自学习循路的移动机器人模型设计与实现
自学习循路的移动机器人模型设计与实现
摘要：介绍了一种具有自学习循路功能的轮式移动机器人模型的设计方法。该模型由两后轮作驱动轮来控制前进速度和方向，并可在道路学习时以数据形式记录和存储两轮的瞬时速率，然后再由微控制器MCU输出控制信号来驱动后轮以实现道路的循迹。 关键词：MCU；机器人；学习记忆；循路随着科学技术的不断发展，机器人技术在航天、海洋、军事、建筑、交通、工业及服务业等领域已经取得广泛的应用和发展。而在一些特殊场合（如航天、深海作
介绍了一种具有自学习循路功能的轮式移动机器人模型的设计方法。该模型由两后轮作驱动轮来控制前进速度和方向，并可在道路学习时以数据形式记录和存储两轮的瞬时速率，然后再由微控制器MCU输出控制信号来驱动后轮以实现道路的循迹。MCU；机器人；学习记忆；循路随着科学技术的不断发展，机器人技术在航天、海洋、军事、建筑、交通、工业及服务业等领域已经取得广泛的应用和发展。而在一些特殊场合（如航天、深海作业及核工业等领域），以无人探察车、无人排险车及无人运输车等为代表的机器人技术越来越受到关注。为此，笔者设计了一种具有道路记忆功能、使用灵活方便、应用范围较广的轮式移动机器人模型。该机器人模型以微控制器ＭＣＵ为核心，先由人对机器人模型按照所要行走的路线进行训练，即让机器人模型记忆该路线（将路线数据存储在存储器中）。以后机器人模型就可沿此路线重复行走。其记忆路线的方式灵活方便，可根据不同的要求和需要对其进行不同的路线训练以完成不同的任务。该模型可以应用于一些人类不宜活动或较难控制的场合（如微型核反应堆的金属罐管系统、火场探测、辐射、消防、有毒、易燃、易爆物体场所的探测等），也可作为室内服务机器人使用，以代替人完成家务劳动、厂区货物搬运、医院病历及资料的传递等。该机器人模型具有以下特性：●具有道路学习记忆和道路循迹重复功能；●可模拟地图仿真训练，输出放大倍数可按需要设定；●在实际工作时，如遇到障碍物?可采用道路转移法绕过障碍物并沿原学习道路继续前进；&&& ●工作时无人控制；●光线较暗时会自动打开光源；●前进距离可用ＬＣＤ实时显示；●运动状态可用指示灯实时显示；●具有系统故障报警功能。１ 系统硬件设计系统硬件设计框图如图１所示，核心控制部分采用Ａｔｍｅｌ公司的普及型８位ＭＣＵ ＡＴ８９Ｃ５１。作为一款目前广泛应用的ＭＣＵ，ＡＴ８９Ｃ５１提供有电机控制、ＬＣＤ驱动显示以及传感信息等多种驱动功能和接口，另一方面，该ＭＣＵ价格低廉，有很高的性价比。外接存储模块采用容量为２５６ｋＢ的２４ＬＣ２５６闪存芯片，当然，也可以根据实际需要选用其它容量的闪存芯片。感光探测选用光敏电阻即可感应外界光线的强弱。障碍物探测采用美国邦纳工程有限公司的ＰｉｃｏＤｏｔ ＰＤ系列激光传感器，该传感器能对被测物体进行精确的到位检测、定位和计数。２ 系统设计要点轮式移动机器人模型的速度及方向可由两个后轮作为驱动轮来控制，ＭＣＵ通过驱动芯片Ｌ２９３Ｂ驱动两个后轮电机。ＡＴ８９Ｃ５可通过两个后轮对应的两个计速器来分别控制这两个后轮的转速，从而实现模型的前进和转向功能。２．１ 计速部分系统计速部分由光电开关及带有均匀分布小孔的圆盘组成，其电路及皮带轮连接示意图如图２所示。当光电开关中间有黑色物体挡住时，输出电平为０；无遮挡时，输出电平为１。当均匀分布小孔的圆盘边缘在光电开关的槽中转动时，可根据输出的一系列脉冲及圆盘上的孔数计算出圆盘的转速Ｎ。皮带轮１与圆盘粘在一起，因而转速相同；皮带轮２与模型后驱动轮同轴，速度相同；皮带轮１、皮带轮２由皮带相连。假设皮带轮２周长是皮带轮１周长的５倍，则皮带轮２的转速为Ｎ／５，即车轮转速为Ｎ／５。２．２ 道路学习记忆计数芯片选用７级二进制串行计数器ＣＤ４０２４，光电开关的输出波形经施密特触发器整形为标准脉冲波形可使ＣＤ４０２４计数更方便。设每隔Ｔ时间记录到脉冲数Ｍ，那么，Ｔ时间内圆盘转速Ｎ＝Ｍ／（ＬＴ）（设Ｌ为圆盘上的孔数），则车轮的速率为Ｎ／５＝Ｍ／（５ＬＴ）。由于Ｔ越小，结果越精确，故Ｔ取几至几十毫秒。记录的数据经微控制器ＭＣＵ送至外接闪存２４ＬＣ２５６储存起来，供输出使用。通过上述过程可对模型进行道路训练，即每隔Ｔ时间将两个后轮速率分别记入闪存。训练结束后，闪存内存储的是两个后轮每隔Ｔ时间一次的速率，这样就可实现对训练道路的记忆。２．３ 道路循迹重复在对该模型进行输出控制时，先由微控制器ＭＣＵ从闪存中读取数据，再将每隔Ｔ时间的转速数据通过脉冲输出，并通过Ｌ２９３Ｂ芯片驱动两后轮电机的转动。为保证输出的转速与原记录的转速一致，可用反馈控制的方法在后轮驱动电机转动的同时，由计速器模块同时检测两个后轮的转速，然后分别比较两个后轮的转速是否与原记录转速相同：若小于原记录转速，可调用加速子程序；若大于，则调用减速子程序。由于计数时间Ｔ较小，再加上反馈控制的作用，就可保证输出的运动轨迹精确接近于原训练道路，误差很小。实际运行时，可在保证记录和输出精度的前提下把训练的道路模拟成与实际道路按比例缩小的地图，即在地图上对模型进行道路训练，按比例倍数放大输出，即可使机器人在实际道路上按训练道路运动。由于输出放大倍数由程序决定，因而可按不同的需要设置，灵活性很高。２．４ 道路转移法绕障该机器人模型在训练完成后，即可从预设地点开始行走。模型在前进过程中，当传感器探测到前方有障碍物时，可调用绕障碍物程序绕过障碍物并返回到原记录道路继续前进。其绕障过程示意图如图３所示，当模型传感器在Ａ点探测到前方有障碍物时，会将障碍物模拟成一边与当时模型方向垂直的矩形物体（见图中虚线矩形）。然后中断从闪存中读取路线数据，并使模型在Ａ点左转９０°，接着以匀速ｖ直线前进ｔ１时间到Ｂ点，再在Ｂ点右转９０°，接着从原中断处调用原记录路线数据前进ｔ２时间到达Ｃ点。之后再在Ｃ点以方向 Ｃ １ 转动 Ｃ１与 Ｃ２方向的夹角θ（θ＝９０°－两车轮前进距离差／两车轮间距），模型方向 从 Ｃ１转动到 Ｃ２ ，然后再以匀速ｖ直线前进ｔ１时间到Ｄ点，此时方向为 ｄ２方向，然后再以Ｃ１到Ｃ２的相反方向从 ｄ２转θ角到 ｄ１方向，即 ｄ１ ／／ Ｃ１。实际上，在没有障碍物的情况下，模型依所记录路线应沿ＡＤ段前进，到达Ｄ点方向为 ｄ１方向。由图可见，ＢＣ段的运动情况完全等同于ＡＤ段的运动情况，也就是说，在遇到障碍物时，机器人会将ＡＤ段转移到实际的ＢＣ段运动以绕开障碍物，同时保持它应有的运动状态并返回原记录路线。其中ｔ１、ｔ２的选取与虚线矩形的大小（代表障碍物的大小）有关，它可由传感器探测到的障碍物大小来确定。２．５ 附加功能应用时也可根据特殊需要，在模型上安装摄像机以实时观察或安装自动拍照的数码像机来记录工作区域周围的情况。当模型探测到周围环境的光线比较暗时，还可由微控制器ＭＣＵ打开光源，以便为像机提供照明。此外，模型上还设计了工作指示灯来实时指示模型的工作状态，不同指示灯分别指示其正常、左转、右转及出错状态，以方便使用者及时了解模型的工作情况。外接ＬＣＤ可实时显示模型的前进距离，每个车轮前进的距离＝记录的车轮的转数×车轮的周长，再取两个车轮前进距离的平均值作为模型的前进距离，这样可方便使用者及时了解模型的进程。若模型在工作过程中发生故障（如不能前进、失控等），也可通过警铃和警灯提醒用户及时检修。３ 系统软件设计图４、图５分别为机器人模型道路学习记忆、循迹重复的软件流程。本程序中，道路学习记忆时的记录时间间隔Ｔ取３０ｍｓ，输出控制时，在每一个记录周期内比较６次（每５ｍｓ计一次数，再乘以６与原记录数相比较，以判断应加速还是减速），以使输出更精确于原记录数据。图６为绕障碍物程序流程图，其中模型方向转过一定角度可由一轮静止、另一轮运动时的两轮间距×转动角弧度的距离来实现。４ 结束语该机器人模型相比无线遥控操作机器人的优势在于，可工作在电磁波屏蔽的场合；而相比有线遥控操作机器人来说，其优点是工作过程中无需人实时控制，可自主完成活动，并具有活动精度高、效率高的特点；相比固定轨道机器人，该模型能够摆脱固定轨道的限制，其活动路线灵活易变，适应范围更广
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利用地理信息系统（GIS）进行城市地铁规划时，最关键的图层是A．城市道路分布图 　　　　　　　 B．城市人口密度分布图C．城市商业网点分布图　　 　 　D．城市地下排水管网分布图
题型：单选题难度：中档来源：不详
B试题分析：城市地铁主要是方便市民的出行，减少城市内交通的压力，缓解交通拥堵问题，所以规划时要考虑人口密度的分布，B对。地铁规划，也要尽量照顾商业网点的分布，城市道路分布，方便市民的出行、购物，但不是最关键图层，A、C错。排水管网分布深度与地铁不在同一层面，对地铁影响不大，D错。
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据魔方格专家权威分析，试题“利用地理信息系统（GIS）进行城市地铁规划时，最关键的图层是A．城市..”主要考查你对&&城市地域结构和城市功能分区的区位、特征及影响因素，城市区位因素，城乡聚落的空间形态及变化&&等考点的理解。关于这些考点的“档案”如下：
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城市地域结构和城市功能分区的区位、特征及影响因素城市区位因素城乡聚落的空间形态及变化
城市功能分区及其形成原因（一）城市功能区的含义：城市的各项经济活动都需要占用一定的土地，由于城市土地面积相对有限，不同地块的交通通达度和地价等也各不相同，因此，各项活动之间必然要发生竞争，并导致同类活动在空间上高度集聚，形成了城市功能区。如图：(2)成因：城市土地面积相对有限，各个地块的交通通达性和地价也各不相同，各项活动之间发生空间竞争，导致同类活动在空间上高度集聚。 (3)划分：无明确界线，区内以某种功能为主，可能兼有其他功能。 （二）城市的主要功能区：商业区、住宅区、工业区是城市最基本的功能区。各功能区之间并无明确的界线，一个功能区往往以某种功能为主，也可以兼有其他功能。大城市功能复杂，还会形成行政区、文化区等功能区。
城市内部空间结构及影响因素：
1、概念：城市内部的空间结构又称城市地域结构，指城市中不同功能区分布和组合的模式。2、形成：城市内部空间结构的影响因素主要有历史、经济、社会、行政等四方面。3、城市功能分区的原因：（1）历史因素： ①历史背景：很大程度上决定功能分区的现状。例如：北京的商业区，上海的中心商务区；②历史变化：城市土地利用随历史而变化城市中心附近住宅区的班落、城内污染工厂外迁。（2）经济因素： ①距离市中心的远近：距离市中心越近，地租或地价越高，由市中心向外，地租随距离的增加而递减。例如：城市中心形成商业区，商业区外圈形成住宅区，城市外缘形成工业区。②交通通达度：通达度越好，土地价格或地租越高，反之则低。例如：市中心附近若通达度低，则往往形成住宅区 （3）社会因素： ①收入：形成不同级别住宅区的常见原因。②社会群体：社会地位、生活方式、宗教信仰不同而形成不同的居住区和活动区。例如：住宅区出现分化，高、低级住宅区背向发展③知名度：对住宅区的选择有很大影响，还影响到商业区和工业区的发展变化。例如：高收人阶层集聚形成高级住宅区④种族：对住宅区分异的影响很大。例如：西方城市中的种族聚居区，如唐人街等（4）行政因素： 政府采取行政手段制定政策和城市规划，干顶城市社会经济的自由发展，通过合理引导明确划定不同功能区。例如：北京方庄住宅小区
4、城市的合理规划 （1）城市规划的目的：是一定时期内城市发展的计划和各项建设的综合部署，是建设和管理城市的依据，以达到既合理利用城市土地，又保护城市环境的目的。 （2）合理城市规划的作用：具有超前性，可以保证城市居住和生产活动的正常进行，有效地预防和解决城市化带来的各类问题，有利于建设适合人类居住的城市。 （3）城市的布局形式：是城市总体布局首先要考虑的重大问题。基本形态有集中紧凑与分散疏松两类。在我国，中小城市只要有条件，大多采用集中紧凑式，有些大城市为了解决市区人口拥挤、工业集中、交通不畅、污染严重等问题，可以分散城市布局。 （4）功能区的合理布置（协调工业用地与生活居住用地之间的关系） 工业用地靠近交通便捷区位；工业区和居住区之间有方便的联系；需劳动力多的工业区接近居民区 合理安排工业用地位置，减少对居民区的污染。基本无污染的技术密集型和劳动密集型行业可以布置在居民区内。污染大或有火灾危险的企业远离城市，污染空气和水源的工业布置在城市的下风向和水源的下游。 工业区和居住区之间设置防护带。在带内加以绿化，可以在一定程度上保护居住环境免受直接污染。在防护带中一般可设置一些少数人使用的、非长期停留的建筑留有发展余地。 （5）城市总体布局方案的比较：要设计多个方案进行综合比较得到最优方案。城市区位因素：
自然、经济、社会等因素对城市区位的影响：（主要代表性的城市）
影响的结果
大多数城市分布在平原地区
地势平坦，土壤肥沃，便于农耕，有利于交通联系和节省建筑投资，例如，美国的波士顿—纽约—华盛顿城市带分布在大西洋沿岸平原；圣弗朗西斯科—圣迭戈城市带分布在西部沿海平原；芝加哥—匹兹堡城市带分布在中部平原
热带地区城市多分布在高原地区
热带地区，低地闷热，居住条件不利，高原地区，气候较凉爽，如巴西的城市多数分布在巴西高原
城市多分布在沿河谷底和开阔地
例如：我国的西安就在渭河平原，太原在汾河谷地
世界城市主要分布在气候适中的中低纬度临海地带，世界三大城市密集地区
货物在此转运，如我国江西的赣州
河流汇合处
大量人流和物流在这里集中和转运，如我国宜宾（岷江和长江）；重庆（嘉陵江和长江）；武汉（汉水和长江）
河海交汇处，人流和物流在这里转运和中转，如我国上海和广州
河流曲线处
利用天然河流防卫，如瑞士的伯尔尼（在阿勒河上）
利用天然河流防卫，如法国的巴黎（在赛纳河上）
&以煤炭为基础发展起来的有：英国的伯明翰、曼彻斯特，美国的匹兹堡，我国的大同、鹤岗、抚顺、开滦；以石油为基础发展起来的：英国的阿伯丁与北海油田有关，我国的大庆、玉门、克拉玛依等；南非的约翰内斯堡与金矿有关；我国的鞍山、包头、攀枝花等在铁矿石产地发展起来的
在古代靠帆船和马车为交通工具的时代，北方靠马车，大多数城市在大道的会合处，如古代的邯郸城就是在两条驿道的交点发展起来的，南方城市多数在河流的汇合处（沿河设城），随着公路和铁路运输的发展，在公路和铁路的枢纽和沿线出现了一批城市，如我国在京广线的石家庄，郑州，陇海线上的宝鸡，京广线的株洲等；交通线的变化也会给城市分布和发展带来变化，如随着大运河的开凿通航和我国南北方贸易的发展，扬州和济宁等运河城市发展比较快，但是由于大运河的淤塞，海上运输的发展和京沪线的建成，这些城市发展缓慢，而京沪线沿线和沿海的城市发展比较快
政治、军事、宗教
古代的首都，现代的政治中心和省级行政中心，例如我国的合肥就是被定为省级行政中心而发展起来的，有一些国家专门新建一座城市作为首都，例如巴西的巴西利亚、美国的首都华盛顿、巴基斯坦的伊斯兰堡等；宗教因素建立起来的城市：沙特阿拉伯的麦加和麦地那、我国的拉萨、梵蒂冈
因科技而兴起的日本筑波，因旅游兴起的张家界，黄山等乡村聚落与集市的分布特征：一、乡村聚落的空间形态：1、基本概念：A乡村是包括农村居民点、农业用地和相关设施在内的广大农村地域，其中农村居民点称为乡村聚落。B集是指乡村地区定期或不定期进行商品交易的场所。2、乡村聚落的空间形态：二、乡村聚落与集市的分布特征1、总体分布特征：A自然条件：好：乡村聚落多；差：乡村聚落少B地貌形态：平原、盆地：多；山地、高原：少C气候条件：温暖湿润：多；酷寒炎热或干旱缺水：少2、乡村聚落分布特点：临近水源所在地；多分布在地形较为平坦，气候、土壤、植被条件较好的地方；临近交通运输便利的地方；靠近集市、宗教活动地等。3、乡村聚落的各种影响因素A地形：地形崎岖的地方，农户多在自家农田附近建设住宅，使山区的乡村呈现半积聚型或分散型的特征，村落的规模也比较小B气候：气候条件严酷的地方，乡村聚落的分布具有稀疏的特征C水文：水源不多，人们会向水源地集聚，村落较大，农舍密集；多水或易发水灾地区，村落采取避水方式，高处建村或形成水上村落D生产方式：牧民逐水草而居，房屋如蒙古包、毡房等可拆除，形成活动性乡村聚落E交通运输：比较大的乡村聚落，有许多是靠近交通干线的F商业贸易：不少乡村聚落因地方性商贸活动而形成和发展G另外在宗教活动地、旅游地或家族祠堂所在地，有助于乡村聚落的形成与发展。4、乡村集市的分布特征：A多分布在人口比较多的地方B靠近交通运输便利的地方C靠近地方政府驻地D靠近是默哀、道观等宗教场所F与风俗民情有关三、乡村聚落的景观特色：城市的空间形态城市一经产生，就占据着一定的地表空间，并在各种自然、人为因素的制约和影响下，形成一定的用地轮廓形态，这种形态称为城市空间形态。
城市空间形态的类型：
按照城市用地的形态和道路骨架的形态，城市空间形态可以分为集中式和分散式两大类。一般来说，平原地区的城市用地较为规整，形成集中发展的形态，城市常呈团块状，如成都、合肥、华盛顿；山区或丘陵地区的城市用地比较分散，往往形成分散发展的形态，如重庆地处嘉陵江和长江的交汇处，又是丘陵、山区，地形的崎岖不平使城市发展在地域上失去连续完整性。影响城镇分布的主要因素（举例）
影响城市空间形态的因素：
发现相似题
与“利用地理信息系统（GIS）进行城市地铁规划时，最关键的图层是A．城市..”考查相似的试题有：
217843951679451897481226054214641君，已阅读到文档的结尾了呢~~
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