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大庆石油学院硕士研究生学位论文 室内移动机器人导航技术研究 摘要 室内移动机器人导航技术的研究是一个综合的、复杂的、不断发展的过程。近年来， 室内自主式移动机器人的研究和设计成为许多人关注的焦点。对于移动机器人来说，导 航控制是一个熏要的问题，是实现机器人智能性的核心技术。它主要由：环境信息获取 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组成。其中环境信息 理解和建模是核心内容。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，然后根据传感器所采集的信息特征建立相应的环境模型，最后建立相应的路径规 划控制算法。 本文首先介绍了室内移动机器人的研究背景，特点，发展前景，及研究室内移动机 器人的目的和意义等相关内容。然后对超声波测距原理及超声波栅格化环境建模原理作 了论述和研究，并利用超声波传感器对我们所在实验室的工作环境进行了环境信息的获 取、理解和建模实验，同时设计了相应的室内移动机器人全区域路径覆盖算法。在分析 了室内移动机器人动力学特性的基础上，我们采用c y g n a l f 0 2 0 单片机作为核心控制器， 利用超声波传感器、碰撞传感器、步进电机及其控制芯片t a 8 4 3 5 联合制作开发了移动机 器人实验平台。在该开发平台上对我们所设计的室内全区域路径覆盖算法进行实验验证。 最后介绍了模糊控制、模糊神经网络的基本原理，并利用模糊控制和模糊神经网络技术 对室内移动机器人导航中的模糊控制避障和模糊神经网络路径跟踪作了m a t l a b 仿真研 究。最后得出本文结论内容。 关键词：机器人导航超声波测距路径规划避障路径跟踪 摘要 r e s e a r c h0 ni n d o o rm o b i l er o b o t n a v i g a t i o nt e c h n o l o g y a bs t r a c t r e s e a r c ho nt h et e c h n o l o g i e so fi n d o o rm o b i l er o b o tn a y i g a t i o ni sac o m p r e h e n s i v ea n dc o m p l i c a t e d p r o c e s sa n dn e e d sd e e p e ra n dd e e p e re x p l o r a t i o n ：i th a sb e c o m e ah o tf i e l dt or e s e a r c ha n dd e s i g nt h ei n d o o r a u t o n o m o u sm o b i l er o b o ti nt h ep a s tf e wy e a r s a u t o n o m o u sn a v i g a t i o ni sv e r yi m p o r t a n tf o rm o b i l er o b o t s a n di st h ek e r n e lt e c h n i q u ef o rr o b o t i ci n t e l l i g e n c e t h e s et e c h n o l o g i e sm a i n l yi n c l u d ee n v i r o n m e n t i n f o r m a t i o nc o l l e c t i o n ，e n v i r o n m e n ti n f o r m a t i o nu n d e r s t a n d i n g ，e n v i r o n m e n ti n f o r m a t i o nm o d e l i n ga n d t h e r e b yt h ep a t hp l a n n i n gf o ra u t o n o m o u sn a v i g a t i o no fw h i c ht h es e c o n da n dt h i r di t e m sa r et h ek e yi t e m s t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho nt h en a v i g a t i o ns y s t e mo fm o b i l er o b o t si so r g a n i z e di nt h e s es t e p s ：c h o o s et h e c o r r e s p o n d i n gs e n s o r sf o rt h es p e c i a le n v i r o n m e n t ，c h o o s et h ep r o p e re n v i r o n m e n tm o d e la c c o r d i n gt ot h e i n f o r m a t i o nf e a t u r e so fs e n s o r s ，a n d1 a s t l yb u i l dap a t hp l a n n i n ga l g o r i t h mf o rt h es e l e c t e de n v i r o n m e n t m o d e l f i r s t l y , i tw a sg i v e dt h a tab r i e fi n t r o d u c t i o no ft h er e s e a r c hb a c k g r o u n d ，c h a r a c t e r i s t i c s ，p r o s p e c tf o r i n d o o rm o b i l er o b o t s ，a sw e l la sr o b o t i cn a v i g a t i o ni nt h ep a p a n t h a n ，w ee l a b o r a t et h ep r i n c i p l eo f u l t r a s o n i cd i s t a n c ed e t e c t i o n ，u l t r a s o n i cm o d e l i n ga n dh o wt oc o l l e c ta n du n d e r s t a n de n v i r o n m e n t i n f o r m a t i o nb a s e do nw h i c ham o d e li sb u i l t w ea l s od e s i g nt h ea r e a c o v e r i n ga l g o r i t h m b a s e do nm a k i n g a na n a l y s i so ft h ed y n a m i cp r o p e r t i e so fm o b i l er o b o t s ，w ed i s c u s s eh o wt od e v e l o pt h em o b i l er o b o t e x p e r i m e n tp l a t f o r m ，u s i n gt h ec y g n a lf 0 2 0a st h ec o n t r o l l e r , t h eu l t r a s o n i cs e n s o r , t h ec o l l i s i o ns e n s o r , a n d s t e p p i n gm o t o r sa sw e l la si t sd r i v ec h i p c o n s e q u e n t l y , t h eb a s i cp r i n c i p l e so ff u z z yc o n t r o la n df u z z y n e u r a ln e t w o r k sb a s e do nw h i c hm a t i a bs i m u l a t i o no nr o b o t i cn a v i g a t i o n a v o i d i n go b s t a c l ea n dp a t h t r a c k i n gi sm a d e a tl a s t t h ec o n c l u s i o ni sr e a c h e d k e y w o r d ：r o b o t ，n a v i g a t i o n ，u l t r a s o n i cr a n g i n g ，p a t hp l a n n i n g ，a v o i d i n go b s t a c l e ，p a t ht r a c k i n g i i 大庆石油学院硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 ，1 室内移动机器人的相关介绍 1 1 1 室内服务机器人的定义 目前对服务机器人的初步定义为：服务机器人是一种半自主或全自主工作的机器人， 它能完成有益于人类健康的服务工作，但不包括从事生产的设备“3 。服务机器人往往是 可以移动的，在某些情况下，服务机器人可以由一个移动平台构成，在它上面装有一只 或几只手臂，其控制方式与工业机器人手臂的控制方式相同。我们这里所指的室内服务 机器人是在室内工作环境能够自主移动的智能机器人。 1 1 2 室内移动机器人的研究背景 在移动机器人的发展历程中，人们首先是以室内环境为背景，开始了移动机器人的 探索性研究。此时并没有针对具体的任务或应用背景，而是面向室内结构化环境的基本 技术的初步研究，包括机器人结构设计，控制技术，传感器技术，信息融合，路径规划 和不确定性处理等。一些国外大学和研究机构的早期研究得到很多重要的结论。此外， 对多传感器信息融合在机器人上的运用，积累了大量宝贵经验。进入八十年代后，人们 根据前一阶段的研究技术基础，开始了对室内自主式移动机器入的研究。 1 1 3 室内移动机器人工作环境 室内移动机器人最常见的工作环境是结构化环境，如办公室、超级市场、家庭居室 等等。这些场所的共同特征是平整的地板、垂直的墙壁、规范的门厅和走廊。在这种环 境中，机器入可能和人类经常要发生互动作用。机器入必须设法使它自己穿梭于各种事 物之中。同时，在这种环境中，机器人设计者可以通过假设有关环境的约束来平衡目前 环境感知技术的缺陷。 1 1 4 室内移动机器人的基本特性 从使用上与工业机器人相比，室内移动服务机器人一般体积较小，灵活性高，需要 自各电源，智能化程度更高。其特点如下：1 、可移动性，为了能在某一区域进行作业或 者执行某项特殊的任务，这种机器人一般都具有一定的行走功能。它的运动可以通过行 走机构( 主要是轮子或推进装置等) 实现。为了能自由运动，机器人般有多个控制轮， 并且配有自备电源；2 、轻便性，由于移动机器人功能较全、机构较多。这就要求尽可能 减轻其自重和体积，以减少对能量的消耗和增加机动灵活性。移动机器人的传动装爱和 控制装置也趋向轻型化，并尽量减少中间传动机构以提高机械传动效率；3 、易操作性， 室内移动服务机器人与人的关系十分密切，有时人机之间还需进行合作与协调。因此， 使用者和机器人之间的相互联系必须快捷、方便；4 、适应性，为了对执行作业的未知环 境进行反应，如发现障碍物并自行回避等，有些服务机器人具有学习、感觉和判断功能， 并广泛采用高性能的视觉、听觉、触觉等多种传感器，使其具有感知能力和自主能力“1 。 1 2 研究室内移动机器人导航的目的和意义 不同与应用在工业生产上的机器人，室内移动机器人主要应用在一种结构化的工作 第一章绪论 环境下，如家庭，医院等。它作为家务和办公室助手正逐渐走迸人们的生活。而这种机 器人的研制也正成为今后机器人技术的一个发展方向。导航系统是移动机器人中不可缺 少的重要部分，它要解决的重要问题是：l 、机器人在空间的位置、方向、环境信息的精 确检测；2 、所获信息的分析及环境模型的建立；3 、使机器人安全移动的运动路径规划， 在未知和不确定环境下运行时，移动机器人必须通过传感器收集数据，并通过一定的算 法把传感器收集到的数据进行分析，融合用来建立外部环境的模型，正确、全面的反映 出外部环境的特征，为导航决策提供正确的依据。移动机器人的导航主要依靠传感器的 选择，信息的融合及规划算法等。 1 3 室内移动机器人导航的基本任务 室内移动机器人导航的基本任务主要有以下三个方面。l 、基于环境理解的全局定位： 既通过对环境中景物的理解，识别人为路标或具体的实物，以完成对机器人的定位，为 路径规划提供素材：2 、目标识别和障碍物检测：实时对室内地面上障碍物进行检测或对 特定目标进行捡测和识别，提高控制系统的稳定性：3 、安全保护：能对室内地面上出现 的凹陷或移动物体等进行分析，以避免对机器人造成损伤汹。 1 4 移动机器人导航技术介绍 l 、移动机器人的导航方式常见的有：环境地图模型匹配导航、陆标导航和视觉导航。 环境地图模型匹配导航是机器人通过自身的各种传感器来探测周围环境，利用感知到的 局部环境信息进行局部的地图构造，并与其内部事先存储的地图进行匹配。如果两模型 相互匹配，机器人既可确定自身的位置，并根据预先规划的全局路线，采用路径跟踪及 避障技术来实现导航( 本文所采用和研究的正是这种导航方式) 。陆标导航是在事先知道 陆标在环境中的坐标、形状等特征的前提下，机器人通过对陆标的探测来确定自身的位 置，同时将全局路线分解成为陆标与陆标间的片断，不断地对陆标探测来完成导航。可 分为人工陆标导航和自然陆标导航。人工陆标导航，虽然比较容易实现，但它人为的改 变了机器人工作的环境。自然陆标导航不改变工作环境，是机器人通过对工作环境中的 自然特征进行识别来完成导航，陆标探测的稳定性及鲁棒性是目前研究的主要问题。视 觉导航主要完成障碍物和陆标的探测及识别。国内外应用最多的是采用在机器人上安装 车载摄像机的基于局部视觉的导航方式。r i c o r k e p 等对由车载摄像机构成的移动机器人 视觉闭环系统的研究表明这种控制方法可以提高路径跟踪精度。视觉导航方式具有信号 探测范围宽、获取信息完整等优点，但视觉导航中的图像处理计算量大，实时性差始终 是一个瓶颈问题。为了提高导航系统的实时性和导航精度，仍需研究更加合理的图像处 理方法。这是未来机器人导航的主要发展方向。除了以上三种常见的导航方式外，还有 气味导航、声音导航、电磁导航、光反射导航、视觉导航等n ，。 2 、移动机器人的定位是机器人导航最基本的环节之一，定位方法根据机器人工作环 境复杂性、配备传感器的种类和数量可以有不同的多种方法。移动机器人自主定位系统 主要有两类：相对定位系统和绝对定位系统。常见的定位方法有：惯性定位、陆标定位 和视觉定位。惯性定位是相对定位系统，通过测量机器人相对于初始位置的距离和方向 来确定机器人的当前位置。该方法虽然简单，但是长时间累计误差增大，定位误差会逐 渐累积，不适于精确定位。陆标定位是最典型的绝对定位方法，它通过测量移动机器人 的绝对位置来定位，定位精度高。在移动机器人工作空间中设置一些坐标已知的陆标， 如超声波发射器、激光反射板等，通过对陆标的探测来确定自身的位置，实现机器人定 2 大庆石油学院硕士研究生学位论文 位。根据测量参数的不同可分为三角测量法和三边测量法。前者是通过测量已知陆标与 传感器间的夹角，并通过三角几何运算，确定机器人在工作环境中的坐标，如激光扫描 定位系统和视觉定位系统等。后者通过i 贝! 量已知陆标与传感器间的距离来实现定位，如 超声波定位系统和p s 定位系统。陆标定位是普遍采用的方法，可获得较高的定位精度且 计算量小，可用于实际的生产中。视觉定位是一种新的移动机器人定位方法，车载视觉 传感器的视场是视觉定位系统的关键问题之一，为了得到较大的视场可采用全景传感器 来实现。 3 、移动机器人的路径规划是指机器人按照某一性能指标搜索一条从起始状态到目标 状态的最优和近似最优的无碰路径。可分为两种类型：基于环境先验信息的全局路径规 划和基于传感器信息的局部路径规划。后者环境是未知或部分未知的，即障碍物形状、 尺寸和位置等信息必须通过传感器在线获取。全局路径规划的主要方法有：可视图法、 自由空间法、环境地图法和栅格法等。可视图法是将机器人视为点，将机器人、目标 点和多边形障碍物的各顶点进行组合连接，要求机器人和障碍物各顶点之间、目标点和 障碍物各顶点之间以及各障碍物顶点与顶点之间的连线，均不能穿越障碍物，即直线是 可视的。搜索最优路径的问题变为求这些可视直线的最短距离问题，可运用优化算法， 简化可视图，缩短搜索时间。环境地图法是根据激光传感器信息建立环境地图的方法。 自由空间法是采用预先定义的如广义锥形和凸多边形等基本形状构造自由空间，并将自 由空间表示为连通图，通过搜索连通图来进行路径规划其算法的复杂程度往往与障碍 物的个数成正比。该法比较灵活，机器人起始点和目标点的改变不会造成连通图的重构， 但不是任何情况下都能获得最短路径。栅格法将机器人工作环境分解成一系列具有二值 信息的网格单元，多采用基于位置码的四叉树建模方法，并通过优化算法完成路径搜索。 此种模型下常用的路径搜索策略有：a 算法、遗传算法等。局部路径规划的主要方法有： 人工势场法、遗传算法和模糊逻辑算法等。人工势场法是k h a t i b 提出的。其基本思想是 将机器人的工作空间视为一种虚拟力场，障碍物产生斥力，目标点产生引力，引力和斥 力的合力作为机器人的加速力，来控制机器人的运动方向和计算机器人的位置。该法结 构简单，便于低层的实时控制，在进行实时避障和平滑的轨迹控制方面，得到了广泛的 应用，但这种方法存在局部最优解的问题，因而可能使机器人在到达目标点之前就停留 在局部最优点。势场法存在四个方面的问题：( a ) 陷阱区域；( b ) 在相近障碍物之间不 能发现路径；( c ) 在障碍物前面振荡：( d ) 在狭窄通道中摆动。遗传算法是一种借鉴生 物界自然选择和遗传机制的搜索算法，由于它具有简单、健壮、隐含并行性和全局优化 等优点，对于传统搜索方法难以解决的复杂和非线性问题具有良好的适用性。应用遗传 算法解决自主移动机器人动态环境中路径规划问题，可以避免困难的理论推导，直接获 得问题的最优解。模糊控制算法模拟驾驶员的驾驶思想，将模糊控制本身所具有的鲁棒 性和基于生理学上的“感知一动作”行为结合起来，适用于时交未知环境下的路径规划， 实时性较好。 1 5 室内移动机器人导航的发展前景 随着计算机技术、人工智能技术和传感技术的迅速发展以及导航算法的不断改进和 新算法的提出，移动机器人导航技术已经取得了很大的进展。但是对于应用比较复杂或 通用性较高的导航方法还没有取得重大的突破。根据机器人的工作环境和执行任务可以 采用不同的导航方法。室内移动服务机器人自主执行任务时，应以最大的人员安全性及 功能可靠性为条件，实现机器人室内移动过程中的障碍物的自动检测和规避，并作出动 作决策，能够按照规则自动完成指定的任务，如遍历工作空间等。使用传感器探测环境、 星二里堕笙 分析信号，根据精度需要可以通过适当的建模方式来理解环境。由于单个非视觉传感器 获取信息比较少，可以采用多个或多种传感器来获取环境信息，再采用合理的算法分离 出有用的信息。过去几十年里，机器视觉的进展非常缓慢。但近几年随着硬件设备的飞 速发展，使得当前机器人视觉导航的研究非常活跃。使用视觉传感器能够获取的信息量 大，而且视觉导航比较接近人的导航机理。 在基于视觉信息的自主式移动机器人导航控制研究中，遇到的主要问题是算法的复 杂性与实时性的矛盾。复杂的真实世界要求视觉系统准确地提取出导航必需的环境特征 ( 如路标) ，算法的鲁棒性常常由于环境噪声的影响和难以分离目标与背景而被削弱。为 了提高系统的实时性和减小系统的复杂性，可以采用视觉传感器与非视觉传感器进行融 合的方法。但是传统的视觉导航单纯依靠图象，从而使得数据处理非常困难，因此应该 在保留以前快速处理算法的基础上增加其他信息获取的辅助手段。室内移动机器人要能 完成任务，在多数时候需要一定精度的定位。为了得到精度较高、实时性较强的移动机 器人定位信息，可以采用绝对定位与相对定位相结合、主动路标匹配定位和自动模型识 别定位相结合的方法。导航数据处理根据使用传感器的不同，处理的方法有所不同。通 用的方法有数据融合技术、人工智能、神经网络、模糊逻辑、势场法、栅格法、增强的 卡尔曼滤波器等。事实上这些方法在单独使用时很难有比较好的效果，往往一个系统的 几个部分中都使用了一种或多种数据处理方法。融合多个学科的知识来规划导航系统、 处理导航数据。制定一个结构简单、实时性好、性能可靠的导航方案是今后的一个发展 方向“。 1 6 本章小节 本章主要介绍了室内移动机器人的定义，研究背景，工作环境，相关特点，研究室 内移动机器人的目的和意义以及室内移动机器人发展前景。并对移动机器人导航的基本 任务和导航技术作了简单介绍。 大庆石油学院硕士研究生学位论文 2 1 引言 第二章超声波测距和探测障碍的方法 为了检测作业对象、环境或机器人与它们的关系，必须在机器人上安装些传感器， 使其能够完成复杂的工作。超声波是一种只有少数生物才能感觉到的机械波，它具有纵 波、横波和表面波三种波形。在遇到传播介质分界面时会产生明显的反射。这种反射不 是严格定向的，具有散射性。超声波传感器是利用超声波在空气中的定向传播和固体反 射特性，通过接收自身发射的超声波反射信号，根据超声波的发出和回波的接收时间差 及传播速度，计算出传播距离，从而得到障碍物到机器人的距离。超声波传感器虽然角 度分辨率较差，但具有反映灵敏、探测速度快、距离分辨率较高的优点，而且结构简单， 体积小，成本低。目前最大探测距离为1 5 米，最小盲区0 3 - 0 4 米。因而在目前已知的实 验型和应用型移动机器人中，多数都安装了它，用于室内和室外的近距离环境探测、建 模和避障。 2 2 超声波测距技术 2 , 2 i 超声波传感器测距原理 超声波测距通常是采用时间差测距法，即超声波探头向某一方向发射出超声波，在 发射的同时开始计时，当超声波在介质中碰到被测物体，就会产生反射，接收探头接受 到反射波后立即停止计时，从而计算出发射和接收回波的时间差，根据超声波在空气中 的传 图2 - i 超声波测距原理图 f i g u r e2 - 1p r i n c i p l ed i a g r a mo f u l t r a s o n i cd i s t a n c ed e t e c t i o n 在要求不高的情况下，可以通过公式2 1 来计算出探测的距离信息。由于超声波在空 气中的传播速度与空气的温度和湿度有关，温度越高，传播速度越快，温度每升高l 摄氏 度，传播速度增加0 6 叫j ，在需要比较精确的测量中，必须把温度的变化和其它因素考 虑进去。 p ， s = ；( 2 - 1 ) 式中j 为计算出的距离，c 为超声波在空气中传播速度，在没有严格的要求情况下， 通常取3 4 0 m s ，t 为发射超声波与接受超声波的时间差。 第二章超声波测距和探测障碍的方法 2 2 2 超声波传感器测距中存在的问题 l 、传感器的探测盲区 超声波传感器对非常接近的物体会探测不到，这个距离称为物理探测盲区。超声波 传感器首先发射一组声波脉冲信号，然后一个积分器就开始计算发射时间。一个返回信 号阀值接着就会被设定来接受回波信号，这个阀值会随着时间的增加而减小，因为回波 会随着距离的增加而发散，从而强度变小。但是在刚发射信号的时候，返回信号的阀值 会被设定的很高以防止发射波直接触发接受器，但是这样造成一个问题，就是如果检测 的距离很短，在阀值没有下降之前，返回信号已经到达接收器，这时，接收器会认为这 个返回信号是刚发出的信号，从而拒绝接受。超声波传感器就会形成一个探测盲区，没 法这样对近距离物体探测。 另外，我们采用的超声波传感器发射和接收部分分开了，但是它们的工作电路却做 在一起，发射时不能接收，接收时不能发射。因此在使用超声波传感器时，需要注意 在距离非常近的情况下，所得到的测量数据可能是不可靠的，甚至是错误的。 2 、入射角对测距的影响 超声波的换能器发出的超声波波束不是一条直线，而是具有一定指向性的开角波束， 所以超声波入射角对测量结果的影响是很大图2 2 是换能器和障碍物的角度示意图。假 设换能器的发散角为2 口。取换能器到平面的垂直线作为参考王，轴，令b 点为断面上的 任- n 试点，y 轴到o b 的夹角为。当较小时，换能器中心线对准b 点，对占点进 行测试，此时，换能器收到的回波应该时由b 点附近小区域内各点反射回来的超声波。 由于4 点与换能器的距离最近，回波显示为由彳点反射回来的超声波，因此实际的测量 值应为o a 。此时的距离关系为： o a = o b + c o s( 2 - 2 ) 式中的o b 为准确距离，o a 为实际的测量值。由上式可以看到，由于波束开角误差，使 测量值比实际值要小，误差随的增大而增大。 y 图2 - 2 换能器和障碍物的角度示意图 f i g u r e2 - 2a n g l ef i g u r eb e t w e e nt h ee n e r g yc o n v e r t e ra n do b s t a c l e 大庆石油学院硕士研究生学位论文 当卢值很大时，对于一般的物体表面已经收不到反射回来的超声波，测量时就会误 认为物体的距离很远，而实际上却非常近。在超声波测距中这种现象叫镜面反射现象， 这时换能器平面法线方向和被测面形成的角度叫镜面反射临界角( 9 0 。一口) ，当小于临 界角时，就收不到回波。如果物体表面的非常粗糙，凹凸不平，或者是声束的副瓣起作 用，电可能收到回波。另外一种情况是：当卢值很大，导致了镜面反射现象，此时超声 波被反射后一般不会被反射回来，但在一定的条件下，也有可能被另外的物体反射回来， 这时换能器仍能受到回波，但测得的是一个假信号，超声波传感器得到的是一个幻影值。 由以上分析可知，要想取的比较准确的测量数据，换能器要和被测物体的表面尽可 能的垂直，反射面要相对光滑一些。 2 3 基于超声波传感器的室内环境中探测障碍物方法 2 3 1 栅格法简介 利用栅格法表示环境模型中存在障碍物的可能性存在的方法起源于美国，它的主要 思想是将整个环境用一定大小的栅格划分，并由超声传感器探测到的可进行累积的c v ( c u m u l a t ev a l u e ) 值来表示每个栅格中存在障碍物的可信度，高的c v 值表示存在障 碍物的可能性高。传感器不断快速采样环境，存在障碍物的栅格将会不断地被检测到。 如果是环境的干扰信息被传感器读入，很少能导致高的c v 值。c v 值的引入在一定程度 上排除了干扰信息的影响。栅格法在更新c v 值时，即在每一次的超声传感器读值时， 只需要很少的计算，只影响一个栅格的c v 值。栅格大小的选取直接影响着控制算法的 性能。栅格选得越小，环境分辨率越高，但抗干扰能力弱，环境信息存储量大，决策速 度慢：栅格选得越大，抗干扰能力越强，环境信息存储量小，决策速度快，但分辨率下 降，在密集障碍物环境中发现路径的能力减弱”1 。栅格大小的选取也与传感器的性能有 关，如果传感器精度高而且速度快，栅格可以选得小些。栅格法和其他环境建模方法相 比具有以下特点： 1 、所建立的栅格与系统所采用的传感器类型有关。不同的传感器由于采集环境信息的方 法不同，所获得栅格形状和精确度也不同。 2 、对栅格中的障碍物的形状及具体定位在全局坐标中不能表示出来。 2 3 2 基于超声波传感器测距的栅格化方法 l 、基于超声波传感器测距的栅格化方法 如图2 - 4 所示，我们利用多对超声波传感器的角度扫描范围，以及传感器最大距离探 测误差为半径分割整个平面，这样，我们就得到一个被分割成许多栅格的平面。 由于超声波传感器角度分辨率较差，利用栅格法获取环境信息是较为可行的基本方 法。现在，我们就两个超声波传感器a 、b 讨论一下环境信息的获取9 “”3 。 7 第二章超声波测距和探测障碍的方法 图2 - 4 超声波扫描测距示意图 f i g u r e2 - 4u l t r a s o n i cd i s t a n c es c a n n i n ga n dd e t e c t i o n 如图2 4 ，其中口为传感器a 的角度探测范围，b 为传感8 b 的角度探测范围。兄为 a 探测到的最近障碍物的距离，r 为占探测到的最近障碍物的距离。 当r 。 r 。， 我们认为距离占最近的障碍物在栅格3 中，也就是栅格3 中存在障碍物，而栅格2 中不存在 障碍物。而当r 。= r 时，我们认为距离a 或b 最近的障碍物可能在1 ，2 ，3 任意栅格中， 也就是栅格1 ，2 ，3 中都有存在障碍物的可能。当然，这只是推理的原理，在实际应用中， 我们是根据栅格中存在障碍物的可信度来记录环境信息的。也就是说，当我们进行一次 探测后，我们就将可能存在障碍物栅格的c v 值加l 。而在另一方面，我们将不可能存在 障碍物的栅格的c v 值设为0 。这样，我们就将超声波传感器获取的环境信息转化为我们 所需的栅格信息。我们可以看到，随着超声波传感器数量增多，栅格的粒度就越小，我 们获取的栅格信息也就越精确。 由于超声波扫描本身的特性，使得所建立的栅格是扇形的，这样不利于对整个工作 环境( 如房间，大厅等) 进行栅格化，因此，我们进行了近似的优化，将各个栅格转化 为矩形，进行区域化，只要传感器的数量较多，这样的近似是可以接受的。考虑到室内 自主式移动机器人如智能吸尘机器人等，其所工作的环境是室内，并且由于超声波测距 范围和精确度，以及工作环境面积大小等因素，这样就不能要求超声波传感器能在某个 具体的位置，就能把整个室内环境的信息全部记录下来。因此超声波传感器采集信息的 工作方式应该是边走边扫描记录。在这种采集信息的工作方式下，其采集到的信息数据 不仅跟环境的静态结构布局有关，并且室内环境中还存在动态的物体如人等，因此对采 集到的信息进行建模时还应该考虑到时间的因素。也就是说采集到的物体位置信息 f ，】，) 不仅应该是二维平面的x 和y 的函数，也是时间f 的函数“。把机器人工作空间表 示成为二维方格阵( 笛卡尔坐标的矩形) ，每个矩形格有一个累积值c v ，表示此方格中 存在障碍物的可信度，利用传感器测得存在障碍物的方格中的c v 值，高的c v 值表示此 大庆石油学院硕士研究生学位论文 方格存在障碍物的可能性高，而在没有测到障碍物的地方，c v 值为零。根据传感器的 读值和车体的位姿决定是否测到某一障碍。每次只增加该障碍物的c v 值。当移动机器 人运动时，每个传感器不断的快速采样环境，那么被连续测到的障碍物的c v 值就高， 同时根据障碍物的位置转换到机器人工作空间的方格内的障碍物密度也较高了。我们只 要测得某处栅格内有障碍物，就记录下该点的位置，但如果有多次测到该障碍物，就记 录下多少次，这将会增加环境信息存储量并导致处理速度慢。注意到此时对我们有用的 栅格是有障碍物的栅格，那么很容易想到把所有环境信息用障碍物链表示，障碍物链记 录了该障碍物的当前中心位置，当前测得所有点的位最，当前测得的点数、最近点的位 置，该障碍物的c v 值和最多个历史中心点的位置。对于运动的障碍物还需要记录根据 历史点预测的位置。对障碍物的信息只记录有限的信息，并不断用最新搜索到的信息刷 新以前的信息。这种以障碍物为单位记录的信息量比以栅格为单位的记录信息量要少得 多。随着机器人的运动，新出现的栅格在不断增加，这样就可以根据障碍物的位置来确 定工作空间中有障碍物的栅格，从而求出候选的扇区，而不记录没有障碍物的栅格“。 2 、环境信息优化 随着传感器对环境不断采样，环境信息量会越来越大，这不仅会占用过多的存储容 量，而且障碍物链中由于仍保存一些不必要的障碍物，增加了大量的运算，延长了对环 境信息处理时间，有可能造成不能及时躲避障碍物，不能实时处理，因此需要对环境信 息进行优化。 由于在移动机器人后面的信息的利用率是比较低的，所以这部分信息可以被删除，对 算法的影响不大，另外还做了如下处理： 一方面，将机器人前方开设一个虚拟窗口，对于障碍物链中每一节点，取其中心位 置，这是环境坐标下的位置，用它和机器人的位置比较判断它是否在机器人窗口内，如 果不在，那么从障碍物链中将其删除，那么这个障碍物链就是是指窗口链，也指运动时 机器人需要判断的障碍物链。这样，需要处理障碍物链的节点将大大减少，有利于效率 的提高。 另一方面的优化是指对障碍物信息记载的优化，我们采取对一个障碍物只循环保留 最新几个历史点的中心位置即可，其余的多余信息则可以去掉。 2 4 本章小节 本章对超声波测距原理作了介绍，并对超声波测距中存在的传感器探测盲区，超声 波入射角对测距的影响等几个问题进行了分析和研究。最后论述了在室内环境下利用超 声波传感器栅格化探测、记录障碍物的方法。 9 第三章室内移动机器人的设计与制作 3 1 引言 第三章室内移动机器人的设计与制作 随着传感器、电子、机械及材料等领域的技术进步，机器人首次在制造领域以外的 服务行业开辟了新领域。室内移动机器人就是一种新型的服务机器人。该机器人是能够 在房间中自动移动，完成地面吸尘、家庭守卫等工作。它集机械学、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。其中吸尘机 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20 世纪80 年代，到目前 为止，已经产生了一些概念样机和产品。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。 3 2 室内移动机器人模型的动力学分析 我们设计的室内移动机器人的结构如图3 1 所示：是一个具有支撑轮的三轮小车，前 面的一个轮为支撑轮，起到支撑车体的作用而无导向作用。后面的两个轮是驱动轮，由 步进电机驱动。可以通过调节两个后轮的转速来控制车体的运行速度和转动角度。电机 与后轮各构成一个速度闭环，做恒速输出，在工作载荷内，调节两电机的输入电压即可 调节两后轮的转速。 厂虱 o h 、 ，、_ m 2 玷：爿7 、= = 兰：= l 竺墨u 图3 - 1 小车结构图 f i g u r e3 - 1s t r u c t u r eo f a s m a l lc a r y a 人 e ： 疋( l 目0 ) 图3 - 2 小车的运动路径示意困 f i g u r e3 - 2 t h ea m b u l a t o r yp a t ho f t h es m a l l c a r 机器人小车的运动路径水意图如图3 2 所不，车体运动起始点0 为坐标熔点，经时1 司t 后车体运动到点a 处，其中，e ( f ) 和e y ( f ) 为小车在x 方n a ：n y 方向上的位移；臼( f ) 和( r ) 为小车的角位移和角速度；u 为小车两后轮中点处的移动速度，因此可推得如下关系“”： e ( r ) = i u c 。s o ( t ) d t ( 3 _ 1 ) e a t ) = u s i n o ( t ) d t ( 3 2 ) 臼( r ) = ( c o ( t ) d t ( 3 3 ) 在小误差范围内可以认为： 大庆石油学院硕士研究生学位论文 c o s o ( t ) = 1 s i n o ( t ) = o ( t ) 控制小车的两电机电压保证小车两后轮中点处的速度为常量， ( 3 - 2 ) ，( 3 - 3 ) 可表示如下： e ；0 ) = u 0 ( r ) ( 3 4 ) ( 3 - 5 ) 既u = u 。，则式( 3 1 ) ， ( 3 - 6 ) e ，o ) = f o ( t ) a t ( 3 - 7 ) o ( t ) ：f c o ( t ) d t ( 3 - 8 ) ) = j 由于小车两电机闭环系统特性一致，电机输入电压与车轮转速关系如下： h = 吒u + e ( 3 9 ) 式中疗为车轮转速，u 为电机输入电压，k 。和c 。为常数a 根据推导可获得车体转动的角速度c o ( t ) 和小车后轮中点处的速度如下： c o ( f ) = ( 旷以i ) d ( 3 1 0 ) 旷( n i + n 2 ) d 么( 3 - 1 1 ) 其中 1 和”：分别为小车左轮和右轮的转速，d 为小车后轮的直径，w 为小车两后轮 之间的距离。把式( 3 9 ) 代入式( 3 1 0 ) 和式( 3 1 1 ) 中，可得： 础) ：一u o d ( 3 1 2 ) 胪( u + u 2 ) d + d 瞩( 3 - 1 3 ) 其中u 。和u ：分别为小车左、右轮的输入电压。 由式( 3 1 3 ) 可知，若小车两电机输入电压之和为常量，则小车两后轮中点处的速 度u 0 为常数。当小车有一瞬时角速度国o ) 时，所需两电机电压差为： u 也也= “。戒 ( 3 - l4 ) 若u l ：u 一_ a u ( 3 1 5 ) u ，：u + 一a u ( 3 1 6 ) 。 z 则小车两电机的输入电压之和为常数，既u + 巩= 2 u 式中，u 为小车作直线运动时 第三章室内移动机器人的设计与制作 是两电机的输入电压。 3 _ 3 室内移动机器人的硬件设计 3 3 1 室内移动机器人的总体设计 本课题设计的机器人总体功能要求如下：在打开电源按钮之后，机器人直线行走， 然后根据已存储的电子地图覆盖地面。运动过程中进行实时避障。覆盖区域完毕后停止 工作。基于以上所要实现的功能，机器人还应满足以下一些基本要求： ( 1 ) 该机器人能够准确探测到机器人周围障碍物，同时探测高度要有一定限制，以免受 到地面的干扰； ( 2 ) 机器人的运动速度需要比较精确的控制。 根据本课题总体要求，移动机器人需要在自主式移动的基础上完成避障和路径规划 任务。因此机器人必须对其周围环境状况有较清楚的了解。同时，考虑到室内移动机器 人涉及到的工作场合、制作成本、安装尺寸、控制精度等各项要求，我们设计的移动机 器人系统主要采用了c y g n a 矿0 2 0 单片机作为控制器，选用步进电机及其驱动控制电路作 为动力方式，采用超声波传感器作为外部环境的探测手段，同时增加了碰撞传感器来弥 补超声波传感器存在探测盲区的缺陷。 3 3 2 超声波测距电路设计 图3 - 3 ( a ) 超声波接收电路图 f i g u r e3 - 3 ( a ) c i r c u i td i a g r a mo f u l l x a s o n i cr e c e p t i o n 超声波电路结构见图3 - 3 ( a ) ，3 - 3 ( b ) 所示。本课题采用超声波传感器的中心频率为 4 0 k h z ，因此决定了超声波传感器激励信号的中心频率也为4 0 k h z 。由于超声波传感器对 信号频率变化的敏感度比较高，稍微偏离额定的中心频率就会使传感器的发射声强明显 衰减。因此产生所需额定激励信号并保证激励信号中心频率相对稳定便是超声波振荡信 号发生电路的主要任务。 3 , 3 3 碰撞传感器 在实际的调试过程中，由于超声波传感器间存在测量上的盲区，因此在机器人前端 设计了碰撞传感器。既在碰撞板左右两侧各装有一个微动开关，在不发生碰撞的情况下， 大庆石油学院硕士研究生学位论文 传感器向单片机发出的是高电平信号，移动机器人在前方的发生碰撞，会弓l 起左右开关 的响应并传送低电平信号给控制器，从而控制机器人做出相应反应动作。 接单片机端口 接超声波 传感器发 射端 5 v 12 3 图3 3 ( b ) 超声波发射电路图图3 - 4 微动开关连接原理图 f i g u r e3 - 3 c o ) c i r c u i to f u l t r a s o n i ct r a n s m i s s i o nf i g u r e3 - 4v e r n i e rs w i t c h sc o n n e c t i o n 3 3 4c y g n a l f 0 2 0 单片机及其主要技术指标 c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机是高度集成的片上系统，在一个芯片内集成了两个多通道a d c 予 系统( 每个子系统包括一个可编程增益放大器和一个模拟多路选择器) 、两个电压输出 d a c 、两个电压比较器和电压基准、s m b u s r ：总线接口、u a r t 、s p i 总线接口、5 个通用 ，l 的1 6 位定时器、一个具有5 个捕捉比较模块的可编程计数器定时器阵列、内部振荡器、 8 + 8 位通用i o 接口和6 4 k b f l a s h 程序存储器以及与8 0 5 1 兼容的高速微控制器内核。主 要特点如下“”“”： 1 、模拟外设包括 ( 1 ) 1 2 位逐次逼近型a d c ( a d c o ) 可编程转换速率，最大1 0 0 k s p s ； 多达8 个外部输入，可编程为单端输入或差分输入： 可编程放大器增益：1 6 ，8 ，4 ，2 ，l ，0 5 ； 数据相关窗口中断发生器； 内置温度传感器。 ( 2 ) 8 位a d c ( a d c l ) 可编程转换速率，最大5 0 0 k s p s ； 8 个外部输入； 可编程放大器增益为：4 ，2 ，1 ，0 5 。 ( 3 ) 两个1 2 位d a c 可以同步输出，用于产生无抖动波形。 ( 4 ) 两个模拟比较器 1 6 个可编程回差电压值； 可用于产生中断或复位。 ( 5 ) 电压基准 内部基准为2 4 v ； 外部基准输入。 ( 6 ) 精确的监视器和降压检测器 可通过m o n e n 弓l 脚允许和禁止： 片内j t a g 调试和边界扫描； 第三章室内移动机器人的设计与制作 片内调试电路提供全速、非侵入式的在线系统调试； 支持断点、单步、观察点、堆栈监视器，支持观察修改存储器和寄存器； 完全符合i e e e l l 4 9 1 边界扫描标准。 高速8 0 5 1 微控制器内核 流