（控制理论与控制工程专业论文）多移动机器人围捕算法的研究.pdf

东科技人学俩l 学位论文 摘要 多机器人1 办作可以完成单个机器人无法完成的工作，因此对于它的研究正受到越来 越多的关注。本文以山东科技大学机器人实验室的四台移动机器人为平台，并基于多智 能体理论，首先利用v c 6 0 开发工具设计了基于t c p i p 协议的多智能体通讯网络，实 现了一个多智能体系统的研究平台，并通过单体机器人基本运动实验和两机器人协作搬 箱实验，对机器人本体及其装配传感器的性能进行了分析，并验证了网络通讯的可靠性。 接下来研究了多机器人编队控制，利用矢量分析法，以p 2 一d x 为研究对象对单体机器人 的运动、及多机器人编队运动分解进行了研究。并在实验室环境下，进行了三机器人的 平行编队、三角形编队、柱形编队的相互转换的研究。最后，在以匕研究的基础上，提 出了基) 二自学习的半集t f l 一半分布混合式控制的多机器人围捕算法：该算法的特点是利 用有限状态机原理，对围捕过程中机器人的行为进行合理有效地分解，同时运用相对定 位获取全局环境信息的算法，计算并记录工作环境中障碍物的全局位置信息，完成对陌 生环境的认识和熟悉，达到路径优化推理的目的，实现学习之功能，提高了日捕效率。 关键宁：多智能体，编队，围捕，移动机器人 l l 永科技人学坝b 学位论文 摘要 a b a s t r a c t m u l t i r o b o tc a na c h i e v em o f cc o m p l e xt a s kt h a t s i n g l er o b o tc a n tb yc o o p e r a t i o n s o r e s e a r c ho f m u l t i r o b o tc o o p e r a t i o nh a sb e e n i n gp a y e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nb yr e s e a r c h e r a l it h ew 0 1 l d i nt h i sp a p e r ，l i r s t l y ，b a s e do nh a r d w a r ep l a t l b r me l 抽t i rl o c o m o t i v er o b o t s ，w e b u i l tam u l t i r o b o tr e s e a r c hp l a t f o r ma n dr e a l i z e dw i r e l e s sn e tc o n m m n i c a t i o oa m o n g a g e n t s s e c o n d l y ，w ea n a l y z e dn l o v e n l e n tp e r f o r m a u c eo fr o b o ta n dp e r f e r m m l e eo fs e n s o r st h r o u g h t h ef o l l o w i n gt w oe x p e r i m e n t st h a tt w i nr o b o tp o r t a g ee x p e r i m e n ta n ds i n g l er o b o tm o v e m e n t e x p e r i m e n t ，s i m u l t a o e i t yo a tc o m m u n i c a t i o nr e l i a b i l i t y i sa l s o p r o v e d i nt h ef o l l o w i n g w o r k ，w eu t i l i z e dv e c t o ra n a l y s i si nt h er e s e a r c he l s i n g l er o b o tn l o v e n l e n ta n dm u l t i - r o b o t l b r m a t i o nn t o v e l n e o td c c o m p o s i t i o nf o rp 2 - d xr o b o t ；m a dd i ds o m er e s e a r c ho nf o r m a t i o n t r a n s l o r mo ft r i - r o b o t a tl a s t ，w e b r o u g h tf o r w a r ds e l f - e d u c a t e da n dc o m b i n e dc o n t r o l m u l t i r o b o tc a p t u r ea r i t h m e t i c ：a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l ef i n i t es t a t em a c h i n ec a p t u r eb e h a v i o r o fr o b o tc a l lb ed e c o m p o s e di nr e a s o n ；i nt h ec o u r s eo fc a p t u r eu s i n gt h ea r i t h m e t i co f g e t t i n gw o r l de n v i r o m n e n ti t f f o r m a t i o nb yi n d i r e c to r i e n t a t i o n ，c a p t u r er o b o te x p l o r ea n d r e g i s t e ro b s t a c l e sl o c a t i o n r e a l i z e t h ef u n c t i o no fu n d e r s t a n d i n ga n db ef a m i l i a rw i t h u n l a l o w ne n v i r o m n e n ta n do p t i m i z i n gr o u t e k e y w o r d s ： r n u l t i a g e n t f o r m a t i o n c a p t u r e l o c o m o t i v er o b o t 山东科技人学砸1 。学位论义绪论 1 绪论 1 1 引言 i 删眸机器人发展，其历史并不算长，1 9 5 9 年，英格伯格和德沃尔联手制造出来第 台机器人。它是世界上第一台真j 卜的实用工业机器人，同时标志着机器人的历史真正丌 始。 。 至今，机器人的发展还不到五十年的h 寸间，它却“繁衍”了三代： 第一代：示教型机器人：它由人操纵机械于做一遍应当完成的动作或通过控制器发 出指令l l # l 械手臂动作，在动作过程q 4 ：| ：jl 器人会自动将这一过程存入地忆装嚣。当机器 人_ j i 作时，能现人教给它的动作，并能自动重复的执行。这类机器人不具有外界信息 的反馈能力，很难适应变化的环境。 第二代：感觉机器人：它们对外界环境有一定的感知能力，并具有听觉、视觉、触 觉等功能。机器人工作时，根据感觉器官( 传感器) 获得的信息，灵活调整自己的工作 ：【尺态，保证在适应环境的情况下完成。作。 第三代：智能机器人：它不仅具有感觉能力，而且还具有独立判断和行动的能力，以 及记忆、推理和决策的能力，因而能够完成更加复杂的动作。中央处理器控制手臂和行 走装置，使机器人的手完成作业，脚完成移动，机器人能够用自然语言与人对话。智能 机器人的“智能”特征就在于它具有与外部雌界对象、环境和人相适应，相协调的工 作机能。从控制方式看，智能机器人不同于 ：业机器人的“示教、再现”，不同于遥控机 器人的“主一从操纵”，而是以种“认知一适应”的方式自律地进行操作。 机器人技术的发展使得机器人的能力不断提高，机器人应用的领域和范围正不断扩 展。人们希望机器人能完成更加复杂的作业，而这些复杂的作业山单一机器人已难以完 成，需要多个机器人相互l 办调与合作共同完成，这导致了机器人的应用方式从部件式单 元应用向系统式应用的方向发展。 l l 址纪8 0 年代，受到分布式人工智能( d i s t r i b u t e da r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ) ；f t l 分布式系统 研究的启发，一些机器人学的研究工作者将分布式人工智能中的多智能体系统 f m u l l i - a g e n ts y s t e n l l 理沦应用到多机器人系统的研究中【2 j i 由此，l ：始了多机器人西作技 术的研究工作。人们针对机器人系统。p 集中式控制结构的不足和缺点提出了分散式 f d e c e l l t r a l i z e d ) 和分布式( d i s t l 1 u t e d ) 的多机器人系统的合作策略及协调机制【3 j ，在这些方 1 山东科找人学坝l 学位论文 绪论 法中，将多机器人系统视为一个群体、一个社会，从社会学来组纵和从系统的角度来研 究机器人系统的协作机制，依据多智能休的特性组织和控制多个机器人h 石】，充分发挥多 机器人系统。l 一箨个机器人的l - h 主能力和哳作能力，使之能完成单个机器人所无法完成的 复杂任务。由多个机器人组成的系统其智能行为与单个机器人相比将有很大提高，主要 表现在： ( 1 ) 机器人之间的信息交换提高了系统处理不完全和不确定知识的能力； ( 2 ) 机器人之间的协f l - q 每使系统具有一定的智能行为； ( 3 ) 可以利用面向对象技术和模块化思想来组织系统。 凼此，进行多机器人系统的研究是多机器人技术发展的必然趋势，必将带来机器人技术 及其它干h 关技术的巨大变革。 1 2 多智能体系统的研究现状 1 2 1 智能体的定义 对智能体的定义有多种，不同的学者有不同的看法，但是基本上可以分为阿类。 类从功能的角度定义智能体，将智能体定义为具有一定功能的实体【7 - 8 】，例如： 智能体是一个实体，具有感知能力、问题求解能力和与外界进行通信的能力。 智能体是一个具有控制问题求解机理的计算单元，它可以指一个机器人、一个专 家系统、一个过程、一个模块或一个求解单元等。 。般认为，分布的相互合作的解决问题的节点叫做智能体，1 个典型的智能体是一 个号家系统或一个软件，它其有问题的解决能力，可以与网络巾的其他智能体相互影响 作用，合作解决问题。 另一类从认知的角度来定义智能体，将智能体定义为具有一定精神状态的实体。例 如：如果一个实体的状态可被认为包含了诸如妇1 识、信念、承诺和能力等精神状态时， 该实体就是智能体。这个定义也可表述为：如果一个实体可用渚如知1 识、信念、承诺和 能力等精神状态来描述时，那么该实体就是智能体 一一般认为，智能体是一个抽象的实体，它能作刚于自身和环境，并能对环境作山反 应，并且智能体应具有知识、工作日标和i 解决问题的能力。下面对这三方面进行更具体 的描述。 知识：就足智能体关于它所处的吐界或它所要求解问题的描述。这种描述可能 生坐型垫查鲎塑二! ：! ：壁堕苎 堕鎏 袋取任何形式，甚至列以隐式表示。智能体捌森的知识可能是出入或其他智能 f 术给予的，也可能是通过感知或通讯获褥的。按知淤的内容，可以把知泌分为 领域知识( 对照器的认谈等) 、邋谖知激( 疑，议、类型等) 帮控铡麴识( 筵l 本 问的关系等) 。 毽标：鬻麓藩掰采敬静一凌霞为都莲磁淘鏊爨豹。嚣标在餐憝体内部势不一定 溪鼹式存在，目标可以编入算法戚显式给定，戏通过通讯获得。根据网标的变 化情况，可以将随标分为静态醴稼帮动态蟊标，前者楚把智能体设诗成它酶行 为足为了满足某个断言；后者鼹指随着酬1 间流逝而动态改变的翻标。 能力：智能体所舆有的推理、决策、规划、控制等能力。 t 。2 。2 智能体豹特点 综上所述智能体鼹有以下特点： 囊主径。罄麓 零蒸寿璃予英童巍麴计雾燹源秘弱部予爨赛兹露为控到帮 制，熊 够在没有外界直接操纵的情况下，根据其内部状态和感知到的环境信息，决定 幕l 控苷霭岛痨的钼：为。 交互性。智能体能够与其他智能体( 包括人) ，用智能体通信语言实施灵活多样 的交互，能够有效地与其他智能体m 同工作。 发瘦姓。餐能体能够感知所处的环境( 可能是物理世晃、操纵图形界艇骢用户、 或其他科能体等) ，并对相关事件作山邋时反应。 宝凌性。餐蘸舔缝够遵键承诺采取主魂行动，表现出嚣爨嚣稼豹嚣菇。 1 2 2 萋予多智靛律理论瓣多税器久研究凝狭 近年来，在阱作机器人学研究巾，蕊于分布式人工智能中的多智能体概念研究多椭 嚣人挎 睾闼题正受到越来越多鲍注意。多智能体系统理论是一张抽象层次较急的酱遍理 论，它可追溯到j 二l 丛纪7 0 年代的分布式人工智能及以后的分枷式问题求解，其概念、 漆系缩秘、渗溺与泌馋方式彝策瓣等麓联究已致褥歹丈爨残暴，徨大郝分都是褒强l 象屡 次上。多智能体系统理涂的核心楚把整个系统分成若1 二智能、自治的子系统，它们在物 弹和地理上分散，谛独立缝虢聿亍任务，同时又 话遴遂逶信交按髂患，籀互协调，放两共 同完成憋体f e 务，这无疑对完成大规模和复杂的任务是窝有吸引力的，因而很快在军事、 通信及其他应用领域得到了广泛的重视。厢多智能体系统理论研究多移i 器人协作，其妥 3 ! ! 查型些叁堂塑土堂竺堕苎堕堡 点就是把系统中的每一机器人都看作是独立的智能体，这样的多机器人系统称为多智能 体机器人系统m a r s ( m u l t i a g e n tr o b o t i cs y s t e m s ) 。在m a r s 系统中，每个机器人都 被视为1 个具有自主能力的a g e n t ，各机器人可根据系统总任务目标，动态地规划各自 的运动序列，而不足山集中规划器进行规划，各机器人可充分发挥其智能和自主行为与 其它机器人进行合作。 多智能体机器人系统的研究受到了【! = | = 界各国的高度重视，从军事领域到工业与民用 领域，从星际探险到海底考察，从比赛到教学，都取得了不同程度的进步。下丽我们给 出几个典型的实例： 机器人足球比赛 机器人足球比赛足多智能体系统理论和多机器人叻作的一个良好的实验平台和研究 i f 台，l 加拿大不列颠哥伦比亚大学的a l m am a c k w o r t h 教授在1 9 9 2 首次提出，目的是 通过机器人足球比赛，为人工智能和智能机器人学科的发展提供一个具有标志性和挑战 一陀的课题。 机器人足球系统融合了机器人学、机电一体化、通讯与计算机技术、图像处理、传 感器数据融合、决策与对策、模糊神经网络、人： 生命与智能控制等学科内容，是研究 多智能体系统理沧的良好实验平台。目前，国际上有组织的机器人足球比赛分为两大系 列1 7 i 【 a 和r o b o c u p 。f i r a 与r o b o c u p 的最大区别在于f i r a 是集中控制，而r o b o c u p 是分布式控制。 f i r a 机器人足球比赛最早由韩国高等技术研究院的金钟焕教授于1 9 9 5 年提出，比 赛的利类包括m i r o s o t 、n a r o s o t 、k h e p e r a s o t 、r o b o s o t 、h u r o s o t 、s i m u r o s o t 等多个类 别。有的类别根掘双方参赛队员数目不同还可以分为小型组、中型组和大型组等等。 r o b o c u p 的原意j j t ) l 器人世界杯( r o b o tw 0 1 1 dc u p ) 。1 9 9 7 年正式成立，总部设在 h 本东京。r o b o c u p 白1 9 9 7 年起每年举办一次机器人足球世界杯赛，其比赛项日主要 有：汁算机仿真比赛、小型足球机器人赛、- 中型自主足球机器人赛、s o n y 有腿机器人 足球赛等。 其它m a r s 实验系统 除了机器人足球比赛以外，还有很多很多= 怍常值得注意和研究的多机器人实验系统。 欧盟在9 7 年设立了专门进行多机器人系统研究的项1 ：1m a r t h a 9 1 ，即用于搬运的多自主机 4 i i l 东誊 披大学坝l 学位论文绪论 器人系统( m u l t ip lea u t o n o m o u sr o b o t sf o r f r a n sp o r t i n ga n dh a n d l i n ga p p l i c a t i o n ) ， 美【型海军研究部和能源部也对多机器人系统的研究进行了资助1 1 0 】，而美国国防部所属的 d a r p a i i 在m a r s ( m o b i l ea ul o n o l l l o u sr o b o ts y sr e i n ) 项目中也对多移动机器人的研究给予 了大量n 勺支持。下i 斫是儿个比较有影响的多机器人系统： ( 1 ) c e b f f ( c e i l u l 3 fr o b o t i cs y s t e m ) i i m 4 1 。c e b o t 是一种自重构机器人系统 ( s e l f r e c o nr i g u r a b l er o b o t i cs y s t e m 、) ，它的研究是受生物细胞结构的启发，将系统 q 1 众多的具有相同或不同功l l f l ；j f j l 器人视为细胞元。这些细胞元机器人可以移动寻找和 纽合，根据任务或环境的变化绌胞元机器人可以自组纵成器官化机器人，多个器官化机 器人可以进步i l 组织形成功能更加复杂的机器人系统。i i l l 结构机器人系统强调的是 单元体的组合如何根据任务和环境的要求动态重构，因此系统具有多变的构型，可以具 有学习和适应的组智能( g r o u pi r l t e l l i g e n c e ) 、，并具有分布式的体系结构。 ( 2 ) c u l e c i v e1 r o b o t i c s 实验系统。c o l l e cr i v er o b o t i c s 1 5 - 1 6 1 是对昆虫社会的 一种人工模拟，目的是将许多简单的机器人组织成一个刚体，来完成一些有意义的工作。 为实现这一目标，研究针对集体任务( c o l l e c t i v et a s k s ) 机器人的控制体系结构币i 算 法以及传感信息的分析等。具体来既在机器人之间没有建立硅式通讯的条件下，如何利 用分布式控制方式实现多机器人系统的协作。这利1 分布式无通讯系统易于机器人的添加、 去除。多个机器人协作推箱( b o x p u s h i n g ) 的实验结果表明在不存在显式通讯和集中规划 器的条件一f ，尽管运行的结果不是一个最优解，但可以得到一个可行解。 ( 3 ) c o o p e r a t i v er o b o t , c s 实验系统。美国o a kr i d g e 国家实验室的l j y n n e e r a r k e r | 尊士在m l t 做i 尊士期间就在多a g e n t 协作、自主a g e n t 体系结构、多a g e n t 通讯 等方面做了许多工作 1 7 - 2 5 1 。在o a kr i d g e 国家实验室又带领一研究4 、组在咖作机器人学 方面做了许多工作，如人机协作、移动机器人协作、多a g e n t 协作、i i ia g e n t 体系等。 1 l 2 1 f i ( o f 究f 1 9m 作机器人是集成了感戋推理动作的智能系统，着重研究在环境未知且在任 务执行过程一i 、环境动态变化的情况下机器人如何协作完成任务。 ( 4 ) s o c i a 儿vm o b i l e 和，【h en e i dh e r d 实验系统。美国u s c 大学的学者如m a j aj m 。t a r i 。等在基于行为的多机器人协作方面做了许多工作陋2 引。他们采用自下而上的路 线，基于行为的方式研究分析、设计机器人群行为的突现，在多机器人学习群体行为胁 调与协作等方面玎展l 作。他们针对多机器人协调、协作建立的实验系统有s o c i a l l y m o b i l e 和1 _ h en e t d 】 1 e r d 。 另外，比较著名的多机器人系统还有日本学者a s a m a 等设计的a c t r e s s 2 卅系统和美 s j 玑辩披x | 7 - 坝j 学位论文绪论 国学嚣b e n i 等鹾究浚诗瓣s w a r m l 3 0 系统等。a c f r e s s 系统县赛较强瓣逮信戆力，其 一商觉争，的合作机制提供了机器人在需要时能获得其它机器人帮助的能力。s w a r m 系统怒t b ：多l i l l j 巍治瓶器人组成豹分布式系统，是一个纯粹静分布式同翻系统，其 特点是龙智能的机器人纽成系统后通过交互糍力呈珑f _ f = 群体帮能。 1 3 多鹫能体系统的磷究意义 陋菥| j _ = 界范围i _ ! ! f 的科学技术进少，机器人证以儿何级数的增长方式进入到人类生活 瓣各令镢壤，从无人驾驶壹秀援到塞速公爨。h 熬a g v ( a u t o m a t i eg u i d e dv e h i c l e ) ，扶工 、i k 生j “：线啪q 机器人习三臂到各式各样的娱乐帆器人和教学机器人，从低级智能到高级智 辘，麸i 算飘仿奏爨实际静实验系绕，穰器入麓发袋势头越来越猛。这为多餐辘藩撬器 人系统的理埝删 究与：e 程应刷提供了良好的平台。【! i 1 此多智能体机器人系统冉勺研究刁i 仅 具有限重要阳理论价德，衙鼠还具有非常重薅的现实意义。 将多智能体桃器人系统的硪究成果应用l ：军事领域，将能够犬 嚼度的掇高军队各种 作。 j l 装备的智能化程度，缩小研制与”发周期；应俐于城市交通靖艘领域，可以提商道 爨瓣综合剽别率，溅小交逶枣g 墙壤攀，提藏蘧大事馋瓣响应速度( 魄如火灾救援、交逶 事故处理、医疗救护簿) ；应用于工业控制领域，可以。l 二厂生产线的自动化程度，降低产： ；6 戎本，獾高，圭产效率等等。 本文以山东科技大学机器人与智能技术嘏点实骏塞的智能移动机器人为平台，在多 机器入控制与狲凋方衙做了一定渝研究工作。这些| ：作不 叉能够键邋实验室今磊在镭能 移动机器人方睡的_ f j 究* i u i ：拨，瞧能够为其他移动载体的控制与m 乍提供一必借鉴意义。 l 。| 本文所徽静王俸 多掇器，久滋侮潮趣，强戮蕊蹩多税嚣久系统淹餐能 亍为。尽管嚣壤餐了一些袋袋， 衄目前在这一领域的州究还越相当r 移j 期的，y i * 多硎f 究还局限_ 二概念性的研究，尚缺麓，2 格阳定义霸 公式化的猁划。一些仿真研究往往忽略了与感翔和驱动有关静实际目邋，在 雌没条件卜i 襁列的。成功”聚统，在实际环境。p 未必行。所以本课题以实验室中的四 台p i e e i 一2 机器人为j f 台，在实验室的环境中，从现实环境出发，进行了完全基予实 山东科技人举坝i ：学位沦艾绪论 物媳多彰l 器入捺馋豹醭究。； 二砉黾趣了一剃，基一l 二鬟中一分匆混台式具有是学习功辘麴多机 器人围捕算法：利用有限状态机原理，对围捕过程中机器人的围捕行为进行合理分解， 运用砉餮对定经获溆全秘僖怠算法，放两在潮臻避耩中探索_ 劳记暴嚣境稳惑，实瑷鼹疆生 环境的队识和熟悉，达到路径优化推理的目的。 7 旦型垫! ：堂! ! ! ! 堂坐堡兰 ! ：! ! ! ! ! ! 坚坐堡垒塑墨竺堑塑苎丝些坌堑 2p i o n e e r 2 机器人的系统结构与性能分析 2 1 机器人本体结构 2 1 1p i o n e e r 2 机器人简介 我们实验中所用的机器人是山东省机器人与智能技术重点实验室的列台p i o n e e 心智 能移z 曲机器人，如图2 1 所示。 叫台p i o n e e r 2 机器人分为a t 和d x 两种型号，各有两台。两种型号机器人的不同 之处t 要在于a t 型为室外移动机器人，为四轮驱动，所有轮予均采用汽车用充气轮胎， 摩擦力大，1 2 v 直流1 乜机驱动，每侧电机同步控制，并有同步带保证前后两个轮子的速 率完全一致，负载能力3 0 1 ( g ，越障能力1 0 c m ，推动能力1 8 k g ，d x 型为室内移动机器人。 为眄轮驱动，一个万向轮用以保址机器人的i 严衡，驱动轮为软橡胶轮胎，负载能力2 3 k g ， 越障能力2 5 c m ，推动能力6 k g 。 图21 p i ( m e e l 2a l 利d x 型机器人 f i 9 2 1 p i o n e e t 2r o b oll p ea tc q l i dd x 这心台机器人部配备r 机载计算机，两种型号的计算机基本配置完仝一样，如下表 所示： 表2 i p i o n e e r 2 机器人计算机肇本配置 l h b l e 2 fp i o n e e r 2r o b o t sb a s i cc o f i g u r a t i o l t i 手板 v s b c 一6 9嵌入式单扳机主板，以太网接f 1 、p c i 0 4 + 总线、集成 i c p u a m i ) 主频4 0 0 m i t z i 硬指 i o g东芝笔记本馁盘 l b 东利技人学 i | j i + 学位论文p i o n e e r 2 机器人的系统结构与性能分析 内存 1 2 8 m p c l 0 0 1 3 3s d r a m 硅仁集成在主板上 操作系w i n d o w m e 英文版 2 1 2p i o n e e r 2 机器人传感器配置 l “j 二i 坷种型号的机器人其j i ：j 途不同，凶此其传感器配置也稍有不i 司，主要就是a t ，怛配簖丁g p s ，d x 型配备了激光扫描仪，其他周边设备和传感器配置基本一样，如表 2 2 所示： 表2 2p i o n e e r 2 机器人的周边设备平| l 传感器配置 t a b l e 2 2p i o n e e r 2r o b o t sa c c e s s o r i e sa n ds e n s o r sc o n f i g u r a t i o n 无线列卡l u c e n t 公司的o r i n o c ng o l d1l m 无线网卡 网r 适配研扬i ，c 1 0 4 + 总线的p c m c i a 卡适配器 网卡天线 l t i o or h 公司的2 5 d b 增益无线网卡天线 视频捕获 m a g i n a t i o n 公司的p c i 0 4 + 总线p x c 2 0 0 视频采集卡 摄像头s o n y 公司的e v 一d 3 0 双自由度云台控制摄像头 激光扫捕德国s i c k 公司的l m s 半平面扫描仪，i o m m 精度 g p s1 i i m b l e 公司的a c e1 1ig p s 接收板，p c i 0 4 + 总线 罗盘 p r e c i s i o nn a v i g a t i o n 公司的v e c i o r2 x g 电子罗盘模 声纳环集成8 个超声波换能器，每个机器人前后各有两个 碰撞环每个机器人都配备个后碰撞环，可检测5 个位置 抓手双自由度抓手，最大必持总量2 k g ，最大升降距离9 c m 机器人l ：的配件和传感器可以根据实验的需要自行拆卸，随意配置。实验中最常用 的是摄像头、激光传感器、声纳测距仪。 煳2 2s o n ye v i d 3 1 摄像头 f i g2 2 s o n ye v i d 3 l c a m e r a 9 山东利披大学坝l 学位论义p i u n e e r 2 帆器人的系统结构与性能分析 摄像头( c a m e r a ) 每个机器人都配有s o n y 公司的彩色摄像头e v id 3 1 ( 如图2 3 所示) ，该相机具有 水i l 摆动和垂直摆动以及焦距调整功能，非常适合作为机器人的视觉传感器。表2 。3 为 其参数： 表2 3 s o n ye v i - d 3l 摄像头的参数表 图像传感 器 1 3 ”i t c c d 有效像素 7 5 2 ( 、i - i ) x5 8 5 ( 、v ，) p a l 水平解析 4 5 0 t v l i n e s ： 度 垂直解析 度 4 0 0 t vj i n e s 焦距 1 2 xz o o m f = 5 4 6 4 8m m ，f = 1 8 2 7 水平视角 4 8 8d e g r e e s ( w i d ea n g l e ) 一4 3d e g r e e s ( t e l e p h o t o ) 垂直视角3 7 6d e g r e e s ( w i d ea n g l e ) - 3 3d e g r e e s ( t e l e p h o t o ) 最d , n 度71 h x f 1 。8 摆动角度 9 5d e g r e e s ，m a x8 0d e g r e e s s e c o n d 俯仰角度 + 2 0 d e g r e e s ， m a x5 0d e g r e e s s e c o n d 重量 1 2 k g 摄像头采集到的图像经过视频捕获 将视频信号转换成数字图像以便计算机处理。 p i o l l e e f 2 采州的p x c 2 0 0 精密彩色图像捕获卡是i m a g i n a t i o n 国际公司生产的一种高性 能的视频捕获p ，它除了一般捕获卡共同具有的特性外，还提供了丰富的库函数。这些 函数都是一些非常经典的数字图像处理的基本方法，5 比如边沿提取、色彩分解等。这大 大方便我t f l l 1 9 图像处理工作。如，在目标识别中，就是通过库函数获得某像素的r o b 值， 然后将色彩转换到i i s i 空间，再对存在于某一闽值范围内的像素进行跟踪，这样就可以 实现机器人对e i 标的识别操作。该摄像头有两种控制方式一遥控器控制和串口通讯控 制，两利r 方式保证可轻松实现对摄像头的控制，摄像头与控制器通过串口的连线图和通 l 办分别女u 隆f2 r 和图2 4 序，示 山东科救人学f i | i | i 学位论文i o n e e r 2 机器人的系统结构与性能分析 p a l l 盯l i t e rc a m e r ai 图2 3 摄像头通过串口与控制器连接图 f i g2 3v i e w o fi n o s c u l a t i o no fc p ua n do a l l l e f f d 通讯规范( r s 一2 3 2 c ) 通讯速度：9 5 0 0b p s 丌始位：l 结束位：1 数据位：8 奇偶校验n o n e 恨乳前鸯舶型 共 潇 竹； 消息内睿封崩标志 y f 通讯怫谊 i 3 卷)m 窜耩 图2 4 摄像头与控制器通讯 办议 f i g2 4p r o t o c o lo fc o l n m t l n i c a t i o nf o rc a m e r aa n dc p u b e 纯8 黝 山尔利披人学吲。l 学位论文p i o n e e r 2 机器人的系统结构与性能分析 激光扫描仪( l a s e l r a l l g ef i n d e r ，l r f ) 图2 5s i c kl m s 2 0 0 激光扫描仪 f i g u r e 2 5 s i c kl m s 2 0 0l a s e rl | a n g ef i n d e r 激光扫描仪( l a s e rr a n g ef i n d e r ，l r f ) 又称作激光雷达，每个d x 型机器人上都 装有一台德国s i c k 公司的l m s 2 0 0 型激光雷达( 蓟i 图2 5 所示) ，这种雷达具有比较好 的性能价格比，应刚起来也比较方便。它升i 仪提供f 功能完善的控制软件，还提供了丰 富的二次丌发函数( c 语言) 。 s i c kl m s 2 0 0 激光扫描仪性能参数如表2 4 所示： 表2 4l m s 2 0 0 激光扫描仪的性能参数表 1 ，a b l e 2 4 l m s 2 0 0 【j a s e t r a n g ef i n d e rs p e c i f i c a t i o n s 测量范围最大1 5 0 m 扫描角度1 8 0 。1 0 0 。 角度分辨率 1 0 0 。扫描：o2 5 。o 5 。1 。，1 8 0 。扫描0 5 。1 。 反应时问 5 2 m s 2 6 n l s 1 3 m s 测量分辨率 l o m t n 数抓 接口 l 幅2 3 2 r s4 2 2 传输率 9 6 l9 2 3 8 4 5 0 0k i t 输入i t i 压 d c2 4 v 蕈量9 k g 声纳测距仪( s o n a rr in g ) 与激光扫描仪相比，卢纳测距仪应用更为广泛，缺点就是测量精度低，角度误差大。 ! ! 垒! ：! 丝：苎鲎堕! ! 鲎堡堕兰! ：! 竺望熙! ! 塑叁蝗墨竺塑塑童堡堕坌堂 其基本熔理和l r f 一样，都是采用“渡越时间( t i m eo ff 1 i g h l ) ”法来测量发剁点到反 射点的躐离，山于声纳的散射角很大，因此在对角度、方位要求较i 茼的场合它鼹不太适 台爨，但蹩翻予一般麴测量要求，毙如躲避障褥耪射，声皱教剩建大懿特犍反愆是一 牛 好事，可以让机器人在殿为宽广的区域慰都具有较高的灵敏度。 每令p i o n e e r 2 瓿嚣| 久都配备有嚣令声纳环( s o n a ra r r a y ) ，嚣嚣各一个。薄令声缩 环有8 个超声波换能器( 见凋2 6 ) ，6 个朝前( 或朝后) ，分别相隔2 0 。，另外两个朝 阳梳器入两侧。t t s - 二嵇互之闯可能出现窜扰( c r o s s t a l k ) ，因l | ：每个超声波换熊器必须 顺次发射接收，即上一个换能器检测完后下一个爿一能扁动检测。p i o n e e r 2 的声纳环发 射频率为2 5 t t z ，即每个捩能器从发射到接收的最氏时间为d o m s ，秒内每个换能器至少 有3 次发魅接收援会。 圉2 6p i o n e e r 2 砉嚏释太豹声编环 f i g u r e 2 6p i o n e e r 2r o b o ts o l l a ra r r a y 除了上面介绍的三种传感器以外，p i o n e e r 2 机器人还有很多其他的配件和传感器， 翔g p s 、c o m p a s s 、b u m p e r 等，出，纯妇缳本课题实验关系不大，因她不霉群述。 2 2p i o n e e r 2 机器人的控制软件 ： p i o n e e r 2 视器入被没计成一个反应式袈能髂孝几器人，宅在运芎i ：的时候作为一个服务 器，用户程序作为一个客户机，通过串| 1 或t c p i p 网络与之通信。 a e t i v m e d i a 公司援供7 周 二控铡p i o n e e r 2 瓿器a 的客户臻软搏s 撞p l 鞋l a ，它为捌 户提供了套用= 二创建客户端程序的库函数。这些库函数都具有与服务器通信并操纵服 务器静蘩本功麓，诧鲡囱舔务器发送命令，毂集帮l 器久傣感器静数裕； 二将它 | 、j 努毽，在翅 生篓墅垫璺堂蝗! ：堂缝堕= ! j ! ； ! ! ! ! ! ! ! 璺! ! 壁盎唑委堕笙塑! ! 堡墼坌塑 产鐾垮， ，爨示鬟 来等。豫藏之辩，s a 委l i r a 适爨禊了参t 嚣夫控瓣与睡惑器数据照嚣等窝缓 功能，也括模糊控制行为、基”1 ：地图的导航与注册系统。 s a p h i m 辩运嚣器鹾翔鞫2 ，7 联示，鲻中友逮羽密皤楚飘嚣人绩塞密烈，实i 蹲显示槛 器人的吾种信息，包捕：桃器人的状态、速度、能置、通信数掘包及其它信慰。 表边豹露 l 为鲻裸程鬻窗臼，强二：缭动态方式显幂穰耩入豹逮度簿l 秀两最声缡穗感 嚣梭测到的四阂嫁遐燃。一f 蘧媳瘸日称为c o l b e r t 交疆寰图，s a p h i r a 在冀中麓承器绞信 息，疆户如田以在疆谣输入命令，出c o l b e r t 解释器检查错误、解释并执行。在c o l b e r t 交：踅露，涮户 季强调入a c t i v i t y 文纷、浚交工佟嚣滚、连黢藏鞭j ；：辍器太g 受务器、痈 动溅停止一个a c t i v i l y 等。 酮2 7s a p hl 。8 运嚣器豫 f i g u r e 2 ：7s a p h i r ar u n t i m ei f i t o r f a c e s a p h i r a 的蹈构可以分为两层：系统层和控稍层。系统层( 如图2 8 所示) 集中了几 乎掰煮必霭麴遴蕊与疯屡装毒糕旁。它蓬一季| ，努效式蘸鹤，秘采瓣户怒编写巍己秘盛翔 程序而不慰涉及灰多n 勺幔l ， ：控制问题，那么可以充分利用系统层的“微任务处理器”与 “虢态浓瓣器”寒编写稷序。 用j 。异步程序肖两烈t ，第一种蹙s a p h i r a 蕊数库中的程序，饿撼一些小的予任务， 翔定位、避障。另种楚s a p h i l - a 函数霹巾鹃扩袋程序，稽采谤润穰器久的控翻系统； ! ! 堡! ! 丝点鲎塑! ：鲎堡堡苎 ! ：塑堡! 堡! ! 堡垒蝗墨竺笪塑! 壁堕! 磁 懑讯信息包包括传感器读数和电机的运动信息，s a p h i i a 支持传送命令绘帆嚣人和从机器 人叶t 接收信息的通信办泌；：陡态映剩器在用户计算机上反映机器人的状态，它难机器人 内部状态熬挞象，包籍钒器久瓣运动秘传惑器麴穗惠，以及其稳鬟重蠲户异步程序秘擞任 务有i | 二f j 的信息：同步微任务操作系统把个复杂的任务分解成糟千子任务，每个子任 务在备隈瓣时润内完藏菇靖步执幸：j ：。 酗2 8s a p h r a 系统层结构图 j j g u r c 28 s a p h i t a s y s t e m a i c t l i t e c t u l 。e 图2 9s a p h i r a 机器人控制层结构图 f i g u r e 2 9 s a p h l i a c o n t r o la r c h i t e e t u r e 系统层之i ：是机器人控制层，其结构框图如图2 9 所示。控制层涌箍了从电机、传 感器的低层擦制功能，刘路径麓翊与目标识剐润商层羟铡等多方面瓣功能，是一种开放 式结构，删户可以编写勃己的应朋程序来替换部分系统提供的功能程j 葶，或者添加新函 数与其他厢户共享。s a p h i r a 控制体系结构建立在状态映射器的上面。它包括系列在 室疼环境f 挽嚣移动辍器a 导燕莛联要求豹爨有微彳王务。淡有籀对凡姆空秘摸型媳健感器 溪数处理程序，也有匹配机器人状态的行为程序。直接电机挖制是最简单的控制机器人 豹方法，主要蹩在状态获辩器中游整祝潞人瓣透秘点( 速度i l 谴霪) 。摸糊控割弼来整翻 较为复杂的行为。c o l b e r t 语言执行器用来执行由c o l b e r t 语苦编译的复杂的搜索目标 的程序，窝1 讨：梳器久沿赘走廊蔼进而避免障碍物。注掰程序是保持帮t 器久在全弼地图巾 链嚣的处理程序。显示秘序显示客，机冉勺内部信息，渊试机器人纳控制程序。 山东刷技人学坝1 学位论文p i o n e e r 2 机器人的系统绐构弓 ：能分析 2 3 器机人的性能分析 为了充分了解机器人本体的性能和实验室环境下机器人所配带传感器的实际精 度，我们有针对性地做了以卜两个实验。 2 3 1 实验一：行走实验 我们做了一个让机器人前进2 0 0 0 m m 并年j j j l j 激光扫描仪和摄像头协同定位校正的实 验。i ：面足记录的二组数据，各有1 0 次，一组为期望数据，一组是原始数据，另一组是 使川同定位法校j f 后的数掘如表2 6 所示： 表2 6 机器人行走距离数据表 l2345678gl o ，卜均值误差 j | j 坦数据 2 0 0 ( j2 0 0 02 0 0 02 0 0 )2 0 0 02 0 0 02 0 0 02 0 0 02 0 0 02 0 0 0 原蚧数据1 8 8 21 9 0 21 8 8 61 8 7 51 9 1 8 8 61 8 8 l1 8 8 61 8 8 91 8 9 81 8 9 05 5 校i f 数据2 ( ) 1 52 0 3 62 0 1 520 l31 9 9 l2 0 6 22 0 1 22 0 1 72 0 0 51 9 9 22 0 1 50 7 5 从上表数据可以看出未经校j 卜的数据普遍小于期望数据2 0 0 0 r a m ，而经过校正之后的 数据普遍偏大。经过分析发现，这是出1 二机器人本体的惯性，地面的光滑度及编码器的 精度等原因造成的。然而校正后的误差小于0 1 ，还足l 叮以接受的。用m a q 、l a b 将以上 数w 图形化后如下图所示： 图2 1 0 距离校正实验结果 f i g u r e 2 10a d j u s td i s t a n c ee x p e r i m e n t 东科技人学f ! j ； i 学位论文 p i o n e e r 2 机器人的系统纳构与性能分析 2 3 2 实验二：激光扫描仪和摄像头性能综合测试与分析一一搬箱子实验 2 3 2 1 实验