第1章 智能移动机器人及研发平台的构建

学习情境

随着中国经济及社会的不断发展，机器人在各个领域的应用越来越广泛，机器人已经从早期的实验室及工业现场，逐步走向家庭、个人、学校以及军事领域。在国际上，美国、日本、以色列、欧盟等，也早已开展机器人在各个领域的研究和技术开发，并且取得了不俗的成绩。如日本本田公司的ASIMO行走机器人、美国和以色列的无人机飞行机器人等，都声名显赫。这些机器人能够自主地完成某些功能，因此都属于智能移动机器人范畴。很明显，国内机器人技术和先进国家相比，还有一定的差距。但可喜的是，随着RoboCup足球机器人大赛进入中国，国内的高校及科研领域掀起一股参与热潮，很大程度上促进了中国机器人技术的发展，提高了国民在机器人方面的认识。在国内，青少年参与机器人比赛已经成为时尚潮流，而让更多的群众尤其是青少年朋友了解机器人、喜爱机器人，向他们普及现代科学知识，培养更多的机器人方面的优秀人才，已经成为智能移动机器人发展的关键所在。

随着21世纪知识经济时代的到来，创新教育将越来越成为现代教育的灵魂。对高等教育来说，除了要培养大学生的创新意识和创新精神，更要注重训练他们的创造性思维方式和开拓性创新能力。通过智能移动机器人创新制作和挑战项目，可以很好地训练学生的创造性思维能力。

要完成智能移动机器人创新制作和挑战项目，必须从具体的机器人应用项目开始。要完成具体的机器人项目，离不开机器人应用开发平台的构建。本书以基于PC的智能移动机器人系统作为应用开发平台，RoboCup中型组足球机器人作为具体应用项目，展开对智能移动机器人的创新制作和挑战。要完成本书的所有内容，读者必须具备比较扎实的电子信息技术知识和C语言、VC、VS.Net软件程序设计能力，以及基础的控制技术和传感器应用能力。

要提高智能移动机器人研究和开发技术水平，参与机器人比赛和技术交流也很重要，这是由机器人的技术特点所决定的。不断的技术交流与学习将会给予机器人爱好者或参与者以深入的启发，进而提高其本身的技术水平。这其中，一个很好的途径就是参与各种机器人足球比赛，通过比赛进行实践、归纳、总结和提高。

本章首先探究已经产业化的智能移动机器人产品，然后介绍智能移动机器人的通用控制结构，最后介绍如何构建基于通用控制结构的智能移动机器人产品研究和开发平台。

任务1 寻找日常生活中的移动机器人产品

1.清扫机器人

清扫机器人属于智能型家居移动机器人，内置独立的计算机系统，有记忆功能，配备自动螺旋导航系统及无尘袋等，可以自行对房间做出测量，做到无须人工干预即可自动清洁并收集粉尘，可以有效地清扫各种木地板、水泥地板、磁砖，以及油毡、短毛地毯等。

清扫机器人不仅可以进行清扫，还能通过红外传感器探测周围的环境并进行判断，自动躲避墙壁和楼梯。即使把它放在桌子或楼梯上，它也不会往下掉，而且还能灵巧地进入床底、桌底、沙发下面等一切人工难以打扫的角落，又不会破坏家具。清扫机器人的操作也非常人性化，不仅能记忆路线、定时打扫，还具有独特的虚拟墙发射技术，可以在使用前设置好，不让它进入某些“禁地”。如果机器的电量快用完了，其独特的回充系统也完全无须人工干预自动充电。充电完成后，机器人会继续回到工作岗位完成之前设定的任务。

拥有这么强大的功能，那么清扫机器人是如何工作的呢？

首先，机器人必须能自动规划清扫路径，通过其上配置的电脑芯片控制左右轮差速转动，实现内螺旋圆弧形清洁路线。当圆弧的半径拓展到一定距离（如大于7.5m）时，芯片程序会控制机器人离开当前路线，在7.5m远处再次执行圆弧清洁。大量的圆弧对地面实现无缝覆盖，从而达到全面清洁地面的目的。

其次，在清扫机器人底部的前端，安装了多个红外线感应头，每一个感应头包含一个发射头和一个接收头。红外线发射头发射的红外信号经地面发射后，被对应的接收头接收。如果机器人底部距地面的高度超过5mm，电脑芯片便会控制机器人后退并调整其行走方向，避免其从高空跌落，保证清扫工作安全开展。

再者，对于不需要清扫的区域，则可利用虚拟墙技术避开。清扫机器人虚拟墙在开启之后，会在左右各0.5m、前方3.5m处发射红外线信号，机器人机身上的多个红外线感应头在接触到由虚拟墙发射出来的红外线后，就不会继续前进，以避免进入该区域内打扫。

最后，清扫机器人在电量快要耗完时，顶部的红外线发射头会发射无线电信号，当充电基座上的两个红外线接收头接收到该信号后，机器人便与充电基座取得联系。通过两个红外线接收头对机器人进行引导，使其慢慢靠拢，最终实现充电对接。如图1.1所示为一款典型的清扫机器人。

2.远程监控机器人

远程监控机器人是一种监控功能较强的智能移动机器人。它主要用于家庭、工业现场或其他领域，目的是获得监控视频、自主漫游及巡逻、避开障碍物、发送现场视频以及图片信息等。下面以WowWee公司的WowWee Rovio远程监控机器人来说明，如图1.2所示。它可以在你出门后与你保持联系，让你出门在外高枕无忧，不必担心家具、家人和宠物的安全。这也是和心爱的人以及宠物保持联系的上佳方式，通过机器人可以时不时去看看他们，向他们问声好，确保他们没有遇上麻烦。主人不在家时，机器人自动在屋里巡逻，并通过E-mail发送高质量的高清照片，显示家里各角落的情况。更重要的是，无论你在世界上的哪个角落，只要与因特网连接，并拥有一个与浏览器兼容的计算机设备，如苹果机、PDA等，你就可以远程控制机器人Rovio，并接收视频和音频。使用合适的浏览器平台，还能实现双向的视频和音频会话，把Rovio当做灵活的移动网络摄像机来使用。

如图1.3所示为Rovio远程监控机器人的充电器，这个充电器包括一个会发光的指示灯。北极星（NorthStar）室内定位与导航系统使Rovio在家中能精准地按照巡逻路线自行充电或离开充电器。如果你的房子足够大，或者有多余的房间，可以另外购买TrueTrack指示灯，这样Rovio就可以覆盖这些地方了。

Rovio可以与支持网络协议的无线局域网相连，动态地配置于微软Windows系统和苹果的Mac系统，前提是使用匹配的无线局域网网卡。Rovio的无线局域网设置如图1.4所示。

你甚至可以用手中的iPhone控制Rovio：在苹果软件商店输入“Rovio Driver”，就能找到这款由Bertrand Leroy开发的Rovio控制软件，下载和安装都比较方便。使用这款软件，可以很方便地利用iPhone内置的重力加速计来对它进行控制，并通过iPhone的屏幕来查看Rovio摄像头拍下来的图像，同时还可以控制Rovio的头部转向。

3.排爆机器人

排爆机器人是排爆人员用于处置或销毁可疑爆炸物的专用机器人，用来避免不必要的人员伤亡。这些机器人一般在机场和口岸，以及一些大型的体育场馆外可以看到，如2008年的北京奥运会。排爆机器人可在各种复杂地形进行排爆，主要功能有：代替排爆人员搬运、转移可疑爆炸物品及其他有害危险品；代替排爆人员使用爆炸物销毁器销毁炸弹；代替现场安检人员实地勘察，实时传输现场图像；还可配备散弹枪对犯罪分子进行攻击；配备探测器材检查危险场所及危险物品。由于技术复杂度较高，排爆机器人往往价格不菲。

按照操作方法，排爆机器人分为两种：一种是远程操控型机器人，在可视条件下进行人为排爆，即人是命令下达者，排爆机器人是命令执行者；另一种是自动型排爆机器人，可根据程序自动运行，并能分辨出什么是危险物品，以便排除险情。

按照行进方式，排爆机器人分为轮式及履带式。它们一般体积不大，转向灵活，便于在狭窄的地方工作，操作人员可以在几百米到几千米以外的地方通过无线电或光缆控制其活动。机器人车上一般装有多台彩色CCD摄像机用来对爆炸物进行观察；并装有一个多自由度机械手，用它的手爪或夹钳可将爆炸物的引信或雷管拧下来，并把爆炸物运走；车上还装有猎枪，利用激光指示器瞄准后，可把爆炸物的定时装置及引爆装置击毁；有的机器人还装有高压水枪，可以切割爆炸物；如果装上步枪、机枪或其他非致命武器，还可用来抓捕罪犯及歹徒。如图1.5所示为典型的排爆机器人。