基于傾角測(cè)量的鏈?zhǔn)铰膸б苿?dòng)機(jī)器人的接觸點(diǎn)檢測(cè)課程畢業(yè)設(shè)計(jì)外文文獻(xiàn)翻譯@中英文翻譯@外文翻譯

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救援機(jī)器人已經(jīng)被研究用于在自然或人為災(zāi)害環(huán)境中搜索受害者，具有安全和快速的特點(diǎn)。許多種類(lèi)的可變履帶機(jī)器人被設(shè)計(jì)出來(lái)用 于救援：擺臂履帶式機(jī)器人[1][2][3]、可變履帶機(jī)器人 [4][5]、多連接（蛇形機(jī)器人） [6][7][8]。其中，可變履帶機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中具有很高的機(jī)動(dòng)性和穩(wěn)定性。“ 我們用于研究的機(jī)器人之一（圖 1）。 兩個(gè)主履帶和四個(gè)擺臂履帶分別位于車(chē)身前后。通過(guò)熟練的擺動(dòng)擺臂的姿態(tài)可以平穩(wěn)的實(shí)現(xiàn)爬樓梯動(dòng)作。 復(fù)雜環(huán)境中可變機(jī)器人的高機(jī)動(dòng)性要?dú)w功于它們的多自由度。為了同時(shí)實(shí)現(xiàn)高機(jī)動(dòng)性和簡(jiǎn)便的操作，我們開(kāi)發(fā)了一個(gè)半自主系統(tǒng)來(lái)遠(yuǎn)程操控可變履帶機(jī)器人。在這個(gè)系統(tǒng)中，操作者只需 指出機(jī)器人的移動(dòng)方向，而擺臂的擺動(dòng)則是由自主系統(tǒng)根據(jù)反射傳感器測(cè)量值控制 [9]，而這種方法對(duì)于未知環(huán)境和可變環(huán)境非常有效。很多種類(lèi)的傳感器被用來(lái)測(cè)量機(jī)器人和履帶橡膠的有關(guān)信息：機(jī)器人的姿態(tài)、角速度、電機(jī)速度和力矩、接觸點(diǎn)、接觸壓力、地形等等。尤其重要的是，接觸點(diǎn)的測(cè)量是所有信息中至關(guān)重要的一個(gè)，它直接關(guān)系到復(fù)雜環(huán)境中機(jī)器人的安全行走，因?yàn)樗c機(jī)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(jī)器人接觸點(diǎn)檢測(cè)的新方法。檢測(cè)方法的重要組成部分是測(cè)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(tái)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(tái)階接觸產(chǎn)生傾斜。這些例子說(shuō)明了利用履帶塊傾角檢測(cè)接觸點(diǎn)的可能性。已經(jīng)有一些利用接觸壓力或位移的接觸檢測(cè)，對(duì)于利用傾角的情況還沒(méi)有任何研究。 現(xiàn)已有一些關(guān)于傾角的檢測(cè)方法，但都有一個(gè)共同的問(wèn)題就是電線的連接。比如，如果每個(gè)履帶塊都安裝一個(gè)陀螺儀，電線將會(huì)沿著履帶擰成一圈。即使使用無(wú)線，也是比較難以實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)樗嬖谝恍┫拗茥l件：安裝空間、電力、通信速率。通過(guò)非接觸的方法測(cè)量?jī)A角解決了電 線的問(wèn)題。為了實(shí)現(xiàn)上述方法，可以使用不同的方法：光傳感器、電磁感應(yīng)、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(diǎn)如下：第一段描述輪式和履帶式車(chē)輛接觸測(cè)量的相關(guān)工作；第二段介紹測(cè)量?jī)A角前的相關(guān)工作；第三段介紹了搭建原則和履帶車(chē)輛上傳感器的擺放結(jié)構(gòu)；第四段對(duì)傾角檢測(cè)傳感器進(jìn)行評(píng)估；第五段是關(guān)于外界干擾的校正方法說(shuō)明；第六段為臺(tái)階上實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其討論；最后在第七段進(jìn)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(cè)方法： 1、間接的接觸信息測(cè)量； 2、個(gè)別點(diǎn)的分布接觸 測(cè)量。 第一種方法和人體深層感覺(jué)相類(lèi)似：它采用電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩或者壓力材料。車(chē)輪的滑移是根據(jù)電機(jī)的電流確定 [11]，同時(shí)擺臂與地面的接觸點(diǎn)也是根據(jù)電機(jī)電流確定 [9]。 第二種方法和人體皮膚表面感覺(jué)相類(lèi)似：傳感器被放置于接觸點(diǎn)附近。這種方法的問(wèn)題是電線和傳感器的耐用性。目前，在履帶車(chē)輛接觸點(diǎn)方面的研究還比較少。我們也在開(kāi)發(fā)一種使用紅外測(cè)距傳感器檢測(cè)接觸點(diǎn)的輕壓輪胎 [12]。如果采用這種方法的履帶塊，那么接觸點(diǎn)將不能被檢測(cè)出，因?yàn)樵阪溳喓蛻壹芙佑|附近沒(méi)有產(chǎn)生位移的物體。另一方面，傾角測(cè)量方法的優(yōu)勢(shì)是 檢測(cè)可以任意地方的接觸點(diǎn)。 分 三、 分 布式光檢測(cè)傳感的履帶車(chē)輛 A、 傾角測(cè)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(shí)現(xiàn)傾角的測(cè)量， 我們需要一種反射器 ， 其 需 具 有 如 下 特 點(diǎn) ：·反射強(qiáng)度與反射傾角緊密相關(guān) ·反射強(qiáng)度不受反射器和接收裝置之間距離的變化而變化。 作者開(kāi)發(fā)了一種具有上述特點(diǎn)的“傾角反射（ 感器” [10]。該傳感器有一個(gè)反射鏡的角度過(guò)濾層。視角過(guò)濾器有很多小的縫隙，這可根據(jù)傾角減小滲透光的 強(qiáng)度，通常被用于終端顯示設(shè)備的隱秘保護(hù)。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(guò)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(cè)量?jī)A角。 圖 4 是本文中使用的 射器的機(jī)構(gòu)圖。反射器具有直徑 70μ m 玻璃珠，型號(hào)為#9301，由 角過(guò)濾器型號(hào)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(cè)量?jī)A角實(shí)驗(yàn)的履帶。牽引裝 置有三個(gè)鏈輪，他們的外圓直徑為 84心距為 帶塊的規(guī)格見(jiàn)表 1 。履帶塊有一個(gè)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(cè)器平行放置。 。它們?cè)谛〉姆瓷涑叽缟系墓獍呔哂懈叩姆较蛐浴?半錐角為 20探測(cè)器的為 12 正向電流為 40探測(cè)器是西門(mén)子制造的額定電壓是 5V，負(fù)載電阻是10了減小環(huán)境光的影響，它們都是用了日光過(guò)濾器。 C、 偏移角紅外傳感器 了簡(jiǎn)便的得到傾角θ， 圖 6所示。 當(dāng)設(shè)定α比最大傾角大時(shí)，傾角可以被測(cè)出。為了測(cè)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(cè)量。這種方法仍然與測(cè)量距離無(wú)關(guān)，但需要雙倍數(shù)量的傳感器。這對(duì)于一個(gè)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(lái)自地面反射的影響，非反射膜被應(yīng)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(guò)先期各種材料的實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)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(guò)了。 B、位移的影響 假設(shè) 射器的反射強(qiáng)度不受位移影響。然而，實(shí)際情況并非如此，這導(dǎo)致了測(cè)量誤差和傳感器的分辨率較差。我們檢驗(yàn)了位移的對(duì)于傳感器輸出電壓 果如圖 8所示。 d， ，該電壓與光的反射強(qiáng)度有關(guān)。由此，可以標(biāo)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(cè)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(duì)于任何θ，圖形幾乎都是水平的，位移 此，在這個(gè)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(dāng) 8于傾角的輸出電壓已經(jīng)測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖 9。從圖中可知，當(dāng) θ= 壓 280角 θ 越大，輸出電壓U 越小。當(dāng) θ 為 10出電壓為 0V。當(dāng) 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(cuò)誤 !未找到引用源。 （ i=1每個(gè)錯(cuò)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(gè)函數(shù)沒(méi)有實(shí)際用途，但可以計(jì)算反函數(shù)和很好的擬合觀測(cè)值。其中 參數(shù) f 是由圖 9 的數(shù)據(jù)確定。 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 為最大電壓 1280時(shí)θ=0d=22據(jù)列文伯格 法 將位移 d 導(dǎo)致的輸出電壓變化錯(cuò)誤。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖 9。 因此，m=決定系數(shù) D、測(cè)量誤差評(píng)估 為了能根據(jù) 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 計(jì)算出傾角 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ，式 1的反函數(shù)如下： （ 3） 本節(jié)評(píng)估了測(cè)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(jì)算傾角θ。誤差即為測(cè)量值與真實(shí)值之差。結(jié)果見(jiàn)圖 10。 當(dāng)θ小于 20角的分辨率小于4果顯示當(dāng) d=22傾角的誤差最?。▓D 10中用 ?標(biāo)記）。 隨著θ變大，誤差沿著負(fù)軸變大。最大的誤差是當(dāng)θ =40，為 此，傳感器不能精確測(cè)量，但可以大致得到傾角。通過(guò)使用視角，傾角誤差可以得到減小。這將在另一文中作詳細(xì)介紹。 五、校正臟的反射鏡和非反射膜 非反射膜能中斷測(cè)量，因?yàn)閭鞲衅鞯妮敵鍪请S著了履帶旋轉(zhuǎn)無(wú)接觸變化的。為了解決這個(gè)問(wèn)題，測(cè)量更正如下：履帶無(wú)接觸旋轉(zhuǎn)時(shí)測(cè)量的電壓為初始值。根據(jù)式（ 1）可知 錯(cuò)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(lái)測(cè)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(cè)量光斑。假定 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 =0 在漂移， 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 從式（ 4）及（ 1）得到： （ 4） 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 （ α） 為每個(gè)傳感器（ i=1輸出值。 錯(cuò)誤 !未找到引用源。（ α） 對(duì)應(yīng)于每對(duì) 糾正了每個(gè)反射鏡（根據(jù)個(gè)體差異、污垢、非反射膜的影響）和 感器（個(gè)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。縱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(diǎn)是更正之前的傾角，藍(lán)點(diǎn)則是更正之后的傾角。 這是測(cè)量的 履帶在浮動(dòng)（非接觸）狀態(tài)下的情況。更正前的平均傾角為 標(biāo)準(zhǔn)差為 準(zhǔn)差為 較發(fā)現(xiàn)，傾角的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差接近于 0，所以更正方法起到了效果。 六、接觸點(diǎn)檢測(cè)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn) 我們進(jìn)行了接觸點(diǎn)檢測(cè)和評(píng)估的基本實(shí)驗(yàn)。有各種各樣的情況，例如：履帶與一個(gè)崎嶇路面的邊緣接觸；履帶在臺(tái)階上行走；進(jìn)入一個(gè)溝渠。這些情況下，接觸壓力在臺(tái)階和溝渠等與履帶接觸的地方較大（見(jiàn)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(diǎn)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(shí)驗(yàn)是當(dāng)履帶在臺(tái)階上行走時(shí)進(jìn)行時(shí)測(cè)量?jī)A角的。 A、實(shí)驗(yàn)條件 臺(tái)階的高度為 50過(guò)外接電源線提供動(dòng)力，運(yùn)動(dòng)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(diǎn)檢測(cè)方法 用更正后的傾角檢測(cè)接觸點(diǎn)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(diǎn)，并且履帶位于臺(tái)階之上的情況已經(jīng)被檢測(cè)過(guò)。 C、實(shí)驗(yàn)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(jiàn)圖 13。坐標(biāo)軸與圖11 相同。每個(gè)傳感器的測(cè)量值放置在與車(chē)輛相垂直的方向上。傳感器的編號(hào)及其擺放位置如圖 5所示。傳感器編號(hào)為 i=1的為行駛方向的正向， i=9時(shí)為后側(cè)。 圖 13 所示，當(dāng) 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(tái)階上行走：在臺(tái)階上行走時(shí)，攝像機(jī)記錄了過(guò)程以便測(cè)量履帶塊的傾角如圖 12。由傳感器測(cè)得的傾角分布見(jiàn)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(biāo)記）。視頻顯示，在 X=114的履帶塊有一個(gè)大的傾角，該履帶塊（ i=6）與臺(tái)階接觸，見(jiàn)圖12。此外，在 X 軸的其他點(diǎn)，通過(guò)視頻可證實(shí)臺(tái)階處的接觸位置所對(duì)應(yīng)的 傳感器的傾角大于 此，傾角是與臺(tái)階的接觸引起的。當(dāng)在與行駛相反的方向上出現(xiàn)大于 傾角，即為與臺(tái)階的接觸點(diǎn)結(jié)果顯示可以檢測(cè)出臺(tái)階與履帶的接觸點(diǎn)。 七、總結(jié)和工作展望 本文提出了一種分布式的履帶車(chē)輛接觸傳感器。為了實(shí)現(xiàn)檢測(cè)功能，我們選擇并評(píng)估了光傾 角檢測(cè)傳感器。通過(guò)編碼器對(duì)傳感器的測(cè)量值進(jìn)行修正，并使用了傳感器對(duì)行駛中的履帶塊的傾角進(jìn)行了測(cè)量。因此，通過(guò)使用傳感器對(duì)履帶和臺(tái)階的 接觸點(diǎn)的位置的判斷得到了評(píng)估。 傾角傳感器需要進(jìn)一步改善。需要將我們的傳感器裝在可變履帶機(jī)器人上進(jìn)行接觸點(diǎn)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。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(jìn)行控制，并且傳感器的實(shí)用性需要得到證實(shí)。 參考文獻(xiàn) [1] et ” 981. 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