（机械电子工程专业论文）移动机器人homemate的设计和行为控制.pdf

上海大学硕士研究生学位论文 2 0 0 3m a s t e r st h e s i ss h a n g h a iu n i v e r s i t y 摘要 移动机器人技术得到了越来越广泛的研究，随着计算机功能不断增强而体积却不 断的减小研究人员可以设计出实现不同功能的各式各样的移动机器人。新的基于行 动跟踪控制的经典移动机器人，相此较于传统功能实现方法要低廉且易行的多。 本论文主要论述了一个名叫“h o m e m a t e ”的移动机器人的设计和行为控制技术。 本移动机器人由上海大学精密机械系机器人实验室研制完成，用来作为检验关键技术 的平台来探讨隶用安全机器人和人类营救机器人的可行性。该技术包括人类搜寻、行 动跟踪、实时避障、火灾或者其他灾难的报警。 本论文章节内容安排如下：第一章我们回顾了有关移动机器人的著作论文，并且 讨论了传统机器人学和移动机器人学的不同之处。目前移动机器人学的实际应用以及 可行的控制范例的优缺点：第二章我们进一步探讨了轮式移动机器人的技术和差动轮 式驱动移动机器人的建模。相对于其他类型的移动机器人。轮式移动机器人更容易制 作和控制。在。h o m e m a t e ”中，我们采用了差动轮式驱动设计：第三章阐述了“h o m e m a t e ”的总体系统设计，机械子系统设计，传感子系统和动力系统设计。整个系统由上 述几个功能模块组成，在对各模块独立制作完成和分别测试通过后再完成生系统的 整体搭建：第四章我们论述了“h o m e m a t e ”的行为控制的构建，控制硬件系统的设计 和执行以及电机控制方法。在“h o m e m a t e ”中我们尝试了基于涵盖结构的控制。即 是设定各种行为的优先控制等级，这些行为的优先级由高到低依次是：逃跑。避障 人类搜寻，行为跟踪灾难预警和巡视：第五章对机器人行动和电机控制软件设计做了 详细的描述。电机速度控制由此例积分闭环控制实施执行，使得机器人能按我们想要 的速度直线行走。在“h o m e ，m a t e ”中我们使用了七种不同的传感器，分别是超声传 感器，近红外线接近传感器，光电码盘传感器，压力传感器，人体红外源传感器。烟 敏传感器和气敏传感器：第六章给出了一些关于“h o m e m a t e ”行为的试验数据。实验 结果表明机器人的实际行为很接近我们预想：最后一章总结了关于“h o m e m a t e ，整个 工作的完成情况，以及今后进一步的研究工作。 关键词：轮式移动机器人行为控制潮盖结构 上海大学硕士研究生学位论文 2 0 0 3m a s t e r ，st h e s i ss h a n g h a iu n i v e r s i t y a b s t r a c t m o b i l er o b o t i c si sag r o w i n gf i e l do fr e s e a r c hw o r l d w i d e t h ei n c r e a s i n g p r o c e s s i n gp o w e ra n dd o w ns i z i n g o ft h ec o m p u t e rh a sl c a dt o m a n yr e s e a r c h e r s b e i n ga b l e t o i m p l e m e n tm a n y d i f f c r e n tk i n d so fm o b i l er o b o t sw i t hd i f i e r e n t c a p a b i l i t i e s n e wc o n t r o ip a r a d i g mi n t r o d u c e di nm o b i l er o b o t i c ss u c ha sb e h a v i o r b a s e dc o n t r o ih a sf a c i l i t a t e de a s yr o b o t i c s u n l i k et r a d i t i o n a lf u n c t i o n a l a p p r o a c h w h i c hi sc o m p u t a b l ye x p e n s i v ea n dd i m c u l tt oi m p l e m e n t t h i st h e s i sm a i n l yd e s c r i b e st h ed e s i g na n db e h a v i o r - b a s e dc o n t r o lo f am o b i l e r o b o tn a m e dh o m e - m a t ew h i c hw a sd e v e l o p e da tr o b o t i cl a b o ft h ed e p a r t m e n to f p r e c i s i o nm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ，s h a n g h a iu n i v e r s i t y t h i sm o b i l er o b o ts e r v e sa s ap l a t f o r mf o rt e s t i n gk e yt e c h n o l o g i e st h a tw o u l db ed i r e c t l ya p p l i c a b l et od o m e s t i c s e c u r i t ym o b i l er o b o t sa n dh u m a nr e s c u er o b o t s t h e s et e c h n o l o g i e si n c l u d eh u m a n s e a r c h f o l l o w i n gb e h a v i o r ，r e a l t i m e o b s t a c l ea v o i d a n c eb e h a v i o r ，f i r ea n do t h e r h a z a r d sw a r n i n gb e h a v i o r s t h i st h e s i si so r g a n i z e da sf o l l o w s ：i nt h ef i r s tc h a p t e rw er e v i e wt h el i t e r a t u r e o fm o b i l er o b o t i c s d i s c u s st h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt r a d i t i o n a ir o b o t i c sa n dm o b i l e r o b o t i c s ，a p p l i c a t i o n o fm o b i l er o b o t sa n dt h ea v a i l a b l ec o n t r o l p a r a d i g m t h e i r a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s i nc h a p t e rt w ow et a k eac l o s e rs u r v e ya tw h e e l e d m o b i l er o b o t i c sa n dm o d e l i n go fd i f f e r e n t i a ld r i v e nw h e e l e dm o b i l er o b o t w h e e l e d m o b i l er o b o t sa r es i m p l et ob u i l da n dc o n t r o lc o m p a r e dt oo t h e rk i n do f m o b i l er o b o t s t h ed i f f e r e n t i a id r i v e nw h e e ls y s t e mw a sa d o p t e df o rh o m e m a t e t h et h i r dc h a p t e r e x p l a i n sh o m e - m a t e ss y s t e m ，s y s t e md e s i g n ，m e c h a n i c a ls y s t e m ，s e n s o r ys y s t e ma n d p o w e rs y s t e r n t h es y s t e mi sc o m p o s e do fm o d u l e st h a ta r ei m p l e m e n t e da n dt e s t e d i n d e p e n d e n t l ya n dt h e ni n t e g r a t e dt ot h em a i ns y s t e m i nc h a p t e rf o u rw ed e s c r i b e h o m e m a t e sb e h a v i o rc o n t r o la r c h i t e c t u r e t h ec o n t r o l h a r d w a r e s y s t e m a n d i m p l e m e n t a t i o n ，a n dt h em o t o r c o n t r o la p p r o a c ho f t h er o b o t t h ec o n t r o la r c h i t e c t u r e o f h o m e m a t ei sb a s e do nt h e s u b s u m p t i o n a r c h i t e c t u r e t h e s u b s u m p t i o n a r c h i t e c t u r ei saf i x e dc o n t r o lh i e r a r c h yi m p o s i n ga p r i o r i t yo r d e r i n go nt h eb e h a v i o r s t h e s eb e h a v i o r si nt h eo r d e ro f h i g ht ol o wa r e e m e r g e n c yb e h a v i o r ，e s c a p eb e h a v i o r ， 0 b s t a c l ea v o i d a n c eb e h a v i o r ，h u m a ns e a r c h f o i l o wb e h a v i o r i l a z a r dw a l nb e h a v i o r a n dt h ec r u i s eb e h a v i o r c h a p t e rf i v ed e s c r i b e sad e t a i l e dd e v e l o p m e n to fo u rr o b o t s o f t w a r eb o t hf o rt h em o b i l er o b o tb e h a v i o r sa n dm o t o r sc o n t r 0 1 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