一种swarm单体机器人设计和实现

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1、一种SWARM单体机器人设计和实现　　摘要：介绍了一种SWARM机器人的单体设计与实现。为实现SWARM机器人的批量制造、单体多功能的目的；在此首先采用了模块化设计方法；用CAN总线实现了主嵌入式CPU与各模块MCU的连接，形成了多CPU的控制体系结构；主嵌入式软件采用了基于数据池的多线程软件架构，模块微控器使用了基于消息伺服的多任务操作程序。通过机器人单机调试，获得了稳定的机器人单体控制结果。该机器人系统具有结构紧凑、易于批量生产、单体功能可伸缩的特性。关键词：SWARM机器人；系统自治；系统分析与集成；机器人设计中图分类号：TN911?34文献标识码：A文章编号：1004?373X（20

2、13）04?0085?040引言10SWARM机器人，是一种特殊类型的多机器人系统，由许多低成本自治机器人组成，具有典型的分布式系统特征。单体机器人具有自治性，可在外部环境和目标的激励下，感知自身内部参数变化，并通过与其他外部机器人之间的信息和能量交换来进行决策，规划自身行为。SWARM机器人系统，主要研究一群能力有限的个体机器人，通过交互、协调和控制涌现群体智能，以合作完成相对复杂的规定任务，他们应该可以在不可预知的外界环境下，以宏观任务为目标不断进化学习[1?4]。课题组的整体目标是设计自组织算法，使一群反恐机器人，在变化的环境下（如障碍变化），围猎恐怖份子机器人，使其无法自由移动，并最

3、终被反恐SWARM机器人制服，拖回“警局”。期望设计实时自组织的分布式控制系统，可以在单体反恐机器人有限感知，局部交互的情况下，自组织形成整体的行动策略，堵截恐怖份子机器人。因此，本文介绍了一种SWARM机器人单体的设计方案。1整体功能介绍10所设计的SWARM机器人系统如图1所示，每个机器人单体具有独立行动的能力，包括视觉，听觉，发声，行走，发光，等动作，同时设计了单体机器人可以用自己的机械手夹持在另外机器人的腰带上，以此组装成一个整体，使整体机器人的力量会更强大（能量传递），以完成宏观功能。单体机器人腰带可以发光，通过机器人顶部的全景摄像头可以看到发光机器人的发光颜色与方位，然后以此判断

4、对方机器人的状态（比如需要帮助，就亮红灯等）。即光信号可以成为单体机器人之间的“语言”。同样也可以约定声音信号为机器人的语言，以此来完成局部通信，短距离（临近区域）的传递信息。单体机器人就是利用简单的规则，通过数量上的优胜，使简单规则演化为宏观功能的。中央卫星摄像头可以监控各个机器人的位置，为中央主控提供依据。通过无线网络，下达对单体机器人的控制命令，同时可以下载策略程序到机器人。策略程序采用脚本编写，不用编译就可以在机器人上解释执行。2机器人系统的硬件设计硬件设计结构如图2所示，其分为以下几个模块：主控嵌入式PC104及通信系统；发光腰带及机械夹爪模块；锂离子电池充电供电模块；底层运动底盘

5、。整体机器人采用模块化设计，即各模块可以单独拆开，也可以随意合并，采用总线与电力线作为电气接口，相同的机械连接，这样就可以任意模块组装拆卸。为以后开发不同功能模块提供前提。如图2所示为机器人模块构成示意图。2.1底层运动模块采用履带式行走底盘，大面积着地保持稳定，保证在过沟时有很大的稳定性，单片机采用PIC18F458，通过PID算法，采用PWM信号驱动H桥，控制底部两台直流空心杯减速电机带动履带。与此同时，底部还配备一个转动云台，采用涡轮蜗杆传动，直流伺服电机驱动，做位置反馈伺服，来控制机器人身体的扭转角度。底部及侧面安装接近开关感知周围障碍与沟壑。采用CAN总线与PC104系统相连，来完

6、成PC104计算机对速度与位置的控制。电机采用瑞士空心杯伺服减速直流电机，额定电压12V，电机功耗8W。102.2锂电池供电充电保护模块采用6节A123磷酸铁锂电池作为电力供应，作为动力电池，铁电池有着电力密度高，电池容量大，使用安全等重要特性。设计了电池充放电的保护电路，使电池组具有过流保护，短路保护，欠压保护，过压保护，超温保护等功能。机器人上设置了电池平衡电路，保证电池串充的一致性，并配有充电芯片，以实现恒流，恒压，涓流的充电模式。设计了外部供电与电池供电的自动切换电路，当外电有供应时，可以使用外电给机器人上的设备供电，同时给电池充电；当外电去除时，电池自动切换为供电模式。供电时间达到

7、2h以上，电力配置专门采用了一片PIC18F4580单片机，可以根据外界红外控制机器人电力供应，完成平衡控制算法，并通过CAN总线把相关电池信息发布到PC104系统，给液晶屏电量显示信息。同时提供20V，2A，与5V，3A的两路电源输出为各模块系统供电。该模块与主控模块一同封装在机器人头部。2.3发光腰带与夹爪模块设计了机械夹爪，用于联合同伴，食物采集等情况。在机械夹爪内部设计了微型电机，控制夹爪开合，驱动电