（机械电子工程专业论文）轮式移动机器人运动控制技术研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 本文围绕自行设计的移动机器人的移动机构、感知系统和控制系统三方 面，对未知环境下轮式移动机器人体系结构、传感器信号处理与融合，运动 控制等问题进行了研究。 第一，对移动机器人的历史和发展趋势进行了综述，同时介绍了本文的选 题背景、主要研究内容和研究意义。 第二，自行研制了一种轮式移动机器人，其采用两轮差动驱动，多层堆栈 机械结构，并以p c i 0 4 嵌入式计算机为核心控制系统。设计了基于p c i 0 4 嵌入式计算机的伺服控制系统，主要包括p w m 功率驱动、测速单元、电源 系统和传感器信息采集模块等。对移动机器人系统中所需的传感器和控制系 统的软硬件进行了系统的分析，给出了硬件电路。 第三，根据差动驱动的运动学模型，提出一种基于参数分配器，运用常规 p i d 算法对移动机器人速度和角速度进行双闭环控制以控制移动机器人的位 姿的算法，避免根据控制左右驱动轮速度间接控制角速度可能出现驱动轮打 滑而产生大的角速度控制偏差问题。在自行研制的移动机器人上的实验证明， 该运动控制技术的可行性和有效性。 第四，针对常规p i d 算法难以适应移动机器人运动控制系统非线性等特 性的不足，将常规p i d 算法、模糊推理和参数分配器相结合，设计了一种基 于参数自调整模糊p i d 的移动机器人运动控制系统。在自行研制的移动机器 人上进行了模糊p i d 控制系统与常规p i d 控制系统运动控制的对比实验，实 验结果表明，模糊p i d 控制的移动机器人的速度和角速度的绝大多数控制指 标都得到较大幅度改善。进行的抗干扰实验验证了参数自调整模糊p i d 移动 机器人运动控制系统具有较好的抗干扰能力。 关键词：移动机器人；p c i 0 4 ；参数分配器；模糊p i d ；运动控制 啥尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t f o c u s i n go nt h em o v i n gm e c h a n i s m ，s e n s i n gs y s t e ma n dc o n t r o ls y s t e mf o r t h ew h e e l e dm o b i l er o b o ta r ed e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e df o rw o r k i n gi na n u n k n o w ne n v i r o n m e n t ，t h em s e a r e ho ft h ea r c h i t e c t u r e ，s e n s o r s i g n a l p r o c e s s i n g ，m o t i o nc o n t r o la np r e s e n t e di nt h i st h e s i s f i r s t l y ，t h er e s e a r c ho nt h eh i s t o r y ，t r e n d ，a r c h i t e c t u r ea n dm o t i o nc o n t r o l f o rm o b i l er o b o t sa r er e v i e w e d ，a n dt h eb a c k g r o u n d ，m a i nr e s e a r c hc o n t e n t s ，a n d t h er e s e a r c hs i g n i f i c a n c eo f t h i st h e s i sa l ei n t r o d u c e da tt h es a m et i m e s e c o n d l y ，ak i n do fw h e e l e dm o b i l em b m i sd e s i g n e d ，w h i c ha d o p t e dt h e a r c h i t e c t u r eo ft w ow h e e l sd i f f e r e n t i a ld r i v ea n dm u l t i l a y e rs t a c km e c h a n i c a l s t r u c t u r ea n du s e das p e c i a le m b e d d e dc o m p u t e rp c i 0 4a st h ek e r n e lo f t h er o b o t m o t i o nc o n t r o ls y s t e m 。i nt h ed e s i g n ，t h ec o n t r o l l e rs y s t e mi n c l u d e sm o d u l e ss u c h a sp ，md r i v e r ，s e n s o r s ，d i g i t a lc o m p a s s ，p o w e rs u p p l y ，e x e c u t i v em e c h a n i s m ， m o t i o nc o n t r o ls y s t e ma n ds oo n i na d d i t i o n ，t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h e c o n t r o ls y s t e ma n ds e n s o r ss y s t e ma r ed e s c r i b e ds y s t e m a t i c a l l ya n ds o m e h a r d w a r ec i r e u i t sa r ep r e s e n t e d t h i r d l y ，b yt h ea n a l y s i so f t h ek i n e m a t i c a lm o d e lo f t h ew h e e l e dm o b i l cr o b o t ， t h et h e s i sp r o p o s e sam e t h o do fan e wp i dm o t i o nc o n t r o l l e rw h i c hi sb a s e do n t h ep a r a m e t e rd i s t r i b u t o rw i t h o u tt h ed e e o u p l i n go ft h et w om o t i o nc o n t r o l p a r a m e t e r s ( v e l o c i t ya n da n g u l a rr a t e 、t oo v e r c o m et h ep r o b l e mt h a tt h ee f f e c to f a w h e e l e dm o b i l er o b o t sa n g u l a rr a t ec o n t r o li sw e a ka r i s e sf r o mt h eg r e a te r r o ro f t h ea c t u a la n g u l a rr a t ea n dt h ed e m a n d e da n g u l a rr a t eb e c a u s eo f t h es l i d i n go f t h e w h e e l s t h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n t a t i o n so fm o t i o n sc o n t r o ls h o wt h a tt h e c o n t r o l l e ri sf e a s i b l ea n de f f e c t i v e i na d d i t i o n ，t h ef u z z yp i da l g o r i t h mb a s e do nf u z z yi n f e r e n c ee n g i n ea n d 哈尔滨工程大学硕士学位论文 t h ep a r a m e t e r sd i s t r i b u t o ri sa p p l i e dt oo v e r c o m et h es h o r t c o m i n go ft r a d i t i o n a l p i da l g o r i t h mt h a ti su n f i t t e dt ot h ep r o p e r t i e so f aw h e e l e dm o b i l em h o ts u c h 鑫s n o n l i n e a r i t y 确er e s u l t so f t h ee x p e r i m e n t a t i o n so f m o t i o nc o n t r o ls h o wt h a tt h e m o t i o nc o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h ep a r a m e t e r ss e l f - t u n i n gf u z z yp i da l g o r i t h m h a sg o o de f f e c t so v e rt r a d i t i o n a lp i dm o t i o nc o n t r o lf o rt r a n s i t i o n a ls t a t e b e s i d e s o v e r - a d j u s m a e n ta n de r r o ro fs t e a d ys t a t eo fv e l o c i t yo ra n g l er a t eo ft h em o b i l e r o b o ta r ea l s oi m p r o v e dg r e a t l y t h er e s u l t so f a n t i - j a m m i n ge x p e r i m e n t a t i o n so f m o t i o nc o n t r o ls h o wt h a tt h em o t i o nc o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h ep a r a m e t e r s s e l f - t u n i n gf u z z yp i da l g o r i t h mh a sg o o dc a p a b i l i t yo f a n t i - j a m m i n g 。 k e y w o r d s ：m o b i l er o b o t ：p c i 0 4 ：p a r a m e t e r sd i s t r i b u t o r ：f u z z yp d ：m o t i o n c o n t r o l 哈尔滨王程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，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 献酶零| 舞基在文中指遗，并与参考文献相对盎。除文中港 注明弓| 用静内容褂，本论文不包含任何其他个人或集钵已 经公开发表的作品成果。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掇。 诈蠹( 签字) ： 日期：州年。多月7 豳 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 机器人是在综合控制论、信息论、仿生学、运动学、动力学和计算机技 术等多学科的科学成果基础上应运而生的。机器人技术是一种面向未来的现 代化技术，机器人技术与网络技术、基因技术、通信技术、计算机技术等一 样，属于高新技术。 机器人的定义是多种多样的，其原因是它具有一定的模糊性。 1 9 7 9 年美国机器人协会将机器人定义为：“可重复编程的多功能操纵器， 设计成通过不同的编程动作为执行多种任务移动原料、部件、工具或专门的 设备【1 】。 1 9 8 8 年法国的埃斯皮奥将机器人学定义为：“机器人学是指设计能根据 传感器信息实现预先规划好的作业系统，并以此系统的使用方法作为研究对 象”。 1 9 8 7 年国际标准化组织对工业机器人进行了定义：“工业机器人是一种 具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。” 我国科学家对机器人的定义是：“机器人是一种自动化的机器，所不同的 是这利机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、 动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器”。前中国工程院 院长宋健指出：“机器人学的进步和应用是2 0 世纪自动控制最有说服力的成 就，是当代最高意义上的自动化”【2 l 。 自从世界上第一台机器人于1 9 6 0 年在美国问世以来，距今已有四十多年 的历史。由于科学技术的飞速发展，机器人的发展已经经历了第代“示教一 再现”型机器人和第二代感觉型机器人，目前已进入第三代智能机器人的研究 阶段。 第一代机器人主要以“示教一再现”方式工作，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。示教方法或操作员“手把手”直接做， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 或是与计算机编程相结合。 第二代机器人通过一定的感觉装置获取作业环境和操作对象的简单信 息，并经过其内部计算机的分析、处理，做出一定的推理，对动作进行反馈 控制。这一代机器人表现出了初级的智能。 第三代机器人是具有高度自治陛和适应性的自主式机器人。这种机器人 具有多种感知功能，可进行复杂的逻辑思维和判断决策，能够在作业环境中 独立行动。 移动机器人是机器人学的一个重要分支，其研究工作始于2 0 世纪6 0 年代。对移动机器人的研究首先要考虑机器人的移动方式，它可以是轮式 的、履带式的、腿式的，水下机器人则是推进式的；其次要考虑移动机器 人的驱动控制，以使机器人达到预期的行为；最后还要考虑机器人的避障 导航或路径规划，这要涉及到诸如传感数据融合、图像处理、模式识别、 神经网络、环境映射等知识。所以，移动机器人是一个集环境感知、动态 决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合系统。 由于机器人应用从制造业向非制造业的扩展，以及移动机器人在诸如 野外作业、深海探测以及一些人类本身所不能进入的有毒或高温环境的作 业中，有着极其广泛的应用前景，因此近年来机器人研究在多方面都己取 得了很大进展，研究成果必将成为各行各业提高生产力的强有力工具1 3 ，4 j 。 1 2 移动机器人的发展现状 移动机器人的研究始于6 0 年代末期斯坦福研究院( s r i ) 的n i l sn i l s s e n 和 c h a r l e sr o s e n 等人，在1 9 6 6 年至1 9 7 2 年中研制出了自主移动机器人s h a k e y ， 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。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 年代中期以来，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，如美国通用电气、日木本田、索尼等开 始研制移动机器人平台，这些移动机器人主要作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【”。例如， 轮式移动机器人的代表作有：s m a r tr o b o t s 公司推出的新型基于l i n u x 的移 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 动机器人s r 4 , 美国a c t i v m e d i ar o b o t i c s 公司用于教学的p 3 d x 轮式移动 机器人；卡内基梅隆研发的n o m a d 移动机器人；美国国家航空航天局闻名遐 迩的火星登陆车“勇气号”等。 图1 1 s m a r tr o b o t s 的s r 4 机器人 图1 2p 3 d x 机器人 图1 3n o m a d 轮式移动机器人 图1 4 “勇气号”火星登陆车 我国的机器人学研究起步较晚，但进步较快，己在工业机器人、特种机 器人和智能机器人各个方面都取得了显著成绩。在“七五”期间，完成了示教 再现工业机器声成套技术( 包括机械手、控制系统、驱动传动单元、测试系统 的设计、制造应用和小批量生产的工艺技术等) 。为跟踪国外高技术，8 0 年 代国家高技术计划中安排了智能机器人的研究开发，包括水下无缆机器人、 高功能装配机器人和多种特种机器人。进行了智能机器人体系结构、机构、 控制、人工智能、机器视觉，高性能传感器及新材料的应用研究，取得了大 量成果【6 。其中，轮式移动机器人的研究也硕果累累。 堕签堡三墨盔堂堡主堂堡丝塞 图1 5a s r 轮式移动机器人图1 6c a s i a i 轮式移动机器人 图1 7 “青青”轮式移动机器人图1 8 “小蜘蛛”登月车 目前，国内研究轮式移动机器人的科研单位及公司主要有研制能力风暴 a s r 机器人的上海广茂达伙伴机器人有限公司；研制的c a s i a - i 自主移动 机器人的中科院自动化所【7 】；研制“青青”轮式移动机器人的哈尔滨工业大学， 研制“小蜘蛛”轮式移动机器人登月车的上海交大等。 当前，移动机器人技术的研究与发展的趋势包括有：机器人机构、导航 和定位、路径规划、传感器信息融合技术、智能技术、移动机器人传感器技 术等研究嗍。 1 2 1 机器人机构 对于移动机器人，已经研究出能适应地上、水中、空中和宇宙等作业环 境的各种移动机构。当前，对于足式步行机器人、履带式机器人和特种机器 人研究较多，但大多数仍处于实验阶段。而轮式移动机器人由于其控制简单、 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 运动稳定和能源利用率高等特点，正在向实用化迅速发展。从阿波罗登月计 划中的月球车到成功登陆火星的“勇气号”火星登陆车，从西方各国正在加 紧研制的战场巡逻机器人、侦察车到新近研制的管道检测机器人，都有力地 显示出轮式移动机器人正在以其具有的使用价值和广阔的应用前景而成为智 能机器人发展的方向之。另外，电动汽车是推动轮式移动机器人技术进步 的动力之一。 1 2 2 导航和定位 移动机器人常见的导航方式有磁导航、惯性导航、激光导航、味觉导航、 视觉导航、g p s 导航、陀螺导航、罗盘导航、光电编码器导航等1 9 l ；导航 和定位是确定机器人在多维工作环境中相对于全局坐标的位姿，是移动机器 人最基本环节。根据机器人工作环境复杂性、配备传感器的种类和数量等， 定位方法主要有：惯性定位、陆标定位和声音定位等 1 2 - 1 5 】。 1 2 3 路径规划 机器人规划问题是指综合机器人的动作序列并执行的问题，从给定的状 态出发，这个序列能够使机器人达到预期的工作目标，完成规定动作的工作 任务【1 6 1 。机器人规划问题通常分为两级不同规划问题：任务规划和路径规划。 路径规划是根据环境信息，将任务规划的结果变成一条由起点到终点的无碰 撞优化路径。对于自主式移动机器人，路径规划也称为行动规划或运动规划。 路径规划本身又可分为全局规划和局部规划。全局规划是基于环境模型， 在有限条件下对任意指定的起点和终点产生一条优化路径，即给出实际路径 上的一系列关键点。其主要方法有：可视图法、广义锥法、位置空间法、顶 点法、势场法、栅格法等。局部规划是处于规划的底层，它通过各种传感器、 处理器同环境交互信息，把全局规划得到的一系列路径关键点作为系统的子 目标序列，规划一条实际的路径。移动机器人局部规划的主要任务实避碰， 即实时地躲避各种突发障碍物。 1 2 4 传感器信息融合技术 多传感器信息融合的基本原理就像人脑综合处理信息的过程一样，通过 对各种传感器及其观测信息的合理支配与使用，将各种传感器在空间和时间 上的互补与冗余信息依据某种优化准则组合起来，产生对观测环境的一致性 哈尔滨工程大学硕士学位论文 解释和描述【1 7 1 信息融合的目标是基于多个传感器分离观测信息，通过对信息的优化组 合导出更多有效信息：它的最终目的是利用多个传感器共同或联合操作的优 势，来提高整个传感器系统的有效性。多传感器信息融合系统则是通过有效 的利用多传感器资源，来最大限度的获取被探测目标和环境的信息量。 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、贝叶斯推理与( d s ) 证据推理、卡尔曼滤波、统 计决策理论、神经网络和模糊推理法以及带置信因子的产生式规则等【”】。 1 2 。5 智能技术 智能技术是用机器来模拟人的外在认识和思想行为的技术总称。目前， 对智能技术的研究主要分为两大派：间接进化和直接进化。前者主要以符号 主义的人工智能为代表；后者以计算智能为代表，包括神经网络技术、模糊 技术、进化计算( 遗传算法、进化策略、进化规划等) 和基于个体的复杂系统 的研究。前者采用自顶向下的技术路线，后者采用自底向上的技术路线。其 实，人在处理问题时两者是混合使用的。移动机器的智能行为包括知识理解、 推测、感觉、认识、推理、归纳、推断、计划、反应、学习和问题求解等。 涉及的领域包括图像理解、语音和文字符号的处理与理解、知识的表达和获 取、学习和智能运动等。 1 2 6 移动机器人传感器技术 移动机器人传感技术主要是对机器人自身内部的位置和方向等信息以及 外部环境信息的检测和处理。一般来说，移动机器人的传感器分为内部传感 器和外部传感器。其中内部传感器有编码器、线加速度计、陀螺仪、g p s 、 磁罗盘、角速度传感器等。外部传感器有：视觉传感器、超声波传感器、红 外传感器、接触和接近传感器等。如何提高移动机器人传感器的可靠性和精 度也是移动机器人的研究热点【1 9 捌。 1 3 本课题的来源及研究意义 本课题来源于黑龙江省杰出青年科学基金资助项目，其目的是力图开发 出一套实验装置，以满足自动控制、计算机控制系统、检测技术等多个实验 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 需要，并对移动机器人控带4 技术进行研究，为软件编獠进行各种人工锱能控 割提供试验平台。嚣墓该移动移动壤嚣入系统是开款式戆，霉苏在瑗蠢熬零 平上不断完善它的功糍。本课题集视械，电子，计算税为一体，体现了机械 电子工程专业多学科棚甄结合，互相渗邂的特点，很能锻炼学生的动手能力， 具有很离的实用价值。 4 本课题的主要研究内容 1 移动移动机器人系统结构( 机械缩构和硬件控制系统) 设计 轮式移动机器人( w h e e l e dm o b i l er o b o t - - w m r ) 系统主要包括小攀机械 结稳、骥箨控裁系绕( 嶷滚穗鼹系统、壤溪l 模块、传戆嚣硬薛系统、羧麓系 统等) 。本课题设计并制作了移动机器人的机械结构，戗括机械本体和移渤机 构设计；并采用了商性熊的p c i 0 4 嵌入式工控机为控制核心，与p c i 0 4 扩展 板共同 奄建了控制硬件系统；设计制作了蠹流电机驱动器及电机驱动伺服系 统；究戏了鼹移动提嚣久毫添系统夔蠖传没诗键终 设诗测终了簧感嚣系统 硬俘体系及其信号采集、隔离和滤波等外围处理电路簿。 2 传感器信息采集系统设计 软件模块化地设计寅现了传感嚣信息采集系统中备类传感器的信号采集 珐戆，主要攫撂疆终姆淼竞或对壤鹞鑫、怒声、红努、懋速度、疆罗鑫、c c d 等传感器信患的实对采集，并进行相斑的信息处理詹将备类传感器信慧传送 到p c i 0 4 处理器中，以便根据这些传感器信息获取移动机器人自身的状态和 周围环境信息，进而对穆动机器人进行相应的实时控制。 3 。运动控羡4 算法 分橱w m r 豹运动学模型，整合参数分配器在线分配移动机器入发骞驱 动电机的控制电压和常规p i d 算法对动态过程无需太多的预先知识，殿不需 要精确的对象模型，控制方法简单的优点，提出了一种熬于参数分配嚣的常 援p i d 运动控毒l 器，蜜骏验证了该运动系统对移动凝器入的运动进弦戆有 效控裁。 另外，针对模糊控制理论不需要建立数学模型，可以语言化地表达复杂 的非线性系统的优点，猩上述常规p i d 运动控制器的基础上实现了另种基 7 嗡尔滨工程太学硕士学位论文 于参数分配器的参数自邋艨模糊p i d 运动控制器，实验也验证了该运动器能 对移勘机器人的运动进行的有效控制。 4 无线远程控制 强了遴过诗算瓿鹅臻溪控捷器天，送嚣天税交互、整控、遴羧撩终等应 用，该移动机器入利用a p 与无线嘲卡实现邀程控制机与移动机器入之间豹 点对点无线连接，实现了移动机器人的远程撼制功能。 5 调试及实验 对憋个移动机器人梗械本体、移动机构鞍崧荦孛硬传进行了定像和安装调 试；黠移动瓿嚣久各奄予系统襄穰崽采集系绞豹撩关电路避牙安装疆试；著 根据所提出的基于参数分粼器的常规p i d 运动控制器和基于参数分配器的参 数自熬定模糊p i d 运动控制器，分别在囊行研制的移动机器人上谶行运动控 制实黢研究，实验结果分析表明，两种控制系统对移动机器人的游动控制是 有效鲍秘可行的，但在按制效果上，后者明攫优于前者。 澍蕊予参数分嚣器熬参数叁整定摸壤p i d 运动控枣l 器控毒l 下懿移袭巍器 入邋行了干扰实验，实验结聚分析表硬，该滗动控铡器控铤下的移动杌器入 在受到干扰时，能快速而准确地恢复到干扰前的运动状态，验证了该运动控 制嚣具有较强的抗干扰能力。 堕叠堡三垦奎堂婴主兰垡丝塞 第2 章移动机器人系统概述 一般来说，轮式移动机器人系统主要包括小车机械结构、伺服驱动系统、 电源系统、传感器信息采集系统和控制系统等。以下将分别作些简要介绍各 部分，具体将在后续章节详细介绍。 图2 1 移动机器人的底盘及整体外观 2 1 1 移动机器人机械本体 移动机器人机械本体结构较为简单，外观主体采用正1 2 棱形，四层堆 栈结构。考虑小车的强度和刚度要求必须满足其运行和加速时的要求，同 时重量不能太重，因而采用硬铝作为车体的材料，小车底盘厚度为6 m m ， 各分层盘和保护罩均为3 m m 。移动机器人的各电子元器部件固定在分层的 铝板上，有利于减少其相互之间的干扰。为了降低车体的重心，与驱动直 接有关或重量较大的部件安装在底盘上下，这有利于抗倾翻。 9 哈尔演工程大学硕士学位论文 2 。1 。2 移动枧器人移动视槐 根据w m r 运动举和动力学模型的分析睇，三轮机构结构简单而实用， 应用比较广泛。四轮移动机构稳定性好、承载能力更大，但需要懋挂系统 来糅涯嚣耱疆薅藿撼，结构较梵爱杂；六轮移凄辊稳舄之糖叛，哭是更稳 定、承栽能力更大而已。 综上所述，该轮戏移动机器人底盘采用两相互独立的固定轮和布置于 嚣霾定稔菱交线土一隧动耱豹三鲶移动绩穗，魏三羚袋等疆三囊形越称牲 分布，有利于车体的前后左右自由地转向，也容易对犁体姿态的计算与控 制。其中前轮为随动轮，为万向自由轮，选用直径为4 0 m m 的万向硬橡胶 夹援辁；嚣嚣驱羲轮为轮骚橡驳轮，壹径菇1 5 0 m m ，其霾定式不簿转囊， 且相互独立。两驱动轮各由一个# 2 0 0 m m 的轴承和一个相配合的轴承座匿 定在移动机器人底盘上。 每拿凝凌轮寿独立熬邀气疆翡模块和变速援撞。每个电气驱麓模块壶 自行研制的直流电机驱动器和鬻电池组等构成；每个变速机构由赢流电机 主轴通过变速比为1 9 7 ：1 的减速箱将其岛直流电机低速轴相联而形成。 医晓，摄瓣移交辍构设诗蒙理，移凄瓿嚣大静羟毒l 方法魏霹采趸羧髑楚蕈， 具有零半径回转特点的差动驱动方式。 2 。2 移动橇器入酶伺鼹驱动系统 移动穆动机器入的电气结构般包括赢流伺服系统、电源模块、传感 爨系统、控裁系统等。 2 2 1 赢流伺服系统 2 2 1 1 赢流伺服电机 一般筏器久罴毫橇懿基本拣缝要求隧； 1 扇动、停止和反向均能逐续有效的谶行，具有良好的响威特性； 2 正转反转时的特性相同，且运行特性稳定； 3 。懿鲟懿撬予撬憩力、体辍小、重量轻： 4 维修容易、不用保养。 据移动机器人的移动性能要求、自身黧黛、传动机构特点等因素，选择 1 0 堕叠鎏三里查堂堡圭兰焦丝塞 电机为p i t t m a ng m 9 4 1 3 2 直流伺服电机，其外观如图2 2 所示。 图2 2p i t t m a ng m 9 4 1 3 - 2 型直流伺服电机 p i t t m a ng m 9 4 1 3 - 2 直流伺服电机系统包括直流电机和装配其上的减 速齿轮箱及光电码盘三部分，其主要参数如表2 1 所示： 表2 1p 1 1 1 m a ng m 9 4 1 3 2 直流伺服电机系统主要参数 额定电压( 伏)2 4 力矩常数( 牛米，安) 0 0 3 9 5 电动势常数( 伏弧度，秒) 0 0 3 9 5 绕组阻抗( 欧) 8 3 3 峰值堵转力矩( 牛米) 0 6 4 峰值堵转电流( 安) 2 4 4 峰值堵转电压( 伏) 约2 4 空载转速( 转分) 2 8 4 静摩擦力矩( 牛米)! 抑0 0 3 5 电气时间常数( 毫秒) 0 7 4 机械时间常数( 毫秒) 1 4 7 热力时间常数( 分) 1 1 1 阻尼常数( 牛米秒) 0 0 0 0 1 9 减速箱的效率 0 7 3 减速箱最大允许力矩( 牛- 米) 1 2 4 减速箱减速比 1 9 7 重量( 克) 4 3 2 码盘( 线) 5 0 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 伺服系统驱动被控对象运动，常常很难用简单的数学表达式来描述，为 便于工程设计计算，需作合理的简化。将被控对象运动负载作必要的典型分 解，以转动形式为例，常见的典型负载有以下几种： 1 干摩擦力力矩 = l is i g n c o ( 2 - 1 ) 式中：乃一干摩擦力力矩，n m 一负载转动的角速度，r a d s 2 惯性转矩 乃= o r s( 2 2 ) 式中：l 一陨性转矩，n m t ，一负载转动惯量，蚝m 2 s 一负载角加速度，r a d s 2 3 粘性摩擦力矩 瓦= b o j ( 2 - 3 ) 式中：l 一粘性摩擦力矩，n t m b 一粘性摩擦系数 一负载转动的角速度，l - a d , s 4 重力力矩 = g i( 2 4 ) 式中：霸一重力力矩，n m g 一负载重量，k g ，一负载重心垂线到转动中心的距离，m 5 弹性力矩 靠= k 以 ( 2 - 5 ) 式中：耳一弹性力矩，n m k 一扭转弹性系数 六一负载转动角度，r a d 6 风阻力矩 l = f o ( 2 - 6 ) 式中：丁，一风阻力矩，n - m 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ，一风阻系数 巩一负载转动角度，r a d 本课题中电机带动移动机器人运动主要有疋和乃两种负载特性【矧。 2 2 1 2 直流伺服电机的控制模型。”1 1 直流电机的转矩平衡方程 机器人移动机构的执行部分时直流电机，易知其电磁转矩疋为： t = q i a ( 2 - 7 ) 式中：丁一电磁转矩( - m ) 巴一转矩常数 西一为单极磁通，珊 ，。一电枢电流，爿 当电机的转速发生变化时( 如启动，停转等) ，转动部分的转动惯量将产生 惯性转矩 丁，：，掣 ( 2 8 ) 。 d r 式中：r ，一惯性转矩，n l n j 一转动惯量，k g i n 2 一电机角速度，r a d s d c o 一角加速度，r a d j 2 讲 这时，电动机轴上的动态转矩平衡方程式为： t = t + 瓦 ( 2 。9 ) 式中：r 一电磁转矩，n m 瓦一负载转矩与摩擦转矩之和n m 。 由式( 2 - 9 ) 可知，当丁大于瓦时，即皇d 堕t 0 ，表示电动机在加速；当r 小 于瓦时，即警 o ，表示电动机在减速a 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 直流电机电枢电压平衡方程 根据电机的负载情况和转矩平衡方程，还不能够确定电动机的转速，还 需要进一步从电机内部的电磁规律以及电机与外部的联系中寻找规律。 电流通过电枢绕组产生电磁转矩，同时还产生感应电动势u ： 虬= e ，z ( 2 - 1 0 ) 式中：u 。一感应电动势，v c 一与电机结构有关的常数 西一单极磁通，晒 n 一电枢转速，r a i n 根据电枢回路的电压平衡易得回路方程： j 。r 。一u d = 一u 。 ( 2 - 1 1 ) 易得直流电机的电压平衡方程： u a = u 。+ l r 。 ( 2 1 2 ) 联合式( 2 1 0 ) 可得电枢电流的表达式： l = 与警 ( 2 - 1 3 ) 3 直流电机模型 由于电感的存在，电动机在过渡过程中电枢电流在变化将引起电抗，故 电枢动态电压平衡方程应该为： 厶粤+ l r 。+ u 。= u d ( 2 - 1 4 ) 在过渡过程中，电机输出转矩主要用来克服惯性转矩，可以假定咒= 0 ， 由式( 2 - 9 ) n - - j 知 t ：，旦竺( 2 - 1 5 ) 出 式中：丁一没性转矩，n - m j 一转动惯量，培- m 2 脚一电机角速度，r a d j 1 4 啥尔滨工程大学硕士学位论文 宰一角加速度，r a d s z 甜 由国= 百2 y f f l 帮式( 2 7 ) 、式( 2 一l o ) 、式( 2 - 1 4 ) 联会求孵德： 翰窑哆i d n + 释；( 2 - t 6 ) n o 。面蜘i i 硼。 式中：。一撬电时闻霉数，。= 蓑西2 崖i j r 7 a 乃一电磁时间常数，钆= 惫 玎。一理想空载转速，r m i l l , = 可u d 式( 2 - 1 6 ) 可改写为 扩脚勘 弓畅j 歹+ 弓i + 掰2 嚣 ( 2 _ 1 7 ) 其中，9 7 = 警= c ：，对式( 2 1 7 ) 两边取挝氏变换鼠f ， ，得传 递函数矿0 ) ： 2 器2 而1 k rm 丽1 k r 由表2 1p i t t m a ng m 9 4 1 3 。2 型壹瀛馕服魄税戆参数袭霹褥： k r = 0 。0 3 9 5 n m at f = 1 。霹7 移动援嚣夫驱囊蘩分熬传递丞数蔻： r e ( s ) = 丽2 5 3 垂式2 7 ) 、式拉8 ) 、式瑶一l 蛰和式( 2 - 1 5 ) 翔：魄魏瓣速度与毫祝的电压 哈尔滨工程大学硕士学位论文 成正比；电机的力矩与电机的电流成正比，也与电机的角加速度。由此，可 以通过控制电机的电压或电流来控制电机的速度或力矩等。 2 2 1 3 功率驱动模块 自行设计制作的移动机器人电机驱动器：用c p l d 芯片e p m 7 0 6 4 作为 p w m 发生器，以a t 8 9 s 5 2 作为控制器，以2 个i r 2 11 2 s 为电压放大器，四 个c o m s 管i r f 5 4 0 n 构成h 桥电流放大电路，具有电机鉴相、电流反馈和 速度反馈功能，功率达到5 0 w 。 2 2 2 电源系统 对于无缆式移动机器人，其功率器件和逻辑器件电源的提供通常采用蓄 电池。同时，对于一个机电控制系统来说，系统的抗干扰性能也是非常重要 的，而对不同的功能部件提供相互隔离的电源是提高抗干扰性能的一个重要 手段。为此，该移动机器人自身携带4 块1 2 v 1 0 a h 的铅酸蓄电池，为减少 各系统间的相互干扰，将其分成三个电池组分别为各自系统供电，且应用 d c d c 电源模块将电源与电路实现电压转换和电源隔离。该电源能保证3 小 时以上的实验需要，为延长蓄电池的寿命，应对蓄电池组进行定期充电。因 此，移动机器人电源系统如图2 _ 3 所示： 图2 3 移动机器人电源系统示意图 2 2 3 传感器信息采集系统 任何移动机器人都离不开传感器。移动机器人要具备智能行为，必需不 断感知外界环境，从而做出相应的决策行为。传感器可以说是人们为了得到 五感的感觉器，大致可分为内部传感和外部传感器。检测机器人本身状态是 内部传感器，如本课题中用来检测机器人移动速度的光电编码器和用来检测 当前机器人转动速度的角速度传感器属此类。检测机器人所处环境及状况的 是外部传感器，如用来摄取环境信息的摄像头，用来检测当前障碍物距离的 1 6 啥尔滨工程大学硕士学位论文 超声波传感器、红外感应器及磁罗盘都是外部传感器 2 0 2 6 1 。 2 2 3 1 移动机器人的传感器选择的依据 选择机器人传感器应当完全取决于机器人的工作需要和应用特点，对机 器人感觉系统的要求是选择机器人传感器的基本依据。机器人对传感器的一 般要求是阱】： 1 精度高、重复性好。机器人传感器的精度直接影响机器人的工作的质 量，机器人能否准确无误地工作，在很大程度上取决于传感器的测量精度。 2 稳定性好、可靠性高。机器人传感器的稳定性和可靠性是保证机器人 能够长期稳定可靠地工作的必要条件。 3 抗干扰能力强。机器人传感器系统应该能在恶劣的工作环境下承受强 电磁干扰、强振动，并能够在一定的污染环境中工作。 4 质量轻，体积小，安装方便可靠。 5 价格便宜。 本移动机器人上的传感器的选择综合以上的考虑。移动机器人在行进过 程中，最基本的也是最主要的要求就是要保证移动机器人的运动控制尽可能 地精确。因此，对移动机器人的运动参数( 位置、速度、角速度，航向等) 的 控制是至关重要的。 为实现p w m 调速方式对两驱动轮进行单独的闭环速度控制闭环控制， 选用在p i t t m a ng m 9 4 1 3 2 型直流伺服电机上装配的增量式光电码盘传感 器( h ph e d r8 0 0 0 系列) 实时反馈两驱动轮的速度和位置信息绘主控机 p c i 0 4 ，以便进行实时调整两驱动轮的运行速度和方向。 为了检测移动机器人在运动中的角速度和航向的变化，选用安装在机器 人顶层的角速度传感器和磁罗盘。角速度传感器用来获取移动机器人的当前 角转速，磁罗盘用来获取当前移动机器人的航向。 由于移动机器人工作环境的特殊性，要移动机器人在运动过程中必须具 有实时探测到障碍物并进行躲避的能力。故选用在移动机器人第一层和第三 层3 6 0 。范围内等角度均布的8 个超声波传感器和8 个红外传感器。8 个超声 传感用以探钡0 机器人环境o 5 2 5 米距离范围内的障碍物信息，而8 红外传感 用以探测0 - 0 3 米距离范围内的障碍物信息，以使移动机器人实时检测出相 应距离范围内的各种障碍物，并进行避障或急停控制等。下面一节就分别介 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 绍各传感器的特点。 2 2 3 2 移动机器人的传感器的描述 1 光电码盘传感器 光电编码器俗称码盘，是一种通过光电转换将旋转轴上的机械几何位移 量转换成脉冲或数字量的传感器，其基本结构由旋转轴上的编码圆盘以及装 在圆盘一侧或两侧的发光元件和光敏元件组成。圆盘上规则地刻有透光和不 透光的线条或孑l ，当圆盘随着转轴旋转时，光敏元件接收的光通量强弱随着 光线条同步变化，光敏元件波形经过整形输出变为脉冲输出。一般圆盘上还 设有定相标志，产生零信号，每转一圈产生一个，又称基准脉冲。此外为判 断旋转方向，可提供a 、b 两路相位相差9 0 。的脉冲信号。 图2 4h i h e d r8 0 0 0 系列码盘基本结构 本系统中所采用的是增量式光电编码器h ph e d r8 0 0 0 系列作为w m r 的速度检测传感器。其基本结构如图2 4 所示，其主要技术指标为： ( 1 ) 每转输出5 0 0 个幅值为5 v 、占空比为5 0 的脉冲信号 ( 2 ) 零位脉冲信号宽度：1 o 5 p ( 3 ) 信号位置精度：o 1 p 2 超声波传感器和红外传感器 在移动机器人对环境信息部分未知甚至完全未知的情况下，移动机器人 要完成路径规划和避障等任务，需要为其配备探测远距离和近距离障碍物的 外部传感器，通常选用超声波传感器和红外传感器。下面对超声波传感器和 红外传感器作简要介绍 2 2 1 1 2 7 1 。 ( 1 ) 超声波传感器 超声波是2 0 k h z 以上频率的机械波，其波长短，近似作直线传播，在固 哈尔滨工程大学硕士学位论文 体液体介质内衰减比电磁波小，能量容易集中，可以产生较大强度，产生激 烈振动，从而在很多领域得到特殊应用。 超声波与光波的某些特性相似，如反射、折射等，波长短，绕射小，能 成为射线定向传播，这些特性使之能应用于距离探测。超声波的声强随距离 增加而呈指数衰减： 1 = i oe “。( 2 - 7 ) 其中，d 一介质的厚度，m 一一介质对超声波能量的吸收系数 l 一超声波进入介质的强度 超声波测距所用的方法一般有相位检测法、声波幅僮检测法和渡越时间 法( t i m e o f - f l i g h t ) = 种。其中相位检测法虽然精度高，但检测范围有限；而 声波幅值检测法易受反射介质的影响，不同反射面的反射率不同。所以，现 在用于移动机器人探测障碍物距离一般使用渡越时间法。 距离 信息 图2 5 超声波渡越式的检测原理 如图2 5 所示，渡越时间法的原理比较简单，即通过检测发射的超声波 与其遇到障碍物后产生回波之间的时间差出，求出障碍物的距离d 。 计算公式为： d = c 垃2 ( 2 8 ) 其中，c 一超声波波速，m s ( c = 3 3 1 4 x l + t 2 7 3 ) 丁一环境温度，。c ( 2 ) 红外传感器 红外线发射与接收的方式有两种，其一是直射式，其二是反射式。直射 哈尔滨工程大学硕士学位论文 式是指发光管和接收管相对地安放在发射与受控物的两端，中间相距一定距 离；反射式是指发光管和接收管并列一起，平时接收管始终无光照，只在发 光管发出的红外光遇到反射物时，接收管收到反射回来的红外线才工作。 移动机器人红外传感器依靠一对红外线发射，接收管探测目标体，由红 外线发射电路、红外线接收电路、放大电路、频率译码电路、单稳态延时电 路、信号输出等部分组成。红外线检测器的原理框图，如图2 6 所示。 图2 6 红外线检测原理 3 角速度传感器 由于磁罗盘是通过串口通讯进行信号读取，信息传送周期卜般5 0 m s ) 比 控制节拍( 2 0 m s ) 长，使用角速度传感