（控制科学与工程专业论文）基于网络的移动机器人系统研究与实现.pdfVIP

国防科学授术大学研究生院学位论文 摘要 移动机器人在工业、农业、科技、军事、服务等许多领域都有着比较广泛的需求和应 用，特别是随着互联网的出现和网络技术应用的延伸，基于网络的机器人远程控制技术已 成为机器人领域的一个新的研究热点。不管从实际应用前景和理论研究意义看，这种研究 都具有较大的研究价值，并富有挑战性。网络的自由连接性，可以使各种各样的设备、仪 器和装置等连接在一起从而形成一个功能更强、更有意义的新系统。但网络的应用却给这 种系统的实现带来了许多困难，比如网络随机时延、丢包以及乱序等问题。 本文以移动机器人u - h 为研究对象，在对该移动机器人的结构、运动、定位分析与建 模的基础上，将模型预测控制( m o d e lp r e d i c t i v ec o n t r o l ，简称m p c ) 引入到基于网络的 移动机器人系统中，通过发出超前控制命令和补偿反馈时延来降低时延对这种控制系统性 能的影响，使锝系统具有一定的承受网络随机时延的能力。仿真结果表明该控制方法具有 较好的路径跟踪效果 在系统实现方面，通过硬、软件设计，完成了基于网络的移动机器人系统。该系统由 移动机器人、远程客户端、网络服务器、应用程序服务器、数据库服务器、图像服务器和 机器人控制服务器等部分组成，用户可以通过远程客户端访问移动机器人，并能对其进行 远程操作和监控。此外，还设计与实现了一种支持多用户共享的服务机制，以向用户提供 机器人控制、机器人运动图像传输、机器人运动状态反馈等服务 关键词；移动机器人，网络，随机时延，模型预测控制，路径跟踪 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 t h e r ea e x t e n s i v ed e m a n d sa n da p p l i e a t i o mo fm o b i l er o b o t si nm a n yf i e l d s 。s u e l aa s i n d u s t r y , a g r i c i l l t t t r e , s c i e n c ea n dt e e l m o l o g y m i l i t a r ya f f a i r s 。s a 恤，a n ds oo f f w i t ht h e d e v e l o p m e n to fi n t e m e ta n d , 既w o r kt e e l a n o l o g y , t c l o e o n t r o lt e e l m o l o g yo fr o b o ts y s t e m sb a s e d 0 1 1 1n e t w o r kh a sb e c 心i n can e wr e s e a r e l af o e mo fr o b o tf i e l d w l a i e hs h o w sg r e a tv a l u ea n d c h a l l e n g e si nb o t ha p p l i c a t i o na n dt h e o r y d u et ot h ef r e ea c c e s s i b i l i t yo f t h ei , t e m e t , a l lk i n d s o fe q u i p m e n t s i n s t a l m e n t sa n dm a c h i n e s 啪b ec o n n e c t e dw i t he a c ho t h e ra n dt h u sb e c o i i s l z u c t e di n t oan e ws y s t e mo fh i g h e re t f i e i e n e ya n ds l r o n g e rf u l k 蚯o n h o w e v e r , t h e u t i l i z a t i o no f n e t w o r kb r i n g ss o l n ed i f f i c u l t i e s s u c ha sr a n d o mt i m e - d e l a yo fn e t w o r k , p a c k e t d r o p o u t a n da s y n e h r o n y , e t c ，t ot h er c a l i t , a t i o l lo f t l a e s es y s t e m s 他p a p e r t a k e sl h cm o b i l er o b o tu - i ia sar e s e a r c ho b j e c t o nt h eb a s i so fa a l y z i ga n d m o d e l i n gt h es t n l c t u r e ，m o t i o n , a , do r i e n t a t i o no f t h er o b o t , m o d e l p r e d i e t i v ec o n t r o l 口c ) i s i n t r o d u c e di n t ot h em o b i l er o b o ts y s t e mb a s e do nn e t w o r k , a n dg e n e r a t 船f i r , h e rp r e d i c t e d c o n t r o ls i g n a l sa n de o m p e m a t e sf e e d b a c kt i m e - 蜘t od 既羽强s ei t se f f e c to np 既如忸n 锄o f t h e e o n l z o ls y s t e m s ot h a tt h es y s t e mi sa b l et ot o l e r a t er a l l d o l nt i m e - d e l a yo fn e t w o r kt oac e r t a i n e x t e n t1 1 地r e s u l to fs i m u l a t i o ns h o w st h a tt l a ec o n t r o lm e t h o dh a sab e t t e re f f e c t i v e n e s so nt h e r o u t e 血孤她o f t l a em o b i l er o b o t i nt h ea s p e c to ft h er e a l i z a t i o no ft h es y s t e m am o b i l er o b o ts y s t e mb a s e do n n e t w o r k , v c n i e hi n c l u d e sam o b i l er o b o t z e m o t ec l i e n tc o m p u t e r w g bs e r w r a p p l i c a t i o ng c r 、僦d a t a s c l t v o i , i m a g es e r v e r a n dc o n l r o ls e r v e r , i sf m i s l a e dt h r o u g hd e s i g no fh s l - d w a r ea n ds o i h v a z o u s e r sc 蛆v i s i t t e l e e o n l z o la n dm o n i t o rt h em o b i l er o b o tv i al o n gd i s l a l l c t ：c l i e n tc o m p u t e r i n a d d i t i o n as e i m e c h a n i s mo fs u p p o r t i n gm u l t i - u s e ri sa l s od e s i g n e da n di m p l e m e n t e d i n o r d e rt op r o v i d eu s e 礴m u l t i - s e r v i s u c ha st e l e e o n t r 0 1 r o b o tm o t i o ni m a g e - sl z a n s m i s s i o n , r o b o t m o t i o ns t a t e sf e e d b a c ka n ds o0 1 1 k e y w o r d l s ：m o b i l er o b o t , n e t w o r k , i a n d o mt i m e - d e l a y m o d e lp r c d i e t i v oc o n t r o l ， r o u t ot r a c k i n g 第页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目：基王圜缝数整邈扭i 墨厶丕纽盈究点塞理 学位论文作者签名： 整1 1 逢日期：知名年。：月日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定，本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行捡索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权) 学位论文题目： 基王圈整数整煎扭墨厶丞绮盈究生塞理 学位论文作者签名：堑! ! ! 撞日期；知年，工月 日 作者指导老师签名： ! 釜i ! 曼聋 日 期：”，二年l ，月z 7 甘 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 1 1 引 言 在现代社会中，互联网发挥着越来越重要的作用。它已经逐渐成为人们用来传递文本、 图形、图像、声音等信息的信息高速公路，它使得不同区域、不同国家、不同肤色、不同 利益背景的社会个体或群体之间联系更加紧密和高效。同时，互联网不仅是信息载体与交 换手段的信息高速公路，而且更应当是人类器官的延伸 长期以来，机器人控制一直是控制科学中的重要研究领域之一随着互联网络技术的 发展，基于网络的机器人远程控制日益成为该领域一个热点研究课题。比如在自动化和机 械制造领域，如果利用互联网技术将加工设备、机器人以及现场控制系统等连接起来，就 可以实现互联网环境下的自动化( e - a u t o m a t i o n ) 和互联网加工( e - m a n u f a c t u r i n g ) 毫无疑 问，将机器人控制技术与网络技术相结合将具有非常重要的理论研究意义和广泛的应用前 景。 本文旨在紧跟这一机器人控制领域中的新的发展趋势。在深入研究相关控制理论及方 法的基础上，研究和设计一个网络环境下的移动机器入开放式实验平台，以供不同权限的 校园网内用户学习和研究之用，让更多的用户能有机会通过网络来体验远程控制移动机器 人的乐趣 1 2 基于网络的机器人系统概述 1 2 1 系统的基本概念及分类 基于网络的机器人系统是利用网络实现远程的机器人控制。基于网络的机器人系统包 括操作者、控制设备( 主端，m a s t e r ) 、机器人控制系统( 从端，s l a v e ) 、信号传输和环境。 控制设备是操作者的计算机以及周围传感设备；机器人控制系统由机器人控制的上位机、 机器人控制器、执行器以及传感器组成；信号传输可采用i n t e m e t 或者无线技术，设计并 安装于上位机和机器人控制器上的双工或半双工控制器用来负责上位机和机器人控制器 的双向信息流传输。系统的一般体系结构如图l l 所示 根据系统的不同控制策略，可以将基于网络的机器人系统分为三类1 2 l ； ( 1 ) 直接控制( d i r e c tc o n t r 0 1 ) 直接控制是在传统远程控制基础上，采用预测显示技术和时延力反馈技术等手段进行 时延补偿。直接控制方式的优点在于充分利用人的感知、判断和决策能力，增强系统的适 应能力，具有较强的故障恢复能力；其缺点在于需要向操作员提供关于操作环境的包括视 第1 页 田防科学技术大学研究生院学位论文 觉、运动信息在内的大量实时信息，所需的带宽较高，而在大时延条件下，这种基于大量 传感信息的远程控制是难以实现的。另外，为了保证操作的稳定性，操作者需降低操作速 度，这将大大降低系统的动态响应性能 控制命令控制命令 f e e d b a c ks i g n a lf e e d b a c ks i g n a l 图i - i 基于网络的机器人系统的一般体系结构 ( 2 ) 监控( s u p e r v i s o r yc o n t r 0 1 ) 监控是一种主要依赖机器人自主能力的控制方法其优点在于可以将时延排除在底层 控制回路之外，从而在局部获得较高的稳定性能和控制精度；其缺点在于受全局自主能力 的限制，在现有技术条件下，远程机器人对于环境的变化一般缺乏足够的感知和应变能力， 因而灵活性差，在遇到意外情况时，难以依靠自身进行误差恢复。 ( 3 ) 共享控制( s h a r e dc o n t r 0 1 ) 共享控制是一种将直接控制和监控相结合起来的控制方法，即让操作者进行直接操 作，既发挥其判断决策能力，又保证远程机器人具有一定的自主性。 1 2 2 国内外研究的发展概况 机器人的远程控制( 即遥操作机器人) 科学作为机器人学的重要分支，一直受到人们 的广泛重视和关注。2 0 世纪5 0 年代，rg o e r t z 开发了远程操作机械手，并将其应用于l o s a l a n o $ 的辐射区。从此便诞生了机器人远程控制( 遥操作机器人) ，它的出现和应用，在 一定程度上将人类从一些危险、极限、不易到达的环境中解放出来，如辐射区、地下采矿、 深海作业和航空航天等等在操作者和控制对象之间存在远距离跨度约束的情况下，机器 人的远程控制技术可以实现人与机器人的交互操作，帮助人类实现感知能力和行为能力的 延伸，将操作者、机器人和被控对象闭合到一个环路中，使得人们能够不必亲临现场，而 是通过安装在机器人身上的各种传感器采集现场的相关数据、图像和声音等信息，在网络 视频传输技术和虚拟现实技术的帮助下，操作者可以实时的感知机器人及其现场信息，实 现远距离控制机器入来完成一些操作，达到交互控制操作对象的目的。 2 0 世纪9 0 年代以来，计算机和网络通讯技术取得了飞速的发展，尤其是随着i n t e m e t 的高速发展和普及，进一步促进了计算机网络技术在机器入控制领域的应用，并已成为一 个新的研究领域。基于网络的机器人控制就是利用计算机网络实现机器人的远程控制，实 现了一个廉价、灵活、可扩充的系统，极大的促进了机器人远程控制的发展 第2 页 田防科学技术大学研究生院学位论文 1 9 9 1 年，t r o y a n 将一台照相机连入i n t e m e t ，这是首次利用i n t e m e t 作为硬件远程控制 的媒介 1 9 9 4 年，美国加州大学伯克利分校的k e ng o l d b e r g 首次提出了基于网络的机器人的思 想【5 l ，其最初的构想是给公众提供可通过i n t e m e t 访问的遥控机器人，并支持用户对其进 行远程操作，这一构想极大的扩展了传统的机器人遥操作概念k e ng o l d b e r g 等很快就将 这一构想应用到m e r c u r y p r o j e c t 中，建立了第一个基于w e b 测览器的网络机器人系统。操 作者通过w i e b 浏览器登录到加州大学的m e r c u r yp r o j e c t 主页( w w w u s c e d u d e p t 试d e r s ) ， 然后使用鼠标和键盘控制一台s c a r a 机器人在半圆形的沙滩中进行物品挖掘。同年9 月， 西澳大利亚大学把一台a b b 工业机器人连接到i n t e r n e t 上，经多次改进的系统允许操作者 通过w e b 浏览器控制机器入对工作台上的物体进行抓取和搬运嗍。 1 9 9 5 年，r o v e t t a 研制了一种远程医疗机器人系统 1 9 9 6 年，英国b r a d f o r d 大学研制了一台基于i n t e m e t 的天文望远镜，该天文望远镜在 i n t e m e t 上对天文爱好者开放，爱好者可以通过w e b 澍览器访问其主页，控制望远镜变换 角度和焦距，并把观测结果通过网络发送给使用者1 7 1 1 9 9 8 年，b e k e y 和s t e v eo o l d b e r g 用一个六轴机器人、旋转平台和摄像机实现了一个 能够让身处异地的学者近距离观察和欣赏稀有雕塑的系统。 美国m tl i n c o l n ，w a s h i n g t o nu n i v e r s i t y 以及n e w v l e x i c ou n i v e r s i t y 等机器人研究中 心也进行了遥控操作实验，他们在n e wm e x i c ou n i v e r s i t y 通过i n t e m e t 对远在1 5 0 0 公里外 的w a s h i n g t o nu n i v e r s i t y 的一个p u m a 机械臂进行了成功的操作控制 g l 。 p a u lgb a c k e s 等建造的w i t s 系统，分布在美国各地的n a s a 的专家们能够通过使用 该系统进行火星探路者的任务规划与控制，同时公众还可以使用该系统进行虚拟操作 9 1 。 1 9 9 8 年，c a r n e g i em e l l o n 大学研发的x a i v e r 是第个可通过网络进行控制的自主移动 机器人i l “，可以通过i n t e m e t 控制移动机器人在楼内各个房间运动，完成传送文件的任务。 瑞士联邦工学院的m i c h e l 等人开发的k h e p o n t h e w e b 1 1 1 及其升级版本r o b o n w e b l l 2 1 ， 用户通过网络操纵迷宫中的移动机器人，使之走出迷宫。在移动机器人和迷宫上部各有一 个摄像机作为监控，可以调节机器人的移动方向及移动速度 这些基于网络的移动机器人系统，以其自主性和移动性的特点在更高程度上满足人们 对远程空间探索的要求，为非结构化的、未知的远程环境下的信息交互提供了研究平台叫 国内在基于网络的机器人控制技术方面的研究正处于由理论研究和建立实验系统逐 步向应用阶段发展的阶段。 哈尔滨工业大学研究的基于i n t e r n e t 的遥操作机器人系统喇e b o t p 1 ，采用由 i n t e m e t 服务器和机器人服务器构成两层服务器结构，该系统可以使得用户通过w e b 浏览 器对一台p u m a 5 6 2 机器人进行控制，完成抓取、搬运、堆放等操作其w e b 服务器采用 j a v a 语言编写的通用网关接口c g i ，w e b 服务器与机器人服务器之间采用y l ，j m s o c k 通信。 该系统没有提供动态的实时图像，而是以静态的图片反馈给客户端。 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 上海交通大学也开发了基于网络的机器人遥操作系统嗍，被控机器人是一台a d e p t 6 0 4 - s 型工业机械手机器人服务器、图像服务器和c g i 程序都用v b 语言开发，它们之 同的通信通过d d e ( 动态数据交互) 进彳亍但该系统的交互性差且控制方式单一此后他 们针对这个工业机械手，还开发了一个基于w e b 的机器人遥操作系统，使用j a v aa p p l e t 开发客户端用户界面，但对视频图像传输等未涉及。 2 0 0 0 年华南理工大学报告了他们基于国际互联网的机器人实时跟踪系统l i l ，系统采 用了客户端，服务器模式，通过图像采集、图像传输、客户请求应答三个线程实现机器臂 z e b r o 状态控制。但在时延控制、人机界面等方面的工作未深入探讨。 沈阳自动化研究所的遥操作机器人系统，采用j a v a 语言进行开发，实现了图像以及指 令信息的传送f j 。 清华大学开发了基于事件的网络机器人遥操作系统，采用基于事件和图形预测仿真的 直接控制方法，实现了i n t e r n e t 上的多用户双臂遥操作系统n q ，但视频传输不连续。每秒 只有一幅j p e g 格式压缩的图像 1 2 - 3 当前主要研究问题与关键技术 由于基于网络的规器人远程控制系统是以i m e m e t 为构架的，因而它将面临如下新的 问题： ( 1 ) 时间延迟问题嗍 基于网络的机器人远程控制系统将不可避免的存在时间延迟问题。这种时间延迟与传 统的遥操作和现场控制网络的时间延迟是不同的，传统的遥操作和现场控制网络的时间延 迟一般是确定的，即假设圃定或者约定的时间延迟和数据传输速率。而网络所产生的时间 延迟，由于受到带宽和网络负载变化等随机因素的影响，因而这种时间延迟最显著的特点 是它的不确定性，这就给两络控制的实施带来了很大的困难。鄱使是对于一个简单的镪环 控制系统。如果在信息传输中出现了较大的随机时延，就有可能出现系统不稳定的情况。 ( 2 ) 控制方式闯题 由于存在传输时延，因此基于网络的机器人远程控制一般不能采用传统的闭环控制。 采用何种有效的控制方式，以避免或者减少网络对延对远程控制的影响，是一个重要的研 究问题。 ( 3 ) 系统性能问题 在网络环境下。系统性能所涉及的内容将更为复杂，它们主要包括喻应速度、跟踪精 度以及机器人动作的平滑性与连续性等性能参数这些性能参数不仅与网络的传输速率、 通信的可靠性等有关，而且也与系统结构设计、通信协议的选择与优化等有很大关系。 ( 4 ) 系统可靠性与安全性问题 由于是将机器人构建在i n t e m e t 上，基于网络的机器人远程控制系统应该允许长时问 接受用户访问0 9 ，因此必须保证系统具有良好的可靠性与安全性系统可靠性不仅与服务 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 器平台、通信网络的可靠性有关，而且也与远端被控机器人的控制器和执行机构的可靠性 有关。系统安全性是在保证系统具有良好开放性的前提下，还必须处理好非法用户的访问、 合法用户的非法访问以及多用户同时访问的控制权分配等问题 ( 5 ) 界面设计问题 界面设计问题主要涉及用户与计算机之间的交互技术和界面本身的直观、方便、易用 等问题。在传统遥操作中，一般只有受过培训的专业人员才能获锝操作这些机器人的控制 权，对界面的设计没有特别的要求。将机器人远程控制构建在i n t e r n e t 上之后，面对的操 作者大多是缺乏机器人控制经验的普通网络用户，因此在保证信息交互快捷、可靠的前提 下，将用户界面设计成一个被广大普通网络用户普遍接受的界面，是一个值得重视的问题 针对以上所面临的新问题，当前提出了如下关键技术： ( 1 ) 系统建模 系统建模是决定控制方式的基础从不同的角度，远程控制系统可表示为不同的数学 模型或控制体系结构。对于远程控制系统的建模，目前主要有四种，双端1 2 1 网络( t w o - p o r t n e t w o r k ) 模型、具有状态时延的连续系统模型、离散系统模型、混合系统模型 ( 2 ) 控制方式 控制器的设计除了保证系统稳定性之外，还要克服网络随机时延对系统控制性能的影 响，以实现远程控制系统与环境之问的动觉耦合( k i n e s t h e f i c a l l yc o u p l i n g ) 。为此，共享柔 顺控制( s h a r e dc o m p l i a n tc o n t r 0 1 ) 、阻抗控制( i m p e d a n c ec o n t r 0 1 ) 、监督控制( s u p e r v i s o r y c o n t r 0 1 ) 、预测控制( p r e d i c t i v ec o n l r 0 1 ) 等控制策略相继在远程控制系统上被提出或应用。 然而这些方法对基于网络的远程控制问题的解决目前还未达到令人满意的程度，有关控制 方式的研究仍具有较大的发展空间 ( 3 ) 协议选择 网络远程控制系统中需要传输的信息是多样的，包括控制命令、反馈数据以及图像视 频信号等。合理选择适合于不同硬件、不同种类信息的通信协议和信息传输的优先级，将 有助于提高网络远程控制系统的性能。 ( 4 ) 系统的安全性 系统安全性对于网络机器人系统来说非常重要，因为用户要通过系统，获取机器人系 统的现行运行状态，根据得到的信息，进而参与控制，所以除了保证通信网络的畅通、数 据交互传输无误外，用户的权限、远程操作的接入认证也是不可轻视的重要内容。比如， 在实际应用中，可以要求只允许一名网络用户对移动机器人进行控制，其余网络用户则只 能观看移动机器人的运动效果和反馈的现场场景视频图像，只有在对移动机器人进行控制 的阿络用户放弃控制权限之后，其余网络客户才能依次序获得移动机器人的控制权限。这 种应用需要系统能够对网络客户进行排队处理，保证任何一个时刻只能有一个网络用户获 得移动机器人的控制权限 ( 5 ) 用户界面设计 针对网络用户，基于网络的远程用户界面的设计需要比现场机器人控制更图形化和更 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 易于操作比如使用仿真模块，利用较少的坐标数据可以在网络用户界面再现移动机器人 的位置和环境，这样就相对解决了在低带宽条件下的机器人状态更新问题再比如，在用 户界面上同时提供由移动机器人自带的摄像头和现场安装的摄像机所反馈的现场场景视 频图像，操作者可以更直观的使用键盘、或鼠标、或操纵杆对移动机器人进行操控 1 2 4 发展趋势与应用前景 从目前国内外的研究和应用情况来看，基于网络的机器人控制技术有以下几个方面的 发展趋势： ( 1 ) j a v a 技术的应用 采用b s 架构的机器人远程控制系统会成为主流j a v a a p p l e t 不仅满足了机器人远程 控制系统中w e b 页面的动态信息交互的功能，而且还具有跨平台、安全等特点，同时针对 w e b 应用的开发，j a v a 还提供了一整套的实现技术，如j a v as e r v l e t 、j s p 等，为机器人远 程控制系统服务器端程序的开发提供了方便。 ( 2 ) 多操作多机器人远程协同控制 多操作多机器人( m o m r ，m u l t i o p e r a t i o n - m u l t i - r o b o t ) 远程控制系统结合了遥操作 和多机器入协作两种技术，处于不同地区的操作者共同协作遥控远处的多个机器人来共同 完成一项任务。相对于单操作单机器人遥操作系统，m o m r 在群体作业，如：设备维护、 建筑建造、外科手术等许多场合具有明显的优势唧l 。 ( 3 ) 网络分布式机器人系统 当分布式系统中包括机器人设备时，通常被定义为分布式机器人系统，不同的分布式 机器人系统使用不同的通讯协议、开发语言和操作平台，开发基于c o r b a 、r m i 等技术 的分布式机器人系统也是未来机器人发展的一个趋势。 ( 4 ) 虚拟现实技术的应用 虚拟现实技术在机器人领域中的应用主要集中在以下几个方面“i ：一是作为遥操作界 面，可以应用于半自主式操作；二是作为机器人视觉中自动目标识别和三维场景表示的直 观表达；三是建立具有真实感的多传感器融合系统的仿真平台 到目前为止，基于网络的机器人控制系统大都是实验系统，还没有产生很明显的实际 经济效益。但它可以大大扩展机器人的应用领域，其应用前景是十分广阔的。 ( 1 ) 促进新一代移动机器人的研制和开发。移动机器人本身就有广阔的应用领域和 良好的应用前景，比如在重工业和危险环境中就可以用移动机器人代替人来完成很多危险 任务。在基于网络的机器人控制系统中，人是控制系统的重要组成部分，及时融入人的智 慧可以增加系统的可依赖性。 ( 2 ) 远程制造通过远程控制就可以实现互联网环境下的自动化( e - a u t o m a t i o n ) 和 互联网加工( e - m a n u f a c t u r i n g ) ，加工工人可以通过互联网遥操作加工机械完成远程制造， 从而实现人类操作功能的延伸。在美国加州大学b e r k e l e y 分校的一个机器人研究组织正在 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 开发可通过i n t e m e t 访问的称作c y b e l c e t 的机器制造服务系统1 ” ( 3 ) 教育资源共享机器人是一种典型的自动化设备，它的强耦合强非线性特点吸 引了控制理论学者的普遍关注，机器入学已被引入到本科生、研究生的教学中设计基于 网络的机器人控制系统，可以实现机器人资源共享 ( 4 ) 娱乐目前大多数的基于网络的机器人远程控制站点提供了这一功能，并证明 受到了广大网络用户的关注和喜爱。 ( 5 ) 基于网络的机器人控制技术向其他领域( 如远程制造、诊断医疗、维护、远程 示教和培训等) 延伸，可以产生巨大的经济效益 1 3 本文的主要内容 本文以移动机器人u - i i 为研究对象，在对该移动机器人的结构、运动、定位分析与建 模的基础上，将模型预测控制( m o d e lp r e d i c t i v ec o n t r o l ，简称h 口c ) 引入到基于网络的 移动机器人系统中，通过发出超前控制命令和补偿反馈时延来降低时延对这种控制系统性 能的影响，使得系统具有一定的承受网络随机时延的能力仿真结果表明该控制方法具有 较好的路径跟踪效果。 在系统实现方面，通过硬、软件设计，是实现了基于网络的移动机器人系统。该系统 由移动机器人、远程客户端、网络服务器、应用程序服务器、数据库服务器、图像服务器 和机器人控制服务器等部分组成，用户可以通过远程客户端访问移动机器人，并能对其进 行远程操作和监控。此外，还设计与实现了一种支持多用户共享的服务机制，以向用户提 供机器人控制、机器人运动图像传输、机器人运动状态反馈等服务 本文主要内容： 第一章绪论。详细介绍了基于网络的机器人系统的基本概念和分类，国内外研究的发 展概况，当前主要研究的问题与关键技术以及发展趋势与应用前景，并明确了本文的主要 研究内容 第二章移动机器人系统的结构与模型研究。主要研究了移动机器人体系结构，通过分 析移动机器人的轮系结构，分析并建立了移动机器人的运动学模型和定位模型 第三章基于网络的移动机器人系统的运动控制方法研究。主要研究基于网络的移动机 器人系统的运动控制方法通过分析三种移动机器人本地的速度规划的优缺点，确定了切 线规划作为基于网络的移动机器人系统的本地速度规划，并给出了具体算法：给出了一种 避障规划，保证了移动机器人的安全。同时，分析了系统的时延，将模型预测控制运用于 基于网络的移动机器人系统中。最后给出并分析了仿真结果。 第四章基于网络的移动机器人系统研究与实现通过分析现有的两种网络机器人系统 结构，并根据网络机器人系统的设计原则，设计了基于网络的移动机器人系统结构。同时 根据系统的不同的硬件设备和实时性、安全性要求，实现了系统的信息传输。设计与实现 了一种支持多用户多任务的服务机制。最后完成了系统的实现，给出了系统客户端的效果 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图 第五章总结和展望总结了所做的工作，指出了需要继续完普的场景仿真、电子地图 绘制和局部导航、基于c c d 的移动机器人定位等是下一步需要研究的问题 第8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章移动机器人控制系统及模型研究 2 1 引言 移动机器人是一个复杂的系统，不是单元技术的简单连接，系统的功能是在各模块的 协调和分工中集成的 一个完整的移动机器人系统通常由三个部分组成：移动机构、感知机构和控制机构。 移动机构是机器人的载体，决定机器人的运动空间感知机构一般采用c c 噶像机、超声 传感器等。我们选择移动机器人u - 作为实验平台，其结构如图2 1 所示 移动机器人要实现在未知、不确定环境下自主工作，应具有感知环境和规划自身动作 的能力。为此，本章分析了移动机器人轮系结构和硬件体系结构。在分析移动机器人轮系 结构的基础上，将移动机器人的运动轨迹分解为直线运动、圆弧运动和旋转运动，建立了 移动机器人的运动学和定位模型，解决了如何控制与如何定位的问题。 声藩一 魁_ 7 u 毒 a 忿 i 】f 彪斛 耐l圆j7 予 图2 - 1 移动机器人u 示意图 2 2 移动机器人的体系结构研究 2 2 1 移动机器人的轮系结构 移动机器人u - i i 采用差动轮式驱动方式。差动轮式驱动是地面移动机器人简单而有效 的驱动方式之一，从小型室内移动机器人( 如t u t e b o t ) 到大型商用移动平台( 如t r c l a b m a t e ) 等均有采用1 6 l 。差动轮式移动机器人的移动机构由安装在同一轴线上的两个独 第9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 立驱动轮及相应的从动轮组成移动机器人u - i i 采用的轮系结构如图2 - 2 所示。 l y 一腻 7 光电j：码器 辫元利电捉 g 岁 ) 轮。l1 驱i l 图2 - 2 移动机器人u - i i 的轮系结构图 移动机器人u - i i 的底盘左右两侧安装了集成有直流无刷电机和光电编码器的两驱动 轮。其中光电编码器用于推测航行法( d e a d - r e c k o n i n g ) ，它使移动机器人能确定自身在惯 性坐标系中的坐标或在环境中的相对位置。在移动机器人u - i i 底盘的前后两侧，两驱动轮 轴线的中垂线上，各安装有一个从动轮，保证了移动机器人的平衡。移动机器人在通过斜 坡和凹坑时，为了让驱动轮与凹凸地面始终保持良好的接触而平稳的运动，分别在两个从 动轮上安装了悬挂系统。该移动机构的设计是机器人能够前进，后退，迅速的改变当前运 动方向，能在狭窄的空间实现快速的自由移动和绕自身几何中心以零半径自转。与以往传 统轮式移动机器人相比，移动机器人u - i i 移动机构的设计降低了能耗，负载能力更强，增 大了底盘的几何支撑面积，提高了机器人平台的机动性和可控性，为其具有良好的运动控 制性能提供了良好的基础 2 2 2 移动机器人的硬件体系结构 移动机器人u - h 的硬件体系结构由四个不同功能的模块组成，如图2 - 3 所示。 ( 1 ) 控制模块 该模块是整个移动机器入系统的核心部分，采用m o t o r o l a 单片机6 8 h c l l 作为微控制 器，并通过串行通信接口与通信模块交换信息。该模块同时也是移动机器人的运动执行系 统，具体完成机器人服务器发送的命令的解释和具体执行，并且采集驱动轮的速率，并将 驱动轮的速率反馈回机器人服务器。 ( 2 ) 通信模块 机器人服务器与机器人的通信，考虑到移动机器人的特点，无线通信是较为理想的通 信方式。该模块采用基于r f 4 0 1 无线通讯单片机的无线数传模块f f r 2 0 0 0 。无线数传模块 p t r 2 0 0 0 具有体积微小，接收发射合一，工作频率为国际通用的数传频段4 3 3 m h z ，功耗 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 小，工作最高速率可达2 0 k b i t s ( 也可在较低速率如4 8 0 0 b p s 、9 6 0 0 b p s 下工作) 等特点 s无-w线l摄mi像nic机,。asw l m l l 赋 图2 - 3 移动机器人u - i i 的硬件体系结构图 ( 3 ) 视频模块 为了让机器人更准确的感知周围的局部环境信息，机器人需要处理周围的图像信息。 由于机器人自带的微控制器6 8 h c l l 不具有处理图像的功能，我们利用机器人服务器来处 理图像信息。视频模块主要由图像采集、图像压缩等几个过程组成无线摄像机实现拍摄 图像，发送图像功能，无线视频接收器接收图像，并传送给视频采集卡最后由机器人服 务器通过视频采集卡实现图像采集、图像压缩等功能 ( 4 ) 机器人服务器模块 该模块实现两个主要功能。一是接收位置命令，并将位置命令解释后，发送给控制模 块：同时接收控制模块反馈的驱动轮的速率，并将其反馈给相应的控制器。二是接收压缩 后的图像，并把图像分割、打包，发送。 2 3 移动机器人的运动学分析与建模 为了分析的方便，我们给移动机器人u - i i 建立了两个坐标系，参见图2 - 4 ，图中 j 0 ，l ，d 为惯性坐标系， 工，y 毋为移动坐标系，p x 为机器人前进的方向。 移动机器人运动学主要处理控制参数和系统在状态空间的运动两者之间关系，包括正 运动学和逆运动学两个方面。 正运动学解决根据移动机器人的速度来计算它的位姿或运动轨迹。当机器人位姿的三 个自由度分别为苫、y 、0 时，差分轮式移动机器入的正运动学就是利用两个驱动轮的速 度“，咋) 来计算其位姿，通用的计算公式如下田】： 1o 善( d = 寺【i v ，( f ) + h ( f ) 】c o s 【口( o a t ( 2 1 ) 第1 1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 删= 喜f 【v ，+ 一( f ) 】s i n o ( t ) a t ( 2 - 2 ) 口( f ) = j h ( f ) 一叶蝴( 2 - 3 ) 式( 2 - i ) 、( 2 - 2 ) 、( 2 - 3 ) 中，是两个驱动轮之问的距离，v ，、 _ 分别为左右驱动轮的 速度 图2 4 移动机器人u - i i 坐标系 移动机器人运动学中更现实并且更难解决的是逆运动学问题移动机器人逆运动学解 决如何控制驱动轮速度以达到移动机器人所需的运动轨迹或位姿，即在已知机器人位姿 似弘d 的条件下，如何求出机器人的两个驱动轮速度“，v ，) 由于差动轮式驱动属于非完 整性约束问题，差动轮式移动机器人逆运动学很难找出通解，只有在特殊条件下可以求解 但往往不是唯一解。 由于差动轮式移动机器人的运动可以分解为直线、圆弧和旋转运动，因此我们对差动 轮式移动机器人运动学分析也分解为直线、圆弧和旋转运动分别进行研究 2 3 1 直线运动 当差动轮式移动机器人左右两轮的速度大小相同且方向相同时，机器人的运动轨迹为 直线。 图2 - 5 直线运动原理圈 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 如图2 5 所示，设t = 0 时，机器人移动坐标系 j 0 ，艺，只) 与惯性坐标系t 以，匕，d 重 合。当机器人左右两轮的速度大小相等且方向相同( 即v f = v ，) 时，经过时间f 后，机器人运 动到新的移动坐标系 五，i ，c ，有： e ( o = ；i 【v ，( r ) 一v ，o ) 眵= o ( 2 - 4 ) 哟= 告l n ( f ) + v j ( t ) c o s t e ( t ) d t = 1 ，f ( 2 5 ) y c t ) = 吉j h ( f ) + v t ( t ) s i n o ( t ) a t ；o ( 2 - 6 ) 由式( 2 - 4 ) 、( 2 - 5 ) 、( 2 - 6 ) 可知，当机器人左右两驱动轮的速度人小相等且方向相同时， 机器人的运动轨迹为直线，运动方向为移动坐标系的x 轴方向。 2 3 2 圆弧运动 当差动轮式移动机器人左右两轮的速度方向相同，速度大小不同且在一个时间段内保 持不变时，机器人的运动轨迹为圆弧。 如图2 - 6 所示，设t = 0 时，机器人移动坐标系 j 乞，艺，只 与惯性坐标系 j 0 ，匕，0 ) 重 合，经过时间f 后，机器人运动到新的移动坐标系 五，z ，c 图2 - 6 圆弧运动原理图 若差动轮式移动机器人左右两轮的速度方向相同，速度大小不同且在一个时间段内保 持不变，有： e ( o = ；i 【v ，( r ) 一v l ( t ) j d t = ( v r - - 厂i p l ) t ( 2 - 7 ) 坪) = 三j 【v ，+ v j ( f ) 】伽瞰凇= 三f 以+ q ) c o s 华西 第1 3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 瑚= 揣抖 ( 2 - 8 ) 朋= 丢i 【v r ( f ) + 喇i s i n o ( t ) d t = 三i ( v ，+ v d s i n 毕 妁= 揣 o o s 与氆 ( 2 _ 9 ) 由式( 2 - 8 ) 、( 2 9 ) 可得： 哟+ 一2 ( v ( v , ，+ - v ) v 1 ) 1 1 2 = 嚷等2 ( 2 1 0 ) 由式( 2 - 7 ) 、( 2 - 1 0 ) 可知，当机器人左右两轮的速度方向相同，速度大小不同且在一 个时闻母内侯椿不弯时棚袈凡的云动赫讲为网瓠 2 3 3 旋转运动 当差动轮式移动机器人左右两轮的速度大小相同且方向相反时，机器人的运动轨迹为 以移动坐标系原点为中心的原地旋转 如图2 - 7 所示。设r = 0 时，机器人移动坐标系c l ，e ，只 与惯性坐标系 l ，匕，回重 合。当机器人左右两轮的速度大小相等且方向相反( 即v ，- - v r ) 时，经过时间f 后，机器人 运动到新的移动坐标系 置，只 ，有；