（机械制造及其自动化专业论文）移动机器人的跟踪控制与避障规划.pdf

本文以三轮式移动机器人为对象，研究移动机器人的行走运动控制特征，文中 分析了移动机器人运动学特征、机器人的路径跟踪、路径规划技术特点。 移动机器人采用以i p c 为主、p l c 为辅的两级控制系统，以位控模块控制行走电 机，实验中以v b 6 0 编制上、下位机c p u 之间的通讯程序。本文以三轮式移动机器人 为对象，针对移动机器人的两种基本运动形式：圆弧运动和直线运动，进行行走运动 控制特征的研究。 在简化的轮式移动机器人动力学模型基础上，采用航向预估控制算法进行路径 跟踪，运用模糊推理在线整定p i d 参数。机器人的避障是通过各种传感器实现的，本 文提出以包容式框架结构为基础，将计划作为一种行为，与应激式行为并行处理的方 法。 以v b 6 0 编制避障规划仿真程序，仿真结果表明，论文所采用的避障方法是正 确可行的。 关键词：移动机器人p l c p i d 模糊控制路径规划应激避障 直立堡兰盍芏亟主堂鱼地皇望塑墨量垒竺矍堡丝型皇堡塑堡垄坚 a b s t r a c t t h i sp a p e rs t u d i e so nt h ec o n t r o lc h a r a c t e ro ft h er o b o t sm o t i o no nt h eb a s eo f t h r e e w h e e l e dm o b i l er o b o tt h em o b i l er o b o t sk i n e m a t i c s ，p a t ht r a c k ，p a t hp r o g r a m m i n g a r ea n a l y z e di nt h e p a p e r t h i sm o b i l er o b o tc o n t r 0 1s y s t e mi st w ol a y e r s ：i p ca sm a i n p l ca sa s s i s t a n t t h e p o s i t i o nc o n t r o lm o d u l ec o n t r o l st h em o b i l em o t o ni nt h ee x p e r i m e n t v b 6 0i s u s e dt o p r o g r a mt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h eu pc p u a n dt h ed o w nc p u t h i s p a d e rs t u d i e s t h em o b i l ec h a r a c t e ro nt h eb a s eo ft w ob a s i cm o t i o nf o r i n s ：t h ea l em o t i o na n dt h el i n e a r m o t i o no f t h et h r e e w h e e l e dm o b i l er o b o t 0 nt h eb a s eo ft h et e r s ew h e e l e dm o b i l er o b o t ，t h eh e a d i n gp r e d i c t i n gp r e d i c t i o n c o n t r o la l g o r i t h mi su s e dt h ep a t hf o l l o w i n g t h i sp a p e ru t i l i z e sf u z z ya r i t h m e t i ct oa d j u s t t h ep i d sp a r a m e t e r t h eo b s t a c l e a v o i d a n c ei sr e a l i z e db ya l lk i n d so fs e n s o r s t h i sp a d e r d e s c r i b e sah y b r i dc o n t r o la l c h i t e c t u r eb a s e do ns u b s u m i n gc o n t r o la r c h i t e c t u r e t h e p l a n n i n g i s r e g a r d e d a sab e h a v i o r , a n dp r o c e s s e d s y n c h r o n i s t i c a u y w i t ht h er e a c t i v e b e h a v i o r s e m u l a t o ri sp r o g r a m m e db vv b 6 o t h er e s u l t so f t h ee m u l a t o rt e s t i f yt h em e t h o do f t h eo b s t a c l e - a v o i d a n c ei sf e a s i b l e k e yw o r d ： m o b i l e r o b o t , p l c ，p i d ，f u z z yc o n t r o l ，p a t hf o l l o w i n g ，r e a c t i v e o b s t a c l e a v o i d a n c e 1 1 南京理工丈学硕士学位论文 移动机嚣a 鲍跟踪控制与避璋规划 1 绪论 1 1 引言 机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息传感技术、人工智能、仿生 学等多学科理论而形成的高新技术。机器人在各个领域正得到越来越广泛的应用，计 算机硬件水平不断提高，并行分布式处理技术、硬件控制技术、传感器技术及软件开 发环境不断发展，为机器人的研究提供了必要的物质条件，人工智能技术尤其是机器 理解、搜索任务、路径规划、视觉识别、模糊控制、神经网络等技术的发展，使机器 人进一步向着智能化、自主化方向发展。 机器人按可移动性 2 1 可分为：固定式机器人、移动机器人。固定式机器人固定在 某个底座上，整台机器人( 或机械手) 不能移动，只能移动各个关节。移动机器人是 指具有行动决策和规划，以及自动执行规划能力，是集人工智能、智能控制、信息处 理、检测与转换等专业技术为一体的系统。整个机器人可沿某个方向或任意方向移动。 目前运行的大多数机器人是固定式的，它们只能固定在某一位置进行操作，因而 其应用范围和功能受到限制。近年来，对移动机器人的研究受到重视，使机器人能够 移动到固定式机器人无法到达的预定目标，完成设定的任务。移动机器人从所在工作 环境来分，可分为室内移动机器人、室外移动机器人；按移动方式来分：轮式移动机 器人、步行移动机器人、蛇形机器人、履带式移动机器人、爬行机器人等；按控制体 系结构来分：功能式( 水平式) 结构机器人、行为式( 垂直式) 结构机器人和混合式机器 人；按功能和用途来分：医疗机器人、军用机器人、助残机器人、清洁机器人等。按 作业空间来分：陆地移动机器人、水下机器人、无人飞机和空间机器人等。 1 2 国内外移动机器人的发展概况 1 2 1 国外移动机器人发展现状 移动机器人的研究始于6 0 年代末期。期坦福研究院( s r l ) 的n i l s n i l s s e nc h a r l e s r o s e n d t 等人，在1 9 6 6 年至1 9 7 2 年中研造出了取名s h a k c y 的自主移动机器人。目的 是研究应用人工智能技术，在复杂环境下机器人系统的自主推理、规划和控制。与此 同时，最早的操作式步行机器人也研制成功，从而开始了机器人步行机构方面的研究， 直立堡王盔堂亟生焦睑童 壁垫担盐厶盟竖竖塑剑墅壁堕塑型一 以解决机器人在不平整地域内的运动问题，设计并研制出了多足步行机器人。其中最 著名是名为g e n e r a le l e c t r i c q u a d r u p e d 的步行机器人。7 0 年代末，随着计算机的应用 和传感技术的发展，移动机器人研究又出现了新的高潮。特别是在8 0 年代中期，设 计和制造机器人的浪潮席卷全世界。一大批世界著名的公司开始研制移动机器人平 台，这些移动机器人主要作为大学实验室及研究机构的移动机器人实验平台，从而促 进了移动机器人学多种研究方向的出现。9 0 年代以来，以研制高水平的环境信息传 感器和信息处理技术，高适应性的移动机器人控制技术，真实环境下的规划技术为标 志，开展了移动机器人更高层次的研究。 目前在欧美、日本等发达国家，移动式服务机器人已广泛应用于五大领域：医疗 福利服务、商场超市服务、餐厅旅馆服务、维修清洗服务和家庭服务。 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，它可牵引一 辆小型拖车在室内运送饮料、信件等生活用品，或牵引吸尘器进行室内清扫工作。 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。美国d e n n i n g 公司与w i n d s o r 工业公司9 0 年代初 合作主产的地面吸尘机器人r o b o s c r u b ，它采用超声传感检测障碍，并配有高精度激 光导航系统。r o b o s c f l l b 的导航系统需要光码条来实现机器人定位，限制了其应用范 围。k e n t 公司设计了另外一种清扫机器人r o b o k e n t ，它不需要导引条码或定位路标， 但需要操作者辅助其完成对清扫区域周边的探测，因而其清扫区域限于简单的矩形区 域。另外，d e n n i n g 公司还设计了保安机器人d e n n i n g s e n t r y ，h e l p m a t e 公司设计了医 用物品运输机器人 s o n y 公司1 9 9 9 年推出的宠物机器狗a i b o 具有喜、怒、哀、厌、惊和奇6 种情 感状态。它能爬行、坐立、伸展和打滚，而且摔倒后可立即爬起来。在a i b o 的头部 内置有用于视觉的1 8 0 ，0 0 0 像素的彩色c c d 摄像机、语音输入和输出的微型麦克风 和扬声器、红外避障传感器和触觉传感器。a i b o 的身上除了装有6 4 位r i s c 处理器、 1 6 m b 内存用于处理传感器所输入的数据和控制自身各关节部位的动作外，还装有保 持平衡的重力加速度传感器和角速度传感器、以及感知自身温度的温度计：本田公司 1 9 9 7 年研制的h o n d ap 3 类人机器人代表着当今世界双足步行机器人的最高水平。它 体重1 3 0 k g 、高1 ，6 0 0 m m 、宽6 0 0 m m ，工作时间2 5 m i n u t e ，最大步行速度为2 0 k r i l 1 1 ( 人 的步行速度约为3 0 k i n ) 。p 3 的c p u 采用了两个主频为l l o m h 2 的m i c r o s p e c l i 处理 器，身上装有用于视觉导航的视觉传感器、感知自身姿态的陀螺仪、保持平衡的重力 加速度传感器和两个脚踝处的6 维力传感器、实现语音功能的麦克风和扬声器，以及 用于测量行走时腿运动的关节角度传感器。p 3 的驱动装置采用1 3 8 v 镍锌电池供电和 带有谐波减速器的直流伺服电机。通讯系统采用了无线以太网通讯。p 3 能够自主地 南京理丁大学硕上学位论文 移动机器人的跟踪控制与避障规划 动态行走在颠簸起伏的路面上，也能够在倾斜的路面上动态行走甚至能够上、下楼梯 单脚站立。 1 2 2 国内移动机器人发展现状 经过近2 0 年的发展，我国国内机器人技术也有较大进步，行走机器人和人形机 器人的研究得到进一步重视，开放式网络机器人的开发成为新热点，随着时间的推移 和技术的发展，智能移动机器人技术将成为我国机器人技术关注和开发的重点。 清华大学与香港中文大学合作，联合研制开发出一种全方位移动清扫机器人。该 机器人具有如下特点：采用全方位轮实现任意方向的移动，使得机器入可执行对狭窄 区域的清扫任务。采用开放式机器人控制结构，实现硬件可扩展，软件可移植、可继 承，使机器人作为服务载体具有更好的功能适应性。机器人具有在拥挤环境下的实时 避障功能，能适应不断变化的清扫工作环境。具有遥控操作和自主运动两种运行方式。 吸尘机构可实现吸尘腔路的自动转换，提高了吸尘效率。有智能电源管理功能，延长 了运行时间，提高了对有艰的移动动力资源的利用率。 清华大学的t h m r i i i 【3 6 系统的车体选用b j l 0 2 3 面包车改制，t h v l i 卜i 上集 成了二维彩色摄像机、磁罗盘光码盘定位、g p s 、超声等传感器，计算机系统采用 s u n s p a r k1 0 一台、p c 4 8 6 二台和8 0 9 8 单片机数台。s u n 完成任务规划，根据地图数 据库信息进行全局规划。一台p c 机完成视觉信息处理，另一台p c 完成局部规划、 反射控制及系统监控，数台8 0 9 8 完成超声测量、位置测量、车体方向速度的控制。 它的体系结构以垂直式为主，采用多层次“感知一动作”行为控制及基于模糊控制的 局部路径规划及导航控制。利用t h 珏t i 研究了直线跟踪算法、白线跟踪算法、 连续障碍物跟踪算法、漫游避障、路标识别、视觉神经网道路识别、道路模糊识别等 多种导航算法，完成了主楼前穿越主干道、路口进人、主楼前绕“”字等整体实验。 t h m i 卜_ i i i 在自主道路跟踪时达到5 - 1 0 k m h ，避障达5 k m h 。 1 3 移动机器人导航和定位技术 移动机器人的导航方式可分为：基于环境信息的地图模型匹配导航；基于各种导 航信号的陆标导航、视觉导航和味觉导航等。 环境地图模型匹配导航是机器人通过自身的各种传感器，探测周围环境，利用感 知到的局部环境信息进行局部地图构造，并与其内部事先存储的完整地图进行匹配。 如两模型相互匹配，机器人可确定自身的位置，并根据预先规划的条全局路线，采 用路径跟踪和避障技术，实现导航。它涉及环境地图模型建造和模型匹配两大问题。 南京理l 大学坝士学位论文 移动机器人的跟踪控制弓避障规划 陆标导航 18 1 是事先将环境中的一些特殊景物作为陆标，机器人在知道这些陆标在 环境中的坐标、形状等特征的前提下，通过对陆标的探测来确定自身的位置。同时将 全局路线分解成为陆标与陆标间的片段，不断地对陆标探测来完成导航。根据陆标的 不同，可分为人工陆标导航和自然陆标导航。人工陆标导航是机器人通过对人为放置 的特殊标志的识别实现导航。自然陆标导航不改变工作环境，是机器人通过对工作环 境中的自然特征的识别完成导航，但陆标探测的稳定性和鲁棒性是研究的主要问题。 视觉导航【l7 】 3 6 】主要完成障碍物和陆标的探测及识别。t r a h a n i a s 利用视觉探测陆 标来完成机器人导航。其中陆标不是事先定义的人工陆标，而是在学习阶段自动抽取 的自然陆标。视觉导航中边缘锐化、特征提取等图像处理方法计算量大，实时性差始 终是一个瓶颈问题。解决该问题的关键在于设计一种快速的图像处理方法。s t a n l e y 提出了基于神经网络的机器人视觉导航技术，该技术中估算逆雅可比矩阵是基于视觉 导航的一个关键问题。它将图像特征的变化与机器人的位置变化对应起来，通过神经 网络训练来近似特征雅可比矩阵的逆阵。该技术通过提取几何特征、平均压缩、向量 量化和主成分提取来简化图像处理，实现实时视觉导航。 味觉导航是通过机器人配备的化学传感器感知气味的浓度，根据气味的浓度和气 流的方向来控制机器人的运动。由于气味传感器具有灵敏度高、响应速度快以及鲁棒 性好等优点，近年来许多研究人员在气味导航技术上做了许多研究工作。但该项技术 能够真正应用到实际环境中的却很少，仍处于试验研究阶段。f i g a r oe n g i n e e r i n gl n c 公司研制的氧化锡气味传感器，被广泛用于气味导航试验。石英晶体微平衡气味传感 器、导电聚合物气味传感器和一种模仿哺乳动物鼻子功能的电子鼻等用于移动机器人 味觉导航的传感器都处于试验阶段。目前的味觉导航试验多采用将机器人起始点和目 标点之间用特殊的化学药品，如酒精和樟脑丸等，引导出一条无碰气味路径，机器人 根据不同的道路跟踪算法，用气味传感器感知气味的浓淡和气味源的方向进行机器人 导航试验。 1 3 1 路径规划 不论采用何种导航方式，智能移动机器人主要完成路径规划、定位和避障等任务 ”7 1 9 1 1 3 6 。路径规划是自主式移动机器人导航的基本环节之一，它是按照某一性能指 标搜索一条从起始状态到目标状态的最优或近似最优的无碰路径。根据机器人对环境 信息知道的程度不同，可分为两种类型：环境信息完全知道的全局路径规划和环境信 息完全未知或部分未知，通过传感器在线地对机器人的工作环境进行探测，以获取障 碍物的位置、形状和尺寸等信息的局部路径规划。 1 ) 全局路径规划包括：环境建模、路径搜索策略1 4 l ： 4 直立堡工盔堂亟堂笪垫塞 整垫垫整塑竖堕塑型皇堡堕塑型 其中环境建模的主要方法有：可视图法、自由空间法和栅格法等。 可视图法视机器人为一点，将机器人、目标点和多边形障碍物的各顶点进行组合 连接，要求机器人和障碍物各顶点之间、目标点和障碍物各顶点之间以及各障碍物顶 点与顶点之间的连线，均不能穿越障碍物，即直线是可视的。搜索最优路径的问题就 转化为从起始点到目标点经过这些可视直线的最短距离问题。运用优化算法，可删除 一些不必要的连线以简化可视图，缩短搜索时间。该法能够求得最短路径，但假设机 器人的尺寸大小忽略不计，使得机器人通过障碍物顶点时离障碍物太近甚至接触并且 搜索时间长；自由空间法应用于机器人路径规划，采用预先定义的如广义锥形和凸多 边形等基本形状构造自由空间，并将自由空间表示为连通图，通过搜索连通图来进行 路径规划。该法比较灵活，起始点和目标点的改变不会造成连通图的重构，但算法的 复杂程度与障碍物的多少成正比，且不是任何情况下都能获得最短路径；栅格法将机 器人工作环境分解成一系列具有二值信息的网格单元，多采用四叉树或八叉树表示工 作环境。并通过优化算法完成路径搜索。该法以栅格为单位记录环境信息，环境被量 化成具有一定分辨率的栅格，栅格的大小直接影响着环境信息存储量的大小和规划时 间的长短。栅格划分大了，环境信息存储量小，规划时间短，但分辨率下降，在密集 环境下发现路径的能力减弱；栅格划分小了，环境分辨率高，在密集环境下发现路径 的能力强，但环境信息存储量大，规划时间长，可以采用改进的栅格法弥补栅格法的 不足。 2 ) 局部路径规划的主要方法有：人工势场法、遗传算法、模糊逻辑算法掣1 + 7 1 。 人工势场法是由k h a t i b 提出的一种虚拟力法。其基本思想是将机器人在环境中 的运动视为一种虚拟的人工受力场中的运动。障碍物对机器人产生斥力，目标点产生 引力，引力和斥力的合力作为机器人的加速力，来控制机器人的运动方向和计算机器 人的位置。该法结构简单，便于低层的实时控制，在实时避障和平滑的轨迹控制方面， 得到了广泛的应用，但对存在局部最优解的问题，容易产生死锁现象，因而可能使机 器人在到达目标点之前就停留在局部最优点；j h o l l a n d 在6 0 年代初提出了遗传算 法，以自然遗传机制和自然选择等生物进化理论为基础，构造了一类随机化搜索算法。 它利用选择、交叉和变异来培养控制机构的计算程序，在某种程度上对生物进化过程 做数学方式的模拟。它不要求适应度函数是可导或连续的，而只要求适应度函数为正， 同时作为并行算法，它的并行性适用于全局搜索。多数优化算法都是单点搜索算法， 很容易陷入局部最优，而遗传算法却是一种多点搜索算法，因而更有可能搜索到全局 最优解。由于遗传算法的整体搜索策略和优化计算不依赖于梯度信息，所以解决了一 些其它优化算法无法解决的问题。但遗传算法运算速度不快，进化众多的规划要占据 较大的存储空间和运算时间：基于实时传感信息的模糊逻辑算法参考人的驾驶经验， 直立堡工盍兰亟主兰鱼熊塞 堑叠垫墨丝竖堕笙型至塑竖塑型一 通过查表得到规划信息，实现局部路径规划。该方法克服了势场法易产生的局部极小 问题，适用于时变未知环境下的路径规划，实时| 生较好。 1 3 2 定位 作为移动机器人导航最基本环节，定位是确定移动机器人在二维工作环境中相对 于全局坐标的位姿，定位方法根据机器人工作环境复杂性，配备传感器的种类和数量 等不同有多种方法。主要方法有：惯性定位、陆标定位和声音定位等。惯性定位是在 移动机器人的车轮上装有光电编码器，通过对车轮转动的记录来粗略地确定位置和姿 态。陆标定位在移动机器人工作的环境里，人为地设置一些坐标已知的陆标，如超声 波发射器、激光反射板等，通过对陆标的探测来确定自身的位姿。声纳是通过测量景 物与机器人之间的距离来建立局部景物模型，进而确定自身位置的。电磁导引定位多 用于工业，它利用铺在地下或地面上的磁条构成机器人的运动路径，来约束机器人沿 磁条行走。 三角测量法是陆标定位常用的方法，机器人在同一点探测到三个陆标，并通过三 角几何运算，可确定机器人在工作环境中的坐标。陆标定位是普遍采用的方法，可获 得较高的定位精度且计算量小，可用于实际的生产中。 1 4 多传感器信息融合技术 1 4 1 移动机器人常用的传感器 传感技术主要是对机器人自身内部的位置和方向信息以及外部环境信息的检测 和处理。采用的传感器可分为内部传感器和外部传感器1 2 1 。其中内部传感器有：编码 器、线加速度计、陀螺仪、磁罗盘、激光全局定位传感器、g p s ( g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ) 、 激光雷达。其中编码器粗略地确定机器人位置；线加速度计获取线加速度信息，进而 得到当前机器人的线速度和位置信息；陀螺仪测量移动机器人的角度、角速度、角加 速度，以得到机器人的姿态角、运动方向和转动时的运动方向的改变等绝对航向信息， 可弥补应用编码器测位置的航位推测法的不足；激光全局定位传感器运用三角测量法 得至机器入的位置坐标信息，与g p s 一样多用于室外移动机器人定位。外部传感器 有：视觉传感器、超声波传感嚣、红外传感器、接触和接近传感器。视觉传感器采用 c c d 像机进行机器人的视觉导航与定位、目标识别和地图构造等；超声波传感器测 量机器人工作环境中障碍物的距离信息和地图构造等；红外传感器多采用红外接近开 南京理工人学硕士学位论文 移动机器人的跟踪控制与避障规划 关来探测机器人工作环境中的障碍物以避免碰撞；接触和接近传感器多用于避碰规 划。 针对测距和障碍探测的特殊要求，目前采用最多的仍是红外线和超声波传感器 1 1 。超声波测距是近年来发展起来的一种测距方法，但由于超声波传感器具有一定的 局限性，表现在探测波束角过大，方向性差；往往只能获得目标的距离信息，不能提 供目标的边界信息，单一传感器的稳定性不理想等。在实际应用中，往往采用其他传 感器来补偿，或采用多传感器融合技术。红外探测的情况与超声波传感器相仿，但由 于其探测角小，方向性强一些，测量精度和灵敏性要比超声波传感器有所提高。由于 现有传感器普遍存在着有效探测范围小，数据可靠性低等缺点，在实际应用中往往使 用多传感器共同工作，并采用传感器融合技术对检测数据进行分析、综合和平衡，利 用数据间的冗余和互补特性进行容错处理，以求得到所需要的环境特征。 1 4 2 多传感器融合方法 移动机器人的多传感器信息融合方面的研究始于8 0 年代。多传感器融合的常用 方法有：加权平均法、贝叶斯估计、卡尔曼滤波、统计决策理论、d s 证据推理、 神经网络和模糊推理法以及带置信因子的产生式规则。其中加权平均法是最简单也最 直观的方法，一般用于对动态低水平的数据进行处理，但结果不是统计上的最优估计； 贝叶斯估计是融合静态环境中多传感器低层数据的常用方法，适用于具有高斯白噪声 的不确定性传感信息融合；对于系统噪声和观测嗓声为高斯自噪声的线性系统模型用 卡尔曼滤波来融合动态低层次冗余传感信息，对于非线性系统模型采用扩展卡尔曼滤 波或者分散卡尔曼滤波；统计决策理论用于融合多个传感器的同一种数据，常用于图 像观测数据：d s 证据推理是贝叶斯估计法的扩展，它将局部成立的前提与全局成 立的前提分离开来，以处理前提条件不完整的信息融合：基于神经网络法根据系统要 求和融合形式，选择网络拓扑结构，通过网络学习确定网络连接权值，对各传感器的 输入信息进行融合。系统具有很强的容错性和鲁棒性：模糊推理法首先对多传感器输 出进行模糊化，将所测得的距离等信息分级，表示成相应的模糊子集，并确定模糊子 集的隶属度函数，通过融合算法对隶属度函数综合处理，再将模糊融合结果清晰化， 求出融合值；带置信因子的产生式规则主要用于符号水平层表达传感器信息，结合专 家系统对多传感信息进行融合。 1 5 论文内容与结构 本文是以三轮式移动机器人为研究对象，走行轮模型如图1 4 1 所示，移动机器 7 南京瑾t 大学硕士学位论文 移动机器人的跟踪挎制与避障捌翅 人采用前轮驱动，移动机器人后两轮轴上安装光电编码器。机器人的转向机构也安装 在前轮上，转向电机与驱动电机配合运动，可以完成机器人的直线、圆弧行走动作。 图1 , 4 1 移动机器人走行轮结构布置图 本文研究移动机器人行走轮的运动控制，主要对以下两个问题进行讨论、研究： 1 ) 、提取本课题研究的移动机器人运动特征，建立简化的轮式移动机器人动力学 模型，利用p i d 技术实现移动机器人的跟踪控制。 2 ) 、利用红外、超声波传感器对机器人行走过程所处环境进行特征提取和模型化， 采用直接规划与应激避障结合的混合控制体系实现移动机器人避障的路径规划。 本论文共分为六章，现简介如下： 第一章，介绍国内外移动机器人研究历史和现状；并介绍移动机器人的导航技术、 路径规划技术、多传感器融合技术方面的研究。介绍论文的内容、结构。 第二章，介绍论文所研究的移动机器人控制系统结构，以及控制系统功能要求， 介绍了以p l c 作为下位机功能特征，针对移动机器人行走运动控制的要求，采用以 光电编码器，磁罗盘对移动机器人定位，分析o m r o n 系列p l c 的通信协议、命令帧 及应答帧格式，用于电机控制的位控模块，编制移动机器人上下位机通信程序、运动 控制程序。 第三章，分析二维移动机器人的运动学特征，建立二维移动机器人运动学方程， 推导二维移动机器人转向机构约束方程，通过分析移动机器人直线和圆弧两种典型运 动，得到机器人上参考点的运动特性，从而得出参考点位置影响其它点运动轨迹的结 论。 第四章，分析移动机器人行走运动特点，提出以p i d 控制完成移动机器人的闭环 控制。针对轮式移动机器人大延迟、高度非线性的特点，分析简化的二自由度轮式移 动机器人动力学模型，采用航向预估量控制算法进行跟踪控制。通过p i d 参数整定方 法的分析，提出运用模糊推理自动进行p i d 参数的在线整定。 第五章，介绍移动机器人控制系统的体系结构研究状况，分析基于行为的控制体 盘塞堡王盔堂亟主兰笪监塞鳖堑堑! 墨盟堡堕堡型兰堡壁塑型 系结构以及基于知识的控制体系结构的特点。针对本课题移动机器人所要求实现的功 能，提出以包容结构为基础的混合式控制结构，机器人通过自身的各种传感器，将规 划作为一种行为，这种行为的处理采用直接规划与应激式行为并行处理方式，编制移 动机器人路径规划仿真程序，依据程序结果分析移动机器人的避障规则。 第六章，总结论文研究过程中所得出的结论，分析论文完成过程中所遇到的问题， 并展望以后的研究方向。 直立堡! 二盔兰塑主堂笪熊墨 鳖堑垫墨塑塑堕堂! 兰笙堕塑型 2 基于p l g 移动机器人运动控制结构 2 1 引言 可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设 计，它采用一类可编程序的存储器用于其内部存贮程序，执行逻辑运算、顺序控制、 定时、计数和算术操作等面向用户的指令，并通过数字式或模拟式输入输出控制各种 类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系 统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。 p l c 与工控机之间的通信一般是通过r $ 2 3 2 c 口进行的，信息交换的方式为字符 串方式，运用r s 2 3 2 通道，容易配置一个与计算机进行通信的系统。将所有软元件的 数据和状态由可编程控制器送入计算机，由计算机采集这些数据，进行分析及运行状 态监测。用计算机改变可编程控制器设备的初始值和设定值，从而实现计算机对可编 程控制器的直接控制，一旦确定了可编程控制器的控制指令格式，就能方便地与具有 r s 2 3 2 c 口并能输出字符串的计算机通信。 由可编程序控制器( p l c ) 做为下位机、工控机( i p c ) 做为上位机构成的监控系统 6 1 ，在工业控制领域得到了广泛的应用，可编程序控制器和工控机都是工业控制领域 的重要设备，二者各有所长，在应用系统中，把二者联合起来应用，使它们经过通讯 后，能互相利用对方的优势来弥补自身不足，可以使所设计的系统功能更加强大和完 善。 p l c 由于其功能完善、使用方便、可靠性高、通用性强，问世后很快受到工业界 的欢迎。随着微型计算机技术和可编程技术的不断进步发展，p l c 与i p c 更为紧密地 结合在一起为工业现代化服务。由于i p c 具有软、硬资源方面的优势，可以存取数据 和文件，并能通过c r t 方便直观地以图画显示全部过程变量、控制变量和其他参数， 所以一般采用i p c 为主、p l c 为辅构成控制系统。i p c 实时监控p l c 的运行并对其进 行指挥，实现集中操作与监控。p l c 执行自己的控制程序，处理现场输出输人数据和 信号，降低了i p c 对信息处理的要求，减少了信息传输量，使得系统应用程序得到简 化。 2 2 移动机器人控制系统结构 本课题移动机器人控制系统总体框图如图2 2 1 所示，其结构采用了上、下两级 l o 直立堡王盘堂堑堂焦迨塞 望塾垫矍厶塑塑堕篓型量堡堕塑型一 计算机系统完成对机器人的控制。机器人控制器采用了模块化的体系结构。整个硬 件系统以工业p c 机作为机器人控制系统的硬件平台，通过p l c 控制机器人各自由度 的动作。上位p c 机与p i 。c 之间通过r s 一2 3 2 c 口通信，采用主从应答方式。 图2 2 1 移动机器人控制系统结构 2 2 1 上位ip o 功能要求 上位i p c 机始终处于主动状态，根据需要向p l u 发出读写命令，上位机采集p l c 中存储的被控对象运行状态参数，显示被控对象各部分的工作状态，通过a d 采集卡 采集传感器信号，根据需要向p l c 发出读写命令，读数据时上位机通过通信口向 p l c 发出读数据命令，p l c 响应命令并将数据准备好，上位机再次读通信口即可读到 所需数据。写数据时，上位机通过通信口向p l c 发布写命令及数据，p l c 即可按收。 p l c 通信模块有多种上位机链接命令代码，微机通过向p l c 发出不同的命令，可以灵 活地对其位或字软设备以及特殊功能模块的缓冲区进行读写。上位机的主要任务是： 数据采集，实时采集p l c 中存储的被控对象运行状态参数；状态监控，实时显示被控 对象各部分的工作状态并用动画显示动作过程：故障报警，发生故障时，上位机可以 控制被控对象的运行，并及时报警以便修复：数据分析，可根据采集来的现场数据， 对p l c 发出相应控制指令，合理调度；故障记录，实时登记被控对象发生的故障，并 提供查询功能。 2 2 2 下位p l o 功能要求 下位机p l c 处于被动状态，随时准备响应来自上位机的通信请求，p l c 的通信以 “接收命令+ 发送命令”为一个通信循环。o m r o n 系列p l c 有用于读写的上位 南京理工大学硕士学位论文 移动机器人的跟踪控制与避障规划 机链接通信的命令，通过执行读写命令p l c 可完成各项功能。 下位p l c 机的主要任务是：控制功能，完成对被控对象各项功能的现场控制；存 储功能，开辟数据缓冲区，实时存储被控对象运行状态，供上位机查询；发生故障时， 按照上位机指令执行故障子程序。 2 2 3 机器人的定位结构 本文采用了一种光电编码器一电子磁罗盘【2 0 【2 i 】组成的定位体系。利用光码盘定 位的前提是车体在水平面内运动车轮与地面之间无滑动。 这种光码盘一磁罗盘定位系统，用光电编码器测量左、右后轮的运行距离，取平 均值作为车体的运行距离，而用磁罗盘测量车体的方向角。 1 ) 、光码盘定位系统如图2 2 2 所示，它由l 光电编码器、r 光电编码器、信 号处理电路、接口电路、p c l - 8 1 3 a d 板、i p c 工控机组成。光电编码器是定位系统 的关键器件，其分辨率与定位精度有直接关系，应考虑到定位系统的特点。 图2 2 2 光编码器定位系统框图 本文移动机器人采用三个车轮，两个光电编码器分别安装在自主移动机器人的后 边左、右走行轮上，光电编码器与两个后轮同步转动。设车轮直径为d ，光码盘线数 为p ，出时间内光码盘输出的脉冲数为n ，车轮运行的距离为厶 厶= ( n p ) 石x d ( 2 2 1 ) 由光电编码器测出的脉冲数，可求出后轮转过的距离，进而计算出车体的位置坐 标和运动方向。机器人的行走轮结构如图( 1 4 1 ) 所示。机器人行走过程中，下位机 p l c 的高速记数模块不断检测光电码盘的输入信号，并把数据记录在存储器中。 2 ) 、磁罗盘角度 1 】测量装置 磁罗盘角度测量装置是利用感应式磁传感器测量载体航向角的装置。其测量原理 是当传感器方向与地磁磁北方向间的夹角不同时，输出信号也不相同，传感器输出信 号的幅度与夹角间呈余弦关系。传感器的输出量有两个，分别为电压信号玑。，u 。， 直接由a d 板采集进入工控机，经过变换计算得到机器人当前所处的方位。 南京理工人学硕上学位论文 移动机器人的跟踪控制与避障规划 兰警鬻叫埋卜十竺r 十二叫 感器| _ 路广- 1 ”0 8 广11 “l 图2 2 3 磁罗盘测角系统框图 在任一位置可根据u 。，玑。的值计算出机器人偏向北方的角度。 9 0 一c s m 母一矿。 眩： 2 7 呲咖耐i j 0 如 3 ) 、光编码器一磁罗盘定位系统 实际应用的光码盘一磁罗盘定位系统由角度测量子系统、位移测量予系统、工控 机组成。角度测量子系统主要实现移动机器人运动方向的测量及角度输出，位移测量 子系统读取光码盘的脉冲数，计算出每个轮子运行的距离，取平均值作为车体运行的 距离。 如图2 2 4 所示，设机器人的重心由起点s ( t ，只) 到终点占( t ，儿) ，可以把路径 划分成许多时间为f 小段，则机器人坐标值计算公式为： y o 仁! 图2 2 4 移动机器人推算定位模型 x y e ) t + 乞s x s i n a ：( n = i ，2 3 ) ( 2 2 3 ) 以+ 血c o s o t 若采样时间足够短，则实际运行情况与理想模型十分近似，通过计算出时间内 直立堡王盘堂亟堂焦熊塞整垫垫墨竺! ! 堕堡型量垄竖塑型 机器人的位置变化，进行累加，从而求出机器人在全局坐标中的位置a 2 3p l c 的运动控制实现 2 3 1 上、下位c p u 之间的通信协议h 们 o m r o n 系列p l c 的c p u 内设有r s 一2 3 2 c 端口与个人计算机进行上位机链接通信。 上位机链接通信通过在上位机和p l c 之间交换命令和应答实现的。o m r o n 可编程序控 制器做为下位机和做为上位机的工控机进行链接通讯时，其通讯方式有两种：一种为 正常方式，即命令由工控机发到p l c ，这种方式被普遍采用；另一种为特殊方式，即 命令由p l c 发送到工控机。在第一种上位机链接的通讯方式中，上位机首先拥有传 送权并对通讯进行初始化，p l c 则自动发送一应答信号。其命令与应答信号的传送顺 序如图2 3 1 所示。 上位机 帧( 命令) l 单元号 l 识别码 l 正文 lf c s l 终止符 传 送 权 转 移 帧 单元号 识别码 结束码 正文 f c s 终止符 ( 应答) 帧 、 单元号识别码结束码正文f c s终止符 图2 3 3p l c 的应答格式 其中的标志符号以及单元号、识别码、正文、f c s 等的意义与命令格式中的 致，结束码表明了命令的执行情况，0 0 表示命令正常完成，其它值则表明命令没有 执行，如有格式错误发生等。 号必须置于每个应答帧的开头，单元号设置在p l c 的 d m 6 6 4 8 中，识别码返回2 字符的命令代码，结束码表示命令完成的状态，即是否有 错误发生，正文返回命令结果，f c s 返回2 字符帧检查顺序码，终止符设置“，和 回车( c h r $ ( 1 3 ) ) 两字符，表示应答结束。 3 ) 、帧检查顺序码( f c s ) 南京理工大学硕士学位论文 移动机器人的跟踪控制与避障规划 为了保证通信的安全性，必须对传送的数据进行校验，采取的主要措施是：增 加。个结构检查序列( f c s ) 字符，f c s 是一个转换成2 个a s c i i 字符的8 位数据。 这8 位数据为从帧开始到帧正文结束( 即f c s 之前) 所有数据执行“异或”操作的结 果。每次接收到一帧，计算f c s ，与帧中所包含的f c s 作比较从而检查帧中间的数据 错误。如果两者不相等，则认为传输数据出错。将检验到的出错数据放弃，并立即给 上位机发送反馈信号要求重新发送数据。 2 3 2 通讯程序设计m 砌 图2 3 4 上、下位机进行通讯的程序框图 c 2 0 0 h s 与工控机通讯时的主程序框图如图2 3 4 所示，主要分为串行口设置、 通讯初始化、命令的组装与发送、应答信号的接收及f c s 比较等几个部分。 1 ) 、串行u l 设置 p l c 与工控机的通讯是通过工控机的串行口进行的，因此，在通讯开始之前应 南京理工大学硕十学位论文 移动机器人的跟踪控制与避障规划 首先对所选用的工控机串行口进行设置，包括波特率、停止位数、奇偶校验和数据位 数等。只有正确地设置了工控机串行n ，通讯才能正常进行。 2 ) 、命令的发送 工控机发送的命令是以字符为单位进行的。也就是说，发送命令时，是把组成 该命令的各个字符按其格式规定的顺序发送给p l c ，直至命令结束。 3 ) 、应答信号的接收 和工控机发送的命令一样，工控机接收的应答信号也是字符串，对它的处理也 是以字符为单位进行的。当工控机按顺序接收了应答信号所包含的字符后，程序首先 把这些单个字符组成应答信号，然后计算出f c s 并和帧中包含的f c s 进行比较。如 果两个f c s 相同，表明此次接收的应答信号正确，数据有效；否则接收的应答信号 有错误，此次接收的数据作废。 上位p c 机采用v b 6 0 编程。在标准串口通信方面，v b 6 0 提供了具有强大功能 的通信控件m s c o m m ，该控件屏蔽了通信过程中的底层操作，妇表2 3 1 程序员只需 设置和监视m s c o m m 控件的属性和事件，就可以轻而易举地实现串行异步通讯。该控 件可设置串行通信的数据发送和接收，对串口状态及串口通信的信息格式和协议进行 设置。 属性描述 c o m m p o r t 设置并返回通讯端口号 阻字符串的形式设置并返回波特率、奇偶校验、数据位、 s e t t i n g s 停止位 p o r t o o e n设置并返回通讯端口的状态。也可以打开和关闭端口 i n p u t从接收缓冲区返回和删除字符 o u t p u t向传输缓冲区写一个字符串。 表2 3 1 列出m s c o m m 控件的相关属性 4 ) 通信实验的主要函数 如图2 3 ，5 所示为实验程序界面，在发送控制命令字之前，必须先形成命令字。 命令字通过分析主控界面上有关对象的取值形成，在程序中通过函数w r i t e d a t a0 向 p l c 中写标志位，通过函数r e a d d a t a ( ) 从p l c 中读数据。帧检查顺序用函数f c s 0 。 a ) w r i t e d a t e 函数：向p l c 数据区写数据，c o m m ：命令；a d d r e s s ：起始地址；d a t a ： 要写的数据串 p u b l i cs u bw r i t e d a t a ( c o m ma ss t r i n g ，a d d r e s sa ss t r i n g ，d a t aa ss t r i n g ) s e l e c tc a s ec o m m s e l e c tc a s e 询问命令格式 堕塞些三查兰堡圭兰篁堡奎堡垫垫璺尘堕堡墅塑型兰堕堡竺苎! 一 c a s e ”d m ” c o m m = ”w d ” c a s e ” r s r ” c o m m2 w r ” 写p l c 的d m 区的命令 写p l c 的i r s r 区的命令 e n ds e l e c t s = ”c 0 0 ”c o m m a d d r e s s d a t a f c = f c s ( s ) s = s h e x ( f c ) ”c h r ( 1 3 ) 命令字 m s c o m m l o u t p u t = s 向缓冲区传送字符 a n s w e y = m s c o m m l i n p u t 读取缓冲区数据 i fm i d ( a n s w e r ，6 ，2 ) = ”0 0 ”t h e n m s g b o x ”通信成功” e ls e ：m s g b o x ”通信失败 e n di f e n ds u b 图2 3 5 通讯实验程序运行结果 b ) r e a d d a t e 函数：从p l c 数据区读数据 p u b lies u br e a