（控制科学与工程专业论文）未知环境下基于无线网络的探索机器人系统设计与开发.pdf

摘要 自主移动机器人在工业、空间开发、医疗、安防、家政服务等 行业都具有广泛的应用前景。然而，在未知环境下，机器人的准确 定位和地图创建成为移动机器人领域的难点问题。另一方面，i n t e m e t 显而易见的优势使得机器人网络化成为热点问题。针对上述问题， 本文设计一种基于无线网络的探索移动机器人。 论文首先提出一种探索机器人系统的整体构架，包括移动机器 人子系统和机器人远程状态监视子系统。移动机器人子系统包括传 感器模块、驱动模块和控制与决策模块，并完成对未知环境的探索 任务；机器人远程状态监视子系统完成对机器人运动状态的监视和 绘制环境地图的任务。 针对移动机器人子系统，论文设计实时定位算法和局部路径规 划算法。实时定位算法使用电子罗盘和里程计的综合信息，快速实 现机器人定位。路径规划算法利用红外传感器和激光测距增加机器 人路径规划的约束条件及提高对障碍物扫描的分辨率，并结合机器 人定位信息进行融合，实现避障行为和路径选择。激光测距则采用 基于图像处理的方式实现。 针对机器人远程状态监视子系统，论文设计实时地图绘制方法。 该方法利用机器人自身定位与路径规划所反馈的信息绘制机器人探 索环境的地图。监视系统通过无线网络与移动机器人子系统交互， 实现任务指令发送，机器人状态实时监视和远程地图绘制。 最后对机器人各项功能进行实验，分别对自身定位算法、基于 图像处理的激光测距算法进行实验。并根据各项功能分析机器人采 用原始的v f h 算法与改进的v f h 算法的效果。 关键字：自主移动机器人，网络化，实时定位，路径规划，环境探索 a bs t r a c t t h ea u t o n o m o u sm o b i l er o b o tw i l lb ew i d e l yi n v o l v e di ni n d u s t r y , s p a c ee x p l o r a t i o n ，h o u s e k e e p i n ga n ds oo n i nu n k n o w ne n v i r o n m e n t ， i t st h ef o c u st os o l v et h es e l f - l o c a l i z a t i o na n dm a pb u i l d i n gi nt h e m o b i l er o b o tf i e l d i no t h e rh a n d ，b e c a u s eo ft h eb e n e f i t so f i n t e r n e t ，t h e i s s h e so ft h en e t w o r k e dr o b o tb e c o m e h o t a c c o r d i n gt ot h ei s s u e sa b o v e p a p e rd e s i g n sak i n do fe x p l o r i n gm o b i l er o b o th a v et h ec a p a c i t yo f c o m m u n i c a t i o nb a s e do nw i r e l e s sn e t w o r k f i r s t l y , t h ew h o l ef r a m e w o r ko ft h ee x p l o r i n gr o b o ts y s t e mi s d e s i g n e d t h es y s t e mi n c l u d e st w os u b s y s t e m s ，t h em o b i l er o b o ta n dt h e r e m o t es t a t e m o n i t o r i n gs y s t e m t h er o b o te x p l o r e st h ee n v i r o n m e n ta n d t h em o n i t o r i n gs y s t e md r a w st h em a p t h er o b o tc a nb ed i v i d e di n t o t h r e em o d u l e s ，w h i c hi n c l u d e sd r i v e m o d u l e ，s e n s o rm o d u l ea n d d e c i s i o n m a k i n gm o d u l e a c c r o d i n gt ot h er o b o ts u b s y s t e m ，r e a lt i m ep o s i t i o na r g r i t h ma n d p a t h p l a n n i n ga r g r i t h mi sd e s i g n e d r e a lt i m ep o s i t i o na r g r i t h md e p e n d s o ne l e c t r o n i c c o m p a s sa n do d o m e t e r p a t hp l a n n i n g a r g r i t h m u s e i n f r a r e dd i s t a n c em e t e ra n dl a s e rr a n g ef i n d e rt oc o n s i d et h es i z eo ft h e r o b o ta n di m p r o v et h ea n g u l a rr e s o l u t i o nf o ro b s t a c l ed e t e c t i o n a c c r o d i n gt ot h er e m o t es t a t em o n i t o r i n gs u b s y s t e m ，p a p e rd e s i g e d t h e m a pb u i l d i n ga e g r i t h m t h ef e e d b a c ki n f o r m a t i o no fr o b o t s s e l f - l o c a l i z a t i o na n d p a t hp l a n n i n g i su s e dt ob u i l dt h e m a p t h e m o n t o r i n gs y s t e mc a ng i v et a r g e t st ot h er o b o tv i aw i r e l e s sn e t w o r k ， m o n i t o rt h es t a t eo ft h er o b o tr e a lt i m e ，a n db u il dt h em a po fr e m o t e e n v i r o m e n te x p l o r e db yt h er o b o t a tl a s t ，t h em o b i l er o b o ts y s t e m se x p e r i m e n t sa r ed o n ei n c l u d i n g r e a l t i m el o c a t i o n ，l a s e rr a n i n g a c c r o d i n gt ot h ee x p e r i m e n t s ，t h ee f f e c t o fp a t hp l a n n i n ga r g r i t h ma n di m p r o v e d p a t hp l a n n i n ga r g r i t h mi s a n a l y z e d k e y w o r d ：a u t o n o m o u sr o b o t ； p l a n n i n g ；e n v i r o m e n te x p l o r i n g n e t w o r k e d ；r e a lt i m ep o s i t i o n ；p a t h 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本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，除了论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或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：受玺毯 日期：俎年月上日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 期：盟年j 弓2 _ e t 中南大学硕上学位论文第一章绪论 第一章绪论 随着人类文明的进步，科学技术的发展不断日新月异。机器人技术从其诞 生到现在不过短短几十年，已从科学幻想成为了现实。在工业、服务业、农业 都有广泛的应用。在当今技术大发展的时代，在计算机技术、传感器技术、人 工智能理论的推动下，机器人技术的发展进入了智能时代。机器人将逐步进入 到日常生活中，服务于人类，成为在人类生活中不可或缺的一部分，并会在更 多的场合替代人类去完成对人类而言危险的工作和任务。 本章首先介绍课题的研究背景及意义，接着简述探索机器人导航问题的国 内外现状和机器人网络化研究的进展，最后叙述了本文研究的内容及思想方法。 1 1 研究背景及意义 具有自主导航能力的移动机器人，在空间开发、安防、家政、医疗和军事 等领域都有广泛的应用前景。然而在大多数环境中，机器人并不能预先得知环 境地图信息，因此机器人需要具备感知周围环境并做出相应反应的能力。这类 移动机器人应该具备探索未知环境的能力，需要解决同时定位与地图创建 ( s i m u l t a n e o u sl o c a l i z a t i o na n dm a p p i n g ，s l a m ) 的问题。在探索过程中，机器人 需要解决自身定位、路径规划以及地图探索、绘制、存储及利用等问题，这些 问题都互相紧密联系。由于移动机器人的广泛应用前景，解决上述问题成为该 领域的难点和热点。 另一方面，i n t e m e t 技术和无线网络技术的迅猛发展，机器人的网络化也呈 现出显而易见的优势。结合无线网络通讯技术将为移动机器人提供更广阔的应 用空间。基于无线网络通讯的机器人平台，突破了距离的限制，使得人与机器 人之间、机器人与机器人之间进行远程交互变得更为方便。网络化的移动机器 人将具备更为广泛的应用前景。 目前，除了美国军事用途和2 0 0 4 年n a s a ( 美国航空航天总署) 登陆火星 的漫游车“机遇号”和“勇气号”拥有较为成熟的移动机器人技术外【1 , 2 】，其他大多 依然处于实验室研究阶段，离实用化还存在较大的距离。美国火星漫游车的技 术细节依然处于保密状态，并且当前开发的自主导航移动机器人普遍存在成本 高、功耗大、体积大、无法进入大众生活的问题。 本文将从实用、低成本的角度出发，设计与开发一种具备无线网络通讯能 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 力、可在无路标条件下探索未知环境的移动机器人系统。结合自身的体系结构 特点，实现探索机器人的自身定位和路径规划能力，并利用探索过程得到的环 境信息实时绘制地图。 1 2 探索移动机器人国内外研究现状 在自主移动机器人领域许多学者已经做了大量的研究工作。从先期探索到 提出多种理论与算法，国内外学者都在不断努力使移动机器人技术实用化。要 真j 下实现自主，移动机器人必须具备同时定位和地图绘制( s l a m ) 能力，包括自 身定位、路径规划和地图绘制等问题。 对s l a m 技术的研究可追溯到2 0 世纪8 0 年代末，c h a t i l a 等做了很多先驱 性的工作【3 1 。s m i t h 、s e l f 和c h e e s e m a n 引入了一种有效的统计理论框架解决移 动机器人在未知环境中生成地图和自身定位问题1 4 ，5 】，之后l e o n a r d 和 d u r r a n t w h y t e 首次把机器人在未知环境中的定位和地图生成问题明确定义为 s l a m t 6 ，7 1 。实现探索移动机器人系统s l a m 的主要难点在于机器人的自身定位 和路径规划问题。 另一方面，机器入网络化的研究从其提出到现在也在不断发展。控制方式 从直接手动闭环控制到自主监管控制，从单机器人控制到多机器人协作控制， 经历了巨大的发展变化。 1 2 1自身定位技术 自身定位是确定机器入在其作业环境中所处位置的过程。机器人必须依靠 传感器感知环境信息，经过处理和变换，从而准确对自身位姿的进行估计。目 前定位方法主要可分为相对定位和绝对定位。 相对定位包括两种方法：惯性导航和测距法。惯性导航通常使用加速度计、 陀螺仪、电子罗盘、里程计等传感器。应用加速度计的惯性导航会因为机器人 漂移或路面不平而产生较大的误差，b a r s h a n 和d u r r a n t w h y t e 的实验结果表明 了这一问题【8 ，9 】。陀螺仪可以提供更精确的导航信息，但是价格的高昂，也在很 大程度上限制限制了其在机器人领域的应用。测距法是当前使用较多的一种定 位方法，其通过测量轮子位移增量推算机器人的位置，具有狭义和广义之分。 狭义测距法定位不依靠外部传感器实现对机器人的位置和方向估计；广义测距 法定位基于编码盘和外部传感器的信息，利用多传感器信息进行融合估计机器 人位置。 绝对定位不需要机器人以往的定位信息来推断自身当前的位置，完全根据 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 传感器的观测确定当前位置。绝对定位主要可依赖以下几种方法实现：导航信 标、主动或被动标识、图形匹配、卫星导航信号。标识定位是一种常见的定位 技术。作为标识，必须是具有明显特征的、易于被机器人的传感器识别的特殊 物体。可将标识分为基于人工标识定位和自然标识定位。人工标识定位已有非 常成熟的技术，具有很多成功应用实例【1 0 , i i 】。但是在无法设置人工标识的未知 环境中，该方法显得不具实用性。自然标识定位虽然克服了在无法设置人工标 识的问题，但是自然标识提取的技术依然不成剥1 2 。1 钔。基于卫星导航( g p s ) 的定 位方法需要接收卫星信号，而室内环境下，信号被阻隔从而降低了定位精度。 1 2 2 路径规划技术 路径规划技术是指机器人在复杂环境中，按照某一标准，寻找一条从初始 位置到目标点的路径。路径规划标准必须具备以下几点要求： ( 1 ) 在保证不与外界发生碰撞的条件下，寻找一条到达目标点的路径； ( 2 ) 能利用传感器感知环境中的不确定因素，对各种情况进行处理； ( 3 ) 寻找到最佳路径。 目前，移动机器人路径规划问题大致可分为：基于环境先验信息的全局路 径规划和基于不确定环境的传感器信息的局部路径规划。 全局路径规划主要有：可视图法( v - g r a p h ) 、自由空间法( f r e es p a c e a p p r o a c h ) 、栅格 法( g r i d s ) 掣巧l6 1 。可视图法将机器人看成一个质点，这样，机 器人移动时可能会非常靠近障碍物，甚至发生碰撞；自由空间法，虽然灵活， 但是会随着障碍物的增多而变得复杂；栅格法将环境划分为很多栅格，随着环 境变大，地图的信息量也会越来越大，造成机器人反应变慢。在很多情况下， 机器人是不具备环境先验信息的，这就限制了全局路径规划算法的应用。 局部路径规划算法主要有：人工势场法( a r t i f i c i a lp o t e n t i a lf i e l d ) 、遗传算法 ( g e n e t i ca l g o r i t h m ) 、模糊逻辑算法( f u z z yl o g i ca l g o r i t h m ) 并nv f h ( v e c t o rf i e l d h i s t o g r 锄) 等f 1 7 , 1 s l 。人工势场法结构简单，便于底层的实时控制，但是容易陷入 局部最优问题，产生死锁现象，使机器人在到达目标点之前就停留在局部最优 处；遗传算法虽然能解决陷入局部最优的问题，但是由于其本身的特点，会占 用处理器很大的资源，造成机器人反应迟钝；模糊逻辑算法需要开发者对机器 人可能碰到的环境进行假设，但是开发者不可能预先得知所有的环境情况，所 以会造成算法只适用某一特点环境的问题；v h f 算法基本思想为选择通过代价 最小的方向移动，开发者可根据需要考虑的因素进行设定代价的计算方式，这 中南大学硕上学位论文第一章绪论 样即保持了人工势场法简单的特点，又克服了陷入局部最优的困扰。 1 2 3 地图绘制技术 在环境未知的情况下，机器人无法获取全局地图信息，因此无法使用全局 定位和路径规划方法。此时，机器人在定位与导航的同时进行地图绘制，并利 用地图修正定位与导航，由此可见，三者之间相互联系渗透。 地图的表示方式大致可分为三类：栅格地图、几何地图和拓扑地图。栅格 地图虽然有实现简单的优点，但是随着栅格的增加，对于维护地图的内存和c p u 时间也会迅速增加造成机器人实时性降低的问题；几何地图需要传感器感知大 量的环境信息并处理，同样会占用机器人大量的内存和c p u ，从而造成机器人 实时性降低；拓扑地图不需要机器人准确的位置信息，对于机器人的位置误差 也有很好的鲁棒性。 地图绘制的方法主要有基于扩展卡尔曼滤波( e x t e n d e dk a l m a nf i l t e r , e k f ) 的s l a m 算法【1 9 之1 1 、基于期望最大化( e x p e c t a t i o nm a x i m i z a t i o n ，e m ) 的s l a m 算法【2 2 乏7 1 、基于粒子滤波器的f a s t s l a m 算法【2 8 - 3 0 1 。基于e k f 的s l a m 算法与 基于粒子滤波f a s t s l a m 的算法需要信标来规划自己的行为，这在无信标的条 件下是不适用的；如果采用环境特征信标的方法，则增加了信标提取的过程， 极大地增加了该算法的复杂度【3 1 1 。因此对于计算资源有限的机器人控制器而言， 在要求实时性的 j 提下就显得难以接受。 1 2 4 网络化的发展 机器人网络化的想法自1 9 9 4 年k e ng o l d b e r g 最先提出后【3 2 , 3 3 】，经历了 m e r c u r yp r o j e c t 和t e l e g a r d e np r o j e c t 两个项目的发展，随后许多学者也都在这 方面做了尝试。澳大利亚大学的k e n n e t ht a y l o r 也在1 9 9 4 年提出了网络遥操作 机器人概念，将一台a b b 的机器手臂联入i n t e m e t ，至今该机器人控制程序仍 然在不断更新运行，成为运行时间最长的网络遥操作机器人【3 4 1 。 移动机器人的网络化更具实用意义。卡耐基梅隆大学的计算机学院先后设 计出可通过i n t e m e t 控制的办公室移动机器人x a v i e r 3 5 1 和博物馆导游机器人 m i n e r v a 【36 。，实现了以网页的形式对其进行实时控制。x a v i e r 可以按照指令在室 内移动，完成文件传送的任务，但其体积庞大而笨重。瑞士联邦理工学院于2 0 0 0 年也实现通过网络控制移动机器人，该机器人虽然体积变小，但其链接了信号 传输线，导致机器人运动范围受到很大的限制【3 7 】。2 0 0 7 年k o n g c a r 公司的电气 研究所通过i n t e m e t 实现对p i o n e e r2 d x 机器人控制，并实现了力反馈的操作【3 8 】。 4 中南大学硕上学位论文第一章绪论 国内对于机器人网络化的研究起步较晚，但近年来也取得了迅猛的发展。 例如哈尔滨工业大学2 0 0 0 年在国家8 6 3 计划资助下完成了一种基于i n t e m e t 的 遥操作机器人系统开发，该系统允许任何地方的使用者通过w e b 浏览器对一台 p u m a 5 6 2 机器人进行控制【3 9 】。2 0 0 4 年中南大学实现了基于i n t e m e t 手臂机器人 网络遥操作教学实验系统【4 0 1 ，该系统允许学生远程登录，利用鼠标键盘控制机 器人手臂转动以验证各种控制算法，极大地方便了学生进行实验以及对教学资 源的共享。 对于基于网络的移动机器人的研究发展也较为迅速。2 0 0 3 年天津大学研究 了一种通过i n t e m e t 远程控制的移动机器人体系结构【4 。2 0 0 4 年南京航空航天 大学以p i o n e e r3 d x 研究平台构建了基于无线局域网的遥控机器人体系【4 2 1 。随 着研究的深入，基于i n t e m e t 的移动机器人控制技术在不断发展。其中有结合通 信网络接入i n t e m e t 体系结构，如2 0 0 5 年沈阳自动化研究所通过g p r s 网络和 i n t e m e t 实现对移动机器人的远程控制【4 3 】；2 0 0 5 年国防科学技术大学采用无线 c d m al x 网将一台履带式机器人连入i n t e m e t ，并通过一台联入i n t e m e t 的工控 机对机器人进行遥控m ，45 。，因此体积显得庞大。2 0 0 6 年上海交通大学的高振东 等人将多个摄像头与p i o n e e r2 d x 型移动机器人组成网络，机器人利用网络中 的摄像头提取信息完成任务1 4 6 | 。2 0 0 7 年华南理工大学的王世华等人利用预估控 制，通过i n t e m e t 实现对移动机器人的遥操作1 4 。2 0 0 8 年，王世华等人又实现 了利用辅助信息如声、光等配合，经由i n t e m e t 实现机器人的控制【4 8 1 。 1 3 研究内容及基本思路 针对目前移动机器人系统现存的问题和缺陷，本文以移动机器人实用化、 低成本化及提高机器人信息共享能力、智能水平为目标首先提出一种基于无线 网络通讯的探索移动机器人系统体系结构：将探索移动机器人系统划分为移动 机器人子系统和机器人远程状态监视子系统；然后分别为两个子系统设计实时 定位算法、路径规划算法和实时地图绘制算法；最后从实验的角度对本文设计 的机器人系统及其功能实现算法进行验证。主要进行的研究工作主要包括以下 几个部分： ( 1 ) 探索移动机器人系统的体系结构设计与开发 当前移动机器人多为单机系统，体系结构上较为孤立，信息共享能力有限。 在处理复杂问题时，机器人只能依靠自身的处理器进行解决，从而造成机器人 实时性下降。为解决这个问题，本文提出- 4 中具备无线网络通讯能力的探索机 中南大学硕士学位论文第一章绪论 器人系统，将其体系结构划分为移动机器人子系统( 简称机器人) 和机器人远 程状态监视子系统( 简称监视系统) 两个部分。机器人完成探索任务和对环境 信息的收集，监视系统负责任务给定、机器人状态监视及地图绘制，两者可通 过无线网络通讯，并可接入i n t e m e t 。这种结构可将复杂的任务交由机器人和监 视系统共同完成，从而降低了机器人的负担，提高机器人的响应速度。 在设计移动机器人子系统时，充分考虑硬件升级的经济性和便利性问题， 采用了模块化设计的思想。根据功能划分，将机器人分为传感器模块、驱动模 块、控制与决策模块。模块之间通过串行接口进行通讯，彼此保持一定的独立 性。 ( 2 ) 实时定位、路径规划和实时地图绘制算法的设计 目前多数自主移动机器人的导航算法都是基于人工信标，在环境未知的条 件下，采用人工信标不具备实用性。采用提取自然信标的技术依然不成熟，也 不具备实用性。本文以实用性高和实时性强为目标，设计一种基于里程计和电 子罗盘的广义测距定位算法。 局部路径规划方法适用于在无信标且环境未知条件下机器人导航，但是目 前的算法或存在陷入局部最优、或存在实时性差的问题。v f h 算法虽然实时性， 但也易于陷入局部最优的困扰，但是v h f 算法特性使其极具扩展性，本文利用 红外传感器、基于图像处理的激光测距技术并结合自身定位算法改进v f h 算 法，使其即具备实时性高的优点，又可以改善陷入局部最优的困扰。 实时地图绘制算法在监视系统中实现，监视系统利用机器人反馈的环境信 息对远端环境进行重构。 ( 3 ) 机器人网络化设计 网络化的机器人具备信息共享的优势。本文设计的机器人体系结构为其提 供了网络化的基础。机器人采用8 0 2 1 1 b 无线网络通讯协议，可以通过无线网 络设备接入局域网或i n t e m e t 。监视系统可以是接入局域网或i n t e m e t 的任意一 台p c 机。这样，机器人便可以通过网络与监视系统进行数据交换。 1 4 论文主要内容及构成 本文主要从系统功能需求，硬件设计，算法设计和实验分析几个方面来阐 述未知环境下基于无线网络的探索机器人系统设计与开发。文章后续章节安排 如下： 6 中南人学硕士学位论文第一章绪论 第二章主要完成探索机器人系统的结构设计。从机器人系统的功能需求着 手分析，对机器人系统的整体结构进行设计。将机器人系统划分为两个子系统， 移动机器人子系统和机器人状态监视子系统，并将移动机器人子系统划分为三 个模块，再根据各个模块的功能需求设计硬件结构。 第三章主要完成算法的设计。机器人探索功能的实现依赖于实时定位算法 和局部路径规划算法。实时定位算法基于电子罗盘和里程计；路径规划算法基 于多种传感器的信息融合。路径规划算法中，对基于图像处理的激光测距算法 的设计较为重要，其影响了路径规划算法的有效性。监视系统上的实时地图绘 制方法依赖于机器人反馈的实时定位和局部路径规划的反馈信息。 第四章主要完成实验及其分析。首先就实时定位算法进行实验验证，然后 对路径规划和实时地图绘制都非常重要的基于图像处理的激光测距算法进行验 证。最后根据功能模块实验效果分析机器人系统分别采用原始的v f h 路径规划 算法和本文改进的v f h 路径规划算法的效果。 第五章对全文进行总结，并展望了今后可以进行深入的研究工作。 7 中南火学硕上学位论文第二章探索机器人系统总体构架设计 第二章探索机器人系统总体架构设计 本章内容主要分为系统功能需求分析、结构设计和移动机器人子系统的结 构设计和开发。首先根据探索任务的需求设定机器人系统的功能，再根据探索 机器人系统的功能设计体系构架，最后根据体系构架设计机器人平台的结构。 移动机器人系统主要完成探索未知环境和绘制环境地图的任务，因此需要 具备环境感知、自身定位、自身行为规划、无线网络通讯等功能。 为提高机器人的实时性，可将探索机器人系统分为移动机器人子系统和机 器人远程状态监视子系统。移动机器人子系统完成探索任务；而机器人远程状 态监视子系统完成任务给定和地图绘制的任务。 机器人系统设计的重点是移动机器人子系统。根据功能将机器人划分为传 感器模块、驱动模块和控制与决策模块，并详细阐述三个模块功能需求设计和 硬件开发。 2 1系统功能需求分析 很多研究机构的移动机器人平台为封闭的单机器人系统，这使得机器人的 功能扩展能力和信息共享能力较差。当机器人在执行复杂任务时，机器人自身 的处理器就会一直处于繁忙状态而不能及时应对突发情况或指令，从而降低了 机器人的实时性。 针对上述几个问题，本文设计一种以移动机器人平台为主，计算机平台为 辅并基于无线网络通讯的探索机器人系统。该系统的主要任务为：在未知环境 下寻找目标点和地图探索、绘制。因此机器人需要具备以下几个功能： ( 1 ) 对环境的感知能力。这是完成探索任务的基础，只有在感知环境这个 前提下，机器人才能对根据环境情况做出反应。 ( 2 ) 自身定位。完成感矢n # l - 界环境后， 道自己身在何处。否则机器人将迷失方向， 造成失控的问题。 机器人在移动过程中需要实时地知 不知该如何反应，或者胡乱反应， ( 3 ) 自身行为规划。机器人在未知环境中探索，应当具备对逐步探明的环 境做出适当及时的反应的能力。如果机器人不具备这种自主行为规划的能力， 而只靠接收远程控制指令做出行为反应，将无法保证及时应对环境变化，甚至 8 中南大学硕士学位论文 第= 章探索帆嚣人系统总体构架设计 因为网络丢包或延时而造成机器人失控。 ( 4 ) 无线网络通讯能力。机器人在探索的同时，可将信息共享，以便于远 程监视。 ( 5 ) 地图绘制。机器人探索完成时，应将探索的环境信息记录下来绘制 成地图以便后续利用，否则机器人的探索就显得没有意义。 2 2 系统结构设计 在环境探索过程中，以机器人平台为主、计算机平台为辅的结构可以将任 务进行分工，有效、合理地利用机器人和计算机的资源，从而提高机器人的实 时性和功能扩展能力。因此，可将探索机器人系统可分成移动机器人子系统( 简 称机器人) 和机器人远程状态监视子系统( 简称监视系统) 。机器人负责环境探 索，监视系统负责任务给定、机器人状态监视和远端环境再现。监视系统与机 器人通过无线网络进行通讯，探索机器人系统示意图如图2 - 1 所示。为便于对 机器人硬件升级，将其按模块化的思想进行设计，包括控制与决策模块、驱动 模块和传感器模块。 机器人十0 t 线“太月盘# 机 一一i 杪 旦 以 脊 监控计算机i监控* 算机2 圈 1 机嚣人系统示意图 根据系统任务分工，机器人完成未知环境探索和环境信息收集的任务。监 视系统完成对机器人任务给定、运行状态监视和利用机器人收集、反馈的信息 重构远端环境的任务。两者之间通过无线网络交互实现各自的功能。 机器人要在陌生的环境中探索，首先需要确定自己在环境中的位置，其次 中南大学硕一 ：学位论文第二章探索机器人系统总体构架设计 对环境的情况做出适当的反应。因此机器人应当具备实时定位和路径规划的能 力： ( 1 ) 实时定位。在陌生环境中机器人必须先确定自己的位置，否则就会迷 失方向。因此，机器人需要不断定位来确定自身的位置以及自身相对于目标点 的坐标。机器人通过利用自身携带的传感器信息来计算实现定位，里程计确定 移动的距离，电子罗盘确定移动的方向。 ( 2 ) 路径规划。在机器人移动过程中，会进入不同的环境中，因此机器人 需要随环境变化重新确定自身行为。所以机器人需要路径规划为其提供行动指 导，但是规划过程并不是实时的，而是机器人在确定当前行为无法适用于目前 环境的时候才启动。比如当机器人红外距离传感器感应到前方道路有障碍物时， 机器人便启动路径规划功能，寻找合适的方向继续移动。 机器人在开始移动前，需要知道自身的目的地位置，而监视系统则完成为 机器人确定目的地的任务，同时监视系统也完成机器人运动状态监视和地图绘 制任务： ( 1 ) 任务给定。机器人必须确定目标点才能开始移动，否则没有目标点， 机器人就失去了定位的参考，同时移动也失去了意义。监视系统负责发送目标 点给机器人，在发送前，需要将目标点的位置转换成机器人可以理解的形式。 ( 2 ) 实时地图绘制。机器人收到指令后，启动探索功能移动到目标点，并 将探索过程中获取的相关信息发送回监视系统。监视系统根据这些信息进行远 端环境重构，实现实时地图绘制，同时也利用这些信息实现对机器人的运行状 态的远程监视。 机器人和监视系统之间需要共同协调才能完成未知环境下寻找目标点和地 图探索、绘制的任务。机器人在探索过程中，将自身运行状态和传感器检测到 的环境信息通过无线网络发送给监视系统，监视系统利用机器人反馈的信息， 实现远端环境的重构。只要将机器人和监视系统同时接入i n t e r n e t ，即使两者分 别处于任合两个不同的地点，也可实现两者之间的交互。机器人具备自主导航 能力，不会因为网络的延时和丢包造成机器人的失控问题。系统逻辑结构如图 2 2 所示。从图中可以看出机器人系统的设计的主要内容在机器人平台上。本章 后续部分将完成机器人子系统结构和硬件设计。 l o 中南大学硕士学位论文第二章探索机器人系统总体构架设计 。一一一一一。一一。一一一一。r 一- 。- - 。- 一一一一- 一- 。r 一一一一一一。一- 一一一。一一一 ii 机器人远程状态： 通讯渠道： 移动机器人子系统 i 监视子系统 ： 上- - 一一- - _ 一一l 一一一一一一一一一一一一一一 图2 - 2系统逻辑结构图 2 3移动机器人子系统结构设计 机器人在探索过程中利用传感器感知外界环境获取信息，来实现自身定位 以及为行为规划提供依据。通常机器人可以通过红外传感器、超声波测距仪、 摄像头、激光雷达、电子罗盘、里程计等设备实现对环境的感知。 红外传感器和超声波传感器都具有价格低廉的优点，但是两者的角度分辨 率都很低；而红外传感器较超声波传感器则有体积小巧功耗低的优势。摄像头 可以获取详细的环境信息，但是单目视觉摄像头缺乏距离感，而且从图片中提 取信息的过程也很复杂。激光雷达具有很高的测距精度和角度分辨率，但是其 高昂的价格也令机器人成本居高不下。利用电子罗盘可以非常方便的获取机器 人的朝向角信息。通过里程计可以快速确定机器人移动的距离。 根据机器人功能实现的要求以及对成本控制的目的，机器人配备红外传感 器、摄像头、激光发生器、电子罗盘和里程计。红外传感器实时检测机器人周 围障碍物的情况，用以启动路径规划和为路径规划提供信息。摄像头和激光结 合实现激光测距，替代激光雷达完成对障碍物的扫描，弥补红外传感器角度分 辨率低的问题。电子罗盘与里程计用以快速实现实时定位的功能。为实现与监 控系统的通讯，机器人搭载无线网卡。 机器人具备感知外界的能力之后，就能根据这些信息得知其周围环境的情 况并进行决策、指导机器人自身的行为。而选择一款合适的核心控制器决定着 机器人的性能的高低。根据自身行为指导，机器人应该迅速的对指令做出反应。 圈 窜 中南大学硕十学位论文第章探索机器人系统总体构船设计 因此机器人需要一个平稳可迅速反应移动的底盘作为其动力部分。为配合机器 人的行为指导，底盘上应该易于安置光电编码设备。 23 l 红外传感器选定 经过比较可知，s h a r p g p 2 d 1 2 红外传感器具有体积小、功耗低等特点，因此 选用s h a r pg p 2 d 1 2 红外传感器完全符合本设计机器人系统的理念，传感器如图 2 - 3 所示。s h a r pg p 2 d 1 2 底部含有三个引脚，一个是供电引脚，一个是接地线， 一个电压输出引脚。处理器可以通过a d 转换测量传感器电压输出的电压。而输 出电压与测量的距离是不成线性关系的，因此要测得障碍物的距离必须先钡4 量传 感器的输出电压，再经过计算得出。输出电压与障碍物距离的关系如图2 4 所示。 传感器的测距范围为1 0 e r a - 8 0 c m 之间，满足了机器人在室内移动的需求。 图2 - 3s h a r p g p 2 d 1 2 图2 4 输出电压与障碍物距离之间的关系 2 32 摄像头与激光器选定 机器人在探索过程中向监视系统反馈视频信息，基于图片容量、网络传输 o锥嚣辜 中南 学颈士学位论文第= 章撵索机器 系统总体构架鞋” 速度、图片格式及成本要求确定采用输出j p e g 数据格式的c m o s 摄像头。 为便于联接控制设备摄像头也应采用u s b 接口。摄像头如图2 - 5 所示。 图2 - 5c m o s 摄像头 摄像头与激光器相结合实现基于图像处理的激光测距功能。为使激光测距 在图像处理时能更精确的标定激光亮斑的位置，机器人采用了功率为2 0 m w 的 绿激光发生器，因为功率2 0 m w 的绿激光器照射物体时产生的亮斑亮度明显高 于背景，也就便于处理器对图片中的亮斑进行提取。激光器的额定电压为33 v ， 电流为3 0 0 m a ，如图2 - 6 所示。s p 6 2 0 5 芯片的最大输入电压为6 v ，通过额定 电流为5 0 0 m a 所以选则s p 6 2 0 5 芯片作为激光的电源控制芯片。 圈2 - 6 激光发生器 2 33 电子罗盘选定 想要使机器人具备良好的性能，在其定位与行为规划过程巾应迅速地确定 机器人的朝向角，就得要求屯子罗盘有很好的响应速度和测量精度，而且为控 制机器人的体积。电子罗盘的体积也是一个需要考虑的因素。通过比较，最终 选择直川公司的z c c 2 1 i n - t t l 型电子罗盘。该型电子罗盘采用丌l 电平输出， 可直接通过串口接入控制器，而不需要进行电平转换。并且该款电子罗盘具有 体积小、响应速度快、精度高等的特点并能很好地嵌入到控制板中。其具体 参数如表2 一l 所示。从表中可知其响应频率为3 0 h z ，从机器人控制程序查询及 计算的角度看，该输出速率已经满足机器人的需求。电子罗盘如图2 7 所示。 中南大学硕士学位论文第二帝探索机器 系统总体构* 表2 - 1 电子罗盘参戡表 图2 7 电子罗盘 234 机器人底盘及光码盘选定 光电编码方式的里程计具有快速精确的特点，并且价格低廉，是当前机器 人进行里程测量的主流配置。而里程计在计数过程中，底盘是否打滑将极大影 响了里程记录精度。履带式底盘具有抓地稳、小易打滑控制方便的特点。因此 机器人采用如图2 - 8 所示的履带式差分驱动底盘，同时可以在底盘上集成光电 编码装置，用以检测机器人运动的里程数。 机器人底盘配备了两个直流电机，需要两路p w m 波驱动。p w m 波功率放 大芯片选择l 2 9 3 d d ，其作用是放大p w m 波正在驱动电机正反转。而且这种 智能化功率集成电路结构紧凑，具有过热和过载保护等功能，特别适用于智能 小车这种对电路尺寸要求严格，伺服直流电机驱动的场合。 中南 学硕学位论文 第二章探索机器人系统总体构架设计 豳凰 圆 编码盘如图2 1 0 所示，图中齿轮共有3 6 条线条，包括1 8 道白色线条和1 8 道黑色线条。当齿轮随着电机转动，光电感应器向编码盘发射红外线，齿轮上 的线条在光电感应器前转动，白色的线条反射较多的红外线，而黑色的线条反 射的较少的红外线。由此再经过光电感应器产生点脉冲信号。 从图2 - 9 和图2 一l o 中可以看出，机器人传动齿轮的外缘和内侧齿轮数分别 为5 0 和1 2 。要确定机器人走的里程数，就需要先确定脉冲数和底盘轮子转速 之间的关系。设底盘轮子转速为吼，码盘转速为。，则他们的关系由公式( 2 1 ) 的出。 中南大学顾学位论文第= 章探索机 系统总体柯架设计 5 05 0，3 6 2 q 。西。西。毒2 面 ( 2 - 1 ) 经过测量，底盘轮子的直径为5 0 m m ，因此底盘轮子的周长为1 5 7 r a m ，而 码盘旋转一周将产生1 8 个脉冲，既3 6 个段由此可得。每个段轮子转动 o 2 5 1 2 m m ，每个脉冲轮子转动o5 0 2 4 m m ，即每个脉冲机器人前进的距离。因 为机器人在刚性地面移动，所以可以忽略橡胶履带压缩变形。 图2 1 0 编码盘 2 3 5 控制器选定 将机器人的整体功能分别交由多个控制器负责，会很大限度提高机器人的 响应速度。因此机器人可采用主从控制器协作处理的方式控制机器人。主控制 器是核心，协调从控制完成任务。 由于本文设计的机器人系统要完成的任务较为复杂，不仅对多任务的并行 处理、网络的支持、运算速度等方面要求比较高，而且对系统的体积和功耗也 要求非常严格。如果采用通常的s 位或1 6 位单片机作为主控制器无论在运算速 度还是功能上都显得捉襟见肘，所以选择一款合适的主控制器对整个系统有着 至关重要的影响。表2 - 2 给出了几种目6 u 主流微处理器参数比较。 从表2 - 2 中可以看出$ 3 c 2 4 4 0 处理器较其他处理器，在性能上具有明显的 优势： ( i ) 具有很高的运行速度，可使机器人执行任务时提高实时性； ( 2 ) 拥有标准的3 2 位处理器构架，可使机器人具备较高的数据处理速度； ( 3 ) 具有6 4 m 的f l a s h r o m 和“m 的r a m ，提高了机器人程序运行空间； ( 4 ) 多串口和u s b 口，方便自行为机器人配备外设； 中南大学硕十学位论文第- 二章探索机器人系统总体构架设计 ( 5 ) 具有内存管理单元( m e m o r ym a n a g e m e n tu n i t ，m m u ) ，可嵌入高级操作 系统，实现多任务并行处理。高级操作系统对网络和网络协议都有很好的支持， 便于机器人接入网络。 综合考虑以上特点，选择$ 3 c 2 4 4 0 处理器作为机器人的主控制器，它由 a r m9 t d i 、内存管理单元和高速缓存三部分组成，并采用了a r m9 2 0 t 核。 同时该款处理器耗电量低和体积小，拥有4 0 0 m h z 的主频，集成了丰富的外围 接口控制器。控制器移植l i n u x 操作系统后，能实现多任务并行处理，文件管 理、网络方面等应用，非常适合用于移动机器人实现复杂任务的处理和基于无 线网络的通讯。 表2 - 2 处理器器参数比较 作为从控制器的处理器，其承担的负荷较少，所以可以选用单片机来控制。 从需求上看，处理器需要具备两路p w m 波发生器，以及两路脉冲检测器及8 路a d 转换接口。考虑成本及响应速度等因素，可采用选择s t c l 2 c 5 4 1 0 a d ， 该款单片机具有增强型8 0 5 1 内核，速度较普通8 0 5 1 j 陕8 1 2 倍，而且具有4 路通道捕获比较单元( p w m p c c c u ) ，完全满足作为从控制器的要求。 2 4移动机器人子系统的开发 由于半导体技术、传感器技术的飞速发展，机器人的硬件更新换代非常迅 速。将移动机器人子系统按照模块化的思想进行设