX =198mm;越障宽度要求:bmaX =8Omm.3. 2. 2最小转弯半径 最小转弯半径在很大程度上表征了车辆绕开不可逾越的障碍物和在最小空间内回转的能力，因而它对越障性有很大影响。由前面我们对本机器人小车模型的运动学分析，小车能实现自转、直线前进、圆弧前进这三组基本的运动，可以实现任意曲线的行走。它不仅可以实现较小的转弯半径，而且还可以原地

36、转弯。因此，本机器人车体的最小转弯半径min为0。4 小车遥控装置设计4.1红外遥控装置工作原理无人越野小车遥控装置采用红外线装置，为便于在复杂的战场环境下进行作业。红外线是波长约大于770mm的不可见光，如下图10。将发射红外线的发光二极管（LED）和感知红外线的接收模块组合在一起就可以实现红外线通信。图10红外线发送装置为LED灯。红外线接收模块这里采用TFK4，由接收PIN二极管，电压控制电路，带通滤波电路，解调电路等组成的集成电子单元。在未接收到红外光线前它的输出为“1”，接收到红外光线后输出为“0”，这种现象被称为“低电平激活”。应用红外线接收模块通信时，必须将所使用的红外线设置成频

37、率40KHz的方波形式，即1秒钟内断续的发送红外线4万次，这种调制方式被称为脉冲周期调制（PPM）。根据下式可得1个方波中为“1”的时间为12.5s。如下图11。周期 （5-1） （5-2）图11当向红外线接收模块输入“1”时信号是12.5s的间隔，红外线LED则以600s的持续时间闪亮（向外发送红外线）；当输入信号“0”时，红外线LED持续停止工作600s。如下图12表示向接收模块输入长度为3位信号“101”，每一位时间对应600s。为了适应低电平激活的特点应该将输入信号反转后输出。当输入信号为“1”时，每个输入脉冲都是12.5s的方波，不过从接收模块输出的则是一个持续600s的方波。故红外

38、LED的40KHz频率闪亮，而在接收模块的内置电路中得到平滑化。图12故而在发送器一侧，应该根据被发送信号来控制红外线LED的点亮和熄灭；而接收器一侧，应该大约按照600s的周期间隔读取接收模块输出的信号。所以在遥控器电路中我们使用PIC微控制器。如下图13。图134.2红外遥控装置设计 此遥控器设计基于PIC微控制器的红外发送器和接收器。如下图14为小车遥控器的构成概念图。我的设计为发送器准备了5个按扭，每个按扭控制一种动作。 图144.2.1 红外线遥控装置的发送器如下图15为遥控小车发送器电路图，可指挥小车前进、后退、右转、左转和停止。电路由PIC16F84A-20微控制器，78L05三

39、引角稳压器，10MHz石英震荡器，一系列电容，开关等组成。 图15如下图16可知，在发送器一侧，每次发送十位数据，第一位开始位（“1”），其后四位为发送数据，最后5位为停止数据。图中标示出的4位动作数据与接收器一侧电机驱动芯片的输入信号相对应。其中前2位作为右电机，后面2位作为左电机的旋转控制信号。上面所说5个动作用3位数据同样可以表达，3位数据最大可表示8个动作。如果发送器传输的动作数据为3位，接收器可将其转化为4位动作数据，与电机驱动芯片输入信号相对应。 图164.2.2 红外线遥控装置的接收器遥控小车关键在小车的接收电路。在收到信号后，由接收电路接收动作数据指引小车运动，如下图17为接收

40、电路。接收电路中多了电机驱动芯片TA7257P，红外线接收模块TFK-4，其它部件与发送电路所使用基本相同。考虑到夜晚使用越野小车，我又设计用两只赛车专用小灯泡，两只灯按下图所示红线安装，小灯泡作遥控车的前大灯使用，为倒车灯。当车子前进时，大灯亮，反偏不亮；倒车时在前大灯亮着的同时，为正偏也亮起来作倒车灯使用。 图17在这里需注意遥控小车接收器从3引脚稳压芯片78L05取得5V供电而运行，但TA7257P的工作电压为6-18V，故从概念图中可知，该芯片电源直接从干电池取得。电机驱动芯片控制电机旋转状态栏如下：输入 输出 动作IN1IN2OUT1OUT200高阻抗停止01LH正转/反转10HL反

41、转/正转11LL制动以上就是我设计的我们次款越野小车的遥控装置，主要基于红外线遥控装置设计。它基本上可以完成一般玩具小车的运动控制，但在功能的强大上还略显不足，不能以强大的功能控制小车攀越障碍过程，做其它运行动作等。5 车载装置由于我们主要是对爬楼小车进行设计，所以对车载设备只做简单阐述。我们计划可在小车中加载如下设备。5.1装载武器系统 小车可装载武器系统用于无人作战。武器系统需要包括武器，自动控制装置，侦测装置，以期组成合理的武器系统装载于车上，当把小车用于战场环境下时，武器系统可自动开启有效的对敌进行打击。5.2装载侦测系统 小车可装载侦测系统对战场环境进行探测。侦测系统可加载摄像拍摄装

42、置或对其它设施物品的侦测装置。以期完成对一定区域的探测功能。比如可加载摄像装置对战场环境进行拍摄传到后方，或加载探雷装置，以便于步兵行进。6 结束语 毕业设计使我把四年所学整体综合了起来，更使我学到了不少新的东西，拓展了知识面。它让我体会到了作为一个设计者的辛酸和成就感。在设计过程中，我遇到很多问题和几个关键点。没有对小车越障抱死的分析就没法选择合适的电机进行下一步设计；还有在对小车动力学分析时，阻力很大，但现在我以一一克服。唯一不足是对遥控器的设计只能纸上谈兵，没法做出实际的东西。在最后，感谢胡立明教员和李玉亮教员对我们的悉心帮助和教导，在他们的督促指导下得以使我们的设计更加完善。相信在今后的工作学习中，我将能以此次毕业设计勤奋细致的精神更好的完成新的工作。参考文献