（机械电子工程专业论文）清洁机器人避障控制系统的研究.pdf

哈尔滨1 程人学硕十学位论文 摘要 清扫机器人属于服务机器人的一种， 致力于研究开发和广泛使用服务机器人。 那么清扫机器人的市场将会被看好。 世界各国尤其是西方发达国家都在 如果清扫机器人的性价比足够高， 本文介绍了清洁机器人在国内外发展现状和应用情况，侧重研究了清洁 机器人的避障控制系统。结合实验室实际条件，设计了机器人样机。其手要 工作内容包括：小车机械本体设计、控制理论的介绍、a t 8 9 c 5 1 单片机控制 系统硬件电路及检测电路设计、控制系统软件设计和机器人避障性能测试试 验。 通过实验表明所设计的机器人样机能够实现自主避碰的功能，达到设计 要求。 关键词：清洁机器人；避障；模糊控制；a t 8 9 c 5 1 单片机 哈尔滨l - 程大学硕十学位论文 a b s t r a c t c l e a n i n gr o b o ti so n ep a r to ft h es e r v i n gr o b o t s e r v i n gr o b o ti sb e i n g r e s e a r c h e da n dd e v e l o p e di nt h ec o u n t r i e sa l lo v e rt h ew o r l d ，a n dw h i c hi sb e i n g u s e dw i d e l yi nt h ew e s td e v e l o p e dc o u n t r i e s i ft h er a t eo fq u a l i t ya n dp r i c eo ft h e c l e a n i n gr o b o ti sh i g h l ye n o u g h ，t h em a r k e t o ft h ec l e a n i n gr o b o tw o u l db e p r o s p e r e d t h ep a p e rs t u d i e st h ea p p l i c a t i o n sa n dd e v e l o p m e n t so fc l e a n i n gp o b o ta t h o m ea n da b r o a d ，a n dr e s e a r c h e st h ec o n t r o ls y s t e mo ft h ec l e a n i n gr o b o ta v o i d i n g ao b s t a c l em a i n l y t h em o d e li sd e s i g n e du n d e rt h ea c t u a lc o n d i t i o no ft h el a b t h e m a i n w o r ko ft h ep a p e ri sa sf o l l o w s t h em e c h a n i c a ld e s i g no fc l e a n i n gr o b o t ，t h e t h e o r yo ft h ec o n t r o ls y s t e m ，t h ed e s i g no fc o n t r o ls y s t e mo fh a r d w a r ec i r c u i ta n d s o f t w a r eb a s e do na t 8 9 c 51s c m ，t h ed e s i g no fi n s p e c t i v ec i r c u i ta n dt h e e x p e r i m e n to f p e r f o r m a n c eo f t h ec l e a n i n gr o b o ta v o i d i n gao b s t a c l e t h er e s u l to ft h ee x p e r i m e n ts h o w st h a tt h er o b o td e s i g n e dh a st h ef u n c t i o n s o f a v o i d i n gao b s t a c l e ，s oi tf i l l st h ed e m a n do f t h et a s k k e yw o r d s ：c l e a n i n gr o b o t ；a v o i dao b s t a c l e ；f u z z yc o n t r o l ；a t 8 9 c 51s c m 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等引 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丌发 表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 作者签名： 聋皇! 查奎 日期：毗年r z - j qf 乒日 哈尔滨i 程人学硕十学何论文 第1 章绪论 1 1 机器人的发展概述 机器人技术是在新技术革命中迅速发展起来的一门新兴学科，它在众多 的科技领域与生产部门中得到了，“泛的应用，并显示出强大的生命力。它是 集精密机械、光学、电子学、检测、自动控制、计算机和人工智能等技术于 一体，形成的一门综合性的新技术学科。 机器人的发展有很长的历史，早在三国时代，诸葛亮造的“木牛流马” 就是古代机器人的种雏形。机器人( r o b o t ) 一词来源于i 9 2 0 年捷克作家 卡雷尔查培克所编写的戏剧中的人造劳动者，在那罩机器人被描写成像奴 隶那样进行劳动的机器。2 0 世纪6 0 年代出现了作为可实用机械的机器人。 为了把这种机器人同虚构的机器人及玩具机器人加以区别，称其为工业机器 人。 目前所说的机器人大多指工业机器人。1 9 6 2 年，第一台工业机器人 u n i m a t e 在美国通用汽车公司投入使用，标志着第一代机器人的诞生。第一 代机器人，主要指只能以“示教一再现”方式 作的机器人。示教内容为机 器人操作机构的空间轨迹、作业条件、作业顺序等。第二代机器人具有一定 的感觉装置，能获取作业环境、操作对象的简单信息，通过计算机处理、分 析，机器人作出一定的推理，对动作进行反馈控制。表现出低级的智能。弟 三代机器人是指具有高度适应性的自治机器人，它具有多种感知功能，可进 行复杂的逻辑思维，判断决策，在作业环境中独立行动。 工业机器人自诞生以来已走过5 0 年历程，2 0 世纪6 0 年代中期到2 0 世 纪7 0 年代初期机器人技术发展缓慢，2 0 世纪7 0 年代中期投入实用，到2 0 哈尔滨：l 程人学硕十学位论文 世纪8 0 年代中期机器人制造业已成为发展最快和最好的经济部门之一，2 0 世纪9 0 年代机器人已活跃在工! 世的各个领域。我困对机器人技术的研究从 7 0 年代术期起步以来，经过“六五”、“七五”、“八血”期间的发展，在机器 人理论、样机设计、研制及机器人应用等方面取得了一大批成果。许多研制 项目被列入“8 6 3 计划”和“火炬计划”。国家“七五”重点工程的“机器 人示范工程”已由中科院沈阳自动化所完成，并逐步成为我国机器人研究、 丌发、人才培训、机器人性能测试和国内外机器人交流的基地，他们已经研 制出多种型号的水下机器人、工业机器人通用控制器、移动式机器人等。8 0 年 代在国家高技术计划中安排了智能机器人的研究，i ：发，包括水下无缆机器人、 高功能装配机器人利各类特种机器人的应用研究。9 0 年代中期，国家已选择 以焊接机器人的工程应用为点进行开发研究。另外我国的高等院校也在机器 人领域丌展了广泛的研究，如长沙的国防科技犬学、上海交通大学、北京航 空航天大学、燕山大学等在步行机器人、精密装配机器人、7 自由度机器人 及并联机器人等前沿领域取得了可喜的成绩，f 在逐步缩短在机器人技术方 面与世界先进水平的差距m 。 1 2 移动机器人的发展概述 早在6 0 年代，人们就已经丌始了关于移动机器人的研究。关于移动机 器人的研究涉及许多方面。首先，要考虑移动方式，可以是轮式的、履带式 的、腿式的，对于水下移动机器人则是推进器。其次，必须考虑驱动器的摔 制，以使机器人达到期望的行为。第三，必须考虑导航和路径规划，对于后 者，有更多的方面考虑，如传感器信息融合、特征提取、避障和环境映射等。 因此，移动机器人是一个集环境感知、动态决策、 j ：为控制与执行等多功能 于一体的综合系统。 从8 0 年代开始，美国国防高级研究计划局专门立项，制定了地向无人作 哈自；滨i ：程大学硕十学位论文 i i i i ；i i i i i i ；i i ；i i j i i i ；i i ；i i i i i i i i i 二 战平台的战略计划。如d a r p r 的“战略计算机”计划中的自主地面车辆计划。 能源部制定了为期l o 年的机器人和职能系统计划，以及后来的空间机器人训 划。美国n a s a 研究的火星探测机器人于1 9 9 7 年登上了火星。为了在火星e 进行远距离探测，又丌始了新一代样机的研制，命名为r o c k y 7 ，并在1 a v i c 湖的岩溶流上和干枯的湖床上进行了成功的试验。美国的m d a r s 项同是在著 名的保安机器人r o b a r t 的基础上建立的一个多移动机器人平台，后来在指定 的地点执行随机巡逻任务。德国研制了一种轮椅机器人，并在乌尔姆市中心 车站的客流高峰期的环境中和1 9 9 8 年汉诺威工业商品展览会大厅环境中进 行了超过3 6 小时的考验，所表现出的性能是其他现存的的轮椅机器人和移动 机器人所不可比的。 国内在移动机器人的研究上起步较晚，但却取得了可喜的成就：清华大 学智能移动机器人于1 9 9 4 年通过鉴定，涉及五个方面的关键技术：基j 二地幽 的全局路径规划的研究：基于传感器信息的局部路径规划研究；路径规划的 仿真技术研究；传感器技术、信息融合技术研究：智能移动机器人的设计和 实现等。另外，中科院沈阳自动化研究所的a g v 和防暴机器人；哈尔滨工业 大学于1 9 9 6 年研制成功了导游机器人；2 0 0 3 年6 月，清华大学一辆代号为 “t h m r v ”的智能车成功完成了性能测试，时速和自动驾驶技术均达到了国 际最先进的水平“。2 0 0 4 年7 月，由南昌大学主持丌发的“无导轨全位置爬 行式弧焊机器人”项目实现了无导轨、无导向、无须事先编程的条件f ，自 主爬行和全位置多层多道自动焊缝跟踪，而且焊缝质量良好，被称为“智能 型弧焊机器人”，处于国际领先水平。 1 3 清洁机器人的研究概况 清扫机器人属于服务机器人的一种，所谓服务机器人是指自手或半自主 的从事非生产活动，能完成有益于人类健康的服务工作的机器人。世界各国 哈尔滨r 程人学硕十学位论文 尤其是西方发达国家都在致力于研究开发和广泛使用服务机器人。 目前，在些发达国家，对办公室、车站、机场、工厂等场合的清扫已 经采用清扫机器人。随着科学技术的进步和社会的发展人们希望从繁琐的 只常t 作解脱出来，这就使清扫机器人进入家庭成为可能。如果清扫机器人 的性价比足够高，那么清扫机器人的市场将会被看好。 同本能源及产业 技术综合开发机构 ( n e d o 技术丌发机 构) 在2 0 0 5 年3 月1 8 日开始的爱知世博媒 体预展中，展示了如图 1 1 所示的松下电工的 清洁机器人s u i p p y ， 图1 1 松下电一l = 的清洁机器人 它充分利用光纤连接 的陀螺仪、根据其角度信息和轮子的转数来把握位置和方向。除陀螺仪外还 配备了g p s ，利用了贴在运行路线中的栅栏上的反射板。反射板为2 枚一组， 每隔2 0 米设胃l 组。通过使用反射板，根掘三角测量原理、可以准确把握机 器人与反射板的位置关系，并修正陀螺仪的误差。 欧美的些发达国家也对清洁机器人进行了大量的研究和推广。2 0 世纪 9 0 年代，美国就推出了地面清洁机器人r o b o s e r u b ，该机器人配有激光导航系 统，采用超声波测距和避障，用光码条定位。2 0 0 2 年9 月清洁机器人“r o o m b a ” 在美国面市，r o o m b a 重约两公斤，直径为3 0 英寸，具有高度白 能力，可 以游走于房间各家具缝隙问，灵巧地完成清扫工作，据说这是将用_ j 军事上 的“躲避地雷的移动技术”应用到了吸尘器上。r o o m b a 动作有点迟缓，但 它却能稳定、安全地完成任务。 = h 于能够在完成任务后自动切断电源，所以 哈尔滨上程大学硕士学位论文 可以在外出期间让它在家清扫。 美国微 型机器人制 造公司 i r o b o t在 2 0 0 5 年5 月 份发析j 了它 的新一代 s c o o b a 地面 清洁机器人 如图1 2 所 图1 2 美国s c o o b a 清洁机器人 示。这台机 器人先擦掉地板上的灰，又用清洁剂再擦一次，然后再把这些脏的清洁剂擦 掉，最后再把地板擦干。机器人的售价大约是3 9 9 9 9 美元。 瑞典家电制造商伊莱克斯研制生产的清洁机器人小“三叶虫”高1 3 毫米， 直径3 5 毫米，表面光滑，呈圆形，内置搜索雷达，可以迅速地探测到并避丌 桌腿、玻璃器皿、宠物或任何其他障碍物。一旦微处理器识别出这些障碍物， 它可重新选择路线，并对整个房间作出重新判断与计算，以保证房间的各个 角落都被清扫。在楼梯的台阶等一些没有天然障碍物的地方只要有一条磁 铁，小“三叶虫”便不会跨越。小“三叶虫”丌始启动后体内的搜索雷达 会测出距离最近的墙，先顺着墙壁把地板四周的灰尘及异物吸尽。这样它便 能测出整个房问的格局，计算出清扫房问所需的时间。只要一接近件障碍 物，它便会重新设定行进路线，不会漏掉每一个角落。电线或地毯的边缘不 会被认为是障碍物。小“三叶虫”的吸刷装置中装有一只专利设计滑轮，可 以越过电线或地毯边缘，不被绊住。电源不足时，小“三叶虫”会自动h 到充 哈尔滨j ：程大学硕士学位论文 电卡座自行充电。如果房间没有清扫完毕，小”三叶虫“还有记忆功能，充 好电后自己回到原处继续吸尘。 在国内，哈尔滨工业大学、华南理工大学、上海交通大学等单位也对清 沽机器人进行了大量的研究并取得了1 些成果，对清洁机器人相关技术如机 器感知、机器人导航和定位与路径规划、机器人控制、电源与电源管理、动 力驱动等技术的研究则更多，这些都为清洁机器人的研究丌发和推广奠定了 物质基础和技术基础。 上海劲森电子科技有限公司设计 生产出的k v 8 系列保洁机器人的样 品如图1 3 所示。该机器人的特点 是：有智能系统、自动导航系统、保 洁系统，自动充电、自动倾倒垃圾、 扫地、吸半、净化空气五大功能同步 进行清洁。智能机器人在房间内移动 时，按照随机理论。如果遇到障碍物， 将会随机选择个方向，然后进行直 走清洗地面，直到它遇到第二个障碍 图1 3k v 8 保洁机器人 物。浚机器人内置了光敏元件，可以发觉到楼梯，可以防止机器人跌落。 图1 4 风管清洁机器人 图1 5 风管清洁机器人的监控系统 6 喻尔滨工稃人学硕十学位论文 图1 4 和图1 5 是北京汇瀛环保科技有限公司生产的风管清洁机器人及 其监控系统。用于空调风管内部污染物清理，风管清洁机器人在空调风管内 部作业，操作者通过监视终端和控制器对其进行有线遥控。机器人外观类似 于一个玩具坦克车，其上集成了照明、摄像、图像信号预处理、视频信号输 出、 1 4 接收运动控制信号及实现各种机械运动等功能。 移动机器人避障的研究 作为“第三代机器人”的智能机器人是这样一类机器人：机器人本身能 对所处的工作环境、工作对象及其状态做出反映，它能根据人给予的指令和 “自身”对外界的了解来独立的决定工作方法，利用操作机构和移动机构实 现任务 作 的变革 r 智能 致力于 目标，并能适应工作环境的变化。 为其分支的智能移动机器人不仅会给现代的交通运输业带来翻天覆地 ，而且进一步促进了机器人的智能化发展。国内外许多科研人员乖热衷 化移动机器人的丌发与研究。早在二十世纪初，美国斯坦 该智能车辆的研究。并于六十年代研制出“眼一车”系统的 能机器人。 对于智能 其中，移动机 能指标之一。 福研究所就 s h a k e y 智 移动机器人的研究而言，其核心问题在于其导航与避障的研究。 器人所具有的避障功能更是代表其智能化的不可或缺的关键性 而要实现移动机器人避障行走的自二 三控制，所面临的基本问题是：方 面要求有充分的环境信息。另一方面是要求能处理所获得的环境信息，使其 转化成控制信息”i 。 哈尔滨l ：程人学硕i + 学位论文 i i 1 5 论文主要完成工作 课题主要完成的工作包括清洁机器人结构没计，驱动电机选择，传感器 的选择，控制算法的研究，硬件电路设计和软件编程及试验。 1 机械结构部分 包括机器人构成方案选择、机器人本体机构设计和驱动电机的选择 2 避障系统控制方案 包括机器人障碍检测系统、定位系统的确定和控制算法的选择 3 控制系统硬件部分 包括a t 8 9 c 5 1 单片机控制系统硬件电路设计、电机驱动电路设计和传感 器检测硬件电路设计 4 控制系统软件部分 包括a t 8 9 c 5 1 单片机控制系统系统软件设计 5 试验 包括机器人性能测试和机器入室内避障模拟试验 哈尔滨1 程火学硕十学位论文 第2 章机器人总体结构 移动机器人的移动方式有很多种，可以是轮式的，履带式的，也可以是 腿式的。由于车轮移动方式的大部分技术比较成熟，控制也比较容易，所以 本文采用轮式移动结构。车体主要由车架和相应的机械电气结构如蓄电池、 电机、减速部分、车轮等所组成。 2 1 机器人构成方案 按车轮数分类，一般有三轮、四轮或六轮。三轮移动机构是目前应用最 多的基本移动机构，主要包括以下三种方式t ( 1 ) 如图2 1 前轮用两轮独立驱动，通过两轮的速度差实现转弯，后轮 为辅助轮。这种机构的特点是机构组成简单，而且旋转半径可从0 到无限大， 任意设定。但是它的旋转中心是在连接两驱动轴的直线上，所以旋转半径即 使是0 ，旋转中心也与车体的中心不。致。 驱动操舵轮 图2 1 两前轮驱动机构原理示意图图2 2 操舵轮驱动机构原理示意图 ( 2 ) 如图2 2 前轮由操舵机构和驱动机构合并而成。与图2 1 相比，操 舵和驱动的驱动器都集中在前轮部分，所以结构复杂。在这种场合，旋转半 9 哈尔滨工程人学硕十学位论文 径可以从0 到无限大连续变化。 操舵轮 n u j 衙 差动齿轮装臀 图2 3 差动齿轮机构原理示意图 ( 3 ) 如图2 3 为避免图2 2 机构的缺点，通过差动齿轮进行驰动的方式。 近柬不再用差动齿轮，而采用左右轮分别独立驱动的方法。 4 轮车的驱动机构和运动，基本一j ：与3 轮车相同。图2 4 ( a ) 是两轮独立 驱动，前后带有辅助轮的方式。与图2 1 相比，当旋转半径为0 的时候，由 于能绕车体中心旋转，所以有利于在狭窄场所改变方向。图2 4 ( b ) 是所谓的 汽车方式，适合于高速行走，但用于低速的运输或搬运时，出于费用不合剪， 所以小型车不常采用。 还有依据使用目的，使用6 轮驱动车和车轮直径不同的轮胎车。与叫轮 车相比，六轮车结构相似，只不过有更大的承载能力和稳定性。 在本课题中，机器人的总重量不是很大，大约只有1 5 公斤。考虑到清洁 机器人实际的j j ：作场合，所以采用三轮机构能满足要求，转向方式采用两前 轮分别驱动，后轮随动的方式。如图2 1 。 哈尔滨。l 程人学硕士学位论文 图2 4 四轮移动机构原理示意图 2 2 机器人本体结构设计 2 2 1 驱动轮机构组成 差动齿轮 驱动轮机械传动示意图见图2 5 ，驱动轮的结构示意图见图2 6 。根掘上 面所确定的方案，机器人小车驱动装置由以下几部分构成1 9 q o j ： 1 、驱动电机 根据控制方式和结构的需要，驱动电机采用步进电机，这是凶为步进 电机具有以下优点m ，： ( 1 )步距值不受各种干扰因素的影响。简而言之，转予运动的速度 主要取决于脉冲信号的频率，而转子运动的总位移量取决于总 的脉冲个数。 ( 2 ) 位移与输入脉冲信号相对应，步距误差不长期积累。因此可以 组成结构较为简单而又具有一定精度的，f ：坏控制系统，也可以 在要求更高精度时组成闭环控制系统。 哈尔滨i 程人学硕十学伉论文 ( 3 ) 可以用数字信号直接进行丌环控制，整个结构简单廉价。 ( 4 ) 无刷，电动机本体部件少，可靠性高。 ( 5 ) 控制性能好。起动、停车、反转及其他运行方式的改变，都在 少数脉冲内完成，在一定的频率范围内运行时，任何运行方式 都4 i 会丢步。 ( 6 ) 停止时有自锁能力。 ( 7 ) 步距角选择范围大，可在几角分至1 8 0 。大范围内选择。在小 步距情况下，通常可以在超低速下高转距稳定的运行。 根据所需的驱动力矩和其它结构要求，驱动电机选用北京四通集团公 司的5 7 1 3 y g 2 5 0 e s a f r m l 一0 1 5 2 型两相混合式步进电动机。其参数如表2 1 所示 12 】： 表2 15 7 b y g 2 5 0 e s a f r j l l 一0l5 2 步进电机参数 相数 2 步距角( 。) o 9 1 8 静态相电流( a ) 1 5 相电阻( q ) 1 0 相电感( 柚) 5 3 保持转矩( n m ) 1 5 定位转矩( n m ) 0 0 6 空载启动频率( 半步方式) ( k h z ) 3 重量( k g ) 1 5 转动惯量( g c m 2 ) 3 3 0 哈尔滨 j 程大学硕+ 学位论文 1 电机底座挡板2 电机3 电机底座4 螺钉5 联轴器6 蜗轮7 轴 8 蜗杆9 支架1 0 车架1 1 轴承座1 2 轴承1 3 轴承端盖】4 键 1 5 车轮 图2 5 驱动轮机械传动示意图 2 、车架 车架要求在保证足够刚度的条件卜，应尽量减轻车架的重量，以提高 有效承载重量。其次，车架的外廓不应有突出部分，以防止碰撞其他物体。 本课题采用硬铝作为车架的材料，底板为4 5 0 r a m 4 0 0 r a m x6 m m 的硬铝板， 板下空叫装有与驱动直接有关或重量较大的部件( 如蓄电池) ，以利于机械 结构设计和降低车体重心，重心越低越有利于抗倾翻。 哈尔滨： 程人学硕十学位论文 图2 6 驱动轮结构示意图 3 、蓄电池和充电部分 蓄电池容量的确定是a g v 设计的重要参数之一，它的选择应保证车辆 在规定的作业方式和工作时恻内提供足够的能量。本课题中，小车采用 1 2 v 2 8 a h 直流铅酸蓄电池为动力源，其比能量为3 0 - - 4 0 w h k g ，比功率 为1 5 0 - - 2 0 0 w k g ，循环使用寿命为5 0 0 7 0 0 次，完全充电时问大于8 h ， 完全满足课题的需要【n ”l 。 4 、减速装置 电机和车轮之问采用蜗轮蜗杆传动，减速比为3 0 。电机与蜗杆之阳j 通过 联轴器相联，蜗轮与车轮装在同一个轴上，它们的转速相同。蜗杆类型为阿 基米德圆 l ；蜗杆，材料为4 5 号钢，蜗轮材料选用铝青铜，这有利于抗磨损。 5 、车轮 哈尔滨j 科人学硕十学位论文 i 车轮采用铸铁橡胶面驱动轮，其优点在于不仅承载能力大、而月橡胶与 地面的附着系数大，保证了足够的驱动能力。 2 2 2 随动轮机构组成 随动轮不产生驱动力矩，它只起支撑作用，在小车转向时它可吵自由 转动。为了使小车转向灵活，车轮与转向轴中心线之问有2 0 m m 的偏心距。 机械构成如图2 4 所示m 。 2 3 本章小结 本章对清洁机器人小车结构方案做出了对比分析，采用了三轮移动机构。 两前轮驱动，后轮随动。车架采用接近正方形的铝板。驱动电机采用步进电 机。并对机械结构进行了设计，经校核，各零部件的强度和刚度都符合要求。 哈尔滨m 【程人学硕十学位论文 1 轴2 挡圈l3 轴承4 随动轮分离轴承架5 螺母6 轮胎紧 固支座7 轮胎8 随动轮轴承架9 联结片1 0 挡圈21 1 套 筒1 2 轴承1 3 轴1 4 螺钉1 5 随动轮轴承座1 6 螺栓1 7 挚圈 1 8 螺栓1 9 垫圈 图2 4 随动轮机构组成 6 哈尔滨j 二程人学硕十学位论文 3 1 概述 第3 章清洁机器人的避障系统 避障系统是移动机器人探测障碍、处理障碍信息及避障方式的一个综合 系统。避障系统的好坏直接影响到移动机器人工作的效果。避障也是移动机 器人智能化的体现。一个完整的避障系统主要包括三方面的技术：避障策略、 障碍探测系统和障碍信息处理。 就避障策略而言，避障是指给定环境的障碍条件，以及相应的位置信息， 要求选择一条从起始点到目标点的路径，使机器人能够安全、无碰撞地通过 所有的障碍。这种自主地躲避障碍并完成作业任务是机器人研究的一个重要 内容。 障碍探测系统是指由各种传感器和微控制器组成的探测障碍信息的系 统。整个障碍探测系统就像是移动机器人的“眼睛”，收集周围坏境的某些信 息。这些信息是避障、路径规划的依据 由于移动机器人运行环境的不确定性、复杂性，再加上障碍探测系统中 传感器本身的某些缺陷，致使障碍探测系统所采集的各种信息中参杂着一些 干扰信息，因此，我们就要采取合适的方法提取真正所需的信息，这一过程 就是障碍信息的处理。若所探测到的障碍信息处理不当，可能会将干扰信号 送入其他功能模块，致使移动机器人产生错误决策( 例如避障功能和路径规 划可能完全失效) ，这样移动机器人就无法1 f 常工作。因此障碍信息的处押 也是很关键的一步。 本文避障系统是针对全区域覆盖而展丌的。传统的移动机器人避障是在 发现障碍后，就立即调用避障执行程序，躲避障碍。对于清洁机器人来讲 哈尔滨i ：程大学硕十学位论文 ；i i ；ii ；i i i i i i ；i i i i i j i ；i i i i i i ； 避障系统必须尽可能的使移动机器人行走的路径覆盖更多的区域，即提高覆 盖率，所以就必须使得移动机器人充分的接近障碍，同时又要尽量避免碰上。 清洁机器人的避障系统的功能就是使移动机器人对障碍的处理不是远远地躲 避，而应该尽可能地靠近障碍，以便实现最大程度的全区域覆盖这一目标”。 3 2 路径规划与避障系统的关系 路径规划与避障，这是两个问题。路径规划所涉及的是移动机器人整体 行走路径的优劣程度的问题：避障则是针对移动机器人遇到障碍物时如何处 理的问题。但是，这两个问题不是完全独立的。路径规划多数情况下都要涉 及到避障。避障系统的作用给移动机器人沿规划好的路径行走时提供各种信 息；就某种程度而言，路径规划也是为了使移动机器人避丌障碍。 3 3 避障策略 3 3 1 障碍的分类处理 障碍可以分为静态障碍和动态障碍两类。1 i 1 司的障碍有小i 司的处理力式。 目前，对于处理动态的障碍物用的比较多的方法是预测“一，即在动态障 碍物运动方向、速率都不确定的情况下，移动机器人对其未来的可能位置作 出某种定性或定量的判断。当然，要使移动机器人做出预测，必然要在硬件 和软件操作都具备一定的要求( 比如系统的实时处理性能要好) 。移动机器人 对障碍物运动规律了解越多，预测就越准确，从而为避障及规划出更优的路 径提供更准确的信息。 本文主要考虑的是静态障碍。对于静态障碍常用的处理方法有：( 1 ) 、对 于较大的障碍，采用边界识别技术采集并存储其边缘数据信息，作为移动机 哈尔滨】：释犬学硕十学位论文 器人作出各种控制决策的依据。( 2 ) 、其他静态障碍作为未知障碍处理。这些 障碍信息仅通过障碍探测系统实时获取。 3 3 2 避障策略 1 基于系统存储信息的避障方法 移动机器人执行任务过程中，当其遇到较大的障碍时，若其仅仅用绕障 的这种四避方法来解决，势必在解决路径规划问题上带来难题。由于我们所 研究的避障策略是针对满足全区域覆盖这一基本要求的情况下而言的，因此， 移动机器人就会多次遇到这种类型的同一障碍。若采用这种绕障方法，它将 增加移动机器人的行走路径，增加定位点的判断，那么，移动机器人所作的 擦制决策就要多，误差也在一定程度上有所上升，其直接后果是移动机器人 消耗大量的时间和能量。因此对一些较大的障碍或是明显影响移动机器人 运行的坑洼地等，经常采用边界识别技术采集并存储其边缘数据信息，以备 作为移动机器人作出各种控制决策的依据。 这种避障方法的好处是：有利于移动机器人沿规划好的路径运行：有利 于减少移动机器人的决策控制，即减少了误差，节约了时间和能量；有利于 提高移动机器人的安全性。 2 、基于传感器实时信息的避障方法 移动机器人获得的周围环境信息越多，就越有利 。匕作出更好的决策。 障碍边界信息存储的越多，就要求系统的存储量越大、c p u 处理速度要快。但 是由于各种硬件资源的限制，存储所有障碍边界信息是不可能的，且这种做 法也是不现实的。因为采集障碍边界信息，这个量是非常大的。再者，存储 信息量多了系统检索信息的量也相应的增加，这也会影响移动机器人的决策 过程1 。因此，为使移动机器人更好地避开障碍，本文采用这一种策略，即 基于传感器实时信息的避障策略。 哈尔滨+ 程大学硕十学位论文 在清洁机器人 二装有七个障碍检测传感器，如图3 1 。f j i 方为三个红外 线传感器( d l ，d 2 ，d 3 ) ，左( a ，b ) 、左前( c ) 右( f ，g ) 、右前( e ) 装有光电传感 器。传感器c 和传感器e 的放置方向和机器人的前进方向成4 5 度角。优先处 理前方障碍，当检测到前方有障碍时，根据传感器( b ，c ，e ，f ) 的检测值判断 障碍物的形状，采取相应的避障措施。 图3 2 为清洁机器人可能遇到的障碍类型。( a ) 为较大障碍物。对于这 种类型的障碍物，机器人原地右转9 0 度，前进4 0 厘米后再右转9 0 度。也就 是把较大障碍物和墙同样对待；( b ) 为前方和右侧有障碍情况，机器人左转 9 0 度，前进4 0 厘米后再左转9 0 度。前方和左侧有障碍物的时候，处理方法 i 前进方向 c ( b a ( d 3 ) f g 图3 1障碍检测传感器的位置分卸 2 0 哈尔滨i i 程大学硕士学位论文 口 n 占一 类似；( c ) 和( a ) 侧绕行的方法。当 前方都没有障碍的 有障碍的情况。机 碍时停止，再右转 ( c ) ( e ) 图3 2 障碍物的类型 ( d ) 的区别在于，( c ) 的左前方没有障碍物。机器人采用从左 右前方没有障碍的时候处理方法类似：( d ) 为r ：前方和右 情况，机器人采用右侧绕行的方法；( e ) 为前方和两侧均 器人原地转1 8 0 度，前进到传感器( a ) ( f ) 均检测不到障 9 0 度，前进4 0 厘米后，再右转9 0 度。 图3 3 基于传感器实时信息的避障 基j 。传感器实时信息的避障方法的基本思想是：在遇到可以绕过的障碍 哈尔滨i 程入学硕十学何论文 的时候，移动机器人通过传感器实时探测障碍信息，采用类似盲人摸墙的绕 障方法，紧靠障碍绕行m “。如图3 3 所示。图3 3 中箭头方向代表机器人绕 障时的前进方向。 3 4 障碍探测系统 障碍探测系统是指由各种传感器和微控制器组成的探测障碍信息的系 统。它是移动机器人的一个重要组成部分。在移动机器人系统中，机器人需 要实时的收集环境信息，以实现避障等任务。这些任务都要依靠能实现感知 坏境信息的传感器系统来完成。整个障碍探测系统就像是移动机器人的“眼 睛”，收集周围环境的某些信息。这些信息是避障的依据，是移动机器人行动 的指南。 3 5 定位系统 移动机器人的定位技术是一个关键技术。从实用性和成本角度考虑，我 们采用光电编码器定位系统。该系统精度高、数据更新快、性能稳定而且成 本低。 光电编码器通过光电转换，可以将输出轴的角位移、角速度等机械量转 换成相应的电脉冲以数字量输出。我们设计的清洁机器人只向前方行进没 有后退的情况，因此，采用自己制作的增量式光电编码器。只计脉冲个数， 刁i 考虑旋转方向。其计数起点可任意设定，并可实现多圈的无限累加和测量。 轴旋转一圈可输出固定的脉冲数，对于光电式编码器，输出的脉冲数和编码 器光栅刻线数相同”。 我们设计的机器人采用两前轮单独驱动，后面装个随动轮，光电编码 器安装在后随动轮上，和随动轮同轴。设随动轮的直径为d ，光电编码器的线 哈尔滨r ：程大学硕十学位论文 数为p ，t 时f u j 内光电编码器输出的脉冲数是n ，车体运行的距离为 s ， 则 厶：型( 3 一一1 )血= l 1 ) 尸 根据光电编码器测出的脉冲数，可以计算出机器人行走的距离。 3 6 本章小结 本章主要介绍了清洁机器人的避障控制系统。包括路径规划与避障的关 系，根据障碍物的类型采取相应的避障措施，制定了基于传感器实时信息的 避障策略。介绍了清洁机器人的障碍检测系统以及定位系统。 哈尔滨上张大学硕士学位论文 第4 章避障的控制算法 4 1 移动机器人避障控制算法概述 随着机器人的工作速度和精度越来越高，所面i 愉的工作环境也越来越复 杂，促使各国学者把现代控制理论应用到机器人、控制领域，以解决高度非线 性的控制问题。这些控制技术主要包括最优控制、随机控制、自适应控制、 模糊控制和神经网络控制等。 移动机器人避障过程中，所面对的环境对象非常复杂，我们往往不能建 立起精确的数学模型来具体的描述它。实践证明，最优控制和随机控制往往 不能保证移动机器人避障控制n ”“，的最佳特性，显得效果不十分明显。但自 适应控制、模糊控制和人工神经网络控制有适应系统变化的能九，尤其是后 两种方法，在本质卜- 可以实现非线性控制。 4 1 1 移动机器人避障的模糊控制 模糊控制是一类应用模糊集合理论m 一“的控制方法，它没有像经典控制 理论那样：把实际情况加以简化从而建立起数学模型。而是，通过人的经验 和决策进行相应的模糊逻辑推理，并且用具有模糊性的语占来描述整个时变 的控制过程。对于移动机器入避障这样一个复杂的事件，用经典控制理论建 立起的数学模型将会非常粗糙的，而模糊控制则把经典控制中被简化的部分 也综合起来考虑了。对t ：移动机器人避障的模糊控制而吉，其关键问题就是 要建立合适的模糊控制器，其理论结构如图4 1 所示。其中 表不精确的数 值输入，x 表示精确的数值输出，y 表示模糊化的数值输入y 表示模糊化的 哈尔滨丁= 程大学硕士学位论文 数值输出，关系r 可视为受约于 0 ，1 区间的n 个变量的函数。 图4 j 理论模糊控制器框图 4 1 2 移动机器人避障的人工神经网络控制 人工神经网络m 一是属于人工智能领域的重要分支，简称为神经网络， 它具有学习能力和非线性映射能力，利用它可以解决一些复杂的系统控制。 移动机器人的避障系统是一个非常复杂的非线性控制系统，具有模型不精确 性和不确定性。因此，人工神经网络在这方面有很大的应用潜力。 人工神经网络的基本原理是在人类大脑功能的生理学及神经元的电生理 学的基础上发展起来的。众所周知，神经元是脑组织的基本单元，人脑是大 约1 0 11 个神经元组成的巨大系统。神经元之问通过树突相互连接，并传递 兴奋或抑制信息。人脑是由大量神经元组成的互连网络。 人工神经网络不是人脑的真实描写，它仅是人脑的某种抽象、简化与模 拟。网络的信息处理由神经元之间相互作用来实现；知识与信息的存储表现 为网络元件( 神经元) 互连恻分布式的物理联系，网络的学习和信息处理决 定于各神经元连接权系数动态变化过程。神经元作为神经网络的最基本单元， 其结构如图4 2 所示。 图中x l 、x 2 、a 、x n 为n 个输入信号，它们既可以是其他神经元输 出，也可以是外部输入。每个输入信号乘以代表它与该神经元连接紧密程度 的信息，w 称为权系数，然后相加起来，代表该神经元的净输入n e t ，即 n e t = x i w l + x2 w2 + a 十x n w n ( 4 一1 ) 写成向量形式 哈尔滨j ，利人学硕十学位论文 n e t = x w( 4 - 2 ) x ，w 图4 2 神经元结构图 其中，x = x ，x2 ，a ，x n w = 【w 。，w ，a ，w n f 这个神经元的激活程度( 即输出水平) 还要取决于一个激活函数f ，也 就是该神经元输出o u t 为 o u t = f ( n e t ) ( 4 - 3 ) 这个神经元输出可以是与其相连的另些神经元的一一个输入，或者是神 经网络最后的输出。 通常，激活函数f 为净输入n e t 的非线性函数，这样网络就具有处理 非线性的能力。这也是近几年来，神经网络经常被用于移动机器人的避障导 航中的一个重要原因。 4 1 3 移动机器人避障的模糊神经控制 神经网络和模糊集理论都是介于传统的符号推理和传统控制理论的数值 计算之间的方法。神经网络是通过许多简单的关系连接来表示复杂的函数关 系。这种简单关系往往是非0 即1 的简单逻辑关系，通过大量的简单关系 哈尔滨工程大学硕士学何论文 的组合就可实现复杂的分类和决策功能。神经网络本质上是一个非线性动力 系统，但是它并卜依赖于模型。因此，神经网络可以看成一种介乎逻辑推理 与数值计算之间的工具和方法。模糊理论则是介乎两者之自j 的另一种方法， 它形式上是利用规则进行逻辑推理，但其逻辑取值可在0 和l 之问连续耿 值，它实际上是基于数值的方法而刁i 是符号的方法。 对于移动机器人避障而言，这两种方法各有长处和短处。一方而，用j ： 移动机器人避障中的模糊逻辑控制器由于没有学习和自适应能力，要构成模 糊逻辑系统，就必须要求设计者首先要了解整个避障系统的物理特性，并且 要定义一系列有效的避障控制规则，用i ft h e n 的表格形式表示出来，用来 定义移动机器人的避障行为。但事实上并0 i 总是可能的，由于移动机器人在 避障过程中所处的环境非常复杂，突发事件也非常多，个设计者不可能把 所有的避障行为都描述成移动机器人的行为规则。就一般情况而言，当个 模糊系统有一卜卜以上的规则时，人的智力要对这所有的因果关系进行理解 就有困难，更别说至少上百条控制规则的移动机器人的避障系统了。即使设 计者几乎定义了所有的避障行为，那么模糊控制规则的数量也必定极为惊人 移动机器人避障行为所需要的计算量也应相当大。结果就是，避障的实时性 不能保证。然而，作为一种高度非线性系统的神经网络却擅长于在海量数据 中找到特定的模式，所以可以用神经网络来辨识因果关系。划于避障系统而 言，我们可以通过在采样状态的障碍物信息的输入和控制输出数据中找出避 障的各种行为模式，从而生成相应的模糊逻辑控制规则。另一方而神经网 络虽然可以通过训练束学习给定的经验，并据此生成映射规则，但是这些映 射规则在网络中是隐龠而无法直接理解的。这样，想从神经网络内部去调整 它的权值参数，进而改进它的性能，对于现在的我们具有一定的难度。然而， 如果我们把模糊逻辑控制引入到神经网络中，我们就会发现它能给神经网络 带来很多优点”，比如减少了对存储器的要求，增加了神经网络的泛化能力 哈尔滨l ：程人学硕十学位论文 和容错能力等。再者，我们还能利用相应的模糊系统来初始化神经网络结构， 从而使得模糊控制器规则的在线精度和神经网络的学习速度均能得到较大的 提高。 从以上的分析上，我们可以看出：模糊逻辑和神经网络这两种技术具有 互补性，对于移动机器人避障这样复杂的系统，模糊神经控制技术有它巨大 的优势。 本文采用模糊控制理论作为清洁机器人的控制方法。 4 2 模糊控制理论简介 模糊控制是在2 0 世纪6 0 年代到7 0 年代中期丌始崛起的一种新兴技术， 是一种基于模糊数学理论的新型控制方法。 模糊数学诞生于1 9 6 5 年，它的创始人是美国加利福尼亚大学的自动控制 专家扎德( z a d e h ) ，在他的一篇论文模糊集合中，首先引入了隶属函数的 概念。扎德建立了模糊集合论的基础，首次运用数学方法来描述模糊现象， 这无疑是一件具有丌创意义的工作。模糊数学所研究的事物概念本身是模糊 的，即一个对象是否符合这个概念难以确定，这种山于概念的外延模糊而造 成的不确定性称为模糊性。模糊数学一经出现就表现出其强大的，命力和渗 透力。2 0 世纪7 0 年代以后，在广泛的领域内得到了很快的发展。 模式识别、人工智能和专家系统是近年发展起来的前沿学科，这些学科 的共同特点之一是让计算机尽可能地模拟人的思想方法。由于人的思维和推 理过程常常是带有模糊性的。所以，模糊数学也已广泛应用于这些领域。在 社会学和经济学中也存在着大量的模糊概念，而且大都是复杂的多因素影口向 相互作用的大系统。如果用经典数学对其进行描述、估计或预测是十分困难 的。而随用模糊数学对其进行研究，可得到较好的效果。由此诞生了。门新 的学科模糊经济学。 哈尔滨i ：程人学硕十学位论文 模糊数学在工业生产和管理方面也得到了广泛的运用，如生产过程控制、 单机自动控制及交通管制等，现已形成了自动控制和模糊数学的一门交叉学 科模糊控制工程。 在控制系统传统设计中，都需要了解被控对象的数学模型。但是，对于 一些生产过程，要获得既有足够的精确性，又便于系统分析的数学模型是相 当困难的，这就使现代控制理论的应用受到了限制。然而，一个熟练的操作 人员却能够对系统中的各种参量，如温度、压力，以致颜色、气味等，做出 响应和判断，最终获得良好的人工控制效果。这种控制方式并不依赖于数学 模型，仅依赖于人的经验积累、感觉和逻辑判断。由此得到启发，将头脑中 的经验加以总结，把凭经验采取的相应措施总结成一条条控制规则进而构 筑一个控制器去代替人对复杂的生产过程进行控制，这种控制就是模糊控制。 扎德提出的模糊思想及向控制领域的渗透，在理论上和实践上为控制理论，i ： 辟了新的发展方向，提供了新的系统设计方法，即模糊控制方法。 传统的自动控制，包括经典理论和现代控制理论中有一个共同的特点，即 控制器的综合设计都要建立在被控对象准确的数学模型的基础上，但是存实 际工、眦生产