基于傾角測量的鏈式履帶移動機器人的接觸點檢測課程畢業(yè)設(shè)計外文文獻翻譯@中英文翻譯@外文翻譯

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外文資料翻譯 翻譯資料名稱 (外文 ) of 翻譯資料名稱 (中文 )基于傾角測量的鏈式履帶移動機器人 接 觸點 檢測 院 （ 系）： 機械工程系 專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及 其自動化 姓 名： 李保坤 學 號： 04111220 指導教師： 林曉輝 完成日期： 2015 年 3 月 6 日 of 008 2008, Xi?于傾角測量的鏈式履帶移動機器人的接觸點檢測 要 履帶式移動機器人可以根據(jù)周圍環(huán)境改變自身形式，在通過崎嶇地形時具有很高的機動性和穩(wěn)定性。然而，對于操作手而言，熟練的遠程操控機器人是較困難的。解決問題的途徑之一就是組建一個自主控制系統(tǒng)，履帶和路面之間分布式接觸點檢測裝置讓自主控制得以實現(xiàn)。在這篇文章中，作者提出了一種在履帶式 車輛上使用的分布接觸傳感器。如果要將接觸傳感器應用于每條履帶，就必須解決由鏈輪連續(xù)轉(zhuǎn)動而導致的電線連接問題。于是，我們提出了一種方法，利用光學方法檢測履帶傾角，從而得到接觸點。利用上述方法，我們設(shè)計并評估了一種特殊的光反射傳感器。作者設(shè)計了一種履帶車輛接觸檢測方法，并且在車輛爬樓梯的動作時進行了檢驗。 關(guān)鍵詞 ： 搜索救援機器人 ； 履帶移動機器人 ；分布式接觸傳感器 ； 履帶傾角 ； 視角過濾器 一、 緒言 救援機器人已經(jīng)被研究用于在自然或人為災害環(huán)境中搜索受害者，具有安全和快速的特點。許多種類的可變履帶機器人被設(shè)計出來用 于救援：擺臂履帶式機器人[1][2][3]、可變履帶機器人 [4][5]、多連接（蛇形機器人） [6][7][8]。其中，可變履帶機器人在復雜環(huán)境中具有很高的機動性和穩(wěn)定性?！?我們用于研究的機器人之一（圖 1）。 兩個主履帶和四個擺臂履帶分別位于車身前后。通過熟練的擺動擺臂的姿態(tài)可以平穩(wěn)的實現(xiàn)爬樓梯動作。 復雜環(huán)境中可變機器人的高機動性要歸功于它們的多自由度。為了同時實現(xiàn)高機動性和簡便的操作，我們開發(fā)了一個半自主系統(tǒng)來遠程操控可變履帶機器人。在這個系統(tǒng)中，操作者只需 指出機器人的移動方向，而擺臂的擺動則是由自主系統(tǒng)根據(jù)反射傳感器測量值控制 [9]，而這種方法對于未知環(huán)境和可變環(huán)境非常有效。很多種類的傳感器被用來測量機器人和履帶橡膠的有關(guān)信息：機器人的姿態(tài)、角速度、電機速度和力矩、接觸點、接觸壓力、地形等等。尤其重要的是，接觸點的測量是所有信息中至關(guān)重要的一個，它直接關(guān)系到復雜環(huán)境中機器人的安全行走，因為它與機器人穩(wěn)定性息息相關(guān)并能避免翻覆。文中，作者提出了一種履帶機器人接觸點檢測的新方法。檢測方法的重要組成部分是測量履帶塊的傾角。圖 2 給出了兩種路況中履帶塊的例子。（ a） 顯示的為在斜坡上， （ b）顯示的是在臺階上（圖中 圓 圈 ) 。 在 前 一 種 情 況 下 ， 履 帶塊在鏈輪壓力下傾斜。后一種情況為履帶塊與臺階接觸產(chǎn)生傾斜。這些例子說明了利用履帶塊傾角檢測接觸點的可能性。已經(jīng)有一些利用接觸壓力或位移的接觸檢測，對于利用傾角的情況還沒有任何研究。 現(xiàn)已有一些關(guān)于傾角的檢測方法，但都有一個共同的問題就是電線的連接。比如，如果每個履帶塊都安裝一個陀螺儀，電線將會沿著履帶擰成一圈。即使使用無線，也是比較難以實現(xiàn)的，因為它存在一些限制條件：安裝空間、電力、通信速率。通過非接觸的方法測量傾角解決了電 線的問題。為了實現(xiàn)上述方法，可以使用不同的方法：光傳感器、電磁感應、超聲波、激光等等。在本文中，為了減小系統(tǒng)規(guī)模，使用了光傳感器。 本文的要點如下：第一段描述輪式和履帶式車輛接觸測量的相關(guān)工作；第二段介紹測量傾角前的相關(guān)工作；第三段介紹了搭建原則和履帶車輛上傳感器的擺放結(jié)構(gòu)；第四段對傾角檢測傳感器進行評估；第五段是關(guān)于外界干擾的校正方法說明；第六段為臺階上實驗結(jié)果及其討論；最后在第七段進行總結(jié)。 二、相關(guān)工作 有兩種關(guān)于輪式和履帶式的接觸檢測方法： 1、間接的接觸信息測量； 2、個別點的分布接觸 測量。 第一種方法和人體深層感覺相類似：它采用電動機的轉(zhuǎn)矩或者壓力材料。車輪的滑移是根據(jù)電機的電流確定 [11]，同時擺臂與地面的接觸點也是根據(jù)電機電流確定 [9]。 第二種方法和人體皮膚表面感覺相類似：傳感器被放置于接觸點附近。這種方法的問題是電線和傳感器的耐用性。目前，在履帶車輛接觸點方面的研究還比較少。我們也在開發(fā)一種使用紅外測距傳感器檢測接觸點的輕壓輪胎 [12]。如果采用這種方法的履帶塊，那么接觸點將不能被檢測出，因為在鏈輪和懸架接觸附近沒有產(chǎn)生位移的物體。另一方面，傾角測量方法的優(yōu)勢是 檢測可以任意地方的接觸點。 分 三、 分 布式光檢測傳感的履帶車輛 A、 傾角測量反射傳感器的結(jié)構(gòu) 圖 3顯示了光傾角傳感器的概念。從圖中我們可以看出 履帶塊、紅外傳感器框架和紅外光的反射示意圖。為了更好的實現(xiàn)傾角的測量， 我們需要一種反射器 ， 其 需 具 有 如 下 特 點 ：·反射強度與反射傾角緊密相關(guān) ·反射強度不受反射器和接收裝置之間距離的變化而變化。 作者開發(fā)了一種具有上述特點的“傾角反射（ 感器” [10]。該傳感器有一個反射鏡的角度過濾層。視角過濾器有很多小的縫隙，這可根據(jù)傾角減小滲透光的 強度，通常被用于終端顯示設(shè)備的隱秘保護。反射器的表面有許多微型珠，射線沿著光源方向反射。由于有光線過濾器的存在， 一方面，光線直接由 感器發(fā)射。所以，我們使用 S 反射器測量傾角。 圖 4 是本文中使用的 射器的機構(gòu)圖。反射器具有直徑 70μ m 玻璃珠，型號為#9301，由 角過濾器型號為 3M 公司制造，材料為聚酯，擁有± 30度為 B、 傳感器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 圖 5 為我們用于做測量傾角實驗的履帶。牽引裝 置有三個鏈輪，他們的外圓直徑為 84心距為 帶塊的規(guī)格見表 1 。履帶塊有一個直徑為 10鄰履帶塊之間的距離為 帶塊的具體尺寸為寬 60200 30能的傾角變化為 20離為 19們提出的傳感器的結(jié)構(gòu)如圖 5的右圖和圖 6所示，傳感器被安放于履帶塊上方。安排間隔和相鄰履帶塊之間的距離相等為P=感器的安排數(shù)量為 1所示。紅外傳感器有 們被 安排在與圖 5 相垂直的方向上。 探測器平行放置。 。它們在小的反射尺寸上的光斑具有更高的方向性。 半錐角為 20探測器的為 12 正向電流為 40探測器是西門子制造的額定電壓是 5V，負載電阻是10了減小環(huán)境光的影響，它們都是用了日光過濾器。 C、 偏移角紅外傳感器 了簡便的得到傾角θ， 圖 6所示。 當設(shè)定α比最大傾角大時，傾角可以被測出。為了測出履帶塊的傾角，α被定義為 20表一）。 另一種方法是利用兩種 感器之間的差別測量。這種方法仍然與測量距離無關(guān)，但需要雙倍數(shù)量的傳感器。這對于一個分布式的傳感器系統(tǒng)是不可取的。 D、履帶塊之間的非反射膜 為了減小來自地面反射的影響，非反射膜被應用在了履帶塊之間。非反射膜需要具有高度靈活性和彈性。經(jīng)過先期各種材料的實驗，我們最終選擇了 司生產(chǎn)的靈活性較好的黑膠帶。 四、 傾角傳感器的特性 A、實驗裝置和條件 關(guān)于 所示。為反射器的傾角。感器和反射器的尺寸及特性在前面已經(jīng)介紹過了。 B、位移的影響 假設(shè) 射器的反射強度不受位移影響。然而，實際情況并非如此，這導致了測量誤差和傳感器的分辨率較差。我們檢驗了位移的對于傳感器輸出電壓 果如圖 8所示。 d， ，該電壓與光的反射強度有關(guān)。由此，可以標記為不同的傾角。 如圖所示，所有線條均水平。在這種情況下，傾角的測量需要傳感器具有更高的分辨率。 表 1顯 示了履帶的位移范圍（ d=19對于任何θ，圖形幾乎都是水平的，位移 此，在這個范圍內(nèi)，傾角傳感器具有更好的性能。 C、傾角傳感器的功能確定 當 8于傾角的輸出電壓已經(jīng)測量。實驗結(jié)果見圖 9。從圖中可知，當 θ= 壓 280角 θ 越大，輸出電壓U 越小。當 θ 為 10出電壓為 0V。當 θ = 出電壓變化最大為 214 為了使用反射鏡作為傾角傳感器，輸出電壓 （ 1） 錯誤 !未找到引用源。 （ i=1每個錯誤 !未找到引用源。為 θ+α=0的電壓。其中α為偏移角，被設(shè)定為 20式 （ 2） 這個函數(shù)沒有實際用途，但可以計算反函數(shù)和很好的擬合觀測值。其中 參數(shù) f 是由圖 9 的數(shù)據(jù)確定。 錯誤 !未找到引用源。 為最大電壓 1280時θ=0d=22據(jù)列文伯格 法 將位移 d 導致的輸出電壓變化錯誤。實驗結(jié)果見圖 9。 因此，m=決定系數(shù) D、測量誤差評估 為了能根據(jù) 錯誤 !未找到引用源。 計算出傾角 錯誤 !未找到引用源。 ，式 1的反函數(shù)如下： （ 3） 本節(jié)評估了測量誤差。使用傳感器輸出電壓建立的衰減指數(shù)和式（ 3）可以計算傾角θ。誤差即為測量值與真實值之差。結(jié)果見圖 10。 當θ小于 20角的分辨率小于4果顯示當 d=22傾角的誤差最?。▓D 10中用 ?標記）。 隨著θ變大，誤差沿著負軸變大。最大的誤差是當θ =40，為 此，傳感器不能精確測量，但可以大致得到傾角。通過使用視角，傾角誤差可以得到減小。這將在另一文中作詳細介紹。 五、校正臟的反射鏡和非反射膜 非反射膜能中斷測量，因為傳感器的輸出是隨著了履帶旋轉(zhuǎn)無接觸變化的。為了解決這個問題，測量更正如下：履帶無接觸旋轉(zhuǎn)時測量的電壓為初始值。根據(jù)式（ 1）可知 錯誤 !未找到引用源。 隨著光斑位置變化。旋轉(zhuǎn)編碼器安裝在鏈輪的中心軸上，用來測量光斑和行駛距離。編碼器旋轉(zhuǎn)一圈輸出 50脈沖，可以以 辨率測量光斑。假定 錯誤 !未找到引用源。 =0 在漂移， 錯誤 !未找到引用源。 從式（ 4）及（ 1）得到： （ 4） 錯誤 !未找到引用源。 （ α） 為每個傳感器（ i=1輸出值。 錯誤 !未找到引用源。（ α） 對應于每對 糾正了每個反射鏡（根據(jù)個體差異、污垢、非反射膜的影響）和 感器（個體差異、安裝位置、偏移角度）的誤差。 傾角的更正如圖 11 所示。水平軸表示編碼器得到的行走位移。位移與光斑的位置相一致?？v軸表示了履帶塊的傾角，由 i=3的傳感器的輸出建立。上面得紅點是更正之前的傾角，藍點則是更正之后的傾角。 這是測量的 履帶在浮動（非接觸）狀態(tài)下的情況。更正前的平均傾角為 標準差為 準差為 較發(fā)現(xiàn)，傾角的平均值和標準差接近于 0，所以更正方法起到了效果。 六、接觸點檢測的驗證實驗 我們進行了接觸點檢測和評估的基本實驗。有各種各樣的情況，例如：履帶與一個崎嶇路面的邊緣接觸；履帶在臺階上行走；進入一個溝渠。這些情況下，接觸壓力在臺階和溝渠等與履帶接觸的地方較大（見圖 2 右）。另一方面，鏈輪下方履帶塊的傾斜也與路面傾斜有關(guān)。以上討論在履帶塊的傾角與摩擦 有關(guān)，也和其它履帶塊的接觸地點有關(guān)。所以路面存在摩擦力的基礎(chǔ)上履帶塊傾角是均布。實驗是當履帶在臺階上行走時進行時測量傾角的。 A、實驗條件 臺階的高度為 50過外接電源線提供動力，運動以每秒 30 幀的速度記錄為視頻。視頻數(shù)據(jù)和傳感器數(shù)據(jù)是同步觸發(fā)的，鏡頭和履帶的距離大約為 B、接觸點檢測方法 用更正后的傾角檢測接觸點的方法考慮到了傳感器的噪聲。圖 11 所示，履帶塊的傾角小于± 此，再大點，并且履帶位于臺階之上的情況已經(jīng)被檢測過。 C、實驗結(jié)果及討論 1）、 平面行走：根據(jù)傳感器的輸出所得到的傾角的分布情況見圖 13。坐標軸與圖11 相同。每個傳感器的測量值放置在與車輛相垂直的方向上。傳感器的編號及其擺放位置如圖 5所示。傳感器編號為 i=1的為行駛方向的正向， i=9時為后側(cè)。 圖 13 所示，當 i=傳感器上可以看到先前的傾角，傳感器在 范圍內(nèi)傾斜。然而，± 2）、臺階上行走：在臺階上行走時，攝像機記錄了過程以便測量履帶塊的傾角如圖 12。由傳感器測得的傾角分布見圖 3 相同。 從圖 14 可知，傾角在 ± 圍外，從 i=5 到 i=8 可以觀察到（圓圈標記）。視頻顯示，在 X=114的履帶塊有一個大的傾角，該履帶塊（ i=6）與臺階接觸，見圖12。此外，在 X 軸的其他點，通過視頻可證實臺階處的接觸位置所對應的 傳感器的傾角大于 此，傾角是與臺階的接觸引起的。當在與行駛相反的方向上出現(xiàn)大于 傾角，即為與臺階的接觸點結(jié)果顯示可以檢測出臺階與履帶的接觸點。 七、總結(jié)和工作展望 本文提出了一種分布式的履帶車輛接觸傳感器。為了實現(xiàn)檢測功能，我們選擇并評估了光傾 角檢測傳感器。通過編碼器對傳感器的測量值進行修正，并使用了傳感器對行駛中的履帶塊的傾角進行了測量。因此，通過使用傳感器對履帶和臺階的 接觸點的位置的判斷得到了評估。 傾角傳感器需要進一步改善。需要將我們的傳感器裝在可變履帶機器人上進行接觸點檢測實驗。崎嶇路面上，姿態(tài)、擺角的可以結(jié)合傳感器得到的數(shù)據(jù)進行控制，并且傳感器的實用性需要得到證實。 參考文獻 [1] et ” 981. 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