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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 集散式搜索信息融合回傳系統(tǒng)
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 對(duì)未知環(huán)境的探索一直以來(lái)都是一個(gè)研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)，如何通過機(jī)器人自身裝配的傳感器對(duì)未知環(huán)境進(jìn)行探索更是國(guó)際性的難題。本項(xiàng)目組設(shè)計(jì)并制作出一個(gè)基于MicroRF自組網(wǎng)絡(luò)的多智能體系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠進(jìn)入未知環(huán)境并自主高效的進(jìn)行探索，同時(shí)將障礙物信息、自身定位信息等通過自組網(wǎng)絡(luò)回傳到控制中心。
- 詳細(xì)介紹：
- 該系統(tǒng)有三個(gè)子系統(tǒng)，分別是移動(dòng)機(jī)器人子系統(tǒng)、Zigbee通訊子系統(tǒng)和無(wú)線定位子系統(tǒng)。其中移動(dòng)機(jī)器人子系統(tǒng)包括一個(gè)母艦和兩個(gè)子艦。子艦之間和子母艦之間可以通過Zigbee自組網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊。另外，無(wú)線定位子系統(tǒng)用來(lái)對(duì)子艦進(jìn)行定位，并把定位信息發(fā)送給母艦和子艦。 系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。 1．母艦 母艦體積較大，承擔(dān)著運(yùn)送子艦的功能，同時(shí)，它也有較快的處理能力，能夠在子艦釋放后實(shí)現(xiàn)信息采集、融合、制定控制決策等功能。其圖片如圖3所示。 母艦分為兩部分，前面為驅(qū)動(dòng)部分，后面為從動(dòng)部分。 驅(qū)動(dòng)控制部分采用工業(yè)主板，主要功能是控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)、讀取傳感器數(shù)據(jù)、采集處理視頻數(shù)據(jù)、接收發(fā)送無(wú)線數(shù)據(jù)等等。圖3為母艦系統(tǒng)框圖及其實(shí)現(xiàn)的功能。 驅(qū)動(dòng)部分采用履帶式結(jié)構(gòu)，由兩臺(tái)Faulhaber直流有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用L298P芯片。電機(jī)配置1:89減速器和100線紅外碼盤。 從動(dòng)部分主要功能是承載兩個(gè)子艦，也有一個(gè)控制器負(fù)責(zé)開啟艙門。 2．子艦 子艦體積較小，運(yùn)動(dòng)較靈活，可以自主的脫離及登陸母艦，可以與母艦進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。 與母艦的內(nèi)部功能相似，子艦的主控制器也要完成控制電機(jī)與讀取傳感器的數(shù)據(jù)。不同的是子艦的圖像處理功能是比較簡(jiǎn)單的，只要能識(shí)別障礙物的邊界即可。 另外，子艦裝配有可燃性氣體傳感器，可以感知室內(nèi)的危險(xiǎn)狀況，并把數(shù)據(jù)回傳。 3．無(wú)線通訊子系統(tǒng) Zigbee是實(shí)現(xiàn)短距離自組網(wǎng)絡(luò)的常用技術(shù)。Zigbee標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議冗余較多，導(dǎo)致帶寬太低，數(shù)據(jù)傳輸效率低下。 基于這種情況，我們根據(jù)Zigbee協(xié)議的基礎(chǔ)部分，設(shè)計(jì)出樹形路由算法。能夠?qū)崿F(xiàn)多跳傳輸。 4．TOF無(wú)線定位子系統(tǒng) 采用基于TOF(Time of Flight)技術(shù)的無(wú)線測(cè)距模塊。其室內(nèi)測(cè)距時(shí)受環(huán)境影響較小，可以實(shí)現(xiàn)較高的測(cè)距精度，在有墻等障礙物的室內(nèi)，定位精度可以達(dá)到1.5米。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 設(shè)計(jì)目的：對(duì)未知環(huán)境的探索一直以來(lái)都是一個(gè)研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)，如何通過機(jī)器人自身裝配的傳感器對(duì)未知環(huán)境進(jìn)行探索更是國(guó)際性的難題。本項(xiàng)目組設(shè)計(jì)并制作出一個(gè)基于MicroRF自組網(wǎng)絡(luò)的多智能體系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠進(jìn)入未知環(huán)境并自主高效的進(jìn)行探索，同時(shí)將障礙物信息、自身定位信息等通過自組網(wǎng)絡(luò)回傳到控制中心。 創(chuàng)新點(diǎn)：本探索系統(tǒng)為集散式搜索結(jié)構(gòu)，采用子、母艦設(shè)計(jì)，母艦可以搭載、釋放子艦。母艦體積大，續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)，越障能力強(qiáng)；子艦體積較小，運(yùn)動(dòng)靈活。采用這種結(jié)構(gòu)可以發(fā)揮子母艦各自的優(yōu)勢(shì)?；贛icroRF的自組網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)，能夠在子母艦之間，以及子艦之間實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。采用高可靠性、低飄動(dòng)、實(shí)時(shí)定位算法。 具有單目視覺功能，可以識(shí)別障礙物邊界并自主避障。 技術(shù)關(guān)鍵：自組網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸、定位算法的設(shè)計(jì)、圖像的認(rèn)知與障礙物提取、子母艦分離與對(duì)接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。 技術(shù)指標(biāo)：母艦最大運(yùn)行速度0.3米/秒，子艦最大速度0.5米/秒；網(wǎng)絡(luò)傳輸實(shí)時(shí)帶寬>80kpbs；室內(nèi)完成測(cè)距和定位，定位誤差<1.5米。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 我們采用了一系列低成本、高技術(shù)含量的設(shè)備和技術(shù)。在測(cè)距方面，我們使用紅外傳感器，在降低成本的同時(shí)保證機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自主避障，同時(shí)結(jié)合圖像處理，確定障礙物的大小和位置；在定位方面，采用目前應(yīng)用不是很多的TOF測(cè)距技術(shù)，使室內(nèi)的定位誤差為1.5米左右；在無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò)方面，采用自主開發(fā)協(xié)議的Zigbee通訊模塊，即保證了能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自組的要求，也能夠獲得較大的數(shù)據(jù)帶寬。 另外，我們提出了子母艦分離結(jié)合的機(jī)械結(jié)構(gòu)，并且通過圖像和傳感器系統(tǒng)保證子母艦配合的高效和穩(wěn)定性。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 無(wú)
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 合作開發(fā)
作品可展示的形式
- 實(shí)物、視頻、圖片
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 本系統(tǒng)將高精度的室內(nèi)定位系統(tǒng)、無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議和子母艦分離、結(jié)合的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)，結(jié)合各項(xiàng)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)以解決未知環(huán)境探索中的環(huán)境構(gòu)建、自身定位、障礙物識(shí)別等處理問題。 整體系統(tǒng)可以應(yīng)用于軍事、救災(zāi)、消防等未知區(qū)域探測(cè)；高精度定位系統(tǒng)可以應(yīng)用于室內(nèi)定位、煤礦井下定位以及城市公交定位等；子母艦分離結(jié)合機(jī)構(gòu)可以應(yīng)用于各種智能體，如星球探測(cè)車等。因此，無(wú)論是整體系統(tǒng)還是單獨(dú)某個(gè)模塊都有廣闊的市場(chǎng)前景。另外，整個(gè)系統(tǒng)也可以作為一個(gè)開發(fā)平臺(tái)，供進(jìn)一步學(xué)習(xí)研究使用
同類課題研究水平概述
- 機(jī)器人硬件平臺(tái) 國(guó)內(nèi)外有若干家廠商在制作，比較有代表性的有MobileRobot公司的Pioneer系列機(jī)器人和瑞士E-puck機(jī)器人國(guó)內(nèi)比較有代表性的是廣茂達(dá)生產(chǎn)的AS-RE系列機(jī)器人。 在機(jī)械機(jī)構(gòu)及傳感器方面，Pioneer和AS-RE系列都屬于功能比較強(qiáng)大，體積也較大的機(jī)器人。移動(dòng)機(jī)構(gòu)采用同步帶四輪驅(qū)動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)精確的測(cè)速測(cè)距；配備有超聲波測(cè)距傳感器；內(nèi)部有工控機(jī)可以進(jìn)行復(fù)雜算法的運(yùn)算。另外，E-puck機(jī)器人是體積比較小的機(jī)器人，采用兩輪+萬(wàn)向輪驅(qū)動(dòng)；傳感器系統(tǒng)采用紅外測(cè)距；另外可以擴(kuò)展Wifi、藍(lán)牙模塊等；內(nèi)部采用ARM芯片控制，計(jì)算能力較低。 在通訊方面，均采用有線通訊或者無(wú)線Wifi等，可以傳送圖像等數(shù)據(jù)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)絡(luò)。 在算法方面，各自廠家都有自己的避障及圖像處理算法，一般來(lái)講都是開源的。另外都會(huì)有自己配套的開發(fā)、仿真軟件。 無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò) 目前，無(wú)論國(guó)內(nèi)國(guó)際，Zigbee都是無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò)的首選。在國(guó)內(nèi)成都無(wú)線龍等公司采用CC2430/2440等芯片能夠?qū)崿F(xiàn)自組網(wǎng)的功能。普遍的缺點(diǎn)是通訊距離太短，抗干擾能力不夠以及使用Zigbee自帶協(xié)議占用較多帶寬。 室內(nèi)無(wú)線精確定位 無(wú)線測(cè)距：在此方面，還沒有較成熟的產(chǎn)品出現(xiàn)。一般使用的方法有RSSI，定位精度為幾米左右，其他的TOA，TDOA等能夠達(dá)到一定的定位精度，但是成本過高，難以推廣。目前采用TOF方法定位的產(chǎn)品寥寥無(wú)幾。 定位算法：目前常用的算法有三角定位法綜合最小二乘估計(jì)法。
