（机械电子工程专业论文）吸尘机器人控制系统与路径规划的设计与研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 p i l l i 摘要 本文主要阐述了吸尘机器人控制系统的组成、软硬件设计原理，并对吸 尘机器人的路径规划进行了研究。 吸尘机器人控制系统采用两级多c p u 分布式控制结构，上位机控制系统 主要由a t 8 9 c 5 1 单片机组成，它负责接收传感器送来的信息，并根据这些信 息进行路径规划。下位机控制系统主要由a t 8 9 c 2 0 5 1 单片机组成，负责完成 传感器数据处理和步进电机驱动的功能。 依据吸尘机器人机械本体和工作性能，文中设计了基于单片机的控制系 统硬件电路，其中包括电机驱动电路、传感器的信号处理电路、通信电路等。 针对吸尘机器人的控制策略，采用了基于r s 一4 8 5 总线和m o d b u s 协议的通信 结构实现多机通信。采用c 5 1 语言编制了控制系统各部分的软件。 根据吸尘机器人遍历行走的特点和超声波传感器的特点，文中具体介绍 了环境地图的构建方法和基于环境地图的梳状遍历规划算法，并对该算法进 行了仿真实验。 关键词：吸尘机器人：单片机：路径规划 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h isp a p e ri n t r o d u c e st h ec o n t r o ls y s t e mo ft h e c i e a n i n gr o b o t ， i n c l u d i n gs y s t e mc o m p o n e n ta n dd e s i g np r i n c i p l e a tl a s ti nt h i sp a p e r t h ep a t hp l a n n i n ga b o u tt h ec l e a n i n gr o b o tis s t u d i e d t h ec o n t r o ls y s t e mi sc o m p o s e do ft w ol e v e l s t h et o p l e v e lc o n t r 0 1 s y s t e mc o n s i s t so fa t 8 9 c 5 1m c u ，w h i c hc a nr e c e i v ed a t as e n tb ys e n s o r s ， a n df i n i s ht h ep a t hp l a n n i n ga b o u tt h ec l e a n i n gr o b o t t h eb o t t o m l e v e l c o n t r o ls y s t e mc o n s i s t so fa t 8 9 c 2 0 5 1m c u ，w h i c hc a np r o c e s st h ed a t a o ft h es e n s o r sa n dc o n t r o ls t e p p i n gm o t o r s a c c o r d i n gt ot h em a c h i n ea p p a r a t u sa n dw o r kc a p a b i1it yo ft h e c 1e a n i n gr o b o t ，t h eh a r d w a r ec i r c u i t so ft h ec o n t r o ls y s t e mw i t hm c u h a v eb e e nd e s i g n e d ，w h i c hi n c l u d et h ed r i v ec i r c u i to fs t e p p i n gm o t o r s ， t h ec i r c u i tt od e a l w i t hs i g n a l so ft h es e n s o r s ，t h ec o m m u n i c a t i o n i n t e r f a c ec i r c u i ta n ds oo n t h ec o n u n u n i c a t i o ns t r u c t u r eb a s e do nt h e 4 8 5 b u sa n d t h em o d b u sp r o t o c o li sd e s i g n e dt o f u l f il lm u l t i m c u c o m m u n i c a t i o n t h es o f t w a r eo ft h em c ub a s e do nc 5 1l a n g u a g eh a sb e e n d e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ec o n t r o ls t r a t e g y i nt h i sp a p e rt h ew a y so fm a k i n gu pa ne n v i r o n m e n tm a pi si n t r o d u c e d a n daw a yo fc o v e r a g ep a t hp l a n n i n gi sg i v e n t h e nt h ea l g o r it h mi s e m u l a t e da n dt h et e s tr e s u l t sa r ea l s op r o v i d e d k e yw o r d s = c l e a n i n gr o b o t ：m c u ：p a t hp l a n n i n g 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。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 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 参玳 日期：翮r 年五月2 9 日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 题目的来源及研究意义 近年来随着传感器、控制、驱动及材料等领域的技术进步，机器人首次 在制造领域以外的服务行业，开辟了机器人应用的新领域。服务机器人的出 现主要有三大原因：一是劳动力成本的上升；第二是人类想摆脱枯燥乏味的 体力劳动，如清洁、家务、照顾病人：第三，人1 3 的老龄化和社会福利制度 的完善也为某些服务机器人提供了广泛的市场。服务机器人尽管有不同的应 用领域，但他们所从事的工作仅限于维护保养、修理、运输、清洗、保安、 救援、及数据采集方面。服务机器人区别于工业机器人的一个主要特征就是 服务机器人是一种适用于具体的方式、环境及任务过程的机器人系统，其活 动空间大，具有在非结构环境下的移动性，因此服务机器人大多数是移动机 器人f j l 。 吸尘机器人是自动进行房间地面清洁的家庭服务机器人，集机械学、电 子技术、传感器技术、计算机技术、控制技术、机器人技术、人工智能等诸 多学科为一体。吸尘机器人作为智能移动机器人实用化发展的先行者，其研 究始于2 0 世纪8 0 年代，到目前为止，已经产生了一些概念样机和产品。吸 尘机器人的发展，带动了家庭服务机器人行业的发展，也促进了移动机器人 技术、图像和语音识别、传感器等相关技术的发展。许多发达国家都将其作 为机器人研究的新领域加以重视。我国很多高校也在进行服务机器人技术的 研究，我们所开发的吸尘机器人，可以为进一步研究服务机器人的工作原理 和工作过程奠定一定的基础。并且还可以将其作为机器人学、机器人技 术及机电一体化系统设计课程及机械电子工程专业机电结合的综合教 学实验设备。通过实验，学生不仅可以在轻松愉快的氛围中充分理解相关课 程的专业知识，而且会很自然的从机器人的整体、从系统工程的角度参与实 i 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i 验，增加对专业知识学习的兴趣，拓宽知识面，寻找知识交叉点，培养其独 立丌展科学研究的能力。 1 2 吸尘机器人的研究现状 1 2 1 吸尘机器人的特点 吸尘机器人具有如下的特点：( 1 ) 吸尘机器人自带电源，小巧轻便、操 作简单、自主性强、具有很强的实用性。( 2 ) 吸尘机器人的工作环境主要为普 通家庭环境，也可以用于机场候机大厅、展览馆、图书馆等公共场所。环境 的共同特征为有限的封闭空间、平整的地板以及走动的人员，因此可以归结 为复杂多变、结构化的动态环境。所以环境适应性是对此类机器人的基本要 求。( 3 ) 吸尘机器人的任务是清扫地面，工作的对象是地面的灰尘、纸屑以及 其他一些小尺寸物体，而大尺寸物体不作为吸尘机器人的处理对象。考虑到 安全因素，吸尘机器人必须对人及家庭物品等不构成任何危害，同时吸尘机 器人还必须具备自我保护的能力。 1 2 2 国外吸尘机器人的发展现状 目前在美国、日本、韩国、欧洲等发达国家，如伊莱克斯、e l 立、松下、 三星等世界著名公司都已开发出智能吸尘机器人。 如图1 1 所示，这款名为“三叶虫”的吸尘机器人是瑞典家电公司伊莱克 斯经历1 2 年之后推出的世界第一台具有完全自主能力的吸尘机器人。“三叶 虫”启动后，先沿着墙壁把地面四周的灰尘及异物吸尽，同时对房间进行学习， 计算出清扫整个房间的时间；清扫时，主要采用随机规划模式，使用超声波传 感器进行障碍物的检测，探测到障碍物时自动避开并重新选择路线进行清扫。 当电量不足时，“三叶虫”会自动回到充电座自行充电。如果此时房间还没有 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 清扫完毕，“三叶虫”还有记忆功能，充好电后自己回到原处继续清扫。用户 可以采用磁条来限制“三叶虫”的行动范围，保护机器人不会进入危险区域， 比如火炉、楼梯等区域。 图1 1 三叶虫吸尘机器人图1 2r o o m b a 吸尘机器人 图1 2 所示的“r o o m b a ”是由i r o b o t 公司开发完成的家用机器人。 “r o o m b a ”提供三种清扫模式：s 模式，清扫约3 4 平方米，工作2 0 分钟；m 模式，清扫约6 - 7 平方米，工作3 0 分钟；l 模式，清扫约8 平方米以上，工 作4 0 分钟。设定清扫模式以后，“r o o m b a ”以螺旋状路线运转，以碰撞方式进 行障碍物检测。一旦碰到障碍物，“r o o m b a ”就沿着障碍物前进，经过一定距 离以后“r o o m b a ”会转动9 0 。并重复上述过程。如此交替重复，直到清扫结 束并自动停止。采用“虚拟墙”发射红外线来产生一个虚拟的墙壁，可以限制 机器人的活动范围。“r o o m b a ”具有高度环境适应性，可以游走于家具缝隙间， 动作灵巧快捷。在除尘结构的设计上，“r o o m b a ”独具特色，除了真空吸口外， 底部的旋转滚刷以及侧面的旋转毛刷，都可以增强吸尘能力，弥补吸尘功率的 不足。此外，它还具有污物探测功能，可根据房间地面的具体情况进行有重点 的清扫。 图1 3 为日本日立公司2 0 0 3 年5 月展示的一款可自动为房屋进行真空吸 尘的机器人，产品的预定售价约合人民币1 3 5 万元左右。它的机身尺寸为直 径2 5 c m 高度1 3 c m ，重4 k g 为世界最小的吸尘机器人。行走速度最快为 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 4 0 c m s 。打扫面积为l o 平方米的房问约需1 0 分钟( 障碍物设想为3 个) ，可 用遥控器或机身按钮进行操作。吸尘机器人机身上安装了c c d 相机，这样就 能够利用手机通过家用电脑浏览吸尘情况。吸尘机器人打扫完毕后，会自动 进入“充电兼垃圾回收站”，在这里进行充电，以及倾倒收集的垃圾。吸尘 机器人机身下部设计了一个最大可自动伸出5 c m 左右的“可动吸尘口”，机 器人走到房间的角落后可动吸尘口就能够自动伸出，把角落打扫得千干净 净，不留死角【2 】【8 。 图i 3 日立公司生产的吸尘机器人 图1 4 吸尘机器人v c - - r p 3 0 w 图1 4 是韩国s a m s u n g 公司发布的最新吸尘机器人v c - - r p 3 0 w 。这个机 器人采用最新的3 d 地图映射技术来确定自己的位置，使用者可以通过任何一 台连接到i n t e r n e t 的计算机来控制家里的机器人。还可以通过安装在机器人 哈尔滨工程大学硕士学位论文 上的摄像头来随时查看家里的情况。v c - - r p 3 0 w 上拥有自动充电装置，当机 器人检测到自己的电力不足的时候，它会自动到充电装置进行充电，一旦充 电完成，它会自动执行刚才未完成的工作。在完成清洁功能的同时，v c r p 3 0 w 同时还能释放负离子，来净化空气，等于是一个移动的空气清新器。这个机 器人造价为3 0 0 0 美元左右。 1 2 3 国内吸尘机器人的发展现状 在国内，哈尔滨工业大学于9 0 年代开始致力于这方面的研究，先后承担 了国家8 6 3 高科技计划资助项目高楼壁面清洁爬壁机器人和玻璃墙壁面 清洁爬壁机器人的研究工作，成功地完成了样机的研制工作。这种爬壁机器 人，采用负压吸附原理利用吸盘吸附于壁面，它速度可调，爬行灵活，通过 遥控可在地面上观察机器人的运行情况。另外，哈尔滨工业大学与香港中文 大学合作，联合研制开发出一种全方位移动清洁机器人。这种机器人采用全 方位轮实现任意方向的移动，具有实时避障的功能，开放式机器人的控制结 构，实现了硬件可扩展，软件可移植的功能，提高了机器人的适应性。 浙江大学于1 9 9 9 年初在沥江大学机械电子研究所开始进行智能吸尘机 器人的研究，两年后设计成功国内第一个具有初步智能的自主吸尘机器人。 这种智能吸尘机器人工作时，首先进行环境学习：利用超声波传感器测距， 与墙保持一定距离行走，在清洁这些角落的同时获得房间的尺寸信息，从而 决定清扫时间；之后，利用随机和局部遍历规划相结合的策略产生高效的清 扫路径；清扫结束以后，自行回到充电座，补充电力。吸尘机器人在5 5 x 3 5 一 的实际家庭环境中，工作1 0 分钟可以达到9 0 以上的覆盖率。更大房间的清 扫试验还没有进行。目前，系统正在引入机器视觉和全局定位功能，力图在 多房间环境下，提高自定位能力、智能决策能力以及回归充电效率，最终提 高清扫效率。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 3 吸尘机器人的关键技术 吸尘机器人系统通常由4 个部分组成：移动机构、感知系统、控制系统和 吸尘系统。随着近年来计算机技术、人工智能技术、传感技术以及移动机器 人技术的迅速发展，吸尘机器人控制系统的研究和开发己具备了坚实的基础 和良好的发展前景。目前发展较快、对吸尘机器人发展影响较大的关键技术 是：路径规划技术、多传感器融合技术、定位技术、吸尘技术等。 ( 1 ) 路径规划技术 路径规划其实质就是移动机器人运动过程中的导航和避障。机器人的工 作环境可分为静态结构划环境、动态已知环境和动态不确定环境。自2 0 世纪 7 0 年代研究以来，移动机器人的路径规划按机器人获取工作环境信息的方式 不同，大致分为三种类型：基于模型的路径规划，主要处理结构化环境， 规划方法有栅格法、可视图法、拓扑法等；基于传感器信息的路径规划， 主要用于非结构化环境，克服环境条件或形状无法预测的因素，方法有人工 势场法、确定栅格法和模糊逻辑法等；基于行为的移动机器人路径规划是 移动机器人路径规划问题研究中的新动向，就是把导航问题分解为许多相对 独立的单元即行为基元，如避障、跟踪、目标制导等。随着计算机技术和传 感器技术的发展，多传感器集成与信息融合技术在智能机器人上获得了广泛 的应用。基于多传感器信息融合的移动机器人的避障策略及其路径规划技术， 成为了机器人技术发展的重点。 ( 2 ) 多传感器融合技术 要保障吸尘机器人正常工作，就必须对机器人的位置、姿态、速度和系 统内部状态进行监控，同时还要感知机器人所处工作环境的静态和动态信息， 因此每个吸尘机器人都采用了大量的传感器，通过对大量的传感器观测信息 进行融合处理，机器人可以获得最大量的外部环境信息。多传感器融合技术 的优点就是在同样的观测条件下，可以协调使用多个传感器，把分布在不同 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 位景的多个传感器所提供的局部不完整观测量及相关数据库中的相关信息加 以综合，消除多传感器间存在的冗余和矛盾，并加以互补，降低不确定性， 从而获得对物体或环境的一致性描述，这些都是任何单一传感器所无法获得 的。运用多传感器融合技术对提高移动机器人定位、障碍物识别、环境建模、 避障的精度等都具有重要作用。多传感器融合技术的主要方法有：k a l m a n 滤 波法、b a y e s 估计法、统计决策法、d - s 推理法、模糊逻辑法等。 ( 3 ) 定位技术 定位是移动机器人另一个基础而重要的课题。定位是指机器人对自身位 置的估计，包括位置( x ，y ) 和方向口的估计。已知环境地图的定位易于解决， 但在完全未知环境下，定位具有很大的难度，目前存在3 种方法，一种是利 用编码器、陀螺仪等传感器计算单位时间内机器人的方位变化，并不断累计， 从而实时获得方位信息。这种方法不能消除累计误差，即使使用诸如卡尔曼 滤波器等方法进行传感器融合，也不能根本解决这个问题；另一种方法是对 前一种方法的扩展。这种方法引入外界信标，来清除航位推测系统的累计误 差。第三种方法是将定位问题与环境感知、环境建模紧密结合起来，独立于 具体的工作环境。但是地图的信息也来源于传感器信息和定位信息，这使得 定位与环境建模形成了复杂的关系。在实现上，定位与环境建模同步进行， 相互依赖，所以系统必须具有从现有地图中确立自身位置以及辨识新区域、 实时融入新区域等功能。 ( 4 ) 吸尘技术 传统的真空吸尘器是由高速旋转的风扇在机体内形成真空从而产生强大 的气流，将尘埃和脏物通过吸口吸入机体内的滤尘袋内。吸尘系统包括滤尘 器、集尘袋、排气管以及其它一些附件，其吸尘能力取决于风机转速的大小。 最近，己开发出采用新原理的气流滤尘器。这个吸尘器是一个全封闭系统， 既无外部气体吸入，也无机内气体排除，所以就无需滤尘器、集尘袋、排气 管等附件。其原理是利用附壁效应去形成低压涡流气体，最后将沉渣截留于 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 吸尘器内的涡流腔内。另外，还有基于静电吸附原理的静电吸尘器。这些吸 尘器体积小，重量轻，更适合吸尘机器人应用 9 1 【1 3 】。 1 4 论文主要完成工作 本课题主要内容是对吸尘机器人的控制系统及路径规划进行研究。课题 主要研究内容如下： 1 机器人系统组成 a 机器人的移动机构方案选择 b 单片机控制系统的组成 2 控制系统硬件部分 a 上位机控制系统 b 下位机控制系统 3 控制系统软件部分 a m o d b u s 通信协议软件的设计 b 路径规划算法设计 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章机器人系统的组成 2 1 机器人移动机构方案选择 机器人移动机构按其结构可分为轮式、履带式、步行方式或其他方式。 轮式和履带式机器人适合于条件较好的路面，而步行机器人则适于条件较差 的路面。轮式移动机构运动平稳，自动操纵简单，最适合平地行走，在无人 工厂中，常用来搬运零部件或做其他工作，应用最广泛。本课题中的机器人 为吸尘机器人，一般用于室内，所以采用轮式。 ( c )( d ) 图2 1机器人移动机构方案选择 普通的轮式移动机构一般有三个轮、四个轮或六个轮，其转向装置的结 构通常有两种方式： 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 铰轴转向式：转向轮装在转向铰轴上，转向电机通过减速器和机械连杆 机构控制铰轴，从而控制转向轮的转向。 2 差速转向式：在机器人的左、右轮上分别装上两个独立的驱动电机， 通过控制左右轮的速度比实现车体的转向。在这种情况下，非驱动轮应为自 由轮。 据上所述，轮式移动机器人通常有以下几种可选方案： 1 三轮铰轴转向式：如图2 1 ( a ) 所示，轮1 为铰轴转向轮，它同时也可 以作为驱动轮。如果l 作为驱动轮，可将轮2 或轮3 之一作为驱动轮。 2 三轮差动转向式：如图2 1 ( b ) 所示，轮1 为随动轮，它可以自由转动， 轮2 和轮3 都是驱动轮。 3 四轮铰轴转向式：如图2 1 ( c ) 所示，轮1 和轮2 为转向轮，它们之间 有同步轮转向连杆，轮3 或轮4 为驱动轮，转向通过转向电机来实现。 4 四轮差动转向式：如图2 1 ( d ) 所示，轮1 和轮2 为自由轮，轮3 和轮 4 分别由不同的电机来驱动，以实现差动转向。 四轮的稳定性好，承载能力较大，但结构较复杂。三轮移动机构结构最 简单，控制最方便。三点确定一个平面，三轮支撑理论上是稳定的。然而， 这种装置很容易在施加到轮1 的左右两侧力f 作用下翻倒，因此，对负载有 一定限制。但对采用三轮移动机构的机器人来说，重心都比较低，载荷稳定 且中心位置基本不发生变化，所以三轮移动机构能满足要求。铰轴转向式控 制简单，但精度不是太高。差动转向式控制较复杂，但精度高。考虑到吸尘 机器人在移动和避障时，其运动和转向的精度要求较高，所以本课题采用三 轮差动转向式。 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 步进电机的选择 2 2 1 步进电机驱动的特点 步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移( 或线位移) 的机电元件。对 这种电机施加一个电脉冲后，其转轴就转过一个角度，称为一步：脉冲数增 加，角位移( 或线位移) 就随之增加，脉冲频率高，则步进电机旋转速度就高， 反之就低；分配脉冲的相序改变后，步进电机的转向则随之而变。步进电机 的运动状态和通常匀速旋转的电动机有一定的差别，它是步进形式的运动， 故也称其为步进电动机。 步进电机有其独特的优点，归纳起来主要有： ( 1 ) 步距值不受各种干扰因素的影响。简而言之，转子运动的速度主要取 决于脉冲信号的频率，而转子运动的总位移量取决于总的脉冲个数。 ( 2 ) 位移与输入脉冲信号相对应，步距误差不长期积累。因此可以组成结 构较为简单而又具有一定精度的开环控制系统，也可以在要求更高精度时组 成闭环控制系统。 ， ( 3 ) 可以用数字信号直接进行开环控制，整个结构简单廉价。 ( 4 ) 无刷，电动机本体部件少，可靠性高。 ( 5 ) 控制性能好。起动、停车、反转及其他运行方式的改变，都在少数脉 冲内完成，在一定的频率范围内运行时，任何运行方式都不会丢步。 ( 6 ) 停止时有自锁能力。 ( 7 ) 步距角选择范围大，可在几度至1 8 0 。大范围内选择。在小步距情况 下，通常可以在超低速下高转矩稳定的运行。 2 2 2 步进电机的主要参数及性能指标 1 相数m 哈尔滨工程大学硕士学位论文 电机卜独立成系统而存在的回路个数即是相数。步进电机的相数可以为 任意数，通常脚为2 ，3 ，4 ，5 ，6 。 2 步距角口 在不带任何减速装罨的情况下，输入一个脉冲信号，步进电机所转过的 机械角位移即步距角。 3 距角特性 步进电机静转矩和失调角的关系称为矩角特性。静转矩是指步迸电机转 子静止时，控制绕组通以直流电，由失调角( 定转子齿中心线间夹角) 的存在 而引起的电磁转矩。当绕组内电流不变时，静转矩随失调角在一个齿距角范 围内变化一个周期，在近似分析中视距角特性为正弦曲线。 4 最大静转矩n 即距角特性上最大电磁转矩值。它的值取决于绕组内电流的值，及通电 相数【1 4 】。 2 2 3 步进电机功率的确定 在进行驱动电机功率确定的时候，我们只考虑机器人在水平路面做直线 运动的情况，并且轮子变形、地面打滑、空气阻力等因素忽略。主动轮的受 力如图2 2 所示： 图2 2 驱动轮受力图 1 2 m 屯r d i j d 等( 2 - 2 ) 其中j 。为驱动轮的转动惯量。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 义由v = t o 可得 尘：_ d o ) d ( 2 3 ) d l“m 具中，为军轮的半径。 由式( 2 - 1 ) ，( 2 - 2 ) ，( 2 - 3 ) 得 日= 等巾。+ 了j d d v r y d t ( 2 _ 4 ) 0 由从动轮的受力分析可得： f ：一f e = m c 五d v ( 2 - 5 ) c = jc 百d o ) c ( 2 - 6 ) 又 尘：一一d o ) c ( 2 7 ) 所以由( 2 - 5 ) ，( 2 - 6 ) ，( 2 - 7 ) 得 c 如。+ 罢 ( 2 _ 8 ) 对驱动轮和从动轮受力分析完后下面分析车体受力，如图2 4 图2 4 车体受力图 图2 4 中，小，为除车轮外车体的质量。根据受力可以得到 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 日一c = m 面d v ( 2 - 9 ) 由式( 2 4 ) ，( 2 - 8 ) ，( 2 - 9 ) 得： 等= l ( 2 m d + m c + m j + 等+ 了j c ，瓦d v 其中机器人的总质量为2 m d + m 。+ m ， 根据所要求的机器人的加速度，我们可以估算出所需要的驱动力矩m 的 大小。根据所要求的运行速度，并且考虑传动效率以及安全情况，可以确定 所需电机的功率大致为： j p ：删j l( 2 一1 1 ) 0 叩 式中，世为安全系数。 综合以上的考虑，吸尘机器人选用的驱动步进电机型号为： 5 7 b y g h 3 1 1 - 0 1 ，此型号的步进电机为两相混合式步进电机，它的最大静转矩 为15 k g c m ，步距角为l _ 8 。 2 3 传感器的选择 2 3 1 机器人传感器的选择依据 机器人通常采用的传感器分为内部传感器和外部传感器，其中内部传感 器有编码器、线加速度计、陀螺仪、磁罗盘等，用于控制和监测机器人本身； 外部传感器包括视觉传感器、超声波传感器、红外线传感器、接触和接近传 感器等，用于感知外部环境信息。 选掸机器人传感器应当完全取决于机器人的工作需要和应用特点，对机 器人感觉系统的要求是选择机器人传感器的基本依据。机器人对传感器的一 哈尔滨工程丈学硕士学位论文 般要求是： ( 1 ) 精度高、重复性好。机器人传感器的精度直接影响机器人的工作质 量。用于检测和控制机器人运动的传感器是控制机器人定位精度的基础。机 器人是否能够准确无误地正常工作，很大程度上取决于传感器的测量精度。 ( 2 ) 稳定性好、可靠性高。机器人传感器的稳定性和可靠性是保证机器 人能够长期稳定可靠地工作的必要条件。 ( 3 ) 抗干扰能力强。有时，机器人传感器的工作环境可能是比较恶劣的， 机器人传感器应当能够承受强电磁干扰、强振动，并能够在一定的污染环境 中j 下常工作。 ( 4 ) 质量轻、体积小、安装方便可靠。对于安装在机器人运动部件上的 传感器，质量要轻，否则会加大运动部件的惯性，影响机器人的运动性能。 对于工作空间受到某种限制的机器人，对体积和安装方向的要求也是必不可 少的。 、 ( 5 ) 价格便宜。 本课题中根据吸尘机器人对避障和吸尘的工作要求，采用超声波传感器 和红外线传感器，下面就分别描述它们的特点和优点。 23 2 对所选传感器的描述 ( 1 ) 超声波传感器 2 0 k h z 以上频率的声波称为超声波，这种声波人耳听不见，超声波的波 长较短，近似作直线传播，在固体和液体媒质内衰减比电磁波小，能量容易 集中，可以形成较大强度，产生激烈振动，并能引起很多特殊作用。超声波 测距原理并不复杂。发射探头发出的信号碰到目标后产生反射，再由接收探 头接收回来，根据接收与发射之间所需要的时间以及声速，就可确定发射探 头到目标的距离。在温度为2 0 ，气压在1 0 1 3 k p a 的条件下，声速v 、约为 3 4 3 5 m s 。假设五为波长，则有2 = 厂。p 受空气温度的影响很大，而受 1 6 哈尔滨工程人学硕士学位论文 气压的影响较小。因此超声波在测距时应该考虑温度的影响，此时超声波的 传播速度v ，可以用下式表示： v = 3 3 1 5 + 0 6 t ( m s )( 2 - 1 2 ) 这里之所以选用超声波传感器，是因为超声波传感器不仅能够探测到障 碍物的存在，而且能够测出障碍物和机器人之间的距离，为吸尘机器人对障 碍物危险等级的划分提供了依据。再有，与光学传感器相比，超声波传感器 不受环境中光线变化的影响，而且它还能够探测出障碍物的立体形状。 ( 2 ) 红外线传感器 红外传感器工作原理与超声波传感器类似，同样采用发射固定波长红外 线并接受同一回波的主动方式，它探测视角小，方向性强，测量精度高、反 应速度快，探测距离比较近，可以作为吸尘机器人的碰撞传感器。用红外线 作碰撞传感器的优点在于，在检测到障碍物前，机器人实际上并不与任何物 体碰撞，这使机器人损坏的几率大大降低。但其缺点是受环境影响较大，红 外探测头，稍被灰尘污染，其测量精度就会大大下降。 2 4 控制系统总体结构 计算机控制系统有三种结构：集中控制、主从控制和分布式控制。集中控 制是用一台功能较强的计算机实现全部控制功能。在早期的机器人控制中多 采用这种结构，但是这种控制结构维护困难，不易进行系统的扩展。随着计 算机技术的进步和机器人控制质量的提高，集中式控制已不能满足需要，取 而代之的是主从式控制和分布式控制结构。分布式控制常用于机器人的多传 感器融合技术或多关节控制中，即由上一级主控制计算机负责整个系统的管 理以及坐标变换和路径规划运算等，下一级由许多微处理器组成，每一个微 处理器负责传感器数据的处理或机器人关节的驱动。它们平行地完成任务， 因而提高了工作速度和处理能力。这些微处理器和主控机之间的联系是通过 总线形式构成的，这种结构易于系统的扩展和维护。 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 r r | a _ 单片机i j 红外传感器 。”i 一j | 上 位 机 下研一降；舛一蕊 l j 一。 一 - 1 发送 匦 图2 5 控制系统的总体结构框图 实验中为了实现比较理想的控制，采用两层多c p u 分布式控制结构，总 线的物理层采用r s 一4 8 5 总线标准。上位机控制系统主要由8 9 c 5 1 单片机组成， 负责完成控制算法处理、传感器信息融合和总体协调等功能：下位机控制系 统采用多个8 9 c 2 0 5 1 单片机作为微处理器，主要完成电机驱动、红外传感器 信号处理、超声波传感器信号处理并实现和上层控制系统通信的功能。可将 控制系统分成几个层次模块，每个模块完成不同的特定功能，最后在上位机 控制系统的统一协调下共同工作。在此基础上，结合柔性体系结构思想，采 用分层递阶式结构，其原理框图如图2 5 。 2 5 控制系统总线结构 r s d 8 5 总线是美国电气工业联合会制定的利用平衡双绞线作传输线的 多点通讯电气接口规范，是为了弥补r s 一2 3 2 的不足提出来的，它改进了 r s 一2 3 2 通讯距离短和速率低的缺点，采用差分信号进行传输，最大传输距离 可达1 2 k m ，最多可连接3 2 个驱动器和收发器，若加4 8 5 中继器还可以扩展， 具有多站能力；接收器最小灵敏度达2 0 0m v ，最大传输速率达2 5 m b s 。 r s 一4 8 5 是针对远距离、高灵敏度、多点通讯制定的标准，可以利用单一的 r s 一4 8 5 接口方便地建立起设备网络。r s 7 4 8 5 总线实质上只规定了平衡驱动器 l r 哈尔滨工程大学硕士学位论文 和接收器的电特性，而没有规定插件、传输电缆以及通信协议，它只是对应 丁通信模型中的物理层。如图2 6 所示，在本课题控制系统中，采用r s4 8 5 总线和m o d b u s 协议来实现通信，r s 4 8 5 作为物理层实现上位机和下位机的 连接，而m o d b u s 协议规定了数据传输的格式，使得上位机和下位机间的通信 变得协调有序。在进行通信时，上位机根据事先为下位机分配好的地址，向要 通信的f 位机发送地址代码和功能代码，被选中的下位机发送回应消息，并 把自己的地址放入回应的地址域中，上位机就知道是哪一个终端的回应。上 位机根据这些回应的数据进行机器人的路径规划，然后向电机发送指令，从 而实现机器人的避障运动。在机器人控制系统中应用r s - 4 8 5 总线可以形成控 制系统的分布式结构，易于控制系统的扩展和维护。 图2 6r s - 4 8 5 总线的网络结构 2 6 机器人运动学分析 自主吸尘机器人的移动机构采用图2 1 ( b ) 所示的三轮机构，两轮采用 步进电机驱动。令位姿矢量x = g ，y ，目) 7 ，速度控制矢量u = ( 吃，咏) 7 ，屹、 分别为小车的左、右轮的平移速度，w 为小车左、右轮间的距离，则机器 1 9 x ：釜；口7 2c 。s 口7 2 = i c o s 0 2c s ；o i s 二o ；z 2 - l 8 ( o ) u s i n 0 2s i n 0 2u s i n 0 2 i l z j c2-13w1 w1 w ，x = = li = i s i n 口2i l ：j() l 一1l 一1 r 刈 假设以下基本条件成立【1 5 】： ( 3 ) 机器人车体有关参数，如左右轮直径的d 。和d 。，左右轮间距w 在 y ox 图2 7 机器人方位坐标图 机器人车体方位计算总体坐标系见图2 7 。o 点为车体位置参考点，车体 中心线o a 与总体坐标系x 轴的夹角口( r ) 代表车体的方向，o 的坐标 ( o ) ，j ，o ) 和口o ) ) 代表了车体的方位。在车体左右轮不发生侧滑的情况下， 车体方位与左右轮运动速度圪( f ) 和( f ) 具有如下关系： 2 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 掣= 圭眦o ) + 咖s p ( f ) ( 2 - ，a ) 于是有 掣= 圭眦o ) + 删s i i l 臼( f ) 掣= 专畋o ) 一圪( ) 】 ( f ) = ( f 。) + f 妻眵( f ) + v ( o c o s o ( , ) a r 1 ” 砖) = y ( ，。) + f 扯( ，) + n o o ) a r ( 2 - 1 5 ) ( 2 一1 6 ) ( 2 - l7 ) f 2 1 8 ) 臼( f ) = 臼“) 十f 古畎o ) 一( f 册( 2 - 1 9 ) 根据采样信息，通过以上各式的积分关系可计算出车体方位x ( f ) ，y o ) 和 o ( 4 。在车轮纯滚动情况下，可以实现车体方位的推算。设d 为车轮直径， 因此车轮行进的距离岛为 。 & ：a = - ：d ( 2 - 2 0 ) 设步进电机的步距角为酿，当单片机发出m 个脉冲时，车轮转过的角度为 a = m 最r a d ( 2 - 2 1 ) 由于信息的采样是周期性的，故式( 2 - 1 7 ) 、( 2 - 1 8 ) 、( 2 - 1 9 ) 可改写为 k ，= x n + r 批o ) + 珞( f ) 1 c o s 曰( f 枷( 2 - 2 2 ) l ：+ i - e + r 批( ，) + ( r ) 】s m o ( t ) u , ( 2 - 2 3 ) 2 i 哈尔滨工程大学硕士学位论文 以扩以+ r 古畋( r ) 一圪( f 泐( 2 - 2 4 ) 以上各式中，( x 。，匕，包) 是车体方位在第胛次采样时刻的已计算值， ( x 。，。酿+ ) 是车体方位在第一+ 1 次采样时刻的待计算值，t 是采样周期， 则有 皈= r 批( f ) + o ) 】c o s 口m ( 2 - 2 5 ) l = r “三舷o ) + ( f ) 】s i n 砸( 2 - 2 6 ) 以= r ”古嘛o ) 一吒( ，肛= 专肋一船) ( 2 - 2 7 ) 上式中s 帅和心舢分别为右轮和左轮从第h 个采样时刻到第聆+ 1 个采样时 时刻之间所行走的距离。 则 x = z 。+ a x 。 匕+ l = 匕+ a l 见“= 眈q - a 吼 ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) ( 2 - 3 0 ) 通过采样获得m 值，由式( 2 2 0 ) 和式( 2 2 1 ) 可求得左轮移动的距离丛。 和右轮移动的距离a s 。，从而解出以，再由式( 2 3 0 ) 可求出以+ 。然而求 j 0 + 。和e + ，则困难的多，这是由于无法直接求得圪( ，) 和( ，) ，而只有它们对 时间的积分值。为了求出此积分，下面采用离散化计算方法。在区间【。，f 。+ r 】 内，对c o s 目o ) 采用线性插值： c o s 目t ) = c o s o n + 型半h ) ( 2 - 3 1 ) 将e 式代入蚪。的积分表达式， 并设y ( ，) = 丘立幽2 ，则 似。= r y ( f j c 。s 已+ = r 矿。忙眈 哈尔滨工程大学硕士学位论文 c o s 以“一c o s 以 争( c 。s o c o s o o ) i d t + j = 陋一知见+ , - c o s a o ) l ( s 。+ ! ! ! 坠! 二! 竺鱼卜+ 7 s t t j 。 对r “s o 如采用近似积分 巾 c o s 眈“一c o s 吼 r 7 f r ( f 印 s 。) + 三竺兰学【( f 。+ r ) s , , + l - t s n 卜 卜t 净= 学r ( 2 - 3 2 ) 上式代入a x 。的表达式化简后得 蚁，= 岱，+ 对s i n 口o ) 也采用线性插值，同理可得 k = $ 。 型芋监 一砖) 型尝 ( 2 3 3 ) ( 2 3 4 ) 因为s o ) 为矿( r ) 积分，所以在上两式中 最= s ( f 。) = 圭蝇。) ( 2 - 3 5 ) 令 则最后可得 s 。= s ( f 。+ r ) = l ( s r , n , i + s 。+ ) ( 2 - 3 6 ) 丛= s + i - 最= 三即+ 酣咖) ( 2 - 3 7 ) 哈尔浜工程大学硕士学位论文 鲥。；丛。竺盟墼( 2 - 3 8 ) a t ：a s 型尝( 2 - 3 9 ) 根据左右电机发出脉冲的个数m ，即可求得s 肋、s r ，l 、s 如、s + 。从而 求出车体方位x 。o ) ，匕0 ) 和幺o ) 。在本系统中，左轮直径d 。、右轮直径d 。、 左、右轮间距矿分别为： d 5 d r 5 8 0 r a m w = 3 9 0 m m 2 7 本章小结 本章主要介绍了机器人的移动机构、电机的选择方法、传感器的选择以 及机器人控制系统的总体结构。最后，本章还对机器人的运动学性能进行了 分析。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章控制系统硬件 自主移动吸尘机器人的控制系统采用两层多c p u 分布式控制结构，上位 机控制系统以a t 8 9 c 5 1 单片机为主，下位机控制系统采用多个a t 8 9 c 2 0 5 1 单 片机作为微处理器，主要完成电机驱动、传感器信号处理和同上层控制系统 通信的功能。针对下位机控制系统各个微处理器所完成的功能的不同，可将 下位机控制系统分为电机驱动模块和传感器模块。 3 1 上位机控制系统 上位机控制系统是整个机器人控制系统的核心部分。其主要功能包括与 下位机之间的通讯，数据的处理与存储，完成机器人路径规划、传感器信号 数据融合，以及对系统的实时监控。 上位机控制系统主要由a t 8 9 c 5 1 单片机、m a x 4 8 5 电平转换器、6 2 2 5 6 数 据存储器、2 7 2 5 6 程序存储器组成，其中a t 8 9 c 5 1 是整个上位机控制系统的 核心。a t 8 9 c 5 1 是种低功耗，高性能，内部带有“字节的可下载f l a s h 存 储器、1 2 8 字节r a m 的8 位c m o s 单片机。该器件运用了a t m e l 公司的高密度 非易失存储器技术，与工业标准的a t 8 9 c 5 1 的指令和管脚排列兼容。芯片内 叮下载的f l a s h 存储器可通过s p i 串行接口或通过通用的非易失存储器编程 器对程序存储器进行系统内的重新编程。通过将可下载的f l a s h 存储器与通 用的8 位c p u 相结合，a t 8 9 c 5 1 成为一种许多嵌入式应用系统中低成本，灵 活性好的单片机 2 0 j 。其主要特点如下： ( 1 ) 与m c s 一5 1 产品兼容 ( 2 ) 4 k 字节可系统内重复编程的f l a s he p r o m ( 3 ) 1 2 8 字节的内部r a m 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 4 ) 操作电压为4 v 6 v ( 5 ) 3 2 路可编程i o ( 6 ) 2 个1 6 位计数器定时器 ( 7 ) 5 个中断源，可编程的u a r t 串行接口 1 复位电路 通过某种方式，使单片机内各寄存器的值变为初始状态的操作称为复位。 为使单片机正常工作，必须保证良好的复位。复位可分为上电复位和外部复 位两种方式。上电复位是指单片机在接通电源时对单片机复位。外部复位可 由外部脉冲复位或由手动复位。本系统中手动复位由复位按钮完成。复位电 路的参见图3 1 。 1 8 t a t 8 9 c 5 l 图3 1 复位电路 主单片机的复位包括上电复位和按钮复位两部分。上电瞬间，由于电容 c 阴端电压不能突变，所以单片机r s t 引脚保持高电平。随着电容上电压的 逐渐上升，r s t 引脚的电压逐渐下降。只要合理选择置、c 1 的值使r s t 引脚 上高电平的保持时间超过两个机器周期，就可以使单片机可靠复位。复位按 钮在控制面板上。当控制面板上的复位按钮按下时，电流经尼和足构成回路， 此时与月相连的r s t 引脚为高电平，使r s t 引脚保持两个机器周期以上的高 电平就可以使单片机可靠复位，当松开按钮后，单片机的复位管脚又恢复到 低电平，开始进入工作状态。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 殴龉1审螺帐磊辍嚣掣一n匝 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 时钟电路 广一 r i 7l j a t 8 9 c 5 1 x t l 2 x t l l 图3 3 时钟电路 a t 8