（机械电子工程专业论文）室外移动机器人试验平台及监控行为研究.pdf

摘要 摘要 具有高级自主行为能力的移动机器人是移动机器人研究领域的重要范畴，在 多种特殊的工作环境下，自主式移动机器人凸现其实用价值。室外移动机器人是 当前自主移动机器人的重要研究对象，其特点是具有适应复杂室外环境和应对突 发事件的能力。为发现并深入研究室外移动机器人面i 每的多种技术问题，并为实 际实现轮式移动机器人在室外环境下的自主导航，本文架构了移动机器人实验平 台，并开发了基于c s 结构的移动机器人遥操作系统；基于此平台进行了基于行 为控制结构的多种自主行为的研究，特别研究了基于故障诊断和容错控制的移动 机器人监控行为在机器人状态检测中和导航行为中的应用。 本论文分六个章节，阐述了以上内容。 第一章分析了国内外室外移动机器人研究的现状和面临的主要问题，阐述了 本课题研究的意义。 第二章在充分分析了室外环境的特点的基础上，对全方位移动机器人的本体 结构进行了总体规划，分析并优化了移动机器人的控制系统，为深入研究移动机 器人的自主控制进行技术积累。 第三章基于全方位移动机器人设计了基于c s 结构的移动机器人遥操作系 统，该系统的主要功能模块以及具体的实现技术在此详细阐述。通过该系统实现 了对机器人的远程控制 第四章基于行为控制结构，对移动机器人的自主行为能力的实现进行了讨 论，实现基于数据融合的移动机器人行为控制框架，提出了室外移动机器人运动 行为控制和监控行为控制并重的行为控制方案。 第五章对故障检测与诊断技术在移动机器人监控行为设计中的应用进行了 深入分析，并基于全方位移动机器人本体特征进行了监控行为的算法设计。 第六章对本论文进行了总结，并基于个人观点对基于本室外移动机器人实验 平台的深入研究工作进行了展望。 通过本文工作，构建了研究室外移动机器人的自主导航课题研究必要的实验 环境，并证明了该平台的实用性；初步进行了室外移动机器人导航的实验工作， 并对多种行为算法进行了实地的或仿真实验，证明了其应用于室外移动机器人的 有效性。 关键词：室外移动机器人行为控制数据融合故障检测参数辨识 a b s t r a c t a b s t r a c t i nm o b i l er o b o t ( m r ) r e s e a r c ha r e a ，t h er o b o tw h i c hh a ss u p e ra u t o n o m o u sb b h a v i o ra b i l i t y i sam a i n l yf i e l dl ob ed e v e l o p e d , i ns o m es p e c i a lw o r ke n v k o n m a n t , t h ea d v a n t a g eo fm o b i l e r o b o ti sm o r er e m a r k a b l e t h eo u t d o o rm ri sc h a l l e n g ea n dc o n c e m e dt a s ki na u t o n o i n o u sm o b i l e r o b o tf i e l d ，i n t e l l i g e n t l ya d a p t i n gt oc o m p l i c a t e do u t d o o re n v i r o n m e n ta n dc h a r g i n gw i t hs o m e s p e c i a la c c i d e n c ea r ei t sc h a r a c t e r s i no r d e rt od i s c o v e ra n dd e e p l yr e s e a r c ha l lp r o b l e m sf a c e db y w h e e l e dm o b i l er o b o ti no u t d o o re n v i r o n m e n t , i nt h i st h e s i s ，am r e x p e r i m e n t a lp l a t f o r mw a s c o n s t r u c t e d ，a n dac ss t r u c t u r ew a sb u i l tf o rt e l e c o n t r o lo f m o b i l er o b o t ；b a s e do nt h i sp l a t f o r m ， m a n ya u t o n o m o u sb e h a v i o i sw a ss t u d i e d r e m a r k a b l y , ah o v e l t ys t r a t e g y , a c h i e v e db yf d d ( f a u l t d e t e c t i o na n dd i a g n o s e d ) m e t h o d ，f o rr o b o ta u t o n o m o u sm o n i t o rw a sp r e s e n t e d ，t h er o b o tr t m n i n g s t a t u sa n dm o t i o na b i l i t yw a sr e f e rt ot h i sm o n i t o rb e h a v i o r a b o v ec o n t e n tw a sp r e s e n t e da ts i xs e c t i o n si nt h i st h e s i s i nc h a p t e ro n e ，s o m et y p i c a lp r o b l e ma n dc o n t e m p o r a r yr e s e a r c hs t a t u si no u t d o o rm rw a s a n a l y z e d ，t h en e c e s s a r i e so f t h i st a s kw a sp r e s e n t e d i nc h a p t e rt w o ，o nt h eb a s eo fs t u d yt h ec h a r a c t e r so fo u t d o o re n v i r o n m e n t , t h eo m n i m o b i l e r o b o te n t i t yw a sc o n f i g u r e dg e n e r a l l y t h er o b o tc o n t r o ls y s t e mw a sa n a l y z e da n do p t i m i z e d t h e n , t h ea i mt og e tt h ec o l l e c t i o no fm r st e c h n i c a l _ 。h a m c t e r sa n di m p l e m e n ti nr o b o ta u t o n o m o u s c o n t r o id e s i g ni sr e a l i z e d mc h a p t e rt h r e e ，b a s e do no m n i - m o b i l er o b o t ，at e l e - c o n t r o lr o b o ts y s t e ms t r u c t u r e da sc s w a sa c h i e v e di nt h i ss y s t e m ，a l lm o d u l e s f u n c t i o na n dr e a l i z ew a yw e r ep r e s e n t e d i nc h a p t e rf o u r , b a s e do nb e h a v i o rc o n t r o la r c h i t e c t u r e ，t h er e a l i t yo fm r sa u t o n o m o u s a c t i o na b i l i t yw a ss t u d i e d as k e t c ho f b e h a v i o rc o n t r o lb a s e do nd a t af u s i o nw a sa c c o m p l i s h e d a n e wd r a f to fr o b o tb e h a v i o rc o n t r o ls y s t e md e v e l o p m e n tf o l l o w i n gt h a tt h ea c t i o nb e h a v i o ra n d m o n i t o rb e h a v i o rw a ss y n c h r o n i cd e v e l o p e d ，w a sp r e s e n t e d i nc h a p t e rf i v e ，b a s e do nf d dm e t h o d ，t h ef e a s i b l eo ft h i sw a yi m p l e m e n ti nm rw a s a n a l y z e d ，a n db a s e do nt h ec h a r a c t e ro fo m n i m o b i l er o b o t ，aa l g o r i t h mw a sd e s i g n e df o rm o n i t o r b e h a v i o rc o n t r 0 1 i nc h a p t e r6 ，as u mo ft h i st h e s i sw a sp r e s e n t e d ，s o m ep e r s o n a lv i e w so fm rr e s e a r c ha r e s h o w e d a st h ew o r kr e s u l t ，an e c e s s i t ye x p e r i m e n tp l a t f o r mw a sb u i l tu ps u c c e s s f u l l y , a s t h ef i r s ts t e po fo u t d o o rm o b i l er o b o tr e s e a r c h ，s o m eb a s i ca c t i o na n dm o n i t o r b e h a v i o rw a sr e a l i z e da n dp r o v e df e a s i b l e k e y w o r d s ：o u t d o o rm o b i l er o b o t ；b e h a v i o rc o n t r o l ；d a t af u s i o n ；f a u l td e t e c t i o n ； p a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o n 独创性声明 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 作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天 津理工大学或其他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 的说明并表示了谢意。 日 学位论文作者签名澎k 向喜椤签字日期：娜厂聿乙月学位论文作者签名澎笊向粤椤签字日期：娜厂聿乙月 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解天津理工大学有关保留、使用学位 论文的规定。特授权天津理工大学可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编，以供查阅和借阂。同意学校向国家有关部门或机构送 交论文的复本和电子文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者鞠妊括蚋张谚彳t 趾 签字日期：朋畸，年歹月歹日签字目期：加鸩年j 月j 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 伴随着信息科学和计算机科学的发展，移动机器人的研究由室内的结构化环 境转移到室外的非结构化环境，控制方式从简单的“式教再现”方式发展为基于 复杂控制结构的全自主智能控制。基于先进的控制结构，移动机器人对环境和自 身的状态的感知更加精确，自主行为和和智能决策的能力增强。本文将就室外移 动机器人实验平台构建、控制系统结构以及系统的内部状态辨识( 故障诊断) 进 行论述。 1 2 国内外相关研究现 移动机器人的研究始于6 0 年代末期，斯坦福研究院( s r i ) 的n i l sn i l s s e n 和 c h a r l e sr o s e n 等人，在1 9 6 6 年至1 9 7 2 年f i u 研制出了名为s t m k e y 的自主移动 机器人【l j ，目的是研究如何在复杂环境下将人工智能技术应用于机器人系统，以 完成自主推理、规划和控制的功能。这个时期的移动机器人的研究，研究人员主 要是研究在室内结构化环境下【2 j ，移动机器人所要应用到的基本技术，包括机器 人结构设计、控制技术、传感器技术、数据融合、路径规划等。 进入二十世纪八十年代以后，在前人的研究基础上，人们的研究方向逐渐转 移到了而向实际应用的室内移动机器人的研究，；并逐步形成了自主式移动机器 人a m r ( a u t o n o m o u sm o b i l er o b o t ) 概念p j 。这期间的研究成果有美国海军研究 的机器人巡逻兵系列r o b a r t i & i i i 4 j ，橡树岭国家实验室的核电站机器人f 5 】等等。 随着移动机器人研究的逐步深入，人们开始了对于真正的自主式移动机器人 的研究。此时，机器人的应用环境已经从室内转向室外，机器人所而对的环境也 变成真实世界。除了美国军方之外，一大批世界著名的公司和大学也加入到移动 机器人的研制工作中来，从而促进了移动机器人学多种研究方向的出现。其中比 较著名的机器人试验平台有m a r t i n 公司推出的a l v i n “，r w i 公司的 m i c r o a t r v ”，a c f i v m e d i a 公司的p i o n e e r - 2d x ，a m i g o b o tr o b o s o f l 公司的 r o b u l a b - - i i i 等等。国内对于移动机器人的起步比较晚，从“七五”开始，我国 的移动机器人研究开始起步，经过多年来的发展，已经取得了一定的成绩。其中 以清华华大学研制的t h m r 智能汽车系列为杰出代表【1 0 1 ，中科院沈阳自动化所 的室外机器人研究也取得了实质性进展。 第一章绪论 图卜1 “勇气号”火星探测器图卜2 能力风暴移动机器人 随着移动机器人从室内转移到室外，机器人受到了更多的外部环境和自身稳 定性的挑战，其运行的可靠程度大大的降低了。对于此问题，冗余控制方法在移 动机器人上广泛应用，这包括软件的冗余和硬件的冗余。基于数据融合的组合导 航方法被用于机器人定位；红外和超声波传感器组合使用，通过模糊方法用于移 动机器人避障。与此同时，机器人系统的稳定性也开始得到重视。 1 ，3 本课题研究意义 在机器人领域中，移动机器人以其广阔的应用前景正越来越受到人们的关 注，尤其是自主移动机器人，无论是在太空，或是在海洋，还是在陆地，都能部 分甚至完全地使操作人员从某些或是简单重复、桔燥无味，或是危险繁重的作业 任务中解脱出来，如在核污染等恶劣环境下完成某些检测任务，在战场上执行战 地巡逻、敌情侦察等任务。 为了让机器人可靠地工作，必须对机器人的位置、速度、姿态等进行测量和 控制。另外，还要了解操作对象所处的静态环境。当机器入直接对目标进行操作 时，改变了外部环境，可能进入到预料不到的工况，从而导致意外的结果。因此， 必须掌握变化的动态环境，使机器人以相应的工作顺序和操作内容能自然地适应 工况的变化。从机器人内部和外部获取有用信息，对提高机器人身勺运动效率和工 作效率，节省能源，防止危险都是非常重要的。因此，基于多传感器的数据融合， 建立移动机器人检测系统，具有重要的实际意义和广阔的应用前景。 目前在工业上应用的9 0 以上的机器人，都不能称为具有智能。随着工业数 量的快速增长和工业生产的发展，对机器入的工作能力也提出了更高的要求，特 别是需要各种具有不同程度智能的机器人和特种机器人。这些智能机器人，可在 凹凸不平的地面上行走移动；具有视觉和触觉功能，能够进行独立操作、自动装 配和产品检验：具有自主控制和决策等能力，这些智能机器人还应用许多最薪的 智能技术，如临场感技术、虚拟现实技术、多智能体技术“”“、人工神经网络技 术、遗传算法和遗传编程、仿生技术、多传感器集成技术和融合技术等“州”1 。室 第一章绪论 外移动机器人实验平台可以为上述研究方向提供支持。 室外移动机器人实验平台的控制结构是实现全自主控制的根本，本文基于较 成熟的行为控制架构，对移动机器人的自主控制进行了建设性研究，对行进控制 控制结构及其可行性的研究提供参考。 1 4 本课题研究主要内容 本课题来源于天津市自然科学基金项目“基于w e b 的远程智能代理服务系 统”。本文首先搭建了基于c s 结构的移动机器人远程控制系统：针对移动机器 人在远程控制下行驶于室外非结构化环境下可能遇到的问题进行了分析；提出了 在行为控制架构下的移动机器人状态监控模块的构建方法，并基于数据融合技 术，建立了移动机器人的故障检测单元；基于数据窗的故障检验方法进行了仿真 实验，证明该技术路线对机器人内部状态检测的有效性。 1 5 论文内容组织 论文的内容组织形式如下： 第一章绪论，分析了当前国内外研究现状、技术发展。 第二章介绍了本课题使用的“全方位移动机器人”本体的机械特性和电器 特性，并对该移动机器人开发的技术路线和控制结构特征进行了论 述。 第三章对室外移动机器人实验平台的软件实现进行了介绍。对其结构特点 和实现方法进行了阐述。 第四章介绍了基于数据融合的移动机器人行为控制系统，对机器人控制架 构的发展沿革、行为控制结构的特点进行了论述；对室外环境的特 点和移动机器人在该环境下运行将面临的问题进行了深入分析，对 数据融合技术的优势及其在室外移动机器人平台应用的必要性进行 了讨论。 第五章移动机器人控制系统的故障检测及诊断单元的构建，阐述了基于数 据融合的故障诊断技术，并基于移动机器人运动学模型，利用数据 窗技术和模糊控制方法完成移动机器人的故障诊断和容错控制。 第六章结论与展望。 第二章全方位移动机器人总体结构设计 第二章全方位移动机器人总体结构设计 本室外移动机器人实验平台基于“全方位移动机器人”构建，该移动机器人 是由本课题组与中科院北京自动化所合作开发轮式移动机器人，该移动机器人除 具备普通轮式引动机器人的标准功熊外，还配各和视觉云台系统。系统采用开放 式结构设计1 3 】，总体结构和性能指标由本课题组定制并规范。在深入分析原有 机器人硬件结构的基础上，为机器人选配了g p s 系统。 2 1 移动机器机械本体特征 移动机器人的本体采用两轮驱动方式，后两轮分别被两伺服电机驱动，前轮 右侧导向轮被另外一台伺服电机驱动，在移动机器人移动时，通过归一化运算法 完成移动机器人的转角输出。 移动机器人的本体采取封闭式设计，在典型的恶劣环境( 如沙尘环境) 中可 以保持良好的整体性能。 图2 - 1 全方位移动机器人 2 2 移动机器人总体结构及其技术实现 机器人采用了基于p c 的主从式控制结构，下位机采用d s p 和规范封装的功 能模块组成，结构紧凑，功能完备。 2 。2 。1 移动机器人总体结构 机器人系统主要由机械系统( 移动平台本体等) 、驱动控制系统( 驱动控制 第二章全方位移动机器人总体结构设计 电路、本体驱动电机、视觉云台控制电机) 、视觉系统( 摄像头、图像采集卡等) 、 g p s 系统、传感器系统( 红外、超声等传感器) 、通信系统、上位机系统等组成。 总体结构如图1 所示。 智能机器人平台采用了主从结构的分布式处理方式，由上位机系统来协调控 制各个子模块系统。各个子系统都有自己的数据处理机制，数据处理都在本模块 的d s p 处理器中完成。上位机只是负责数据融合，任务分解，策略选择制定，协 调控制各予模块等工作。当上位机需要某个模块的数据时，子模块向上位机提供 该模块经过处理以后的数据。由于大量的数据处理都在各个子模块中完成，上位 机得到的都是经过处理后的小量数据，大大减少了上位机的负担。采用这种方式 既提高了上位机的效率，又增加了系统的稳定性，方便系统的维护。机器人采用 了一块高性能的单板机作为系统的上位机。该单板机可以支持主频达到1 gh z 的c p u ，功耗小，处理速度快，具有多个串口和u s b 口，可以方便的同其他模块 交换数据。 图2 2 移动机器人总体结构图 2 2 2 移动机器人电器控制结构 机器人的电器控制是根据指令以及传感信息控制机器人完成一定的动作或 作业任务的装置，它是机器人的核心，决定了机器人性能的优劣 从机器人控制算法的处理方式来看，机器人的控制结构可分为串行、并行两 种结构类型 所谓的串行处理结构是指机器人的控制算法是由串行机来处理对于这种类 型的控制器，从计算机结构、控制方式来划分，又可分为以下几种。 ( 1 ) 单c p u 结构、集中控制方式 用一台功能较强的计算机实现全部控制功能 第二章全方位移动机器人总体结构设计 ( 2 ) 二级c p u 结构、主从式控制方式 一级c p u 为主机，担当系统管理、机器人语言编译和人机接口功能，同时 也利用它的运算能力完成算法实现，并定时地把运算结果作为运动指令送到公用 缓存，供二级c p u 读取；二级c p u 完成全部驱动器位置数字控制这类系统的 两个c p u 总线之间基本没有联系，仅通过公用内存交换数据，是一个松耦合的 关系对采用更多的c p u 进一步分散功能是很困难的 ( 3 ) 多处理单元结构、分布式控制方式 目前，普遍采用这种上、下位$ j i , - - 级分布式结构，上位机负责整个系统管理 以及运动学计算、轨迹规划等下位机由多处理单元组成，每个处理单元控制不 同的执行器和感知器，这些处理单元和主控机联系是通过总线形式的紧耦合这 种结构的控制器工作速度和控制性能明显提高但这些多处理单元系统共有的特 征都是针对具体问题而采用的功能分布式结构，即每个处理器承担固定任务目 前世界上大多数商品化机器人控制器都是这种结构 随着数字信号芯片速度的不断提高，高速数字信号处理器( d s p ) 在信息处 理的各个方面得到广泛应用d s p 以极快的数字运算速度见长，并易于构成分布 式处理结构。本机器人在下位机采用两个d s p 单元，分别完成机器人的行为输 出( 驱动d s p ) 和环境感知( 传感器d s p ) ，详细性能在下一节分别论述。 赣蠼嵩峨蟛 糊挚鹾卞鲑 垲池。 愀。矧 图2 2 移动机器人电器控制结构图 串行处理结构存在一个共同的弱点：计算负担重、实时性差所以大多采用 离线规划和前馈补偿解耦等方法来减轻实时控制中的计算负担当机器人在运行 中受到干扰时其性能将受到影响，更难以保证高速运动中所要求的精度指标由 此并行处理技术应用于机器人控制。 第二章全方位移动机器人总体结构设计 并行处理技术是提高计算速度的一个重要而有效的手段，能满足机器人控制 的实时性要求关于机器人控制器并行处理技术，人们研究较多的是机器人运动 学和动力学的并行算法及其实现。特别时一些具一组非线性强耦合二阶微分方程 模型的非线性强耦合的关节机器人领域，开发并行算法的开发途径之一就是改造 串行算法，使之并行化，然后将算法映射到并行结构。有鉴于移动机器人机构特 点，并行处理结构暂不适合本机械结构的轮式移动机器人。但是如需对动态图像 信息进行实时处理，那么并行结构在移动机器人本体的应用应更为合理。 2 2 3 移动机器人硬件结构特点 基于以上软硬件设计，该移动机器人硬件结构具有如下特点： ( 1 ) 基于非封闭式的p c 系统，有效利用标准计算机平台的软件资源。 ( 2 ) 采用标准接口技术，使得为扩展控制器性能而必须的硬件，如各种传感 器，i o 板、运动控制板可以很容易的集成到原系统。 ( 3 ) 利用网络通讯，实现资源共享或远程通讯。目前，上位机具有基于v l a m 的网络通讯功能，利用网络通讯功能可以提高系统变化的柔性。 ( 4 ) 采用模块化的系统设计，系统由通讯模块、传感器信息模块、人机接口 模块、伺服控制模块等构成。 2 3 驱动系统结构 移动机器人驱动系统的执行单元由驱动板和执行器两部分组成，执行器包括 行走动作执行单元和云台动作执行单元。 行走运动执行单元由两后轮的直流伺服驱动电机和导向轮直流伺服驱动 电机组成。驱动电机速度输出范围( 一1 。5 m s ，1 5 m s ) 两电机通过速 度输出组合实现移动机器人的直行，转弯和后退。轮直流伺服驱动电机 为精确输出运动行为的冗余设计，保证转弯的精度和直线行进的稳定性。 导向轮直流伺服驱动电机输出范围( 一9 0 。，9 0 。) 。 云台运动执行单元使得摄像头3 6 0 。自由转动，并可以调整俯仰视角。 为实现机器人平台h 多电机协调驱动算法和高效智能控制算法，并尽可能降 低损耗、减少成本、提高可靠性，移动机器人运动控制器采用了面向数字控制应 用的d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 作为主控芯片，由d s p 发出电机p w m 控制信号。其 它传感器及数控接口集成到一片c p l d e p m 7 1 2 8 上，由c p l d 送到d s p 芯片，完 成驱动系统的闭环控制。这样在提高性能的前提下，整个驱动控制变得非常简洁、 7 第二章全方位移动机器人总体结构设计 可靠。机器人平台驱动控制器结构如图5 所示。 2 。4 传感器系统 机器人的传感器系统主要包括三种类型，即视觉传感器、避障传感器和定位 传感器。视觉传感器由两个c c d 摄像头和大恒图像采集卡组成；定位传感器由电 子码盘、电子罗盘和g p s 系统组成，电子码盘信息可于驱动d s p 读取，电子罗盘 数据由传感器d s p 读取；避障传感器有超生波传感器和远、近红外传感器组成， 数据可由传感器d s p 读取。 传感器d s p 负责处理所有的避障传感器和电子罗盘数据的数据采集和处理。 上位机通过串口与该系统交互，当上位机需要数据时，通过命令让其发送处理完 成以后的各种信息。上位机也可以通过该系统控制各个传感器的工作情况。传感 器系统采用模块化，开放式的结构来设计传感器系统。移动机器人的避障传感器 由1 2 路红外( 8 路近红外和4 路远红外) ，8 路超声组成。具体布局如图所示： 8 8 1 8 鳓二” i 穗嫒辨：一 。 自g 癣： 憾鼗蚪o e 图2 4 移动机器人传感器分布图 通过传感器定标可以使得传感器具有如下探测能力： ( 1 )超声传感器：盲区：2 5 c m ；最远检测距离2 0 0 c m ；测距误差5 。 ( 2 )短红外传感器：检测范围2 - 2 0 c m 。 ( 3 )长红外传感器：测距临界值3 1 4 0 c m 。 此外，移动机器人的视觉系统由大恒c 3 0 0 图像采集板、双目c c d 摄像头 和视觉云台组成 8 囝8 第二章全方位移动机器人总体结构设计 2 5 本章小结 本章简要介绍了全方位移动机器人的机械特性和电器控制系统，对移动机器 人的总体结构特征进行了分析，对机器人采用的多处理单元结构、分布式控制方 式的实现思路进行了表述。 第三章室外移动机器人实验平台软件设计 第三章室外移动机器人实验平台软件设计 考虑本课题远程控制的需要，本实验平台采用c s 结构的控制方式，使得移 动机器人平台可以在无线局域网的环境下实现遥操作。在这里，我们约定机器人 端为本实验平台的服务器端，客户端是指控制p c 。这里主要介绍服务器端的整 体结构和实现方法。 3 1 室外移动机器人实验平台总体结构设计 移动机器人的整体结构如图所示，总体而言本实验平台为一个四层功能实 体。 第一层为底层信息处理，在该层次探测传感器数据、电子码盘数据被采集； 控制指令通过驱动模块下达到d s p 。 第二层为实验数据采集和存储，通过数据库技术，对移动机器人的运行状态 数据进行采集，并存储于数据库，方便利用m a t l a b 等仿真软件进行对机器人的 离线数值分析，寻找合理控制算法。 第三层由智能控制和监控模块组成，用于移动机器人的智能控制实验。 第四层为远程通讯，通过与上位机的通讯完成人机交互。 通过一个四层功能实体的构建，使得移动机器人软件平台具有如下特点： ( 1 ) 开放式系统结构 采用开放式软件结构，可以根据需要方便的扩充功能，使其适用不同的工作 环境，方便导航行为定制。 ( 2 ) 合理的模块化设计 按模块化设计，方便维护，而且提高了系统的可靠性，系统结构也更为紧凑。 ( 3 ) 有效的任务划分 不同的子任务由不同的功能模块实现，以利于修改、添加、配置功能。 ( 4 ) 软实时性、多任务要求 机器人必须能在确定的时间内完成对外部中断的处理，并且可以使多个线程 同时进行。 ( 5 ) 网络通讯功能 利用网络通讯的功能，以实现远程控制。 ( 6 ) 形象直观的人机接口 第三章室外移动机器人实验平台软件设计 图3 1 外移动机器人实验平台总体结构陶 3 2 主要组成单元及其技术实现 本室外移动机器人实验平台通过v c 6 o 开发，主要包括驱动模块、探测传 感器模块、g p s 信息模块、视觉模块、数据库模块、通讯模块、控制模块和监控 模块组成各个单元协调调用，模块问数据流走向如总体结构图所示。 3 2 1 驱动模块 本平台的驱动模块以串口通讯的方式与上位机交互，通过查询方式读写 c o m l 口，实现对驱动电机的控制。串口通讯利用m i c r o s o f tc o m m u n i c a t i o n s c o n t r o l 控件实现。该控件提供了两种处理通信问题的方法：一是事件驱动 ( e v e n t d r i v e n ) 方法，一是查询法。本课题采用查询的法，即每当应用程序执 行完某一串行口操作后，将不断检查m g c o m l 控件的c o r e v e n t 属性以检查执行 结果或者检查某一事件是甭发生。 驱动模块封装为一个d r i v e 类，一下为该类中的方法定义。通过对方法的调 用实现对穆动机器人位姿的控制和奄询。 【1 】v o i dd r i v ei n i t ( c m s c o m m * mc o m m ) ： 【2 1v o i dd r i v e+ m ， v ) ；i b r w a r d ( c m s c o m m c o m i lf l o a t 【3 】v o i dd r i v ey e l o c i t y ( c m s c o m m * i nc o m m ，s h o r tp h e i ，f l o a tv ) ； 第三章室外移动机器人实验平台软件设计 4 v o i dd f i v e _ f o r w a r d j o o s i t i o n ( c m s c o m m + me o m m ，f l o a t 、s h o r td i s t a n c e ) ； 51v o i dd r i v e _ r o t a t e _ p o s i t i o n ( c m s c o m m + mc o l n m ，s h o r ta n g l e ，f l o a tv ) ； 【6 1v o i dd r i v es e tm o t i o n m_mode(cmscomm*c o m m , s h o r tm o d e ) ； 7 1v o i dd i r v e _ m o v e _ p o s i t i o n ( c m s c o m m + m _ c o m m ，s h o r tp h e i ，f l o a tvs h o r t d i s t a n c e ) ； 【81v o i dd r i v e _ s t a t u s _ q u e r y ( c m s c o m m + m _ c o m m ) ； 191v o i dd r i v e _ v i s i o n _ h o r ( c m s c o m m mc o m n l ，s h o r tp h e i ) ； 【l o lv o i dd r i v e _ v i s i o n _ v e r ( c m s c o m m + m _ c o m m s h o r tp h n ) ； 【i1 】v o i dd r i v e _ v i s i o nh o rs t o p ( c m s c o m m + mc o m m ，v o i d ) ； 【1 2 v o i dd r i v e _ v i s i o nh o rd i r _ q u e r y ( c m s c o m m * m _ c o m m ) ； 【1 31v o i dd r i v e _ d i s t a n c e _ q u e r y ( c m s c o m m + r nc o m m ) ； 3 2 2 探测传感器模块 探测传感器信息通过上位机的c o m 2 口进入上位机，串口通讯为查询应答 工作方式。传感器d s p 对于不同的查询标志字返回不同的数据。具体控制字与 信息的对应如表所示。如 ( 1 ) 红外：发送0 0 ，返回5 5 ，5 5 为字头，后两个字节代表红外的 数据( 1 代表有障碍，0 代表无障碍) ，第一个字节为高位，第二个字节为 低位。 ( 2 ) 超声：发送0 1 - - 0 c ，返回5 5 ，5 5 为字头，后两个字节代表超 声的数据( 表示超声传播的时间) ，第一个字节为高位，第二个字节为低 位。 计算公式为：s ：i v - 1 2 8 + 3 3 + 1 0 9 + 超声数据 z 表3 1 串口通讯协议 命令字( 1 6 进制)返回数据字节数返回数据( 除数据头) 含义 0 03 红外传感器数据 0 1) 超声传感器1 0 2) 超声传感器2 0 33 超声传感器3 0 43 超声传感器4 0 53超声传感器5 0 6 超声传感器6 0 7 超声传感器7 第三章室外移动机器人实验平台软件设计 0 8 3 超声传感器8 0 93超声传感器9 0 a3 超声传感器1 0 o b3 超声传感器1 1 o c 3 超声传感器1 2 l o3p s d l 1 13p s d 2 1 23p s d 3 1 33p s d 4 2 0 3 方位传感器 + 3 0 3遥控数据 3 1 3电源信息 4 03自动关机 4 1无 自动发送 4 2 无停止自动发送 5 54 1所有数据 ( 3 ) 方位：发送2 0 ，返回5 5 x 感器的数据( 表示p w m 波的脉宽) 低位。 5 5 为字头，后两个字节代表方位传 第一个字节为高位，第二个字节为 计算公式为：对应的实际计数时间( 即脉宽) 为： t = ( y + 1 2 8 ) 3 0 0 0 0( 毫秒) 对应角度为： a n g l e = ( r - o + 1 0 如查询发送所有传感器的数据：发送5 5 ，返回的数据格式如图1 7 。 曩鬟城瑟一黧舞建鬟滚囊一炎激囊。= 骚爱x 一俐“紫? 一_ _ _ _ ! 蔗岫灿_ _ 岬 j 孵嘲i 辫饔黥j 弱裁i 图3 2 串口通讯协议 誉攀鼯寨瓤 黻 雠 簿一 第三章室外移动机器人实验平台软件设计 3 2 3g p s 信息模块 g p s 信息通过上位机的c o m 3 口进入上位机，依据g p s 接收机串口数据输 出参数的设定，在程序中，串口的读取写为： v o i dc t c p d l g ：趟_ g p s ( c m s c o m m 。 r n s c o m g p s ) m s c o m g p s - s e t c o m m p o r t ( 3 ) ； m s c o m g p s - s e 1 1 b u 娲r s i z e ( 10 2 4 ) ； m s c o m g p s - s e t o u t b u f f e r s i z e ( 10 2 4 ) ； m s c o m g p s - s e t s e t t i n g s ( ”9 6 0 0 ，n ，8 ，1 ”) ； m s c o m g p s 一 s e t l n p u t m o d e d ) ； m s c o m g p s - s e t 删1 i i f ( ! m s c o m g p s - - g e t p o r t o p e n 0 ) m s c o m g p s - s e t p o r t o p e n ( t r u e ) ； e l s e a f x m e s s a g e b o x ( ”c a n n o to p e ns e r i a lp o r t 3 0 ； m s c o m g p s , - s e t s e t t i n g s c 9 6 0 0 ，n ，8 ，1 ”) ； m s c o m g p s - s e t r t h r e s h o l d ( 1 ) ； ) 3 2 4 视觉模块 集。 视觉系统使用的是大恒的图象采集卡，通过上位机对内存的操作实现图像采 3 2 4 数据库模块 本系统在v c 6 o 环境下，利用t a d o 数据库技术实现对实验数据的采集。a d o 数据库技术具有高速及“小足迹”( 通俗的讲主要指数据的存取量较小) 和基于 c o m 接口规范等特点。它具有两种实现方式： 1 ) 通过c o c r e a t e i n s t a n c e ) 或c o c r e a t e l n s t a n c e e x ) ：实例化对象：然后调用 a d d r e f 0 引用计数，使用完成后，再调用r e l e a s e0 释放对象。 2 ) 使用智能指针( s m a r tp o i n t e r ) ，是一种更为简便的方法。所有的智能指 针都是基于c o r n - p t r t 的模块类。它封装i u n k n o wq u r e y i n t e r f a c e ，a d d r e f 0 和 r e l e a s e0 方法： 第三章室外移动机器人实验平台软件设计 使用a d o 前先要通过# i m p o r t 自动指令将a d o 组件的d l l 调入应用程序。 本平台主要是通过a d o 采集机器人运行过程中的检测数据，用于分析车体性 能和控制算法评价。实验过程中，以a c e e s s 文件的形式保存数据，然后再离线进 行数据处理，确定算法参数。 3 2 5 通讯模块 移动机器人同客户端的通讯基于s o c k e t 实现，完成图像，传感器信息、远 程控制指令的接收和发送。 3 2 6 控制模块和监控模块 智能控制模块和监控模块基于c + + 的多线程实现。智能控制模块和监控模块 分别为控制线程，监控模块的优先级低于控制模块。监控模块主要是完成对移动 机器人运行状态的监控，控制模块主要是设计智能控制算法，使移动机器人自主 导航。 3 3 室外移动机器人实验平台应用及自主控制的实现 通过以上模块的构建，室外移动机器人实验平台提供多种控制方式，包括自 主控制，遥控控制，远程控制等。 图3 3 远程控制界面 第三章室外移动机器人实验平台软件设计 3 4 本章小结 本章介绍了为适应室外下运行设计的移动机器人实验平台，详细阐述了各个 主要的功能模块的功能和技术实现方法。为室外移动机器人的智能控制奠定了基 础。 第四章移动机器人行为控制系统 第四章移动机器人行为控制系统 4 1 移动机器人运动控制运动控制结构 在前面的章节里，已经介绍了移动机器人的软硬件结构，如何操作这些硬件 工作来执行各种控制任务，就是移动机器人控制系统设计的问题，移动机器人的 控制系统将硬件系统、传感器处理、驱动器的控制以及移动机器人的导航算法等 等各种功能整合在一起，起着移动机器人“大脑”的作用。因此，一个合适的移 动机器人控制系统对移动机器人的运行起着至关重要的作用。 一个具有自主性的移动机器人在非结构化环境中( 例如在真实世界中) 的运 动需要综合考虑到很多方面的因素。因为在非结构化环境中，关于环境的先验知 识一般都是不完全的，而且受到了噪声的影响，所以真实世界的动态性和非预测 性就导致了操作人员对于移动机器人的控制命令不是完全可靠的。本文所采用的 移动机器人的控制系统的主要目标就是能够在不确定且不精确的条件下使移动 机器人能够稳定地运行，具有一定的行为自律性和动作协调能力。 具有在室外非结构化环境下自主导航的移动机器人是当前国内外学者重点 研究对象。结合当前智能控制理论和先进导航技术的发展，构建高效具有多级决 策、多级数据融合、自主行为规划的智能控制控制系统是解决这一问题的重点。 因此，数据融合技术是先进控制系统实现的重要方法，数据融合技术涵盖面广， 在各种层面的决策、仲裁、信息提取中日益发挥重要作用。 4 1 1 机器人控制结构 当前移动机器人的运动控制技术一般是基于先验的控制模式：而室外环境往 往是未知和动态变化的，因此，对于智能移动机器人，需要重点研究的问题应该 包括在提高对未知环境的感知能力的同时增强对环