（计算机应用技术专业论文）轮式移动机器人运动轨迹控制技术研究.pdf

摘要 摘要 随着科学技术的不断发展，机器人将越来越多地被应用于工业、农业、国防、 科学实验及服务业等人类社会的各个方面，其中移动机器人就是机器人学的一个 重要的分支，由于它本身具有一个更大的灵活性已经成为目前机器人技术研究的 一个热点。 移动机器人是一种集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多项功 能于一体的智能化机器人系统，其研究涉及传感器技术、人工智能、自动控制、 机械学等多学科理论与技术，体现了信息科学和人工智能技术的最新成果，应用 领域不断扩大，具有重要研究价值。其中，轮式移动机器人占有较大的市场分额， 它的应用前景十分广阔。 本文主要负责轮式移动机器人的运动轨迹控制部分的研究，一方面从理论上 进行深入研究，并在相关的硬件资源及软件方面做出详细设计；另一方面着重于 相关实验研究，将设计好的软件程序通过接口下载到移动机器人中，进行脱机实 时控制演示，通过仔细观察实验现象不断调节各相关参数，经过不断的实验操作， 目前已经基本上达到比较好的控制效果，从而使移动机器人能够及时地、有效地、 平稳地、安全地避开障碍物，移动机器人达到了行进时的平稳及其运动时轨迹的 圆滑的要求。 本文所做工作如下： 1 ) 针对传统p i d 方法控制轮式移动机器人运动轨迹方面的不足，提出了用模糊 逻辑方法来控制移动机器人的运动轨迹。首先，建立了轮式移动机器人的运动学 模型和动力学模型，然后根据移动机器人的运动学模型和动力学模型，建立了移 动机器人的运动控制模型，用模糊控制的方法对移动机器人进行了分析，设计了 移动机器人的模糊控制器，对移动机器人的运动轨迹控制进行了模拟仿真，实验 结果表明该控制器可以降低参数整定的难度，提高轨迹控制的精度； 2 ) 对1 2 c 总线技术进行了研究，分析了1 2 c 总线的时序信号和数据通讯的实现 过程，通过1 2 c 总线，编程实现了a r m 和p i c 之间的数据通讯； 3 ) 进行了p i c 单片机控制板的设计与制作，通过对p i c 单片机控制板的硬件设 广东工业人学丁二学硕上学位论文 计和软件编程，实现了p i c 单片机对移动机器人左右轮电机的控制，从而对轮式移 动机器人的运动轨迹进行控制，在轮式移动机器人的运动过程中，通过时间片的 划分，对它的运动轨迹进行修正。 本文主要创新点如下： 1 ) 用模糊逻辑方法来控制移动机器人的运动轨迹； 2 ) 通过1 2 c 总线，实现a r m 和p i c 之间的数据通讯； 3 ) 通过时间片的划分，对移动机器人的运动轨迹进行修正。 关键字：移动机器人；运动轨迹；p i c 单片机；1 2 c 总线；模糊控制 i i a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h es c i e n c ea n dt h et e c h n i c a lp r o g r e s s ，t h er o b o tw i l lb e m o r ea n dm o r ea p p l i e dt ot h ea l lk i n d so fh u m a ns o c i a la p p l i c a t i o na r e a ，s u c ha s i n d u s t r y ，a g r i c u l t u r e ，d e p a r t m e n to fd e f e n s e ， s c i e n t i f i ce x p e r i m e n ta n ds e r v i c e p r o f e s s i o n ，t h em o b i l er o b o ti st h em o s te m b r a n c h m e n tf o rt h er o b o t i c s a tt h es a m e t i m e ， b e c a u s eo ft h em o r ef l e x i b i l i t y ，t h em o b i l er o b o th a sb e e nai n v e s t i g a t i v e e m p h a s i s t h em o b i l er o b o ti sai n t e l l e c t u a l i z e dm a c h i n e s y s t e m t h a ti sw i t ht h e p e r c e p t i b i l i t yo fe n v i r o n m e n t ，d y n a m i cd e c i s i o n m a k i n ga n dt h ep l a n n i n g ，b e h a v i o r c o n t r o l l i n ga n de x e c u t i n g i t sr e s e a r c hi sc o n c e r n e dw i t hm u l t i d i s c i p l i n a r yt h e o r ya n d t e c h n i q u e ，s u c ha st h es e n s o rt e c h n i q u e ，a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，a u t o m a t i cc o n t r o l ， m e c h a n o l o g y ，w h i c hc a ne m b o d yt h eu p t o d a t e a c h i e v e m e n t ，t h ee x p a n s i o no f a p p l i c a t i o na r e a ，b e i n gp o s s e s s e do fi n p o r t m a n tv a l u e a n d ，t h ew h e e l e dm o t i o nr o b o t h o l d st h eb i gm a r k e tt od i v i d et h ev o l u m e ，i t sa p p l i c a t i o np r o s p e c ti sv e r yb r o a d t h i sp a p e ri s m a i n l yr e s p o n s i b l ef o rt h eo p e r a t i o no fw h e e l e dm o b i l er o b o t t r a je c t o r yc o n t r o lp a r to ft h es t u d y ，o n ea s p e c t ，t h ea u t h o rc a r r y so u td e e p g o i n gt h e o r y s t u d y ，d o i n gi n t e r r e l a t e dd e s i g ni nt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ep r o g r a m m i n g ；a n o t h e r a s p e c t ，t h ea u t h o rd o e sal o to fe x p e r i m e n t a ls t u d i e s ，d o i n gt h eo f f - l i n i n gr e a l t i m e c o n t r 0 1 t h r o u g h t h ec a r e f u lo b s e r v a t i o n ，t h ea u t h o rm o d i f y i n t e r r e l a t e d p a r a m e t e r s b a s e do nt h ee x p e r i m e n t ，t h eo b s t a c l ea v o i d a n c ea c t i o nh a sb e e na c q u i r e d i d e a lc o n t r o le f f e c t ，m a k i n gt h em o b i l er o b o tc o u l di nt i m e ，e f f e c t i v e ，s t a b l ea n ds c u r e a v o i d i n gt h eo b s t a c l e ，h a sm e tt h er o b o tw h e e l e dm o t i o nr o b o tm a r c h e sf o r w a r d w h e n s t e a d ya n dw h e nt h em o v e m e n tp a t h ss m o o t hr e q u i r e m e n t s t h i sp a p e r sm a jo rs t u d yc o n t e n ti n c l u d e ： 1 ) i th a sb r o u g h tf o r w a r dt h em e t h o do fc o n t r o l l i n gt h em o v e dt r a je c t o r yo fw m r u s i n gf u z z yl o g i cb e c a u s eo fd e f i c i e n c yo ft h et r a d i t i o n a lp i dm e t h o dc o n t r o l l i n gt h e t r a j e c t o r yo fw m r f i r s t ，t h ep a p e rh a sb u i l tw m r sk i n e m a t i c sm o d e la n dd y n a m i c s m o d e lt h a tc a nb eu s e dt ob u i l dt h ew m r sm o t i o nc o n t r o lm o d e l ，a n da l s oa n a l y s i st h e i l l 广东工业人学工学硕一 ：学位论文 m o v e dr o b o tu s i n gt h em e t h o do ff u z z yc o n t r 0 1 d e s i g n st h ef u z z yc o n t r o ld e v i c eo f m o v e dr o b o ta n dd o e ss o m ee x p e r i m e n t st or e a l i z et h e mw h i c hi n d i c a t et h a tt h ec o n t r o l d e v i c ec a nt h ed i f f i c u l t yo fa d ju s t i n gp a r a m e t e ra n di m p r o v et h e a c c u r a c y t h a t t r a je c t o r yc o n t r o l s 2 ) s t u d i e st h e1 2 ct e c h n o l o g ya n da n a l y s i st h er e a l i z e dp r o c e s so f1 2 c s t i m e s e q u e n c es i g n a l a n dd a t a c o m m u n i c a t i o n p r o g r a m s t or e a l i z et h ed a t a c o m m u n i c a t i o nb e t w e e na r ma n dp i ct h r o u g h1 2 c 3 ) d e s i g na n df a b r i c a t et h ep i cm o n o l i t h i cm a c h i n ec o n t r o lp a n e l h a v er e a l i z e d t h ep i cm o n o l i t h i cm a c h i n ec o n t r o l l i n gt or e t i n u ew h e e le l e c t r i cm o t o ro fm o v e dr o b o t b yt h eh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ep r o g r a m m i n gt op i cm o n o l i t h i cm a c h i n ec o n t r o l p a n e l ，t h e r e f o r ec o n t r o l st h et r a j e c t o r yo fm o v e dr o b o t a m e n d m e n tt h em o t i o n t r a je c t o r yo fm o v e dr o b o tt h r o u g ht h ed i v i s i o no ft i m ei nt h ep r o c e s so fw m r s m o v i n g t h ei n n o v a t i v eo ft h ep a p e r ： c o n t r o l st h em o t i o nt r a je c t o r yo fm o v e dr o b o t u s i n gt h em e t h o do ff u z z yl o g i c 2 ) r e a l i z e st h ed a t ac o m m u n i c a t i o nb e t w e e na r ma n dp i ct h r o u g h1 2 c 3 ) a m e n d m e n tt h em o t i o nt r a j e c t o r yo fm o v e dr o b o tt h r o u g ht h ed i v i s i o no ft i m e k e yw o r d s ：m o b i l er o b o t ；m o v e m e n tp a t h ；p i c ；1 2 cb u s ；f u z z yc o n t r o l i v 广东工业大学- 丁学硕士学位论文 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是 我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知， 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经发表 或撰写过的研究成果，不包含本人或其他用途使用过的成果。与我一同 工作的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。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取 得的，论文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此 声明。 5 2 指导教师签字：、张 论文作者签字：劫簪 沙、咫年月1 日 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 机器人作为人类2 0 世纪最伟大的发明之一，在短短的4 0 年内发生了日新月异 的变化，近几年，机器人已成为高技术领域内具有代表性的战略目标。机器人技 术的出现和发展，不但使传统的工业生产面貌发生根本性的变化，而且将对人类 的社会生活产生深远的影响【2 】。特别是作为高级形态的智能机器人不仅已经成为先 进制造业不可缺少的自动化装备，而且正以惊人的速度在海洋、航空、军事、农 业、服务、娱乐等各个领域内扩张渗透【3 】。 移动机器人【4 】m r ( m o b i l er o b o t ) 是一种可以移动的具有一定智能的自主或者 半自主工作的机器人，它可以在规定的工作场所去完成人们事先为其规划好的工 作任务，它是机器人学中的一个重要的分支。它可根据预先给定的任务，按照已 知地图进行目标规划，在行进过程中不断感知周围环境的信息，实时地进行避障、 停车及道路跟踪，沿着正确的路径前进。根据移动机构的不同类型，可以分为轮 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 ) 、履带式移动机器人( p e d r a i l e dm o b i l e r o b o t ，p m r ) 和步足移动机器人( l e g g e dm o b i l er o b o t ，l m r ) 等；根据工作的环境 不同，可以分为陆地移动机器人、水下移动机器人和空中移动机器人；根据智能 化程度的不同，又可以分为自主移动机器人、半自主移动机器人和人工遥控移动 机器人。目前投入实用的大部分是半自主移动机器人，它本身具有一定的感知能 力和判断能力，但是也不能完全脱离人的管理和干预，遥控机器人则完全是在人 的遥控操作下来完成预定的工作任务。目前大部分的全自主移动机器人还处于实 验室的研究阶段，只有少部分投入了使用，其中的很多关键技术还有待于进一步 的研究和开发【5 】。 移动机器人的研究和开发在最近的十多年间有了很大的发展，之所以得到快 速的发展，是因为其有着广阔的应用前景，在诸如制造系统、服务行业、国防及 其它社会生活方面都有使用要求t 们。目前使用的比较成功的是在自动化生产系统中 广东工业大学工学硕士学位论文 的物料搬运，用来完成在各个工位之间及生产线和仓库之间工件及工具的传输， 由于移动机器人在工作空间上具有很大的灵活性，从而可以提高自动化生产线的 “柔性”和自动化程度。另外在太空探索和海洋开发中，也广泛地使用了移动机 器人，从6 0 年代开始，美国的m i t 着手研究探索火星的移动机器人，以便在火星上 进行登陆研究。移动机器人在海洋方面的使用包括资源调查、石油矿藏开采和沉 船打捞等，同时移动机器人还被用来进行隧道的掘进、军事探测、爆炸和危险物 的排除，特别是放射性的危险环境中，移动机器人具有其独特的优势，它可以使 操作人员远离危险的现场。目前，服务机器人方面也有一定的研究及少量的使用， 主要涉及的行业有：医疗康复、公益事业、环保、农业、旅馆及餐饮、建筑、安 全、防辐射、交通运输、家政服务和文化娱乐等【7 】。 由于存在着巨大的应用前景，所以移动机器人应用技术的研究成了机器人研 究领域中一个热点，许多新的理论和新的方法不断出现，特别是在传感器的信号 检测技术及计算机自动控制技术的推动下，使移动机器人的智能化水平不断提高。 1 2 移动机器人的研究现状 移动机器人是一个集环境感知、动态规划与决策、行为控制与执行等多种功 能于一体的综合系统【8 】。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。 移动机器人的研究工作始于2 0 世纪6 0 年代，从那时候开始，许多国家的研究 机构对移动机器人进行了大量的研究和开发，1 9 6 2 年，美国俄亥俄( o h i o ) ：j 、h 立大学 开始了车辆自动驾驶技术的相关研究，同时，麻省理工学院( m i t ) 、斯坦福研究所 ( s t a n f o r dr e s e a r c hi n s t i t u t e ) 以及英国的p a t h ( p r o g r a mo na d v a n c e dt e c h n o l o g yf o r t h eh i g h w a y ) 实验室、日本的m i t i 机械工程实验室等都对这一课题进行了研究，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【9 】。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， 2 第一章绪论 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。 移动机器人有多种移动机构形式，不同的结构形式适合不同的工作环境和场 所，在不平整的地面上运动时，一般采用步足式移动机构；履带移动机构适合于 有障碍物的倾斜地面；轮式移动机器人可以在比较平坦、粗糙度较小地面工作。 从目前的使用情况来看，轮式移动机器人占了绝大部分，可以满足大部分情况下 的使用要求，据相关统计资料显示，在l9 个国家的11 2 个机构己经公布的2 2 8 种移 动机器人中，有10 7 种机器人是轮式移动机器人，在移动机器人的研究机构中，比 较著名的：s t a n f o r d 、c m u r o v e r ，前者主要针对在各种特殊环境下的感知研究， 而后者是对视控制的导航研究。另外还有日本的t s u k u b a 大学( 筑波大学) 的 m e l d o g ，法国l a a s 实验室的h i l a r e ，德国的k a r l s r u h e 大学( 卡尔斯鲁厄大学) i p r 研究所开发的k a m r o 等在移动机器人的研究方面都是处在比较领先的地位。在国 内，北京理工大学( 自动驾驶车辆) 、上海交通大学( 机器人装配实验平台) 、沈阳自 动化研究所( 水下机器人实验平台) 、哈尔滨工业大学和国防科技大学( 步行机器人 实验平台) 等单位，都在移动机器人方面开展了研究，并取得了一定的研究成果 1 0 1 。 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 的移动机 器人s r 4 ；欧洲的c a r s e n s e ；卡内基梅隆大学研发的n a v l a b 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1 1 1 。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等各个方面都取得了显 著成绩。为了跟踪国外高技术，8 0 年代国家高新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。其中，轮式移动机器人的研究也是硕果累累。 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c a s i a i 自主移动机器人的中科院自 动化所；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d 2 。 当前，轮式移动机器人技术的研究与发展的趋势包括有：机器入机构、导航 和定位、路径规划、传感器信息融合技术、智能技术、移动机器人运动轨迹控制 技术等研究。 1 广东工业大学工学硕上学位论文 1 3 本课题的主要研究内容 本课题主要研究了轮式移动机器人的运动轨迹控制技术，并对轮式移动机器 人其它的方面进行了设计和完善，主要包括以下凡个方面： 1 用模糊控制方法对移动小车的运动进行研究 分析了移动小车的运动学和动力学模型，通过用模糊控制的方法来对移动小 车进行控制，经实验仿真，表明控制方法有效。 2 。p i c 单片机中的1 2 c 接瑟技术研究 通过p i c l 6 f 8 7 3 a 的1 2 c 接口，将a r m 板和p i c 板连接起来，实现两者的数 据传输。 3 移动小车运动轨迹控制技术的研究与实现 对移动小车行走中的直线、圆弧和转弯控制进行了分析和研究，透过硬件设 计和软件编程，实现了预期的要求和目的，对它们进行了模拟仿真。 1 4 本文研究的课题来源及预期目标 1 4 1 课题来源 本文的课题来源为：基于在线学习进化的未知环境行为皇适痰系统研究及应用 ( 广东省自然科学基金n o 0 5 0 0 1 8 0 1 ) 。 1 。4 2 预期国标 1 用模糊控制的方法对移动小车的运动轨迹进行控制及仿真； 2 通过1 2 c 接e t 使a r m 核心板和p i c 单片概板进行数据通讯； 3 通过硬件设计和软件编程来实现轮式移动机器人能够前后左右的运行，控 制移动机器入遴障过程中的运动轨迹，使其能够平稳地按上层决策系统的指示进 行运动，并力求保证轨迹的平滑性。 4 第二章轮式移动机器人轨迹控制方法 第二章轮式移动机器人轨迹控制方法 轮式移动机器人轨迹控制在移动机器人领域是一个很重要的研究方向，它有 很多实际用途，比如工业机器人在工作场所里按预定路线运送物料，焊接机器人 的焊缝跟踪，自主移动机器人的轨迹跟踪等。 传统的移动机器人运动控制常采用p i d 控制器，也就是根据系统的误差，利 用比例、积分、微分计算出控制量进行控制。它将机器人的航向角误差和误差变 化率作为控制器的输入，控制器的输出作为机器人的驾驶角。而在实际的系统中， 机器人的航向角还与其速度、转动惯量、重心位置、前后轮侧偏系数、驱动轮直 径和摩擦力的差别、实际道路情况等诸多变化的且难确定的因素有关，这就使p i d 控制器的参数的全局整定极为困难，在小角度转弯实验中整定的系数在大角度转 弯实验中就变得不适用，反之亦然【1 3 】。 本文针对上述问题，采用了模糊控制的方法来控制移动机器人的运动轨迹。 实验结果表明这种控制器可以降低参数整定的难度，提高轨迹控制的精度，利用 模糊控制器可以提高系统的鲁棒性、适应性和快速性。实验仿真结果表明了所用 方法的有效性。 2 1 轮式移动机器人的动力学模型 机器人动力学是研究机器人运动与关节驱动力( 力矩) 间的动态关系。描述这种 动态关系的微分方程称为机器人动力学模型】。轮式移动机器人的移动机构可以是 两轮、三轮、四轮、六轮等等形式。但是，不管机器人的运动机构是几个轮子的， 其运动学方程都可以写成统一的形式【1 5 ，】： 口= g l ( q ) u lt9 2 ( g ) “2 + + g 聊( q ) u 朋( 2 1 ) g 为n 维广义坐标变量：“，为控制变量( , 2m ) ；g ，( g ) ( 1 f m ) 为特定的矢量域， 相对于q 可以看成是一个基，构成j ( q ) 的零空间，而矩阵d ( q ) 构成约束： j ( q ) o = 0 ( 2 2 ) 如果假定由g 。( g ) ，g 。( q ) 的可控矩阵的秩为刀，则上述约束不可积，从而使得 s 广东t 业大学工学硕十学位论文 运动学方程( 2 1 ) 所表达的是完全非完整约束的系统。 轮式移动机器人的动力学方程一般借助l a g r a n g i a 刀方程要罢一兰：f 挺o qo q 来推导，其中三= k v ，k ，v 分别为系统动能和势能，f 是系统广义外力，动力 学方程也可表达为统一的形式： m ( g ) 百+ c ( q ，毒) + f ( 雪) + g ( g ) + 丁d = e ( g ) + ，。( g ) 允 ( 2 3 ) 其中m ( q ) 为对称、有界、正定的惯性矩阵，c ( q ，香) 是与位置和速度有关的离 心力矩阵和哥氏力矩阵，f ( 口) 和g ( q ) 分别是与速度和位置有关的动静摩擦项和重 力项，乃是有界位置扰动，e ( q ) 是输入系数矩阵，j ( q ) 和旯分别是j a c o b i a n 矩阵和 约束力。 2 2 轮式移动机器人的运动学模型 轮式移动机器人运动学问题是编制机器人运动控制系统软件所必备的知识 m 】。通过对轮式移动机器人建立运动学模型来分析它的运动轨迹，从而编制其运动 轨迹控制软件。本实验中的轮式移动机器人模型如图2 1 所示】： 图2 1 轮式移动机器人运动学模型 f i g u r e2 - 1k i n e m a t i cm o d e lo fw m r 图2 1 中，在全局坐标系( o ，x ，y ) 中，轮式移动机器人的位置可由向量 p 。= ( x 。y 。眈) ，表示，( x 。y 。) 为点m 的坐标，配为沿x 轴逆时针得到的移动机器人运 6 第二章轮式移动机器人轨迹控制方法 q 。= ( v 。吐) 7 ，则移动机器人的运动学方程可由以下方程表示： 只料舯 亿4 ， 2 3 轮式移动机器人的运动控制模型 轮式移动机器人的运动控制就是通过调节机器人运动速度和运动方向，使机 器人沿期望的轨迹运动1 1 9 。轮式移动机器人的控制根据控制目标的不同，可归纳为 三个基本问题：轨迹跟踪，路径跟踪和点镇定。轨迹跟踪和路径跟踪是移动机器 人运动控制中的跟踪控制问题，路径跟踪就是在全局坐标系中，移动机器人从一 个给定的初始状态出发，到达和跟踪一条理想的几何路径【：o 】。移动机器人的初始点 可以在这条路径上，也可以不在路径上。轨迹跟踪是跟踪一条理想轨迹，这条轨 迹是和时间有关的几何路径 2 q 。将移动机器人轨迹跟踪问题描述成：要求移动机器 人参考点的位置跟踪一条随时间变化的曲线，也可认为移动机器人跟踪一个移动 的参考机器人。当要求移动机器人必须在一个特定的时间内到达一个特定的点时， 轨迹跟踪控制是必需的；而当要求移动机器人以一个期望的速度跟踪一条由几何 参数给出的路径时，路径跟踪控制是合适的。点镇定指的是移动机器人从一个给 定的初始状态到达一个理想的目标状态，并稳定在给定目标点上，也即移动机器 人状态空间( 平衡) 点的稳定问题。上述三个基本控制问题主要是底层的运动控制也 就是本文要研究的部分【2 2 瑚】。 下面给出了几种施加控制量的方法【：】。不失一般性，假设机器人在水平面运 动并且车轮不会发生形变。移动机器人两边固定的驱动轮由单独的驱动器分别驱 动控制，假定车轮与地面接触点速度在垂直于车轮平面内的分量为零，驱动轮与 地面“只能转动而不能滑动”，满足无滑动条件。 如图2 一l 所示，在全局坐标系( d ，x ，y ) 中，移动机器人的位置可由向量 p c = ( k y 。眈) 7 表示，g 。y 。) 为点m 的坐标，见为沿x 轴逆时针得到的机器运动方 7 广东t 业火学t 学硕上学位论文 向。移动机器人的运动由移动机器人的线速度1 ，。和角速度敛来表示。设g 。= ( v 。纹) r e = 差 = ( ) = 皿 c 2 5 ， ，为雅可比矩阵。假设存在参考移动机器人由向量只= ( x ，y ，印) 丁表示，( x r y ，) 为 标系( m ，i ，) 中，移动机器人运动的误差矢量p 。= ( x 。y 。o c ) 丁可表示为： e = l x 荔l 一，l e o s o c 丸s i n s o 眈。；ll x r - - x cl 。 力= 月。c e 一，。 y ，c 2 6 ， 丘料瞄o ) c y c - - v c + ，咖v rc 见o s p 亿7 ， 始误差下，确定移动机器人的输入控制，。，q ，从而跟踪参考位置e = ( x ，y ，只) ，和参 考输入q ，= ( v ，缈，) r 使得( x 。y 。o c ) r 有界和；i m l | ( x 。y 。眈) ri i = 0 。 控制变量转换为u = 【，l ，1 ，月 r 。叱、v 只分别是轮式移动机器人左右轮的线速度，而c o l 、 8 第二章轮式移动机器人轨迹控制方法 资料中的移动机器人轨迹跟踪都是采用u = 【v ，c o 7 1 来作为机器人的输入量，只是在 反馈控制律的设计方法上有所不同。本文中采用移动机器人的左右轮转动速度 材= 【v lv 月】7 1 来作为控制量。 在实际应用中，会存在如车轮半径和两车轮间距离等的测量误差，同时移动 机器人在运动过程中也会发生变形以及其它的不确定因素。所以，实际系统的模 型与上述两式的理想模型之间还存在着一些误差，这些有待在进一步的工作中进 行更多的研究。 2 ) 力矩控制 运动学模型适用于某些控制目的，但是有些系统往往要用到系统的动力学方 程。基于移动机器人动力学方程的力矩控制是通过改变机器人的力矩来对移动机 器人进行控制。 系统的动力学方程为： m ( g ) 亘+ c ( q ，o ) o + f ( 香) + g ( g ) + f d = e ( q ) + j 7 ( g ) 旯 ( 2 8 ) 方程可以写成： 口= g ( q ) u ( 2 。9 ) 上式两边分别微分可得： 口= g ( q ) a + g ( o ) u( 2 1 0 ) 根据参考文献 2 s 】，可以推导得出t 巨f = m 1 矗+ c 1 u + f ( 2 11 ) 其中：m l = g r m g ，c 1 = g r 缮+ g r c 窖，f = g r ( g + f d ) ，e 1 = g r e ，g r d r = 0 上式表示f 与“之间的关系。通过控制移动机器人系统的广义外力f ，根据上 式即可以得出系统的控制量u 。根据移动机器人的控制目的计算不同的控制量u ， 将移动机器人系统的非线性模型线性化后，利用线性控制系统的设计理论和设计 思想来设计反馈控制器，便可以实现移动机器人的运动控制，从而也就实现了通 过改变力矩来对移动机器人位置的控制。 2 4 轮式移动机器人运动的模糊控制方法 2 4 1 模糊控制的基本思想 经典控制理论经过人们长期研究和实践，对于解决线性定常系统的控制问题 9 广东工业大学工学硕士学位论文 是很有效的。然而，经典控制理论对于非线性时变系统难以凑效。随着计算机的 发展和应用，自动控制理论和技术获得了飞跃的发展。模糊控制思想就是一个非 常重要的部分，美国加利福尼亚大学的自动控制理论专家l a z a d e h 教授率先提出 模糊集理论，1 9 6 5 年他在i n f o r m a t i o n & c o n r t o l 杂志上发表了“f u z z ys e t ”一文， 首先提出了模糊集合的概念，用模糊集合来描述模糊事物】。这种方法很快被广大 的学者所接受，模糊数学及其应用得到了快速的发展。19 7 4 年，英国伦敦大学教 授e h m a m d a n i 首先将模糊理论用于工业控制，取得了良好的效果【，们。相对于传 统的控制方法较难精确地控制机器人的跟踪轨迹而言，模糊控制就具有较强的优 势，因为它可以利用人类的专家控制经验来弥补机器人动态特性中的非线性和不 确定因素，不依赖对象的数学模型，具有较强的鲁棒性，对于解决线性或非线性、 定常或时变的多输入多输出系统问题，有较好帮助，从而获得了广泛的应用【3 。 2 4 2 模糊控制器的组成和设计方法 模糊控制器的基本结构框图如图2 2 所示。它由输入量模糊化接口、规则库、 推理算法和输出去模糊接口四个部分组成1 3 2 】。 输入 规则库模糊控制器 模糊化接口h 去模糊化接口h推理算法 输出 图2 2 模糊控制器的基本结构框图 f i g u r e2 - 2f u z z yc o n t r o l l e rd i a g r a mo ft h eb a s i cs t r u c t u r e 一般地，模糊控制器的设计步骤包括以下几点：( 1 ) 模糊控制器的输入和输出 变量的模糊化；( 2 ) 设计模糊控制器的控制规则；( 3 ) 确定模糊推理和去模糊化的方 法；( 4 ) 选择模糊控制器的输入变量及输出变量的论域，并确定模糊控制器的参数 ( 如量化因子、比例因子等) f 3 3 】。此处就不多作说明了。 2 4 3 移动机器人运动轨迹的模糊控制系统 本实验中的移动机器人的运动轨迹控制是通过调节两轮的驱动速度来满足目 标点的位置要求。它的控制系统框图如下图2 3 所示。 l o 第二章轮式移动机器人轨迹控制方泫 图2 3 控制系统框图 f i g u r e2 3c o n t r o ls y s t e md i a g r a m 在上图中，模糊控制器控制驱动轮，输入为期望位置，输出为车轮的实际速 度，经变换后变为实际位置。k l ，k 2 为比例因子，将模糊控制器的输出论域转换 为实际的输出论域，转换后分别得到左右轮的控制速度。这样就确定模糊控制器 的输入和输出变量。 2 5 本章小结 本章主要介绍了轮式移动机器人轨迹跟踪控制中所涉及到的一些基本的理论 知识，建立了移动机器人的动力学和运动学模型以及移动机器人的运动控制模型。 探讨了移动机器人运动轨迹的模糊控制方法。 广东工业人学工学硕十学位论文 第三章p lc 16 f 8 7 3 a 单片机相关技术与资源 3 1 嵌入式软件开发简介 与p c 平台的程序开发不同，嵌入式系统的程序设计有其自身的特点，不同的 系统，不同的人都会有各自不同的方法，但是通常可遵循以下的开发流程： ( 1 ) 分析项目需求：首先对客户需求进行调查，根据项目的要求，划 分功能模块，合理设计软件的总体结构。 ( 2 ) 优化系统资源：嵌入式系统资源，如f l a s h 、e e p r o m 、s d r a m 、 中断控制等，都是非常有限的，如果能优化系统资源，则可较好地发挥系统功能， 提高系统的性能。 ( 3 ) 代码优化：根据软件的总体结构编写程序，使各功能程序模块化， 优化代码以节省存储空间并减少程序执行时间。相对而言，嵌入式系统由于显示 输出能力较弱，对其测试比一般的p c 程序复杂。 系统程序设计是嵌入式系统设计一个非常重要的方面，程序的质量直接影响 整个系统功能的实现，好的程序设计可以克服系统硬件设计的不足，提高应用系 统的性能，反之，会使整个应用系统无法正常工作。 嵌入式系统是为特定场合开发的系统，其开发过程及开发环境与p c 系统开发 有着显著的不同。特别是要求对硬件环境要比较熟悉，现在硬件供应商都提供相 关设备的资料和技术支持，有的还提供集成开发环境，在开发过程中应充分利用， 特别是相关硬件的功能参数是进行软件设计时不可或缺的资料。 3 2 用c 开发plc 单片机的特点和优点 用c 语言来开发单片机系统软件最大的好处是编写代码效率高、软件调试直 观、维护升级方便、代码的重复利用率高、便于跨平台的代码移植等等】。 它的主要优点体现如下：可以大幅度地加快开发进度，特别是一些需要复杂 计算的单片机系统，程序量越大，用c 语言开发就越有优势；无需精通单片机的 1 2 第三章p i c l 6 f 8 7 3 a 单片机相关技术与资源 指令集和具体的硬件结构，只要有一定的了解就能够编写具有较高专业水平的单 片机程序；可以实现软件的结构化编程，便于集体开发和分工合作；用c 语言编 写的源程序具有逻辑结构清晰、条理性强、可读性和可维护性好的特点，从而可 以提高整个系统的可靠性；可省去人工分配单片机资源的工作，从而可以有效避 免人工分配单片机资源的差错；可移植性好，当需要移植到不同型号的单片机中 时，只要对一些硬件的语句作些适当修改即可。故，用c 语言进行的p i c 系列单 片机的程序开发与使用汇编语言相比具有很多优点。 在单片机上用c 语言写程序和在p c 机上写程序不能简单等同。现在的p c 机资源十分丰富，运算能力强大，因此程序员在写p c 机的应用程序时几乎不用 关心编译后的可执行代码在运行过程中需要占用多少系统资源，也基本不用担心 运行效率有多高。写单片机的c 程序最关键的一点是单片机内的资源非常有限， 控制的实时性要求又很高，因此，如果没有对单片机体系结构和硬件资源作详尽 的了解，是无法写出高质量实用的c 语言程序。 3 3plc c 编译器 m i c r o c h i p 公司自己没有针对中低档系列p i c 单片机的c 语言编译，但很多 专业的第三方公司有众多支持p i c 单片机的c 语言编译器提供，常见的有 h i t e c h 、c c s 、i a r 、b y t e c r a f l 等公司。本系统中用到的是h i t e c h 公司的p i c c 编译器，它稳定可靠，编译生成的代码效率高，在用p i c 单片机进行系统设计和 开发的工程师群体中得到广泛认可0 5 。 p i c c 和应用于p c 机上的标准a n s ic 有极大的相同之处，但是，考虑到p i c c 是应用于单片机，故它有其自己的一些独特之处，p i c c 与标准a n s ic 的区别主 要在于函数的递归调用，这是因为p i c 受到硬件的限制，内存数量有限等诸多原 因，所以不支持函数递归调用，我们在使用时候应该加以注意。 p i c 单片机中的堆栈是硬件实现的，其深度己随芯片而固定，无法实现需要 大量堆栈操作的递归算法；另外在p i c 单片机中实现软件堆栈的效率也不是很高， 为此，p i c c 编译器采用一种叫做“静态覆盖”的技术以实现对c 语言函数中的 局部变量分配固定的地址空间，经这样处理后产生出的机器代码效率很高。 基于p i c c 编译环境编写p i c 单片机程序的基本方式和标准c 程序类似，它 1 3 的基本框架一般由以下几个主要部分组成： 1 、在程序的最前面用# i n c l u d e 预处理指令引用包含头文件，其中必须包含一 个编译器提供的“p i c h 文件，实现单片机内特殊寄存器和其它特殊符号的声明； 2 、用“c o n f i g ”预处理指令定义芯片的配置位； 3 、声明本模块内被调用的所有函数的类型，p i c c 将对所调用的函数进行严 格的类型匹配检查； 4 、全局变量或符号替换； 5 、函数( 子程序) ，特别注意m a i n 函数必须是一个没有返回的死循环。 下面的为一个p i c c 原程序的框架范例。 # i n c l u d e 包含单片机内部资源预定义 # i n c l u d e “p c 6 8 h ”包含自定义头文件 定义芯片工作时的配置位 一c o n f i g ( h s & p r o t e c t & p w r t e n & b o r