（机械制造及其自动化专业论文）数字地图与路径规划.pdf

甫京理工大学硕士学位论文曲 目前，自主移动机器人、无人驾驶汽午等领域的研究进入了应用的阶段， 随着研究的深入，对移动机器人的目主导航能j j 、目标达到精度和避障反应时 间等提出了更高的要求。而限制自主导航能力、目标达到精度的关键技术是导 日 地图数据库系统的建立，也既是全域规划的合理性，而限制避障反应时间的 关键技术是控制策略及控制算法的实时性，也既是局域规划的高效性。为此， 本论文对移动机器人自主行走的导航地图数据库系统和基于多传感器融合的机 器人局域规划进行了较为系统深入的研究， 在分析移动机器人运动学特性的基础 _ ，提出r 适用于任意车轮数和任 意驱动和转向式的二维移动机器人的运动学描述及约束方程。 导航地图数据库系统是指导机器人行走的最幕本的信息，在理想状态f 机器人只要提取导航地图数据库系统中的信息即可以完成规划的行走，任实际 行走的过程中，导航地图数据库系统又作为局域规划的基础。因此导航地图数 据库系统在移动机器人系统中的作用非常重要，导航地图数据库系统是否高教 合理，是机器人是否能够快速安全到达各目的点的关键。本文针对机器凡实琢 行走的环境，建立了一个简洁有效的导航地图数据库系统，并提供了个非常 友好又便于操作的图形化用户界面，使机器人的全域规戈0 的实现方便而记高 效。 移动机器人对当前感知环境进行快速准确的识别和分类是实现无冲突行 走的关键技术。本文使用多传感器融合技术，提出了埘机器人当前行走环境的 特征提取方法。由于模糊控制技术不需在输入和输出之间的精确数学描述， 而且具有高度的鲁棒性，因此是提高这类非线形控制算法实时性的有敬日法 本文提出了基于模糊控制技术的、用f 移动机器人行走的控制系统，庄机器人 的输入和输出之间编制了模糊控制规则表，提高r 控制算法的实盼| 生。 本论文最后对上述算法利用迎宾机器八聪明叭贝进行了实验验证，对实 验的误差进行了分析，结果证明r 奉论文提出的仝域觇划和局域规划算浊是l ? 确的和有效的。 关键词：移动机器几导航地图数据阿 模糊控制技术善传感器融合 仝域规划 确域规划 苎塞兰三奎兰望主兰些竺奎垒生型 a b s t r a c t a tp r e s e n tt i m e , r e s e a r c h e so fa u t o n o m o u sm o b i l er o b o ta n da u t o n o m o u s n a v i g a t ev e h i d e a r r i v ea tan e w s t a g e w i t h t h e d e v e l o p m e n to f r e s e a r c h ，h i g h d e m a n d so nt h ea u t o n o m o u sn a v i g a t i o na b h i t y 、p r e c i s i o no f a r r i v i n ga tt a r g e t a n dt i m eo f a v o i d a n c eo b s t a c l e sh a v ea l s ob e e n p u t f o r w a r d b u ti t sa u t o n o m o u s n a v i g a t i o na b h i t ya n dp r e c i s i o no fa r r i v i n ga tt a r g e ta r cm a i n l yi n f l u e n c e db y i t sn a v i g a t i o nm a pd a t a b a s e ，t h a ti st h em a c r o c o s mp r o g r a m m i n g ；a n di t s t i m eo fa v o i d a n c eo b s t a c l e sa r em a i n l yi n f l u e n c e db yi t sc o n t r o ls t r a t e g ya n d r e a l - t i m ec o n t r o lp e r f o r m a n c e ，t h a ti st h em i c r o c o s mp r o g r a m m i n g f o rt h i s r 目2 1 s o n ，t h i sd i s s e r t a t i o n p r e s e n t s a s y s t e m a t i cs t u d y o nn a y i g a t i o nm a p d a t a b a s ea n dm i c r o c o s mp r o g r a m m i n gt h “b a s e do ns y n c r e t i z i n gm u l t i - s e n s o r i n f o r m a t i o n b ya n a l y z i n gt h ek i n e m a t i c sa n ds t r u c t u r eo fm o b i l er o b o t ，w eg i v eo u ta p r a c t i c a lm o b h er o b o t sk i n e m a t i cd e s c r i p t i o na n dc o n s t r a i n t sw h i c hd e a r l y d i s t i n g u i s h e s a p r a c t i c a lm o b i l e r o b o tf r o maf r e er i g i db o d y a n dt h i sk i n e m a t i c d e s c r i p t i o na n dc o n s t r a i n t sa r ea d a p t e dt ov a r i o u sk i n do f m o b i l er o b o tw h i c h t h en u m b e ro f w h e e l sa n dd r i v i n ga n dt u r n i n gm o d da l lc a nb ea r b i t r a r yi nt h i s d i s s e r t a t i o n t h en a v i g a t i o nm 叩d a t a b a s ei st h em o s ti m p o r t a n ti n f o r m a t i o nt ot h e r o b o t ss t e p p i n g i ni d e a ls t a t u s ，r o b o ti sa b l et of i n i s hs t e p p i n ga sp r o g r a m m i n g a c c o r d i n gt od a t a b a s e i np r a c t i c a l l ys t e p p i n gp r o c e s s ，t h en a v i g a t i o nm a p d a t a b a s ei st h eb a s ef o rr o b o t sm i c r o c o s mp r o g r a m m i n g s ot h en a v i g a t i o n m a p d a t a b a s ei sv e r yi m p o r t a n ti na u t o n o m o u sm o b i l er o b o t t h en a v i g a t i o n m a p d a t a b a s ei sw h e t h e rr e a s o n a b l eo rn o ti st h ek e yf o rt h er o b o ta r r i v i n ga t i t s t a r g e t t h i sd i s s e r t a t i o n c o n s t r u c tac o n c i s i o nd a t a b a s ea n daf r i e n d l y i n t e r f a c ef o ri t su s e ra c c o r d i n gt h ep r a c t i c a l l ye n v i r o n m e n t ，a n du s i n gt h i s m e t h o d ，t h em a c r o c e s mp r o g r a m m i n g i sv e r yf a c i l i t ya n de f f i c i e n c y f o ram o b i l er o b o tt on a v i g a t ea u t o m a t i c a l l ya n dr a p i d i nap a r t l y - 数字地图与路径规划 南京理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t u n k n o w ne n v i r o n m e n t ，a ui m p o r t a n tf a c t o ri st oi d e n t i f ya n dc l a s s i f ym o b i l e r o b o t sc u r r e n t l yp e r c e p t u a le n v i r o n m e n t ，b a s e do n s y n c r e t i z i n gm u t i - s e a s o r i n f o r m a t i o n ，t h i sd i s s e r t a t i o n g i v e o u ta c l a s s i f ym e t h o df o rc u r r e f l t i y p e r c e p t u a le n v i r o n m e n t f u z z yc o n t r o lt e c h n i q u e s f a n i m p r o v er e a l - t i m e c o n t r o lp e r f o r m a n c ef o rm o b i l er o b o td u et oi t s h i g hr o b u s t n e s sa n de r r o r - t o l e r a n c ea b i l i t y a f u z z yl o g i cb a s e dc o n t r o ls y s t e mw h i c hi su s e d t oa c h i e v et h e m o b i l er o b o th a y i g a t i o ni nap a r t l y - u n k n o w ne n v i r o n m e n tbp u tf o r w a r d c r e a t i v e i y ，a n dar u l e - l i s tb a s eo nt h ei n p u tv a r i a b l ea n d0 u t p u tv a r i a b l ei s c a r r i e do u t t h i sc o n t r o ls y s t e mi m p r o v e sr e a l - t i m ec o n t r o lp e r f o r m a n c e ， w e e x p e r i m e n t i z e w i t hb r i g h t - b a b y ，ai n t d l e e t i v er o b o t ，a n d a n a l y s et h e e li o ro fs t e p p i n g t h ee x p e r i m e n t sr e s u l tv e r i f yt h a tt h ea b o v et h e o r ya n d a l g o r i t h m i sc o r r e c m e s sa n de f f e c 嘶e a e s s ， k e y w o r d ：a u t o n o m o u sm o b i l er o b o t n a v i g a t i o nm a p d a t a b a s e m a c r o c o s m p r o g r a m m i n gf u z z yl o g i cc o n t r o l s 了n c r e t i z i n g m u l t i - s e n s o ri n f o r m a t i o n m i c r o c o s mp r o g r a m m i n g 数字地图与路径规划 i l l 一一一一一 一。 南京理工大学硕士学位论文 第一章结论 1 1 引言 第一章绪论 人们研究和制造机器人，是期望借采用的机构、传感器、驱动器和计算机 等，把人的功能的某些方面综合起来，使得机器人能代替人完成某些工作。经 过研究工作者们几十年的努力，已经有了弧焊，点焊，喷漆，上下料以及装配 等各种类型的机器人，他们在工业生产中的应用，大大地提高了各种产品的一 致性和质量。然而，随着机器人技术的进一步发展，人们发现，机器人如果只 能固定于某一位置进行操作，其应用范围和功能还是极为有限的。因此，近年 来，许多研究工作者纷纷把精力投入到机器人的自主行走方面，使其能移动到 指定的目标，完成设定的操作。 自主移动机器人( a u t o n o m o u sm o b i l er o b o t ) 技术是近年来得到飞速发展 的一个国际性前沿领域。它在最近几年中取得了引人瞩目的发展，引起了学术 界的巨大热情和广泛兴趣，并受到了世界各国的普遍重视和极大关注。自主移 动机器人技术的发展不但预示着重大的科学研究价值和广泛的引用前景，而且 推动了以智能机器人为背景的许多关键性技术的诞生和发展。机器人的运动方 式是多种多样的，但归纳起来有两类，一是足式移动机器人；二是轮式移动机 器人。无论采用哪种运动方式，其目的都是无碰撞地到达指定目标点。 移动机器人可阻按照预先给出的任务命令，根据己知地图信息作出全域路 径规划，并在行进过程中，不断感知周围的局部环境信息，自主地作出各种决 策，并随时调整自身位姿，引导自身安全行驶或跟踪己知路径，并执行相应的 动作与操作。为此，移动机器人应具备下列三种职能： ( 1 )自身位姿的感知能力 ( 2 )局部环境的感知能力 ( 3 )自主导航能力 数字地图与路径规划 南京理工大学硬士学位论文 第一章绪论 移动机器人自身位姿的感知和局部环境的感知是依靠各种传感器及其信息 处理与融合来实现的，移动机器人的导航是在自身位姿和局部环境感知的基础 上。利用各种算法来实现的。由于移动机器人运动的环境多变：既可以是室内， 也可以是室外：既可能已知，也可能未知，甚至可能是时变的，因而给移动机 器入的导航带来了诸多问题吸引了许多研究工作者对此进行探讨。 随着对移动机器人研究的不断深入，其应用也日益广泛。比如高速公路中 的自动驾驶，医院中的导盲车、危险场合中的自动作业、清洗储油罐和储存危 险废水罐的清洗机器人、服务机器人以及能巡逻的哨兵，特别是在柔性装配系 统中，移动机器人代替了传统的输送带，实现了机械零部件的自主传输等等。 1 2 移动机器人的导航研究现状分析 移动机器人的导航( n a v i g a t i o n ) 问题在六十年代束就己被提出，其主要 研究内容是在具有障碍物的环境内，按照一定的评价标准，实现移动机器人从 起始点到目标点的无碰撞运动，该问题也就是移动机器人的运动规划( m o t i o n p l a n n i n g ) 。八十年代以后，随着数学和计算机等耜关学科的发展，移动机器 人的导航技术得到了迅速发展。与此同时，世界各国正在积极组织和实施与此 有关的重大项目，如美国的d a r p a 计划、日本的h f s p 计划、德国的“欧洲 防御计翅j ”、英国的m a r d i 计戈 l 以及欧共体的e s p r i t 计划。貔国一些单位 也在国家“8 6 3 ”高技术发展计翅l 的支持下，开展了自主移动机器人技术的研 究。自主移动机器人技术尽管已取得了令人鼓舞的进展，但什么是自主移动机 器人? 自主移动机器人主要研究什么? 目前还没有统一的定义。然而一般认 为，自主移动机器人系统是这样的车辆或运动机构，它们能在没有外界导引或 遥控的条件下能自行运动，完成一定的任务。其主要任务是在给定起点和终点 条件下能规划出一条避碰路径，并在地图( 不一定是完全的) 支持下，借助传 感器信息完成相应运动 r a c z k o w s k y1 9 9 l 】。这个定义指出了自主移动机器人 应具备的基本功能以及主要的研究内容。可以说自主移动机器人研究涉及了地 图表示、路径规划、路径执彳亍控制，传感信息处理与定位等许多相关技术。由 于其工作环境的复杂性以及当前科学技术发展承平的限制，在没有关于环境的 数字地留与路径规划 南京理工大学顿士学位论文 第一章墙论 先验知识条件下，至今还很难完全解决这个问题。目前所做的工作都需要对环 境加咀一定的限制，并给机器人提供尽可能多的先验知识。所以先验地形环境 知识的有效表达、组织和管理以及基于先验地图知识的快速自动路径规划已成 为当前自主地面导航能力开发的一项关键性基础工作。 实现移动机器人的自主行走，应使用路径规划方法( p a t hp l a n n i n g ) ，路径 规划法分为两个阶段，即在机器人行走前的全域规划法和机器人行走过程中的 局域规划法。全域规划法是指在人的参与下，生成导航地图数据库的过程，首 先把机器人当前的运行环境进行特征提取和分析，建立一个机器人可以识别的 数字地图，然后再在数字地图的基础上，按作业要求给出各个关键点包括机器 人舶出发点和各目标点，在各个关键点之间建立一条无冲突的移动路径。该路 径要满足移动机器人羁作业环境的几何擘和运动学要求，特另吐是回避与环境中 障碍物的冲突。最后把各种信息存储在导航数据库中，包括地图、关键点的坐 标、机器人在各点之间的运行距离、行走方式等信息。这些信息将在机器人行 走过程中作为控制量输出到机器人的驱动系统。在理想状态下，即机器人运动 的环境在实际运动阶段和规划阶段是不变的，也即不会有突发的障碍物出现于 机器人的运动空问中，那么导航数据库中的信息对机器人的自主行走来讲己完 全足够，机器人可以按规划行走到达各目标点。但在机器人实际运动的过程中 其环境是局部变化的，即在机器人规划韵行走路径上可能有障碍物出现，那么 仅靠导航数据库中的控制量不足以使机器人无冲突地到达各目标点。因此我们 又要采用局域规划法。局域规划法是指机器人在按全域规划提供的路径信息行 走的过程中，不断的采集当前的环境信息当有非原始环境中的障碍物出现时 自主避障，选择新的行走路线。并最终到达目标点。机器人在避障行走的过程 中仍然不断采集当前的环境信息，当检测到又有障碍物出现时，机器人叉会再 一次避障，否则机器人会在避开障碍物后回到原来的规划路径上。我们可以看 出其中的局域规划是一个不断循环，无限嵌套的过程，或者可以这样认为，前 一步的局域规划是作为后步的全域规划，机器人总是在全域规划的基础上进 行局域规划来到达各目标点。 数字地图与路径擐划 南京理工大学硬士学位论文 第一章绪论 1 3 移动机器人路径跟踪及控制方法分析 所谓机器人路径跟踪，是指机器人在实际的运行空间中，处理各种不可预 见的情况，跟踪规划的路径从出发点运动到目标点。对移动机器人路径跟踪的 研究主要集中在两个方向上，一是路径的设置及其信息的获取，二是控制方法 的研究。路径的设置主要有两种方法，即硬体路径( 或称为有线路径) 和软件 路径( 或称为计算机地图路径) 。关于路径信息的感知和获取主要有如下几种 方法，e l f e s 采用超声敏传感器测距，h o p p e n 和k n i e r i e m c n 采用激光雷达测距， t s u m u r a 采用光敏传感器来感知地面上的亮带，h o l l i e r 采用无线电波接收器来 接收地面上埋设的电缆( 即路径) 发出的信息，k a j a g o p a l a n 采用摄象机来感 知地面上的有色路径，k a n a y a m e ，n e l s o n ，ss l e e 采用c c d 记忆示教的软 体路径。而后再现的方式来获取路径信息。 关于控制方法的研究，常用的方法就是在笛卡尔坐标系中利用误差矢量的 反馈来进行纠偏的，但这种方法的计算量较大，降低了控制的实时性。为此， 许多学者致力于移动机器人运动模型和纠偏方法的研究，以寻找一个即简单又 合适的数学模型及纠偏方法。 在移动机器人的路径跟踪中即要求控制方法简单易行，实时性好，又要 求能反映移动机器人的客观实际。而在移动机器人的实际控制过程中，由于诸 多非线性因素和不确定因素的存在，使得我们采用现代控制理论难以获得满意 的控制效果。 由于移动机器人的控制是一个典型的非线性系统，而且是在一个存在非线 性干扰和噪声的环境中运行，为得到较好的控制性能，这样复杂的系统就需要 非线性控制理论来实现。而模糊控制技术由于不需要输入和输出之间的精确数 学描述，而且具有较高的鲁棒性和容错能力，因而，用模糊控制技术来实现移 动机器入在未知环境下快速无冲突运行，是提高移动机器入路径跟踪精度的有 效方法。本论文对在局部未知的环境下，采用多传感器融合技术，基于模糊逻 辑控制技术的移动机器人导航理论及方祛和移动机器人精确路径跟踪的理论及 方法进行深入研究和探讨。 数字地圈与路径规划 j 塑塑兰三三! ! ! 壁兰堡丝苎 苎二! 堕笙 1 4 国内外自主移动机器人发展概况 自主移动机器人是近年发展起来的一项高技术研究项目。目前国内外、各 地区、各研究机构关于这个课题的研究目标和侧重点各不相同，这不仅取决于 各研究机构的研究专长，更太程度上也取决于投入的资金和所期望的引用前 景。我们在这里仅按国家和地区对这一领域的发展状况作一简单的介绍，有关 导航地图数据库及其路径跟踪技术的详细讲述参见第三章和第四章。 在日本t 其主要研究侧重于机器人机械运动机构和相应的运动控制( 如步 行机器人、爬虫机器等) 。日本在足式移动机器人发展中傲了很多有特色的工 作，在轮式移动机器人方面有代表性的是筑波大学的y a m a b i c o 系列，自1 9 7 8 年以来已生产了1 2 个系列型号。近五年来，也开展了体现地图( 环境) 模型 和自动路径规划等地图导航技术的自主移动机器人系统研究，有代表性的工作 有多移动机器人以及c e l l u l a r 机器人系统。其主要研究方向是室内环境中局部 导航算法，传感器系统由台摄象机和多个超声波测距传感器组成，特点是不 利用传感器信息产生新的环境地图，而是将其与事先给定的地图( 以数字地圈 模型形式建立) 进行比较，决定下一步的运行路径。 在美国，由于其资金雄厚。更多的是进行室内外自主移动机器人车辆的研 究，重点放在地面导航能力的开发以及主要用于室外道路和环境识别的在专用 处理计算机支持下的圈象处理系统的研制。 最早涉及环境表示和路径规划技术的移动机器人系统是n i l l s s o n 于1 9 6 9 年在s r j ( s t a n d f o r dr e s e a r c hi n t e r n a t i o n a l ) 研制的s h a k e y ( n i l l s o n ，1 9 6 9 ) 。 四年后美国空气动力实验室j p l ( j e tp r o p u l s i o nl a b o r a t o r y ) 研制的用于火星表 面探索的半自动移动机器人j p l - - r o v e r t h o m p r o n , 1 9 7 7 。7 0 年代末h a n s e m o r a v e c 在斯坦福大学研制的s t a n f o 巾c a r t m o r a v e c1 9 7 9 ，m o r a v e c1 9 8 1 ， 8 0 年代初m o r a v e c 在c m u ( c a r n e g i em e t t o nu n i v e r s i t y ) 研制的n e p t u n e m o r a v e c1 9 8 3 】和i m p ( i n t i l l i g e n tm o b i l ep l a f f o r m ) c r o w l e y1 9 8 5 】以及8 0 年代 m i t ( m a s s a c h u s e t t si n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y ) 人工智能实验室研制的十几个不同性 能，不同结构的移动机器人系列 y l y o n1 9 8 8 等都隐式的引用了导航地图数据 数字地图与路径规划 南京理工大学硕士学位论文 第一章绪论 库以及自动路径规划。它们大多采用简单地图环境的栅格网模型化方法以及基 于栅格图的路径规划算法。 1 9 8 2 年以后，在d a r p a ( d e f e n s ea d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c t sa g e n c y ) 支持 下，才真正将导航地图数据库和自动路径规划作为一项关键技术进行研究。美 国c m u 大学，h u g h e s 研究中心和m a r t i n - m a r i e t a 公司等研究单位开始了旨在 开发地面导航能力的a l v ( a u t o n o m o u s l a n d v e h i c l e ) 计划的研究。c m u l 9 8 6 年设计并构造了作为视觉和导航实验实验库的n a v l a b 车辆系统，当时采用将 全域地图数据库和基于地图的规划器作为其独立模块的c o d g e r 结构 t h o r p e 1 9 8 9 。1 9 8 9 年，c m u 对n a v l a b 进行了改进，采用e d d i e e f l a e i e n t d g h r e n t r a l i n e d d a t a b a s ea n di n t e r f a c ee x p e r i m e n t ，e d d i e 将地图划分为全局和局部表示，不 将全局地图作为它的中心，对低层车辆控制层提供了通信和紧耦台界面。在 e d d i e 的顶层提供了a n n o t a t e d m a p 。9 0 年代，c m u 在对前期工作研讨的基 础上，研制了基于道路的a l v 系统a l v n n 。a l v n n 利用a n n o t a t e dm a p 和神经网络进行导航、控制和识别。与此同时i i u g l m 研究实验室1 9 8 7 年8 月完成了越野地图环境中第一个陆地车辆自主导航( 软件) 系统，该系统完全 依赖于数字地图和传感器信息，规划软件引用数字地图规划一条较佳的路径， 然后随着车辆沿这条路径行驶，传感器系统不断的获得环境的信息，以最小的 时延( 在传感和动作之间) 检测和避开越野地图中的障碍物。h u g h e s 的工作 己在m a n i nm a f i a , a si k l v e f ff a c i l i t i e s 研制的自主地面车辆上进行铡试。美国 f m c 公司也从1 9 8 2 年开始进行了自主战车系统研究t k u a n ，1 9 8 7 ，1 9 8 8 ，e t l ( e n g i n e e rt o p o g r a p h i cl a b o r a t o r i e s ) ，d m a ( d e f e n s em a p p i n ga g e n c y ) 和n a v a l p o s t g r a d u a t es c h o o l 等单位也开展了导航地图数据库和自动路径规划等专项关 键技术的研究。 在欧洲，主要的研究兴趣在于室内移动机器人以及用于工业的自动搬运 车。e e c 开始了包括机器人信息融合( s k i d s - - n o 1 5 6 ，1 9 8 8 ) 、机器人车 辆( p a n o r a m a - - n o 2 4 8 3 ，1 9 8 9 ) 及驾驶员辅助系统p r o m e t h e u s d r i v e 等研究的e s p r i t 计划。在e s 州卜_ 计划支持下，1 9 9 2 年由德国，法国及荷兰 等数个研究单位和公司联合开始进行了名为m a r t h a ( m o b i l e a n da u t o n o m o u s r o b o t sf o rt r a n s p o r t a t i o na n dh a n d l i n ga p p l i c a t i o n ) 的项目，计划研制多个移动 数字地图与路径规划 南京理工大学硕士学位论文 第一章绪论 机器人搬运及操作系统，完成机场、车站、码头等环境下的货物搬运任务。在 e s p r i t 计划和德国戴姆勒奔驰汽车公司支持下，德国慕尼黑国防军大学与1 9 8 9 年研制了v o m o r s ，在没有其他车辆运行的高速公路上可进行时速为1 0 0 公里 的自主视觉导航行驶【d i c k m a n n s1 9 8 9 】，1 9 9 2 年底在正常交通环境下，从德国 斯图加特至乌尔姆之间1 0 0 公里的高速公路上进行了自主导航行驶。还有，英 国b r i s t o l 、o x f o r d 和s o u t h a m p t o n 等大学在m a d r i ( m o d m o b i l ea u t o n o m o u s d e f e n s er e s e a r c hi n i t i a t i v e1 9 8 8 ) 开展了监控，遥控履带式越野车、全自主道路 车辆( r o v e r ) 和实验室i a v ( i n t e l l i g e n ta u t o n o m o u sv e h i c l e s ) 等项目的研究。 1 5 本论文完成的主要内容 本论文对以下两个问题进行讨论和研究。 ( 1 )对机器人的行走环境进行特征提取和模型化，建立可视化的数字 地图，并在此基础上建立机器人的导航地图数据库。 ( 2 )在导航地图数据库的基础上基于多种传惑器的信息融合，利用 模糊控制技术实现机器人的自主行走。 本论文共分为五章，现分析如下： 第一章，介绍了国内外移动机器人的研究现状，并对我们所关心的导航 和路径跟踪控制进行了更为详细的介绍。 第二章，分析了二维移动机器人的运动学特征，提出了二维移动机器人 的通用运动学方程，在分析二维移动机器人转向机构约束，和非完整约束的基 础上，以直线和圆弧两种典型运动为例，阐明了移动机器人上参考点位置变化 将影响移动机器人的运动特性，并给出了移动机器人参考点的运动与其余各点 运动之间的关系。 第三章，介绍了导航地图数据库系统的设计与实现，并介绍了导航地图 数据库系统的基本功能和系统结构，并对数据库系统的界面设计思想进行了介 绍。导航地图数据库系统不仅是自主移动机器人地面导航能力开发的重要工 具，而且是路径规划算法研究、设计和评价的实验平台。 第四章，首先分析了基于超声波传感器的对当前环境特征的感知提取方 数字地图与路径规划 南京理工大学硕士学位论文第一章绪论 法，以保证所提取的特征量真实地反映移动机器人的当前感知环境根据超声 波传感器在移动机器人上的布置情况，将期望的感知环境分为1 0 类，井建立 了相应的样本数据，在此基础上，再融合了红外传感器和接近开关等信息，建 立了在未知环境下的多输入多输出模糊控制器，并编制了模糊控制规则表。在 这一章中还讲述了利用磁罗盘和光电码盘对机器人进行定位的方法。 第五章，介绍了移动机器人聪明贝贝自主行走部分的系统构成，并使用 该移动机器入进行了自主行走的实验，实验证明，本文所提出的诸多理论是正 确的和有效的。在这一章的最后，我们对本论文的工作进行了总结，提出了进 一步发展移动机器人自主导航系统所要解决的问题。 数字地图与路径规划 2 1 引言 第二章二维移动机器人的运动学分析 一个二维移动机器人在工作环境中行走时，必须考虑环境障碍物约束、 路径约束和运动学约束，环境障碍物约束是指无碰撞要求，路径约束是指满足 路径跟踪误差要求，运动学约束主要包括地面的无滑动约束( 既非完整约束) 和移动机器人的转向机构限制，它决定了移动机器人在导航行走中的避障能力 和沿规划路径行进的路径跟踪能力。 在分析运动学约束时，假设： ( 1 ) 在移动机器人中，没有弹性构件。 ( 2 ) 在车轮和地面之间无滑动。 ( 3 ) 在车轮和地面之间有足够的摩擦力。 从控制算法中只能考虑约束问题，大多数学者都把移动机器人看成是一 个可以自由运动的自由刚体，它仅仅受到环境障碍物约束或路径约束，而忽略 了运动学约束，由于这些算法没有考虑运动学约束，因此所得出的控制指令， 并非总是可行的，有时出现当移动机器人在未知环境中运行时，尽管经过导航 算法确定可以避开障碍物，但实际上仍然存在与障碍物发生碰撞的可能性，或 出现不能跟踪己知路径。 l w ( a ) 移动机器人i( b ) 移动机器人 图2 一l 两个刚体形状相同而车轮位置不同的移动机器人 如图2 一l 所示的机器人i 和机器人具有完全相同的刚体外形，而车轮 的安装位置不同时，则这两个移动机器人的运动学约束是完全不同的，此时， 若不考虑运动学约束，而把移动机器人看成是一个自由刚体，则在任意位置所 数字地图与路径规划 南京理工大学顾士学位论文 第二章二维移动机器 的运动学分析 占据的空间应是相同的，或者说，这两个移动机器人上相同位置的点所走过的 轨迹应是相同的，实际上，由于运动学约束存在，上述情况是不可能的。 本章将对二维移动机器人的运动学约束及其典型运动进行较深入的分 析。 2 2 二维移动机器人的运动学约束分析 2 2 1 二维移动机器人的基本运动学描述 二维移动机器人( 以下简称为移动机器人) 的车轮安装形式可分成两类， 即自由轮和同定轮，前者可以绕垂直于水平面的轴回转，后者却不能。自由轮 可作为转向轮，而固定轮可作为支承轮，也可作为驱动轮。在下述分析中，为 不失一般性，把固定轮也可看成是自由轮来分析。 如图2 2 所示，所有的车轮均以自由轮的形式给出，其上任意位置参考 点p 和移动机器人的驱向角e 在绝对坐标系( x o y ) 中表示，移动机器人坐 标系为( x 1 0 ，y ，) ，其原点设在参考点p 处，y ，轴平行于j t 轴b c 。为分析方便 起见，做如下假设： ( 1 ) 在分析移动机器人刚体运动时， ( 2 ) 在分析移动机器人车轮运动时， o m 表示刚体上的任意点。 表示对应位置的车轮中心点。 x 图2 _ 2 移动机器人的基本掏形 m 。( m = 讪，c ) 定义为车轮平面与x 轴正向的夹角，由。( m 尸a 。，b ，c ) 定义 数字地图与路径规划 妻塞堡三查兰堕主茎鱼墼 苎三兰三苎堡垫塑叁盟堡垫兰竺堑 为车轮平面与x ，轴正向的夹角，由图2 - - 2 可知，角度由。，巾。，和0 之间的 m 点在坐标系x o y 下的坐标( x 。y 。) 与在坐标系x 。0 。y 。下的坐标( ) 0 ，y 二) i = = x = i c 气o s 占o ：瓣c h ， 由于坐标( ) ，y m ，) 是常数，因此，式( 2 - _ 2 ) 相对于时间微分可得： h ：卜m 鲫叫口妒+ ( 2 - 3 ) l m j l ( c o s 0 一j o ，s i n 功口+ 夕p 式中，童，儿在坐标系x o y 下，m 点的速度分量； 童，在坐标系x o y 下，参考点p 的速度分量； 拶在坐标系x o y 下，移动机器人刚体的趋向角速度。 式( 2 3 ) 对时间再次微分，则得它们的加速度表示： r 【1 c o s o + y ms j m 0 ) 0 2 + ( - hs i n o 一c o s o ) g + j 涉，j i ( _ 1s m 护一y 1c o s 口归2 十( r _ 1c o s e y m 血研舀+ 梦pi ( 2 4 ) 式( 2 2 ) ，( 2 3 ) ，( 2 4 ) 给出了移动机器人上任意一点的运动学描述。 2 2 2 移动机器人的非完整约束 当考虑个实际移动机器人的运动情况时，不能把它看成是个自由刚 体，而应考虑其非完整约束，即满足纯滚动条件： ( 1 ) 任何车轮，不管是自由轮还是圆定轮，向前或向后滚动的方向必 相切于车轮转动中心处的轨迹。 ( 2 ) 任何车轮转动中心处的速度比等于车轮绕其自身水平轴回转的角 速度与车轮半径的乘积。 上诉两个条件可用数学方法来描述如下： 数字地田与路径规划 南京理工大学硕士学位论文第二章二维移动机器 的运动学分析 t a n ( 妒，) = 尝( 2 - - 5 ) 茸“ v m _ 。x r ( 2 6 ) 式中，。_ 一车轮a ，b ，c 的角速度： v m 车轮a ，b ，c 中心点的速度； r 车轮a ，b ，c 的半径( 假设车轮的半径都是相同的) 。 利用式( 2 一1 ) ，和式( 2 - 一5 ) ，得： p 。= t a n 。( 孕) 一e ( 2 _ _ 7 ) 式( 2 7 ) 就是移动机器人转向轮的转向角。 轮心点的速度v 二可写成： o _ ) 2 = ( 如) 2 + 0 k ) 2 ( 2 8 ) 式( 2 5 ) ，( 2 6 ) 或式( 2 7 ) ，( 2 8 ) 组成t - 维移动机器人非完 整约束的一般方程。 如图2 2 所示，当移动机器人的后两轮为固定轮时，则有： 纯1 = = 0 由于车体坐标轴y l 平行于移动机器人的后轴，所以： x b i2 b2 毛 将式( 2 3 ) 代入式( 2 7 ) 可得： 口，：讪- ，f 坠竺! 二丛堂堂些1 一p 2 讪。【石j 而瓦丽而丁f 取点c 或b 时，吼= 0 ，靠。= x 1 则将此式化简： ( x = l c o s 8 - y = i s i n 0 ) 8 ? + p p = t g e ( 一x ，】s i n o y 1c o s e ) e + t ， 坠竺! 二些堂堡里二墨：一s i n 8 ( 一x 。ls i n 曰一j ，mc o s e ) o + i ，c o s o 数字地圈与路径规划 南京理工大学硬士学位论文 第二章二雏移动机器人的运动学分析 8 c o s e ( 而c o s 8 一y 。1s i n 口) + 夕，c o s 8 = 儿s i n o + 舌g 证口( 一毛s i n o y ，lc o s e ) 气扫c o s 2 口一j ，。l 扫c o s 日s i n 口十_ 】) pc o s o = ，s i n e + 一x i 扫s i n2 0 - y 。ls i n e c o s o ) ， 最终化简得： x i 口= y , s i n e 一如c o s o( 2 9 ) 式( 2 9 ) 描述了当参考点p 在移动机器人上任意位置时，参考点p 处 的速度趋向角及其一阶微分之间的关系，即移动机器人的非完整约束的一般方 程。 2 2 3 移动机器人的转向机构约束 移动机器人的转向方式可以分为两种：一是利用车轮自身的转向机构来 实现前轮转向( 如图2 3 所示) ，后轮差速驱动，或者前轮即作转向轮，又作 驱动轮，后轮是随动支承轮，此时，移动机器人的转向角取决于转向机构，转 弯半径与移动机器人结构有关。二是利用同轴线安装的两车轮之间的速度差来 实现转向，前轮是随动支承轮，后轮单独驱动，其转向角取决于后两论的驱动 系统和移动机器人的结构( 如图2 一一4 所示) 。 ( 1 ) 在前轮转向的移动机器人中，如图2 3 ，覆们以后两轮轴中点为 参考点，其转弯半径p 为； 口：三一( 2 一l o ) t a n 口 式中，i 一前轮和后轮之间的距离： 妒前轮转向角，妒卜伊。，勉。】，仡为前轮转向角的最大值 移动机器人上任意位置的参考点p 的虚拟转向角作为 工 t a n 妒n 。l p 式中，x ，参考点p 距盾轴的距离。 数字地圈与路径规划 南京理工大学硕士学位论文第二章二维移动机器人的运动学分析 y xl 袋签 x l 羧墨 图2 - - 3 前轮转向移动机器人示意图图2 4 后轮独立驱动转向的移动 机器人示意图 将式( 2 1 0 ) 代入( 2 1 1 ) 中，得参考点p 的最大虚拟转向角妒。： 伊帅= t a n 。粤t a n , o h ) ( 2 1 2 ) 式2 一1 2 表示了任意参考点p 的允许转向角，尹。不仅与转向机构的限 制有关，还与移动机器人前后轮轴间的距离有关，另外，p