（机械设计及理论专业论文）基于dxf地图的移动机器人路径规划的研究与实现.pdf

硕士学位论文 摘要 本文针对工厂范围内已知环境下的开发应用为背景，对移动机器人实现基于 先验地图中路径规划问题进行了深入研究，提出一种以a u t o c a d 软件所生成的 d x f 文件作为全局地图信息，通过机器人控制系统准确读取地图的信息，并快速 准确的完成从点对点作业任务的路径规划策略。 首先对d x f 文件原理进行解析，并根据移动机器人常用的驱动结构分析建 模，选取三轮轮式机器人作为研究对象，构建一套比较完善的路径规划研究体系， 分别对基于先验地图的全局路径规划运动和基于多传感器的局部路径规划运动进 行研究与实现，并且建立其运动学模型。全局路径运动控制实现机器人在大范围 已知环境内的定位，通过作者使用c + + 语言编写的软件能够完整的读取d x f 文件 中的二维环境信息，以a r m 9 ( $ 3 c 2 4 1o ) 为核心的移动机器人控制平台上，运 行w i n d o w sc e 操作系统。通过嵌入式软件实现机器人的全局路径规划策略。 在机器人的移动过程中，需要保证机器人的精确运动及定位，本文以步进电 机作为机器人驱动装置，利用光电编码器对机器人运动状态的检测，超声波传感 器和红外开关实现避障的多传感器的局部路径运动控制。该策略使移动机器人具 有高精度的点对点运动控制和自主导航的能力，同时解决了在大型装备生产线出 现的原料输送、成品储藏上出现的安全作业问题，有效的减少生产事故的出现。 本文选择u p v o y a g e r i i 自主移动机器人作为仿真平台，利用w e b o t s 仿真 软件对机器人进行三维仿真，并对机器人工作过程进行动画仿真，然后在 u p v o y a g e r - i i 对不使用任何传感器的情况下，对全局路径规划策略进行实验 验证。实验结果表明，本文设计的运动控制策略能够较好的实现预期的功能，具 有较高的稳定性和准确性。 关键词：d x f 文件；移动机器人；a r m s 3 c 2 4 1 0 ；路径规划；控制策略 a bs t r a c t t h i st o p i cf o rt h ef a c t o r y w i d ek n o w ne n v i r o n m e n td e v e l o p m e n ta p p l i c a t i o ni n t h eb a c k g r o u n d ，o nam o b i l er o b o ti m p l e m e n t a t i o nb a s e do n p r i o rm a pt h ep a t h p l a n n i n gi s s u e si n - d e p t hr e s e a r c h ，u s et h ea u t o c a ds o f t w a r et h eg e n e r a t e dd x f f i l e a sag l o b a lm a pi n f o r m a t i o n ，r o b o tc o n t r o ls y s t e ma c c u r a t e l yr e a dm a pi n f o r m a t i o n ， a n df a s ta n da c c u r a t ec o m p l e t i o no ft a s k sf r o ma l la dh o c j o b sl u j i np l a n n i n gs t r a t e g y f i r s to fa l lo nt h ed x f f i l ep a r s i n g ，a n di na c c o r d a n c ew i t ht h ep r i n c i p l e so f m o b i l er o b o tc o m m o nd r i v e rs t r u c t u r ea n a l y s i sm o d e l i n g ，s e l e c tr o u n dw h e e l e dr o b o t a sr e s e a r c ho b j e c t s ，b u i l dap e r f e c tr o u t ep l a n n i n gr e s e a r c hs y s t e m ，b a s e do np r i o r m a p sr e s p e c t i v e l yo ng l o b a lp a t hp l a n n i n ge x e r c i s ea n dm u l t i s e n s o rl o c a l s p o r t s r e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o n ，a n dt ob u i l di t sk i n e m a t i c sm o d e l g l o b a lp a t hm o t i o n c o n t r o lr o b o ti naw i d er a n g eo fp o s i t i o n i n gw i t h i nt h ek n o w n e n v i r o n m e n t 。b yt h e a u t h o r u s i n gt h ec + + l a n g u a g es o f t w a r et of u l lr e a dd x ff i l ei nt w o d i m e n s i o n a l e n v i r o n m e n ti n f o r m a t i o nt oa r m 9 $ 3c 2 4 10 ) ( a st h ec o r eo ft h em o b i l er o b o tc o n t r o l p l a t f o r m ，r u nw i nc eo p e r a t i n gs y s t e m v i ae m b e d d e ds o f t w a r er o b o tg l o b a lp a t h p l a n n i n gs t r a t e g y i nr o b o td u r i n gt h em o v e ，t h en e e dt oe n s u r et h a ta c c u r a t em o v e m e n to f t h er o b o t a n dp o s i t i o n i n g ，t h i sa r t i c l et o s t e pm o t o ra sr o b o t s ，t h eu s eo fo p t i c a le n c o d e ro n r o b o tm o t i o nd e t e c t i o n ，i n f r a r e da n du l t r a s o n i cs e n s o rs w i t c h i n go b s t a c l ea v o i d a n c eo f m u l t i - s e n s o rl o c a lp a t hm o t i o nc o n t r 0 1 t h i sp o l i c ye n a b l e sm o b i l er o b o t sw i t hh i g h p r e c i s i o np o i n t t o 。p o i n tm o t i o nc o n t r o la n da u t o n o m o u sn a v i g a t i o nc a p a b i l i t i e sw h i l e a d d r e s s i n gal a r g ee q u i p m e n tp r o d u c tl i n eo fr a wm a t e r i a ld e l i v e r y ，f i n i s h e ds t o r i n g t h es e c u r i t yo nt h ej o b ，e f f e c t i v er e d u c e p r o d u c t i o na c c i d e n t t h i st o p i cs e l e c tu p v o y a g e r i ia u t o n o m o u sm o b i l er o b o t sa sas i m u l a t i o n p l a t f o r m ，l e v e r a g i n gw e b o t sr o b o t ss i m u l a t i o ns o f t w a r ef o rs i m u l a t i o na n dr o b o tw o r k p r o c e s ss i m u l a t i o na n da n i m a t i o n ，a n dt h e ni nu p v o y a g e r i id on o tu s ea n v s e n s o r ，g l o b a lp a t hp l a n n i n gp o l i c yf o rv e r i f i c a t i o n r e s u l t ss u g g e s tt h a tt h i sa r t i c l e d e s l g no fm o t i o nc o n t r o ls t r a t e g yt ob e t t e ra c h i e v et h ee x p e c t e df u n c t i o n a l i t y ，h i g h s t a b i l i t ya n da c c u r a c y k e y w o d ：d x ff i l e s ；m o b i l er o b o t ；a r m s 3 c 2 4 1 0 ；p a t hp l a n n i n g ；c o n t r o ls t r a t e g y i i 硕士学位论文 插图索引 图1 1 嵌入式系统结构5 图1 2a r m 微处理器示意图8 图2 1 工厂布局图1 0 图2 2 “d x f 码文件h e a d e r 段1 2 图2 3d x f 文件结构图：。：13 图2 4d x f 文件图元储存及l w p o l y i n e 储存格式1 5 图2 5d x f 文件解析1 9 图2 6 链表结构中个元素的储存示意图。2 0 图2 7d x f 文件中各图元信息的解析过程2 0 图2 8e n t i t i e s 段的直线样例和代码2 1 图2 9 基于d x f 地图简化区域的环境拓扑图2 2 图2 1 0 全局路径规划算法的搜索示意图2 4 图2 1 1 文件读取与输出流程2 4 图2 1 2 误差补偿示意图2 5 图3 1 三轮移动机构2 7 图3 2 机器人运动学模型2 9 图3 3 机器人直线运动3 2 图3 4 机器人绕跨距中心回转运动枷3 2 图3 5 机器人绕右轮转动运动3 3 图3 6 移动机器人转动运动示意图3 3 图3 7 右驱动轮的动力学分析3 4 图4 1d x f 地图的移动机器人路劲规划的系统框架图3 6 图4 2 移动机器运动模型3 7 图4 3 地图模块的结果示意图4 0 图4 4 主控制器构架框图4 2 图4 5g xa r m 92 4 1 0 e p 实验平台4 3 图4 6u p v o y a g e r i i 自主移动机器人示意图4 3 图4 7 无传感器的环境下u p v o y a g e r i i 工作流程4 4 图4 8 结果分析图4 4 图4 9 车轮滚动假设图4 6 图4 1 0 车体方位坐标图4 7 图4 1 1 运动控制系示意图5 1 图4 1 2 步进电机电路仿真及示波图5 3 i i i 基于d x f 地图的移动机器人路径规划的研究与实现 图4 1 3 压电式超声波传感器的结构5 3 图4 1 4 超声波测距原理图5 4 图4 1 5 红外线光电开关布置图5 5 图4 1 6 光电编码器原理示意图5 6 图4 1 7 检测反馈装置布置图5 6 图4 1 8 光电编码器的运动控制框架图5 7 图4 1 9w e b o t s 仿真软件平台5 8 图4 2 0w e b o t s 仿真软件建模步骤5 9 图4 2 l 模拟仿真工作过程示意图6 0 i v 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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 律后果由本人承担。 作者签名： 径编 日期：枷年厂月j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收 录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： 日期：必唧年 厂月歹日 日期山，o 年6 月严日 硕十学位论文 1 1 课题背景及意义 第1 章绪论 机器人技术作为2 0 世纪人类最伟大的发明之一，自6 0 年代初问世以来，经 历5 0 余年的发展已取得长足的进步。它作为人类的新型生产工具，集中了机械、 电子、计算机、自动控制以及人工智能等多种学科的最新科研成果，代表了机电 液一体化的最高成就，是近年来发展最快的综合学科。 在机、电、液、气、光，特别是微电子、计算机技术迅速发展的基础上，机 器人的类型也发生着变化，根据机器人作业方式不同，现阶段可分成移动式作业 和固定式作业，即移动机器人( m o b i l er o b o t ) 和机器手( m a n i p u l a t o r ) 两大类【卜4 】。移 动机器人技术是机器人研究领域的一个重要分支，其中移动机器人的路径规划是 机器人学的重要研究方向，也是机器人实现自主导航的关键。伴随着计算机在嵌 入式技术上的迅猛发展，嵌入式系统在移动机器人方面上扮演着越来越重要的角 色，它可以准确的实现机器人的地图创建和精确控制，其强大的处理能力能够应 对复杂的环境，并且它具有体积小、性能强、功耗低、可靠性高以及面向行业具 体应用等突出特征，目前己经广泛地应用于军事国防、消费电子、信息家电、网 络通信、工业控制等各个领域【5 6 】。 随着工业的发展，现阶段在建筑行业、机械行业对原材料、成品的运输环节 仍存在着不协调的问题，尤为突出的是在机械行业中的装备生产线的应用上出现 了很多问题。由于在装备生产线中不同机床的工作原理不同，因而其加工出来的 产品也不同，这样会在机床上料，原材料输送，成品储藏等环节上出现诸多问题， 如上料不及时；在原材料运输环节上出现的输送事故，成品储藏的混乱等。 根据目前的大型装备生产线情况和移动机器人发展的趋势，本文提出了基于 d x f 地图的移动机器人路径规划的研究。该研究是针对先验地图( 二维先验d x f 图纸) 在不需要人为编程的环境下，机器人能够智能读取地图的信息，并对地图 中的重要信息做出处理与优化，并且储存地图。待生产线的某个机器发出信号后， 机器人通过信号接收器获取信号，建立最优路径，快速准确的完成从点对点的工 作任务，最终达到生产自动化的控制目的。此种移动机器人的路径规划具有高精 度点对点运动控制和自主导航的能力，解决了它对地图读取的复杂性，不确定性， 高成本的问题，同样有效地降低了机械事故的发生率，提高了生产率。 基于d x f 地图的移动机器人路径规划的研究与实现 1 2 移动机器人的地图创建 基于电路地图的地图创建( 这种理论是分析比较障碍物分布特性与网格电路 电阻阻值之间的类似特性) 的基础上，利用电路中最大电流集中于串联电阻少、并 联电阻多的最小通路的原理，即电流通路的串联电阻数目与实际环境中道路长度、 并联电阻数目与障碍区中的道路宽度的相互对应性，从而对地图的进行辨别。 基于传感器的地图创建【1 3 16 1 ，它通过传感器感知_ 夕 界环境与对象物，并能对 复杂信息进行准确处理，同时根据反馈的信息创建全局地图，这种机器人装有多 种传感器，并能将多种传感器检测到的信息进行“融合 ( 多传感器的信息融合) 并做出相应决策，以下是不同传感器的应用： 1 基于全方位图像：具有反射光和折射光的全方向的视觉传感器，通过重新 投影的全方位图像到虚拟圆柱体，构造一个虚拟的全景视觉传感器，继而产生一 个全景图像。或者由多台位置已知的摄像机，利用多基线的立体视觉获得全景图 像，可获得机器人的里程，实现机器人的地图建立。 2 基于声音：当机器人位于阴暗环境，且目标位于视野外时，视觉导航与定 位失效，采用声音定位法。机器人装配一个实时声音的定位系统和一个用来探测 障碍的声纳系统，声音定位原理是基于人类听觉系统处理回声原理。 3 基于活动单目：由于单目的视野范围有限，因此需要加入控制器控制静止 的摄像机左右转动，或者机器人快速发现标志实现机器人定位。 4 基于激光雷达：通过二维或者三维的扫描激光束或光平面，激光雷达能够 以较高的频率获得大量准确的距离信息。由于速度较快，比较适合应用于移动机 器人。如果工作在黑暗的环境里，更加突出该传感器的优势。 基于路标的地图创建。移动机器人从其存储信息中所得出的特殊景物坐标。 这种路标本身具有固定和已知的位置，可以包含一些附加信息。如车载g p s 基于卫 星的无线导航系统，它能提供一种实用的、廉价的在全球范围内确定位置坐标、 速度和时间的工具。定位测量是基于到达时间测距原理。接收机从多个已知位置 的发射机接收多个信号用于确定接收机的位置。机器人通过安装卫星信号接收装 置，可以实现自身定位，从而实现移动地图的创建。 1 3 移动机器人的路径规划 路径规划指的是移动机器人按照某一性能指标，在地图中搜索一条从起始状 态到目标状态的最优或次最优的无碰撞路径，是导航系统的核心技术【l7 1 。根据工 作环境的不同，通常分成环境信息已知的全局路径规划和环境信息未知的或部分 未知的局部路径规划。 2 硕士学位论文 1 3 1 移动机器人全局路径规划 按照环境建模方式的不同可细分为：可视图法、切线图法、v o r o n o i 图法、自 由空间法、拓扑法、栅格法等等。其中，可视图法、切线图法、v o r o n o i 图法是经 典的规划方法，它们主要采用图论的思想，将目标、机器人及其工作空间用一个 连接图表示，从而路径规划问题就转化为在某种图上寻找一条从起始点到目标点 的最优路线【1 8 “2 们。 1 可视图法 在可视图法中机器人被视为一点。在这基础上，将机器人、目标点和多边形 障碍物的各项点进行组合，只保留其中不穿越障碍物的连线，从而所有直线是可 视的，所有经过这些连线段而到达目标点的路径都是可行路径。于是路径规划就 转化为按一定的优化标准，从所有的这些可行路径中搜索出最优路径的问题。该 方法主要的缺点在于其计算复杂度随障碍物的增加迅速增加，并且对机器人起始 点、目标点以及障碍物位置变化敏感，位置变动时将需要重新建模。另一方面， 在实际运行中，它要求能精确地控制机器人到达障碍物顶点附近，而这往往是较 难实现或不安全的。此外，可视图法仅适用于多边形障碍物，对于圆形障碍物该 法失效，所以有切线图法、v o r o n o i 图法对可视图法进行了改进。 2 自由空间法 自由空间法应用于移动机器人路径规划，采用预先定义的如广义菱形和凸多 边形等基本形状构造自由空间，并将自由空间视为连通图，通过搜索连通图进行 路径规划。其构造方法是：从障碍物的一个顶点开始，依次作其它顶点的连接线， 删除不必要的连接线，使得连接线与障碍物边界所围成的每一个自由空间都是面 积最大的凸多边形。连接各连接线的中点形成的网络图即为机器可自由运动的路 线。其优点是机器人可运动的自由空间有清晰的几何模型描述，如果在己知的自 由空间中存在可行路径，那么一定可以找到这样的路径。另外，该方法和可视图 法相比较灵活，起始点和目标点的改变不会造成连通图的重构，但缺点同样是计 算复杂度随障碍物的增加迅速增长，使连通图的构造和路径搜索都非常耗时。 3 拓扑法 上述的可视图法、自由空间法等模型都没有考虑机器人的几何特点，在解决 姿态这个很重要的路径规划问题时，如细长形杆状机器人的路径规划，就有一定 的局限性。拓扑法利用状态空间的连通性分析来解决路径规划问题，它根据环境 和机器人的几何特点，将规划空间划分成若干拓扑特征一致的子空间，根据彼此 的连通性建立一个拓扑网络，在该网络上寻找起始点到目标点的拓扑路径，最终 由拓扑路径求出几何路径f 2 1 2 2 1 。拓扑法基本思想是降维法，即将在高维几何空间 中求路径的问题转化为低维拓扑空间中判别连通性的问题。优点在于利用拓扑特 3 基于d x f 地图的移动机器人路径规划的研究与实现 征大大缩小了搜索空间。算法复杂性仅依赖于障碍物数目，理论上是完备的。而 且拓扑法通常不需要机器人的准确位置，对于位置误差也就有了更好的鲁棒性。 其缺点是建立拓扑网络的过程相当复杂、费时，比较难以实现。 4 栅格法 栅格法是目前研究和应用最广泛的环境表示方法。它将整个地图划分为许多 小栅格，并要求栅格的尺寸不小于机器人自身的尺寸。若某个栅格范围内不含任 何障碍物，则称此栅格为自由栅格，所有自由栅格的集合构成机器人运动的自由 空间。在进行栅格划分的同时，记录各栅格间的邻接关系，然后把起点栅格和目 标栅格之间的邻接栅格连接起来就得到一条无碰撞的可行路径。最后再通过优化 算法在众多的可行路径中进行搜索，以找到满足规划要求的路径。栅格法简单易 懂、容易实现，但由于环境被量化成具有一定分辨率的栅格，所以导致了计算资 源耗费和规划结果质量之间的矛盾【l9 1 。 1 3 2 移动机器人局部路径规划 局部路径规划最初的研究是一种基于直角坐标系的碰撞惩罚函数方法。在此 基础上由k h a t i b 提出的人工势场法是局部规划中的代表性算法，除此以外，局部 规划算法还有：模糊逻辑算法、b u g 算法、神经网络算法等等。局部路径规划算 法和全局路径规划算法间最大的区别在于，全局规划算法考虑全局信息，其规划 目标是取得全局最优化的路径；而局部路径规划中环境信息是不完全的，所以局 部规划算法是基于局部信息进行计算。 1 人工势场法 人工势场法是由k h a t i b 提出的一种虚拟力法。其基本思想是将移动机器人在 环境中的运动视为一种在虚拟的人工力场中的运动。障碍物在空间中形成假想的 斥力场，对移动机器人产生虚拟排斥力，并随机器人与障碍物距离的减小而迅速 增大。目标点在空间形成假想的引力场，对移动机器人产生虚拟吸引力，并随机 器人与目标的接近而减小。于是机器人处于引力场和斥力场叠加的人工势场中， 沿势场梯度的负方向运动便可得到无碰撞路径。该算法计算简单、实时性好、容 易与机器人运动方程结合，在实时避障和平滑轨迹控制方面得到了广泛应用。 其不足之处在于存在局部势场零点，因而可能使移动机器人在到达目标点之 前就陷入其中而无法脱离。为此，人们在经典的人工势场法的基础上进行改进， 包括尝试设计一个合适的势函数使得整个势场无局部势能最小点，如s a t o 提出的 l a p l a c e 势场法；或是提出可脱离局部最小点的算法，如随机运动法( r a n d o m w a l k ) 、 虚拟障碍物( v i r t u a lo b s t a c l e ) 等【n 引。 2 模糊逻辑算法 模糊逻辑算法是通过对驾驶员的工作过程观察研究得出的。驾驶员避碰动作 4 硕士学位论文 并非对环境信息精确计算完成的，而是根据模糊的环境信息，靠经验来决策采取 什么样的操作。模糊逻辑算法基于实时传感器的信息，根据障碍物的位置及机器 人运动状态构造隶属度函数，然后通过查寻运动策略表决定将采取的路线，从而 完成局部路径规划。优点是克服了势场法易产生的局部极小问题，计算量较低， 能够达到实时在线规划的要求，适合处理未知环境下的路径规划。该方法对解决 定量方法难以处理的问题，以及在外界只能提供定性而非定量的、不确定信息时 具有明显的优势。 3 b u g 算法 b u g 算法是最早提出的解决未知环境下机器人路径规划问题的方法之一。它 的主体思路是：将起始点与目标点的连线视为机器人的运动的主线( m - l i n e ) ，从 起始点出发，机器人首先沿主线移动，当环境中有障碍物被探测到且与机器人前 进路线发生冲突时，则改变运动策略为沿此障碍物边界移动，直到机器人再次回 到主线并且与其目标点的距离较前一次脱离主线时有所减少，机器人再继续沿主 线向目标点移动。 1 4 嵌入式系统在机器人技术中的应用 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 是当今最热门的概念之一。根据i e e e ( 国际电 气和电子工程师协会) 的定义，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助设备、机器和 车间运行的装置”( 英文原文是d e v i e e su s e dt oc o n t r o l ，m o n i t o r ，o ra s s i s tt h e o p e r a t i o no f e q u i p m e n t ，m a c h i n eo r p l a n t s ) ，从这个定义可以看出，嵌入式系统是硬 件和软件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。所以嵌入式系统可以笼统地分 为硬件和软件两部分。嵌入式系统的构架可以分成四个部分：处理器、存储器、 输入输出( i o ) 和软件( 由于多数嵌入式设备的应用软件和操作系统都是紧密结 合的，在这里对其不进行区分，这也是嵌入式系统和通用p c 系统的最大区别) 2 9 - 3 0 】。嵌入式系统的组成如图1 1 所示。 输入 图1 1 嵌入式系统结构 输出 基于d x f 地图的移动机器人路径规划的研究与实现 1 4 1 嵌入式系统的特点 嵌入式系统有下面几个重要的特征： 1 系统内核小。嵌入式系统一般是应用与小型的电子装置，系统的硬件资源 相对有限，所以内核相对与传统的操作系统要小的多。 2 专用性强。嵌入式系统的个性很强，系统的软件和硬件结合的非常紧密， 一般要根据硬件系统进行移植。 3 系统精简。嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要求 其功能设计上过于复杂，这样一方面有利于控制系统的成本，同时也有利于系统 安全。 4 高实时性操作系统是嵌入式软件的基本要求。而且软件要求固化存储，以 提高速度，软件代码要求高质量和高可靠性。 5 嵌入式软件要走向标准化，必须使用多任务的操作系统。 6 嵌入式系统开发需要专门的开发工具和环境。由于嵌入式系统本身不具备 自主开发的能力，即使设计开发完成后用户通常也不能对其中的程序功能进行修 改，必须有一套开发工具和环境才能进行开发，这些工具和环境一般是基于通用 计算机的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、混和信号示波器等。开发时往往有主 机和目标机的概念，主机用于程序的开发，目标机作为最后的执行机，开发时需 要交替结合进行。 1 4 2 嵌入式系统结构 由于嵌入式系统由硬件和软件两大部分组成，因此其分类也从硬件和软件进 行划分。 从硬件的角度看，各种各样的嵌入式处理器是嵌入式系统硬件中最核心的部 分。目前，世界上具有嵌入式功能特点的处理器已经超过10 0 0 种，流行的体系结 构包括m c u 、m p u 等3 0 多个系列。其中从单片机、d s p 、到f p g a ，品种越来 越多，速度越来越快，性能越来越强，价格也越来越低。根据其发展现状，可以 分为四大类： 1 嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) ，典型代表是单片机。微控制 器是目前嵌入式系统工业的主流，微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合 予控制，因此称为微控制器。 2 嵌入式d s p 处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，d s p ) ，是专门用于信号处理方 面的处理器，其在系统结构和指令算法方面进行了特殊的设计，具有很高的编译 效率和执行速度。 3 嵌入式微处理器( m i c r o p r o c e s s o ru n i t ，m p u ) ，是由通用计算机的c p u 演 变而来，它的特征是具有3 2 位以上的处理器，具有较高的性能，但与计算机处理 6 硕士学位论文 器不同的是，在实际的嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件， 去除其它的冗余功能部分，这样就做到了以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的 特殊要求，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。目 前主要的嵌入式处理器有a m l 8 6 1 8 8 、3 8 6 e x 、s c 一4 0 0 ；p o w e r p c 、6 8 0 0 0 、 m i p s 、a r m s t r o n g a r m 。 4 嵌入式片上系统( s y s t e mo n c h i p ，s o c ) ，s o c 的最大特点是实现了软硬件 的无缝结合，直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块。由于绝大部分系统构 件都在片内，整个系统特别简洁，不仅减小了系统的体积和功耗，而且提高了系 统的可靠性，提高了设计生产的效率。比较典型的s o c 产品是p h i l i p s 的s m a r tx a ， 少数通用系列如s i e m e n s 的t f i c o r e 、m o t o r o l a 的m c o r e 。 软件方面，主要根据操作系统的类型划分，目前嵌入式系统的软件主要有两 大类：实时系统和分时系统，其中实时系统硬实时系统和软实时系统。在实时系 统中，如果系统在指定的时间内未能实现某个确定的任务，会导致系统的全面失 败，则系统被称为硬实时系统。而在软实时系统中，虽然响应时间同样重要，但 是超时却不会导致致命错误。例如，w i n d o w sc e2 0 就是一个多任务分时系统， 而p c o s 则是典型的实时操作系统【2 9 3 0 1 。 嵌入式系统有着非常广阔的应用前景，其应用领域可以包括：工业控制、交 通管理、信息家电、家庭智能管理系统、网络及电子商务、环境监测和机器人控 制等方面。嵌入式芯片的发展将使机器人在微型化、高智能方面优势更加明显， 同时会大幅度降低机器人的价格，使其在工业领域和服务领域获得更广泛的应用。 1 4 3a r m 处理器 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) ，既可以认为是一个公司的名字，也可以认 为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。目前，采用a r m 技术知识产权( i p ) 核的微处理器，即通常所说的a r m 微处理器，已遍及工业控制、 消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统、军用系统等各类产品市场， 基于a r m 技术的微处理器应用约占据了3 2 位r i s c 微处理器7 0 以上的市场份 额，a r m 技术正在逐步渗入到生活的各个方面。目前全世界有几十家大的半导体 公司都使用a r m 公司的授权，因此既使得a r m 技术获得更多的第三方工具、制 造、软件的支持，又使整个系统成本降低，使产品更容易进入市场并被消费者所 接受，更具有竞争力。采用r i s c 架构的a r m 微处理器一般具有如下特点： 1 体积小、低功耗、低成本、高性能： 2 能很好的兼容8 1 6 位器件； 3 大量使用寄存器，指令执行速度更快； 4 大多数数据操作都在寄存器中完成； 7 基于d x f 地图的移动机器人路径规划的研究与实现 5 寻址方式灵活简单，执行效率高；指令长度固定。 通常a r m 系统的最小系统如图】2 所示。 i j 霭飘 r m 处 理 器 图12a r m 微处理器示意图 到目前为止，a r m 微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域： 1 工业控制领域：作为3 2 位的r 1 s c 架构，基于a r m 核的微控制器芯片不 但占据了高端微控制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应用 领域扩展，a r m 微控制器的低功耗、高性价比，向传统的8 位1 6 位微控制器提 出了挑战； 2 无线通讯领域：目前已有超过8 5 的无线通讯设备采用了a r m 技术， a r m 以其高性能和低成本，在该领域的地位日益巩固； 3 网络应用：随着宽带技术的推广，采用a r m 技术的a d s l 芯片正逐步获 得竞争优势。此外，a r m 在语音及视频处理上进行了优化，井获得广泛的支持， 也对d s p 的应用领域提出了挑战； 4 消费类电子产品：a r m 技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒 和游戏机中得到广泛采用； 5 成像和安全产品：现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用了a r m 技术。手机中的3 2 位s i m 智能卡也采用了a r m 技术。除此以外，a r m 微处理 器及技术还应用到许多不同的领域，并会在将来取得更广泛的应用。 1 5 课题研究工作的主要内容 1 5 1 课题的研究内容和目的 针对在先验地图的环境下对移动机器人的运动控制策略的研究，选取三轮式 移动机器人作为研究对象，分析其运动学模型，研究电机控制方法，结合嵌入式 系统相关知识，选取a u t o c a d 软件所生成的d x f 文件作为先验地图a r m 9 芯片 $ 3 c 2 4 1 0 作为主处理器，采用w i n d o w sc e 作为操作系统，并设计了移动机器人的 硬件实验平台，实现三轮移动机器人( 后两驱动轮+ 前一万向轮) 的直线、自旋转以 及以及一定角度转弯的运动功能来实现机器人的路径规划。 攀j 一 嚣 硕士学位论文 课题研究的目的： 1 通过对d x f 文件地图结构的分析、嵌入式系统应用的研究，提出以d x f 地图为基础，对移动机器人的全局路径规划策略和局部路径规划策略的研究思路。 2 针对移动机器人在已知环境下对地图进行全局路径规划的问题，提出一种 采用a u t o c a d 软件所成的d x f 文件作为地图源码，在不采用任何外设传感器的 情况下，实现移动机器人地图匹配与定位的全局路径规划策略。 3 基于d x f 地图的多传感器信息融合对局部路径进行规划，并对在全局规 划中出现的误差进行补偿，实现准确的定位。 4 根据对其理论的研究进行软硬件平台的建立，从而实现对本文理论的验 证。 1 5 2 本文的结构 第一章“绪论，介绍机器人发展历史和移动机器人研究现状，简单论述智 能移动机器人导航体系结构和路径规划的概念以及机器人路径的运动控制理论； 第二章基于d x f 地图移动机器人路径规划的研究，通过对d x f 文件结构的 解析，利用解析程序对d x f 文件的图元信息进行重组，通过对地图信息的分析处 理，建立机器人的可识别的路径地图； 第三章移动机器人运动控制。通过对机器人的运动学分析，确定机器人的结 构，并对所建立运动模型进行分析； 第四章基于d x f 地图移动机器人路径规划的实现。根据对d x f 地图路径规 划的研究结果，应用软硬件体系的结构实现对研究结果的验证；实验与结果分析。 分别做不搭载任何传感器时和搭载传感器的实验，并对结果进行分析及仿真； 第五章对整个研究的总结和展望，针对当前的方案提出进一步改进研究的思 路，评价了当前研究领域今后的发展方向。 9 基t - d x f 地图的移动机器人路径规划的研究与实现 第2 章基于d x f 地图移动机器人路径规划的研究 在移动机器人路径规划的实际应用中，一条最优路径对于机器人的避障、相 互躲让等方面具有重要的使用价值，所以在大范围内环境已知的情况下，设计一 种保证移动机器人路径长度最优或者较优的路径运动具有重要实际意义的。 实现最优路径规划的关键技术要素为以下三点：( 1 ) “要去哪”；( 2 ) “该如何去”； ( 3 ) “在哪里”。涉及了移动机器人三方面问题： 1 环境建模，映射移动机器人工作空间的信息数据结构，保证机器人在已知 环境下运动准确与否的依据，是路径规划的基础平台。 2 路径规划，指移动机器人按照某一性能指标，在地图中搜索一条从起始状 态到目标状态的最优或次最优的无碰路径，是路径规划的核心技术。 3 定位，确定移动机器人在二维工作环境中相对于全局坐标的位置及其本身 的姿态，是确保最优路径质量的基本因素。 根据以上问题可以看出来，环境建模是移动机器人路径规划的基础，移动机 器人的工作空间是一个现实的物理空间，而路径规划算法所处理的则是一个能够 反映现实空间物理特性的抽象空间。 、 八嘏一 = ； ， 1 i k 一3 。逊口 l 鼍口 一甘tu 一口 1 ， 、 ! ii圃三兽卜 图2 1 工厂布局图 机械对零件信息的描述是通过对零件本身的外轮廓的大小，坐标、以及角度， 即点、线、圆、圆弧、不规则的曲线等来建立零件的数据库，从而连接成所需要 的零件结构图。在建筑中的厂房布局图中，每个机器摆放的位置都是通过c a d 图纸来描述它实际的位置信息，如图2 1 所示，不同机器位置代表着不同点的坐 1 0 硕士学位论文 标，机器与机器之间的距离，加工出来的成品储存点的位置等都是采用c a d 技 术来描述环境信息。在机器人的路径规划中，如果机器人所处的环境和行走的路 径是通过c a d 图纸的点、线、圆弧等信息表述出来的话，便解决了机器人对获 取环境信息难的问题。本文将根据这一思路，提出一种采用a u t o c a d 软件所生 成的d x f 文件作为地图源码，实现移动机器人的环境建模、地图匹配及定位路径 的规划。跟据上述的要求，本章主要针对d x f 文件地图的结构编码、创建d x f 文件地图和建立d x f 地图的规划路径三部分进行研究。 2 1d x f 文件解析原理的研究 d x f ( d r a w i n ge x c h a n g ef i l e ) 文件是a u t o d e s k 公司推出的a u t o c a d 软件的一 种保存形式，用来与外部c a d c a m 进行图形信息交换的接口，并且它也是图形 信息交换的一种文件格式。由于其简单、易读，在工业界，d x f 码已成为了一种 国际数据接口标准文件【2 4 1 。 d x f 文件格式是以带标记的数据表示图形文件中包含的所有信息，它的完整 结构是由成对的组码和与组码相关联的组值所构成。带标记的数据是指文件中的 每个数据元素前面都带有一个称为组码的整数。组码值代表组码后面的数据元素 的类型，并指出了数据元素对于给定对象( 或记录) 类型的含义【2 5 1 。d x f 文件被使 用这些组码和组值组成的各段构成，而各段由记录组成，记录又由依次排列的组 码和数据条目组成。通过这些组码与组值，可以将d x f 文件组织到有记录组成的 区域中，每个组码和组值都各占一行。相应的一系列组码和组值构成了d x f 文件 中的段( s e c t i o n ) ，每一个段都以一个组码为0 ，组值为字符串s e c t o i n 的组对 开始，其后再紧跟组码为2 和表示各段名称的字符串( 如h e a d e r 、e n t i t i e s 等) 。 每个段中的相应的组码和组值定义了相应的d x f 段。而每个段都以组码为0 和字 符串为e n d s e c 的组值构成的代码对结束【2 6 1 。 一个完整的d x f 文件应该由七大段( s e c t i o n ) 组成。这些段分别为： h e a d e r 段，c l a s s e s 段、t a b l e s 段、b l o c k s 段、e n t