（控制理论与控制工程专业论文）基于分布式的机器人控制系统的研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 现代概器入技术是当前鸯动讫领域的研究热点之。随着科学技术豹不 断发展，机器人将越来越多地被应用于工业、农业、豳防、科学实验殿服务 业等天类社会静各个方蘧，其孛移动辊器大就是橇器入学煞一个重要的分支， 由于它本身具有个更大的灵活性已经成为目前机器人技术研究的一个热 煮。本文重点研究了基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 控制器的智能移动褫器久控制系 统。主要研究内容包括： 智能枫器人控制系统体系结构研究：系统采用多c p u 分布式体系结构， 将控制系统按功熊翔分秀3 个智熊模块，每个模块有各自的c p u ，可弑自主 决策，模块之间相亘协调协作，实现对智能机器人的控制。 控制系统设计与开发：研铡了轮式移动机器天实验样车，样车由控翎部 分和机械部分构成。设计以d s p 芯片为核心的超声波测距传感器和光电脉冲 编玛器的接婆电路；并论述了障碍物、转速和速度检测工作原理；霹时，设 计了d s p 芯片外围电路( 包括d s p 工作电源、c a n 通信、直流电机驱动和存 储等硬件模块) 。 根据轮式移动机器人系统的特点，论述了障碍物空闻完全未知或部分未 知的情况下的路径规划理论和算法。并提出了多路冗余超声波避障路经规划 控裁策略和控制方法。 最后，为了验证以上方法的可行性，在室内进行了各种实物避障的实验。 枫器人裁够根据距离值的远近灵灞地判薮是否运笺了存在磁撞危险的障碍 物，并有效地选择合适的避障方式，使移动机器人在顺利躲避碰撞的前提下 能抉速地规划路径，并达到移动机器入行进时熬平稳及其避障辘迹豹陵潺。 采用多d s p 的分布式体系结构的智能机器入控制系统简化了系统的设 计与开发，有利于实现复杂的实时性智能控铡任务。课题建立了较为完善的 智能机器入控制系统平台，为深入研究智麓枧器入控制系统打下了良好的基 础。 荚键词：移动机器人：d s p ；超声波测距；运动控制系统；分布式 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h em o d e mr o b o t i c si sah o t s p o ti nt h ef i e l do fa u t o m a t i o n w i t ht h e d e v e l o p m e n to ft h es c i e n c ea n dt e c h n i c a l ，t h er o b o tw i l lb em o r ea n dm o r ea p p l i e d t ot h ea l la s p e c t so fh u m a n s o c i e t y , s u c ha si 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 t o f d e f e n s e ，s c i e n t i f i ce x p e r i m e n t a n ds e r v i c ep r o f e s s i o n ，a n dt h em o b i l er o b o t i st h ei m p o r t a n te m b r a n c h r n e n tf o rt h er o b o t i c s a tt h es a l t l et i m e ，b e c a u s eo ft h e m o r ef l e x i b i l i t y , t h em o b i l er o b o tr e s e a r c hh a sb e e nah o to fr o b o tt e c h n o l o g y i n t h i sp a p e rt h es y s t e mo fi n t e l l i g e n tr o b o tm o t i o nc o n t r o lb a s e do nd s pc h i p 翻m s 3 2 0 f 2 812i sf o c u s e do n i nt h i sp r o j e c t , t h es y s t e mo fi n t e l l i g e n tr o b o tm o t i o nc o n t r o li sd e s i g n e db y a d o p t i n gt h es p e c i a lm o t i o nc o n t r o lc h i pt m s 3 2 0 f 2 8 12 ，w h i c hi sb a s e do nd s e t h es y s t e mo fi n t e l l i g e n tr o b o tm o t i o nc o n t r o lu s e sd i s t r i b u t e ds t r u c t u r e w h i c hi n c l u d e st h ee n v i r o n m e n ti n f o r m a t i o na p p e r c e p t i o nm o d u l e ，t h es c h e m e m o d u l ea n dt h em o t i o nc o n t r o lm o d u l e t h ee x p e r i m e n t a lv e h i c l eo fm o b i l er o b o tw i t hw h e e l e da c c o r d i n gt ot h e e x p e r i m e n t a lr e s e a r c hr e q u i r e m e n t sh a v eb e e nd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d t h e e x p e r i m e n t a lv e h i c l e i s c o m p o s e do fc o n t r o lp a r ta n dm e c h a n i c a lp a r t h a v e d e s i g n e dt h ei n t e r f a c eo fu l t r a s o n i ct r a n s d u c e r so fm e a s u r i n gd i s t a n c ea n dp u l s e e n c o d e r so fs a m p l i n gv e l o c i t yw h i c hu s et h ed s pa st h ep r o c e s s o r ；a n dh a v e e x p a t i a t e dt h e w o r kp r i n c i p l eo fm e a s u r i n gb a r r i e r s ，v e l o c i t ya n dp o s i t i o n ； m e a n w h i l e ，h a v ed e s i g n e dt h ea c c e s s o r yc i r c u i to fd s p , i n c l u d i n gp o w e ro fd s p , c a nc o m m u n i c a t i o n ，d r i v eo fd cm o t o ra n ds t o r a g ea n ds o0 1 1 a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h es y s t e mo fm o b i l er o b o t 、衍mw h e e l e d ， h a v ee x p a t i a t e ds o m et h e o r i e sa n da l g o r i t h m so fp a t hp l a n n i n g 。t h et h e o r i e sa n d a l g o r i t h m si n c l u d et h ef u l l yu n k n o w no rp a r t l yu n k n o w no b s t a c l e ss p a c e t h i s p a p e rh a sp r o p o s e dt h ep a t hp l a n n i n gc o n t r o ls t r a t e g i e s a n dm e t h o d sw h i c h i n c l u d et h eu l t r a s o n i ca v o i d - c o l l i d i n go fe x c e s s i v er e d u n d a n c y t h ep a p e rh a sd o n es o m e e x p e r i m e n t sw i t h t h ee x p e r i m e n t a lv e h i c l e 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a c c o r d 堍t oc o n t r o ls t r a t e g i e sa n dc d n t r o la l g o r i t h mw h i c hh a v eb e e np r o p o s e d b e f o r e ，a n dg o t t e nt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t a n dt h e nh a sc h i e f l ya n a l y z e dt h e o u t c o m eo fp a t hp l a n n i n g ，w h i c hi n c l u d e st h ed i v e r s ea n a l y s i sb e t w e e np l a n n i n g p a t ha n da c t u a lp a t hu n d e rt h ed i f f e r e n to b s t a c l e se n v i r o n m e n t ，n l es y s t e mo fi n t e l l i g e n tr o b o tm o t i o nc o n t r o lw h i c hi n t r o d u c e sd i s t r i b u t e d s t r u c t u r es i m p l i f i e st h ed e s i g n e ro ft h e s y s t e m ，a n di su s e f u lt oa c h i e v et h e c o m p l e xr e a lt i m et a s ko fi n t e l l i g e n tc o n t r 0 1 i nt h i sp r o j e c t ，w eh a v es e tu pb e t t e r f o u n d a t i o no ft h ei n t e l l i g e n tr o b o tc o n t r o ls y s t e m ，w h i c hi st h eb a s e o ft h ed e e p e r r e s e a r c ht ot h ei n t e l l i g e n tr o b o t k e yw o r d s ：m o b i l er o b o t ；d s p ；p a t hp l a n n i n g ；u l t r a s o n i cr a n g i n g ；m o t i o nc o n t r o l s y s t e m ；d i s t r i b u t e d 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己 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( 塞字) ：锱搿 日期：2 - * o 窖年了月 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 移动机器人的研究背景 机器人技术是在新技术革命中迅速发展起来的一门新兴学科，它在众多 的科技领域与生产部门中得到了广泛的应用，并显示出强大的生命力。它是 集精密机械、光学、电子学、检测、自动控制、计算机和人工智能等技术于 一体，形成的一门综合性的新技术学科。机器人的出现对人类的生产和生活 产生了重大的影响。近年来，随着机器人学、分布式人工智能和信息技术的 发展，国内外掀起了智能机器人与自主系统的研究热潮。其中，具有广阔应 用前景和军事价值的自主移动机器人( a u t o n o m o u sm o b i l er o b o t ，a m r ) 的研 究受到世界各国的普遍关注。一方面，自主移动机器人的出现大大缩减了人 在危险环境中工作或对危害性任务作业的直接参与，如在军事侦察、宇宙开 发、扫雷排险、防核化污染、消防救援、毒弃物清洗等这些危险与恶劣的环 境中，自主移动机器人都有令人满意的表现；另一方面，工厂中的货物搬运 和家庭内的家政服务等单调和疲劳的作业也为自主移动机器人提供了施展才 能的新天地。它在工业、农业、医学和人类生活的各个方面显示了越来越广 泛的应用前景。2 0 世纪9 0 年代以来，以研制高水平的环境信息传感器和信息 处理技术，高适应性的移动机器人控制技术，真实环境下的规划技术为标志， 开展了移动机器人更高层次的研究。目前，移动机器人特别是自主机器人己 成为机器人技术中一个十分活跃的研究领域。 移动机器人是一类能够通过传感器感知环境和自身状态，实现在有障碍 物的环境中面向目标自主运动，从而完成一定功能的机器人系统。根据活动 范围和工作环境的不同，可分为陆地、水下和空中移动机器人；根据平台载 体的不同，可分为轮式、履带式和步足式移动机器人等类型：根据执行任务 的智能水平，又可分为自主式、半自主式和遥控式移动机器人。理想的自主 移动机器人可以不需人的干预在各种环境中自主完成规定任务，具有较高的 智能水平，但在目前全自主移动机器人还大多处于实验阶段，进入实用的多 为半自主移动机器人，通过人的干预在特定环境中执行各种任务，而遥控机 器人则完全离不开人的干预。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 移动机器人技术研究综合了多学科领域的知识，关键技术可分为：路径 规划、导航定位、路径跟踪与运动控制技术【2 】。路径规划又可分为全局和局 部路径规划，全蜀路径规划是根据移动机器人总体任务进行路径规划，将总 体路径任务分解，并建立全局地形数据库；局部路径规划是根据全局规划分 解的子任务，结合移动机器入当前状态信息，实时规划可行路径。导航定位 技术确定移动机器入在全局地图中的位置，并实时得到机器人与路径跟踪的 相对位置关系，其关键技术是多传感器信息处理与数据融合技术。路径跟踪 与运动控制技术的任务是控制移动机器入跟踪局部规划给出的路径，结合导 航定位系统得到机器人本身状态信息与道路信息，完成航向和速度控制。移 动机器人的路径规划、导航控制以及路径跟踪与运动控制技术是相互关联的， 任可一个系统的不完善都会导致整体性能的下降。 移动机器人技术的发展经过了较长的历程p 1 。旱在年代，入们就嚣经 开始了关于移动机器人的研究。自1 9 5 4 年美国g e o r g ecd e v o l 设计并制作了世 界上第一台机器人试验装置，1 9 6 0 年美国u n i m a t i o n 公司制成世界上第一台工 业机器人u n i m a t e 以来，机器人技术有了飞速的发展，1 9 6 2 年，美国俄亥俄州 立大学开始进行车辆自动驾驶控制技术的研究。同时，美国的麻省理主学院、 薪坦福研究所( s 戳) 以及荚m p a t h ( 错o g r a mo na d v a n c e dt e c h n o l o g y f o rt h e h i g h w a y ) 研究实验室、日本m i t i 的机械工程实验室等研究机构也进入到这一 领域。到了八十年代，众多麴国家开始研制自主移动机器入，丽且发展迅速， 有不少研究机构取得了很多有意义的研究成果，其中较为著名的有美国的 s ，r 、卡内基梅隆大学、德国国防军大学、嚣本的t s u g a w a 等。丸十年代至 今，有更多的国家加入到智能移动机器人技术的研究，主要研究热点是将各 种智能控制方法应用到移动机器人的控制。典型的移动机器人有美国喷气推 进实验室( j p l ) 研制的索杰纳( s o j o u r n e r ) ，a t h e n a ，n a n o r o v e r ，卡内基梅隆大 学研制的流浪者( n o m a d ) 等。从第一代的示教再现方式机器人到具有一定外 部感觉的机器人再到智能机器入，机器入的智能纯程度越来越离，应用也越 来越广泛。不仅可应用于工业领域如搬运、装卸、焊接、喷漆和装配等，也 可应用于躁常生活的各个领域如医疗福利、家庭服务和教育娱乐等。应用机 器入技术可以给社会带来许多好处，如大量提高生产率、改进产品质量、改 善劳动条件等。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 我国自“八五”期间开始进入这一研究领域，并在国家8 6 3 计划中予以重 点支持。较为全面地对路径规划、视觉导航、信息融合、自动驾驶等一些基 本的智能机器人技术做了探索，形成的一些关键技术成果也在其他领域得到 应用。我国在机器人技术与自动化工艺装备等方面己取得了突破性进展，缩 短了同发达国家的差距，但是在机器人的核心及关键技术的原创性研究、高 性能关键工艺装备的自主设计和制造能力、高可靠性基础功能部件的批量生 产应用等方面，同发达国家相比，我国仍存在较大的差距 4 1 。因此开展对机 器人技术的研究已成为我国实现现代化的当务之急。我国的机器人研究和开 发始于7 0 年代，并在8 0 年代掀起了发展机器人的高峰，目前许多高等院校和 研究部门正在从事该领域的研究工作，并取得了一定的成效，例如长沙国防 科技大学成功地研制了成一台人形机器人，已具有世界先进水平，还有东北 大学研制的机器人参加世界杯足球赛取得了相当好的名次，都说明近年来我 国的机器人技术在飞速发展中。目前国家对智能机器人技术相当重视，可以 预见，智能机器人技术在我国的前景将是非常光明的。 1 2 移动机器人控制技术概述 具有自规划、自组织、自适应能力，适合于在复杂的非结构化的环境中 工作的智能移动机器人是一个高智能、多系统的复杂工程系统。在移动机器 人自主行走的过程中，不可避免的会遇到一些障碍物。因此，导航技术是智 能移动机器人的重点研究方向之一，也是移动机器人实现完全自主的必须解 决的问题。导航系统是一个工程背景很强、涉及领域较多的综合性研究课题， 对于保证机器人安全工作有着重要意义，因此多年来一直受到研究工作者的 重视。所谓导航就是指移动机器人按照预先给出的任务命令，根据地图信息 做出全局路径规划，并在行进过程中，不断感知周围的局部环境信息，自主 地做出决策，调整自身位姿，引导自身安全行驶或跟踪己知路径到达目标位 置。其中涉及自主移动机器人的传感技术、定位技术、规划技术和监控技术 等诸多技术。本文利用超声波传感器对移动机器人周围的障碍物提取多方面 的信息，为识别此障碍物提供依据。移动机器人通过超声波传感器来收集周 边环境的信息数据并通过这些信息建立起外部环境的模型，从而实现类似于 人的避障行为p 。 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 在移动机器入导航控制理论和方法的研究中，确定性环境的导航控制方 法已取得了大量的研究和应用成果。对未知环境中的导航控制也已开展了一 些研究，并提出了若干方法，僵尚未形成统一和完善的体系结构，还有许多 关键理论和技术问题有待解决和完善。这些问题主要包括环境建模、定位、 导航控制器的学习秘优化、故障诊断、在线运动规划与控制等。未知环境中 的移动机器人只具有较少的先验知识，其导航控制方法涉及环境认知、优化 决策、知识表示与获取等多项关键问题。未知环境中的移动机器人导航控制 理论和方法的研究舀的是在机器学习、环境认知、在线规划、运动控制等方 面的理论和方法上有突破性进展，推动认知科学、模式识别、非线性控制等 学科的前沿问题研究，提供新的设计理论和技术即。 移动机器人运动控制系统是机器人系统的运动控制部件，对系统平稳运 行超着重要作用。运动控制的实质是以给定值为参考，以传感器信息作为反 馈，对希望路径进行跟踪控制。机器人系统磁朝着高速、高精度、开放化、 智能化、网络化发展，对运动控制系统也提礁了更高的要求。移动机器入要 实现高速、高精度的位置控制和轨迹跟踪，必须依赖先进的控制策略和可靠、 优良的运动控制系统。近年来，许多新的算法被研究并应用于运动控制中， 如预测控制、鲁棒控制、自适应控制、学习控制及神经网络控制等，这些复 杂的算法必须在高性能的处理器中运行才能实现系统的实时控制，因此以高 性能处理器为核心的运动控制系统是运动控制系统的发展趋势。把入王智能 引入移动机器人控制，将先进电子设计技术应用于机器人的高性能计算机控 制系统显褥极力重要。 数字信号处理器( d s p ) 技术的发展为先进控制理论以及复杂控制算法的 实现提供了有力的支持。由于d s p 采用了多总线的哈佛结构、专用的硬件乘 法器( 一个周期内完成乘法和加法两种运算) 、多级流水线操作和专用的d s p 指令等方法使其获得了高速并行处理能力，能够实时地完成复杂的控制算法， 这可以大大缩短系统的采样周期，提高系统的调节频率，欲丽提高系统的动 态性能；另外，d s p 具有丰富的硬件资涮引，可以大大简化控制系统的硬件 结构，大大提高系统的可靠性。所以，d s p 己成为高性能处理器的首选器件。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 3 课题研究的意义 移动机器人是新生的计算机控制领域中的最年轻一代，被广泛应用于社 会生活的各方各面。由于移动机器人具有一般机器人所不具备的移动能力， 从而使之更具备“代替人”作业的实力。具有避障功能的移动机器人拥有相 当高的社会价值，被大量应用于航天、军事、制造业、医疗、交通等。比如 在制造业中，柔性装配系统( f a s ) 是柔性制造系统的主要组成部分。近年来， 为响应产品换代的频繁变化，f a s 的构形发生了很大变化，发达工业国家已 出现了动态可重构形的柔性装配系统，在这类系统中，众多的具有避障功能 的移动机器人代替了通用的传送带【钆1 0 1 。同样具有避障功能的移动机器人能够 给不能行走的残疾人士带来福音。现在，大多数残疾人士使用电子轮椅，由 于驾驶这种轮椅需要相当大的技巧，对于那些残疾人士来说，灵活自如的驾 驶这类轮椅将有一定的难度，而拥有自主导航和避障能力的移动机器人将轻 易的解决这类问题。 1 4 本课题的主要研究内容 本课题对智能机器人运动控制系统进行了较深入的研究，具体研究内容 包含以下几个方面： ( 1 ) 首先介绍了移动机器人控制系统的总体组成和行驶机构，超声波导航 技术在移动机器人领域的应用，d s p 控制系统的功能分析及驱动电机选型； ( 2 ) 介绍了运动控制系统硬件电路的设计，针对主要的电路结构进行了详 细设计和电路分析。包括d s p 控制器最小系统，电机驱动电路，速度信息检 测电路等： ( 3 ) 介绍了软件控制的总体结构，然后分别介绍了各个模块程序流程与主 要的控制寄存器设置。包括主程序与各个中断服务程序等； ( 4 ) 对于超声波传感器在避障过程中的应用进行了进一步的阐述。将d s p 对多个超声波传感器所探测到的距离信息进行分析和处理，并且对多超声波 传感器采集系统与数据处理系统做了相应的软硬件设计。对移动机器人最短 切线路径规划的理论和算法进行分析。在此基础上，研究多路冗余超声波避 障的路径规划控制策略和控制方法。在实验机器人样车上对上述控制策略和 控制算法进行实验。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章智能机器人系统的总体方案设计 2 。 分布式的体系结构 智能机器人所面向的环境是现实世界中复杂的动态环境，如何利用自身 受限的感知和行为能力，孳| 导机器人顺利完成复杂豹任务，是智能机器入控 制系统需要解决的主要问题。 智能机器入控制系统是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与 执行于一体的综合系统。在本课题里，智能机器人控制系统采用的是分布式 的体系结构，即把整个控制系统分为三个模块，每个模块具有单独的c p u ， 独立实现各自不同的功能，三个模块通过紧密的合作，使智能机器人能不断 的感知周围的环境信息，自主的做出各种决策，随时调整车体安全行驶并执 行相应的动作与操作，实现对智能机器人的运动控制。各模块及功能如下： ( 1 ) 环境信息感知模块：获取并处理现场的环境信息； ( 2 ) 规划模块：分解任务序列进行规划与决策： ( 3 ) 运动控制模块：驱动车体执行任务操作； 环境信息感知模块用超声波传感器获取周围环境中障碍物的分布情况， 由此形成环境地图；规划模块用来规划智能机器人的目标和应完成的任务， 在环境地图的导引下进行智能决策与规划；运动控制模块用来执行规划模块 做出的结果，保证机器人按照规划路径前进，同时执行规定的操作。规划模 块则进行集中、离线的任务规划和路径规划，掌握智能机器人当前的状态， 对智能枧器人的运行过程进行实时监控，并为系统实时提供机器入运行状态 的历史数据。如图2 1 所示。 智能机器人所面向的环境是现实世界中复杂的动态环境，具有自规划、 自组织、自适应能力，适合于在复杂的非结构化的环境中工作，是一个高智 能、多系统的复杂工程系统。这就对处理器提出了很高的要求，即需要足够 快的c p u 来处理数据，完成各个环节的运算，如果哭用一个c p u 来完成机 器人的所有任务，势必会对机器人的整体性能造成一定的影响，因此，我们 使用两片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 组成整个机器人运动控制系统，并透过上位机进行 规划，采用第一片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 控制超声波传感器信号的发送与接收，把 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 得到的数据通过c a n 总线接口与第三片t m s 3 2 0 l f 2 8 1 2 通讯，第二片 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 通过r s 2 3 2 与上位机通讯，接受上位机的规划指令来控制蛊 流无刷电动机，控制智能机器人的运动。如图2 2 所示。 系统监控与协调 、 环境信息检测模块规划模块 智能机器人运动控制模块 图2 1 智能机器入分布式体系结构图 图2 2 智能机器人运动控制系统结构图 整个机器人控制系统采用分布式体系结构，主要包括环境信息感知模块、 规划模块、运动控制模块三大部分。 运动控制模块包括串口通信模块、c a n 总线通讯模块、信号处理模块、 数模转换模块、反馈输入模块、扩展i o 模块等。串口通信模块主要用于与 上饿机的通讯；c a n 总线通讯模块主要用子两个d s p 控制系统之闻的通讯； 信号处理模块实现具体的控制算法，并将运动指令转换成控制电机的数字信 号；反馈输入模块将光电编码器的正交编码器脉冲( q e p ) 进行解码，以获得 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 旋转电机的位置和速率信息，并反馈给控制系统，实现位置伺服控制：扩展 i o 模块主要用于进行外部接口扩展。 环境信息感知模块主要是利用超声波传感器检测外界环境信息，实现机 器人避障。 规划模块主要是用上位机来进行总体的任务规划。 2 2 超声波导航技术在移动机器人领域的应用 一般智能导航需要解决三方面的问题：( 1 ) 选择恰当的传感器系统对移动 机器人所处的环境进行认知( 传感器) ；( 2 ) 通过一定的检测手段获取移动机器 人在空间中的位置、方向以及所处环境的信息( 定位) ；( 3 ) 用一定的算法对所 获信息进行处理并建立环境模型，寻找一条最优或近似最优的无碰撞路径， 实现移动机器人安全移动的路径规划( 路径规划) 。 2 2 1 超声波传感器在智能移动机器人技术上的应用 在智能移动机器人的避障系统中，传感器起着举足轻重的作用。探针式 传感器、电感式传感器、电容式传感器、力学传感器、雷达传感器、光电传 感器、声学传感器等都在实际系统中得到了广泛的应用。针对距离和障碍的 探测，目前主要采用以下几种传感器： ( 1 ) 视觉传感器 ( 2 ) 激光雷达传感器 ( 3 ) 超声波传感器 对于视觉传感器而言，其主要应用领域就是c c d 摄像机。在移动机器人 避障系统中，该传感器被广泛使用，通过一个c c d 摄像机我们可以得到障碍 物的二维信息，但是为了得到障碍物的三维信息，我们必须使用两个或者更 多的c c d 摄像机习。c c d 摄像机能获取到障碍物的具体信息，但是由于这 些信息量的庞大以及处理这些信息数据需要极大的计算量，而且当物体不在 视野之内或光线很暗时，视觉导航方式将失败，所以大大限制了它在实时控 制系统中的应用。 近年来，激光雷达在移动机器人避障中的应用也日益增多。这主要是由 于基于激光的距离测量技术具有很多优点，特别是其具有较高的精度。通过 二维或三维扫描激光束，激光雷达能够以较高的频率提供大量的、准确的距 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 离信息。激光雷达与其它距离传感器相比，能够同时考虑精度要求和速度要 求，这一点特别适用于智能移动机器人领域。此外，激光雷达不仅可以在有 环境光的情况下工作，也可以在黑暗中工作，而且在黑暗中测量效果更好。 不过该传感器也有相应的一些缺点，比如安装精度要求高、价格比较昂贵等。 超声波3 1 是一种频率为2 0 k h z 以上的声波具有直线传播的能力，频率越 高绕射能力越弱，但反射能力越强，其指向性强，能量消耗缓慢，在介质中 传播的距离较远，为此利用超声波的这些性质就可制成超声波传感器。利用 超声波传感器检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制。 2 2 2 基于超声波的移动机器人定位技术 定位是确定移动机器人在二维工作环境中相对于全局坐标的位置及其本 身的姿态，是移动机器人导航的最基本环节引。 在各种定位技术当中，由于超声波良好的特性和所实现方法较高的性价 比，超声波定位技术已经得到了广泛地应用，例如路标定位技术就较常采用 超声波传感器作为“路标 ，它首先在移动机器人的工作环境里设置一些坐标 己知的路标，如超声波发射器、激光反射板以及自然物体等，然后通过移动 机器人自身携带的超声波传感器测量机器人同路标之间的距离及方向，利用 三角几何的方法实现自身的定位。还可以基于环境地图的建立来完成智能移 动机器人的定位。该方法将环境特征分为平面( 如长墙) 、圆柱、凹角和凸边 四大类，分别对应于智能移动机器人工作的二维环境为直线、圆弧和点，称 之为“几何路标”，在实施过程中对环境测量采用旋转超声传感器和静态超声 传感环。为此l e o n a r d 首先提出了“恒定距离区域( r c d ) ”的概念“，用于提 取环境特征，这种数据提取比“线段提取”更符合超声测距的实际情况。同 时，他还根据d r 法给出运动学模型，并利用该运动学模型和测量模型的e k f 法给出移动机器人位置和传感器测量的预测值。移动机器人超声传感器现场 测量环境特征，实测数据与预测数据进行匹配，在不断匹配修正过程中最终 完成移动机器人的环境地图建立和定位。 2 2 3 基于超声波测距的移动机器人路径规划技术 通过上述应用超声波完成移动机器人的环境地图建立和定位后，实现超 声导航的最后步骤是利用这些信息实现机器人移动路径的优化规划。路径规 9 啥尔滨工程大学硕士学位论文 划是自主式智能移动机器人导航的基本环节之一。它是按照某一性能指标搜 索条从起始状态到翻标状态的最优或近似最优的无碰撞路径，是机器人路 径规划中难度较大的问题。目前，根据掌握环境信息的完整程度可分为环境 信息完全已知的离线全局路径规划和环境信息完全未知或部分未知的在线局 部路径规划，分别称为静态路径规划和动态路径规划。全局路径规划的主要 方法有可视图法、栅格法等。局部路径规划的主要方法有人工势场法( a r t i f i c i a l p o t e n t i a lf i e l d ) ，模糊逻辑算法( f u z z yl o g i ca l g o r i t h m ) 等。 在未知环境下移动机器人的路径规划是机器人领域的重要研究内容。从 实际应用的角度来看，移动机器人对于环境信息，特别是动态障碍的信患很 难具有先验的知识。移动机器人在未知环境中行进时，只能根据其传感器探 测到周围有限范围内的环境信息，即使机器人通过漫游对环境信息进行预探 测，至多也只能获取静态的障碍信息，要在具有未知障碍物的环境下进行路 径规划，无疑具有很大的难度，而且从因果性的角度来看，在未知环境下要 进行有效的全局规划是不可能的。因此，在这种情况下，移动梳器入只能透 过运动中获取的反馈信息来决定自己的行走路径。 由于移动机器入进行局部规划时不具备全局的环境信息，每次的局部优 化往往是一种短视行为，它在全局层面上的有效性只有在不断的滚动行进中 才能逐步得到体现。每次规划的实施结果相对于全局最优规划是次优的。因 此，在进行规划时，必须尽可能使局部性能指标与全局优化目标相符，使全 局目标在局部优化中能得到最大体现。 本文对移动机器入路径规划的理论和算法的进行分析，在路径规划理论 和算法研究基础上，提出了多路超声波避障控制策略和控制方法。 2 3 智毹移动机器人的运动控制 2 。3 1 运动控制技术概述 随着电子技术和自动纯水平的提嵩，人们对电机的复杂控制逐渐成为主 要的控制方式，应用领域不断扩大。例如：军事和宇航方面的雷达天线、火 炮瞄准、惯性导航、翌星姿态的控制；工业方面的各种加王机械、数控概床、 工业机器人的控制；计算机和办公设备中的磁盘驱动器、光盘驱动器、绘图 仪、打印机、复印机的控制；音像积家用电器中数码相机、洗衣机、空调器 l o 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的控制等。电机控制技术的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器 技术、自动控制技术和微机应用技术的最新发展成就，采用微处理器、 f p g a c p l d 、通用计算枫、d s p 控制器等现代控制手段构成的数字控制系统 已成为主流控制方法。随着时代的发展，各种电机的控制技术与微电子技术、 患力电子技术的结合正使其发展成为- - i 7 新熬技术，即运动控制技术。由于 有微处理器和传感器作为新一代运动控制系统的组成部分，所以这种运动控 制系统又称为智能运动控制系统。应用先进的控制算法，开发全数字化的智 能运动控制系统将成为新一代运动控制系统设计的发展趋势。 移动机器人的运动控制系统是机器人系统的执行机构，对系统平稳运行 起着重要作用，有时也可作为一个简单的控制器。构成机器人运动控制系统 的要素有：计算机硬件系统及控制软件、输入输出设备、驱动器、传感器系 统，它们之间的关系如图2 。3 所示p 霹。 图2 3 机器入运动控制系统的构成要素 2 3 2 几种运动控制系统实现方法的比较 晷前，个运动控制系统或电机控制系统的实现方法主要有以下几种p q ： ( 1 ) 以模拟电路硬接线方式建立的运动控制系统。早期的运动控制系统一 般是采用运算放大器等分立元件以硬接线方式组成的模拟控制系统，其优点 在于：通过对输入信号的实时处理，可实现系统的高速控制；e l j 于硬接线方 式可以实现无限的采样频率，因此控制器的精度较高丽且具有较大的宽度。 然而，与数字系统相比，其缺点也是很明显的：器件老化和环境温度变 化对构成系统的元器件的参数影响很大；构成模拟系统所需的元器件较多， 增加了系统的复杂性，也使系统的可靠性降低；枣于系统采餍硬接线，其舞 级和功能修改几乎是不可能的；受系统规模的限制，很难实现运算量大、精 度离、性栽更先进的复杂控制算法。这些缺陷使它很难应用于一些功能要求 比较高的场合。 ( 2 ) 以微控制器为核心的运动控制系统。利用微控制器所构成的系统与模 哈尔滨工程大学硕士学位论文 拟电路相比具有以下优点：绝大多数控制逻辑由软件实现，电路变得简单； 微控制器具有更强的逻辑功能，运算速度快、精度高、具有大容量的存储器， 因此有能力实现较为复杂的算法；微控制器的控制方式主要由软件实现，因 此修改控制规律时，仅需要对软件进行修改；无零点漂移，控制精度高：可提 供人机界面，实现多机联网工作。 然而，由于微控制器一般采用v o n - n e u m a n n 总线结构，处理速度和能力 有限，软件编程难度较大，且一般芯片集成度较低，不具备运动控制系统的 专用外设。因此，基于微控制器构成的系统仍需较多的元器件，这增加了系 统电路的复杂胜，降低了可靠性，也难以满足运算量较大的实时信号处理的 需要，难以实现控制算法。 ( 3 ) 在通用计算机上用软件实现运动控制策略。在通用计算机上，利用高 级语言编制相关的控制软件，配合驱动电路板、信号交换接口，就可以构成 一个运动控制系统。这种实现方法利用计算机的高速度、强大的运算能力和 方便的编程环境，可以实现高性能、高精度、复杂的控制算法，而且软件的 修改也很方便。但是，通用计算机缺点在于系统体积大，难以应用于工业现 场，而且难以实现实时性要求较高的信号处理算法。一般来说，这种系统实 现方法可用于控制软件的仿真研究或者用作上位机，与下位机的实时系统一 起构成两级或多级运动控制系统。 ( 4 ) 利用专用芯片实现的运动控制。为简化电机模拟控制系统电路，同时 保持系统的快速响应能力，一些公司推出了专用电机控制芯片，如t i 公司的 u c c 3 6 2 6 ，u c c 2 6 2 6 等唧1 。利用专用电机控制芯片构成的运动控制系统保持 了模拟系统和以微控制器为核心的运动控制系统两种实现方式的长处，具有 速度快、系统集成度高、使用元器件少、可靠性好等优点；同时，专用电机 控制芯片的价格便宜，进一步降低了系统成本，因此这种实现方式广泛应用 于精度较低和成本敏感的场合。 然而，受专用电机控制芯片本身的限制，其缺点主要包括：软件算法固 化在芯片内部，虽然可以保证较高的响应速度，但降低了系统灵活性，扩展 性较差；受芯片制造工艺限制，其算法较为简单，控制精度也较低；用户不 能对芯片编程，不便对系统升级。 ( 5 ) 以可编程逻辑器件为核心的运动控制系统。由于f p g a c p l d 等可编 哈尔滨工程大学硕学位论文 程器件的迅速发展，人们可以利用它们的系统开发软件或v h d l 等开发语言， 通过软件编程实现运动控制算法，然后将这些算法下载到相应的可编程逻辑 器件中，从而以硬件方式实现最终的运动控制系统。这种系统优点主要有： 系统的主要功能在单片f p g a c p l d 中实现，减少了元器件个数，缩小了系 统体积；具有良好的扩展性和可维护性，通过修改软件并重新下载到露标板 上的相关器件中，就可以对系统的升级：系统以硬件实现，响应速度快，可实 现并行处理；开发工其齐全，遥用性强。 然而，这种系统实现方法的成本较高。控制算法越复杂，对可编程逻辑 器件的集成度要求越高，芯片价格越昂贵。因此，考虑到系统成本，一般使 用可编程逻辑器件实现较为简单的运动控制系统。 ( 6 ) 以可编程d s p 控制器为核心构成运动控制系统。d s p 属于精简指令 集计算机，增强型哈佛结构，具有独立的程序存储空闯和数据存储空闯，运 算速度极快( 超过2 0 m i p s ) 为系统实时性提供了有力保障，也使复杂算法的 实现成为可能，特别是面向电褫控制应翔酶d s p ，它通过把一个高性能的d s p 内核和常用外围设备集成为一个芯片的方法，将d s p 的高速运算特性和优化 的控制特性维合起来，成为运动控制系统核心芯片的最娃选择。基于d s p 控 制器的运动控制系统实际上是个单片系统，因为整个电机控制所需的各种 功能都可以用d s p 控制器来实现，因此可以大幅度减小系统体积，减少外部 器件的个数，增加系统可靠性。另外，由于各种功能都通过软件实现，系统 升级容易，扩展性和可维护性都很好。同时，d s p 控制器的高性能使最终系 统既能满足要求比较低的系统，也可以满足对性能和精度要求较高的场合需 要。 通过以上毙较，可以得到| 以下结论： ( 1 ) 基于d s p 控制器的运动控制系统可满足任意场合的需要，将是运动 控制系统实现技术的发展方向。 ( 2 ) 虽然采用一些新型微控制器可以实现一些功能复杂、要求较高的运动 控制系统，但是与同样性能的d s p 控制器相比，这些新型微控制器成本较高。 ( 3 ) 在一些简单、性能要求不高的场合，可i 以采用专用控制芯片、徽控制 器、可编程逻辑器件等实现运动控制系统。在一些大型系统中，可考虑采用 逶用计算机、王鲎计算机来构成运动控制系统。 1 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 掌i r l 高暑宣宣蕾嗣黼皇置 ( 4 ) 多种实现方法的互相配合使用，可以达到更好的效果和性能价格比。 2 。3 3 运动控制系统的设计要求 移动机器入运动控制系统的设计主要包括系统的功能设计和结构设计， 功能设计主要完成控制功能和算法的软件设计，而结构设计是功能在硬件上 的实现辫。根据所面向的任务和环境不同，对移动机器入运动控制系统的设 计也不同。目前机器人运动控制系统存在主要问题有：系统局限于专用微处 理器、专用机器人谮言，开放性差网；软件结构依赖予微处理器硬件，难以 在不同系统间移植；扩展性差。针对这些不足，进行机器人运动控制系统 设计时应考虑以下要求： ( 1 ) 开放式系统结构。采用开放式软件、硬件结构，可以根据需要方便扩 充功能，使其适用于不同目的的科研需求嫩5 1 。 ，( 2 ) 合理的模块化设计。硬件设计要根据系统要求和电气特性进行模块化 设计，不仅方便安装和维护，而且提高系统的可靠性；软件按功能分成不同 模块，便予修改、添加。 ( 3 ) 实时性、多任务要求。控制器必须能在确定时间内完成对外部中断的 处理，并且可以多个任务同时进行啪1 。 ( 4 ) 网络通信功能，便于资源共享和多机器入协同。 ( 5 ) 具有一定智能，