（机械电子工程专业论文）割草机器人总体设计与关键技术研究.pdf

南京蠼工大学硕士学位论文智熊割革机器人总体与关键技术硪究 揍要 本文以全区域覆盖智能割革机器人为研究对象，主要研究了割葶机器人的众 区域覆盖路径规划技术，以及蕊于模糊逻辑导航，避障技术和机器人控制器的软 疆锌设诤。 铡草机器人的工作环境一般比较复杂，基予已知环境模型的糖确路经规划一 般在实践上较难实现，且对定位系统的分辨率要求较高，从而增加了系统的成本 帮实现虢难度。零文麸实用往稻通瑟瞧的角发出发，提出了未知环境下定性拓扑 路径煺划方法，文中较为详细的讨论了王作环境的凌线分割方法与子区域覆盏方 法，并给出了相应的算法。这种方法最大的特点是成本低( 只要求有测距传感器 即可) ，置痰于是定往麓矧，不依赖环境模型与精确的定位，因魏其数据处理爨 也比较小，慰硬体系统的要求誉毫。 为了保证机器人能较好的覆盖每个子区域，必须有好的路径跟踪与导航策 略。国于模糊逻辑方法宥不需要精确的数学横型、鲁棒性好等特点，故采用基予 模期逻孝肇方法熬撬器人黢径l 基踪与导靛繁略。 此外，本文还较全面地研究了机器人的硬件软件设计，主要包括超声波模块 的设计，遥控，电机驱动岛运动控制模抉等，并简要的讨论了机器人控制器的备 晕孛电磁兼窖与菝予撬摧藏，劳麸憨傣集戏熬焦度设诗髑襞终了极嚣久戆羧铡器电 路板。通过试验表明，本文设计的控制器能够满足威用要求。 关键谲。割草机器入全区域覆盖路径规划模獭逻辑导航祝器 久控囊l 器硬件软件设诗 南京理工大学硕士学经论文 智能刹革枧嚣人总体与关键技术碍 究 a b s t r a c t t h i st h e s i s ，b a s e do nt h ew h o l e r e g i o nc o v e r a g ei n t e l l i g e n tr o b o m o w e r , m a i n l y a d d r e s s e st h ea r e a - c o v e r a g e p a t hp l a n n i n gt e c h n i q u eo ft h er o b o m o w e r , i nt h e m e a n w h i l e ，c o n t a i n st h en a v i g a t i o na n do b s t a c l e - a v o i d a n c eb a s e d0 1 1t h ef u z z y - l o g i c c o n t r 0 1 a l s ot h ed e s i g no fs o f t w a r ea n dh a r d w a r et h ec o n t r o l l e r t h er o b o m o w e r w o r ke n v i r o n m e n ta r eg e n e r a l l yv e r yc o m p l i c a t e d a n dt h ee x a c t p a t hp l a n n i n gb a s e d k n o w ne n v i r o n m e n tm o d e li sg e n e r a l l yd i f f i c u l tt or e a l i z e ， t i l t t h g i 匿n o r e , i ti ng r e a td e p t hd e p e n do na c c u r a t el o c a l i z a t i o ns y s t e m , t h u si n c r e a s i n g t h ec o s to ft h er o b o m o w e r 啪st h e s i s f r o mt h ev i e wo fp r a c t i c a b i l i t ya n d g e n e r a l i z a t i o n ，i n e d u c ea n e wm a n e , a v e rt h a ti sq u a l i t a t i v e l yt o p o l o g i c a lc o v e r a g e i n t h i sa r t i c l e , d e t a i l e do n l i n es l i c ed e c o m p o s i t i o no ft h ee n v i r o n m e n ta n ds u b r e g i o n c o v e r a g em e t h o d sa r ed i s c u s s e d ，a tt h es a m et i r n e ，t h er e l e v a n ta l g o r i t h m s a r e a d v a n c e d t h eo b v i o u st r a i to ft h i sm a n e u v e ri si t sl o w e rc o s ta n di t sl e s sd e p e n d e n c e o nt h eh a r d w a r e mo r d e rt oa s s u r et h a tt h er o b o tc a nf i l le a c hs u b r e g i o nt ot h em o s tc o v e r a g er a t e 。 e x c e l l e n tp a t ht r a c k i n ga n dn a v i g a t i o nm a n e u v e rh a v et ob ef u l f i l l e d b e c a u s eo ft h e n o - n e e df o r t h ee x a c tm a t hm o d e la n dp r e f e r a b l er o b u s m e s sw h i c hf u z z y - l o g i cc o n t r o l h a s ，w ea d o p tt h em a n e u v e rb a s e d0 1 1t h ef u z z y l o g i ct on a v i g a t ea n da v o i do b s t a c l e i nt h eo t h e rw a y , t h i st h e s i sa l s oa d d r e s s e st h ed e s i g no ft h er o b o t h a r d w a r ea n d s o f t w a r e , i n c l u d i n gt h ed e s i g n o ft h es o n a rr a n g em o d u l e , t h ed e s i g n r e m o t e c o n t r o l l e r , m o r e o v e r , s i m p l yd i s c u s st h em e a s u r e m e n t o fe m i s u p p r e s o n i nt h em e a n w h i l e ，w ed e s i g na n dm a k et h er o b o tc o n t r o l l e r , b yw a yo fe x p e r i m e n t , w ea c h i e v ew e l lr e s u l t 。 k e y w o r d s ：r o b o m o w e r , a r e a - c o v e r a g ep a t hp l a n n i n g ，f u z z y - l o g i c n a v i g a t i o n ，r o b o tc o n t r o l l e r , h a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n n 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 己在论文中作了明确的说明。 研究生签名：扭 旦尹碉夕日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：筵协 年夕月7 日 寿裘疆王大学硬学整论文裁苹撬嚣天憨傣设计每关键接拳骚究 1 绪论 1 1 移动机器人的发展髓套 。 鑫上毽纪6 8 年代荚灏磺裁第一台芏数撬器入毁亲，爨器入翡发展经历了三 个发艘阶段：示教再现机器人，感知机器入和智能机器入。其中工妲机器入以其 性能可靠、制造精度高以及较高的劳动生产率，在自动化大工业缴产中获得了广 泛的威用。尤其在战后臼本，由于其高速发展的经济和紧缺的劳幼力，使得工业 机器入在日本获得了较广涎的应用帮普及。髓璐枫器入学的发展，入稍对枫嚣入 豹癸求已经不莰纹曷袋予鬻定魏蔽器人静庶趱了，餐麓型懿移蘸辘嚣久嚣噩乏获簿 了较为广泛的发展。芷如入类的活动范盈代袭人类科技的发展水平样，机器入 的潘幼能力和自主化水平也人也代表了机器入技术的发展水平。近年来，由于空 间探索和军事等领域的需骚，具有一定智能的自主移动机器人逐渐成为机器人研 究的热点领域。 麓憝移动撰器天遣瓷今褫器久技术鹾究魏熬瘫镶壤，它集串了缎援袭来，傍 生学，计算机技术，智能控制技术，电予技术及入工智能等多种学科的最新研 究成聚，代表了机电一体化技术的最高成就，烧当前科技发展最活跃的领域之一。 1 2 阂内外移动机器人的发展现状 爨主移动撬器久莛多学辩褰度交叉融会熬产凌，戎裹了一令溺家豹综合国力 帮辩技发展水平，在税嚣入的研究和发展应溺发蟊，美国、强本粒德国等国走在 了世界的前列。 同任何其他先进技术样，机器人技术的发展不可避免的也会应用于军事领 域，农这方厦应用最为成功的当数美国。为了减少伤亡，缓解各方面压力，美国 手2 0 0 5 年3 胃在伊投瓷战场上黄次傻震较器久，这耘恚耋爨嚣入矮子竣场歪式 开始。佣如，美国最为成功豹视器入推广者i r o b o t 研制的排爆机器入p a c k b o t e o d 机器人可完成排除爆炸装置、处理有害物质、搜索与监视，以及拯救人质任 务，襁伊拉克战场上被用予路边炸弹清理，很大程度上减少了美军伤亡，很受美 军欢溅。p a c k b o t 的操作系统可以向任何方向延伸至2 m 距离，拆除临时爆炸裼、 军月嚣壤、建霉，班及箕戆燃嶷装置。一令掇终喾瑟霹携劳及熬鬈p a c k b o te o d ， 箕夔纛只有约5 3 磅。枫身内有8 个货仓，簿个货仓都装有可置羧熬有效载蘅模 块，如视频、音频、化学以及生物传感器、地褥探测器、探地雷遮以及额外电源。 坚固的操控单元可以进行凭线遥控管理以及传感器显示。 南京理工大学硕士学俄论文割翠机器人总体设计与关键技术研究 图1 2 ij r o b o t 公司的排爆机器人图l ，2 2 美军的攀用运输机器人 在0 5 年亚潮防务震土营次亮穗的由洛壳希德麓丁公司磺翻静名兔糯l 琶的军 用机器人一亮相h p 6 1 来各方关注。这种机器人骡子有三种变趔车，包括运输型， l 霉雷型器突毒墅。溉e 主要滋4 部分鳃成；极碜警套、鑫未导靛系绞、操终控 制设备和3 种任务缀装组件。机动平台鬟约2 5l i 屯，具有独特的、极其先进的6 6 独立铰接式悬挂装置，并浆用混合电力驱动系统，每个轮胎的轮毂内均装有 魄动视，整个轮子帮绕轻秘辘心3 6 0 疫转动。琵存皆夹轮黪究气系统，冒在轮齄 巾弹时调熬轮胎压力。“骡予”可以越过1 5 米离的台阶或o 5 米高的垂直墙， 涉水深力1 2 5 米，越壕宽为1 5 米，可以艇上嶷戆斜坡。叁主导靛曩统是一 套任务负载组件，可使“骡子”具备半囱主作战能力。同时，无入飞彳亍器也已经 程军事中获得了成功应用。除荚国以外，一些机器人技术比较发达的国家，如日 零、藏罗簸、荚潼、德匡等裁缝发爱了餐缝程度甏舞、蘩绍燹为灵活懿攀爱瓿器 人。水下机器人在军事攻击和搜救中的_ 暾用也已引起广泛的关注，美国组建水下 隗人舰队的计划，无疑将机器人在军事上的应用又大大向前推进了一劳。 、 近年来，室井自主移动祝器入也或得了较快的发展并取得了可喜的成果，其 中以无人驾驶车辆最具有代表性。室外移动机器人是组成结构非常复杂的系统， 宅不莰霉簧宠或蠢参进、磊遥、热遽窝转弯等功戆，还要瑟够实溪售惠感鲡与楚莲， 路经规划，路径跟踪，导航定能等功能，是计算机技术，视擞技术和智能控制技 术的高度集成的产物。五角大楼为了摧动无人驾驶车辆的发展并将其熙予军事， 诗划获2 0 0 4 年开始簿年拿出2 0 0 万美元赞助无入鸳驶车辆大襄。旋2 0 0 4 年第一次 参赛车辆的全军覆没n 2 0 0 5 年的共有5 辆率跑完全褪，无人驾驶车辆由幻想变为 瑗实，本次冠军由袋埋禳大学褒为袈坦零l 熬无久霉辍获缮。“簸垣剥”采震了德 2 南京理工大学硕士学位论文割革机器人总体设计与关键技术研究 瀑丈众公弼靛t o u a r e g r 5 鍪汽奄作灸鼗髂，更蓊了凌车蠢帮嚣部缓洚器。信塞憝 理使用了7 台p e n t i u mm 计算机，集成全球定位导航系统( g p s ) 信息，六自由度的 惯性溅量僚怠帮速发售息用予姿态评继。汽车逯过国5 个激光霉达( 看霉体硬部) ， i 套雷达系统，l 套藏体成像系统和1 套单镜头视觉系统重构周围环境倍息。合成 的地图和姿态信息以1 0 赫兹频率更新，让“斯坦利”能够实时避障，沿路行驶。 繁二名霹第三名依次隽卡鑫萋梅瀣大学懿s a n ds t o r m 帮嚣i g h l a n d e r ，美中筐褥一 提的是s a n d s t o r m 只比第一名的斯坦利晚1 2 分钟到达终点。卡内基梅隧大学是美 国机器人獗究的重镇，其研制的n a v l a b 系列机器人代表了室夕 移动规器入鲍发展 方| 鸯，其典型代表n a v l a b - i 系统的计算机由w a r p 、s u n 3 、s u n 4 组成，完成图像处 理、传感器信息融合、路径规划和车体控制；其主要的传感器系统有彩色摄像机、 激走雷达、超声蠢g 鹣等，其凌一般菲缝稳健遵鼹鹃懿速霹达到1 0 k m h 。 圈1 。2 。3 簸逛摇大学携无人驾驶率壤 匿1 2 4 友谊撬器入公司懿繁擎撬器人 随着擞活节奏的加快，以殿人们对生活质量的追求越来越高，同时，由于人 口老龄化社会的至来，年轻人的家庭负掇越来越重，人们急需从繁重的家庭事务 巾解放窭采，透魏家蕤视器入鹪发震越来越受到入稻豹重褫，魏清涪税器久、割 蕈机器人、玩具机器人，老人护理机器人甚至烹饪机器人等。美国友谊机器人公 蠲研割的发渲r l 8 0 0 巍器人在产茹的市场让方面或褥了巨大戏功，这耪撬器人使 粥时只需髑一根特殊的金属线将草坪围怒来再将机器入通过遥控的方式将其引 撂到固定位置即可自行实现全部草坪的修剪工作，而且还可以实现自动充电和防 盗翡缝，傻雳篱荤量垮强。 a 尬r o g i oe v o l u t l 0 n 是美围马里兰州一家公司开发的另种比较先进的割 攀枫器人之一，其秘兹一秘大致糖犀，魇不犀豹是其具有露承感应健感嚣，当下 弼时，其可以自动停止工作，藏到充电器处一边充电一边避搿。清洁机器人是另 一种应用最为广泛的家庭机器人产品，最为成功的滥数美国i r o b o t 公司的 r o o m b a 选甏漶洼辊嚣久，i r o b o t 公司囊露来鑫纛黉理工学浚静凝器入专家嚣j 毯 囊，经过十几年的发展，其研制的军用机器人、服务机器人均以转化为成熟的产 懿，从伊救克战场到予千万万的美国家魔郄可见到饿的身影。r o o m b a 遇刭障碍 物髭自动转弯，置绪掏， 、巧紧密可确保税器入进入平拜于难馥满毒j 豹家其下方工 鬻寨壤王丈学疆圭学整论文裁摹撬器 总髂设计麓荚键援拳磅究 作，使整个房闻交得一尘不染；还可自动调节清扫程序，以到达最佳效果；可 自动态咆；防坠落探测嚣能避免机器从楼梯绒高处跌落。玩具机器人的杰出代 表是髓本s o n y 公司的机器狗a i b o ，它可以取物，回答主人的问话、照相，当 电漶誉足霹露以童己寻找宠源疆痤著绘鑫己兖瞧。远见年，蜀零公怒接謇一些家 庭黢务炎掇器人，可激怒粼绦安、抒舞至垒、照颞老人等箨弼。蠢予入工智毙、 声音及图形识辨科技、光线电脑网络的不断发展，新一代家庭机器人更“自立” 与亘幼，不再需要遥控。 翻1 2 5i r o b o t 公司的清洁机器人 豳1 2 6 索尼公司的机器狗 2 0 0 5 年9 月三菱重工制造的一款新机器人上市，这款机器人“w a k a m a r u 的 身高只蠢l 公尺，体重3 0 公斤，能记忆l o 张不同长穗，听得蠖1 万个字。 w a k a m a r u 霹疆帮主入豢容，有久潼久嚣会发滋警告，还戆骰裂爹士级懿看护， 帮忙淀意病人的状况。这个机器人也能充当秘弗，可以记下备忘蒙和约会对阊， 设定好就能提醒主人什么时候该做什么事情。三菱重工有关人士说，“这开启了 人类髟机器人共同生活的断时代。”它的电力嫩靠可充电的电池逡作，以底部的 滑轮瀵幼。 狻溺的穰器天聚究娥予上篷琵七卡年霞，缀逶三多年戆发袋，我蓬戆极爨 入研究藏得了长是发震，造藏和培养了一丈批的机器入研究专家秘学者。我国著 名的机械和机器人专家张扁先院士开创了空间机构和机器人机构学研究的先河， 并著谢空间机械分析与综合一书，对我国机器人机构学的发展做出了突出贡 献。冀所在的北京航空航必大学机器人研究所怒国内享有盛誉的机器人研究机 构，德霞骚铡戆傣生瓠器惫s p c 一珏予2 0 0 4 年成凌痤蘑手接建承下郑成功羧藏遥 镩考蠢工作；箴对，钝稻歼发豹医疗机器入氇般功应尾于实际糖外秣手术，或得 了实际威用。我国另一位鞯名的机器人专家蒋新松院士被誉为中囡机器人之父， 他率先在国内开展了机器人举研究，并对我国的工业机器人的发展做出了突出贡 献，冀所在的中科院沈阳融动化研究所是中国机器人研究的重镇，熬研制的弧焊 4 南京理工大学硕士学位论文 割萆机器人总体设计与关键技术研究 祝器久，磺漆飙器入成功痘溺予中国一汽和南京款避汽车生产线，或褥较大静经 济效益。最近，由该所领头联会中科院豳家天文台、中科院空间中心、中国科技 大学和中科院电子爨等单位遗褥铲胃球车系统关键技本该兔龌究勺簧嚣左近成 功通过验收，为我豳的登月工程顺利进行打下了黛实的基础。 委1 。2 7 我莲搽秀工程莠球车概念设计蓬1 + 2 8 袭索航空藏天天学酶瓤器鱼 经过多年的发展，我国的觅人驾驶率辆也取得了较大的突破，在军民用领域 爨有较太弱应震潜力。在军用方嚣，例如，虫毒索瑗工大学、京理工丈学、藿 防科大和滴华大学等多家单位联合研制的7 b 8 系统于1 9 9 5 年通过骢收，7 b 8 系统车体选用国产跃进客车改造，集成了二维彩色摄像机、三维激光雷达、惯性 院螺、超声等传惑器。箕嚣算移毛系统采趱嚣台s u n l 0 完或露怠憨合、全局、黉 部路经规划，两台p c 4 8 6 完成路边信息提取和激光信息处理。其体系结构以水 平式为主，采爆传统蛇“感知一建模一趣划一执行”爨法，其壹线跟踪速发达到 2 0 k m h ，避障速发达到5 1 0k m h 。 国防科大从8 0 筇代开始进行无人驾驶技术研究，1 9 9 2 举，国防科技大学研 剡残琏了我蓬第一骚囊歪意义上懿无入鸳骏汽车。纛先君醑髑癌三霞纛入驾襞举 辆。2 0 0 0 研制成功的第四代全自主无人驾驶汽车，在实时并行程序结构、实时 局部路径蛾划以及汽车驾驶智能控制等方面都有冀大突破，该技术领域达到了 年代国际先进水警。在无入驾驶车辆豹实用往方面，上海交通大学态在了前 列，由上海交通大学、法国c o i m b r a 大学和葡萄牙大学联合进行的c y b e r c 3 项目 ( 邵磐施技术在域移交逶孛豹波曩) 已- t - 2 0 0 7 年1 月蹶嚣遴篷验瞧，獒磅鬃豹 茏人驾驶车辆主要是筒向城市环境的，豺在为未来交通提供一种高效、安全、环 像、便捷的交通工具的，现已成功投放予上海世纪公园运行。这种机器人安装了 摄像头用予识菊路上标记，并安装了磁铸感器孀予车辆豹毒航和路径舔踪，萁安 装的激光雷达可以1 8 0 度探测障碍物，用于实时避障，更神奇的是，车止还安装 5 南索理王大学硬士学霞论文 戥革辊器夫总体设计与关键技寒爵究 了光线融装置，你只要发个短信或在站台按下掖钮就可以叫机器入来接你，随叫 隧到。 搦外，我国的特种帆器人、微操作机器入、仿生机器人等均鞭褥了较多的成 象。为了逮合我藿爱懋转爆静需要，茏箕怒2 0 0 8 年奥运会袭2 0 1 0 冬上海整薅会 辩畿爨翦反憨秀量穆蹩一怒严竣魏考验，我藩雾家攀鑫袭合嚣笈了多释簿爨反惑 机器入，例如由沈阳自动他所和广州卫富公词联合研制的反防爆机器人已成功交 付新骥喀什公安局用乎殿恐排爆任务。上海掇懑大学机器人所研制的s u p e r - d 反恐防爆机器人可以以褥分钟4 0 米的速度行驶，且可爬上倾斜角魔海4 0 以上的 楼梯帮援凄，将被弱予糗场蒋公共场瑟鲍焦蹬糖攘除察蔻陵晶运输。凿生瓠器a 熬蔑袭襻是j 靛筠祝器鱼予凄楚袁理王大学孪辫杰教授帮孛秘浚舞动纯爨联合 研制的机器人。慧童”，来来的“慧童”不仪勰参与家庭服务、被套娱乐和危险 作北，还能应用于军事锁城。另外，“慧童”溉酋次突破了仿人机器人的复杂设 计技术，在国际上首次舞现了模仿太极拳茅刀术等复杂的人类动作。 薹3 裁鼙誊t 器天戆美镞技术 l 。文l 鼯靛定往袭来 婚航系统是机器人嫩能模块、规划模块和逐动控制模块之间的桥梁，导航模 块通过舰划模块和定位模块知道橇器人应该鬈么走帮机器人现在什么位置，然后 舅靛模块遥过一定弱接铡冀法彝褪器入运动接镱l 模块发送禚美豹运旗臻令戳实 瑷路径缀翅揍夔要求豹运动。运过导簸模块兹挎潺露震零l 导飘嚣入菠确蹑藩麓裁 的路径赛现全区域覆盖镊舞；同样，导航模块邋过外部传感器的探测结果可以引 导机潞人实现正确的避障。释航模块是割革机嚣人的核心技术之一，对其能否正 确正作肖重要影响。 攫裁摹秘器天熬或髑牵，罐礴定鑫楚镰诞箕正确完成导靛、控熬| 餐务懿美键 乏一。蠢美霞置戆溺爱，霹努隽蘧大类：辍辩黎绝对爱萋嚣鬣。鬻瘸兹定霞实魂 方法谢：传感器组合定位，路标定位，全球怒能系统，基于环境先狳地图匹配的 定位洋口激光雷达定位等。 1 3 2 僚患摩氰与多傣患融念技术 绩塞霪怒寒溪于转惑嚣，这是饕莩羲器天凌蒺囊翅帮运麓捺耱黪墓礁。霹终 黪嚣来说，最主要弱两个晶旗是可靠往和实糖瞧。目前割革机器入使用豹传感器 有：黟纳、红外、编码辫、摄像机和罗盘等。帮一的传感器获取的环境信息往往 是岗部的、片面的，而商精魔和高可靠性的传端器往往价格较高，且会增加系统 的复袋蠖，因兆，每耪传感嚣有零j 弊，予怒入们鸯然想戮了墩长蛰短，也嚣 8 囊寰理王大学骚圭学位论文割摹撬器天慧俸设诗奄关键按寒骚究 多传感器集成和融合( m u l t i s e n s o ri n t e g r a t i o na n df u s i o n ) 。其优点在于提供 了信息冗余、互补和适时( t i m e l i n e s s ) ，从而掇商了信息的可靠性，其关键的研 究重点是信息融合的通用缡构、多传感器系统的设计和融合建模、傣息提取方法。 割孳枫器天在王终遥纛孛必矮耪续不瑟恁感麓嚣鋈琢襞售惫敦蠢舞状态售 息。由于工作环境的复杂缎、机器入自身状态静不确定性和单一传感器的局限往， 只靠一种传感器难以完成对外部环境的感知。为完成在复杂、动态及不确定性环 境下的自主性，割草机器人爝常都需要装多种传感器来感知环境信息。通过多种 传感器获得同类或不同类的环境，利用相关的爨法遴行多传感器馈患融合，则割 葶壤嚣入零获褥环境夔冀蜜、露靠懿售惠。多传感器售惠聚合懿鬻躅方法毒：燕 权平均、贝时薪倍诗、卡尔曼滤波、d e m p s t e r - s h a f e r 证据推理、攒糊推理戳及 人工神经网络等等。 1 3 3 髂径规翅 按应震瓣镁域，鼹经娥燃主要分秀点戮点鼹径援翅和全送域覆麓路径藏划。 裁辇狡器久静臻径囊蔻| 方法& 秀全嚣域覆羲黪径蕊麓方法。穗魄鞍予传统的点弱 点路径规划方法，全区域覆箍路径规划的成浆骚少得多。这种规划技术要求实现 给定蹶域的完全覆盖，要求机器人无遗漏地走究空间中的所有可达点，并且尽可 能的不麓复覆盖。目前的念区域覆盖规划的研究多数都是完全依赖环境地图模型 或部分依赖，这秘规划搜术对非结梅环境、未懿环境毙较敏感，缀多癍曩都是锋 慰特定矮凌，一里工传对象发生交铯，辊器入穗难戳歪豢工终。 翻前，全区域覆盖路径规划方法主要分为两种，一种是基于环境地图的精确 路径规划方法，主要是作为赢内应用。如室内清洁机器人，吸尘机器人等；另一 种是熬予环境分割的全区域覆盖路径分割方法，这种方法将待覆蓣的区域进行区 域分割，樵器入然爱对分瓤蓐懿子区域分裂避镣覆盖。在每令子嚣域蠹掇器入只 需执行麓革的迂回式路径移走帮可完戒区域鬣蓬任务。这静方法象要有两大闰 题：馘域的分割方式；区域的切换策略。文献 6 9 主要是属予遮一类规划方 法。 现简要介绍一下当前图外在本领域的研究成果。 l 。文3 。l 基予已氮环境辏袋戆精确路径痰翅 文熬【l ：疆基了一季孛瘸予室痣巧壤豹基予缓凝逻辑窝行凳控筏熬金区域覆盖 移动机器入系统，这种系绕使用距离和视觉佟感器来更新环境信息。为了实现环 境信息采集，机器人上安装了红外和超声波传感器用于采集机器人周围的环境信 息用予避障。机器人先通道循墙走或循障走来浆集路径的终点坐标，建立规划地 图，曼谯区域覆盖过程申，地图可鞋修改。在蜜酥的撬雩亍过程中，机器人的基本 鸯索蠖芝大学蘸士学位论文裁革凝器天慧俸设谤每美键援拳簪 究 行为被分为：循墙循障行为、趋向目标行为和循迹行为。在机器人的运行过程 中当机器人遇到小的障碍物时，则机器人执行趋向目标行为绕过障碍物原路径继 续进行；当遇到较大的障碍物时机器入执行循墙行为记录障碍物的边界坐标，然 后瓣羔穆区域重蒙蔽麓鞠分裁，接着，祝嚣入程分蘩磊子区域进行覆盖，完成整 个覆盖工作。 文献 2 由兄n 和h a 提出的规划方法依赖于环境的2 - d 地图的先验知识， 能够处理未在地图上标出的未知障碍物。文中的方法必须在知道环境的一个先验 的二维地图，并且必须安装趣声波传感器用于障碍物的探测。同文献 1 卜一样， 本交瞧采矮基于行必懿藏径鼹踩方法，麸嚣溪热了整令系绞懿簧撩缝。在文孛， 作者毙机器人的基本路径分解成五个基本豹模投：穗、u t 、s s 、戬i 和阱，鱼每 个模板都考虑了机器人的宽度、最小转弯半径和机器人的清洁区域，整个路径即 是各个模板的有序连接。在执行每个模板前，被选模板将产生的轨迹必须进一步 被分解成篾单的运动命令，例如可分解为( 溉y ，向前) 或( 毋，友，半径) ， 将这黧愈令发送绘凝器入憝运动控毒l 单元帮霹蜜瑗特定懿运谚。 文献 3 j 和文献 4 中提出的规翊方法和文献 2 的类似，阍梯是把机器人的 动作规划为基本的动作横斌( 本文中称为宏) ，主要的不同是，作者对遗漏未被 规划的区域进行了重新规划，并引导机器人到达未覆盖区域，进行补充覆盖，以 得到燹寓的覆盖率。 1 袁3 2 基予嚣蓐分誉熬众嚣壤覆盖骜径栽麓方法 梯形分割是区域单元分割最常见的例子。这种方法主要道过横切线横扫工作 环境乘进行分割，并同时维系一个单元序列袭d ，列表d 的历史记泶既是出现在 d 中的所有单元，而这些单元构成了分割的全体。在分割过程中，任何时候只要 遇到一个顶点或极点，爨l j 一个凝戆单元边男建嶷。然后，梯形分戮被薅犍舞连逶 强表，惩来筏表单元阉黪稳续关系。接着逶遗羧索这些与实器送域分割稳关静连 通豳袭来进行单元的切换岛覆盖。文献 7 巾，c h o s e t 进一步研究了梯形分割在 多边形世界中的应用。他指出，梯形分割把单元分割的过多，因耐擞得效率低下， 这是因为在单元之间可能需要额外的沿单元边界行走的运动。如图1 3 2 1 所 示。 8 、 南京理工大学硕士学位论文割革机器人总体设计与关键技术研究 图1 3 2 1 改进的梯形分割 挺工作区域分害i 成单元居，全嚣域覆盖工传既篱他为从一个鼙元到另一个单元黪 运动，作糟把这种i 曩动命名为“b o u s t r o p h e d o nd e c o m p o s i t i o n ”。每个单元以 一个节点袭示，相邻的单元以边缘相连构成邻接图。如果每个单元都可被机器人 覆蓑，舔么瓣题聚霹楚铯隽逶避邻接瑟礁定一条露径使撬嚣入至少访阉麓熹一次 履只能访问一次。 在文献【6 】中，作者提出了一个算法解决了m s a ( 最小高度和) 阉题，也就 怒多重线横扫帮动悉缡程方法。在许多全覆盖应用中，效率 例如对闻) 是非常 麓要的，例如在搜索和搜救中，在工业中，即使是一个小的效率的改善都可能导 致大戆成零蕊约。遴逶佟者建爨熬算法，使区竣戆袋奎塞度黪最夺，曩| l 嚣捷撬嚣 入的转向最少，并获得较高的覆盖效率。梯形分割、b o u s t r o p h e d o n 分割均为已 知环境下的分割，其对环境变化的适应性有限( 只熊用于只蠢多边形形状的障碍 镑环境) 。 1 3 3 3 熬于m o r s e 分割的垒联域覆盖路径规划方法 文献【8 中， 筝衡定义了“精确单元分割”。猩此方法串，作者瞒m o r s e 函 数的临界点来指示单元边界的位置。m o r s e 函数是那些其极慎点( 1 | 缶界点) 是非 遨纯魏丞数。在蝮秀点之霹m o r s e 番数懿羟努性震惫榛月懿。掰班在每令萃元量 以简单的方式来覆盏单元是可杼的。这里，路经规划问题可由两步来决定：。第一 步，识别包含起点和终点的单凭：第二步，搜索邻按图得到一个连接起始单元和 蕊了单元靛单元亭确。不同静m o r s e 函数产生不蓠豹覆盖方筑。 作者对梯形分割进行了推广。定义了一个叫s l i c e 的直线段来掠过自由空间 c s ，渡c 鼓( e s = u l l = 曼) 来袭示，氇裁跫说切线s l i c e 戳童来表示，每改交一 个五值则空间中掠过一条s l i c e 线。s l i c e 线连通性的变化指示了单元的临界点 熬窭溪。警覆盖空溪嬖孛囊翅嚣浮我甥线遮逶毪懿交纯决定擎元帮谴稻麴邻接关 尊 南京理工大学硕士学位论文割草机器人总体设计与关键技术研究 系。一旦分割和邻接图完成，机器人执行简单的搜索算法来计算一条贯通邻接图 的路径来访问所有结点。 之所以用m o r s e 函数，是因为用来定义m o r s e 函数的参数的拓扑性质在临界 点之间保持不变，这样就得到了单元的自然界定。这里的临界点可用测距传感器 来测定。 使用声纳环，我们可以测定到障碍物的距离d a x ) 和梯度v 4 ( 力。 定理：距离函数的梯度v 4 ( 神平行于切线函数的梯度v h ( x ) ，当且仅当x em 是hj 。的一个临界点。通过测得到障碍物的距离的4 ( 力可算出梯度的值，若其平 行于切线函数的梯度v d i ( x ) ，则表明一个临界点出现了。 h l o r s e 分割以拓扑图表的形式被储存，用临界点作为结点，图中的边缘作为 分割单元。关于未覆盖单元的信息和拓扑图中的结点( 临界点) 有关。当机器人 遇到邻接点后，首先于r e e b 图上执行深度优先搜索算法，搜索未覆盖单元。为 了到达被选未覆盖单元，机器人遵循拓扑图，并规划出一条通过单元和临界点的 路径。若没有未覆盖单元和任何拓扑图中的结点相关联，则环境完全被覆盖。 m o r s e 分割主要用于有测距传感器的机器人，且能工作在更普遍的环境中( 直线 性环境除外) 一。 1 4 课题赍孽：来源 本课题来源于江苏省高科技研究项目全区域覆盖自主移动机器人的研制 ( 编号：1 ) g 2 0 0 3 0 2 5 ) 和江苏省高校高新技术产业化研究项目一智能割草机器人 ( 编号：j h 0 2 - 0 0 8 ) ，并以割草机器人的研制作为工程背景，以实用化和产业化 为目标，开发具有推广与实用前景的高性能全区域覆盖移动机器人，并力争实现 产品的系列化设计。 1 5 本文主要的研究内容 本文的研究工作主要包括割草机器人的总体结构设计、全区域覆盖路径规划 技术、基于模糊逻辑的机器人导航技术、割草机器人控制器的软硬件设计及电磁 兼容与抗干扰技术。 本文的主要研究工作有： 1 针对现存的割草机器人的路径规划过分依赖于环境地图的现状，为了提高 割草机器人对环境的适应性和减少对硬件的要求，本文提出了一种具有较 强实用性的定性拓扑路径规划技术，主要研究了如何对机器人工作环境进 1 0 南京理工大学硕士学位论文割草机器人总体设计与关键技术研究 行分割，临界事件的定义及子区域边界探测，机器人规划组织策略，拓扑 图理论及有关算法。 2 针对当前存在的许多导航算法比较复杂、计算量较大的问题，本文对基于 模糊逻辑的导航算法作了较为详细的研究工作。同时，文中把割草机器人 的覆盖工作分解为三个基本的行为，在具体应用时由路径规划器决定那种 行为被调用。文中为每个基本行为都设计了相应的模糊控制器。 3 机器人的实现离不开相应的软硬件支持。为了试验设计的机器人相关算法， 本文对割草机器人控制系统的软硬件设计作了大量的研究工作。主要包括 电子罗盘应用，倾角仪设计及应用，超声波模块设计及应用，电机驱动与 运动控制模块的电路设计，同时给出了相关模块的软件编程框图或时序图。 为了保证设计的控制器能够可靠工作，本文还对电磁兼容与抗干扰技术作 了较为详细的研究工作。 南京理工大学硕士学位论文 割草机器人总体设计与关键技术研究 2 割草机器人的本体结构设计与运动学模型建立 机器人的本体结构设计和部件选型对机器人的工作性能有重要影响。因为机 器人的各种算法都是在机器人的硬件平台的基础上运行的，机器人本体设计的好 坏还直接影响到机器人的最终性能及其可扩展性。同时，本章还对割草机器人的 安装和传感器布置作了具体的介绍。此外，为了实现割草机器人的运动控制，在 本章最后还讨论了割草机器人的运动学模型的建立。 2 1 割草机器人的本体设计和安装原则 1 、驱动轮；2 、割刀；3 、割草电机； 4 、操舵轮：5 、直流电源；6 、蜗轮蜗杆传动；7 、行走电机 图2 1 1 割草机器人本体结构图 设计的割草机器人的总体方案如图2 1 所示，采用三轮机构，前轮为万向轮， 仅起支撑作用，后两轮为驱动轮，这种结构的好处是：控制容易实现，只需控 制两个驱动轮的速度即可实现机器人行走速度控制和转向；转弯非常灵活，可 实现零半径转弯，在遇到障碍物时容易实现避障。缺点是：操舵轮和驱动轮是耦 合的，即操舵轮的转向受驱动轮控制，这样引起的朝向误差将大过驱动轮和操舵 轮是分离的情况，而由朝向误差引起的定位误差往往是决定性的。因此满足下面 的安装原则将显得非常重要。 良好的本体结构设计及安装应满足以下几条原则：机器人的制造安装方 便，重量轻，成本较低；驱动轮和操舵轮的轮距尽可能的短；两驱动轮的轮 径尽可能的保持一致，且轮的实际直径尽可能和设定的标准直径相同：一定要 在一定程度上保证驱动轮安装轴的对中性；小脚轮承受的总的机器人的重量尽 可能的少，重量应均匀的分布在两驱动轮上，因为，小脚轮承受重量越大则惯性 越大，转弯时就越容易打滑；驱动轮应不能压缩。 南京理工大学硕士学位论文割草机器人总体设计与关键技术研究 我们为割草机器人选用的驱动电机为稀土永磁直流伺服电机，其额定电流为 5 a ，最高电压为2 4 伏，并且附带编码器和测速电机。 割草机器人的传动装置为一组蜗轮蜗杆传动，传动比为1 ：5 0 ，蜗轮蜗杆传 动的结构简单，传动比大，可以在一定程度上满足割草机器人对安装结构的需要。 2 2 传摩器选择 自主移动机器人为了实现对环境和自身状态的感知，需要选择不同的传感器 组合。传感器选择的原则为：在满足系统需求的前提下，尽可能选择高精度、高 可靠性的传感器；考虑经济性和成本；产品的使用的成熟度，即选择的产品的技 术比较成熟，容易使用且不太复杂。基于以上原则，主要选择的传感器分为两类： 1 、机器人内部状态感知传感器，包括编码器、电子罗盘和双轴倾角仪；2 、环境 感知传感器，主要为声纳、红外和碰撞开关。 编码器是许多机器人的标准配置。我们所用的编码器t r d - 2 e h i o o o b 为电机 附带的编码器，其分辨率为1 0 0 0 p r ，每转输出1 0 0 0 个脉冲，五线制，其中两 根为电源线，三根为脉冲线( a 、b 、z ) 。电源的工作电压为+ 5 + 2 4 v 直流电源。 虽然陀螺仪能够精确地确定运动物体的方位，且测量的灵敏度和可靠性均比 电子罗盘和倾角仪好，但陀螺仪的价格均比较昂贵，一般只用在航空航海等领域。 而在割草机器人上的应用显然没有性价比优势。因此，本文选择由c m p s 0 3 电 子罗盘和s c a l 0 0 t 双轴倾角仪组合来获取机器人的朝向角、横滚角和倾斜角， 测量和实现容易，获得了较好的性价比。 安全避障是移动机器人研究的一个基本问题，我们选用的避障传感器主要为 超声波和红外传感器。由于超声波传感器在距离测量上存在盲区( 本人设计的超 声波测距模块的最短测距距离为2 5 5 c m ) ，而红外测距仪的测量距离一般为8 8 0 c m ，因此当机器人和障碍物的距离小于2 5 5 c m 左右的时候可由红外测距仪提供 距离信息，以免机器人碰上障碍物。而较远距离的测量则可由超声波测距仪完成， 因此，同时选择红外和超声波传感器可形成信息互补作用，割草机器人可由此获 得准确可靠的环境信息。 我们这里选择较为常用的4 0 k h z 的超声波发射接收头t r 4 0 。我们这里选用 的红外发光管为h l m p - e g 2 4 ，而红外接收光电管为东芝的 1 - p s 7 0 3 。 2 3 传感器的布置 这里主要讨论超声波、红外传感器及碰撞开关的布置。 我们这里共选择8 组超声波传感器模块和四组红外模块以实现对环境物体的 南京理工大学硕士学位论文割草机器人总体设计与关键技术研究 探测。具体的布置方案如图2 2 所示，图中车前部、左前方、右前方的超声波模 块分别用于探测机器人前方、左前方、右前方的障碍物；机器人左侧和和右侧的 超声波模块除了用来探测机器人的工作方向上的障碍物外，主要的用途是探测机 器人全区域覆盖路径规划的边界事件。红外模块安装于两个超声波模块中间主要 用于实现和超声波传感器的距离探测信息互补。为了防止机器人碰撞物体，在车 体周围的橡胶圈内安装了碰撞开关，使机器人在碰到物体后能做出保证安全的应 急行为。 图2 3 1 传感器布置不意图 双轴倾角仪s c a i o o t 可同时测出机器人x _ 轴和y 一轴的倾角，在设计时直接安 装于主控制电路板上。为了保证测量精度，电路板安装时一定要尽可能的保证和 机器人本体平行。电子罗盘的安装要远离机器人上安装的电机，并采取适当的隔 离措施。 2 4 基于差速驱动结构和航位推测法的移动机器人运动控制模型建立 割草机器人的运行控制程序主要用来处理机器人的运动控制问题。为了实现 对割草机器人的有效控制，需要建立精确实用的割草机器人运动模型。 所谓差速驱动即是指通过控制两个驱动轮之问的速度之差来控制机器人的 整体运动。本文所选择的两后轮独立驱动的三轮机构即是属于这种情况。选择的 差速驱动底盘具有简单、坚固耐用和可靠性好等优点。如图2 4 1 所示，为差速 驱动底盘的示意图，设左右轮的数度分别为h 、v ，驱动轴中心点的坐标为 p ( x ，y ) ，驱动轮轮距为f ，并设旋转角为口，则有如下线速度和旋转角速度的表 达式( 2 0 ) ： 南京理工大学硕士学位论文 割草机器人总体设计与关键技术研究 阱 c o s 占 ， s i n p 2 1 z c o s 8 ， s i n 口 2 1 f 一 公式( 2 o ) q f l 由于 v = 生手，m = 生产 ，且 = u c o s 只= v ，c o s 口 ； = hs i n g ， p r y = v , s i n 8 。 所以，匕= 半= c o s 8 丁v t + c o s o v 妒t v , + p r y = s i n o t v t + s i n b y , 胪早 即式( 2 o ) 成立。 操舵轮 图2 4 1 羞速驱动厩盘不慈图 图2 4 2 航位推测法示意图 如果知道机器人开始运行时的初始位姿，同时也知道机器人速度的三个分量 以及靠这种方式需要行驶多长时间，那么，我们就能非常准确的确定机器人的终 了位姿( 位置和方向) ，这种方法通常被称为航位推测法。下面就以图2 4 所示 的机器人在较短时问内的运动示意图来说明如何用航位推测法来估计机器人的 实时位姿。图中v 为机器人的线速度，则机器人在f 时间内的移动位移为v a t ， 则机器人在x 和y 方向上的分位移分别为血= v a t c o s 8 ，v = v a t s i n 目，x 和y a ，a 方向的速度分量分别为v ：= 豢= v c o s o ，v ，= z x y = v s i n 8 。在机器人运行过程中， 阻醚 机器人的v 和国可以由程序任意改变，设机器人在n 时刻的位置坐标和朝向角分 别为( 瓦，n ) 和幺，而在n + l 时刻的位置坐标和朝向角分别为( 毛。y 。) 和。， 南京理工大学硕士学位论文割草机器人总体设计与关键技术研究 并设缸非常小以至在此时间内机器人的线速度和角速度近似不变，这样，经过 时间后机器人的运动可用如下迭代公式( 2 1 ) ： 毛+ 1 = 毛+ v 出c o s 幺 k + l = 只+ k 垃s i n 已 式( 2 1 ) 钆= 纯+ 峨缸 其中， 垃= “一厶为由系统硬件和程序可设定的常数