（机械制造及其自动化专业论文）液下搅拌机器人控制系统的研究.pdf

摘要 摘要 移动机器人是机器人研究领域中重要的一个分支，智能移动机器人集人工 智能、智能控制、信息处理、图象处理、检测与转换等专业技术为一体，跨计 算机、自动控制、机械、电子等多学科，成为当前智能机器人研究的重点之一。 针对目前水煤浆单纯机械搅拌装置体积大、笨重、能耗多的缺点，开发了液 下搅拌机器人。本论文所涉及到的内容仅为整个研究课题的一部分，首先介绍 了液下搅拌机器人的体系结构，给出了基于p m a c 的浆液下搅拌机器人运动控制 系统的硬件结构，对液下搅拌机器人进行了运动学分析，给出并证明了其运动 学方程，在深入研究移动机器人运动学模型的基础上，研究了液下搅拌机器人 的轨迹跟踪问题。对系统进行了软件开发，软件基于w i n d o w s 编程技术，采用 面向对象的编程思想，以v i s u a lc + + 6 0 语言为开发环境，具有良好的人机交 互性能。 由于移动机器人多应用于真实的、非结构化的环境，传统的功能分解方法以 及建立在严格精确的系统数学模型上的系统智能已经无法满足控制需要，同时 由于环境的动态性、传感器测量信息不准确以及机器智能的低水平，迫切需要 提高移动机器人对传感器信息的实时处理能力及改善定位、导航方法。本文分 析和介绍了模糊神经网络的基本原理，分析了这些控制方法在应用中的优缺点， 提出了一种适用于机器人的模糊神经网络。该网络以前馈神经网络为基体， 经 过训练，网络完成对模糊控制规则的记忆，在此基础上实现移动机器人的智能 控制。 最后对机器人做了实际运行试验，效果良好。 关键词：移动机器人；多轴运动控制器；模糊神经网络：路径规划 a b s t r a c t a b s t r a c t m o b i l er o b o ti s a n i m p o r t a n tb r a n c h o fr o b o t i ti n v o l v e s a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e ( a 1 ) ，i n t e l l i g e n tc o n t r o l ，i n f o r m a t i o np r o c e s s i o n ，i m a g ep r o c e s s i o na n d d e t e c t i o na n dc o n v e r s i o n i tr e f e r st oc o m p u t e rs c i e n c e ，a u t oc o n t r o l ，m e c h a n i c a l ， e l e c t r o n i cs c i e n c e i t so n eo f t h ek e yr e s e a r c h e so ni n t e l l i g e n tr o b o tn o w a n a d a p t i v es c h e m eo fr o b o t i c i z e dp u gm i l lw o r k i n g u n d e rw a t e r - c o a ls l u r r yi s m a d e ，w h i c hc a l lo v e r c o m et h ed i s a d v a n t a g e so ft h em e c h a n i c a lc h u r nd a s h e r sl a r g e v o l u m e ，p o n d e r o s i t ya n de x c e s s i v e l yc o n s u m e de n e r g y t h i st h e s i sa r ej u s tap a r to f t h ew h o l et a s k f i r s t l y , t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ea r c h i t e c t u r eo ft h er o b o t t h er o b o t h a r d w a r es t r u c t u r es y s t e mi sb u i l tb a s e do np m a c t h ek i n e m a t i ca n a l y s i so ft h e s y s t e mi sm a d ea n dt h ek i n e m a t i c se q u a t i o n sa r ea c q u i r e d t h et r a j e c t o r yt r a c k i n g c o n t r o lp r o b l e mo fam o b i l er o b o ti sd i s c u s s e d t h es o f t w a r ei sb a s e do nw i n d o w s p r o g r a m m i n gt e c h n o l o g ya n du s e st h eo b j e c t o r i e n tp r o g r a m m i n gt h o u g h ta n da d o p t s t h el a n g u a g ev i s u a lc + + 6 0t ow r i t i n gt h eo r i g i n a lc o d e a l lo ft h e s em a k ei th a v e g o o dd i a l o g u ei n t e r f a c eb e t w e e nt h eo p e r a t o ra n dc o m p u t e r m o b i l er o b o t sa r em o s t l ya p p l i e di nr e a la n dn o n s t r u c t u r e de n v i r o n m e n t s ； t h e r e f o r et r a d i t i o n a lf u n c t i o nd e c o m p o s i t i o na n ds y s t e mi n t e l l i g e n c eb a s e do ns t r i c t m a t h e m a t i c a lm o d e l sc a n n o ta c h i e v ee f f e c t i v ec o n t r 0 1 m e a n w h i l et h ed y n a m i c e n v i r o n m e n t , i n e x a c ts e n s o r s ， a n dl i m i t e dm a c h i n ei n t e l l i g e n c ee x t e n s i v e l yr e q u i r e i m p r o v e m e n t i nr e a l t i m ei n f o r m a t i o n p r o c e s s i n g , l o c a l i z a t i o n a n dn a v i g a t i o n a p p m a e h 鹤t h ep r i n c i p l eo ff u z z yn e u r a ln e t w o r ki sa n a l y z e da n di n t r o d u c e d t h e i r v i r t u ea n ds h o r t c o m i n ga r ei n t r o d u c e d af u z z yn e u r a l n e t w o r ks u i t a b l eo fm o b i l e r o b o t si n f o r m a t i o nf u s i o ni sp r o p o s e d t h i sf u z z yn e u r a ln e t w o r ki sb a s e do nb a c k p r o p a g a t i o nn e u r a ln e t w o r k a f t e rt r a i n i n g ，t h ef u z z yn e u r a ln e t w o r kc a nm e m o r i z e t h ef u z z yc o n t r o lr u l e sa n dc a i lb eu s e di ni n t e l i g e n tc o n t r o lo f m o b i l er o b o t f i n a l l y w em a k ee x p e r i m e n to nt h ep r o t o t y p e ，t h er e s u l ti ss a t i s f y i n g k e yw o r d s ：m o b i l er o b o t ；p m a c ：f n n ；p a t hp l a n n i n g 学位论文版权使用授权书 本人完全了解北京机械工业学院关于收集、保存、使用学位论文 的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和 电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、 缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文：学校有权提供目录检索以 及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向 国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版：在不以赢利为目 的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动。 学位论文作者签名：刻铂庶 。a 年；月，7 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月 日 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：卣j 鼻国木 。，一f 年? 月7 e t 第l 章绪论 1 1 前言 第1 章绪论 移动机器人是机器人学的一个重要分支，综合了计算机、控制论、机构学、 信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科的先进技术”1 。其研究工作始于 2 0 世纪6 0 年代“3 ，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，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。随着各方面技术的飞速发展，其应用空间也日趋广泛。 1 2 课题来源与研究意义 i 2 1 课题来源 本课题来源于北京市教育委员会科技发展计划的工业机器人研究项目，该项 目主要研究机器人的机器人结构本体设计、控制系统设计、驱动系统、路径规 划、位置识别系统以及计算机仿真等。本课题是该项目的一部分，主要内容为： 液下搅拌机器人的智能控制系统的研究。本项目拟研发的搅拌机器人可代替大 型储浆罐中传统笨重的机械式搅拌装置，在占地、安装、维修、智能化等方面 都有显著优势，从而提高生产的现代化水平，产生较大的社会效益。 1 2 2 课题研究的意义 机器人技术是集运动学与动力学理论、机械设计与制造技术、计算机硬件与 软件技术、控制理论、电动伺服随动技术、传感器技术、人工智能理论等科学 技术为一体的综合技术。它的研究与开发标志着一个国家科学技术的发展水平， 而其在各种领域的普及应用，则显示了这个国家的经济和科技发展的实力。1 。此 第l 章绪论 外机器人由于本身具有无限的想象空间，历来是概念创新、技术创新的源泉， 机器人技术是国家8 6 3 计划、自然科学基金等资助重点发展的项目。 我国自1 9 8 2 年开始从事水煤浆技术研究。在“六五，_ “九五”期间，国家给 予水煤浆技术发展很大支持。国家科委、国家计委和煤炭部门都投入了大量的 人力和物力来研究和发展水煤浆技术。经过二十多年的研究和发展，我国的水 煤浆技术已经具备了工业化推广的条件。我国水煤浆代油市场潜力巨大。据统 计，全国锅炉烧油量约为4 0 m r 年，用户分布在电力、化工、冶金等行业。如果 能够推广水煤浆技术，则其经济效益和社会效益都是巨大的。并且会增强我国 能源工业独立自主的能力，对经济建设和国家发展有不可估量的作用。大型储 浆中的水煤浆防沉淀和自动搅拌技术是目前研究的难点，应用产品在国内还是 空白。本项目拟研发的搅拌机器人可代替大型储浆罐中传统笨重的机械式搅拌 装置，在占地、安装、维修、智能化等方面都有显著优势，若以水煤浆为载体 推广此项机器人，则会产生巨大的社会效益。 水煤浆液下搅拌机器人在国内尚无先例，本项目的研究对北京市和我国能源 工业和环保都具有较大社会经济价值和意义。本项目的成果可以水煤浆为载体 进行工业推广，在近些年将有良好的应用前景。因此本课题研制的国产液下搅 拌机器人在我国煤炭部的水煤浆相关生产厂家有着重大的应用价值，同时可以 推广到其他相关行业进行实际应用。本项目的研究拓展了机器人的应用领域， 对于推动机器人技术的发展具有一定意义。 1 2 3 水煤浆防沉淀技术的发展及现状 水煤浆是由6 5 7 0 不同粒度分布的煤粉、3 0 _ - 3 5 的水和约l 的添加剂 制成的混合物，是七十年代石油危机中发展起来的一种新型低污染代油燃料。 它既保持了煤炭原有的物理特性，又具有石油一样的流动性和稳定性，被称为 液态煤炭产品。水煤浆是一种很好的代油燃料。水煤浆代油燃烧技术是我国正 在推广的节油洁净煤技术中非常重要的一项。 水煤浆可以代替重油和煤粉燃用，但是水煤浆与油的特性不一样，它是两相 流的流体，悬浮物为颗粒状物质，随着储存时间的增加，悬浮物必然下沉，虽 然在水煤浆中含有稳定剂，但储存时间长了以后，储存在设备中的水煤浆上下 浓度不一致，以致于发生软沉淀”。 第1 章绪论 国外大型水煤浆储罐为防止水煤浆产生软沉淀，大多采用机械搅拌器，其搅 拌器有立式、侧式两种。如瑞典设计的5 0 0 0 吨储罐，其立式搅拌机装置安装在 罐顶中心，其叶轮直径为3 埘，传动功率为5 5 k w 。俄罗斯设计的2 0 0 0 0 吨储罐， 底部装有4 台侧式搅拌机，每台功率为1 7 h i ，。 在我国水煤浆生产和应用规模还很小，对防止水煤浆产生软沉淀也还未有成 熟的经验，在参照国外使用技术的基础上，我国自行设计、研制出几种搅拌形 式“： ( 1 ) 空气搅拌方式：绕储罐外壁等角设两种不同长度，交错布置共1 2 根l 寸 压缩空气管，通过压缩空气，使煤浆产生翻腾，防止软沉淀产生。如长春保温 材料厂2 5 0 吨水煤浆储罐，就采用此种方式，其缺点是噪音大，需要有压缩空 气机装置，动力源不统一等。 ( 2 ) 打循环搅拌方式：在罐下部装有曲杆泵，在罐壁分四个水平装有喷嘴，每 一水平装3 个喷嘴，用管道将曲杆泵与喷嘴相连，启动泵后，可使煤浆沿罐底 和罐壁圆周方向流动，防止软沉淀产生。如枣庄矿务局八一矿水煤浆制备厂1 5 0 0 吨水煤浆储罐，采用打循环搅拌方式，该储罐为高架式钢筋混凝土框架简体结 构，罐内径1 2 5 米，高2 9 1 米，罐底部高出地面1 4 米，锥底罐，罐底坡度4 5 度。在罐下部装有3 台曲杆泵，在罐壁分四个水平装有喷嘴，每一水平装3 个 喷嘴。其缺点是动力消耗太大，并且有少量死角不易循环到，曲杆泵磨损严重。 ( 3 ) 立式机械搅拌方式：在罐顶中心装有一台立式搅拌机，并装有导流板，通 过搅拌机转动，使煤浆产生上下对流运动，防止软沉淀产生。其缺点是设备结 构复杂，传动轴太长，不易加工，需要分段制作。而且要求储罐为平项结构形 式，给大直径储罐设计带来一定的难度。 ( 4 ) 侧式机械搅拌方式：在罐侧壁装有侧式搅拌机，通过搅拌机转动，使煤浆 产生旋转及水平方向的左右对流运动，防止软沉淀产生。其缺点是，因搅拌器 装在储罐侧壁，设备密封要求高。 综上所述可见，目前采用的搅拌装置，要么装置体积大笨重，能耗多，要么 搅拌效果不理想。目前水煤浆生产技术在国内正处于开始推广阶段，从事此方 面技术及设备研发的单位仅有2 至3 家，搅拌机器人的研究尚无先例；在国外， 日本有类似产品应用于生产。我们可以借鉴水下机器人技术，移动机器人技术， 研发在罐底进行巡逻的机器人，除有搅拌的基本功能外，还能监测到可能发生 沉淀的区域，并自行调整路径到达目的地，则将比原有装置具有成本低，维护 第1 章绪论 方便的优势。 1 3 课题研究内容 控制系统的功能就是通过传感器感知外部信息，并加以分析、判断和处理， 通过输出接口发出控制命令，协调各子系统的工作，使整个机器人按照期望的 特性来运作，同时完成各系统的状态监控和显示。本机器人采用二级计算机控 制系统，以保证机器人既可实现自主作业，又可进行人工操纵，从而提高它的 实用性和可靠性。本课题根据本项目实际情况及当前机器人技术的发展趋势拟 定研究内容如下。 1 完善优化机器人控制的硬件平台 主要包括电机、伺服放大器、运动控制卡和工业p c 等。 2 建立机器人控制的软件平台 建立基于工业控制计算机( i p c ) 的机器人控制系统，采用层状结构。主要 由机器人上层控制模块和机器人底层控制模块两大模块组成。 ( 1 ) 机器人上层控制模块。 上层控制模块主要功能是系统初始化、用户管理、任务规划、用户坐标系内 的轨迹插补等。 ( 2 ) 底层控制模块 底层控制模块主要是底层运动控制模块，其功能是将上层与设备无关的操 作，转变成对硬件的操作命令。例如将运动命令转化成对电机的操作，将控制 模式的选择转化成对p m a c 的对等命令等，这一层是硬件与软件的主接口。 ( 3 ) 研究液下搅拌机器人的智能控制算法 些智能控制方法可以提高机器人的速度及精度，但是也有其自身的局限 性，且直接应用于快速时变对象、非线性对象、多干涉扰动对象都有困难。因 此本文拟重点研究机器人的智能控制，提高机器人的可靠性，完善机器人的功 能。 1 4 液下搅拌机器人的体系结构 根据用浆液下搅拌机器人代替单纯机械式搅拌装置，机器人在结构上小巧、 第l 章绪论 灵活、能耗少，浆液搅拌均匀等的要求，该机器人的基本功能主要包括液下行 走、搅拌浆液、路径规划与控制等模块。 1 4 1 机械结构及原理 考虑到搅拌机器人的工作环境是平坦的，没有障碍物，其运动方式主要有圆 周运动以及原地掉头运动，要求转弯灵活，稳定性好，控制简单等特点，所设 计的轮式移动机器人装配模型如图1 1 所示。 l 、耙轮机构2 、驱动轮 3 、搅拌机构4 、从动轮 图1 1 液下搅拌机器人模型 前轮驱动的结构形式如图1 2 所示。 图1 2 前轮驱动的结构形式( m 一电动机：f g 一固定速比减速器) 两前轮为独立驱动轮，后面的万向轮为随动轮。两个伺服电机分别独立驱动 第1 章绪论 两个前轮，差速控制小车的运动方向，优点是机械结构简单，稳定性好。 14 2 搅拌机构 机器人的搅拌功能主要通过吸入和喷出浆液的方式造成浆液的流动状态来 实现。吸入装置可采用回转耙轮推送浆液从而保证喷浆机构入口的流速，形成 车体内外的压强差。回转耙轮的工作原理跟螺旋输送机的原理一样，即通过螺 旋转动实现浆液的输送。参考螺旋输送机型式，螺旋面型有实体面型、带式面 型、叶片面型等型式。实体面型螺旋适合输送干燥的、粘度小的小颗粒或粉状 物料；带式面型适于输送散粒物料和作搅拌用；叶片面型螺旋适于输送块状或 粘度中等的物料，可以作混合和搅拌作用。本项目采用带式面型。 采用轴流泵使浆液沿泵轴线方向自下而上流动，并以一定压头喷出，会产生 高效的搅拌浆液效果。轴流泵具有耗能小、效率高、流量大、高比转速、使用 维修方便的特点而被采用。轴流泵的主要构造为螺旋桨式叶轮，轮叶为流线型 弯翼，当泵轴带动叶轮高速回转时，弯形叶片对液体产生轴向推力，而使泵壳 内的液体不断回旋上升，从泵的出料口排出。 1 4 3 超声波定位模块 超声波导航定位通常是由超声波传感器的发射探头发射出超声波，超声波在 介质中传播到接收装置。通过接收自身发射的超声波反射信号，根据超声波发 出及回波接收时间差及传播速度，计算出传播距离，从而得到机器人在环境中 位置。图1 3 为小车定位传感器在罐中平面上的信号发射接收示意图，图中， 虚线为拟定的小车理想路径，t l t 6 为在罐壁四周均布的6 个接收探头，在小 车两侧壁各安装1 个发射探头。因为发射和接收的探头也有个接收角度的问题， 即每个发射或接收探头只能是发射或接收张角范围在6 0 。内的声波信号，即探 头t l 接收的范围为图中粗线表示的扇形区域( 直线1 一。5 ，1 i1 3 和1 31 1 s 所 围成的区域) ，其他探头接收范围与1 i 类似。经过计算，这样布置既能节省发 射和接收探头，又能满足收发功能布满整个区域。并且在每个位置都有2 个不 同的接收探头能收到信号，这样就可根据平面坐标的定位原理，得到每个时刻 的小车位置。 第1 章绪论 图1 3接收探头布置与辐射范围图 1 4 4 控制器总体方案 本机器人采用二级计算机控制系统，上位机采用工控机( i p c ) ，下位机采用 可编程多轴运动控制卡p m a c 。p m a c 具有实时性强、稳定性好、效率高等优 点，设计为下位机，用来与下层执行机构进行数据通讯。工控机i p c 具有运行 速度快、存储量大、应用灵活的优点，设计为上位机，在设计系统时充分了考 虑工控机和p m a c 的各自特点，充分发挥二者的优点，提高系统的整体性能。 本文所研究的液下搅拌机器人控制系统结构如图1 4 所示。 在实际应用中，用户通过上位机i p c 进行系统相关的数据输入、参数设定、 路径规划，任务指定等工作，然后与p m a c 通讯，再由p m a c 根据上位机的要 求发送指令给伺服驱动器，由伺服驱动器驱动伺服电机等执行机构执行相关指 令。p m a c 运动控制卡用于实现机器人的运动控制器。伺服电机和伺服驱动器 分别为日本安川e 1 1 系列交流伺服电机和驱动器，用于实现机器人的速度和位 置控制。 第1 章绪论 圈i 4 机器人控制系统结构图 控制系统的核心是美国d e l t a t a u 公司的p m a c 多轴运动控制器。该运动控 制器是目前世界上功能最强的运动控制器，p m a c 是目前开放式控制系统控制 器的突出代表”3 。它具有极强的灵活性，适合于现在应用的多种总线结构( p c 总 线、v m e 总线、s t d 总线、p c i 总线及p c i 0 4 总线) 、不同类型电机( 直流、交 流及步进电机) 、反馈元件( 增量式编码器、绝对式编码器、激光干涉仪) 以及指 令数据结构0 m a c 编程语言、g 代码及a u t o c a d 转换) ，可随时对p m a c 硬件 进行升级。 在p m a c 中，核心部件是d s p 5 6 0 0 0 1c p u 芯片和两块“用户门阵列”芯片 ( d s p g a t e ) 。d s p 5 6 0 0 0 1 运行速度是i o m i p s ，数据线宽度为2 4 位，累加 器为5 6 位，因此指令预取、2 4 位乘法、5 6 位加法、两个数据移动及地址指针 修改，可在一个指令循环中完成。在对伺服数据的处理能力、轴特性及输入信 号带宽方面，p m a c 控制器由于采用专门的模块化结构，编码输入的串行处理 速度是大多数控制器的i o 到1 5 倍，s u b a t ( s c r v ou i x l a t e b l o e k j a l g o d t h mt e r m 伺服更新觖执行速率胴服算法的项数) 是非d p s 控制器的几十倍：它还可以从 高分辨率编码器件接收低插补位的5 位并行数据；可得到3 2 0 m h a 的有效输入 带宽；其d a c 输出分辨率高达1 6 1 8 位；其轨迹算法功能大、灵活性高，不但 第1 章绪论 提供直线、圆弧、样条、p v t 插补功能，而且可由用户进行线性加减速和s 曲 线加减速的任意组合。 d e l t a t a u 公司提供的p m a c 的执行程序p e w i n 3 2 在主机上安装并运行可以 建立与p m a c 的通讯，完成运动程序，p l c 程序的下载，发出在线命令，i 变 量的设黄，p i d 调节，电机位黄、速度显示等功能”。 系统利用p m a c 的运动控制功能将交流伺服系统与p m a c 的通道相连以实 现电机转速信号的输出及光电编码器反馈信号的采集，以控制各轴的运动；利 用p a m c 卡加接口实现p l c 功能，包括检测行程限位、手动控制等。p m a c 执行实时任务，例如插补计算、伺服控制等，而工控机则处理用户接口和其它 执行功能”“。 1 4 5 机器人基本参数 基本数据： 机器人基本尺寸 1 5 4 2 x 8 3 8 x 4 1 6 机器人工作环境半径为2 0 5 0 米，高为2 0 米的水煤浆罐 速度：3 m s 5 m s 轮子直径：前轮3 0 0 m m 后轮2 3 0 m m 控制器p m a c 多轴运动控制器 伺服驱动安川z - 兀系列交流伺服电机、驱动器 所采用的伺服电机每转1 圈相应发出2 0 4 8 个脉冲； 左轮为x 轴 右轮为y 轴 跨度l = 8 3 8 1 4 6 机器人系统特点 一、硬件结构的开放性 ( 1 ) p m a c 适应多种硬件操作平台，可在i b m 及其兼容机上运行，在 w m 9 5 ，9 8 、w i n l 盯y 2 0 0 0 及l i n u x 下运行及开发，具有p c 、s t d 、v m e 、p c i 、 1 0 4 总线及串口脱机运行的功能，方便用户选用适合自己的主机”。同时，底层 的控制程序只针对p m a c ，所以同一控制软件可以在不同的硬件平台上运行。 ( 2 ) p m a c 适用于所有电动机，包括普通的交流电动机、直流电动机、交直 第1 章绪论 流伺服电动机、步进电动机、直线电动机、陶瓷电动机等，也适用于液压马达， 控制精度可达到5 r i m 。对不同电动机，p m a c 可提供相应的p w m 、p f m 、d a c 、 p u l s e + d i r 等控制信号。 ( 3 ) p m a c 可接收各种检测元件的反馈，包括测速发电机、旋转变压器、激 光干涉仪、并行数据、光电编码器、磁致伸缩位移传感器等。 ( 4 ) p m a c 的绝大部分地址向用户丌放，包括电动机的所有信息、坐标系的 所有信息及各种保护信息等。因此，系统的设计和选型灵活自如，不受局限， 可将各种先进的设计理念融入系统，而且同一系统可选用不同的电动机，接收 不同的反馈信息。 二、软件结构的开放性 ( 1 ) 支持各种高级语言p m a c 控制器提供1 6 位、3 2 位的d l l ，还有a c t i v e x 控件p t a l k ，用户可使用c + + 、v b 、v c 、d e l p h i 在w i n 9 5 9 8 小t 2 0 0 0 下开发 自己的人机界面接口。 ( 2 ) 机器人语言的真正开放p m a c 控制器不但在硬件上具备开放的特性， 而且支持用户调用现成的直线、圆弧、样条、p v t 三次曲线等插补模式，同时 支持标准的r s 2 7 4 代码，另外用户还可以自定义g 代码、m 代码、t 代码、d 代码、s 代码，实现以往的机器人语言所不能完成的功能。 ( 3 ) p l c 功能的全部开放p m a c 内置了p l c 功能，一般可将i o 扩展到1 0 2 4 入和1 0 2 4 出，可以编写6 4 个异步p l c 程序，对i o 的操作几乎是纯软件的工 作，通过类似于汇编语言的指针变量，可以让用户按位、字节进行控制。 ( 4 ) 可同其他相关软件接1 3p m a c 控制器虽然插在p c 的扩展槽中，但其对 轴的控制，对i o 的控制是控制器自身完成的。 1 5 本章小结 本章介绍了水煤浆生产，使用过程中的防止沉淀方式及其优缺点，及本文所 研究的液下搅拌机器人的体系结构主要包括机械结构及原理、搅拌机构和控制 器总体方案。 第2 章液卜搅拌机器人的运动轨迹跟踪 2 1前言 第2 章液下搅拌机器人的运动轨迹跟踪 移动机器人的运动规划问题是机器人领域研究的一个重点。一般来说，对 于移动机器人的运动规划可以分为三个子问题： 路径规划， 找到一条满足 系统所有约束的可行路径：轨迹生成，在给定路径的情况下，加入时间 因素以产生动态轨迹；轨迹跟踪，设计控制器使系统能够跟踪期望的轨迹。 在移动机器人相关技术的研究中，导航技术是其研究核心，导航是指移动 机器人通过传感器感知环境和自身状态，实现在有障碍物的环境中面向目标的 自主运动。它主要包括：环境信息的获取功能，环境信息理解和建模功能以 及实现自动导航的路径规划算法功能组成。其中环境信息的理解和建模功能是 核心。因此移动机器人导航系统研究就是针对所处环境选择相应的传感器，然 后根据传感器信息特征采用相应的环境模型，最后建立面向该环境模型的路径 规划控制算法。路径规划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，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力水平，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及灵活性”“。对于环境的感知 是自主移动机器人研究的关键技术之一。环境信息的描述是实现对机器人自主 式导航的算法基础。环境信息采集和建模描述的精确度应该以实现对机器人导 航的可靠性为依据。移动机器人有多种导航方式，根据环境信息的完整程度、 导航指示信号类型、导航地域等因素的不同，可以分为基于地标导航，基于视 觉导航，基于感知导航等。 机器人运动轨迹规划是机器人导航技术中的重要组成部分，是指按着一定的 法则搜索一条从起点到终点的安全最优行走路线，机器人运动轨迹规划是指根 据机器入操作任务需要( 如目标抓取、避开障碍、目标跟踪等) ，规划出在机器 人动力学约束、关节几何约束下的关节运动时间序列“”。它是机器人运动控制 中的一个重要内容，高层规划包括感知机器人工作环境，任务描述以及监控等， 底层规划包括路径规划，即寻求出机器人运动路径中的目标点( 取道点) 以及其 第2 章液下搅拌机器人的运动轨迹跟踪 对应的位形、速度、力矩参数的时间序列。 本文主要讨论移动小车的轨迹跟踪控制问题。 2 2 运动学方程 2 2 1 小车的运动学正问题 这就是小车的定位问题”，由机器人左右轮的运动速度”，【f ) 和v ，【f ) 确定 机器人的空间位姿( x c ( f ) ，虬( f ) ，口【f ) ) 。 本液下搅拌机器人是一个底盘为四轮的移动机器人，采用前轮驱动，后轮随 动的结构，两个前轮独立驱动，通过改变两个前车轮速度来实现不同半径的转 向甚至原位转向。这种轮式移动机器人结构简单，不需要专门的转向机构。在 o x y 坐标系中，运动模型如图2 1 所示。 图2 1 机器人的运动模型 图2 1 中n 砂为环境坐标系，l 是两轮间距。对于环境坐标系，机器人的运 动模型简化为： l 童o ( 0 - - v o ( o c o s ( o ) 允( ，) = k o ) s i n ( o ) 1 分0 ) - - 吼( ，) ( 2 1 ) 式中t ，j ，c 为机器人的质心在环境坐标系d 砂中的坐标，”c 是机器人的质心 的瞬时线速度，吼是机器人的质心的瞬时角速度，护( f ) 是，时刻机器人的角速度。 第2 章液卜搅拌机器人的运动轨迹跟踪 机器人在o x y 直角坐标系中的位置和方向可以表示如下 _ o ) = k ( r 。) + f v 。( r ) c o s 9 r 儿( ，) = 儿( ，o ) + f v 。( r ) s i n 口( 弦r ( 2 2 ) 口( ，) = 口( f 。) + f ! j r 二幽l d r 因此，知道了机器人的左右轮的辱动规律v ，v ，和”，v ) ，就可以唯一确定机 器人在空间的位姿( x c ( f ) ，y c ( f ) ，口o ) ) m 1 ”。机器人左右轮的运动速度v ，o ) 和”，i f j 是根据左右轴上的光电编码器测得的数据计算出来的。由图中几何关系 可以得到转弯角度与左右轮速度差的关系 卸= 曰( f 0 ) 一= 【丛掣d r ：，( f ) 一心，( ，) ) ( 2 3 ) l l 式中，鹕q ) 和墨( f ) 为两主动轮从b 时刻到f 时刻所走过的距离。 在实际行走过程中，机器人小车受各种条件影响可能偏离行走的轨迹。这时 就需要利用安装在机器人上的传感器进行实时检测、反馈，得到机器人小车实 际所在的位置，实时准确地确定小车的位姿。 2 2 2 小车的运动学逆问题 机器人的运动学逆问题就是小车的轨迹跟踪问题，即给定机器入的运动轨 迹，求解左右轮伺服系统的控制指令“”“。 给定机器人的运动轨迹，小车的运动速度可以表示为： v ( o - - 扛研聊尹 ( 2 4 ) 由于机器人的速度瞬心就是运动轨迹的曲率中心，因此可以得到机器人的控 制指令。 删。缈卜匀 汜。， 堋= 糍刭r l “ 第2 章液f 搅拌机器人的运动轨迹跟踪 其中， r o ) = + c 吖3 d2 y 7 出2 是在时刻t 的轨迹的曲率半径。因此在给定机器 人的运动速度和轨迹的曲率半径后，可以唯一地确定左右驱动轮的运动规律， 即控制指令：而且，为了使左右轮的驱动速度连续，机器人的轨迹曲率半径必 a y d 2 v ， 须连续。也就是说，轨迹的一阶导数出和二阶导数a x 2 都必须连续m ”。 2 3 机器人系统的轨迹跟踪控制 假设车轮相对于地面只做纯滚动而没有滑动，即每瞬时与地面接触点的速度 都等于零。左前轮电机的转速为阮，右前轮电机的转速为”r ，电机输出轴至车 轮轴的传动比都为k = 1 0 0 ，轮子的直径为d 。 则 于是求得： k ( ，) = t v l + v , = 瓦x d ，( 吩+ 怫) 吼( f ) = t v i - v , = 瓦x d ( 啊一_ ) ( 2 7 ) 以) 1 1 糟心丢( 等 式中p 2 三，( 剖为机器人的运动轨迹曲未耗 q。 生。 旦如 土吃 型 一如譬譬 第2 章液 搅拌机器人的运动轨迹跟踪 机器人车体的运动就只有下面三种情况成立： 1 当v r = h 时，机器人车体( 中心q ) 的线速度，v = v ，= v f ，角速度珂= 0 ， 转弯半径p 寸0 0 ，这时机器人车体做直线运动； 2 当v ，= 一v ，时，机器人车体( 中心0 c ) 的线速度v = o 。角速度玎= 一孕， 转弯半径户= 0 ，这时机器人车体绕其几何中心d 【转动，即机器人车体实现原地 转弯； 3 当_ v ，时，机器人车体( 中心d c ) 的线速度v = 旦：，角速度 刃= 半，转弯半径p = 三( 等 ，这时机器人车体围绕某一固定点。做 半径为p 的转动。 但在实际行走过程中，机器人小车除了受环境的影响外，还要受到从动轮的 影响，由于从动轮随动，所以其初始位置并不一定和两主动轮平行，因此从动 轮在运动过程中的不同姿态，也将直接影响机器人小车的运动轨迹。 2 4 轨迹跟踪控制算法设计 机器人控制的一般方案如下”： ( 1 ) 根据程序编译或机器人示教，可以获得运动路径各个区段的源点和目 标点的坐标。 ( 2 ) 通过轨迹规划器专用计算机软件，给出希望运动路径或轨迹的中间 点坐标m 川和每一点的速度值童，夕。 ( 3 ) 对于路径中的每一点 川，应用逆向运动方程决定相应的位姿。 建立机器人工作空间坐标系y x o y ( 如图2 1 ) 。机器人的运动轨迹用 x o y 中的方程( x ，y ，口) = o 表示，位置( x ，y ) 为机器人的几何中心在 肋】，中的坐标，姿态口，即其位姿为p = 【x ，y ，口r 埘绷1 。 理想状态：车体工作地为平整水平面，运动过程中车轮与地面间无相对运动， 车体的几何参数如轮径等保持不变。控制机器人以设定的速度u 沿轨迹 ( x ，y ，口) = 0 运动时，控制左、右驱动轮的运动速度v ，和v ，即可。 蔓! 童鎏笠塑堂垫鲨堕丝垫垫丝坚堡一一 定义以_ 【崎，咋】，。设在时刻己知机器人的u c ( i ) = v ( f ) ，v ，( f ) 7 和 p ( o = x ( 班y ( 嘎口( 明7 ，则在f ，+ ，时刻机器人p ( i + 1 ) 可表示为 p ( i + 1 ) = p ( f ) + 爿( f ) 虬( f ) ( 2 8 式中： a ( i ) = r c o s ( e ( i ) + a e ) 2 t s i n ( o ( i ) + h o ) 2 t c o s ( e ( i ) + , x e ) 2 t s i n ( o ( i ) + a o ) 2 一丁 一t l 口= r 掣，t 为控制周期。同时，u 。( f ) 应满足v 。= 掣。 可见，若无外界干扰，欲控制机器人在+ 。到达目标位姿p ( i + 1 ) ，根据机器人 在时刻的p ( i ) 控制虬( f ) 即可。控制乩( f ) 可转化为控制在t 内发给驱动 电机的脉冲数农( f ) = m ( f ) ，q k r ( i ) 7 。令 世： 至：墨 n m r 式中： ，埘和如。分别为电机转一转应发给电机的脉冲数和电机至驱动轮的 传动比，r 为驱动轮半径。则有u 4 j 1 = 2 k 晚( i ) t 。式( 2 8 ) 就转换为系统的控 制模型，即 p ( i + 1 ) = p ( f ) + 4 ( f ) 戎( f ) ( 2 - 9 ) 式中： 以为系统的运动控制量； 4 ( i ) = x e o s ( o ，( i ) + d o ) k s i n ( o , ( i ) + d o ) 2 丁，上 g c o s ( o , ( o + d o ) x s i n ( o , ( i ) + d o ) 2 丁，三 删= 掣 由于受各种干扰因素的影响及所建模型的误差，在运动过程中机器人的实 第2 章液下搅拌机器人的运动轨迹跟踪 际位姿见( f ) 与控制位姿p ( f ) 并不一致。即使在时刻有见( i ) = p ( i ) 成立 在f 。时刻，也不确定见( i ) p ( i ) 。若能确定n ( i + 1 ) 并对破( f + 1 ) 进行及时 修正，才有可能使机器人在+ ：时刻的且( i + 2 ) 与p ( f + 2 ) 逼近。设在h + 1 】时 间段内测得机器入的实际运动状态k = 屹( f ) ，铊 ( ( j ) 为机器人的运动的速 度， 纯( f ) ，为角速度) 年i t i 时刻的以( i ) ，可得麒( i + i ) 为 只( f + 1 ) = 且( f ) + b ( 吵k ( f ) ( 2 1 0 ) a ( i ) = s h ) + 丁v c o o ( i ) 。 叫螂掣 。 0丁 ( 2 1 1 ) 定义p ( i + 1 ) 与只( f + 1 ) 问的差异为机器人的位姿误差， e ( i + 1 ) = e x ( i + 1 ) ，勺( “1 ) , e o ( “1 ) 丁则 e ( i + i ) = p ( i + 1 ) - p ，( i + 1 ) ( 2 1 2 ) 调节珐( j ) 力争使车体在+ 。一内补偿误差量e ( f ) 以达到跟踪轨迹的目的。 2 5 本章小结 本章首先对移动机器人控制决策的内容和方法做了初步的讨论，然后在对现 有的轮式移动机器人的运动控制方法做了详实的研究分析基础上提出了液下搅 拌机器人轨迹跟踪控制方法。 第3 章基于模糊神经网络的机器人控制的研究 第3 章基于模糊神经网络的机器人控制的研究 3 1 前言 本课题的机器人控制所要解决的两个主要问题是：一是如何实现系统的稳 定性，即位置跟踪误差尽快地趋近于零；二是抑制干扰，即尽可能减小干扰信 号对跟踪精度的影响。如果能够得到机器人精确的动态数学模型，并且干扰信 号可测的，那么解决这两个问题并不是困难的事情。然而，实际问题中干扰并 不是可测的，有时甚至是未知的，这为机器人控制带来了诸多困难。 本液下搅拌机器人左右结构的不完全对称性、轮子与罐底的轻微滑动和非完 整约束，以及场上的各种干扰因素等，再考虑到其安装的滚耙和轴流泵工作时 也对机器人的影响，使得液下机器人是一个复杂的非线性系统，建立这样一个 系统的精确数学模型存在一定困难，从而需要控制算法具有较强的鲁棒性和抗 干扰能力。单纯用传统的p i d 控制器不能达到较好的控制效果，而模糊控制无需 建立精确的数学模型，具有较强的鲁棒性，可用于非线性、时变及时滞系统的 控制，是一种对模型要求不高但又有良好控制效果的控制新策略。神经网络具 有高度的自适应和自组织性，能够学习和适应严重不确定性系统的动态特性， 信息的并行处理方式使得快速进行大量运算成为可能。 为了提高机器人的控制精度，提高系统的鲁棒性。课题选用模糊逻辑控制和 神经网络控制相结合的混合算法对机器人实施控制。将神经网络结构引入到模 糊逻辑系统中构成模糊逻辑神经网络，不但可以利用神经网络的学习方法和结 构形式解决模糊逻辑系统确定隶属度函数、建立推理规则和实现推理的困难， 而且赋予神经网络以实际的物理意义，便于控制经验的加入阎。神经网络不易 表达控制知识，而这正是模糊逻辑的基本功能，神经网络的并行学习处理能力 正