第1章 智能移動機器人及研發平臺的構建

學習情境

隨著中國經濟及社會的不斷發展，機器人在各個領域的應用越來越廣泛，機器人已經從早期的實驗室及工業現場，逐步走向家庭、個人、學校以及軍事領域。在國際上，美國、日本、以色列、歐盟等，也早已開展機器人在各個領域的研究和技術開發，并且取得了不俗的成績。如日本本田公司的ASIMO行走機器人、美國和以色列的無人機飛行機器人等，都聲名顯赫。這些機器人能夠自主地完成某些功能，因此都屬于智能移動機器人范疇。很明顯，國內機器人技術和先進國家相比，還有一定的差距。但可喜的是，隨著RoboCup足球機器人大賽進入中國，國內的高校及科研領域掀起一股參與熱潮，很大程度上促進了中國機器人技術的發展，提高了國民在機器人方面的認識。在國內，青少年參與機器人比賽已經成為時尚潮流，而讓更多的群眾尤其是青少年朋友了解機器人、喜愛機器人，向他們普及現代科學知識，培養更多的機器人方面的優秀人才，已經成為智能移動機器人發展的關鍵所在。

隨著21世紀知識經濟時代的到來，創新教育將越來越成為現代教育的靈魂。對高等教育來說，除了要培養大學生的創新意識和創新精神，更要注重訓練他們的創造性思維方式和開拓性創新能力。通過智能移動機器人創新制作和挑戰項目，可以很好地訓練學生的創造性思維能力。

要完成智能移動機器人創新制作和挑戰項目，必須從具體的機器人應用項目開始。要完成具體的機器人項目，離不開機器人應用開發平臺的構建。本書以基于PC的智能移動機器人系統作為應用開發平臺，RoboCup中型組足球機器人作為具體應用項目，展開對智能移動機器人的創新制作和挑戰。要完成本書的所有內容，讀者必須具備比較扎實的電子信息技術知識和C語言、VC、VS.Net軟件程序設計能力，以及基礎的控制技術和傳感器應用能力。

要提高智能移動機器人研究和開發技術水平，參與機器人比賽和技術交流也很重要，這是由機器人的技術特點所決定的。不斷的技術交流與學習將會給予機器人愛好者或參與者以深入的啟發，進而提高其本身的技術水平。這其中，一個很好的途徑就是參與各種機器人足球比賽，通過比賽進行實踐、歸納、總結和提高。

本章首先探究已經產業化的智能移動機器人產品，然后介紹智能移動機器人的通用控制結構，最后介紹如何構建基于通用控制結構的智能移動機器人產品研究和開發平臺。

任務1 尋找日常生活中的移動機器人產品

1.清掃機器人

清掃機器人屬于智能型家居移動機器人，內置獨立的計算機系統，有記憶功能，配備自動螺旋導航系統及無塵袋等，可以自行對房間做出測量，做到無須人工干預即可自動清潔并收集粉塵，可以有效地清掃各種木地板、水泥地板、磁磚，以及油氈、短毛地毯等。

清掃機器人不僅可以進行清掃，還能通過紅外傳感器探測周圍的環境并進行判斷，自動躲避墻壁和樓梯。即使把它放在桌子或樓梯上，它也不會往下掉，而且還能靈巧地進入床底、桌底、沙發下面等一切人工難以打掃的角落，又不會破壞家具。清掃機器人的操作也非常人性化，不僅能記憶路線、定時打掃，還具有獨特的虛擬墻發射技術，可以在使用前設置好，不讓它進入某些“禁地”。如果機器的電量快用完了，其獨特的回充系統也完全無須人工干預自動充電。充電完成后，機器人會繼續回到工作崗位完成之前設定的任務。

擁有這么強大的功能，那么清掃機器人是如何工作的呢？

首先，機器人必須能自動規劃清掃路徑，通過其上配置的電腦芯片控制左右輪差速轉動，實現內螺旋圓弧形清潔路線。當圓弧的半徑拓展到一定距離（如大于7.5m）時，芯片程序會控制機器人離開當前路線，在7.5m遠處再次執行圓弧清潔。大量的圓弧對地面實現無縫覆蓋，從而達到全面清潔地面的目的。

其次，在清掃機器人底部的前端，安裝了多個紅外線感應頭，每一個感應頭包含一個發射頭和一個接收頭。紅外線發射頭發射的紅外信號經地面發射后，被對應的接收頭接收。如果機器人底部距地面的高度超過5mm，電腦芯片便會控制機器人后退并調整其行走方向，避免其從高空跌落，保證清掃工作安全開展。

再者，對于不需要清掃的區域，則可利用虛擬墻技術避開。清掃機器人虛擬墻在開啟之后，會在左右各0.5m、前方3.5m處發射紅外線信號，機器人機身上的多個紅外線感應頭在接觸到由虛擬墻發射出來的紅外線后，就不會繼續前進，以避免進入該區域內打掃。

最后，清掃機器人在電量快要耗完時，頂部的紅外線發射頭會發射無線電信號，當充電基座上的兩個紅外線接收頭接收到該信號后，機器人便與充電基座取得聯系。通過兩個紅外線接收頭對機器人進行引導，使其慢慢靠攏，最終實現充電對接。如圖1.1所示為一款典型的清掃機器人。

2.遠程監控機器人

遠程監控機器人是一種監控功能較強的智能移動機器人。它主要用于家庭、工業現場或其他領域，目的是獲得監控視頻、自主漫游及巡邏、避開障礙物、發送現場視頻以及圖片信息等。下面以WowWee公司的WowWee Rovio遠程監控機器人來說明，如圖1.2所示。它可以在你出門后與你保持聯系，讓你出門在外高枕無憂，不必擔心家具、家人和寵物的安全。這也是和心愛的人以及寵物保持聯系的上佳方式，通過機器人可以時不時去看看他們，向他們問聲好，確保他們沒有遇上麻煩。主人不在家時，機器人自動在屋里巡邏，并通過E-mail發送高質量的高清照片，顯示家里各角落的情況。更重要的是，無論你在世界上的哪個角落，只要與因特網連接，并擁有一個與瀏覽器兼容的計算機設備，如蘋果機、PDA等，你就可以遠程控制機器人Rovio，并接收視頻和音頻。使用合適的瀏覽器平臺，還能實現雙向的視頻和音頻會話，把Rovio當做靈活的移動網絡攝像機來使用。

如圖1.3所示為Rovio遠程監控機器人的充電器，這個充電器包括一個會發光的指示燈。北極星（NorthStar）室內定位與導航系統使Rovio在家中能精準地按照巡邏路線自行充電或離開充電器。如果你的房子足夠大，或者有多余的房間，可以另外購買TrueTrack指示燈，這樣Rovio就可以覆蓋這些地方了。

Rovio可以與支持網絡協議的無線局域網相連，動態地配置于微軟Windows系統和蘋果的Mac系統，前提是使用匹配的無線局域網網卡。Rovio的無線局域網設置如圖1.4所示。

你甚至可以用手中的iPhone控制Rovio：在蘋果軟件商店輸入“Rovio Driver”，就能找到這款由Bertrand Leroy開發的Rovio控制軟件，下載和安裝都比較方便。使用這款軟件，可以很方便地利用iPhone內置的重力加速計來對它進行控制，并通過iPhone的屏幕來查看Rovio攝像頭拍下來的圖像，同時還可以控制Rovio的頭部轉向。

3.排爆機器人

排爆機器人是排爆人員用于處置或銷毀可疑爆炸物的專用機器人，用來避免不必要的人員傷亡。這些機器人一般在機場和口岸，以及一些大型的體育場館外可以看到，如2008年的北京奧運會。排爆機器人可在各種復雜地形進行排爆，主要功能有：代替排爆人員搬運、轉移可疑爆炸物品及其他有害危險品；代替排爆人員使用爆炸物銷毀器銷毀炸彈；代替現場安檢人員實地勘察，實時傳輸現場圖像；還可配備散彈槍對犯罪分子進行攻擊；配備探測器材檢查危險場所及危險物品。由于技術復雜度較高，排爆機器人往往價格不菲。

按照操作方法，排爆機器人分為兩種：一種是遠程操控型機器人，在可視條件下進行人為排爆，即人是命令下達者，排爆機器人是命令執行者；另一種是自動型排爆機器人，可根據程序自動運行，并能分辨出什么是危險物品，以便排除險情。

按照行進方式，排爆機器人分為輪式及履帶式。它們一般體積不大，轉向靈活，便于在狹窄的地方工作，操作人員可以在幾百米到幾千米以外的地方通過無線電或光纜控制其活動。機器人車上一般裝有多臺彩色CCD攝像機用來對爆炸物進行觀察；并裝有一個多自由度機械手，用它的手爪或夾鉗可將爆炸物的引信或雷管擰下來，并把爆炸物運走；車上還裝有獵槍，利用激光指示器瞄準后，可把爆炸物的定時裝置及引爆裝置擊毀；有的機器人還裝有高壓水槍，可以切割爆炸物；如果裝上步槍、機槍或其他非致命武器，還可用來抓捕罪犯及歹徒。如圖1.5所示為典型的排爆機器人。