（机械电子工程专业论文）移动机器人实验平台控制系统设计与路径规划的研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 本文从机器人的移动结构进行的分析比较及课题任务出发，确定了移动机 器人实验平台为三轮差动轮式结构。通过对超声波传感器与红外传感器的分析 比较，采用超声波传感系统与红外传感系统相结合的移动机器人环境辨识系统。 设计了基于a v r 微控制器( a t 9 0 s 8 5 3 5 ) 的移动控制系统，内容涉及p w m 功 率驱动模块、p i d 速度控制模块和测速单元模块等。其中，通过对驱动系统数 学模型的建立，设计了p i d 调节器。本文通过对移动机器人实验平台的运动模 型及导航推算模型的建立，以及对几种机器人路径规划方法的优缺点的分析， 确定了采用一种基于模糊神经网络的避障圆算法，来实现移动机器人的实时避 障，为移动机器人的路径规划提供较强的理论依据。最后，为了验证算法的可 行性，通过v i s u a lb a s i c 6 0 编写仿真软件，在计算机上进行各种避障情况的仿 真，同时也在室内进行各种实物避障的实验。 关键词：移动机器人，超声波传感器，红外传感器，驱动控制，路径规划 v 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c hg o a la n dt h ea n a l y s i so ft h eu s u a ld r i v i n gs t y l e so f m o b i l er o b o t t h ed i f i e r e n t i a lt h r e e w h e e ls t r u c t u r eo fm o b i l er o b o te x p e r i m e n t p l a t f o r mi sd e s i g n e d b a s eo ns t u d y i n gt h eu l t r a s o n i ca n di n f r a r e ds e n s o r , t h e u l t r a s o n i cs y s t e ma n dt h ei n i l a r e ds y s t e mf o re l l v i r o n m e n td e t e c t i n ga n do b s t a c l e s i d e n t i f i c a t i o ni sp r e s e n t e d t h ed r i v i n gc o n t r o ls y s t e mu s i n ga v rm i c r o c o n t r o l l e r ( a t 9 0 s 8 5 3 5 、i sd e v e l o p e d a n di ti n c l u d e su n i t so fp w mp o w e rd r i v e r , p i ds p e e d c o n t r o l ，s p e e dd e t e c t i o na n ds oo n a m o n gt h e s e ，t h eu n i to fp i ds p e e dc o n t r o li s b a s eo nt h em a t h e m a t i cm o d e lo fd r i v i n gs y s t e mw h i c hi sp r e s e n t e d t h e n ， k i n e m a t i c a lm o d e lo ft h er e s e a r c h e dr o b o ta n dt h em e t h o do fc a l c u l a t i n gp o s i t i o n a n da n g l eo ft h em o b i l er o b o ta r eb u i l tf o rp a t hp l a n n i n g a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i s o ft h ea d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo fs o m ec o m m o np a t hp l a n n i n gm e t h o do n m o b i l er o b o t ，a l la l g o r i t h mo f o b s t a c l ea v o i d a n c ec i r c l eo n 血z z y - n e l l r a ln e t w o r k sf o r m o b i l er o b o tp a t hp l a n n i n gi sa d o p t e d i no r d e rt ot e s tt h ef e a s i b i l i t yo fa l g o r i t h m ， t h er e s u l t so fa l lk i n d so fo b s t a c l ea v o i d a n c es i m u l a t i o ni na c o m p u t e rv i r t u a l e n v i r o n m e n tw i t hv i s u a lb a s i c 6 0a r e 画v e i la n dt h et e a le x p e r i m e n ti n d o o ri s p r e s e n t e d ， k e y w o r d s ：m o b i l er o b o t ，u l t r a s o n i cs e n s o r , i n f r a r e ds e n s o r , d r i v i n gc o n t r o l ，p a t h p l a n n i n g 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：遂钮日期：垫堑! ：三f 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 泓魄血 i i 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 机器人控制技术的发展概述 从上个世纪中叶以来控制理论的发展很快，从单输入输出的线性系统到多 输入输出的线性系统，再到近十年来的非线性控制系统。随着现代计算机和其 它硬件技术的发展，现代非线性理论在社会各个领域中的应用越来越广泛。控 制理论在机器人研究中的应用已经进行了很长一段时间。机器人研究包括机械 臂与移动机器人的研究。从机器人的控制方式来看，可以将机器人控制划分为 非伺服控制和伺服控制。对于机器人的控制需要事先建立相关的数学模型，在 建立好系统模型的条件下，采用频域分析和现代控制理论的各种控制思想构成 的方法来实现控制的目的，理论上取得了良好的效果。在实际应用中，由于机 器人的数学模型的建立存在着不确定性与不精确性，或当移动机器人在未知环 境中移动时，应用传统的控制理论就会显得力不从心。比如随着科学技术的发 展，被控对象越来越复杂，这些复杂性难以用精确的数学模型来描述一【3 l 。因 此，当面临复杂的对象特性和复杂的控制任务要求时，传统的线性系统控制理 论远远达不到要求。 随着现代控制理论的发展，控制器设计的常规技术正逐步被广泛使用的人 工智能软件技术所替代，如人工神经网络、模糊控制、模糊神经网络【”、遗传 算法等。智能控制与传统的经典控制、现代控制方法相比，具有不依赖或不完 全依赖于控制对象数学模型，继承了人脑思维的非线性等一系列的特点。 近年来机器人的智能控制理论无论是在理论研究还是在实际应用研究方 面都取得了较大的进展【5 1 。其中神经网络控制器c m a c 是应用得较早且相当成 功的解决方案之一，它适合机器人的现场学习控制。研究人员也利用模糊控制 理论与机器人控制相结合的方法，应用在如对机器人的建模、控制、对柔性臂 的控制、模糊补偿控制 6 1 、对于基于传感器的机器人的控制以及移动机器人路 径规划等方面。在实际应用中，如机器人的建模中存在一些未建模特性，也不 可避免地存在一些干扰项，在这中间存在鲁棒控制问题。变结构控制系统的鲁 棒性使得研究人员深入研究变结构理论在机器人控制中的应用，并取得了丰富 l 海大学硕士学位论文 的成果。 智能控制是控制理论发展的高级阶段，用于解决那些用传统方法难以解决 的复杂控制问题。作为一个边缘交叉学科，无论在理论上或实践上都还不成熟， 不完善，需要进一步探索与开发。目前，就其构成原理而言，智能控制系统大 致可分为： ( 1 ) 基于规则的智能控制系统 这类系统把知识表示成产生规划或其他如框架式，语义网络等形式，用统 计或模糊隶属度函数来处理知识的不确定性和模糊性，采用正向，反向和非单 调推理方式或模糊推理建立推理机制。根据一定的条件和系统的输入，产生系 统所需要的控制规则以达到控制目的。 ( 2 ) 基于神经网络的智能控制系统 由于神经元网络具有很强的自学习，自适应能力，可以在训练样本中自动 获取知识，具有并行处理的特征。神经网络为解决非线性系统的控制问题提供 了活力 ，被广泛的应用于复杂系统的辨识、建模和控制。 ( 3 ) 基于规则与神经元网络集成的智能控制系统 前两类智能控制系统都有许多优点，但是基于规则的智能控制系统获取知 识困难，没有学习功能，不便进行并行处理；而基于神经元网络的智能控制系 统的网络映射规则不透明，训练时问长，结论的解释比较难。将两者结合起来， 融合各自优点，成为近年来各国学者研究的热点 8 1 。 ( 4 ) 给予行为的智能控制系统 这类控制系统不是建立在推理和外界环境建模的基础上，而是建立在行为 主义的思想上，认为智能活动是在“感知一运动”模式下进行的。由于具有众多 的感知器和执行器，是十分复杂的分布式系统，具有强大的功能。至今这方面 的成果不多，还未形成较系统的理论。 虽然人工智能控制在智能机器人中的应用还不是很完善，但不久的将来， 智能技术在智能机器人的研究领域将会取得重要的地位，这方面还有很多研究 工作要深入展开。 l 海大学硕士学位论文 1 2 移动机器人路径规划技术的发展研究现状 路径规划是移动机器人导航技术中不可缺少的重要组成部分，它要求机器 人根据给予的指令及环境信息自主地决定路径，避开障碍物，实现任务目标。 路径规划是移动机器人完成任务的安全保障，同时也是移动机器人智能化程度 的重要标志1 9 。尤其是在机器人硬件系统的精度在短期内不能得到解决的情况 下，对路径规划算法的研究更显得重要，这将从根本上改变移动机器人的导航 性能，将提高移动机器人的智能水平，减少移动机器人在移动过程中存在的不 确定状态，提高移动机器人移动的速度和灵活性。 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 10 】；环境信息部分未知甚至完全未知，移动机器人通过传 感器实时地对工作环境进行探测，以获取障碍物的位置、形状和尺寸等信息， 进行局部的路径规划【1 ”。全局路径规划包括环境建模和路径搜索策略。其中环 境建模的主要方法有：可视图法( v - g r a p h i c ) 、自由空间法( f r e e s p a c e a p p r o a c h ) 和栅格法( g r i d s ) 等。局部路径规划的方法有：人工势场法( a r t i f i c i a lp o t e n t i a l f i e l d ) 、遗传算法( g e n e t i c a l g o r i t h m ) 、模糊逻辑算法( f u z z y l o g i c a l g o r i t h m ) 和神经网络算法( n e u r a ln e t w o r k s a l g o r i t h m ) 等。 一、可视图法【1 2 ：该方法适用于环境中的障碍物是多边形的情况。首先把 机器人看成一个点，将机器人、目标点和多边形障碍物的各顶点进行组合连接， 要求机器人与障碍物各顶点、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；然后搜索最优路径的 问题就转化为从起点到目标点经过这些可视直线的最短距离问题。如果机器人 的尺寸大小忽略不计，会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。因此，可视图法可以求得最短路径，但缺乏灵活性，且存在 组合爆炸i 口l n 。后有v o r o n o id i a g r a m s 法和t a n g e n tg r a p h 法对可视图法进行 了改进。 二、环境分割法：环境分割的方法采用预先定义的基本形状构造自由空间， 并将这些基本单元及它们之间的联系组成一个连通图，然后运用图搜索方法进 上海大学硕士学位论文 行路径的搜索。其中主要方法有：自由空间法和栅格法。 自由空间法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。该方法 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；反之， 环境的分辨率高，在密集环境下发现路径的能力强，但是环境信息存储量大， 规划时间长。后有改进的栅格法【1 6 1 弥补了以前栅格法的不足。路径搜索的策略 主要有：a ”算法7 1 、d ”最优算法【埔l 等。 三、人工势场法：人工势场法最初是由k h a t i b 提出的一种虚拟力法 1 9 】。 其基本思想是将机器人在环境中的运动视为在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，目标点对机器人产生引力，引力与斥力合力作 为机器人的加速力，来控制机器人的运动方向。该法简单，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2 0 1 。 四、遗传算法【2 1 】：j h o l l a n d 在上世纪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、交叉和变异等遗传操作来增减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，它的隐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，因此更有可能搜索到全局最优点。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。 五、模糊逻辑算法 2 2 】f 2 3 ：基于实时传感信息的模糊逻辑算法参考人的驾驶 4 上海大学硕十学位论文 经验，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 生的局部极小值问题，适用于时变未知环境下的路径规划，实时性较好。 六、神经网络算法【2 5 ：由于路径规划工作没有明显的规划和难于进行事 件分类，可以让神经网络通过大量的学习来掌握。由于不需要迭代，采用前向 网络学习算法来学习避障行为时，速度很快；学习从地图上不同位置到目标的 行走路线，一旦学习完成后，机器人就能够实现自主导航。 1 3 课题的研究意义、任务及研究内容 我国在智能移动机器人研究方面虽然已经取得了一定的成果，如地面自主 导航车、水下自主机器人和飞行机器人等。但由于起步较晚，在研究和应用方 面都落后于一些西方国家，而且还没有达到完全的实用性。因此，进行智能移 动机器人这方面的研究，具有一定的理论意义和工程应用意义。同时，移动机 器人路径规划作为自主式移动机器人技术的一个重要组成部分，目前仍然是研 究的一个重要方面。 本课题得到上海市教委基金项目一微小型侦察排爆地面移动机器人系统关 键技术项目的资助( 项目编号：0 4 a b 3 9 ) 。本课题是以研究微小型排爆机器人为 前提，研制一套移动机器人实验平台。该实验平台的技术要求为：移动机器人 能够在障碍物较为稀疏，地面较为平坦的环境中自主导航；能全方位采集移动 机器人前方的障碍物信息；移动的速度范围大约在0 2 1 6 k m h ；能对环境中 存在的静止的障碍物或随机出现的障碍物实时避障；较好的实现路径规划等。 主要任务是设计移动机器人实验平台的低层控制系统及上位机控制系统两 大部份，其中低层控制系统包括环境辨识系统和驱动控制系统，上位机控制系 统包括路径规划系统以及整个系统的协调控制。该移动机器人作为以微小型排 爆机器人研制为前提的实验平台是一个开方式的系统，它将机械、电子、计算 机控制及软件工程有机地联系起来，形成一个具有代表性的实验平台，利用此 平台能较好的对理论知识及控制方法进行验证，该移动机器人实验平台具有环 境辨识、实时避障及自主导航等特点。 本课题研究的内容主要包括这几个方面：移动机器人实验平台的体系结构 上海大学硕士学位论文 设计、驱动系统的数学建模、运动学模型及航位推算、环境辨识系统设计、驱 动控制系统设计及路径规划的研究等。 1 4 本章小结 本章综述了机器人控制技术的研究背景以及一些热门的研究方向，同时介 绍了移动机器人路径规划目前使用的一些方法及研究现状。最后，提出本课题 的研究意义、任务及研究内容。 上海大学顾二f ：学位论文 第二章移动机器人实验平台的总体设计 根据所要完成的技术任务要求得到整个移动机器人实验平台的系统主要由 机械结构、微控制器、环境辨识系统、电机控制系统、路径规则系统等部份组 成。以下将分别对其方案选择、设计等进行分析。 2 1 移动机器人实验平台的机械方案设计 移动机器人的结构因所处的应用环境不同有很大的差别。为了使移动机器 人能够适应不同的环境情况，现有的机器人移动形式有轮式、履带式、腿脚式 及足式等结构。轮式和履带式适用于条件较好的路面，而腿脚式则适用于条件 较差的路面。履带式主要用于负载比较大的情况，一些特殊机器人( 如爬楼梯 机器人) 也采用履带式运动系统；足式如行走机器人等，其动力学系统极其复 杂，应用尚不多见；轮式是应用最为普遍的一种，又可分为万向轮式、三轮式 各四轮式等。 2 1 1 移动机器人实验平台的机械结构选择 本课题中所要求的移动机器人实验平台主要是在路况较好的场合中使用， 在上述几种结构中轮式移动结构与其它结构相比，既具有高速移动、结构和控 制简单等优点，又能满足课题要求，所以采用轮式移动结构。轮式移动机器人 一般有三轮，四轮或六轮2 6 1 。其转向装置的结构通常有两种方式： 1 ) 轴转向式：转向轮装在转向铰轴上，转向电机通过减速器和机械连杆机 构控制铰轴从而控制转向轮的转向。 2 ) 差速转向式：在移动机器人的左右轮上分别装上两个独立驱动电机，通 过控制左右轮的速度差来实现车体的转向。在这种情况下，非驱动轮应为自由 轮。 据上所述，轮式移动机器人通常有以下几种可选方案： 1 ) 三轮铰轴转向式：如图2 1 ( a ) 所示，轮1 为铰轴转向轮，它同时也可 上海大学硕士学位论文 以作为驱动轮。如果轮1 不作为驱动轮，可将轮2 和轮3 之一作为驱动轮。 2 ) 三轮差动转向式：如图2 1 ( b ) 所示，轮1 为随动轮，它可以自由转动， 轮2 和轮3 都是驱动轮。 3 ) 四轮铰轴转向式：如图2 1 ( c ) 所示，轮1 和轮2 为转向轮，它们之间 有同步轮转向连杆，转向通过转向电机来实现，轮3 或轮4 为驱动轮。 4 ) 四轮差动转向式：如图2 1 ( d ) 所示，轮1 和轮2 为自由轮，轮3 和轮 4 分别由不同的电机来驱动，以实现差动转向。 ( b ) ( c j( d ) 图2 - 1 移动机器人驱动方式 除以上轮系外，移动机器人中还常用到一种全方位移动机构。全方位移动 机构能够在保持基体方位不变的前提下沿平面上任意方向移动。有些全方位车 轮机构除具备全方位移动能力外，还可以像普通车辆那样改变机体方位。由于这 种机构的灵活操控性能，特别适合于窄小空间( 通道) 中的移动作业。其中应用最 为广泛的全方位移动机构为麦卡那姆轮。采用全方位结构来控制机器人向任意 方向运动更为方便2 7 1 ，但是，考虑到设计成本及设计周期问题，在课题设计过 程中未选用全方位移动机构。 本课题中移动机器人承载能力并不需要太大，但要求运动控制精度较高。 三轮结构简单，能够满足一般的要求，应用也比较广泛。四轮的稳定性好，承 上海大学硕士学位论文 载能力较大，但结构复杂。六轮与四轮相似，只不过有更大的承载能力和稳定 性。根据本课题中移动机器人的要求，选用三轮就能满足。较轴转向式控制简 单，但精度不是太高。差动转向式控制复杂，但精度较高。为了在控制方式上 达到一个较高的层次，并且其运动和转向的精度更高一些，以便为以后的避障 和路径规划打下一个良好的基础。因此，本课题的移动机器人实验平台选用三 轮差动转向式的结构方式。 2 1 2 移动机器人实验平台的机械结构总体设计 本课题设计的移动机器人实验平台，它有三个车轮，其中前轮为从动轮， 使用万向自由轮，不产生驱动力矩，它只起支撑作用，在机器人转向时它可以 自由转动。后两个轮为驱动轮，固定式不可转向，且相互独立，每个轮子有独 立的电气驱动模块。三轮成等腰三角形分布。这样的对称性有利于车体的前后 左右自由地转向，也容易对车体姿态的计算与控制。 移动机器人实验平台的底盘设计结构简图如图2 2 所示。其中，前轮万向轮 2 - 2 实验平台底盘结构简图 2 - 3 移动机器人实验平台样机 9 上海大学硕= l 学位论文 选用直径为5 0 m m 的万向夹板轮；后两个轮选用直径为l o o m m 的硬橡胶夹板轮。 两个后轮各由一根长为1 2 0 m m 的轴和轴承固定在底盘上，每个轮子有独立的电 气驱动模块和变速机构，变速机构采用齿轮传动装置，传动比为4 0 ：1 。在底 盘上两后轮轴内侧装有2 4 0 0 线的光电码盘，与后轮同速旋转，本系统测速主要 采用它。车身的方向和速度依靠改变两轮的速度来实现。 移动机器人实验平台总体结构较为简单，外观上主体有多边形底盘( 可看 成为圆形底座) 、长方体外壳，多边形上平台等。底盘选用5 m m 的铝板，能够 承受系统所需要的重量和强度，轮子、电机及传运动装置与编码盘等都固定其 中。长方体外壳为3 m m 厚的铝板，其主要装有控制电路板，及供电电源模块等。 上平台也选用厚度为5 m m 的铝板，其主要是用来放置便携机和将来安装扩展模 块的平台( 如小型机械手、摄像头等) 。在实验阶段的移动机器人实验平台主要 应用在实验室和地面较为平整的环境中，机器人不必有较大的负载承受力，但 应具有较强的灵活性，也要具有较小的转弯半径。本移动机器人实验平台的底 座基本外形可看成为直径为4 0 0 m m 的圆形，再加上三个轮子构成的三角平面， 符合架构稳定要求，移动机器人实验平台样机如图2 3 所示。 这里我们还要介绍一下，安装在底盘上的驱动部件和安装在长方体铝合里 的电源部件。这两部份对于移动机器人来说，可以说是行为之源和动力之源。 1 ) 驱动电机 移动机器人采用的执行器有很多种，常用的有电磁执行器，如直流电机、 无刷电机、同步电机、步进电机、感应电机以及直接驱动式转矩电机。还有油 压执行器，如油压缸( 直线运动) 和油压马达；气压执行器，如气压缸和气压 马达等。现在还出现了压电执行器、超声波执行器、形状记忆合金执行器和静 电执行器等新型执行机构。 一般机器人选用电机的基本性能要求：1 、启动、停止和反向均能连续有效 的进行，具有良好的响应特性；2 、正转反转时的特性相同，且运行特性稳定； 3 、良好的抗干扰能力，对输出来说，体积小、重量轻；4 、维修容易，不用保 养。 电机选取的依据如下： l 海大学硕士学位论文 1 基本参数 移动机器人实验平台的重量：g = 2 0 0 n ( 质量大约为m = 2 0 k g ) ： 最高行走速度：矿= 2 1 6 i c m d , 时= 3 6m m i n ； r 驱动轮的动力半径：r “= 0 0 5 m ； 最大加速度为l m s 2 ，则加速度驱动力f i = m a = 2 0 n ； 传动系统效率取7 0 。 2 驱动力矩的计算 假设路面状况不良取阻力因数f = 0 1 2 ； 则摩擦阻力f ，= g f = 0 1 2x2 0 0 = 2 4 n ； 平地稳定运动时牵引力f 。= 2 4 n ，加速时f 。= 2 4 + 2 0 = 4 4 n ； 平地稳定运动时驱动力矩m 。= 1 2 n m ，加速时m 。= 2 2 n m 。 3 驱动功率计算 平地均速前进功率为只= f ，v = 2 4 x 0 6 = 1 4 4 w ： 可知电机输出的功率为p = 1 4 4 7 0 = 2 0 6 w ； 综上所述：所选电机的输出总功率应大于2 1 w 。 m a x o n 的直流电机具有很多的优点，无齿槽效应、采用小惯量转子获得高 的加速性能、电磁干扰小、线性的电压速度曲线、高效率、可短时过载、结构 紧凑、可频繁启停、正反转时特性相同等特点。根据移动机器人的移动性能的 要求，实验条件，传动机构等因素，选择驱动电机类型为m a x o n 公司生产的 r e 系列直流电机r e 3 06 0 w ( 部分技术参数见表4 - 1 1 ，之所以选择输出功率为 6 0 w 的电机，是因为移动机器人以后会增加扩展模块而使得负载增加，故选择输 出功率比目前所需功率偏大些的电机，该电机满足以上设计条件的要求， 2 ) 电源部件 移动电源的地位在移动式机器人中历来十分重要，可以说它是生命源。移 动电源需要同时满足机器人的多种能源需要，如为移动机构提供动力、为控制 电路提供稳定的电压和为执行模块提供能源等。在移动机器人中，一般采用化 上海大学硕士学位论文 学电池作为移动电源。理想的电池应该具有十分高的能量密度、能够在放电过 程中保持恒定的电压、内阻小以便具有快速放电能力、能够耐高温、可充电以 及成本低等特点。但实际上没有一种电池可同时具备上述优点，这就要求设计 人员根据实际任务的需要，选择一种合适的电池。 锂电池具有放电电压稳定、工作温度范围宽、自放电率低、储存寿命长、 无记忆效应及无公害、容量大等优点。 蓄电池容量的估算是选用电池的重要指标，其计算公式如下： e = 腑3 6 0 0 ( a v h ) 式中：w 一总推力( n ) d 一移动的路程。 上面已经计算出稳定运动状态下w = f ，= 0 1 2x2 0 0 = 2 4 n 。机器人在保持最 高速度2 1 6 k m h 运行一小时，根据上式可知，至少需要1 4 4 a v h ，同时需要考 虑其他车载设备及控制系统的耗能。 本课题研制的移动机器人是独立行走的系统，因此电机、控制电路板和传 感器的电源供给只能自身携带。控制电路板和光电编码器需要有+ 5 v 的电压， 功率驱动模块需要有2 4 v 电压。本设计中选用2 个1 2 v 的锂电池组串联，为电 机驱动供电和通过电源模块为控制器和传感器供电，该锂电池组容量有6 a v h ， 可维持移动机器人持续运动至少大约2 0 分钟，可满足作为实验平台的要求。若 要使移动机器人运动持续更长时间，可以再把一组两个1 2 v 串联的锂电池组与 原有的电池组并联。 2 2 移动机器人实验平台的传感器系统方案设计 移动机器人通过传感器系统来获取外界环境信息，如图像、声音、障碍物 距离、环境温度等等。对多种感传器获得的外界环境的各种信息，进行融合、 ；n y - 、协调、从而获得机器人工作状态和机器人外部环境的整体信息。 上晦大学硕士学位论文 2 2 1 移动机器人实验平台传感器的方案选取 一、移动机器人传感器概述 机器人传感器可以分为内部和外部两类传感器。所谓内部传感器是完成机 器人运动所必需的那些传感器，如位置、速度传感器等，它们是构成机器人不 可缺少的基本元件。外部传感器取决于机器人所要完成的任务，例如，为了能 在狭窄的空间作业，又不能碰上其他运动物体就需要接近觉传感器。常用的外 部传感器有力觉传感器、触觉传感器、接近觉传感器、视觉传感器等。 传感器按类型分大致可分为两类，一类分法是结构型传感器和物性型传感 器，另一类分法是接触型传感器和非接触型传感器。 ( 1 ) 结构型传感器和物性型传感器。利用运动定律、电磁定律以及气体压 力、体积、温度等物理量间的关系制成的传感器属于“结构型”传感器。这种 传感器的特点是传感器原理明确，不受环境影响，且传感器的性能受其结构材 料的影响不大，但是结构比较复杂。常用的结构型传感器有电子开关、电容式 传感器、电感式传感器、测速码盘等。物性型传感器是利用物质本身的某种客 观性质制成的传感器。这类传感器的性能受材料性质和使用环境的影响较大。 物性型传感器的优点是结构简单，灵敏度高。光电传感器、压电传感器、电阻 应变传感器等都是机器人常用的物性型传感器。 ( 2 ) 接触型传感器和非接触型传感器。接触型传感器在正常工作时需要和 被检测对象接触，如开关，探针和触点等。非接触型传感器则必须离被检测对 象一段距离，通过某种中间传递介质进行工作。磁场、光波、声波、红外线、 x 射线等是常见的中间传递介质。 给机器人装备怎么样的传感器，对这些传感器有哪些使用要求，这是在设 计机器人感觉系统时遇到的首要问题。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： ( 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质量。 用于检测和控制机器人运动的传感器是控制机器人定位精度的基础。机器人是 否能够准确无误地正常工作，很大程度上取决于传感器的测量精度。 上海大学硕士学位论文 ( 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 能够长期稳定可靠工作的必要条件。 ( 3 ) 抗干扰能力强。有时，机器人传感器的工作环境可能是比较恶劣的， 机器人传感器应当能够承受强电磁干扰、强振动，并能够在一定的污染环境中 正常工作。 ( 4 ) 质量轻、体积小，安装方便可靠。对于安装在机器人运动部件上的传 感器，质量要轻，否则会加大运动部件的惯性，影响机器人的运动性能。对工 作空间受到某种限制的机器人，对体积和安装方向的要求也是必不可少的。 ( 5 ) 价格便宜。 机器人控制需要采用传感器检测机器人的运动位置、速度和加速度。除了 较简单的开环控制机器人以外，多数机器人都采用了位置传感器作为闭环控制 中的反馈元件。机器人根据位置传感器反馈的位置信息，对机器人的运动误差 进行补偿控制。不少机器人还装各速度传感器和加速度传感器。 在选择机器人传感器的时候，最重要的是确定机器人需要传感器来完成什 么工作，达到怎样的性能要求。根据机器人对传感器的工作要求，选择传感器 的类型。采用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、磁罗盘、激光全局定位传感器、g p s 、激光雷达。 其中编码器能够大致确定出机器人的位置：线加速度计获取线加速度的信息， 进而得到当前机器人的线速度和位置信息；陀螺仪可以测量出移动机器人的角 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，来弥补使用编码器测位置的不足。在使用激光全局定位传感器时运用 三角测量法来获得机器人的位置坐标信息，这种传感器多被用于室外移动机器 人定位。外部传感器：视觉传感器、超声波传感器、红外线传感器、接触与接 近传感器。视觉传感器多采用c c d 像机来进行机器人的视觉导航与定位、目标 的识别以及地图的建立等等；超声波传感器测量机器人工作环境中障碍物的距 离信息，并用这些信息来构造地图等；红外线传感器常常采用红外接近开关来 探测机器人工作环境中的障碍物来避免碰到这些障碍物；接触和接近传感器多 用于避碰规划。 上海大学硕：i ：学位论文 二、课题移动机器人对传感器的要求 本课题机器人是作为移动的实验平台来设计的，机器人在行进过程中，最 基本也是最主要的要求就是要保证机器人的运动轨迹较为精确。因此，对机器 人位置的控制就摆在了突出的位置。同时要求该移动机器人具备环境辨识能力， 能较为准确的判定障碍物的方位、距离等信息。 三、传感器的选择 基于传感器应用场合的分析比较及本课题传感系统要实现的目标。主要是 实现较为精确的位置控制与全面检测移动机器人前方障碍物情况。 选用光电编码器作为位移传感器来实时反馈两主动轮的速度和位置信息。 根据上述设计的结构，分别在两直流电机轴上各安装一个光电编码器传感器。 选用超声波传感器与红外线传感器来组成环境辨识系统，获取障碍物的信 息。尽管用视觉传感器获得的信息较超声波传感器获得的信息要准确，精度要 高，但是超声波传感器有自己的优点，比方说视觉传感器获得信息后需要进行 场景分析、物体的辨识及机器人行为的决策再加上控制器的处理延时等诸多因 素将限制机器人的反映速度。对于有烟雾的环境、黑暗的海底、透明的物体等 情况，视觉传感器的性能受到极大的影响，甚至有时不能发挥出作用，但是超 声波传感器就不受阴影、光线的变化、反光、灰尘、浓烟雾等诸多因素影响的 限制。另外超声波传感器在成本上要比视觉传感器便宜。因此，该环境辨识传 感系统将采用超声波传感器。同时采用红外线传感器作为接近开关，弥补超声 波传感器的盲区，判断临时出现的接近障碍物。 由于移动机器人实验平台工作环境的特殊性，要求移动机器人在行进途中 必须具有实时检测到障碍物并进行躲避的能力。本移动机器人实验平台在底盘 前方1 8 0 。扇面里等角度均匀分布五组超声波传感器和五组红外线传感器，以 便移动机器人实时检测出这个范围内各种障碍物信息并进行避障控制。 2 2 2 选用传感器的原理及功能简介 1 光电编码器传感器 编码器是一种最简单的数字式位移传感器，它能够把角位移或线位移通过 上海火学硕士学位论文 简单的变换变成数字量。目前，编码器精度、分辨率和可靠性都优于相同尺寸 的模拟传感器。编码器又可分为接触式和非接触式两种。本移动机器人上所使 用的是增量式光电编码器( 即光电码盘) ，这里只对这种编码器的特点和工作原 理进行描述。这种编码器由光源、码盘和光电敏感元件组成。光电编码器的码 盘是一个在基体上形成了透明和不透明的码区的圆盘，透明区和不透明区分别 代表了二进制码0 和1 编码器性能的好坏主要取决于码盘的质量和刻度的精 度。光电编码器通常采用照相技术和光刻技术制作。 通常不但要求光源具有较高的可靠性，而且要求光源的光谱要和学电敏感 元件相适应，光源的工作温度范围要宽。为了提高输出逻辑电压，还需要加接 电压放大器，电压放大器通常由集成电路高增益差分运算放大器组成。光电编 码器的基本构成如图2 - 4 所示。 睢 、蹬数字输出叫理电路卜 光检测器 2 4 光学编码器的基本构成 本移动机器人选用的光电编码器上设计有内外码道。外码道是增量计数码 道，它根据分辨率的大小殴置导通区和非导通区。内码道是方向码道，它和计 数码道有相同数量的导通区和非导通区，但每个区域的位置比计数码道对应的 区域偏离半个区域的周向距离。增量式光电编码器另设一个基准码道，它只有 一个单独标志的扇形区，用以提供基准点。 如图2 5 所示，方向码道用a 表示，计数码道用b 表示。由于计数码道和 方向码道的导通区错开半个区域，当码盘向某一方向旋转时，计数码道的导通 区首先作用到敏感元件，所以计数码道的输出将超前于方向码道输出；当码盘 反向旋转时，方向码道的导通区先遇到敏感元件，因此计数码道的输出将滞后 于方向码道的输出。这样，只需要采用较简单的逻辑电路，就能根据两条码道 上海火学硕：l 学位论文 a 黜 厂 厂 厂 厂 8 鞋1 厂 厂 厂 厂 码盘逆时针旋转 a 鞋l 厂l 厂l _ _ 几 8 群 厂 广 一厂 _ 一厂 2 5 增量式码盘的光电管输出信号波形 的输出脉冲相序确定码盘的旋转方向。将计数码道对应敏感元件的输出脉冲送 给计数器并根据旋转方向使计数器作加法计数或减未予计数，就能够检测出码 盘的转角位移量，从而得到机器人电机的相对运动信息。关于这部份的硬件设 计、控制等将在第四章中叙述。 2 超声波传感器 声波是一种机械波，是机械振动在媒质( 气体、液体、固体) 中的传播过 程，在气体、液体、固体中被称作弹性的波动现象。当振动频率在十余赫到万 余赫时可以引起听觉，也称可闻声波。2 0 k h z 以上频率的机械波称为超声波， 这时人耳听不见，超声波的波长较短，近似直线传播，在固体和液体媒介内衰 减比电磁波小，能量容易集中，可以形成较大强度，产生激烈振动，并能引起 很多特殊作用。 超声波测距原理并不复杂。发射机发出的信号碰到目标后产生反射，再由 接收机接收回来，根据接收与发射之间所需要的时间以及声速，就可以确定发 射机到目标的距离。在温度为2 0 。c ，气压在1 0 1 3 k p a 的条件下，声速c 约为 ， 3 4 3 5 m s 。假设 为波长，f 为频率，则有 = - 。7 。c 受空气温度的影响很大， j 而受气压的影响较小。声波受湿度的影响主要导致衰减。当环境温度大于正常 值的4 0 时。就难于保证频率为2 0 0 k h z 的测距系统在1 5 m 范围内有效测量。 在移动机器人的障碍物探测中，之所以选用超声波传感器，是因为超声波 传感器不仅能够探测到障碍物的存在，而且能够测出障碍物和移动机器人之间 上海大学顿士学位论文 的距离，为避障中移动机器人对障碍物危险等级的划分提供了依据。再有，与 光学传感器相比，超声波传感器不受环境中光线变化的影响，而且它还能够探 测障碍物的立体状。 在移动机器人上选用的超声波传感系统能够实时检测出障碍物的方位和它 离距机器人距离，实现了移动机器人的避障功能。关于超声波的工作原理和硬 件电路将在第三章中叙述。 3 红外线传感器 红外线传感器工作原理与超声波传感器类似，同样采用发射固定波长红外 线并接受同一回波的主动方式，探测视角小，方向性强，测量精度高，反应速 度快。红外线传感器是由发射器、接收器和检测电路三部分组成，它利用被检 测物体对红外光束的遮光或反射来检出物体的有或无，光电传感器检测不局限 于金属，对其他物体均可检测，而且检测距离是接近开关不能相比的。因此选 用红外传感器来弥补超声波传感器的盲区，探测临近或突然出现的障碍物，便 于移动机器人紧急避障。 2 3 移动机器人实验平台控制系统的方案设计 2 3 1 控制方案设计 控制系统是移动机器人实验平台的核心部分【3 0 】，它决定了控制性能的优 劣，也决定了移动机器人使用的方便程度。根据课题的任务要求，要实现对移 动机器人的运动控制、对环境实时辨识、获得较好的路径规划等。因此，该控 制系统应由两大部分组成：上位机控制和下位机控制。上位机主要实现路径规 划和整个系统的控制协调中心的作用，而下位机主要实现对环境信息的采集和 对移动机器人的运动控制。 本移动机器人的控制系统采用的是分布式结构，整个控制系统设计如图2 6 所示。p c 机为一级机，它主要担当系统管理、人机接口，同时要完成机器人航 位计算、建立环境地图和路径规划等，并定时的把运算结果送到公共内存，供 单片机读取。两片a v r 单片机f 3 1 1 1 、2 处于控制系统中二级机位置。其中一片a v r 上海大学硕士学位论文 ? ：pc处理器 图2 - 6 移动机器人控制系统框图 单片机它主要完成对超声波传感器的数据采集、分析、运算，并放在公共内存 中定时的供p c 机读取；另一片a v r 单片机它要完成全部位置数字控制，从公共 内存中读取p c 机的给定值运动值并传送给下一级的单片机，也把读取各运动部 件的实际位置值送回公共内存中，供一级机( p c 机) 使用。三级机也为两片a v r 单片机3 、4 ，从二级机读取电机的控制值，然后分别控制移动机器人的两个直 流电机。整个系统主要包括以下几个部份：环境辨识系统部分，驱动系统控制 部分，和上位机的路径规划系统部分。 2 3 2a v r 微控制器( a t 9 0 s 8 5 3 5 ) 简介 本设计中的微控制器采用的是a v r 单片机3 1 1 系列中的a t 9 0 s 8 5 3 5 单片机， a v r 单片机较其它公司生产的单片机具有如下的特点： 1 增强r i s c 结构，基于新的r i s c 结构，综合了半导体集成和软性能的新 结构，具有最高的m i p s m w 能力，一个时钟周期执行一条指令。高速( 5 0 n s ) 、 低功耗( a ) ，具有s l e e p 功能及c m o s 技术。 上海大学j f i i | 士学位论文 2 内载f l a s h 存储器，1 6 位指令( 程序存储器为1 6 位) ，可擦写1 0 0 0 次以 上，数据存储器为8 位。 3 具有3 2 个通用工作寄存器及1 2 8 b - - 4 k b 个s r a m ，可灵活使用指令运算。 能采用c 语言编程，易学、易用、易移植，从而能高效地开发出目标产品。 4 采用h a r v a r d 结构，程序存储器和数据存储器分开，可直接访问8 m 字节 程序存储器和8 m 字节数据存储器，寄存器文件被双向映射。 5 并行y o 口输入输出特性与p i c 的h u l o w 输出及三态高阻h i z 输入类 同，也可设定类同8 0 5 1 系列内部电阻作输入端的功能，具有最大电流1 0 2 0 m a ，可直接驱动s s r 或继电器，便于各种应用特性所需。其i o 能真正反 映输入输出情况。 6 多功能，具有省电( p o w e rd 0 w n ) 及闲置( i d e l ) 功能：有模拟比