（机械电子工程专业论文）护士助手机器人导航与控制技术研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 护士助手机器人是一种能够在医院内自主导航工作的机器人，可以在隔 离区进行自主的工作，提高病房的自动化程度，保护医护人员。本课题结合 黑龙江省自然科学基金项目“护士助手机器人基础技术研究”，对涉及的关键 技术进行研究。 论文首先介绍了护士助手机器人和室内自主移动机器人的国内外发展 现状和应用情况，提出了混合控制方法，运用了基于模糊算法的行为控制方 法。 我们的护士助手机器人采用轮式驱动的方法，使其在室内运行速度比较 高，能够替代护士做大体力的劳动，比如病房消毒。本文对机器人的研究文 献进行分析和综述，对机器人的室内定位及导航技术进行了研究。 本文以英雄一号教学机器人的机械本体作为基础，通过对室内机器人定 位和导航技术的研究，设计了护士助手机器人主控系统，建立了基于航位推 移法的定位系统和基于行为的导航方法。针对护士助手机器人的特点，设计 了基于a r m 7 的机器人主控制系统，及伺服电机的驱动控制模块、超声波传感 器处理模块、电子罗盘模块、遥控发射接收电路等，建立了整个系统的硬件 控制平台，对控制系统硬件电路进行了调试。设计了运动控制实现的导航算 法，并进行了基于l ac o s i i 实时操作系统的下位机嵌入式控制软件的开发， 规划并完成了底层运动控制程序的编写及调试。 论文最后建立了护士助手机器人实验系统，进行了机器人定位及导航实 验，验证了系统设计的可行性。 关键词：护士助手机器人；控制系统：a r m 7 ：l ac o s i i 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s tr a c t n u r s i n gh e l p m a t er o b o ti so n ek i n do fa u t o n o m o u si n d o o rr o b o t ， o p e r a t i n gi nt h eh o s p i t a l s ，w h i c hc a nb ea p p l i e dt op r o m o t eh o s p i t a l a u t o m a t i o n ，p r o t e c tt h en u r s ef r o mc o n t a m i n a t i o n t h er e s e a r c ho ft h i s p a p e ri ss u p p o r t e db yp r o j e c to f “k e yt e c h n o d o g i e so f n u r s l n g h e l p m a t e r o b o t ”，f u n d e db yt h eh e i l o n g j i a n gn a r u r a ls c i e n c ef u n d t h ep a p e ro v e r v i e w st h ed e v e l o p i n gs i t u a t i o no fn u r s i n gh e l p m a t e r o b o t ，a n a l y z e s t h e h y b r i d c o n t r o l s y s t e m a r c h i t e c t u r e s c h a r a c t e r i s t i ci ss u m m a r i z e da n dt h ea c t i o nc o n t r o la r i t h m e t i cb a s e d o nf u z z yc o n t r 0 1 t h en u r s i n gh e l p m a t er o b o tu s ew h e e l st or u n ，w i t hw h i c hi tc a n r u nf a s t e ri n d o o r ，d os o m e p h y s i c a l f o r c e j o b s ， s u c ha ss i c k d i s i n f e c t i o n i nt h i sa r t i c l ew es t u d yo no r i e n t a t i 9 na n dn a v i g a t i o n o ft h ei n d o o rr o b o t i nt h i sa r t i c l ew eu s ep h y s i c a ln o u m e n o no fh e r o ia so u rr o b o t s f r a m e w ed e s i g n e dt h em a i nc o n t r o ls y s t e mo ft h en u r s i n gh e l p m a t e r o b o tt h r o u g hs t u d y i n go nt h et e c h n o l o g yo fo r i e n t a t i o na n dn a v i g a t i o n o ft h ei n d o o rr o b o t s w eu p b u i l dt h ew a yo fn a v i g a t i o nb a s e do na c t i o n a r i t h m e t i c a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co ft h eh e l p m a t er o b o t w ed e s i g n t h em a i nc o n t r o ls y s t e mo ft h er o b o tb a s e do na r m 7 ，d r i v e rm o d u l eo f t h em o t o r ，u l t r a s o n i cs e n s o rm o d u l e ，e l e c t r o n i c a lb o x a n dd e e d l e m o d u l e ，r e m o t ec o n t r o lm o d u l e w eb u i i dt h eh a r d w a r es y s t e mo ft h e h e l p m a t er o b o t ，d e b u gt h es y s t e mc o n t r o le l e c t r o c i r c u i t a n dw r i t et h e c o n t r 0 1s o f t w a r eo ft h er o b o tb a s e do nt h er e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m uc o s i i i nt h ee n do ft h i sa r t i c l ew eb u i l dt h ee x p e r i m e n ts y s t e mo ft h e n u r s i n gh e l p m a t er o b o t ，d i dt h eo r i e n t a t i o na n dn a v i g a t i o ne x p e r i m e n t o ft h en u r s i n gh e l p m a t er o b o t ，r a l i d a t e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h e r o b o t k e m r d s ：h e l p m a t er o b o t ；c o n t r o l s y s t e m ；a p 泓7 ；uc o s i i 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点j 方法、数据和文献等的 引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已经注明 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开 发表的作品成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均 已在文中以明确的方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 作者( 签字) ： 日 期：7 卯锌朔咖 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及意义 2 0 0 3 年爆发“非典( s a r s ) ”。s a r s 是指主要通过近距离空气飞沫和密切 接触传播的呼吸道疾病。减少医护人员与非典病人的直接接触是避免病毒传 染非常重要方法。 2 0 0 4 年在亚洲大部分地区和我国十几个省市出现大面积“禽流感”，在 泰国、越南高致病型“禽流感”病毒感染人类，造成多人死亡，引起世界的 恐慌，各国对疫区进行隔离，减少和外界的接触。 发生在2 0 0 3 年的“非典”和今年的“禽流感”给我们发出警告，大规模 “传染病”和“疫情”有随时突发的可能，要做好防大疫的精神和技术的准 备。对这种突发疫情采取最为有效的措施是隔离，减少各种接触的机会，从 而避免交叉传染引起的病毒传播。 机器人的广泛应用是2 0 世纪科技领域最伟大的成就之一。让机器人代替 人完成危险环境的作业任务已经成为现实。“护士助手机器人”是针对这样 的要求提出来的，目的是在隔离病区执行消毒，运送医疗器械和设备，运送 实验样品及实验结果，为病区的人送药品、送饭及生活用品，处理隔离病区 垃圾，减轻护理人员的劳动强度，称“护士助手机器人”。随着我国防治流行 病的法律法规的不断完善，流行病( 传染病) 隔离病区服务机器人需求量也 是很大的。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 护士助手机器人的发展概况 对护士助手机器人的研究，国内外已经开展了好多年。近年来随着机器 人技术、传感器技术的地发展，智能机器人开始应用于服务行业中，开辟了 机器人自主服务的新领域。在西方发达国家，移动式自主机器人已广泛应用 于医疗福利服务、商场超市服务、家庭服务等领域。 世界上最著名的机器人专家之一思格尔伯格认为，服务机器人的应用将 不断改善人们的生活质量，这也正是人们所追求的目标。一旦服务机器人像 其它机电产品一样被人们所接受，走进千家万户，其市场将不可限量。恩格 尔伯格创建的t r c 公司第一个服务机器人产品是医院用的“护士助手”机器 人，目前已在世界各国几十家医院投入使用。 国外“护士助手”是自主式机器人，它不需要有线制导，也不需要事先 作计划，一旦编好程序，它随时可以完成以下各项任务：运送医疗器材和设 备，为病人送饭，送病历、报表及信件，运送药品，运送试验样品及试验结 果。该机器人由行走部分、行驶控制器及大量的传感器组成。机器人可以在 医院中自由行动，其速度为0 7 米秒左右。机器人中装有医院的建筑物地图， 在确定目的地后机器人利用航线推算法自主地沿走廊导航，由结构光视觉传 感器及全方位超声波传感器可以探测静止或运动物体，并对航线进行修正。 它的全方位触觉传感器保证机器人不会与人和物相碰。车轮上的编码器测量 它行驶过的距离。在走廊中，机器人利用墙角确定自己的位置，而在病房等 较大的空间时，它可利用天花板上的反射带，通过向上观察的传感器帮助定 位。在多层建筑物中，它可以给载人电梯打电话，并进入电梯到所要到的楼 层。紧急情况下，例如某- - # 1 科医生及其病人使用电梯时，机器人可以停下 来，让开路，2 分钟后它重新启动继续前进。通过“护士助手”上的菜单可 以选择多个目的地，机器人有较大的荧光屏及用户友好的音响装置。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i j 由膏i i 皇审_ i i 焉一 1 2 1 国外发展概况 1 美国运输研究会( t r o ) 【1 1 由美国运输研究会( t r c ) 研制的h e l p m a t e 是一个自主式运送系统，1 9 9 3 年推出其商品化的产品，主要工作在医院，担任 送饭、传递医疗纪录、诊断样品和其他物品。其 目的是通过机器人的服务来使护士和其他医护人 员能有更多的时间照看病人。h e l p m a t e 导航系统 是基于建筑物的a u t o c a d 地图模型识别法和测距 法相结合的传感器融合系统，它比仅由观察天花 板的氖灯和机器人旁边的墙壁定位的系统，具有 更高的准确性。该机器人也能在无线调制解调器 图1 lh 8 l 册a t 8 的帮助下开门和乘电梯。如图1 1 所示。 2 美国匹茨堡市的美国p r o b o ti c s 公司2 1 美国匹茨堡市的美国p r o b o t i c s 公司1 9 9 9 年生产的c y e 小型家用移动式服务机器人。c y e 采用双轮差动驱动方式，环境信息的获取采用 地图输入方式，可跟踪声音信号，任务完成后 能自动返回总站待命。p r o b o t i c s 公司目前正 在和卡耐基梅隆大学的机器人技术研究院进行 合作，目的是让c y e 的自主能力更强，并能够 用声音直接进行控制。如图l _ 2 所示。图1 2c y e 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 德国的西门子电子公司和荷兰的清洁设备制造商r i b 公司 德国的西门子电子公司和荷兰的清洁设备制造商r t b 公司联合开发的 s c h r o b b i e 机器人，已在荷兰的一些零售连锁超级市场开始使用，主要用来 清洁地板，播放音乐并向购物者传递商品销售信息。s c h r o b b i e 装备了特殊 的导航系统，可以躲开障碍物，一旦遇到顾客，会礼貌地请顾客避让，并能 识别墙脚和货架的准确位置。它的心脏是来自西门予的智能导航系统s i n a s ， 其特别之处在于它不需安装附加的导航辅助设备，能独立地使自己适应周围 的环境。 4 美国a c t i v e m e d i a 公司【3 l 美国a c t i v e m e d i a 公司的 p i o n e e r 3 号机器人，长4 4 。5 c m ，本体 高度2 4 5 c m ；自重9 k g ，有效负重2 3 k g ， 采用两轮驱动，后面带平衡轮，最大运 行速度是1 2 m s e c ：采用a c t s 颜色跟 踪软件，激光定位导航软件；采用8 个 超声波传感器，电子罗盘，激光传感器， g p s ，视觉系统，无线通讯系统。 图1 3p i o n e e r 3 号机器人 1 2 2 国内发展概况 1 哈尔滨工程大学 哈尔滨工程大学在2 0 0 3 年5 月“非典”高峰期，研制了无线遥控医用服 务型机器人一“护士助手机器人i q ”。该机器人能完成病区消毒、为病人送药、 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 送饭及生活用品等任务，还能协助护士运送医疗器械和设备、实验样品及实 验结果，处理病区垃圾等。 “护士助手机器人”高半米左右，重约4 0 公斤，要由车体、喷雾消毒器、无线遥控系统、 摄像与无线图像传输系统、遥控监视器等组成。 能够深入病区连续工作2 个小时，最多可阻一次 向病区内运送重达4 0 公斤的物品。工作时，它的 4 只轮子配合协调，以每秒0 7 米左右的速度走 进病区，随后病区内的情况将通过摄像头发射到 设置在病区外的监视器上。工作人员可在2 0 0 米 以内根据这些图像遥控“护士助手”完成指定任 务。行走控制采用图像遥控与自动纠偏相结合a 图1 4 护士助手机器人 如图1 4 所示。 2 中国海洋大学智能技术与系统实验室 中国海洋大学智能技术与系统实验室和青医附院联合开发的“护士助 手”机器人。“护士助手”自主式机器人高1 5 米，身上有4 个抽屉和一个 储藏室，可用来放置各类药品及食品饮料等。“护士助手”可以通过智能系 统识别主人下达的各项指令，并立即完成诸如导医、病区消毒、送药、送饭 等医疗服务。 1 2 3 护士助手机器人研究的技术难点 护士助手机器人是一个多学科交叉的研究领域，其涉及到的主要学科包 括：自动控制、模式识别、信号处理、机械学、材料科学、图形学等。护士 助手机器人的研究有传统机器人的难点，同时有自己的开发难点： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 机构设计问题 合理的机构设计是护士助手机器人实现的基础。现在的室内机器人有许 多驱动种类和结构，只有合理的设计机构才能开发一个控制简单，性能优秀 的护士助手机器人。 2 控制优化问题i ” 护士助手机器人的自由度越多，机构越复杂，必将导致控制系统的复杂 化。复杂大系统的实现不能全靠子系统的堆积，要研究高效优化的控制算法 才能使系统达到最优的控制效果。 3 信息融合问题嘲 在护士机器人的设计开发中，为实现对不同物体和未知环境的感知，需 要装备有一定量的传感器，多传感器的信息融合技术把分布在不同位置的多 个同类或不同类的传感器所提供的局部环境的不完整信息加以综合，消除多 传感器信息之间可能存在的冗余和矛盾，从而提高系统决策、规划、反应的 快速性和正确性。 4 精确定位及导航问题 7 1 目前室内机器人在室内精确定位方面还没有一个很好的解决方法，现在 常用的方法是超声测距及激光扫描测距有源路标或航位推移等方法。随着模 式识别、激光技术以及计算机图形增强技术的发展，室内导航问题将得到解 决。 5 能源问题 目前护士机器人的能源较多是使用铅酸电池和银锌电池，电池的容量成 为作业时间的关键，今后高密度电池的使用将会使此问题大大缓解。 1 3 本文研究内容及主要工作 本论文分析了目前护士助手机器人研究中存在的问题，并考虑现有的研 究条件，本文着重进行以下研究工作： 哈尔演工程大学硕士学位论文 1 护士助手机器入结构的研究和设计 以英雄一号机器人机械本体为原型，在其的基础上进行改造，进行护士 助手人的具体结构设计，建立完整的护士助手机器人本体结构。 2 机器人运动学及动力学分析 对机器人进行运动学和动力学分析，建立系统的数学模型，进行动力学 和运动学的分析。 3 护士助手机器人控制系统的研究和设计 设计基于a r m 7 的$ 3 c 4 4 8 0 f 3 1 的护士助手机器人主控制系统，设计基于a v r 单片机m a g l 6 建立整个推进系统的硬件控制平台，并进行基于uc 0 s i i 嵌入 式操作系统的下位机嵌入式控制软件的开发，使护士助手机器人通过手持遥 控器或者其上主机单独控制，可实现直线前进，行进中转弯，惯性转弯，静 止急转等运动，并能通过对超声波传感器的信息进行处理，来对机器人定位 进行校正。 4 护士助手机器人室内定位及导航算法的研究。 定位采用航位推移法并结合路标校正通过航位推移法计算出来的坐标 值。 5 原理样机的实验研究 搭建护士助手机器人实验平台，进行样机调试、性能测验。检测护士助 手机器人的各项性能指标是否达到设计要求。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章护士助手机器人控制系统总体设计 2 1 引言 护士助手机器人是一个复杂的机器人系统，包括机械和控制两大部分， 其中机械系统犹如整个系统的躯体，控制系统犹如整个系统的大脑和神经中 枢。因此，它必须具有运动灵活、传动精密的机械本体，结构合理、高效运 作的控制系统，以及运算高速、工作可靠的硬件平台。本章将从导航与定位 的基础上对机器入的总体设计进行介绍。 2 。2 护士助手机器人数学模型建立 下面对护士助手机器人技术所涉及的一些基本概念做简要的介绍，包括 机器人行走方式、机器人的驱动方式、机器人的控制方式等。 2 2 1 移动机器人行走方式分类 1 移动机器人行走方式一般描述 移动机器人的行走方式是指机器人位移发生移动所采用的方式。 2 移动机器人行走方式分类 移动机器人依照其体型及功能不同，有下面几种常见的基本的行走方式： 轮式，仿生多足行走方式，仿人二足步行。 t ) 轮式：大多数的移动机器人都采用这种方式，它是依靠自身所带的 动力驱动轮子使得自己前进和转向的。该方法由于机械设计简单易于控制， 被大多数的移动机器人所采用。我们所采用的基于h e r o i 机械本体的护士助 手机器人也是采用轮式驱动。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 )仿生多足行走方式：这种行走方式是仿照自然界的爬行动物所研制 的机器人的行走方式。由于该行走方式需要系统有很多的自由度， 3 ) 仿人二足步行：这种行走方式是仿照人类直立行走的方式所研制的 机器人行走方式，该方式需要系统有较多的自由度和非常好的平衡控制能力。 因此该系统的难度是比较大的，目前国际上和国内都有人对其进行研究。 2 3 机器人数学模型研究 移动机器人的数学模型是研究高性能的导航控制算法以及实现机器人运 动控制的基础，下面主要研究移动机器人运动学和动力学建模方法，首先论 述了建立移动机器人数学模型的重要性，由于本文设计的自主移动机器人 h e r o i 采用三轮结构，其中前轮为驱动和转向轮，两后轮为从动轮。 2 3 1 建立数学模型的重要性 获得移动机器人的数学模型对正确设计机器人控制算法是相当重要的。 在经典控制理论中，这种模型是用传递函数描述的。现代控制理论中，这种 模型是用状态方程来描述。即使采用模糊控制、神经网络控制等智能控制算 法，也需要一种能够描述受控对象输入输出之间模糊关系或非线性映射关系 的方法。 目前户外移动机器人的本体大多是采用三轮或四轮车体，轮式驱动机构 有一系列优点：能够可靠稳定地运动，能量利用率高，机构和控制相对简单， 能够借鉴至今己经积累的现有技术和经验等。如果从控制论的观点来看，这 类移动机器人是一个极为复杂的被控对象。执行机构的机械误差、自身质量 和转动惯量、地面材质和倾斜情况、轮胎充气程度、轮胎与地面打滑情况等 诸多因素都会对机器人的力学特性产生影响。另外机器人的速度、方向之间 还存在耦合问题，因此这类移动机器入可以看作是一个非线性、强耦合的系 统。而如何用数学方程来描述这样一个系统，是当前这一领域研究的主要内 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 容，所以建立一个能够反映系统特性的简单而又实用的数学模型，对干设计 机器人的控制算法具有重要的意义。 2 4 护士助手机器人的数学模型的建立 2 4 1 简化的二轮结构机器人模型 由于移动机器人本体情况的复杂性，可以将整个机器人本体视为个刚 体，车轮视为刚性轮，在运动速度不是太快而转弯半径较大时，不考虑轮胎 与地面侧向滑动的情况。简化的运动学模型为二轮结构模型，其原理图如图 ( 2 1 ) 所示 y o 模型表示为 图2 1 运动学模型x l o 哈尔滨工程大学硕士学位论文 叠| _ i 1 | 叠瞄置蕾i 皇翻墨 x - - - - v ( t ) c o s e ( o ；，：u ( r ) s i n e ( o ( 2 1 ) 扛o l ( t ) t a n 妒( t ) 其中( x ，y ) 是移动机器人质心c 点在绝对坐标系中的位置坐标，1 ，是 速度，0 为机器人方位角，中为前轮偏角，l 为前后轮之问的距离。这组公 式描述了机器人的位姿( x ，y ) 的与速度、方位角之间的关系，它实际上是 一组车体运动学方程。 由于三轮移动机构是车轮式移动机构的基本运动机构，并且在车轮式移 动机器人中更为普遍，因此下面就以三轮式移动机构为例建立数学模型。本 文采用的三轮式移动机构驱动方式为：前轮由操舵机构和驱动机构合并而成， 后面的两个车轮为从动轮，由于操舵和驱动部分都集中于前轮部分，所以机 构复杂。其旋转半径也可以从零到无限大连续变化。 图2 2 速度图 x 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 2 中：x o y 为绝对坐标系，u 为前轮的运动速度，l 为移动机器人前 后轮之间的距离，d 为两后轮之间的距离，点c 为移动机器人的质心，点p 为两后轮轴心连线的中点。设移动机器人的方向轮相对于车体纵轴的旋转角 度为a ，移动机器人的车体纵轴与x 轴的夹角为b 。方向轮在转弯时的瞬时 圆心位于两后轮轴心的连线上，设此瞬时转弯半径为r 。 车体的速度为： ( 2 2 ) v 口2 v c o $ a 车体速度v 。在绝对坐标系x o y 中沿x 轴和y 轴的分量为： 前轮在转弯时的瞬时半径为： ，= s m c r 于是可以得到车体的运动方程： v ， v 。 w 前轮 嶂体 崔 c o s a c o s p0 c o s a s i n 8 0 s i n a l l 0 0l ( 2 3 ) ( 2 4 ) v ( 2 _ 5 ) t w ：体j 对h e r o i 型机器人的移动机构进行动力学分析( 只考虑纯滚动的情 况) 。如图所示，驱动电机加载在前轮上的转矩为t ，前轮受到的地面摩擦阻 1 2 矗 疗 s l o “ c s 口 口 雠 耄； p v j | i f x y ，：、l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 力为。前轮质心的移动速度为v ，其质量为i n ，车轮半径为r ，j 为车轮对 轮心的转动惯量。前轮的动力学方程如下所示： r 一五，= j o = m p u = r 0 ( 2 6 ) 点q 为移动机构的前轮的质心，点m 、n 分别是移动机构的后轮的质心， 点c 为移动机器人的质心，移动机器人的质量为地，对质心的转动惯量为j 。， 前轮的速度为v ，与车体的纵轴的夹角为n ，与x 轴的夹角为b ，令 0 ：( b a ) ，前轮受到的她面摩擦力为f q ，两后轮受到的地面摩擦力分别为 f 1 、f 2 。点q 到质心c 的距离为离为h ，p 为删的中点，m p = d ，n p = d ，质心c 的坐标为( x 。，y 。) 。 o x 哈尔滨工程大学硕士学位论文 其动力学方程如下： 却 y p 毋 ：胃 点p ( x p ，y ，) 与点q ( x ，y ) 的关系为 yx=：xyp，+l三c。o；nso口 两边求导得 在静坐标系f 。中，以点q ( x ，y ) 为基准的实际机器人模型为： 在静坐标系f 。中，以点q ( x y ) 为基准的目标机器人模型为： 1 4 ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 - 9 ) ( 2 一1 0 ) ( 2 1 1 ) 1j p m ，l 1j o o 1 们础哆肌 一 + b 郎 = = 憎 菇， 吣m o 坼q 1lirj 包啡 n s 埘胁。 已b 血0 h 一 = ”d咋 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i i i 葺薯i _ i i | 皇皇i i i i i 墨 在实际机器人动坐标系f 口中，以点q 为基准的目标机器人的位姿为( x y ，百) ，百为目标机器人相对于x 轴的姿态。则 0 = 乩一占 点q 在动坐标系f q 中的坐标( x ，y ) 为： 萝 = 一c 。o m s o 口s i n 。o 占 , j - 。”x , 一- y x 求导得： 憎 rc o s 0 l pj 2 l 一。证p ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 也州荔器蚴( 2 - 1 5 ) 若点q 静止，即ur = o ，u ，= o ，跟踪问题就变成了镇定问题。这样，镇 定问题可以看成跟踪问题的一种特殊情况，即镇定问题模型为： 州i l 】，p - - ( 三+ x ) j l 州 ( 2 1 6 ) ” ， 篓口p曩 宝 一 一 j y 一 一 耳蚱1 口口霉 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 5 助手机器人控制体系结构 2 5 1 机器人控制算法简介 在各类经典控制系统中，p i d o l 是最常用控制规律。它具有原理简单、易 于实现、鲁棒性强和使用范围广等特点。常规p i d 控制系统由p i d 调节器和 被控对象组成。 5 p i d 调节器是一种线性调节器，它根据给定值r ( t ) 与实际输出值c ( t ) 构 成的偏差 p o ) = r q ) - c ( t ) ( 2 1 7 ) 将比例( p ) 、积分( i ) 、微分( d ) 通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控 制。p i d 调节器的控制规律为 ) 吲郇) + 当f e ( ，) d r + 乃警 ( 2 _ 1 8 ) 但是p i d 算法也有很多缺点，p i d 控制算法对于那些非线性的问题控制 的效果不是很好，同时p i d 参数比较难调节，算法本身不易于人们理解。 有些时候有些对人来说很简单的问题，或是我们人类通过一定时间的锻 炼和学习就可以掌握的东西，要用经典理论去控制这些却很复杂。 举个很简单的例子，就是我们平时骑自行车。这看是一个很简单的问题， 但是当你试图用经典理论知识来构造一个控制器的时候却发现那个控制器是 非常的复杂，复杂到你难于建立这个控制器，或者你建立了这个控制器，却 发现这个算法的复杂度远远不是现在的嵌入式处理器所能解决的，有很大的 时间滞后，这对于骑自行车这个问题的控制是个毁灭性的打击，要是系统不 能实时的话，可能在处理器计算出下一步的输出量时自行车早就倒在地上了。 然后任何一个正常人通过学习一段时间，就可以学会骑自行车了，我们 人类在骑自行车的时候我想我们一定没有先建立我们骑自行车的这个数学模 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 型，脑袋中也没有不停的计算微积分，但是我们却能够很好的办到它了。 因此在机器人控制系统中，我倾向于类人控制，下面我们就在我们的主 控制器中运用了基于模糊理论的控制算法。 2 5 2 基于模糊控制器的控制体系结构 本课题拟采用的体系结构是基于模糊控制器“”的机构控制体系，底层传 感器实时采集环境信息，为高层规划提供规划所需要的必要特征信息，高层 规划层则为底层的行为提供必要的指导。传感器的输出信息可以被两个层次 共享：一方面，通过特定行为的感知处理直接映射产生系统的行为；同时，被 感知到的信息作为观测信息反馈回高层规划器参与构造系统和环境的全局模 型。 如图2 4 是系统的控制体系结构 图2 4 系统的控制体系结构 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 5 3 基于模糊控制的控制体系结构的实现模型 我们把整个控制体系分成了五个部分。 1 决策层 决策层主要负责产生任务计划并控制和监视任务的执行，对环境状态信 息的监测和评估，控制和监视任务的执行，并实时地做出恰当的决策。 地图模型：地图模型用于在相应的抽象层次上描述实际环境的状态信息。 全局任务规划器：全局任务规划器负责智能决策，管理地图模型信息， 下达任务目标给全局路径规划器，还负责同人机接口进行交互，允许管理人 员通过人机接口对系统不同层面的任务运行进行监视或干涉。 全局路径规划器：全局路径规划器根据给定的任务目标以及环境地图模 型的状态信息生成一个由一系列行动指令构成的任务计划。 2 执行层 执行层是是决策层同功能层之间的支点。高层的决策层基于缓慢的符号 处理机制，而低层的功能层基于快速的数值计算机制，执行层不但能够完成 决策层与功能层之间不同性质、不同抽象层次的指令转换任务之外，其还能 够填补决策层与功能层之间在时间驱动上的巨大空隙。 任务执行层可被视为一个纯粹的反应式系统，其主要任务目标是将决策 层的符号化的抽象行动指令解释为功能层的数值性的具体执行指令、管理和 控制任务的执行、监视底层硬件的各种状态、对执行层的各种外部内部事件 的响应以及针对功能层的各种执行故障和错误进行处理。 3 功能层 功能层是智能机器人基本行动单元的集合，这些基本行动单元实现了系 统面向单一任务目标或功能的基本的行动和感知能力，其被嵌入进一系列能 够进行相互交互的功能模块中。一个功能模块是一个提供一系列功能调用接 口并执行相应功能处理的软件实体。一个功能模块可调用其它功能模块并进 1 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 行数据交换。功能层可被视为一个具有实时特性的功能函数库。功能模块间 的组织结构并非是固定的，模块间的交互取决于执行的任务以及环境的状态。 功能层包括多传感信息融合和行为库两部分。 多传感信息融合：多传感信息融合模块包括若干传感器处理模块：红外 处理模块、超声波测距模块、路标识别模块、语音模块等。各个传感器处理 模块负责处理底层传来的原始的传感器信息，然后再由信息融合模块对各传 感器模块的输出信息融合，其输出供上层和同层的行为库模块调用。 行为库：包括停车、直线行走、转弯、进门、避障、跟踪等基本行为， 它接受两个方面的信息，一方面是同层的传感器信息，另一方面是来自执行 层的规划命令。根据两者的优先级的高低，在上层命令的指导下，选择相应 的行为，或者行为组合，并输出命令驱动执行器。 4 逻辑层 逻辑层是对实际硬件的抽象，其尽量屏蔽各类硬件的具体差别，使得功 能层工作于一个抽象的硬件层上而不用考虑实际硬件的具体实现特性。这使 得功能层的设计实现一定程度上的硬件独立性成为可能，增强了系统的可移 植性。 5 物理层 物理层是系统的最底层，其代表了一组具体的物理执行装置。物理层从 逻辑上可被视为一组同硬件紧密结合的最基本的函数接口，这些函数完成最 低级原始的硬件功能。 1 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 5 混合式体系结构 2 5 4 基于模糊控制的行为法则 在混合控制中，行为法则1 就是模拟人的思考方法去办事情，和经典的 控制理论不同。模糊控制控制法则易于被人们所接收，并且易于实现，现已 经大量运用到工程实践中去了。 在护士助手机器人的f l c 中我们运用了3 个模糊矩阵来分别对机器人在 不同的情况下进行控制。这3 个模糊矩阵分别是寻的模糊控制矩阵，避障模 糊控制矩阵，跟踪模糊控制矩阵，这3 个模糊控制矩阵我们将在后面详细的 讨论。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i 置i i 皇田胃i 瞄每叠置i 鼍_ i l i i 2 6 本章小结 本章首先h e r o - - i 机器人的机械本体作为机器人的机械本体，进行了运动 学和动力学分析，建立了护士助手机器人的数学模型，在控制算法上选择了 混合控制方法，选择了基于模糊控制的行为法则，提出了3 个模糊控制矩阵。 2 】 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章护士助手机器人控制系统硬件设计 3 1 引言 护士助手机器人控制系统的硬件是控制的基础，如同机器人的神经系统， 通过实时采集外界环境和自身运动状态数据，实现对机器人的控制。合理的 硬件设计可以充分发挥控制系统的功能，达到实时控制性能好，伺服控制精 度高，较好的完成控制任务。本章将讨论机器人的总体硬件结构设计，并详 细介绍各功能实现的设计思想和具体电路设计。 3 ，2 控制系统硬件总体设计 机器人的控制系统采用模块化设计思想，自下而上的设计思路进行开发， 以保证系统开发的可靠性。系统的各个功能模块分开设计，通过4 8 5 总线接 口来组合成整个系统，控制系统总体框图如图3 1 所示。 机器人的控制系统设计主要包括以下内容： 1 通信模块：实现上位p c 机与下位单片机间的异步串行通讯，实现遥 控信号的正确发送和接收； 2 电机驱动模块：设计电机驱动电路，利用单片机内部定时器计数器 产生p 删信号，控制机器人各电机的运动： 3 码盘计数电路：设计电机转速检测的正交编码信号检测、旋转方向判 断、计数电路； 4 信号采集模块：利用a d 转换器，采样护士助手机器人主动轮的转角； 5 超声波测距和红外避障模块； 图3 1 机器人控制系统总体框图 3 3 主控制芯片及其最小系统 护士助手机器人的主控制系统的主控机采用三星公司的a r m 7 【1 2 】系列处 理器s a m s u n gs 3 c 4 4 b o x 作为主控制芯片，$ 3 c 4 4 8 0 是三星公司推出的一款新 型a r m 7 处理器。$ 3 c 4 4 8 0 采用一种新的三星a r mc p u 嵌入总线s a m b a 2 ，最高 可达6 6 m h z 。三星的$ 3 c 4 4 8 01 6 3 2 位的r i s c 处理器被设计来为手持设备提 供一个低成本高性能的方案。它的系统管理功能：( 1 ) 小端和大端模式的支持。 ( 2 ) 寻址空间：每个b a n k 的寻址空间为3 2 m ( 一共2 5 6 m b y t e ) 。( 3 ) 每个b a n k 都支持8 1 6 3 2 - b i t 的数据宽度。( 4 ) 一个固定的启动b a n k 和七个可编程的 b a n k 。 ( 5 ) 8 个存储器b a n k 。他的时钟和电源管理系统：片上的p l l 电路 可以使得系统工作在6 6 m h z 频率下。 电源模式：n o r m a l ，s l o w ，i d l ea n ds t o pm o d e n o r m a lm o d e ：通常的 哈尔滨工程大学硕士学位论文 工作模式。s l o wm o d e ：低时钟晶阵下的工作模式。i d l em o d e ：停止c p u 的 时钟。s t o pm o d e ：停止所有设备的时钟。它的中断控制器：3 0 个中断源 ( w a t c h d o gt i m e r ，6t i m e r ，6u a r t ，8e x t e r n a li n t e r r u p t s ，4d m a ，2 r t c ，1a d c ，1i i c ，1s i o ) ，可编程中断的优先级和向量。支持f i q ( f a s t i n t e r r u p tr e q u e s t ) 。它的定时器功能：5 路1 6 位的带p w m 功能的定时器和 一路1 6 位的基于d m a 或中断的内部定时器。r t c 功能：支持所有的时钟特征： m s e c ，s e c ，m i n ，h o u r ，d a y ，w e e k ，m o n t h ，y e a r 。支持3 2 7 6 8k h z ，支 持c p u 的唤醒超作，支持时钟节拍中断。通用输入输出口功能：8 个外部中 断口，7 1 个复用的i o 口。u a r t 功能：2 路带d m a 功能或中断功能的串口。 支持5 - b i t ，6 - b i t ，7 - b i t ，或8 - b i t 串行数据接收。s u p p o r t sh w h a n d s h a k i n gd u r i n gt r a n s m i t r e c e i v e 。可编程的波特率。支持i r d a1 0 ( 1 1 5 2 k b p s ) 。每个通道都有3 2 - b y t ef i f of o rr xa n dt x 。它的a d 转换 器：8 路复用的a d 转换器，最高i o o k s p s i o b i t 。l c d 控制器：支持彩色 灰度l c d 显示，支持虚拟屏幕功能，系统内存可划为显示存储器使用，可编 程屏幕的大小，1 6 级灰度的大小，2 5 6 色的管理看门狗定时器：1 6 - b i t 的看 门狗定时器。超时的时候产生中断或系统复位。核电压：2 5 vi o 电压： 3 。0vt o3 。6v 。工作频率可以高达6 6m h z 。 3 3 1 控制系统的主框图 系统的主控板原理图如图3 2 ，包括内存和f l a s h 存储器部分，电源 部分，串口部分，网卡部分，i d e 接口电路部分及$ 3 c 4 4 8 0 主c p u 部分。由 于我们在软件实现的部分运用了uc o s - i i 【”1 这个嵌入式的实时操作系统， 为何能使系统流畅的运行，我们为系统加了一个2 m 的s d r a m l l 4 1 ，一个8 m 的 f l a s h 存储器。同时我们的a r m 7 工作在它的最高频率6 6 m h z ，由于软件和硬 件合理的搭配使得系统的控制性能得到很大幅度的提高。 2 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 豢熟曩纛曩焉飘黧熬蒸熏霸 鎏鳖 r _ ：_ - - _ - ! _ 一j 了i _ _ 1 卜 = 。_ - | ；薹。誓薯一蓦一3 艟善藕蠹篓黔j 曩| | 1 _ 蠢。i 蠢j l 蠢：誊誊；譬盏誊：0 必_ 。i 图3 2 机器人控制系统电路总体框图 3 3 2 主控板电源部分 由于$ 3 c 4 4 8 0 的1 0 端口和内核电压不同，因此选用l m i l l 7 2 5 和 l m i i l 7 3 ，3 变压芯片。l m i i l 7 是美国国家半导体公司的产品，下图是l m l l l 7 的内部框图。l m i i l 7 1 5 】是一系列低电压输出产品。 豳一蓼 鐾 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图3 3l m l l l 7 内部框图 一 。 。 ；l l 卜譬 攀蕾 7 - l 鼍 i _ 漕露瞬 1 h ”f 1 。 橙 墼，。；誊磊。 。2。 i l _ 图3 4 控制板电源电路 哈尔演工程大学硕士学位论文 _ j _ i _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ i _ 3 3 3 主控板4 8 5 通信和电源部分部分 为了便于模块化设计，我们把整个系统分成好几个模块来进行设计， 电源部分也是分开设计的，给整个系统供应标准的5 v 电压，传输的时候我们 正好通过4 8 5 总线的电源线传输过来，这样使得系统更加合理。应为$ 3 c 4 4 8 0 是3 3 v 的系统， 因此我们选择了m a x 3 4 8 5 1 日芯片。该芯片是3 v 供电系统转 4 8 5 总线【1 7 l 的最好选择， 电路图如下图3 5 。 3 3 4j t a g 电路部分 图3 5 输入电源和4 8 5 通信电路 j t a g 是j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p 的缩写，是一个国际标准( i e e l1 4 9 1 2 0 0 1 ) 。是为了测试p c b 开