（机械电子工程专业论文）移动机器人的路径规划及其无线遥控系统的设计.pdf

哈尔滨工业大学工学硕上学位论义 摘要 本课题的目的是建立一个基于多传感器的移动机器人平台，机器人通过 对环境信息的获取，自主完成其在未知环境中的导航避障。沦文包括的主要 内容如下： l ，为了实现机器人在未知环境中的自主导航，构建了由g p s 、电子罗 盘、超声波传感器和电机码盘组成的多传感器信息系统。在分析了各传感器 的工作原理的基础上，实现了g p s 的定位信息和电子罗盘航向角信息的提 取，设计出多路超声波分时采集控制卡进行障碍物距离信息的采集。为机器 人以多传感器获取环境信息奠定基础。 2 采用了基于电机码盘的航迹推算定位算法，实现了机器人的运动路 径控制。综合g p s 和电子罗盘信息对航迹推算中引起的积累误差进行调 整，使机器人系统的定位精度得到改善。 3 设计出一种基于模糊控制的机器人避障算法。基于迫近度的模糊算 法使机器人实现了实时避障。通过计算机仿真，证明了算法的有效性。 4 为机器人设计一个无线遥控器。遥控器集成了无线接收模块、液晶 显示模块和键盘。针对遥控器的具体功能要求设计了数据传输协议。对遥控 器的功能进行了调试，并得到了满意的效果，提供了一个比较友好的人机界 面。 关键词移动机器人；路径规划：模糊控制器；无线遥控系统 堕童堡王些垒兰三耋堡圭兰堡篁；! a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o na i m st oe s t a b l i s ham u l t i s e n s o rm o b i l er o b o tp l a t f o r m r o b o t s w i l la c h i e v ei t sa u t o n o m o u s n a v i g a t i o n a n do b s t a c l ea v o i d a n c ei nu n k n o w n c o n d i t i o n sb ym e a n so f o b t a i n i n ge n v i r o n m e n t a li n f o r m a t i o n ， t h ec o n t e n t so ft h ed i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： 1 i no r d e rt oa c h i e v ea u t o n o m o u s n a v i g a t i o n o fr o b o t s ，s e n s o r s y s t e m c o m p o s e do fg p s ，e l e c t r o n i cc o m p a s s ，u l t r a s o n i cs e n s o r sa n dm o t o r e n c o d e r si s e s t a b l i s h e d ，t 1 1 i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h ew o r k i n gp r i n c i p l e so fe v e r ys e n s o r a n dt h e i rd e s i r e df u n c t i o n sr e s p e c t i v e l y a n dt h i sd i s s e r t a t i o na l s oa c h i e v e st h e i n f o r m a t i o n o b t a i n i n g o ft h eg p sl o c a l i z a t i o n t h ee x t r a c to f a n g l e b a s e d n a v i g a t i o no f e l e c t r o n i cc o m p a s sa n dc o l l e c t i o no fo b s t a c l ed i s t a n c eb y d e s i g n i n g t i m e s h a r ec o n t r o l l e rc a r df o ru l t r a s o n i cs e n s o r s a r r a y ，a l l o fw h i c h l a y a f o u n d a t i o nf o rt h er o b o t st oo b t a i ne n v i r o n m e n t a li n f o r m a t i o n ， 2 t h ep l a n n i n gc o n t r o lo ft h em o b i l er o b o ti sa c h i e v e db yl o c a l i z a t i o n m e t h o do fn a v i g a t i o nb a s e do nt h em o t o re n e o d e r s t o g e t h e rw i t hg p sa n d e l e c t r o n i cc o m p a s s ，t h ea c c u m u l a t e de r r o r s ，w h i c ha r ec a u s e db yd e a d r e c k o n i n g ， a r ea d j u s t e d ，t h u st h e a c c u r a c yo f t h el o c a l i z a t i o no f t h e r o b o ts y s t e mi si m p r o v e d 3 ar o b o to b s t a c l ea v o i d a n c em e t h o di sd e s i g n e db a s e do nf u z z yc o n t r 0 1 t h e f u z z y c o n t r o lb a s e do ni m p e n d i n gd e g r e el e tt h er o b o tr e a l i z ei t so b s t a c l e a v o i d a n c e c o m p u t e r s i m u l a t i o no fo b s t a c l ea v o i d a n c em e t h o d p r o v e s t 1 1 e v a l i d i t yo f t h em e t h o d 4 aw i r e l e s sc o n t r o l l e ri sd e s i g n e df o rt h er o b o t s t h ec o n t r o l l e rc o m b i n e st h e w i r e l e s sr e c e i v e rm o d u l e ，l c dd i s p l a ym o d u l e ，a n dak e y b o a r d t h es p e c i f i c f u n c t i o no ft h ec o n t r o l l e ri sd e s i g n e da n dt r a n s m i s s i o np r o t o c o li sa s od e s i g n e d f o rd a t at r a n s m i s s i o no f t h ec o n t r o l l e r t h et e s to ft h ef u n c t i o no ft h ec o n t r o l l e ri s d e s i r a b l e ，t h u sp r o v i d i n gac o m p a r a t i v e l yf r i e n d l yh u m a n - c o m p u t e ri n t e r f a c e k e y w o r d sm o b i l er o b o t ；p a t hp l a n n i n g ；f u z z yc o n t r o l l e r ；w i r e l e s sc o n t r o ls y s t e m 哈尔滨工业入学工学颂上学位论文 第1 章绪论 1 1 课题来源及研究的目的和意义 本课题属于2 1 l 工程二期建设项目“多移动机器人协调控制”中“基于多 传感器的移动机器人”子课题的基础研究。 机器人的应用越来越广泛，几乎渗透到人们生活的各个领域。机器人技术 在八十年代后期已经形成比较完整的体系。它将机构学、电子技术、控制理 论、计算机技术、传感器技术和人工：智能等相关学科融合为一体，不断吸收其 它学科诸如材料、能源科学的最新成果，形成了一门独立的高科技学科。 移动机器人是机器人学的个重要分支，其研究工作始于6 0 年代。它是一 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。相对于固定式机器人、机械手，移动机器人应用范围和功能都大大拓展和 提高了，因而其在工业、国防、服务行业都得到了更为广泛的应用，其研究也 越来越受到重视。而机器人在未知环境下的路径规划技术是移动机器人的关键 技术之，它涉及到诸如传感器、信号处理、机器人学、控制理论、系统分 析、计算机科学等多方面的知识。研究基于多传感器信息融合的路径规划算 法，将是在现实环境中实现高度灵活性及高鲁棒性行为的机器人的关键。 由于现代制造业和服务业的短周期及产品的多变性要求制造系统具有更高 的柔性。许多工业机器人和服务机器人已应用到柔性制造单元、柔性制造系统 等先进制造系统中。其中，机器人的典型应用是完成取放操作、物料运输、焊 接、喷漆等作业。机器人的工作环境中有加工漫备等大量物体，为了达到目标 位姿、完成作业，就要求机器人根据给予的指令及环境信息自主地决定运动路 径，避开障碍，实现任务目标。而由于机器人工作环境的非结构化和不确定 性，对机器人的通信和导航具有更高的要求。所以为了提高机器人联络能力以 及局部的自主规划能力，有效的机器人的通讯技术是机器人技术发展的一个重 要方向。包括机器人遥控及监控技术；机器人半自主和自主技术；多机器人和 操作者之间的协调控制技术；通过网络建立大范围内的机器人遥控系统；在有 延时的情况下，建立预先显示进行遥控等。 本课题研究的目的是完成一个基于多传感器的移动机器人，重点研究移动 机器人的定位导航系统，为“多移动机器人协调控制”提供一个运动载体和实 喑尔滨：( 业大学工学顿士学位论： 验平台。课题将综合利用超声波传感器阵列探测障碍物信息，使移动机器人能 实现局部路径规划与实时避障；并融合全球定位系统g p s 、电子罗盘以及码盘 的信息以期望对机器人进行比较准确的定位，使其具有一定的全局导航能力。 另外，专门为系统设计了一个无线控制盒，使操作者能实时得到机器人的信息 并控制机器人工作。 1 2 国内g l f t o 研究现状及分析 1 2 1 国外研究现状 近几十年来，随着计算机、传感器、控制理论、驱动技术以及新材料技术 的发展，对可移动机器人的路径规划研究引起了各国的高度重视，并取得了很 大的发展。 机器人路径规划问题是机器人领域的热门问题，大量学者在此领域做了大 量的研究【1 1 1 2 1 3 1 。机器人路径规划是从某个特定的问题状态出发，寻求一系列 行为动作，并建立一个操作序列，直到取得目标状态为止【4 j 。 在国外，恩格尔伯格创建的t r c 公司，研制了护士助手，该机器人由行走 部分、行驶控制器和大量的传感器组成。机器人中装有医院的建筑物地图，在 确定目的地后机器人利用航迹推算法自主地沿走廊导航，由结构光视觉传感器 及全方位超声波传感器探测静止或运动物体，并对航线进行修正，保证机器人 不会与人和物相碰。在走廊中，机器人利用墙角确定自己的位置；当在病房中 时，它可利用天花板上的反射带，通过向上观察的传感器帮助定位”3 。 法国国防部技术研究局( d p e t ) 主持的“自主侦察车( d a r d s ) 计划” 中研制的s a g e m 智能机器人，采用全球定位系统( g p s ) 和地图迸行全局导 航，局部采用视觉系统进行侦察和避障。麻省理工学院计算机文化系的主任克 利斯，克西克斯赞特米哈利伊领导的一个研究小组最近成功研制了一种机器人记 者“阿富汗探险者”，体内装着一套g p s 全球定位系统和一个电子罗盘装置用 于确定自身的位置，能够以4 英里d , 时的速度前进。图1 1 即是“阿富汗探险 者”的外形。但是该机器人无法实时感知环境信息，不能进行避碰和局部路径 规划，而且需要远程遥控。 哈尔滨t 业j = 学丁学硕十学位论空 图1 一l 机器人记者“刚茸汗搛险者” f i g 1 1r o b o tr e p o r t e r “a f g h a n i s t a np a t h f i n d e r 最近的研究更加注重机器人的适应性 6 】。许多研究不注重对环境知识完备 性的要求，而让机器人就在完全未知环境中运行。通过机器人自身对环境的感 知，来建立环境的模型，并具有自恢复能力。机器人只有通过不断地学习，才 能完善自身的适应能力；依靠与环境不断的交互来获得知识。通过反复调整环 境模型与自身的模型，最终才能学会在未知环境中运行。 图卜2 为日本富士通的m a r o n 一1 移动机器人【7 1 ，它能够按照主人的指令在 家中自由移动，机器人能通过装在其上的摄像头获取环境信息进行实时避障， 机器人获取家中的信息后，可以通过手机短信的形式与主人联系。 图1 - 2m a r o n 1 移动机器人 f i g 1 - 2m a r o n 一1m o b i l er o b o t 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 2 2 国内研究现状 路径规划是自主移动机器人导航系统的关键技术。移动机器人的路径规划 可以分为基于地图的全局路径规划和基于传感器的局部路径规划。基于环境已 知条件的离线全局路径规划方法已棚对比较成熟，而在未知条件下基于传感器 信息的局部路径规划正成为该领域的研究热点，也取得了一些研究成果，例如 增量式构建当前可视区域路径图( r o a d m a p ) 的规划方法博j 、基于近似单元分 解的局部路径规划方法 9 1 和人工势场法l l0 j 等。 国内在机器人路径规划方面也取得了一些研究成果，其中比较有代表性的 是清华大学开发的t h m r 移动机器人系列( t s i n g h u am o b i l er o b o t ，又称清华 智能车) 。研究人员在t h m r - i i 上以车体为中心等角度均匀分布在车体前方 9 0 0 ，+ 9 0 0 1 的水平边缘上安装了15 个超声波传感器，将机器人工作空间表示为 二维方格阵( 笛卡尔坐标的矩形) ，用累积值c v 表示每个方格中存在障碍物 的可信度，采用一种改进的栅格法实时导航和避障i 1 1 2 1 。 图1 3 是中科院自动化所研制研发的集多种传感器、视觉、语音识别与会 话功能于一体的智能移动机器人c a s i a i 。它的基本结构由传感器、控制器以 及运动机构组成。其中传感器由以下几个部分组成：位于机器人底层的1 6 个 触觉红外传感器，位于机器人中闻两层的1 6 个超声传感器和1 6 个红外传感 器，以及位于机器人顶部的摄像机( c c d ) 。这些传感器和c c d 一起构成了移 动机器人的多传感器系统。移动机器人就是在这个多传感器信息融合的基础之 上完成自己的各项外界感觉功能。移动机器人利用多传感器信息融合技术，把 由多个传感器和c c d 获取的机器人所处环境的各种信息( 路径、障碍物等) 综合起来，对这些信息进行融合处理，从而使机器人能够理解自己的状态和自 己所处的外部环境信息，并实时地做出自己的运动控制的决策一躲避障碍 物、寻找最优路径，实现自主移动、定点运动、轨迹跟踪、漫游等基本功能。 喻尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 3 主要研究内容 图1 3 智能移动机器人c a s i a ，i f i g 1 一ji n t e l l i g e n c em o b i l e r o b o tc a s a i 本课题的目的是构建一个具有多传感器的移动机器人导航实验平台，着重 研究机器人的定位导航系统，通过荜个移动机器人的模块化体系结构设计，利 用超声波阵列对机器人进行局部路径规划，融合电子罗盘和码盘的信息进行局 部定位，研究和开发出适用于非结构化环境的定位导航系统，从而为“多移动 机器人协调控制”提供一个运动载体和实验平台。同时开发出无线遥控系统， 实现机器人运动的遥控操作。 本课题主要研究内容有以下几个方面： 1 ) 构建基于多超声波传感器的移动机器人位置探测系统。对超声波传感器 阵列进行标定与布局，设计出采用分时工作的控制电路，减小各传感器之间 的相互干扰。 2 ) 实现基于电子罗盘、码盘和超声波信息的航迹推算方法实现机器人运动 轨迹的路径规划，并进行路径跟踪控制；利用g p s 和电子罗盘信息修正航迹 推算中的误差积累问题。 3 1 探索基于模糊逻辑的机器人导航和避障算法，拓展机器人与障碍物之侧 迫近度的概念，在路径规划中充分利用各传感器的距离信息以及机器人本身的 运动速度信息，使机器人能够在未知的环境里进行实时避障与导航。 4 1 设计出无线机器人手控盒，使操作者的控制指令能实时的发送给机器 人：而机器入的状态也能反馈到控制者。 哈尔滨工业大学 。学顷上学位论文 第2 章基于多传感器信息的移动机器人导航定位导 航系统的建立 机器人要在未知环境中完成自主的导航和避障，就必须要不断地采集周围 环境的信息，在对信息进行综合处理后再得出机器人的下一步的动作。所以选 择合适的传感器来获得环境信息便是导航避障中首要解决的一步。 一般情况下，复杂的算法能得到系统的高精度，但却带来系统的响应缓慢 和稳定性能变差的问题。在综合考虑了系统的性能后，在导航定位中主要使用 比较成熟的航迹推算法；在遇到障碍物需要避障时，则使用基于模糊控制的避 障算法进行实时避障。为了增强系统对环境的识别和判断能力，采用超声波传 感器、电子罗盘、码盘和g p s 全球定位传感器相结合的方式，构建出移动机 器人的导航定位系统。 2 1 多超声波传感器测距系统 2 1 1 超声波传感器的选择 超声测距是一种非接触的检测方式，它不受光线、被测对象颜色等的影 响，在较恶劣的环境中( 如含粉尘时) 具有一定的适应能力，而且比激光测距 更容易获得近距离的时间信息。另外，超声波传感器技术已经相对比较成熟， 市场上有各种性能的产品，选择范围大，因此选_ 辟 由超声波传感器组成的阵列 探测移动机器人近距离的障碍。 课题中选用了美国p o l a r o i d6 5 0 0s e r i e s 超声测距模块及相应的超声换能 器，这种传感器既是超声波发射器又是超声波接收器，发射超声波的频率为 4 9 3 k h z 。不像一般的超声传感器那样上电就开始工作，而是在给定一个工作 信号以后才向外界发射超声波，进行一次测距，而后又进入休眠状态，直到给 出下一个工作信号。这种工作方式的突出优点是在用超声波传感器阵列且各 传感器相互距离较近的情况下，可以使不同的传感器分时工作，从而最大限度 地减小传感器相互之间的干扰。超声波传感器的工作原理如图2 - 1 所示。 哈尔滨工业大学t 学硕士学位论文 v c c 1 n i t t m i t r 竺竺一一一 e c h o e 一 图2 - 1 超声波传感器工作时序 f i g 2 1o p e r a t i o nt i m i n go f s o n a rs e n s o r 工作电压r v c c ) h n 上大约5 m s 后超声换能器勇：始工作，将脉冲发射启动信 号( i n i t ) 置高可启动超声换能器发射脉冲，此时换能器将发射1 6 个4 9 4 k h z 频 率的脉冲信号，经过2 3 8 m s 延时即可开始等待接收回波信号( e c h o ) 。从启动 信号至接收到回波信号的时问即为超声的行程时间，将声速乘以行程时间便能 算出超声波传感器与被测障碍物之间的距离 1 4 】。 超声波和障碍物之间的距离可以由下式决定： d ：= c t ( 2 1 ) 1 式中d 移动机器人与障碍物之间的距离； e 声波在介质中的传输速率。 c = c o + 打玎砀巯s ( 2 2 ) 其中，r 为绝对温度，c o = 3 3 1 4 m s 。在不要求测距精度很高的情况下，一般 可认为c 常数。 其主要技术参数为：测量距离范围o 1 5 m 1 0 7 m ；精度1 ；分辨率 0 0 7 5 m 。 2 。1 2 超声波传感器阵列的工作过程 超声波传感器阵列的布局如图2 - 2 所示，只( f = l 2 埘) 为第f 个超声波传感 器与机器人正前方的夹角。超声波传感器工作在单个发射状态。 堕堡堡三些查兰三耋堡圭耋堡篁圭 一弋 f 够，石一 j x 夕一哦 p 、。 1 ， j jt _ 确、毽心i ，。 ff 萝警 l i 、 “、j ，b 7 j 醐2 2 趣声波阵列布局不意图 f i g 2 - 2d i a g r a mo fu l t r a s o n i ca l l a yd i s t r i b u t i o n 为了分担机器人主控板的负担，十路超声波传感器的驱动专门由一块驱动 卡来完成，它与机器人系统主控板的通讯由标准串口来完成。驱动卡的主控芯 片为a t 8 9 c 5 2 。综合考虑单片机的各口的特定性能，用p 1 口通过连接 7 4 h c l 4 反相器来驱动l 以路超声波的 n i t 脚；用p 1 口的p 0 0 和p 1 1 脚来驱 动9 1 0 路超声波的i n i t 脚。故只需赋予单片机相应i o 脚低电平，经过 7 4 h c l 4 反向后变成高电平便可以驱动相应超声波传感器工作。 超声波的回波信号接收如图2 3 所示，与门的输出与单片机的外部中断 i n i t o 连接。超声波回波信号有效时为高电平，由于单片机的i o 口有限，所 以把1 9 路回波信号e c h o 用或非门7 4 l s 2 7 接收，丽第1 0 路返回信号用反 相器7 4 l s 0 5 接收再连接到与门上。当l 9 路回波信号任何一路有效即为高电 平时，或非门的输出均为低电平，其再与第l o 路超声波一起控制与门的输 出，最终就会触发a t 8 9 c 5 2 的外部中断1 n i t 0 。同时把1 1 0 路e c h o 信号 接到单片机的p 2 口和p 0 口的p 0 6 和p 1 1 上，通过检测单片机的对应管脚便能 知道是哪路超声波返回的信号。 啥尔滨工业大学t 学硕_ 上学位论义 厂墨。；露。2 3 善殛4 i l ：b 强7 i 叫二王辜吣卜” 图2 _ 3 回波信号的接收 f i g 2 - 3r e c e i v i n gt h er e t u r ns i g n a l 从以上论述可以看出，只要赋予单片机的p 1 口和p 0 0 和p 1 1 脚的不同工 作电平便能控制机器人的1 0 个超声波传感器的工作状态。在机器人自主移动 时，依次对i 1 0 路超声波每隔5 0 m s 启动一次。这样在机器人移动速度允许的 情况下，机器人便可以对周围障碍物的信息有一个比较充分的了解，从而为机 器人的局部路径规划提供导航的依据。超声波传感器控制板如图2 - 4 所示。 图2 4 超声波传感器控制板 f i g 2 4t h ec o n t r o lb o a r do f u l t r a s o n i cs e n s o r s 哈尔滨工业大学工学预十学位论文 2 2 基于g p s 信息的移动机器人全局定位 全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n a gs y s t e m ，g p s ) 是美国第二代卫星导航与 定位系统，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力。早期仅限 于军方使用，由美国国防部所讨1 划发展，其日的只针对军事用途。时至今 _ = 1 ， g p s 早已，1 ：放给民问作为定位使用，尤其是采用了差分定位技术以后【1 5 。 这项结合太空卫星与通讯技术的科技，在民间市场已正在蓬勃的展开，除了能 提供精确的定位之外，对于速度、h , t i n j 、方向及距离亦能准确的提供信息，运 用的范围相当。泛。 2 2 1g p s 的组成原理 全球定位系统由空间部分、地面监控部分和用户接收机三大部分组成。该 系统的空间部分使用2 4 颗高度约2 0 2 万千米的卫星组成卫星星座。2 1 + 3 颗卫 星均为近圆形轨道，运行周期约为1 1 小时5 8 分，分布在六个轨道西上( 每轨 道面四颗) ，轨道倾角为5 5 度。卫星的分布使得在全球的任何地方，任何时间 都可观测到四颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图形。这就提 供了在时间上连续的全球导航能力。 g p s 的定位原理是利用卫星基本三角定位原理，g p s 接收装罾以测量无线 电信号的传输n , j 1 i h j 来量测距离，以距离来判定卫星在太空中的位箭，这是一种 高轨道与精密定位的观测方式。而般来说，为了获得更精确的定位，g p s 。一 般需要四颖：拦星的同时定位信息。 2 2 2g p s 的选型及数据处理 g p s 接收机选用芬兰f a s t r a x 公司的i t r a x 0 2g p so e m 模块。体积非常 小，尺寸是2 5 。9 m m 2 5 9 r a m x 6 m m ，相当于一张邮票大小，重量只有4 9 ，功 率低。i t r a x 0 2 的接口方便，自带u a r t 接口，可接收n m e a 0 1 8 3 格式的数据 和二进制的i t a l k 格式数据。 其主要技术规格如下：接收机频率：l 1 ，c ac o d e ( s p s ) ；结构：1 2 并行通 道：更新速率：lf i x s 或用户自定义；位罨精度：3m ( c e p ) ，6 m2 d r m s ；速度 精度：0 , 2r r d s ( 5 0 ) ；时间精度：2 0b sr m s ；重捕获时间：1 0 01 t i s ( 典型) ： 冷启动：5 0 s 典型；热启动：8 s 。 在软件协议上，g p s 接收机遵守n m e a 一0 1 8 3v 3 0 协议。n e m a 协议是 窒竺堡三些奎兰三兰堡：! 兰堡墼兰 由美国困家海洋电子协会( n a t i o n a lm a r i n ee l e c t r o n i c sa s s o c i a t i o n ) 制定的一种航 海、海运方面有关于数字信号传递的标准，此标准定义了电子信号所需要的传 输协议，传输数据时间、并且指明了信息格式。数据的传输可以通过标准串口 进行。 汀r a x 0 2 支持2 0 种n m e a 命令，几个常用的命令是： s t a r t 进入n a v i g a t i o nm o d e ，开始接收卫星信号并计算定位参数； s t o r e ：保存当前的参数设定值： r e s t o r e ：将参数设置恢复到出厂设置。 每条命令均以“$ p f s t ”开始，再加上命令值和参数，用逗号来区分命令 和多个参数值，例如：“s p f st ，s t a r t ”。 和卫星的通讯，接收到的数据格式都以“$ g p ”开始。以哈尔滨工业大学 科学园c 1 栋为例，接收到定位信息如表2 1 所示： $ g p r m c ，0 3 5 9 4 2 0 0 ，a ，4 5 4 3 9 7 8 8 ，n ，1 2 6 3 7 6 9 6 2 e a + 1 c e 表2 - 1g p s 的数据组成 t a b l e2 - 1t h e c o m p o s eo f t h eg p s d a t a 数据n m e a0 1 8 3 协议说明 $ g p r m c g p s 推荐的最短数据 0 3 5 9 4 2u t ct i m e 2 4 小时制的标准时间，按照小时分钟秒格式 a a 或va 表示数据“o k ”，v 表示一个警告 4 5 4 3 9 7 8 8l a t 纬度值 n l a td i r n 表示北纬，s 表示南纬 1 2 6 3 7 6 9 6 2l o n 经度值 wl o nd i r w 表示西经，e 表示东经 可以看出，接收机能够直接给出其经纬度信息，故机器人能够通过它直接 得到自身的位置，从而指导机器人的全局导航。 在g p s 的使用中，定位的经度可以分为标准定位精度( s p s ) 及精密定位精 度( p p s ) 两种。标准定位精度一般在3 0 - - 1 0 0 m 之间，误差较大，所以很少直接 使用。我们所选用的g p s 接收机有p p s 模式，所以能达到较高的精度。具体实 现如下： 1 ) 把g p s 接收机和控制单元的串口相连以建立数据连接； 2 ) 在g p s 开始工作后，发送s t o p 命令，使之进入i d l e 模式； 3 )发送命令“$ p f st ，p p s m o d e ，n ”使接收机进入p p s 状态， 竺查篓些查兰三兰堡圭耋堡篁兰 其中n 取值为3 ； 4 ) 发送s t a r t 命令，g p s 开始搜索卫星信号： 5 ) 等待接收机返回数据信息。当模块能够根据卫星信号解算出时间时， 就会有p p s 信号输出； 6 ) 返回的数据各式为：“$ p f s r ，p p s p o s ，纬度，n s ，经度，w e ，海拔高 度 ”。对其进行解码获取位置信息。 2 3 基于电子罗盘信息的方向探测 电子罗盘( d i g i t a lc o m p a s s ) 作为一种重要的导航工具，正越来越多的应用 于导航和定位系统。当前大多数的导航系统都使用电子罗盘来指示方向。电子 罗盘通过对地球磁场等信息的读取、计算，精确输出航向、俯仰、翻转等参 数，由于内嵌单片机可提供r s 2 3 2 或r s 4 8 5 等通讯模式，与单片机通过 r s 2 3 2 或r s 4 8 5 进行串行通信，易于实现与上位机的信息交流与控制，从而精 确定位。 2 3 1 工作原理 电子罗盘的工作原理如图2 - 5 所示。 n o 膏y 例2 - 5 电子罗盘工作原理酬 f i g 2 - 5t h e o r y o f e l e c t r o n i cc o m p a s s 电子罗盘有两个互相垂直的轴，分别为o x 轴和o y 轴。o n 为磁北方 向。分别按电子罗盘的两个轴向安装测量磁场分量的磁传感器s x 和s y 。屯子 罗盘测得的磁方向角定义为从o n 到o x 顺时针转过的角度，用庐表示。设地 磁场的水平分量为h o ，则磁传感器s 。和s 。测出的磁场分量为1 7 ： 哈尔滨工业大学工学顺士学位论艾 妒可由式( 2 3 ) 得 l h 。= h n c o s o 1 耳= + s i n 妒一一a r c t a n ( h y 卫) 2 3 2 电子罗盘选型及数据处理 ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 电子罗盘选用台湾t o m t e a mt e c h n o l e g y 公司的t d c m 3 二维数字 罗盘。t d c m 3 是一款高性能、低价格的数字罗盘模块，它通过标准串口 ( u s a r t ) 向主系统提供罗盘航向。它提供2 4 0 0 、4 8 0 0 、9 6 0 0 、1 9 2 0 0 波特率4 个等级的频率，其输出频率最高可达每秒3 5 次。由于采用了低功耗的微处理 器，t d c m 3 的功耗几乎可以忽略不计。其内置自动校准算法可改正由于周边 铁磁物质磁场变化丽引起的误差。t d c m 3 的体积只有5 分硬币大小，可以方 便地嵌入其他各种系统中【1 8 1 。 主要技术参数：精度3 。；分辨率o 5 。；重复度3 。；供电电压3 v _ 5 v 。 t d c m 3 电子罗盘有三种工作模式：1 ) 正常工作模式。r x t 管脚保持高 电平，当给r t s 管脚一个l m s 的脉冲时，电子罗盘的t x 管脚便会输出数 据：2 ) 连续工作模式。r x t 管脚保持高电平，当把r t s 管脚保持低电平，电 子罗盘的t x 管脚便会以固定的波特率不停的输出罗盘的角度信息；3 ) 标定 模式。把r x t 管脚置低，并给t x 管脚一一个l m s 的脉冲，此时罗盘进入标定 状态。需标定时，在1 0 秒中内手动将罗盘水平转动两圈即可完成对罗盘的标 定。 t d c m 3 电子罗盘的数据输出均为3 个字节一组。第一字节为状态标志， 第二和第三字节为角度输出。在正常工作模式和连续工作模式下，第一字节为 8 0 h ，第二和第三字节为角度输出；当输出的第一字节为8 1 h 时，表明电子罗 盘受到干扰而需要重新标定。 如罗盘传输的3 个字节为： 则罗盘的转角为 s t a t u s ( n o t e ) + + 吼 ( 2 5 ) 哈尔滨工业大学工学颂l 学位论文 日0 鞠x 2 3 6 + b 1 3 b f ，一r 、 “。 2 怕w 罗盘工作时，数据处理需要检测岛。值是否超过2 ，因为正确的只。只能 小于2 ，如果超过；表明通讯发生错误，需要重新接收，否则很可能导致接收 到的角度值太大甚至溢出使机器人在角度反馈f 疯转。 从以上可以看出，机器人通过电予罗盘能够得到自身的绝对角度航向 信息。当需要得到机器人航向时，只要按照上述的方法把电子罗盘设定在难常 工作模式，便可以随时得到其航向。由于电子罗盘没有积累误差，敝其可以得 到比较精确的航向角，为下面讨论的航迹推算提供航向角矫正。 2 4 本章小结 本章对本机器人系统所选用的传感器硬件特点及原理进行介绍。完成了各 传感器与主控单元的接口设计。选定超声波传感器阵列探测近距离环境障碍； 用由g p s 、电子罗盘以及码盘构成的组合定位系统进行机器人导航定位。专门 为超声波阵列传感器设计信号发送接收控制卡。对各传感器进行了简单的调试 实验。 哈尔滨工业人学工学颈上学位论文 第3 章移动机器人路径规划 路径规划是研究自主移动机器人( a m o n o m o u sm o b i l er o b o t ，a m r ) 技术较 为活跃的课题之，其也是机器人学的一个最基本最复杂的问题，吸引了国内 外大批的研究学者 1 9 2 0 1 1 2 1j 。它被描述成：给定移动机器人所处的环境( 环境可 以通过移动机器人传感器系统或别的途径获得) ，一个起始点和个期望终止 点，移动机器人路径规划就是根据一。定的任务需求寻求一条连接起始点到终止 点，且能避开环境中障碍物的一定机器人运动轨迹，即最优或次优有效路径 2 2 1 。 路径规划的方法很多，按层次关系分，可分为全局路径规划和局部路径规 划；按照对环境的已知程度来分，可分为环境完全已知的路径规划、环境部分 已知的路径规划和环境完全未知的路径规划；按功能和行为来分，可分为基于 功能的方法和基于行为的方法；按是否在线计算来分，可分为离线路径规划和 在线路径规划；另外还有几何法、基于规则的方法等。近年来也借鉴了很多其 它领域的新方法、新技术，包括神经网络仆n ) 、进化算法( g a ) 和模糊控制等。 近年来，人们在对移动机器人路径规划方法的探索过程中，种比较有效 的方法是不寻求建立机器人工作环境的精确模型 2 3 9 “】，而直接将传感器得到的 有限环境障碍信息送给机器人。机器人直接由这些信息，根据预先建立的一些 规则做出反应。这种方法的出发点是模拟一些低等动物的行为，遵循刺激一反 应这样简单的行为规律，而不必直接试图让机器人有人那样高的智能。应用表 明，用这种方法实现的自主机器人虽然智能程度较低，但具有很大的实用性， 工程可实现性也较强 25 1 。规则的建立较多采用了专家系统、模糊控制的方法。 本课题所讨论的路径规划问题是在一个简单未知环境内，为移动机器人规 划一条从起始点到目标点的路径，完成一个在线路径规划的过程。 3 1 移动机器人的定位分析 作为移动机器人导航的最基本环节“1 ，枫器人定位计算是路径规划的基 础，而航迹推算法由于其实现简单，故广泛应用于机器人的导航定位。 航迹推算法是指由移动机器人的航向和速度信息推算出机器人的位置 2 7 1 1 2 8 1 。机器人定位坐标如图3 - 1 所示： | l i ： 尔滨工业人学：【学硕士学位论史 圜3 1 机器人在直角坐标中的位置表不 f i g 3 1r o b o t i nr e c t a n g u l a rc o o r d i n a t e s 移动机器人为履带式两轮差速驱动系统，左边两个轮子的转速一致，右边 两个轮子的转速一致，因此，该移动机器人只有直线运动和圆弧运动两种运动 方式。当两侧轮子线速度一致时，机器人沿直线行驶；当两侧轮子线速度不一 致时，机器人作一定半径的圆弧运动。移动机器人所在的直角坐标系统为 x o y 。0 为机器人位置参考点，( ( f ) ，y ( r ) ) 为机器人在直角坐标系中的坐 标，目( f ) 为机器人的航向角，v ( t ) 为机器人的运动速度，v a t ) 和g ( o 分别为 机器人左右轮的速度。 在机器人不发生侧滑的情况下，机器人左右轮速度具有如下关系： 警= 拉】c o s a ( o ( 3 - 0 掣= 把m 俐s i n ) ( 3 - 2 ) 百d o ( t ) = = 去【屹( r ) 一( 伽( 3 - 3 ) 当v o 且= 0 时，机器人作直线运动；当v o 且 o 时，机器人作转 弯半径为r = v c o 的圆弧运动；当v = o 且 0 时，机器人作转弯半径为0 的 原地转动，则可得机器人的位姿为： x ( f ) = 爿( f o ) + f 毒f k ( o + ( f ) c o s 秽( f ) a t ( 3 4 ) y ) = y ) + f ；f 圪( f ) + ( r ) 】s i n o ( r ) a t ( 3 - 5 ) 哈尔滨_ 】_ = 业大学工学硕士学位论文 臼( ，) = 臼( 乇) + 去 圪( f ) ( ，) 西( 3 - 6 ) 设电机为步进模式，则每给电机发送一个脉冲电机就相应转动一个角度 口，其脉冲频率为厂，电机输出轴转动一圈所需的脉冲数为m ，电机到车轮的 减速比为，轮子的半径，。则电机角速度为珊= o r f ，车轮角速度为 翻= 甜，车轮的线速度为：v = 翻7r 。 由以上各式可以得到轮予速度和输出脉冲之间的关系： v ：兰型二 r 3 7 1 n o ( 3 - 3 ) ( 3 6 ) 式改写成如下差分形式： k - t1 x ( 七) = ( o ) + 去 圪( f ) + ( f ) c o s 臼( f ) r ( 3 - 8 ) j = 0 k - i1 y ( 尼) = y ( o ) + 去 圪( f ) + ( 帅i n o ( i ) a v ( 3 9 ) i = 0 o t 一11 占( 女) = 口( o ) + 专 吒( f ) _ v r ( i ) i a t ( 3 - l o ) i = 0 1 o 其中，x ( k ) 、r ( k ) 和o ( k ) 为采样时刻k 的输出量。要是按( 3 8 ) ( 3 一l o ) 式 去计算机器人的位姿则会占用大量计算机内存和计算时间，所以( 3 - 8 ) ( 3 1 0 ) 式 可以改写成如下的递推形式： 1 x ( k ) = s ( k 一1 ) + 亡【屹( 女一1 ) + ( 女一1 ) c o s o ( k 一1 ) a t ( 3 - 1 1 ) 1 r ( k ) = 】，( 七一1 ) + 妄 屹( 女一1 ) + ( t 一1 ) s i n o ( k 一1 ) a t ( 3 - 1 2 ) 1 o ( k ) = 口( 忌一i ) + 亡 圪( 七一1 ) 一( t 一1 ) a t ( 3 - 1 3 ) 从( 3 1 1 ) ( 3 1 3 ) 式可以看出：机器人只需要记录当前时刻和前一时刻的位 姿信息，而不用记录所有的位姿信息。这样节省了大量的存储单元和计算时 间。 对于本机器人实验平台，轮子的直径为1 4 0 n m a ，电机到轮子的减速比为 6 6 ：1 。为得到机器人自主移动速度o 1 m s ，则由式( 3 7 ) 及其他已知条件，控 制器给电机发送脉冲频率厂为9 1 h z 。 反之，当机器人需要变速而改变电机速度时，由于电机驱动脉冲为控制器 所给，故脉冲频率为一个已知量，由( 3 7 ) 式均可得到圪( t 一1 ) 、( 一1 ) ，进 堕堑堡三些奎兰三兰堡圭兰堡篁兰 而可以确定机器人任意时刻的位姿( t ) ，y ( 七) ，曰( 幻) 。 3 2 基于模糊控制的避障算法 经典控制理论和现代控制理论都已经是非常成熟的控制理论，在现代生产 中有着十分广泛的应用。但是，无论是采用经典控制理论还是现代控制理论， 设计一个控制系统时，都需要事先知道被控对象或生产过程精确的数学模型， 然后根据数学模型以及给定的性能指标再选择适当的控制规律进行控制系统设 计【j 。然而对于像机器人在未知环境下导航避障的问题，由于其很难建立精确 的环境模型，所以上述两种控制理论不适合应用于本系统中。因此，本系统需 要寻找一种不需要精确数学模型的控制理论来对