（控制科学与工程专业论文）移动机器人系统路径跟踪控制策略的研究.pdf

学位论文的主要创新点 一、建立了质心偏离轮轴中轴线一定角度的三点式移动机器人运动学 模型。一般情况下认为，移动机器人的质心位于轮轴几何中心或轮轴 的中轴线上，但是经过仔细分析不难发现，移动机器人在运行的过程 中要受到负载位置、路面状况、周边环境等诸多因素的影响，质心不 可能总是精确地落在轮轴中轴线上。因此，本文建立质心偏离轮轴中 轴线一定角度的三点式移动机器人运动学模型。 二、采用模糊逻辑系统为移动机器人设计控制律，并为模糊逻辑系统 中的未知参数设计了自适应律；为补偿逼近误差，本文引入时变死区 函数，并对死区宽度设计了自适应律。 摘要 移动机器人的跟踪控制在机器入学之中占有举足轻重的地位，近年来学者们 对此进行了大量深入的研究，取得了不少有价值的学术成果。本文主要研究了含 有模型不确定性的三点式移动机器人系统的路径跟踪控制问题，所做的工作如 下： 首先，本文为三点式移动机器人建立以质心为参考点的运动学模型。考虑到 机器人在实际的工作之中受到负载、路况、零部件相互摩擦等诸多内外界因素的 影响，导致质心偏离两驱动轮的中轴线，并且具体位置难以确定。因此，本文将 以质心偏离轮轴中轴线的三点式移动机器人数学模型作为研究对象。 接下来，本文根据上述三点式移动机器人运动学模型开始研究路径跟踪问 题，推导相应的控制律。采用自适应模糊逻辑系统逼近控制律中的未知函数，设 计时变死区函数补偿最小逼近误差，并且对模糊系统中的未知参数以及时变死区 区间设计自适应律。文中证明了本文方法可使跟踪误差收敛到原定的小邻域内。 仿真结果表明移动机器人能够跟踪给定的几何路径。 随后为了使移动机器人能够遍历每一处工作空间，保证跟踪的方向性，文中 构造出可控区域，设计了可以保证移动机器人跟踪方向的模糊控制器。理论推导 以及仿真结果均表明，移动机器人的运动始终位于可控区域内，且能够跟踪给定 的光滑几何路径，达到保证跟踪方向的目的。 最后研究了m t - a r 智能型移动机器人的硬件平台以及控制方案的实现，重 点分析了该移动机器人系统的三层机械结构( 底盘行走机构，计算机控制系统， 传感器以及运动控制系统) 的组成、研究领域以及功能、各模块之间的联系、上 位机和下位机的通讯和机器人驱动系统的实现，随后将上述方案应用到上述移动 机器人硬件平台，利用实验来验证方案的可行性。 关键词：移动机器人；跟踪控制；模糊控制；参数自适应律：可控区域 a b s t r a c t t h eo b j e c t i v ep a t hf o l l o w i n gc o n t r o lf o rm o b i l er o b o t so c c u p i e sa v e r yi m p o r t a n t p l a c ei nt h er o b o t i c s r e c e n t l y , s c h o l a r sd om a n yi n - d e p t hr e s e a r c h e sf o rt h i sc o n t r o l p r o b l e ma n do b t a i nag r e a td e a lo fv a l u a b l ea c a d e m i ca c h i e v e m e n t s t h i sd i s s e r t a t i o n m a i n l ys t u d i e st h ep a t hf o l l o w i n gp r o b l e mo ft h r e e - p o i n tm o b i l er o b o ts y s t e mw i t h m o d e lu n c e r t a i n t y , d e s i g n st h ec o n t r o l l e rb yu s i n gf u z z yl o g i cs y s t e m w ed os t u d y a n dt h ec o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h ek i n e m a t i cm o d e lo ft h r e e p o i n tm o b i l er o b o tw h i c ht h ec e n t e ro fm a s s i st r e a t e da sr e f e r e n c ep o i n ti se s t a b l i s h e di nt h ep a p e r a c t u a l l y , t h ec e n t e ro fm a s so f t h em o b i l er o b o td o e s n tl i eo nt h ea x i so ft h et w od r i v i n gw h e e l s ，i tw i l ld e v i a t ea c e r t a i na n g l ef r o mt h ea x i sb e c a u s et h ec e n t e ro fm a s sp o s i t i o nw i l lb ea f f e c t e db yt h e l o a dp o s i t i o n ，p a v e m e n ts i t u a t i o n ，s p a r ep a r t sf r i c t i o na n da n o t h e ri n s i d eo ro u t s i d e f a c t o r sd u r i n gt h er o b o tp r a c t i c a lo p e r a t i o n s o ，i ti sd i f f i c u l tf o ru st od e c i d et h ee x a c t p o s i t i o no ft h ec e n t r o i d t h e r e f o r e ，w ew i l l u s et h em a t h e m a t i cm o d e lo ft h e t h r e e - p o i n tm o b i l er o b o tw h i c ht h ec e n t e ro fm a s sd e v i a t e sf r o ma x i sa st h es t u d y o b j e c t n e x t , w eb e g i nt os t u d yt h ep a t hf o l l o w i n gc o n t r o lb a s e do nt h ek i n e m a t i cm o d e l o ft h r e e p o i n tm o b i l er o b o t , d e d u c ec o r r e s p o n d i n gc o n t r o ll a w t h ea d a p t i v ef u z z y l o g i cs y s t e mi su s e dt oa p p r o x i m a t et h eu n c e r t a i nf u n c t i o ni nt h ec o n t r o l l e r , t h e m i n i m u ma p p r o x i m a t i o ne r r o ri s c o m p e n s a t e db yt h et i m e v a r y i n gd e a d - z o n e f u n c t i o n t h eu n k n o w np a r a m e t e r si nf u z z ys y s t e ma n dt i m e - v a r y i n gd e a d - z o n ea r e a d j u s t e da d a p t i v e l yb a s e du p o nt h ea d a p t i o nl a w s i ti sp r o v e st h a tt h em o b i l er o b o t s y s t e ms a t i s f i e st h el y a p u n o vs t a b i l i t yl a w t h es i m u l a t i o ne x a m p l es h o w st h a tt h e m o b i l er o b o tc a nf o l l o wt h eg i v e ng e o m e t r i cp a t ha n dt h et r a c k i n ge r r o rc o n v e r g e st o as m a l ln e i g h b o r h o o do ft h eo d g i n t h e n ac o n t r o l l a b l ea r e ai si n t r o d u c e di no r d e rt oe n a b l et h em o b i l er o b o tt op a s s e v e r ys p o ti ni t sw o r k p l a c ea n de n s u r et h et r a c k i n go r i e n t a t i o n b a s e da f o r e m e n t i o n e d a n a l y s i s ，t h ef u z z yc o n t r o l l e rw h i c hc a ng u a r a n t e et r a c k i n go r i e n t a t i o ni sd e s i g n e d t h e o r ya n ds i m u l a t i o na l ls h o wt h a tt h em o b i l er o b o tn o to n l yc a nt r a c kt h eg i v e n g e o m e t r i cp a t h ，b u ta l s oc a nm o v ew i t h i nt h ec o n t r o l l a b l ea r e aa l lt h et i m e ，g u a r a n t e e t h er o b o tt r a c k i n go r i e n t a t i o nc o n s e q u e n t l y f i n a l l y , t h eh a r d w a r ep l a t f o r ma n dt h ei m p l e m e n to fc o n t r o ls c h e m eo ft h e m t - a ri n t e l l i g e n tm o b i l er o b o tw i l lb ed i s c u s s e d w ep u te m p h a s i so na n a l y s i so ft h e t h r e e l e v e lm e c h a n i s mc o n f i g u r a t i o n ( c h a s s i sm o v e m e n tm e c h a n i s m ，c o m p u t e r c o n t r o ls y s t e m ，s e n s o ra n dm o t i o nc o n t r o ls y s t e m ) o ft h i sm o b i l er o b o ts y s t e m ，t h e f u n c t i o na n ds t u d yf i e l d s ，t h er e l a t i o no fe a c hm o d u l e ，t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e n u p p e rc o m p u t e ra n dl o w e rc o m p u t e ra n d t h ei m p l e m e n to fr o b o td r i v es y s t e m t h e n ， t h ed e s i g n e ds c h e m e sw i l lb ea p p l i e do n t ot h i sr o b o th a r d w a r ep l a t f o r m ，u s i n g e x p e r i m e n tt ov a l i d a t et h ef e a s i b i l i t yo f t h e s es c h e m e s k e yw o r d s ：m o b i l er o b o t ；p a t hf o l l o w i n gc o n t r o l ；f u z z yc o n t r o l ；p a r a m e t e r sa d a p t i o n l a w ；c o n t r o l l a b l ea r e a 目录 第一章绪论1 1 1 前言1 1 2 机器人的基本概念以及组成2 1 2 1 机器人的基本概念。：2 1 2 2 机器人的组成3 1 3 移动机器人简介3 1 3 1 腿式移动机器人4 1 3 2 轮式移动机器人o 。5 1 4 机器人的应用与发展前景7 1 5 课题的研究现状8 1 6 本论文的主要工作9 第二章三点式移动机器人的数学模型1 l 2 1 质心位于移动机器人轮轴中轴线的情况1 1 2 2 质心偏离移动机器人轮轴中轴线的情况1 2 2 3 本章小结1 4 第三章移动机器人模糊路径跟踪的自适应控制器设计。1 5 3 1问题描述1 5 3 2 自适应模糊控制器的设计，1 5 3 3 系统的稳定性证明1 9 3 4 仿真2 1 3 5 本章小结2 2 第四章可保证跟踪方向的移动机器人自适应控制器设计2 3 4 1 问题描述2 3 4 2自适应模糊控制器的设计2 4 4 3 仿真2 8 4 4 本章小结。3l 第五章移动机器人平台介绍以及控制方案的实现。3 3 5 1m t a r 移动机器人系统介绍3 3 5 1 1 m t a r 移动机器人系统简介3 3 5 1 1 1 m t a r 移动机器人系统的功能及配置3 3 5 1 1 2m t - a r 移动机器人系统介绍的特点3 4 5 1 1 3 m t a r 移动机器人系统可用于研究的领域一3 4 5 1 2m t a r 移动机器人系统的结构3 6 5 1 3m t a r 移动机器人系统各模块单元间的关系3 7 5 2m t a r 移动机器人控制系统的实现3 9 5 2 1 运动控制卡( 下位机) 控制系统的实现原理。3 9 5 2 2m t o a r 移动机器人的驱动系统4 l 5 3 本章小结4 2 第六章系统实验。4 3 6 1m t - a r 移动机器人软件结构介绍4 3 6 2m t a r 移动机器人系统的编程知识4 5 6 2 1m f c 应用程序的构成4 5 6 2 2m f c 应用程序的构成文件4 7 6 3m t a r 移动机器人系统实验4 9 第七章结论与展望5 l 参考文献5 3 攻读硕士学位期间发表的论文5 7 至l 谢5 9 第一章绪论 第一章绪论 本章作为论文的开篇绪论，将从一些基本概念开始介绍。首先，在前言 部分介绍了几种不同领域内具有代表性的机器人，重点就在于体现它们为推动人 类社会发展所做出的贡献以及为人类的生产所创造出的巨大经济财富。然后讨论 了机器人的基本概念及其组成，到底机器人是如何定义的，它与一般的机械设备 之问有何差别，一个机器人都有哪些组成部分，它们又是如何配合使机器人完成 特定的工作，这些问题都会在1 2 小节得到回答。随后介绍移动机器人，机器人 若想要完成一项工作，一般都是要通过相应的运动，所以研究移动机器人具有十 分现实的意义。当前的移动机器人主要分为腿式移动机器人以及轮式移动机器 人，腿式移动机器人是最具有仿生学意义的机器人，它的构造主要模仿了动物的 四肢和人类的双腿，轮式移动机器人的轮式结构较为普遍而且能够很好地保证行 走的稳定性，因此两种机器人各具特点。接下来再1 4 小节简要介绍了机器人的 发展前景，最后的两个小节详尽阐述了课题的研究现状和本论文的主要工作。 1 1前言 现如今，机器人学已经成为继海洋勘探、航空航天之后，本世纪又一个前沿 学科，这期间，从上世纪7 0 年代末，移动机器人控制便开始得到学者们广泛的 关注与研究，特别是上世纪9 0 年代至今，它已成为机器人学最为活跃的研究领 域之一。伴随着科学技术的不断发展以及工农业生产水平的不断提高，机器人已 成为人类日常生活必不可少的组成部分，它们工作在太空宇宙、工矿企业、科研 院所、医院、学校、家庭等诸多领域及场所来协助人类完成特定的工作，体现出 优秀的科研与实用价值，每年为社会创造出数十亿美元的工业产值。 在航空航天方面，美国国家航空航天局( n a s a ) 探索金星期间所发射使用 的s o j o u r n e r ( 旅居者) 号机器人1 1 】以及向火星发射的“勇气”号火星探测车是其 中的代表，它们用于探索太阳系中的相应行星，用自带的高分辨率摄像机拍摄地 质地貌，采集土壤、大气等标本并完成数据的分析工作，它所传回的图片和数据 给科学家提供了重要的科研依据，为人类了解太阳系中的其他行星做出了很大贡 献：工业生产方面有瑞士洛桑联邦理工大学( e p f l ) 研发的焊接机器人k u k a 【i j 以及装配机器人f a n u cm - 4 1 0 i w w l 2 1 ，它们可以精确地完成元部件的焊接和产品 天津工业大学硕士学位论文 的装配工作；清洁卫生方面代表产品有德国a l f r e dk a r c h e rg m b h & c o 公司开 发的b r7 0 0 工业清扫机器人【1 】以及r o b o c l e a n e rr c3 0 0 0 家用机器人【l 】，它们有 着非常精密的传感器用来测量周围环境的清洁程度，多种驱动策略使得机器人能 够适应各种路面情况，让清扫更加彻底便利；医疗行业方面，一款名为r o b o d o c t 2 的机器人可以协助外科医生完成全关节移植手术，操作精准度比人工更高；家居 娱乐方面，日本索尼( s o n y ) 公司开发出一款高级智能玩具a i b o 1 1 ，它是一只 四腿人造机器狗，在它的头部、眼睛、胸部、背部、脚爪等多部位装有传感器， 当有人靠近或者触碰a i b o 时，它便会有所感知并通过四肢做出各种动作与主人 进行互动，同时其尾部的感应灯可以显示出多种不同的颜色，代表此时此刻a i b o 的情绪状态。 以上只是各个领域机器人的典型代表，此外在其他领域还有许多种类的机器 人，比如用于实时检查油气管道是否泄漏的管道监测机器人，用于在深海作业的 水下机器人，用于从事精密工作的拟人机器人等。上述机器人有的重约数吨，有 的却只有儿平方厘米，但是不管大小轻重如何，人们使用机器人的目的就在于让 它们工作在高温、高压、高湿度、高辐射等人类无法近距离深入的危险场所，或 者替代现有工人完成那些重复而又琐碎繁杂的工作，提高生产效率，为人类创造 更大的经济财富。 1 2 机器人的基本概念以及组成 上一节我们介绍了多种实现不同功能的机器人，对它们也有了初步的了解， 那么到底什么才算是真正的机器人，它与普通的机械设备之间有何不同，一个机 器人都有哪些组成部件，这些部件如何调配机器人工作，起到哪些作用，这些问 题都能在本节找到答案。 1 2 1 机器人的基本概念 如果把机器人的操作手臂与吊车上的起重机放在一起进行比较，你会发现两 者非常相似，它们都由连杆并通过关节依次连接，都能够运动到工厂车间的指定 位置进行货物的搬运与码放等工作。但是，它们两者一个叫做机器人，而另一个 只能叫做起重机，最根本的区别就在于起重机是由人来控制的，机器人的操作手 臂则是由计算机程序所控制的，这就是区别一台设备是否是机器人的关键因素。 也就是说，起重机是由工人坐在驾驶舱通过按动相应的按钮来工作的，工人操纵 它到何处，它就只能到何处，它的运动是被动的；机器人则不然，它的运动是由 第一章绪论 程序控制而并非人来控制，只要程序改变，它的动作就会发生变化。显然起重机 无法做到这一点。 从上面的分析可以得出，只有能够实现编程以及再编程的装置才称作机器 人，凡是那些工作时需要人为操纵或干预的机械设备都不符合机器人的定义。 1 2 2 机器人的组成 机器人需要其各组成部件之间相互配合才能完成工作，它的构成如下： 机械手臂或移动车体：这一部分是机器人的主体，类似于人体的骨架。 末端执行机构：末端执行机构安装在机械手臂的最后一个关节上，用来抓取 物体，通常它的动作由机器人控制器直接控制。 驱动器：常见的驱动器有直流电机、舵机、伺服电机、步进电机等，它们都 受控制器的控制。 传感器：传感器的作用是收集机器人的内部状态或用来与外部环境进行通 信，它在机器人之中的作用就好比大脑与神经系统在人体之中的作用。比如当人 手受到热火灼烧的时候，手臂中的神经系统就会把手臂的疼痛感和手臂所处的位 置传递给大脑，大脑利用这些信息进行分析判断，进而向手臂发出反馈信号，驱 使手臂肌肉做出相应动作远离火源。机器人同样如此，集成在内部的传感器将机 器人每一个连杆和关节的位置信息传送给控制器，而后由控制器确定机器人的下 一步动作。 控制器：根据上面的分析，控制器的作用就像人类的大脑，它能够分析并处 理从传感器反馈而来的信息，控制驱动器的动作。 处理器：处理器是机器人的中枢，它用来计算关节的运动，确定关节如何行 动才能达到预期的速度和位置。 软件：软件大致町以分为三部分，第一部分是操作系统( o p e r a t i n gs y s t e m o s ) ，第二部分是机器人软件，第三部分是相关的应用程序。 以上7 个部分是构成机器人的基础，在实际运行的机器人之中由于某种特殊 情况构成部件可能会少于7 个，但也有可能会加入一些部件而多于7 个，无论哪 种情况，上述基本部分的框架和作用均不会改变。 1 3 移动机器人简介 上面我们了解了机器人的一些基本知识，其实通过观察机器人的工作不难发 现，不管机器人从事的工种如何，若要完成一项特定的工作，机器人必须有相应 天津工业大学硕士学位论文 的运动，比如机器人手臂的伸缩与扭转，车体底盘轮子的前后转动等。这就意味 着几乎没有机器人在静止的状态下去完成工作。因此移动机器人就成为机器人中 的典型代表，对它的研究有着非常现实的意义。 运动是非常复杂的过程，对于人类以及高等哺乳动物而言，行走、跑、跳跃 等运动看似简单，实则不然。这些运动都是通过大脑、躯干以及四肢( 哺乳动物 为四条腿) 的完美配合，依据周围地形的高低、路面状况的软硬等因素不断进行 动作的修正与调节来实现的，归根结底是人类和高等动物不断进化的结果。而机 器人并没有大脑、四肢，若想运动必须靠人类为它设计合适的机械结构并且根据 机器人所处的环境合理布局，保证机器人的重心始终位于合适的位置，不会因为 地形的变化而发生侧翻。为此，许多科学家为了设计一款能够稳定行走在各种路 面上的机器人倾注了大量的心血，取得了不少有价值的科研成果，研发出的腿式 移动机器人与轮式移动机器人已经相继投入使用。当前，科学家正在研究一种更 为高级的机器入轮腿混合型移动机器人，目的就是为了让机器人更加适应复 杂多变的工作环境。 1 3 1 腿式移动机器人 腿式运动的特点在于腿与地面之间的点接触，运动的机动性以及适应性是其 最大的优势。比如行走在凹凸不平的路面上，只要机器人的步长大于障碍物的直 径，它就可以像人一样跨越过去，不会引起任何颠簸，从而保证了运动的稳定性。 腿式运动的缺陷主要是机械复杂性，试想，若要为移动机器人制造2 条如同人一 样灵活的双腿是一件多么困难的事情，而且每安装l 条腿就使机器人的重量增 加，这就需要配置更为强劲的马达驱动机器人运动，最终进。步增加机器人的重 量与负荷。 腿式移动机器人被认为是最具仿生学意义的一类机器人，因为在设计时所遵 照的生物学模型主要有3 类，第一类便是高等哺乳动物的2 条腿( 人类) 或4 条腿( 其余哺乳动物) ，第二类是爬行动物，同样是4 条腿，第j 类是昆虫的6 条腿。有些哺乳动物( 比如人类) 仅依靠两条腿就能实现非常稳定的行走，然而 这种稳定是由高度发达的大脑和躯体支配的。 可能相当一部分人认为腿的条数越多就越有利于移动机器人的运动，其实这 是一个误区。虽然增加腿的条数可以使机器人更加稳定，但是腿越多协调性问题 就越复杂。比如2 条腿的机器人行走时只需要考虑左右腿交替迈步即可，而6 条腿的机器人两侧各有3 条腿，可以想象此时机器人的行走步态要明显比2 条腿 时的情形复杂，增加了机器人的控制难度。 虽然腿式移动机器人并没有在工业生产中大量应用，但是科学家还是开发出 第一章绪论 了多种实例。主要有单腿式移动机器人( 代表产品是r a i b e r t 跳跃机) ，优点是无 需考虑步态而且机动灵活，可以轻而易举地越过障碍；双腿式移动机器人( 代表 产品是日本早稻田大学研发的拟人机器人w a b i a n - r i i i ) ，它的最重要特点就在 于高度的拟人化；四腿式移动机器人( 例如1 1 小节讨论的高级智能玩具a i b o ) ， 这类机器人一般模仿了哺乳动物的身体结构；六腿式移动机器人( 代表产品是麻 省理工学院制作的行走机器人g e n g h i s ) 模仿了昆虫的六腿结构，这种机器人可 以像昆虫一样在路面上爬行。 1 3 2 轮式移动机器人 毫无疑问，轮子是最为流行和普遍的运动机构。每天穿梭在街道上的自行车、 电动助力车、摩托车( 两轮结构) ，三轮车( 三轮结构) ，汽车( 四轮结构) 等交 通t 具都是其中的典型代表。特点是无论路面的情况如何，所有的车轮都和地面 形成接触，保证了车辆行走的平衡性以及稳定性。正是看中了这种优势，科研人 员才想方设法将轮子安装在移动机器人的底盘上来增加其运动的稳定性，到目前 为止已经研制出多种车轮布局，在实际应用中收到了很好的效果。 安装在移动机器人车体上的轮子大致有四种。 1 标准轮：标准轮拥有2 个自由度，它围绕着轮轴和接触点转动。 2 小脚轮：小脚轮同样有2 个自由度，它围绕着偏移的操纵接合点旋转。 标准轮和小脚轮都有一个旋转主轴，所以它们是高度有向的。 3 瑞典轮( s w e d i s h ) ：瑞典轮有3 个自由度，它围绕轮轴、辊子和接触点旋 转。它的设计比标准轮受方向的约束要少一些。 4 球形轮：它是一种真正的全向轮，可以沿任何方向旋转，但是在技术上很 难实现。 除了为机器人安装车轮以外，还必须为它们装配合适的驱动器，这样才能使 车轮按预想的方式转动。常用的驱动器有： 1 直流电机：直流电机是机器人平台的标准电机，它的输出功率最为强劲， 效率可以达到7 0 以上，有着非常宽的功率调节范围、适用性好、性价比较高， 是一种最为常用的电机。 2 舵机：舵机的体积并不大，但是输出转矩却增大了很多倍，因为舵机就是 一台直流电机外加一个带有固定减速比的减速器，转矩则增大相应的倍数，虽然 比不上直流电机，但是舵机的输出功率也算比较强劲。 3 步进电机：步进电机与上述两种电机完全不同，它的磁体装在转子上，绕 组装在机壳上，没有电刷，凶此也被称为无刷电机。从本质上讲，步进电机是一 种低速电机，用来实现精确运动，当到达预定位置以后便能够使机器人停止并保 天津工业人学硕士学位论文 持在原处。 下面重点讨论轮式结构的布局，按轮子数目分为2 轮，3 轮，4 轮以及6 轮 进行分析，如下表所示： 表l l轮式结构的布局 轮子数日 结构描述 例子 前端一个可操纵的标准轮，后端一个动白行车，电动助力车，摩托车 力标准轮 两个 两个动力标准轮左右平行分标，质心在 c y e 个人机器入 转轴下面 在后前端有两个独立驱动轮，在前后许多室内机器人，比如e p f l 端有一个无动力的从动全向轮 的p y g m a l i o n 后端有两个相连的牵引轮，前端有一个 p i a g g i o 微型卡车 三个 可操纵的标准轮 后端有两个非动力标准轮，前端有一个 卡内基梅隆大学的n e p t u n e 可操纵的动力标准轮 三个动力瑞典轮排列成三角形，可以全 e p f l 设计的秭b o l o 向运动 后端有两个动力轮，前端有两个可操纵后轮驱动的小车 轮 前端有两个可操纵的动力轮，后端有两前轮驱动的小车 个非动力标准轮 四个 四个可操纵的动力标准轮 h y p e r i o n 后前端有四个动力标准轮，前后端有 c h a r l i e 四个全向轮 四角各有一个动力瑞典轮卡内基梅隆人学的u r a n u s 四角各有一个可操纵的动力小脚轮 n o m a d x d 4 0 0 0 排列在中央有两个可操纵的动力标准该结构首次出现，正在研发 轮，四角各有一个全向轮 六个 中央有两个牵引轮( 动力标准轮) ，四角 卡内基梅隆大学的t e r r e g a t o r 各有一个全向轮 上表所示的这些车轮结构的布局各具特点，不过像自行车这样的两轮布局在 移动机器人中很少用到。根据表1 1 阐述的车轮布局为基础设计出的各种机器人 第一章绪论 适用于多种不同的工作环境。有些适于行走在光滑的路面上，有的则善于在粗糙 崎岖的地面上移动，有些易于直线行走，而有些则机动灵活善于转向。 由于轮子数目为三个的机器人移动时与地面构成三点接触，即在机器人车体 底盘形成三角形结构，确保了机器人运动的稳定性，而且三个轮子的机器人车轮 数目适中，降低了机器人成本，易于日后保养与维护。因此本文选择表1 1 中的 轮子数为三个，后前端有两个独立驱动轮，前后端有一个无动力从动全向轮的 布局。这是一个非常典型的机器人结构，许多参考文献都对此进行了详细描述， 称之为置点式移动机器人，我们将在下一章为它建立数学模型。 1 4 机器人的应用与发展前景 正如前言所述，机器人主要的应用有元件的装配、物品的取放、工件的焊接 与喷漆、机械制造与检测、水下、太空作业以及在人类无法到达的危险场所工作 等方面。随着机器人不断发展与完善，它的应用领域将会向着更深层次的方向拓 展。 当前，虽然机器人已经在诸多领域取得了巨大的成功，但是科学家并不满足 于现状。随着科学技术的日益发展，机器人的设计与制造必将朝着高智能、高尖 端的发向发展。比较典型的一类便是利用仿生学研制的智能型机器人，它们的外 形、动作与自然界的生物非常相似。比如模仿毛虫蠕动的蠕虫机器人，像蜘蛛一 样爬行的八腿式机器人，行为像高等哺乳动物的机器人等。这些机器人有的是为 了科研而开发的，也有的是为了医疗、家居娱乐等其他用途而设计的。虽然应用 领域不同，但它们的功能都很强大。 拟人机器入是目前最智能、最先进的机器人，因为它们有着如同人类一样的 外形与动作。借助于最为前沿的生命电子科学，科学家可以为机器人设计生命电 子眼、生命电子手、生命电子四肢甚至生命电子大脑，这些部件可以使机器人拥 有思维判断、触觉、嗅觉、行走等能力，便于机器人适应周边环境，更好地完成 r t 作。 其实任何事物都应该一分为二来看待，机器人同样不应该例外。机器人为人 类工作与服务的同时也会带来许多问题，最为尖锐的问题就是大量的机器人出现 在生产线上替代了工人的工作，这些被取代工作的工人将面临失业的风险，而且 随着机器人智能化的不断提高，这种情况会变得越来越明显。试想，如果大部分 生产线上的产品都由机器人来完成制造和装配，那么工人将丢掉工作致使失业率 上升，长此下去必将造成非常严重的社会以及经济问题，甚至有学者预言，再过 几十年，人类在社会中的主导地位将受到机器人的严峻挑战。因此，我们在研究 天津i _ , l k 大学硕士学位论文 机器人的同时，应当思考由机器人带来的种种问题。 1 5 课题的研究现状 移动机器人学是一门集机械工程学、物理学、计算机学、自动化学等多学科 于一身的综合性学科，以路径跟踪或目标跟踪为重点研究方向。从第二次世界大 战结束到上世纪九十年代，经典控制理论取得了飞速发展，广泛应用于航空航天、 交通、制造业等众多产业部门，形成了一套完整的控制理论体系。于是，科学家 们便从经典控制理论入手研究移动机器人的路径跟踪问题，取得了大量有价值的 学术成果。但是经典控制理论的使用必须以精确的数学模型为基础，而实际的机 器人模型常常受到诸多不确定因素的影响使得精确的模型很难获得，加之高阶次 的系统控制律会变得异常复杂，因此传统的控制理论已经无力应对当前含有不确 定因素的机器人模型，寻找新的控制方法成为当务之急。 进入新世纪，随着神经网络、自适应模糊控制等智能控制理论的蓬勃发展， 为那些含有不确定因素的机器人系统路径跟踪问题的研究开辟了一条新途径。对 于上述问题，参考文献1 4 刁】基于运动学模型分别提出了反步法、神经网络方法、 模糊神经网络方法和输入输出线性化方法，参考文献【8 】研究了机器人质心恰好位 于轮轴几何中心时的路径跟踪问题，参考文献【9 】研究了机器人质心不在轮轴几何 中心，但位于两驱动轮的中轴线上时移动机器人的几何路径跟踪问题。然而上述 文献都没有考虑负载对移动机器人质心位置的影响，众所周知，机器人的工作最 终要靠负载来完成，而负载的位置将直接影响整个机器人系统的质心位置。在通 常情况下，移动机器人的实际运行要受到诸多内外界因素的影响或干扰，导致质 心位置并不总是精确地位于两驱动轮的中轴线上，而且其准确位置难以确定，因 此参考文献 8 - 9 假设机器人质心位于轮轴几何中心或两驱动轮的中轴线上，对于 负载机器人系统是不合适的。由于质心位置不好确定，所以负载移动机器人系统 是一个典型的不确定非线性系统。 参考文献 1 0 - 1 4 对模糊控制系统的算法以及稳定性进行了详尽的分析，为其应 用到移动机器人系统做了铺垫。随后参考文献i l5 j 中证明了模糊逻辑系统的万能 逼近性，并对于一类非线性系统提出了自适应模糊控制方法。随后学者们利用模 糊逻辑系统的万能逼近性对不确定非线性系统的自适应模糊控制进行了大量研 究i l 睨，而且随着机器人学的发展以及模糊控制算法的完善，模糊逻辑系统已被 广泛应用到了含不确定性的移动机器人系统跟踪控制中【2 1 - 2 2 。参考文献【2 3 】利用 模糊逻辑研究了移动机器人的避障问题，参考文献【2 4 - 2 7 】讨论了移动机器人的模糊 控制器以及路径导航问题，参考文献1 2 s - 2 9 研究了智能移动机器人系统的自适应模 第一章绪论 糊控制器，参考文献【3 0 】为移动机器人设计了嵌入式模糊控制器来保证机器人的 工作性能，参考文献【3 l - 蚓基于路径跟踪问题为轮式移动机器人设计了自适应模糊 控制器，参考文献【”1 分析了基于分层模糊系统的移动机器人路径跟踪控制器， 分层模糊系统的使用大大减少了模糊规则数目。 近些年来，部分学者又针对非完整机器人进行了深入而细致的研究。所谓非 完整机器人，就是具有一个或多个非完整运动学约束的机器人。非完整运动学约 束要用到变量的微分关系，因此它常常被称作为非可积系统。参考文献p 7 j 研究 了非完整机械系统的跟踪控制问题，参考文献【3 黏弼】为非完整移动机器人设计了模 糊控制器，并且分析了路径跟踪控制问题，参考文献 4 0 4 i j 讨论了非完整移动机器 人的动力学模型，并且为解决路径跟踪问题设计了自适应模糊控制器。 1 6 本论文的主要工作 本文首先在第。一章的绪论部分介绍了机器人的定义、组成、分类、应用场合、 发展前景以及现阶段研究现状等基础知识，目的就是为了让读者对机器人有一个 大体上的了解，为后续内容做铺垫。 第二章主要分析了三点式移动机器人以质心为参考点的数学模型，分为两种 情况进行讨论。第一种便是大家所熟知的质心位于移动机器人轮轴中轴线上时的 数学模型，而后在这一典型模型的基础上，分析了移动机器人质心有可能发生偏 离的诸多因素，提出并且推导质心偏离机器人轮轴中轴线一定角度时的运动学模 型，以该模型作为研究移动机器人路径跟踪问题的基础。 随后的第三章开始探讨移动机器人的路径跟踪问题，以质心偏离轮轴中轴线 的三点式移动机器人运动学模型为研究对象，推导控制律。利用模糊逻辑系统逼 近未知函数，定义时变死区函数来补偿最小逼近误差，并对相关参数设计了自适 应律。针对定理的证明以及仿真结果均表明了该方法的有效性，即移动机器人能 够跟踪给定的光滑几何路径，同时跟踪误差收敛于原点的一个小邻域之内。 第四章讨论了移动机器人路径跟踪的方向性问题，为移动机器人设计了可控 区域，对上一章的相应内容做进一步的完善，设计出了可以保证机器人跟踪方向 的模糊控制器。仿真结果显示，在模糊控制器的控制作用下，移动机器人不仅能 跟踪给定的几何路径，而且运动始终位于可控区域以内，保证了机器人跟踪路径 的方向性。 硬件方面，第五章分析了移动机器人的硬件平台以及控制方案的实现。机器 人硬件采用由上海英集斯自动化技术有限公司开发的m t - a r 智能型移动机器 人，对该移动机器人三层机械结构( 底盘行走机构，计算机控制系统，传感器以 天津工业大学硕士学位论文 及运动控制系统) 的组成、研究领域以及功能、各模块之间的联系、上位机和下 位机的通讯、机器人驱动系统的实现、d s p 的集成开发环境c c s 等方面做了非 常详尽的论述。 第六章将上述方案应用到m t - a r 智能型机器人硬件平台上，利用实验米验 证方案的可行性。最后在第七章总结本论文所做的工作，并对未来移动机器人控 制理论的发展趋势进行展望。 第二章三点式移动机器人的数学模型 第二章三点式移动机器人的数学模型 鉴于上一章分析的三点式移动机器人具有结构相对简单，运行稳定且易于维 护等优点，下面将重点讨论它的数学模型。首先将讨论质心位于移动机器人轮轴 中轴线时的情况，随后分析了各种内外部因素对移动机器人质心位置的影响，进 而讨论了质心偏离移动机器人轮轴中轴线时的情况。 2 1 质心位于移动机器人轮轴中轴线的情况 当移动机器人的质心严格地位于其轮轴中轴线上时，三点式移动机器人的结 构如图2 1 所示： 图2 - 1三点式移动机器人( 质心位于轮轴中轴线) 其中前两轮为同轴独立驱动轮，依靠两轮的驱动力可使机器人前进，同时利用前 两轮旋转的速度差来实现机器人的转向。后轮是无动力从动万向轮，起到对机器 人车体的辅助支撑作用。 在图2 1 中，e 为两轮轴线中点，设点f 为机器人质心，d 为点e 与点f 的 距离，表示机器人前进的速度，口为机器人相对x 。轴的转角，且满足 天津工业大学硕士学位论文 口【o ，2 万) ，= 应表示机器人转动的角速度。设点e 的坐标为e = g ：，砭，口) ， 则e 点的运动学方程为。 ( 2 1 ) 下面讨论质心f 的运动学方程。设点f 的坐标f = g ，x ：，动，由图1 所示的几 何关系可得质心f 与e 点的位置关系为。 ( 2 - 2 ) 对式( 2 2 ) 求导并将式( 2 1 ) 代入，可求得质心f 的三个速度分量，即为移动 机器人以质心f 为参考点的运动学模型。 ( 2 3 ) 式( 2 3 ) 即为移动机器人的质心严格地位于轮轴中轴线上时质心f 点的运 动学模型。 2 2 质心偏离移动机器人轮轴中轴线的情况 上面我们分析了三点式移动机器人的质心严格地位于其轮轴中轴线上时的 情况，并且推导出以质心f 为参考点的运动学模型。这是一个经典的移动机器人 模型，许多参考文献都对此进行了详细的讨论，在此不再赘述。 其实，如果我们稍加考虑便不难发现，图2 1 所示的三点式移动机器人是一 个理想