（精密仪器及机械专业论文）全自主复合机构越障机器人系统研究(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

中立摘要 摘要 机器人学是近年来得到迅速发展的门综合性交叉学科，它集成了自动控 制、人工智能、电子技术、机械工程、传感器技术以及计算机科学等多门学科 的最新研究成果。随着社会信息化的深入发展，工业、科研、国防以及服务业 等多行业越来越需要高性能的移动机器人系统。因此，开发研究以工业、国防 及服务业等领域为应用背景的。且易于用户二次开发的移动机器人平台具有很 好的市场潜力和研究意义。本文针对移动机器人的系统设计丌展研究工作。 第一，本文设计了一神采用轮、臂、履带复舍式机构的移动机器人，和单 一结构的机器人相比，该机器人具有更好的运动性能及越障能力。 第二，本文针对机器入不同运动状态，进行了系统的运动学、动力学分析， 给出了机器人的运动学、动力学方程，为系统控制的研究提供了理论依据；同 时从理论上求解了机器人所能适应的各种环境参数。 第三，本文综合了行为式控制结构及功能式控制结构，提出了一种混合武 的体系结构，既克服了功能式体系结构在不确定和未知环境中的建模困难、实 时性和适应性差等缺点：同时实现对已有环境信息进行有效表示和利用，完成 单一结构无法实现的复杂导航任务。 第四，针对机器人工作环境复杂，体积小等特点本文对机器人的硬件控 制平台进行了研究。控制系统采用多处理器的分级控制方式，即采用p c l 0 4 一 d s p 处理器平台，在此平台上完成机器人的感知、通信及驱动等功能。 第五，本文提出一种基于贝叶斯估计的集中信息融合模式，对传感器获取 的信息进行融合处理，继两建立环境模型。本文将机器人所处环境解析成四种 典型结构化环境，针对不同环境，设计出相应的运动策略。针对无法越过的障 碍，提出一种基于模糊控制的遥障算法。 第六，本文提出一种基于c m a c 神经网络与p i d 的并行控制器的设计方 法，利用传统p i d 实现反馈控制，保证系统的稳定性且抑制扰动，该算法直 接应用于控制直流电机调速系统。 论文的最后对所做工作进行了总结，同时提出了对未来研究的展望。 关键字：移动机器人；复合机构，分绂控制；决策系统；d s p 协调系统 中冈 ： 学技术人学坝卜论文英j 【：摘耍 a b s t r a c t n o w a d a y s r e s e a r c ho na u t o n o m o u sm o b i l er o b o ti sa na c t i v ea n dp r o m i s i n g a r e a i ti n c l u d e ss om a n ya d v a n c er e s e a r c ha r e a s a sa u t o c o n t r o l ，a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e ，e l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ，s e n s o rt e c h n o l o g y ， c o m p u t e rs c i e n c ea n ds oo n a sar e s u l t ，m o b i l er o b o th a sm a n ym e r i t si nb o t ht h e o r e t i ca n dp r a c t i c a l r e s e a r c h ，a n di ti sa l s oa ni d e a lr e s e a r c ho b j e c tf o rm a n yr e a s o n s t h et a r g e to ft h i s t h e s i si st os t u d yah i e r a r c h i c a l c o n t r o l l i n gm e t h o db a s e do nm u l t i - p r o c e s s o ra n d a p p l yt h i sm e t h o dt ot h er o b o tc o n t r o ls y s t e m t h em a i nw o r ka n dc o n t r i b u t i o na l ef o l l o w i n g ： 1 ) d e s i g n i n gam o b i l er o b o tw i t hc o m p o u n dm e c h a n i s ma n dc o m p a r i n gi t t o o t h e rr o b o t s t h er e s u l ts h o w st h a tt h ef o r m e rh a sab e a e rm o t i o n p e r f o r m a n c ea n dc l i m b i n go b s t a c l ec a p a b i l i t y 2 ) b u i l d i n gt h em o d e lo fr o b o tk i n e m a t i c sa n dt h em o d e lo fr o b o td y n a m i c w e a n a l y z et h er o b o t sa b i l i t yo fs u r m o u n t i n go b s t a c l e s ，d e s i g ns e v e r a ls p e c i a l m o t i o n sa n df i g u r eo u tt h et h e o r e t i cp a r a m e t e r so fo b s t a c l e st h a tt h er o b o tc a n g e tt h r o u g h 3 ) p r o p o s i n ga n dd e s i g n i n gah y b r i dc o n t r o la r c h i t e c t u r e t h a t i n t e g r a t e st h e f u n c t i o n a lc o n t r o la r c h i t e c t u r ew i t ht h eb e h a v i o r a lc o n t r o la r c h i t e c t u r e 4 ) b a s e do nt h ec o n t r o lo b j e c t ，w ep r o p o s eah i e r a r c h i c a l c o n t r o l l i n gm e t h o d b a s e do nm u l t i p r o c e s s o tt h ec o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h i sm e t h o di sa p p l i e d t ot h em o b i l er o b o t t h ec o n t r o ls y s t e mi n c l u d e s ：o r g a n i z i n gl e v e l d e c i s i o n m a k i n gs y s t e m ，c o o r d i n a t i o nl e v e lc o n t r o ls y s t e ma n de x e c u t i o n l e v e lc o n t r o ls y s t e m 5 ) b u i l d i n gt h ee n v i r o n m e n t a lm o d e lw i t hat e c h n i q u eo f c e n t r a l i z e dm u l t i s e n s o r i n f o r m a t i o nf u s i o n b a s e do nb a y e s i a ne v a l u a t i o n a f t e r w a r d ，w er e s o l v et h e e n v i r o n m e n t a lm o d e lt of o u rt y p i c a ls t r u c t u r a lm o d e l sa n dd e s i g nm o t i o n s t r a t e g y a st ot h eo b s t a c l e st h er o b o tc a n n o tg e tt h r o u g h ，w ed e v e l o pa n o b s t a c l ea v o i d a n c ea l g o r i t h mb a s e do nf u z z yc o n t r 0 1 2 中田科学技术、学顺f 1 论文英文摘要 6 ) i n t r o d u c i n gan e w - d e s i g no fp a r a l l e lc o n t r o l l e rb a s e do nc a m ca n dp i d t h i sm e t h o dr e a l i z e dt h ef e e d b a c kc o n t r o lb yu s i n gt r a d i t i o n a lp i dc o n t r o l l e r a n dr e a l i z e dt h ef e e df o r w a r dc o n t r o lb yu s i n gc m a cn e u r a ln e t w o r kt o i n c r e a s et h er e s p o n s es p e e da n dc o n t r o lp r e c i s i o n i nt h ee n d ，t h i sa l g o r i t h mi s a p p l i e di nt h es i m u l a t i o nr e s e a r c ho f d cm o t o rs p e e dr e g u l a t i o ns y s t e m i t i sp r o v e db yt h ee x p e r i m e n tt h a to u rc o n t r o ls y s t e mh a sav e r yg o o d p e r f o r m a n c eo nd e t e c t i n ge n v i r o n m e n ta n ds u r m o u n t i n go b s t a c l e s g i v e nm o r e i m p r o v e m e n t ，i tc a nb ea p p l i e dt oo t h e ra u t o n o m o u sm o b i l er o b o ts y s t e m t h e r c f o r e ， t h i st h e s i sc a nb et h ef o u n d a t i o nf o rf u t u r er e l a t e dw o r k k e y w o r d s ：m o b i l er o b o t ；h i e r a r c h i c a lc o n t r o l ；d e c i s i o ns y s t e m ；c o m p o u n d m e c h a n i s m ：c o l l a b o r a t i o ns y s t e md s p 3 中闻科学技术人学坝卜论立绪论 第一章绪论 机器人学是近二、三十年来得到迅速发展的一门综合交叉学科，它集成了 自动控制、人工智能、电子技术、机械工程、传感器技术以及计算机科学等多 门学科的最新研究成果，是当前科技发展最为活跃的领域之一。随着社会信息 化的深入发展，工业、农业、科研、国防以及服务业等多行业越来越需要高性 能的移动机器人系统。 移动机器人的研究始于6 0 年代末期其研究目的是将人工智能技术应用到 复杂多变的不确定环境中，以实现机器人规划、控制与决策。7 0 年代末，随着 计算机技术、传感器技术和微电子技术的发展，开放式移动机器人平台不断的 研制成功，移动机器人的研究出现了新高潮。随后，8 0 年代出现了“智能系统”、 “信息集成与融合”等新科技名词，人们的目光开始转向具备感知、思考、决 策和动作能力的新型移动机器人韵研究。特别是9 0 年代以来，以研制适应性强、 鲁棒性好的高智能移动机器人为标志，开展了更高层次、更具有挑战性的研究 工作。从整个发展历程来看，机器人的研究f 朝着多功能化、智能化、大众化 的方向发展。新兴的智能仿生机器人、体积微小的纳米机器人、不畏艰险的探 险机器人等，不断地充实机器人这个大家庭。其中，以智能移动机器人为代表 的特种机器人所占的比重越来越大，它在诸如军事、医疗、娱乐、探险等越来 越“泛的领域内将发挥着重要作用。 第一节移动机器人概述 机器人分为制造环境下作业的工业机器人和非制造环境下的特种机器人两 种。不同于工业机器人，特种机器人服务于非制造业，如农业、林业、水下、 一 空问、土木建筑、核工业、采掘、医疗、救灾、排险、服务、娱乐以及军事等 领域，是在非结构化环境下作业的机器人的总称。现在国外己开发出采矿机器 人、坑道水泥喷涂机器人、高层建筑清扫机器人、爬壁机器人、生物医学用微 型机器人、农林业用机器人、核工业用机器人、深海机器人、空问机器人和军 用移动机器人等。生产特种机器人的公司数量迅速增加，特种机器人的产业已 在国外形成，并对社会与生产力的发虔发挥了重大的推动作用。下面介绍特种 巾陶； 学救术人学坝l 论文 绪论 机器人的几种有代表性的应用。 后勤保障是机器人较早运用的领域之一。这类机器人可以在恶劣条件下进 行运输、装卸、加油、抢修技术装备、抢救伤病人员等后勤保障任务。如图1 1 所示的m p r 8 0 0 多用途机器人，它可用于扫雷、灭火、核生化污染清除等多项 危险工作。 图1 1m p r 一8 0 0 多用途机器人 图1 2 所示为美国“机遇”号火星探测器，它是“勇气”号的孪生探测器 同“勇气”号一样，“机遇”号是六轮移动火星车，能够进行科学研究。 图1 2“机遇”号火星探测器 登临地外行星进行科学探测的机器人不仅仅为轮式机器人，最近，德国不 来梅大学的机器人专家研制出一种“蝎子机器人”，如图1 3 所示。这种机器人 是模仿蝎子走路方式设计的，像狗一般大小，有8 条腿。相比轮式机器人，“蝎 子机器人”更具优势，既能走得远又能下陡坡、攀悬崖，甚至能钻进裂隙，因 而更适宜在诸如火星、土卫六等行星上进行科学探测。 中王j 科学拙术人学坝j j 论文 绪论 图1 3“蝎子”机器人 图1 4 为松下电器产业开发出的可自行找到垃圾、边自动行走边打扫房间 的吸尘机器人。这种新型机器人能避开桌子、衣柜、沙发等房阳j 罩的障碍物， 图1 4 吸尘机器人 依靠安装在侧面的两个轮子自动行走，并使用内置吸尘器收拾垃圾。其功能充 分考虑到了家中可能存在的不利于机器人行走的因素，如可以避免因地毯花纹 影响而偏离方向、在台阶等落差较大的障碍前自动停止以防摔倒等。同时还可 r 以通过吸尘部位安装的传感器来检测垃圾，发现垃圾后会自动放慢行走速度、 加大吸力。 战场上，移动机器人可以在恶劣地形和危险情况下实施布雷、排雷及排除 爆炸物，在核尘化环境下实施救援，甚至还可以作为陆地、空中、海上的军用 中田科学技术人学倾【论义绪论 机械或武器平台使用，完成武器装备平台的功能。图1 5 为印度尼西亚撕i 置在 首都雅加达一个专门用于排雷的机器人。 图1 5 排雷机器人 图l _ 6 为国内研制的首台新型自走式两栖海缆机器人。这台具有国际先进 水平的两栖机器人主要出海缆埋设机载体、动力控制以及辅助收放等系统组成， 安装有先进的水下动力单元、机械臂、喷水和链式挖掘工具，配备有海缆跟踪、 探测与监视、照明、录像以及航向、航速传感器等高精尖设备。 图1 6 两栖机器人进行海缆检测作业 机器人士兵的功能此前一直限定在协助人类从事更多的危险军事任务范围 内，比如侦察敌军、嗅出致命化学与放射性物质、拆卸恐怖分子安置的炸弹等 等。如今，这些半自动机器人将携带步枪、机关枪、手榴弹与火箭发射器，以 其高度精确性面对对手。图17 所示为美国研制的遥控“s w o r d s ”机器人士兵。 t p 周科学技术人学倾t - 论立 绪论 这种全名为“特种武器观测侦察探测系统”的机器人士兵，每分钟能发射1 0 0 0 发子弹，它们将成为美国军队历史上第一批参加与敌方面对面实战的机器人。 * 1 盘 图17 机器人士兵“s w o r d s ” 第二节移动机器人的关键技术 移动机器人大都工作在非结构化环境中，在现在及可以预见的将来，人机遥 控加上局部自治，仍将是一种主要的控制方式。移动机器人技术集机械工程、自 动控制、体系结构、人工智能、组合导航、信息融合等众多技术于一体e 具体有： 1机构没计与新材料技术 在机构设计方面，移动机器人是一个复杂的动力学系统，在各种关键部件 选型、轻小型机械结构设计、驱动机构设计、计算机模拟、机构加工等方面均 是一个全新的课题。 !电子与计算机技术 移动机器人是一个复杂的多变量非线性系统，其信息处理、功率驱动、控 制系统形成等与电子和计算机技术的发展密不可分。 3传感器技术 各种传感器是移动机器入感知环境信息和自身状态信息的工具，主要包括 视觉传感器、语音传感器、惯性姿态传感器、关节角位移传感器、速度传感器、 压力传感器、力矩传感器、红外传感器等多种传感器及相应的信号处理技术。 绪论 4智能控制技术 智能控制技术是移动机器人技术研究的灵魂，控制策略与控制方法的好坏 直接影响着机器人的性能，主要包括：专用高性能控制系统设计与集成、控制 体系结构研究、各种控制策略与控制方法、多种传感器信息融合技术等。 第三节论文研究背景及意 本论文研究的机器人具有高机动性、强大的环境感 义 知功能及全自主特点 应用于军事领域上，可以完成战场上的各项侦察任务。它经过完善，可以完成 以下任务： 1战术侦察机器人 机器人本体具有强大的越障功能，并配有视觉，接近觉和倾斜觉传感器， 能够适应各种复杂且恶劣的外部环境。此外借助图像传输功能，机器人可以 将搜集到的信息传送给后方指挥中心。它既可依靠本身的机动能力自主进行观 察和侦察，也能通过空投、抛射到敌人纵深，选择适当位置进行侦察，并能将 侦察的结果及时报告有关部门 2三防侦察机器人 由于机器人自身的特点，它也可用于对核沾染、化学染毒和生物污染进行 探测、以别、标绘和取样。 3 地面观察员目标指示员机器人 在目前研究的基础上，给机器人配以摄像机、夜问观测仪、激光指示器和 报警器等，配置在便于观察的地点。当发现特定目标时，报警器便向使用者报 警，并按指令发射激光锁定目标，引导激光武器进行攻击。一旦暴露，还能依 靠自 地形 或武 身机动 在未来 和气象 器平台 能力进行机 的战场上 条件下进 使用，完 动，寻找新的观察位置。 移动机器人是一支不可小视的力量，它不但能够在恶劣 行侦察和搜索，还可以作为陆地、空中、海上的军用机械 成武器装备平台的功能。 第四节论文主要研究工作 本沦文研究并设计了一种全自主复合机构移动机器人的运动驱动及控制系 6 中匪怍 学技术人学坝i 沦立 绪论 统，主要包括以下几个方面： 1机器人的系统结构，包括机器人的机械结构及控制系统结构。 2机器人的运动分析，包括建立机器人的运动学模型、分析机器入越障能力 以及设计基本的越障策略。 3 硬件系统设计，包括处理器外围电路、电机驱动电路、速度检测单元、传 感器信号处理电路、电源模块等。 4控制系统的软件策略，包括运动规划模块、电机驱动模块、通讯模块及p i d 控制模块等等。 第二章运动学及动力学分析 第一节机器人机构分析 移动机器人机构设计上，研究的主要方向是：跨越壕沟和攀越台阶的能力、 克服倾翻的能力、行驶的高速高效性、陷入松软地面后能实现自动脱离且恢复正 常行驶的能力。此外，机械结构力争紧凑、体积小、质量轻，与之配套的驱动机 构应具备良好的稳定性和较强的爬坡和越障能力。 从机构上看，越障机器人大体可以分为轮式、履带式、腿式三种，它们均有 各自的优缺点。轮式越障机器人具有高速高效的性能，但越过壕沟、台阶的能力 较低，因此适合应用在道路、居民点这类平坦规则的环境中。腿式越障机器人出 于在很大一个范围早能够保持稳定性，故很适合在不规则的环境下工作，所以它 的地彤适应能力强，能越过大的壕沟和台阶，其缺点是结构复杂，速度和效率均 比较低。履带式越障动机器人地肜适应能力很强，动载荷小，设计紧凑，稳定性 高，其缺点是重量大、能耗大，尤其在转弯过程中存在着很大的摩擦损失。目前 国内外的越障机器人，一般只采用其中种机构，如步行机器人，履带式机器人， 或哲其中两种，如轮腿式机器人，。很少有将这三种机构结合起来的机器人。 图2 1 机器人结构简图 运动学发动j 学分忻 ( 图巾：l 3 空制板4 蓄电池5 同步卤形带6 冯区动轮7 同步卤形带8 。车体9 ，j 亍进 驱动电机1 0 摆臂驱动电机1 i 码盘1 2 蜗轮蜗杆传动系统1 3 旋转位置传感器1 4 c c d 摄像头1 5 红外传感器) 图2 1 所示为本论文所研究的全自主型复合机构越障机器人。它将轮、履带、 臂( 腿) 三种机构结合起来，能够适应不同的非结构化环境，具有很好的运动性 能及越障能力。其具体参数为：尺寸为1 5 3 r a m 1 5 6 m m 1 2 0 m m ；驱动车轮的 直径2 4 m m ；辅助轮的直径1 6 r a m ；履带旋转臂( 驱动轮中心与辅助轮中心距离) 长6 0 r a m ；履带宽度l t m m ；前方驱动车轮与后方驱动车轮的中心距离为1 0 5 m m ： 车体底部与水平地面距离9 r a m ：越障机器人车体、车轮等大部分构件均由强度 商、质量轻的硬铝合金l y l 2 制成。 管。 第二节运动学建模 机器人的移动机构出四套同步齿形带轮机构组成，作为机器人的移动行走装 y o 图2 2 移动机器人运动学分析 建立如图2 2 所示的坐标系：x o y 固定在地面上的平面坐标系： x p y 通过机器人两后轮共同轴线中点p 的相对坐标系。 移动时越障机器人摆臂竖起，运动学分析与四轮车辆类似，取两后轮的共同 轴线的中点p 为运动参考点，设越障机器人的平动速度为v ，角速度为w ，则： 中同科学技术人学顺l 。论文 运动学搜动力学分析 。p 毕 目 c 0 s 疗 ：ls i n 0 | 0 ( 2 1 ) 由于机器人车体重量远远大于摆杆机构的重量，所以整个越障机器人的质一巴 近似位于车体的j l 何中心，取质心到点j p 的距离为d ，则质心的坐标为： x 2 坳+ d 。0 3 目( 2 2 ) 【y = 场+ ds i n 0 两边各自求导，得小车的质心运动方程为： 一 y 口 c o s 0 = ls i n 0 0 越障机器人是由两个后轮驱动的，直接控制量为两后轮的转速1 和m 2 ，将 l 和2 与v 、w 建立起联系，如下式所示： f 一2 v + d w ， l 下2 v - d w j “ 其中d 为两后轮问距，为后轮半径。 第三节动力学建模 在对机器人进行动力学分析之前，作如下假设：连杆与车轮均视为刚体。 同步齿型带的材料为橡胶，质量可以忽略不计，车轮的质量可以等效到四连卡_ 机构上。机器人车体重量远远大于连杆机构的重量，所以在四连杆机构变形的 时候可以假定机器人的重心不变。 r ，rii。jiiiir o 0， q 1 叫 ，+bjiiiii。jl_ 舢础。 o 扎 1，j 州越 ，l 中冈科学技术人学坝i j 论文运动学发动力学分折 i ， ；厂 。、 i ? 。 、r。y 一谚h 。 r p ， ( a )左右轮受力( b )车架受力 图2 3 移动机器人动力学分析 如图2 3 所示，左轮的n e w t o n e u l e r 方程为： r ，一= 卅1 ( 2 5 ) 旧一zt ，= j c o i d j 纯滚动无滑动知： 可理，右轮的n e w t o n e u l e r 方程为 一只= m k r ：一 f j i ： ( 27 ) 虬= ，甜， 其中，兀 分别为地面对左、右轮的摩擦力，f ，分别为车体对左右轮的 反作用力，一，分别为左、右轮中心的平移速度，f ，r 二分别为左、右轮的驱动 力矩，q ，甜：分别为左、右轮的旋转角速度，m 为车轮质量，j 为车轮对轮心的 转动惯量。对于小车车架，运用n e w t o n e u l e r 方程，得： t f 、+ f 2 ) c o s o + 2 f 。s i n 8 = m ：x ( f + f 3 ) s i n o 一2 f ，c o s g = m y ( 2 8 ) 昙( 一一e ) + 2 f , g = 以各 其中，。1 t ，为小车车架质量，为小车车架相对于质心的转动惯量，f ，为地 面对车轮的侧向力，用以克服车体转向产生的向心力。 中f ： 学技术人学坝f j 论史 运动学发动力学分析 第四节越障能力分析 前面提到，衡量机器人越障能力主要考察其跨越壕沟和攀越台阶的能力、克 服倾翻的能力以及在松软地面行进的性能。下面着重分析机器人的稳定性，攀越 能力以及承载性能。 一、静态稳定性 研究机器人的静态稳定性，主要是研究它的倾翻失稳。机器人以任意方位角 置于斜坡上，当坡度增加时，机器人的重力线与斜坡的交点将沿斜坡梯度线向下 移动，当此交点越过倾翻轴时，机器人将发生倾翻失稳。我们将据此特征分析越 障机器人的静态稳定性。当重力线通过m 点时，机器人处于倾翻失稳的临界状 态，如图2 4 所示，根据几何关系可得，此时的斜坡倾角为： n = t g 。暑 ( 2 9 ) z “ 当前后摆臂n t 摆动的时候，机器人的重心略有降低，即d 减小，则0 。、随 之增大：更重要的是，当前后摆臂接触到地面时，后摆臂与地面形成面接触，大 大降低了机器人倾翻的可能性。因此，当机器人前后摆臂摆到与地面接触位置时， 机器人的稳定性最佳，所以实际情况下机器人的最大倾翻角要大于吼。 图2 4 机器人倾翻示意图 将d = 1 0 5 m m ，d = 4 5 m m ，代入2 9 得0 。，= 4 8 6 。 鲨坐竺查苎竺竺! ：笙兰 一一鲨型坐竺 二、附着性能 越障机器人以任意方位角置于斜坡上，当坡度增加时，机器人有可能不倾翻， 而是发生r f 滑运动，当地面给机器人的摩擦力小于重力沿斜面的分力时，机器人 将沿着斜面下滑，下面将分析机器人的下滑条件： 靠= ( 2 ，1 0 ) 其中“一机器人与斜面之间的动摩擦系数 在实验室条件下i 选用橡胶与木板之问的摩擦系数，即= o 7 1 ，带入2 l o 中，得目。、! ；3 5 5 。 综合2 9 ，2 。1 0 可知，当机器人保持前后摆臂接触地面的姿态运动时，具有 最强的爬坡能力，此时机器人能攀爬的最大坡度为： 目。= m i n 移。氏。 = 3 5 5 ( 2 - 1 1 ) 三、承载能力 机器人在松软地面上运动时轮子会下陷，因此在这种情况下，需要控制机器 入使其摆臂放下，以履带方式行进。接触面积的增大，使得机器人对地面压强减 小，从而增加了机器人的承载能力。 履带的承载能力山平均比压q 。来表示： 。一v g + q ( 21 2 ) 一= 一 1 ” f2 l b 式中，g 履带式移动机构的自重； q 由操作装置引起的偏载： 履带接地长度； 6 单侧履带接地宽度。 通常情况下，许用比压为 口。】：0 0 5 0 1 5 ( n m m2 ) ，在本论文中，车体等效 重力为：旷：g + 9 ：3 幻：3 0 ，j 【= 1 2 0 m m ，b = 1 3 r a m ，代入公式2 1 2 得 口：0 0 i ( n , * t i t 2 ) 一1 r 岁 崮：6 簿 ：2 墨 铡 ，、 l l 。 、 - _ _ - 0l o：3 04 ：j ：7 1 )s ： 距离l ( c m ) 图4 1 8 输出电压与测量距离关系曲线图 g p 2 d 1 2 共有三根连接线，含义分别为电源( 红色) 、地( 黑色) 、信号线( 黄 色) 。经过图41 9 的电路处理后，p s d 连接到d s p 的a d 端口。 + 5 v 图4 1 9 红外传感器信号处理电路 第六节电源及稳压电路 机器人采用的电源由两块7 2 v 的锂电池串联组成。考虑到电路中若干芯片 需要5 v 或3 3 v 电压来驱动，因此，需通过电源芯片进行调压。 中困科学 土术人学f l l j i1 j 论文于卒制系统耻件世汁 一、1 4 4 v 到5 v 1 4 4 v 电压转换成5 v 电压，通过p t 6 3 0 2 ( 3 a 可调f 输出步降集成丌关稳 压器) 来实现。p t 6 3 0 2 体积小，低功耗，适合用于片上电源转换，相关电路如 图4 2 0 所示： 二、5 v 到3 3 v 图4 2 0p t 6 3 0 2 稳压电路 0 5 v 电压转换成3 3 v 电压，通过l m l l l 7 ( 8 0 0 m a 低压差线性稳压器) 来实 现。l m l l l 7 体积小，具有限流及过热保护功能，相关电路如图4 2 l 所示： 图4 2 1 l m l l l7 稳压电路 d 中科学救术k 学倾l ：i k 史 控制系统程睁i 笠汁 第五章控制系统程序设计 移动机器人控制系统的软件设计体现了可配置、模块化思想，每个行为的 控制都由一个单独的模块执行。除行为任务外，还有感知任务、总体规划任务、 局部规划任务等。有些任务是时间片驱动，有些是事件驱动。考虑到软件平台 的通用性，控制系统的软件设计力求编程方法统一，开发接口统一，目的是使 整个结构能够移植到其它全自主移动机器人的控制上。 第一节机器人系统控制程序概述 机器人系统控制程序包括两部分：一是决策级p c i 0 4 控制程序，主要包括 图像处理、信息融合、路径规划及串口通信等：一是协调级d s p 控制程序，主 要包括串口通信、传感器信号处理及p i d 调速等等。移动机器人控制系统的程 序结构图如图5 1 所示： 图5 1控制系统程序结构图 第二节决策级系统 决策级系统的核心处理器为p c i 0 4 ，其主程序控制过程为：首先系统初始 化，读取图像信息，并对数据进行处理，然后读取d s p 通过串口通信传送过来 的红外传感器信号以及电机反馈信号，并将这些信息与前面的图像信息进行融 中田科学投术人学顺l j 论奠挣制系统程序i 5 汁 合，建立上不境模型，确定机器人自身状态。接下来对所建的环境模型进行解析， 并与p c i 0 4 嵌入的目标数据库进行特征匹配，同时调用专家控制库进行路径规 划，最后将控制指令通过串口通信发送至协调级d s p 。 多传感器信息融合 多传感器系统是信息融合的物质基础，实现多传感器信息融合要靠各种具 体的融合方法来实现。目前发展起来的信息融合方法有加权平均法、贝叶斯法、 d s 证据法、神经网络和模糊理论法、产生式规则法、卡尔曼滤波法等。 加权平均法是指多个传感器对目标的同一特征进行衡量，得到相同属性的 信息，然后根据先验知识将多个相同属性的信息加权平均。这种方法比较简单、 直观，一般是在数据层上进行衡量，获取多种精确的、局部的信息。应用加权 平均方法必须先对系统和传感器进行详细的分析，以获取f 确的权值。 汪掘理论的概念是由d e m p s t e r 在1 9 7 6 年最先提出的，以后由s h a f e r 进一 步发展和完善，形成一套关于证据的数学理论，因此证据理论通常称之为d ，s 理论。在汪据理论中引入了信任函数，用它来表示由不知道所引起的不确定性， 当概率值已知时，证据理沦就变成了概率论，也就是晓，概率论是证据理论的 一种特例。由于证据理论中肯定与否定并不是简单的真伪，而是有功度的，且 肖定与否定的合成也不是肯定与否定测度的简单合成，因此，这样的模型更符 合人类推理机制。 产生式舰则法采用符号表示目标特征和相应的传感器信息之i 吲的联系，与 每个规则相联系的置信因子表示其不确定性程度，当在同一个逻辑推理过程中 的两个或多个规则形成一个联合的规则时，可产生融合。产生式规则存在的问 题是每条规则的可信度与系统的其他规则有关，这使得系统的条件改变时。修 改相对闲难，如系统需要引入新的传感器，则需要加入相应的附加规则。 多传感器系统中，各信息源提供的环境信息都具有一定程度的不确定性， 这些不确定性信息的融合过程实质上是一个不确定性推理过程。模糊逻辑是一 种多值型逻辑，指定一个从0 到l 之间的实数表示其真实度。模糊融合过程直 接将不确定性表示在推理过程中。如果采用某种系统的方法对信息融合中的不 确定性建模，就可产生一致性模糊推理。 信息的融合模式可以分为两大类型：集中融合和多层次融合。集中融合模 式如图5 - 4 所示。传感器s 1 ，s 2 ，s n 表示n 个传感器，它们获耿的信息经 中阿科学技术人学倾i - 论文控制系统程序i 5 2 汁 过局部处理后，输入到信息融合中心，采用某种具体的方法进行融合。 传感器信号变换信息融合方法 信息融合结果 s l s 2 s n 叫 ( s 1 ) 卜 叭叶斯法 证据推理法 模糊逻辑法 lr e ( s 2 ) 卜 平均法 - - t g 一( s 1 ) 一，厶( s n ) 指导法 | 神经刚络法 产生式规则法 叫矗e s n ) 卜 统计决策法 图5 4 集中信息融合模式框图 多层次信息融合如图5 5 所示。首先对s 1 和s 2 传感器信号进行融合形成 第一级融和信息s 1 ，2 。将s l ，2 同s 3 进行融合形成第二级融合信息s 1 ，2 ， 3 。用同样的方法，可以得到n 个传感器的融合信息。图中虚线表示系统x , t g 个信息融合点的操作。 图5 5多层次信息融合框图 本论文所采用的是集中信息融合模式，信息融合方法采用贝叶斯法，贝叶 斯估计适用于融合静态环境中多传感器数据，其信息描述为概率分布，适用于 具有可加高斯噪声的不确定睦。在计算中，传感器选用一致的观测坐标，故可 挖佑系统程序蹬汁 采用直接法对传感器测量数据进行融合。 在传感器数据进行融合之前，必须确保测量数据代表同一实物，即要对传 感器测量进行一致性检验，在此我们用m a h a l a n o b i s 距离作为决定数据融合的 一个测度： 1 r = ( z ，一j ! ) 7 c “( x l x ! ) ( 5 6 ) z x i 和x ! 为两个传感器测量，c 为两个传感器相关联的方差阵，为最小时 代表两个测量之问的一致性，当两个测量不一致时，m a h a l a n o b i s 距离将变大。 通过贝叶斯估计，将来自视觉系统和传感器系统的测量值进行融合，从而 得到环境信息与机器人位置与姿念的结构。 二、避障子程序 避障子程序的流程如图5 6 所示：丌始，首先对模糊控制系统进行初始化， 包括建立模糊控制规则，将专家控制经验嵌入到控制系统当中，确定系统的模 糊量、隶属度函数等：接下来是机器人实时动态动作的获取过程，首先通过红 系统初始化 t 获墩叫、境信息 + 输入变最模糊化 + 模糊推理 + 解模糊 l + 求眸东统1 i 制功忡 t 噙 图5 6 避障子程序流程图 外传感器、摄像头等传感器提取环境信息；然后对系统的输入变量进行模糊化， 确定对应的模糊量和模糊隶属度函数；接下来进行模糊推理，从系统的决策库 中困科学技术人学麒l 论文控制系统程序吐汁 中提取列+ 应的模糊规则，计算当前的环境信息和该规则的符合情况；最后解模 糊综合所有各规则的动作，计算出机器人当前实际输出的动作。完成该动作以 后，判断模糊控制是否停止，如果控制停止，则等待更高级别的系统调用：如 果没有停止，则继续进行环境信息的获取，继续利用模糊控制来计算系统当前 的输出动作。 模糊控制避障最关键的是避障策略的规划。机器人装配的传感器有5 个， 其分布参见图5 7 ，左右两边的4 个传感器用于检测机器人的旁边障碍物，中川 的传感器用于检测机器人前方的障碍物。 假设移动机器人的位置( 两后轮轮轴的中点) p 为( x ，y ) ，被检测到的障 碍物某点的位置可表示为如下形式： 其中r 为传感器距p 点的距离，为传感器与机器人轴的央角，卢为传感器 与机器人轴的安装角度，口为移动机器人的方向角度，当传感器检测到的距离d 满足d d 。时，其申d 。为安全距离，机器人必须设法绕过障碍物。 y 0 x 图5 7 机器人避障示意图1 ( 1 ，2 ，3 ，4 ，5 分别为传感器) 移动机器人在运动的过程中检测到的一般障碍物及避开策略可归结为以下 几种情况： 1 拐角物。例如左、右拐角物，移动机器人必须朝某一固定的方向绕过( 右 4 5 + 搿 d d 口 口 嘶吣 卜 + x yz 。儿 中田科学挫术人学坝i + 论文捧制系统程序设计 转弯或左转弯) ，见图5 8 中的( a ) 、( b ) 图 2 单侧障碍物( 左或右边) 。移动机器人必须沿某一固定的方向转弯避丌， 见图5 8 中的( c ) 、( d ) 图： 3 两n i 荤碍物。移动机器人只能在两侧障碍物的中间运动，见图5 8 中的( e ) 图： 4 前方障碍物。移动机器人必须根据规划的目标位置选择一个避丌方向，见 图5 8 中的( f ) 、( g ) 图。 当检测到的障碍物为室内墙壁时，我们可以通过对传感器的信息处理来判 断，如：( _ l yi ) 、( 矗：，y 。：) 、( x 。y 。，) 、( 。，j ，。) 分别为传感器扫描到的障碍物 经信息处理后的坐标点，如果传感器当前时刻的坐标变化值与前一时刻变化不 大时，我们可以认为其为一墙壁，即若： 且自 f l 工。一x 葩l j l y 。一y 。不定 ( 5 8 ) ( 5 9 ) 其中j ，为一较小的值，其值的大小可根据实验或传感器的误差而定，则我们可 以认为右侧障碍物为墙壁。 f 习 图5 8 机器人避障示意图2 笋 彭 一 p _ 的 令令 i 中冈科学技术人学坝| 论文控制系统程序i 5 2 计 同样，当存在 且有 则左侧障碍物为墙壁e 当存在： 且柏 x o 。l 况 y 。不定 憾，一x o ：i s t j i 一，一j 。 8 4 i 虬一虬! 不定 l y 。；一只。不定 ( 5 1 0 ) ( 5 1 1 ) ( 5 ，1 2 ) 正( 。) 。疋( 。+ 1 ( 5 1 3 ) l 正( k ) * 一( 女+ i ) 则左右两边均为墙壁。对于上述情况，只要移动机器人的前方传感器没有 检测到障碍物，我们可使移动机器人加速前进，不必考虑其障碍物的避丌，只 需保证移动机器人与墙壁之帕j 有一个安全距离。 特殊情况，对于如图5 9 所示的通道，为了避免移动机器人因通道较窄而 陷入其中，必须保证移动机器人上配备的传感器在安全位置时的投影距离h 满 足下列关系式： h b + 2 d o 4 7 ( 5 1 4 ) h f【 引习科学技术人学坝i 论文 控制系统程序改汁 图5 9 特殊通道 其中b 为移动机器人的宽度，d 。为机器人与障碍物的安全距离。图5 9 中 的虚线为移动机器人前一时刻的位置，实线为当前时刻的位置，阴影部分为安 全通道，虚线为较窄通道。 三、越障子程序 越障子程序的流程为：丌始，首先将环境信息与控制器内嵌识别系统进行 特征匹配，以判断障碍类型。如果为斜坡，则执行越障子程序l ，同时发送控 制指令至协调级控制层；如果不是，则继续匹配，如果为凹槽，则执行越障子 程序2 ，同时发送控制指令至协调级控制层；如果不是，则继续匹配，如果为 台阶，则执行越障子程序3 ，同时发送控制指令至协调绒控制层：如果不是， 则继续匹配，如果为下台阶，则执行越障子程序4 ，同时发送控制指令至协调 级控制层；如果不是，则表明匹配失败，障碍不可越，机器人后退，调用避障 子程序。控制指令发送完毕，机器人运动，接下来判断障碍是否越过，如果越 过，则结束越障动作；如果没有越过，则机器人后退，调用避障子程序。 中田科学技术人学坝l 论文挣制系统程序改i 十 四、串口通信 图5 1 0 越障子程序流程图 p c i 0 4 串口通信源程序见附录1 。 第三节协调级系统 d s p 主程序流程如图5 1 6 所示 关叶1 断 + p i d 调迷 + 摆臂调节 + 开中断 + 退出中断 图5 1 6d s p 主程序流程图 4 9 p 玉l f ? 学技术人学删i 。论文 控制系统程序趾汁 一、串口通信 d s p 中s c l 模块支持c p u 与其他使用标准格式的异步外设之i 日j 的数字通 信。本泛文中用s c i 模块实现d s p 与p c i 0 4 之阳j 的串口通信，程序关键在于 没置控制位。通过设置相应控制寄存器的位来初始化所需的串行通信接口通信 格式，包括操作模式、协议、波特率、字符长度、奇偶校验位等等。 本沦文中s c i 模块初始化程序见附录2 。 二、a d 转换 d s p 中a d c 模块的功能是采集传感器信号，实现传感器信息的读取，整 个转换程序的关键在于寄存器位的设置。 a d c 有2 5 个寄存器：控制寄存器a d c t r l l ，2 ；最大转换通道数寄存器 m a x c o n v ；通道选择排序控制寄存器c h s e l s e q