基于Webots软件扫地机器人的研究与设计.doc

摘要毕业设计（论文）课题名称 基于Webots软件扫地机器人的研究与设计 学 院 电气工程学院 专 业 自动化 班 级 学 号 姓 名 指导老师 二一七年五月摘 要扫地机器人在人们的日常生活中发挥着重要作用，在许多人的家里，经常有个小巧灵活的身影，穿梭在各个房间里，它经过的地面都被打扫的干干净净。扫地机器人是凭借着一定人工智能自动完成室内地板清洁工作的智能家电用电器，目前主流的扫地机器人主要是通过机内高速运转的电动机在主机内形成一个类真空环境，利用由此产生的高速气流将垃圾吸入集尘盒，从而完成清洁工作。仿真技术在机器人的设计研究中有着不可忽视的作用，它可以改善机器人的机构质量和对机器人的运动性能进行分析。在仿真软件上对机器人进行研究有以下优点：研究成本低、研发周期短，方便修正，可以监控机器人运行中的各种参数和运动状态。本设计在Webots仿真平台上对扫地机器人进行设计。设计的扫地机器人应能能实现以下技术指标：能够实现灰尘识别，实现多种清扫模式，具有防跌落、防撞、自动返回充电等功能，能够进行电量低、尘盒满等信息提示。设计的过程如下：首先为机器人搭建一个环境，模拟一个房间，内有各种家具；然后构造机器人的身体，身体是扁平的圆柱体，移动机构是三轮式，有可实现防碰撞和防跌落等功能的传感器，接着给器件设置参数，最后给机器人创建一个控制器作为机器人的控制系统。最后，本设计完成之后，经过仿真运行，基本能实现扫地功能，并且不会碰上障碍物和跌落。同时分析了设计的机器人的不足之处，以及在未来的研究中该扫地机器人还可以继续改进的地方和可能增加的功能。关键词：扫地机器人 仿真技术 Webots iiABSTRACTResearch and Design of Sweeping Robot Based on Webots SoftwareABSTRACT Sweeping robots play an important role in peoples daily lives. In many peoples homes, there is often a small, flexible figure that travels through the rooms and is swept through the ground. Swept robotic robot is by virtue of a certain artificial intelligence to automatically complete the indoor floor cleaning smart home appliances, the current mainstream of the sweeping robot is mainly through the machine running high-speed motor in the host to form a vacuum-like environment, the use of the resulting high-speed air The garbage is sucked into the dust box, thus completing the cleaning work.Simulation technology can not be neglected in the design of robot design. It can improve the quality of the robot and analyze the motion performance of the robot. The research on the robot in the simulation software has the following advantages: low research cost, short research and development cycle, easy to correct, can monitor the robot running a variety of parameters and movement state.This design is designed on the Web site simulation platform for sweeping robots. The design of the sweeping robot should be able to achieve the following technical indicators: to achieve dust recognition, to achieve a variety of cleaning mode, with anti-drop, anti-collision, automatic return charging and other functions, to low power, dust box full information tips. The design process is as follows: first for the robot to build an environment, simulate a room, there are a variety of furniture; and then construct the robots body, the body is a flat cylinder, mobile body is three-wheeled, can achieve anti-collision and anti- And then set the parameters to the device, and finally to the robot to create a controller as a robot control system.Finally, after the completion of this design, after the simulation run, the basic ability to achieve sweeping function, and will not run into obstacles and fall. At the same time, it analyzes the shortcomings of the design of the robot, and in the future study of the sweeping robot can continue to improve the local and may increase the function.KEYWORDS: Sweeping robot；Simulation Technology；Webotsii目录目 录摘 要iABSTRATii第1章 绪论11.1 研究背景和意义11.2 国内外研究概况11.3 本课题研究内容和结构5第2章 扫地机器人相关理论62.1 引言62.2 扫地机器人的工作原理62.3 扫地机器人的特点72.4 扫地机器人的结构系统72.5 扫地机器人关键技术82.6 本章小结9第3章 3D机器人总体设计方案103.1 引言103.2 扫地机器人的外形设计103.3 扫地机器人的移动机构设计113.4 扫地机器人的传感器设计133.5 路径规划方法143.6 扫地机器人的控制程序设计143.7 本章小结18第4章 机器人建模实现方法194.1 引言194.2 Webots仿真软件介绍194.3 环境建模204.4 机器人建模224.5 控制器的实现244.6 本章小结25第5章 仿真结果分析265.1 引言265.2 仿真结果分析265.3 本章小结29第6章 总结与展望306.1 总结306.2 未来研究展望30参考文献31附录32致谢33iii第1章 绪论第1章 绪论1.1 研究背景和意义随着社会的的发展，社会老龄化越来越严重，而科学技术在计算机、微电子、信息处理及智能控制等方面的快速发展，使机器人技术向着智能化和多样化发展，并且逐步深入和细化，研究范围也越来越广阔，越来越多的机器人研究从工业机器人转向移动服务型机器人，服务型机器人则在一定程度上解决了社会老龄化而劳动力缺失的问题。机器人技术的发展是一个国家科学技术水平的重要体现。机器人技术是综合了计算机、控制理论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，集成了多学科的发展成果，代表着高技术的发展前沿。服务型机器人是一种能够半自主或全自主去执行各种服务性活动的的机器人，它出现的时间相比其他许多年长的机器人要短一些，是机器人家族里面年轻的一员。按照服务型机器人的应用范围，可以将其分成专业领域机器人和个人家庭服务机器人两类。服务型机器人虽然不能参与生产活动，但是可以从事维护保养、修理、运输、清洗、保安、救援、监护等工作。其中，具有清洁功能的服务型机器人称为扫地机器人。扫地机器人，是一种配备了微电脑系统、可以智能扫地和吸尘的电动保洁设备，人们可以通过一定的设置使它只清洁房间的某一小部分或着全部区域。扫地机器人与普通的吸尘器相比，它有着省时、省力的优点，它不需要人的控制就可以自主完成整个清洁过程，大大地减轻了人们的操作负担；扫地机器人的噪音很小，清洁房间的过程中主人不会受到噪音的影响；它里面放置了活性炭，可以吸附空气中的有害物质，净化空气；轻便小巧：轻松打扫普通吸尘器清理不到的死角。总之，智能扫地机器人有着许许多多的优点，还有操作简单、使用方便、清洁效果明显等特点。扫地机器人在各种服务机器人中有着广泛的应用前景。社会的发展使得如今人们的生活节奏变得非常快，人们身上的压力也变得越来越大，一天的工作下来，人们疲惫不已，所以很少有人愿意在一天的忙碌后继续打扫自己的房间，而扫地机器人可以自主的完成清洁工作，使得人们在工作结束后回到家里免于家务劳动从而得到更多的休息时间，这就使得扫地机器人有了广大的市场。但是现在市场上质量比较好的扫地机器人的价格比较昂贵，所以针对扫地机器人的研究仍然很重要。1.2 国内外研究概况自从第一台扫地机器在英国问世，扫地机器人开始逐步进入人们的日常生活当中。随着时间的流逝和科学技术的发展，扫地机器人技术也越来越成熟，扫地机器人得到了很好的发展，现在的扫地机器人更加的轻薄、灵活、智能、清洁效率更高，拥有的功能也越来越多。在人们的日常生活中，扫地机器人可以发挥的作用越来越大。1.2.1国外研究概况早在20世纪80年代SANYO公司就正式开始进行自主吸尘机器人的研发工作。但由于自主吸尘机器人的研究才刚刚开始，研究出来的自主吸尘机器人的自主能力还不够高，清扫的效率也比较低，在这些方面都还有待提高。2001年初，英国Dyson（戴森）公司推出了DC06智能吸尘器，其装备的感应器非常多，这就是世界首次研发出来的全自动“吸尘机器人”。图1-1 DC06智能吸尘器著名的“三叶虫”也是诞生于英国，这是一款问世较早但功能强大的吸尘器。“三叶虫”内部装有超声波探测器，可以探测出障碍物如桌腿墙壁等的位置，能够绕开障碍物在房间里自由行走；还可以探测出房间的尺寸，从而自主的计算出最佳的行走路线。其工作档位一共有三个：正常、快速和点清理，当尘盒装满时机器人还会发出警告。这款机器人还有个特殊的功能，可以利用特制的磁带来限制机器人的清扫范围，如想让机器人只清扫客房时，就在客房门口放上特制磁带，扫地机器人就不会走出客房而只对客房内部进行清扫。“三叶虫”高度只有13厘米，因此可以方便的清扫到如沙发底或者床底等不易清扫的区域。图1-2 伊莱克斯的“三叶虫”美国iRobot是全球家用机器人领航者与开拓者。从2002年至今，Roomba一共有8代产品。最早的是2002年9月推出的清洁机器人“Roomba”，它拥有高度的自主能力，打扫的时候动作不会太快但是效果很好。最新的型号是2015年底发布的900系列，暂时未引入中国市场。iRobot主打三段式清扫系统，即“扫卷吸”。这也是现在其他品牌争相模仿的。而现在他们放弃了传统的主刷，改为无刷防尘吸取器配以真空气流增强系统和高效真空吸尘马达，达到了真空吸尘的新高度。每一款Roomba都能完成自动清扫、自动回充，部分型号还拥有更高级功能如：（1）定时清扫功能（2）遥控器与指挥功能（3）虚拟墙与区分功能（4）虚拟墙灯塔与挨个房间清扫功能。图1-3 美国“Roomba”清扫机器人德国TOMEFON(斐纳)环境公司始建于1976年，是德国智能扫地机器人行业领导品牌。斐纳是行业内第一家应用仿生学超声波侦测技术的智能扫地机器人品牌。斐纳TOMEFON-TF-S450这款智能扫地机器人采用双重红外防碰撞设计，一共有18组红外传感器，能有效防止发生碰撞事件，避免撞坏家具和机器，这是它最大特色。它的第二个优点是它的清洁系统是浮动式升降式的，由滚刷和双边刷组成，这使得机器清洁的时候更贴近地面，因此地面清洁能力非常强大。而现在最新的TOMEFON-TF-S880主打的是弓形拖扫功能。图1-4 德国“TOMEFON-TF-S450”扫地机器人1.2.2国内研究概况现在国内也有着相关的研究开发工作，一些知名的大学也对扫地机器人进行了大量的研究工作，研究得比较成熟主要是扫地机器人的相关技术如机器人的定位和导航与路径规划、机器人控制系统、机器人的传感器、机器人电源系统等方面有着较多的研究，尤其是移动机器人的路径规划和运动控制方面，获得了一定的研究成果，为未来对扫地机器人进行更深入的研发打下了技术基础。哈尔滨工业大学在20世纪90年代开始致力于这方面的研究工作，它与香港中文大学合作，一起研发出全方位移动地面清扫机器人，并且与海尔公司协议，由海尔公司将这种全方位移动地面清扫机器人制作成产品。这种机器人具有两种运行方式，分别是遥控操作方式和自主操作方式，并且能进行智能化的电源管理，将电源有效分配给系统的不同组件，可以延长机器人的运行时间，提高移动机构地移动动力资源的利用率。采用全方位的移动技术，使用万向轮让机器人能向任意方向移动，由此可以去到清洁死区完成清洁工作。其吸尘机构可实现吸尘腔路的自主转换，提高了吸尘效率。该机器人采用了开放式的机器人铰链机构，可以实现硬件可扩展、软件可移植和继承的功能，使机器人作为服务载体具有更强的功能适应性。1999年初，浙江大学也开始了智能吸尘机器人的研究工作。浙江大学机械电子研究所与苏州TEK公司合作，两年后设计成功研发出了国内第一个具有初步智能的吸尘机器人，到2003年机器人系统在自主能力和工作效率上有了显著的提高。这个机器人在开始清洁任务之前，先进行环境学习，利用超声波测距，从而获得清扫范围的尺寸信息，决定清扫时间，然后，利用随机加局部遍历规划的策略产生高效的扫地路径，清扫结束后，自行回到充电座，补充能量。目前系统还在升级中，致力于引入机器人视觉和全局定位功能，提高清洁效率，所以现在还没有进入生产。国内众多扫地机器人品牌中，科沃斯是比较有名的。科沃斯主营地宝、窗宝、沁宝、魔镜等机器人吸尘器产品。其中地宝是通过整个涡轮增压系统来保证清洁效果的：涡轮增压电机产生涡轮增压吸力，将灰尘从进风口吸入到涡轮增压尘盒（尘盒的前部进风，后部出风直接连到涡轮增压电机，中间没有损失），而当地宝工作的时候，进灰口的滚刷每分钟4000转高速旋转，也会产生一个云状涡轮增压，通过清扫加拍打高效将灰尘集中收纳起来，在滚刷的周围是一圈涡轮保压幕墙，可以持续的保持滚刷产生的涡轮压力，从而产生持久稳定的清洁能力。图1-5 科沃斯扫地机器人“地宝”1.3 本课题研究内容和结构本课题是以Webots作为软件开发程序，设计一个扫地机器人。首先在世界中建立一个环境，模拟一个房间，里面放置一些桌子沙发等家具，给扫地机器人提供了一个工作环境。然后开始搭建扫地机器人模型，编写控制器，仿真运行。本文的结构分为以下几个部分。第一章论述了扫地机器人的研究背景和意义，概括了目前国内外的研究现状。第二章分析了关于扫地机器人的一些相关理论，包括扫地机器人的工作原理，扫地机器人的特点，扫地机器人的结构系统，以及扫地机器人的关键技术。第三章给出了仿真模型的设计方案：机器人整体造型为圆盘式；移动机构采用三轮式，由受两个独立电机单独控制的两个驱动轮和一个万向轮组成，当扫地机器人转弯时可以改变两个驱动轮的速度比来达成；扫地机器人的底盘上轮子的附近装有三个超声波传感器，用来实现防跌落功能，扫地机器人身体的侧边上装有4个红外线传感器，用于实现避障功能；机器人的身体内部还装有一个旋转电机，以实现吸尘作用；还设计了控制程序的流程。第四章先介绍了Webots软件，第五章测试了该机器人的运行效果，对机器人的仿真模型的不足进行了分析。第六章写了对本次设计的工作进行的总结分析，以及扫地机器人研究工作的展望。38第2章 扫地机器人相关理论 第2章 扫地机器人相关理论2.1 引言本章节主要讨论了扫地机器人的一些相关理论，包括扫地机器人完成清扫任务的工作原理、扫地机器人的主要特点、构成扫地机器人的主要机构和扫地机器人研究的关键技术。2.2 扫地机器人的工作原理扫地机器人由多个工作模块组成，在这些模块的共同作用下，机器人才能完成清洁工作。系统主控制模块是整个机器人的核心，传感器模块用来探测和接受信号，然后把信息传给系统主控制模块，系统主控制模块接收到信号后进行处理和分析，然后把结果返还到执行模块中，机器人开始工作。图2-1 工作中的扫地机器人机器人的工作过程如下：（1）发送指令给扫地机器人，把机器人打开，使机器人进入工作状态。（2）机器人开始工作后，传感器探测模块不断地将探测外界得到的信息收集起来并把收集到的信息发送给系统主控制模块，系统主控主模块接收到之后，对这些信息进行分析和处理，最终计算出一条覆盖面最全，效率最高的最优路径。（3）机器人按着规划出来的路径进行清扫工作，当机器人遇到障碍物需要转向绕开时，系统主控制模块就会通过执行模块的行走驱动子模块的驱动轮上的独立电机改变两轮的速度比实现机器人的转向。（4）在清扫的过程中，扫地机器人是通过机器人内部高速运转的电机，形成具有吸力的风量和内部的类真空环境，使得机体内外的压强不平衡，形成了压强差，在内外压差和风量的共同作用下，灰尘从吸风口处被吸入集尘盒，带有灰尘毛发等杂物的风经过过滤后再排出。2.3 扫地机器人的特点扫地机器人具有以下特点：（1）扫地机器人自带电源，体积小巧轻便，自主程度高，功能齐全，操作简单，可实用性高。（2）扫地机器人的主要功能是完成地面清扫工作，清洁的对象是地板上的灰尘、毛发、纸片碎屑等一些轻质量、体积小的垃圾，而重质量、大体积的垃圾则不在机器人的清扫范围内。（3）扫地机器人在自主完成任务时，扫地机器人不得损坏房间里面的家具、物品等，还应具有自我保护的能力。（4）扫地机器人的工作环境要求较高，应为有限的封闭环境，地面较为平整，可以是家庭环境或者图书馆、机场大厅等。2.4 扫地机器人的结构系统（1）移动机构。移动机构是执行电机模块的一部分，包括驱动电机和行走驱动轮。功能是让机器人在地面上自由的行走。机器人移动机构主要有轮式、履带式、步行式或其他方式等几种类型。轮式和履带式适合较平整地面，而步行式可应用于条件较差的地面。由2.3扫地机器人的特点可知，扫地机器人的工作环境比较良好，一般为室内，所以扫地机器人采用轮式结构。（2）清扫机构。清扫机构是执行电机模块的另一部分。主要是由两个独立电机控制的两个逆向旋转毛刷组成。电机启动后，带动毛刷旋转，左边的毛刷顺时针转动，右边的毛刷逆时针转动，在这两个毛刷的共同作用下，将垃圾集中扫到吸风口。（3）传感器机构。传感器机构在机器人运行过程中发挥着重要的作用，是充当着机器人的眼睛的重要角色，如为了实现防碰撞功能和防跌落功能，在扫地机器人的身体里装有许多的传感器。图2-2 扫地机器人的组成机构2.5 扫地机器人关键技术由于人的走动或者其他因素，扫地机器人的工作环境往往是不确定或者多变的，这给机器人带来一定的干扰，机器人的几大关键技术则帮助机器人在这种情况下很好的完成任务。（1）传感器技术扫地机器人在工作的过程中，随着自身的移动，环境的状态和机器人自身的状态都不断的变化着，所以需要不断的更新自身的状态信息和外界的信息，以监控自身的运动状态、进行路径规划等。通常传感器分为内部传感器和外部传感器。内部传感器一般有编码器、加速度计、陀螺仪和电子罗盘等，编码器可以用来确定机器人的位置，加速度计可以获取加速度信息，陀螺仪可以测取机器人运动时的角度、角速度、角加速度等。我们通过这些信息可以了解到机器人的实时运动状态。而外部传感器一般是压力传感器或距离传感器如红外线传感器、激光传感器、超声波传感器等，机器人通过传感器可以获得机器人附近是否有障碍物等信息，这些信息可以避免机器人发生碰撞或跌落等情况。通过将这多种传感器收集到的信息融合在一起，可以使得扫地机器人适应动态的工作环境，及时的对突发状况做出判断然后进行处理。（2）路径规划技术路径规划就是在有障碍物的环境中，机器人首先通过传感器获得外界信息认识工作的环境状态，然后按照一定的规划规则计算出起点到终点的一条避开障碍物进行导航，并且达到清扫区域覆盖最全的路径。路径规划一般分为全局路径规划和局部路径规划。路径规划技术可以极大得提高扫地机器人的清洁效率。（3）电源技术电源相对于扫地机器人就像心脏相对于人，人失去心脏就是去了生命，机器人没有电源就无法工作。电源是机器人动力的来源，电源为移动机构提供动力，为系统控制模块提供稳定的电压，为驱动模块、吸尘模块和传感器模块提供能源。目前扫地机器人的电源一般为可充电池。2.6 本章小结本章介绍了扫地机器人的工作原理，并且分析了工作过程，指出了扫地机器人的特点和对工作环境的一般要求，然后分析了扫地机器人的组成机构，最后简单介绍了扫地机器人的几种关键技术：传感器技术、路径规划技术和电源技术。第3章 3D机器人总体设计方案 第3章 3D机器人总体设计方案3.1 引言本章节主要给出了3D机器人总体设计方案，分别对扫地机器人的外形、移动机构和传感器进行分析做出设计方案设计，然后对扫地机器人的路径规划方法进行选择，最后给出了扫地机器人控制程序的设计方案。3.2 扫地机器人的外形设计扫地机器人的整体结构外形设计为圆盘形，相对于其他有棱角的物体如三角形物体或矩形物体而言，圆形物体更容易躲避障碍物，即使机器人发生故障没有及时绕开障碍物而发生碰撞时，产生的损伤也相对较小；而且设计为圆盘型的机器人外形高度较低，可以进入床底、沙发底、茶几底等地进行清扫。因此本设计将扫地机器人的身体设为厚度为10cm，半径为20cm的圆柱体。机器人的外形俯视图如图3-1，侧视图如图3-2。 图3-1 扫地机器人的外形俯视图图3-2 扫地机器人的外形侧视图3.3 扫地机器人的移动机构设计移动机构是扫地机器人的基础结构，主要作用是使机器人可以在平面上移动。因扫地机器人的工作环境多为室内，且地面平整，因此本设计中扫地机器人的移动机构采用轮式。为与扫地机器人的身体部分协调，设计的轮子是高度为3cm、半径为4.8cm、转轴垂直于Y轴的圆柱体。为使扫地机器人有良好的直线性，并且实现机器人的0半径转弯，移动机构采用双电机进行两轮驱动，两轮对称分布在机器人中心线的两边，吸尘及后的后边。三角形机构是世界上最稳定的机构，因此在移动机构上添加一个随动轮，与另两轮组成一个三角形结构，这种三轮结构能保持机器人的平衡。总的来说，扫地机器人的移动机构采用三轮式移动机构，由两个驱动轮和一个万向轮（随动轮）组成。三轮式移动机构如下图3-3所示。图3-3 三轮式移动机构图3-4 三轮移动的结构简图三轮移动的结构简图如上图3-4所示。图中为绝对坐标系，为扫地机器人的前轮运动速度，、分别为扫地机器人两个驱动轮的速度，为扫地机器人万向轮和驱动轮之间的距离，为两个驱动轮之间的距离，点为扫地机器人的质心，点为两个驱动轮轴心连线的中点。设：扫地机器人的万向轮相对于车体纵轴的旋转角度为，扫地机器人的车体纵轴与轴的夹角为。设万向轮在转弯时的瞬时圆心也是位于两驱动轮轴心的连线上，设瞬时转弯半径为，为车体的转弯角速度11。则车体的速度为 （3-1）经过简单的计算，可求得万向轮在转弯时的瞬时转弯半径为 （3-2）于是可求得车体运动方程 （3-3）3.4 扫地机器人的传感器设计扫地机器人的许多功能都是通过传感器完成的，本系统的传感器设计主要包括防撞传感器的设计、防跌落传感器的设计和灰尘盒满防满的传感器设计。（1）防撞传感器的设计为了防止扫地机器人装上各种各样的家具，设计在机器人的侧边均匀的放置4个红外线传感器。红外线传感器可以在短时间内探测到远处的障碍物，当扫地机器人遇到障碍物时，红外线传感器可以及时的探测到，机器人就可以通过避障程序控制机器人转弯，绕过障碍物行走，从而达到避障的目的。图3-5扫地机器人防撞传感器分布示意图（2）防跌落传感器的设计为了防止扫地机器人从悬空处跌落，设计在扫地机器人的底部、3三个轮子的附近放置3个防跌落传感器。超声波传感器是一种可以测量距离的传感器，超声波传感器发射超声波，超声波到达被测物体表面后被反射回去，通过超声波传感器接收到反射回去的超声波的时间可计算出超声波传感器与被测物体的距离。当扫地机器人检测到机体下悬空时，超声波传感器利用超声波测出扫地机器人与地面之间的距离，当测量值超出限定值时，扫地机器人通过防跌落程序控制机器人离开，从而达到防跌落地目的。图3-6扫地机器人遇台阶时示意图（3）尘盒防满的传感器设计为了检测扫地机器人的集尘盒是否装满，在尘盒满时可以及时发出提示，让用户及时清理集尘盒，设计在尘盒相对两侧的最高点安装变介质型电容传感器。当尘盒装满时，两侧的变介质电容传感器之间的介质就由空气变成了灰尘，由于空气的介电常数和灰尘的介电常数不一样，电容传感器的电容值就发生了变化。当电容器传感器的只发生变化时，就意味着尘盒已装满灰尘，需要清理了。图3-7 电容传感器的位置示意图3.5 路径规划方法机器人的路径规划方法可以分为随机覆盖法和非随机覆盖法，分随机覆盖法包括人工势场法、栅格法、模板模型法和人工智能法，其中的人工智能法又可以分为模糊控制算法、神经网络路径规划和遗传算法。本设计采用简单的随机覆盖法。机器人采用随机覆盖法不需要对环境有预先的了解，它属于未知环境的路径规划。其采用的策略是让扫地机器人直线行进，在遇到障碍物时再通过避障程序使机器人转向，避开障碍物后继续直线行进。3.6 扫地机器人的控制程序设计本系统的控制程序设计主要包括主程序设计、防撞子程序设计、防跌落子程序设计和充电寻找子程序设计。（1）程序初始化一般程序开始前都要进行程序初始化，或者程序故障时也要进行初始化，初始化的目的是使变量等回到初始值。（2）主程序的设计系统初始化后就执行主程序，首先对系统执行电压检测程序，如果电压检测程序结果显示为YES则执行充电寻找子程序，找到充电基座后执行充电程序，充电完成后再执行一次电压检测程序，确定充电完成后则执行清扫程序，在扫地机器人移动的过程中，执行障碍检测程序和悬空子程序，如果遇到障碍物则执行避障子程序，如果遇到阶梯或悬空的地面则执行防跌落子程序，避开障碍物和悬空区后则继续运行清扫程序。主程序流程图如下图3-8。图3-8 主程序流程图（3）防撞子程序的设计防撞子程序用来控制扫地机器人转弯从而确保机器人不会撞上障碍物，而是从障碍物的旁边绕开。当传感器1检测到有障碍物存在时，执行右转程序后返回避障程序；当传感器2检测到有障碍物存在时则先执行后退程序然后再执行右转程序后返回避障程序；当传感器3检测到有障碍物存在时执行左转程序后返回避障程序；当传感器4检测到有障碍物存在时则执行右转程序。这里的传感器指的都是防撞传感器。防撞子程序流程图如下图3-9。图3-9 防撞子程序流程图（4）防跌落子程序的设计防跌落子程序主要是防止扫地机器人从楼梯上跌落而摔坏。当扫地机器人悬空检测结果显示机器人机身下方出现悬空时，防跌落子程序运行。传感器1位于万向轮的前方，传感器2和传感器3分别位于两个驱动轮的旁边。当传感器1检测到悬空时，先执行后退程序再执行左转程序后返回防跌落检测程序；当传感器2检测到悬空时，先执行前进程序再执行右转程序后返回防跌落检测程序；当传感器3检测到悬空时，先执行前进程序再执行左转程序后返回防跌落检测程序。这里的传感器指的是防跌落子程序。防跌落子程序流程图如下图3-10。图3-10 防跌落子程序流程图（5）充电寻找子程序当主程序运行时最先进行的就是电压检测程序，当电压不够时，机器人就要执行充电寻找子程序去寻找充电基座进行充电，目的是保证扫地机器人有足够的动力去执行完成清扫工作。当红外线探头没有接收到充电基座发出的红外发射信号时，执行防撞子程序和防跌落子程序；而当接收到红外发射信号时则执行充电寻找子程序，此时需要关闭防撞子程序。充电寻找子程序流程图如下图3-11。图3-11 充电寻找子程序流程图3.7 本章小结本章主要介绍了整个扫地机器人系统设计。本系统设计主要包括了扫地机器人的外形设计、移动机构的设计、传感器的设计、电机的设计和控制程序的设计。本系统设计将机器人的外形设计为高度为10cm、半径为20cm的圆盘形；将移动机构设计为由两个驱动轮一个万向轮组成的三轮式移动机构；将实现扫地机器人避障功能的传感器设计为红外线传感器，实现扫地机器人的防跌功能的传感器为超声波传感器，实现扫地机器人的尘盒防满功能的传感器为电容传感器；而对路径规划的选择，则设计采用随机覆盖法，即直行遇障后转向继续直行；同时还进行了扫地机器人的主程序和防撞子程序等程序设计。第4章 机器人建模实现方法 第4章 机器人建模实现方法4.1 引言本章将上章设计好的机器人模型在Webots仿真平台上实现，包括环境建模、机器人建模和控制器的实现。4.2 Webots仿真软件介绍Webots软件是由瑞士联邦技术研究院研发的一款集建模、编程、仿真和程序移植为一体的多功能专业化机器人研究软件，它是一款商业化的机器人仿真软件，目前有多所大学和研究机构采用它进行相关的机器人研究工作。Webots仿真软件是基于VRML（虚拟现实语言）对环境和机器人进行建模仿真的，它具有良好的人机交互功能。Webots的用户界面主要由四部分组成：场景树编辑窗口、3D模型的显示窗口、机器人控制程序的编辑窗口和显示对象参数信息的输出窗口。图4-1 Webots仿真环境Webots机器人仿真主要由以下几个步骤：环境建模、机器人建模、参数设置、编辑控制程序和仿真实验。流程如图3-1：图4-2 基于Webots软件的机器人设计流程图Webots采用ODE（开源物理引擎）对仿真模型的物理属性进行精确模拟，检测物体碰撞和模拟刚性结构的动力学特性，可以模拟物体的速度、惯性等物理特性。在编程方面，Webots支持多种语言，可以使用C、C+、MATLAB、Python和JAVA等计算机语言进行编写。4.3 环境建模不同的机器人都有其对应的特定工作环境，扫地机器人的工作环境一般是家庭环境等，所以我们在开始建模时，先为扫地机器人建立一个模拟房间的环境。环境包括地面、围墙、灯源和家具。（1）地面建模：每当打开一个新建的世界窗口时场景树里都会自带一个面积为1m1m的地面实体节点（solid）,将其面积换成为10m10m，即将地面的四个坐标点按顺序设置为5 0 5、-5 0 5、-5 0 -5、5 0 -5，为了使地面更有真实感，我们可以将地面的方格图形换成木地板的图片：将木地板的网址输入appearance节点的来源中。设置效果如下图3-3（a）。图4-3（a） 地面设置效果（2）围墙建模：选择场景树窗口中的最后一个实体节点，然后单击插入按钮。选择一个实体节点。从+号打开新创建的new node，并在其name字段中键入“wall”。选择children字段后插入Shape节点。打开此shape节点，选择appearance字段，并从“new node”按钮创建“Appearance”节点。使用相同的技术在“Appearance”节点的素材字段中创建一个“Material”节点。选择Material节点的diffuseColor字段，然后选择粉紫色来定义墙壁的颜色。接着通过设置围墙的交点坐标设置墙体形状，坐标设置如下图3-3（b）。为了防止机器人穿过墙壁，我们必须定义墙的boundingObject字段来设定墙的边界。图4-3（b） 墙角坐标设置（3）灯源设置：设置四个相同点光源（PointLight）均匀的分布在房间的四个角模拟灯光，使房间的每一角落都能被照到。选择ambientIntensity（环境亮度）将其设为1，选择intenuation（强度）并设为0.6，更改其坐标为0.48 2.9 0.48，并将这个点光源节点复制粘贴三次作为其他三个点光源，分别将其坐标改为0.48 2.9 -0.48、-0.48 2.9 0.48、-0.48 2.9 0.48。（4）放置家具：经过以上步骤，我们已经建好了一个空的房间，我们接下来就为房间添加一些家具。在webots中，已经有了搭好的一些仿实物的实体节点，我们只要在增加节点中的“PROTO（webots）”中选择并加入就可以了。如添加一个椅子，选择场景树窗口中的最后一个实体节点，然后单击插入按钮，在增加节点窗口中选择PROTO（webots）并选中其中的SimpleTable（Solid）后加入。图4-3（c） 环境一角4.4 机器人建模扫地机器人的建模主要包括扫地机器人的身体、扫地机器人的移动机构和添加扫地机器人的传感器及设置参数等。（1）建立扫地机器人的身