（机械制造及其自动化专业论文）基于psoc的智能吸尘机器人控制系统的研究.pdf

e 海大学硕士学位论文 摘要 智能吸尘机器人的研究近年来受到国内外的重视，成为家用机器人的一个 新研究方向。本文重点设计了智能吸尘机器人控制系统的硬件、软件平台，并 对路径规划算法进行了分析。 首先，通过对非完整约束轮式移动结构分析，建立了智能吸尘机器人的运 动模型并进行了航位推算。 其次，设计了基于可编程片上系统p s o c 的硬件控制系统，其中主要包括 p w m 功率驱动、测速单元和红外传感器控制模块等。对机器人速度、位置控 制采用p 1 d 算法，较好地克服了机器人模型的不确定性、转速位置控制要求的 多变和环境改变等因素的影响。在硬件的基础上，利用p s o c 自带的集成开发 环境，结合使用c 语言和汇编语言完成了控制软件的编写，并最终实现各功能 模块的控制。 此外，本文还对机器人的路径规划进行了研究。分析了基于栅格法的区域 扫描法对环境的建模、遍历过程，由于该算法在实际应用中并不能取得理论上 的遍历结果，所以我们辅以随机遍历算法，形成一种混合算法进行遍历，以弥 补区域扫描法在实际应中带来的不足之处。 最后对本文的工作进行了总结，同时结合自己在参加智能吸尘机器人项目 中所积累的经验和知识，指出了需要进一步开发和完善的内容，并对以后的研 究作了展望。 关键词：智能吸尘机器人，可编程片上系统，路径规划，电子地图 v 二兰塑查堂堡兰垡堡壅 a b s t r a c t r e s e a r c ha n dd e s i g no f i n t e l l i g e n tc l e a n i n gr o b o th a sb e c o m eah o tf i e l dd u r i n g l a s ty e a r s i t sa ni m p o r t a n tp a r to fh o m e u s e dr o b o tr e s e a r c h ，t h i sp a p e rm a i n l y d e s c r i b e dt h ed e s i g no ft h ec o n t r o ls y s t e mo fi n t e l l i g e n tc l e a n i n gr o b o t t h ec o n t r o l s y s t e m ，i n c l u d i n gh a r d w a r ea n ds o f t w a r es y s t e m ，i sd e v e l o p e db a s e do np s o c b e s i d e s ，t h er e s e a r c ho f p a t hp l a n n i n gi sa n o t h e ri m p o r t a n tp a r to f t h ep a p e r f i r s t l y , t h ed i s s e r t a t i o na n a l y z e dt h em o b i l es t r u c t u r eo ft h ei n t e l l i g e n tc l e a n i n g r o b o t t h er o b o t sk i n e m a t i c sm o d e li sb u i l da n dt h er e l a t i o n s h i po ft h ep o s i t i o na n d s p e e di sp r e s e n t e di nt h ep a p e r s e c o n d l y , t h ew h o l eh a r d w a r es t r u c t u r eo fc o n t r o ls y s t e mb a s e do np s o ci s p r e s e n t e di nd e t a i l ，w h i c hi sc o m p o s e do fp w m d r i v e ru n i t ，s p e e dt e s tu n i ta n d i n f r a r e ds e n s o r su n i ta n ds oo n p i da r i t h m e t i ci su s e dt oc o n t r o lt h es p e e da n d p o s i t i o no ft h er o b o t ，w h i c hm a d et h ew h o l es y s t e mm o r es t a b l eu n d e rc o m p l e x e n v i r o n m e n t w i t ht h eu s eo f i d eo f p s o c ，t h es o f t w a r eo f t h es y s t e mi sd e s i g n e di n c l a n g u a g ea n da s s e m b l yl a n g u a g ea c c o r d i n gt oh a r d w a r es t r u c t u r e i na d d i t i o n ，p a t hp l a n n i n ga l g o r i t h mi sd e p i c t e di nd e t a i l t h em e t h o do fg r i d a r e ad i s m e m b e ri sa n a l y z e d ，a sw e l la st h ep r o c e s st ob u i l dt h em o d e la n dc o m p l e t e t h ec o v e r a g eo ft h ee n v i r o n m e n t a st h er e s u l to ft h i sm e t h o di sn o tp e r f e c tw h e n u s e di nr e a le n v i r o n m e n t , a n o t h e ra l g o r i t h mi su s e da tt h es a r n et i m e ，w h i c hi sc a l l e d r a n d o mc o v e r a g ea l g o r i t h m t h ef e a s i b i l i t yo f t h em i x e dp a t hp l a n n i n gi sd i s c u s s e d i nt h ee n d ，t h ei m p o r t a n tr e s u l t sa n dc o n c l u s i o n so ft h i sd i s s e r t a t i o na r e s u m m a r i z e da n dt h ep r o s p e c to ff u r t h e rr e s e a r c h0 1 3 t h i sa u t o n o m o u si n t e l l e c t u a l c l e a n i n gr o b o ti so p e n e du p k e y w o r d ：i n t e l l i g e n tc l e a n i n gr o b o t ，p s o c ，p a t hp l a n n i n g ，e l e c t r o n i cm a p v i 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：亟! 盔堑：日期色丛1 2 立 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留论文及送 交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) i i f ：海大学硕士学位论文 1 1 服务机器人概述 第一章绪论 根据国际机器人联合会给服务机器人的定义：服务机器人是一种半自主或全 自主工作的机器人，它能够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【1j 。服务机器人与人类工作在同一的工作空间内，具有人机接口和部 分非结构化环境中的高度自主能力【2 】【”。 相对于已经相当成熟的工业机器人来说，服务机器人是近年来出现的机器人 学研究应用的一个新领域。仅仅从字面上理解的话，各种可以直接或间接为人 类服务的机器人都属于服务机器人的范畴。与工业机器人注重精密、快速和高 效相比，服务机器人则更重视安全可靠和使用方便。这是因为服务机器人更贴 近人类的日常生活，其使用者在许多场合是并未受过专门教育和培训的普通人， 只有满足安全可靠和使用方便这些基本条件的服务机器人才能够被社会所认 可，并走进我们的日常生活。 到目前为止，大多数的服务机器人都是行业用服务机器人，例如清洁机器人 ( 如图1 1a ) 、健康福利服务机器人( 如图1 1b ) 、水下机器人、医用机器 人等，只有少部分用于家用。 a ) 壁面清洗机器人 b ) h e l p m a t e 机器人 图1 1 _ 家庭服务机器入 目前家庭服务机器人的产品种类还很少，主要是由于技术、价格等方面的 原因。全自动割草机( 如图1 2 ) 和全自动吸尘器是现阶段家庭服务机器人的典 上海大学硕士学位论文 型代表。 图1 ，2r l 5 0 0 除草机器人 不过统计数据显示，家用服务机器人市场即将进入一个崭新的阶段。2 0 0 2 联合国欧洲经济委员会发布的报告说，未来3 年内需求增长速度最快的将会是 家用机器人，而不是工业机器人。报告认为，机器人玩具、机器人剪草机及机 器人真空吸尘器等家用机器人的销售量，将在2 0 0 2 年至2 0 0 6 年问增长1 0 倍， 从而一举赶上工业机器人的市场份额。 在高速化、小型和轻量化、计算机控制、网络化、高精度化以及视觉和触 觉等传感等技术的飞速发展下，家用机器人的功能也将日益多元化和智能化。 在市场需求的促进下，家用服务机器人将向低成本的方向发展。据联合国欧洲 经济委员会和国际机器人联合会发布的报告显示，目前每个机器人的造价仅是 1 9 9 0 年的l 5 ，随着科技的发展，机器人的价格有望在未来1 0 年里快速下降， 并且开始普及到家庭。 1 2 智能吸尘机器人的研究意义 智能吸尘机器人能实现家庭、宾馆及写字楼等室内环境的半自动或全自动 清洁，能使人类从繁琐的家务中解脱出来，因此具有广泛的市场前景，近年来 已受到国内外的重视，成为家用机器人的一个新研究方向。据统计，2 0 0 1 年全 球销售的家务机器人为2 万1 千多台，但在2 0 0 2 至2 0 0 5 年期间，家务机器人 销售可望超过7 0 万，其中智能吸尘机器人将占到很大的比例，一个大的市场和 产业正在逐步形成。智能吸尘机器人作为服务机器人领域中的一个新产品，只 要生产成本兼顾到日用电器批量大、价格低的特点，使越来越多的家庭能够负 担得起，则将更具有诱人的市场前景【4 j 【5 j 【6 j 。 虽然已有部分智能吸尘机器人走入了市场，但功能仍存在缺陷，加上昂贵 的丌发成本使之还不能真正走入寻常百姓家。因此，开发出一种高性能、低成 本的智能吸尘机器人控制器，不但是人们生活水平不断提高的迫切需求，也是 上海大学硕士学位论文 智能吸尘机器人技术发展的需要。 1 3 智能吸尘机器人研究现状 智能吸尘机器人将移动机器人技术和吸尘技术有机地融合起来，是类能够 通过传感器感知环境和自身状态，在非结构环境下实现导航、定位，从而完成 清扫作业的机器人系统。对智能吸尘机器人的研究将涉及到机器人的机械结构、 体系结构、环境建模、导航定位、路径规划、运动控制、多传感器信息融合、 故障诊断、容错控制以及移动机器人导航控制平台等。 吸尘机器人的控制与工作环境往往是不确定的或多变的，因此必须兼顾安 全可靠性、抗干扰性以及清洁度。用传感器探测环境，分析信号，以及通过适 当的建模方法来理解环境，具有特别重要的意义。近年来对智能机器人的研究 表明，对于工作在复杂非结构环境中的自主式移动机器人，要进一步提高其自 动化程度，主要依靠模式识别及障碍物识别、实时数据传输及适当人工智能方 法，另外还需要迸一步开发全局模型，从而获取机器人全局信息。目前发展较 快、对吸尘机器人发展影响较大的关键技术是；传感投术、智能控制技术、路 径规划技术、吸尘技术、电源技术等u i 8 1 【9 1 。 目前在日本、欧美等西方发达国家，英国d y s o n 、f l o o r b o t i e s 、德国的凯 驰、美国的i r o b o t 等一些世界著名公司都已开发出面向市场的实用智能吸尘机 器人。下面简单介绍一些市场上的产品。 图1 3d c 0 6 吸尘机器人 图1 3 为英国d y s o n 公司2 0 0 2 年推出的款型号为d c 0 6 的智能吸尘器。 这是世界首次开发研制的全自动“吸尘机器人”，该吸尘机器人具有7 0 个传感 器和3 台小型计算机，目前价格约4 0 0 0 美元 1 0 。 上海大学硕士学位论文 图1 4v 4 吸尘机器人 图1 4 为澳大利亚f l o o r b o t i e s 公司2 0 0 2 年研制出的可自动行驶并打扫房 间的v 4 型机器人，配有内置搜索雷达。 图1 5r c 3 0 0 0 吸尘机器人 图l t5 为德国凯弛的真空吸尘机器人r e 3 0 0 0 ，r c 3 0 0 0 是世界上第一台能够 自行完成所有家庭中地面清洁工作的清洁机器人，该机器人全部由光电传感器 和芯片控制，在遇到障碍时能随机改变角度，在遇到楼梯与台阶时能自动避让， 并内置了四种了清洁程序。 国内已开始有关这方面的研究开发工作，但没形成系列化产品。2 0 0 0 年6 月，国内最大的家电生产企业海尔集团与著名高等学府哈尔滨工业大 学，共同组建机器人技术有限公司。2 0 0 2 年，哈工大机器人研究所成功研制出 智能吸尘机器人。浙江大学于6 年前就开始了智能吸尘机器人的研究，在路径 规划算法、多传感器信息融合等技术领域取得了一定的成果。 1 4 现有智能吸尘机器人存在的主要问题 尽管国内外在吸尘机器人研究开发方面已取得一定的成果，但仍有许多关 键技术尚需解决和提高。目前，主要存在以下几个方面问题： ( i ) 价格过高是严重影响吸尘机器人打入家电市场的主要因素。因此为了 大幅度降低其成本，必须开发专用运动控制和数字处理芯片以及性价比高的微 型传感器。在不远的将来把吸尘机器人的成本控制在千元人民币左右或更低。 4 圭堕奎兰塑主兰堡堡兰 图i 4v 4 吸尘机器人 图1 4 为澳大利亚f l o o r b o t i e s 公司2 0 0 2 年研制出的可自动行驶并打扫房 间的v 4 型机器人，配有内置搜索雷达。 图1 5r c 3 0 0 0 吸尘机器人 图1 5 为德国凯弛的真空吸尘机器人r c 3 0 0 0 ，r c 3 0 0 0 是世界上第一台能够 自行完成所有家庭中地面清洁工作的清洁机器人，该机器人全部由光电传感器 和芯片控制，在遇到障碍时能随机改变角度，在遇到楼梯与台阶时能自动避让， 并内置了网种了清洁程序。 国内己开始有关这方面的研究开发工作，但没形成系列化产品。2 0 0 0 年6 月，国内最大的家电生产企业海尔集团与著名高等学府哈尔滨工业大 学，共同组建机器人技术有限公司。2 0 0 2 年，哈工大机器人研究所成功研制出 智能吸尘机器人。浙江大学于6 年前就开始了智能吸尘机器人的研究，在路径 规划算法、多传感器信息融合等技术领域取得了一定的成果。 1 4 现有智能吸尘机器人存在的主要问题 尽管国内外在吸尘机器人研究开发方面已取得一定的成果，但仍有许多关 键技术尚需解决和提高。目前，主要存在以下几个方面问题： ( 1 ) 价格过高是严重影响吸尘机器人打入家电市场的主要因素。因此为了 大幅度降低其成本，必须开发专用运动控制和数字处理芯片以及性价比高的微 型传感器。在不远的将来把吸尘机器人的成本控制在于元人民币左右或更低。 型传感器。在不远的将来把吸尘机器人的成本控制在干元人民币左右或更低。 4 l 海大学硕士学位论文 ( 2 ) 为了有效地提高清洁的质量，还需要对现有吸尘技术进行改进。根据 环境的脏洁程度，采用模糊逻辑等技术，设计合理的吸尘时间以及相协调的机 器人运动速度，确保满意的吸尘效果。 ( 3 ) 吸尘机器人智能化程度除了软件策略之外，更重要的是尽量获取外部 环境信息，以及外部信息处理结果的可靠性、实时性。传感器的选择及其布局 对吸尘机器人智能程度起着非常重要的作用。 从资料介绍来看，除了上述几个方面，现有的智能吸尘机器人在清洁面积 覆盖率、路径规划及实时避障方面也还存在缺陷。 1 5 本课题来源及主要研究内容 智能吸尘器与以往传统家庭吸尘器的根本区别就在于实现完全的无人条件 下的自主清扫工作。因此研究的难点首先在于传感器应用以及基于有限的传感 信息给环境建立模型，其次便是在此基础上对整个吸尘机器人系统如何进行控 制，通过采用什么样的算法和策略，来体现机器人智能化。 本课题由上海大学与苏州索发电机有限公司于2 0 0 2 年开始合作开发，从机 器人的工作机理、技术应用及产品等角度进行了系统的分析和研究。本课题基 于机械机构的基础，重点研究了吸尘机器人的控制系统的设计。本论文的主要 内容包括以下几方面： ( 1 ) 分析总结了智能吸尘机器人及其控制技术的现状，并提出了它的研究 意义。 ( 2 ) 研究了智能吸尘机器人的体系结构，并针对机器人的非完整性约束特 点，进行了基于运动学的数学建模，深入分析了机器人在行走时其输 入控制变量与位姿的关系。 ( 3 ) 采用非线性控制算法实现移动机器人的轨迹跟踪控制，采用p d 控制 算法实现吸尘机器人的速度及位姿控制。 ( 4 ) 研究设计了吸尘机器人控制系统硬件和软件。 ( 5 ) 模拟智能吸尘机器人的工作环境，研究分析了基于栅格法的区域扫描 路径规划算法和随机遍历路径规划算法的混合算法，以覆盖率和清扫 效率为技术指标，研究吸尘机器人的路径遍历算法。 上海大学硕士学位论文 第二章吸尘机器人系统及运动学分析 智能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。移动机构是吸尘机器人的主体，决定了吸尘机器人的运动形式， 一1 般根据其工作环境来选择。感知系统一般采用超声波测距仪、接触或接近传 感器、视觉传感器、红外线传感器和c c d 摄像机等，为机器人采集必要的环境 信息，为机器人的决策提供判断依据。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。本章主要介绍了吸尘机器人的移动机 构、驱动方式和感知系统，并进行了运动学分析及航位推算。 2 1 移动机构 分析移动机构是建立智能吸尘机器人动力学模型、航位推算、路径规划的 重要前提。移动机器人的结构因所处的应用环境不同而有很大的差别，因本智 能吸尘机器人主要设计用于居室或办公环境内的清洁，故移动机构采用轮式机 构。而具有三轮结构的移动机器人可以认为是轮式机器人的基础，常用的三种 移动机器人【1 1 1 的结构原理图如图2 1 所示。 图2 1 典型的三轮结构机器人 图2 1 ( a ) 为两轮差速驱动方式。它是在机器人的左、右轮上分别装上两 6 上海人学硕士学位论文 个独立的驱动电机，通过控制左右轮的速度比未实现车体的前进和转向，非驱 动轮在旋转和取向上都是自由的。这种机构的特点是机构简单，而且旋转半径 可以从零到无限大任意设定。但是它的旋转中心是在连接两驱动轮的直线上， 所以旋转半径即使是零，旋转中心也与机器人中心不一致。设旋转角为，点p 的坐标为( x ，y ) ，机器人相对于x 坐标轴的方位角为0 ，那么机器人的运动可 用下式表示 阱 c o s pc o s 日 22 s i n 目s i n 0 2 2 11 d d 图2 1 ( b ) 与图2 1 ( a ) 相比，它的转向和驱动部分都集中于前轮部分，所 以机构复杂。其前轮既是动力轮又是主动转向轮，由两个电机来驱动，一个电 机作为动力驱动，用来保证机器人的平移速度的大小，另一个电机用来改变机 器人的方向，即改变它的转动速度的大小。这种形式的旋转半径也可以从零到 无限大连续变化，在这种情况下，机器人的运动可用下式表示 c o s 加o s o c o s 幽i n 目 s i n e l ( 2 2 ) 为了避免驱动器都集中于前轮，可以将图2 1 ( b ) 形式加以改进，采用如图 2 1 ( c ) 所示的方式，这类驱动方式类似汽车驱动。后轮为动力轮，前轮为转向 轮，两个电机分别驱动前后的轮子。这种驱动方式的机器人运动速度公式为 | ： c o s 目 s i n 曰 t a n 西 l v ( 2 3 ) 由此可见，三种驱动方式结构的复杂程度是不同的，两轮差速驱动方式最 为简单。三种驱动方式的运动学模型也有一定差别。 本文研究的智能吸尘机器人采用了图2 1 ( a ) 示的移动机构模式，其前轮 为万向轮，两后轮固定式不可转向，且相互独立，由两台直流电机单独驱动， h 州叫 = 1，j 陬旧一 l ：海大学硕士学位论文 简单方便，容易实现控制。该结构转弯灵活，可实现零半径转弯，能够很好地 实现控制机器人在行驶过程中进行避障和全区域覆盖。本智能吸尘机器人外观 上为圆形结构，直径3 2 0 r a m ，如图2 2 示， 图2 2 实验机器人 这样的设计保证了移动机器人能在比较狭小的环境下灵活自如地移动，非 常适应于家居、办公环境等工作环境。 2 2 驱动方式 一般机器人用电机的基本性能要求：( 1 ) 启动、停止和反向均能有效的进 行，具有良好的相应特性：( 2 ) 正反转时的特性相同，且运行特性稳定；( 3 ) 良好的抗干扰能力，且体积小、重量轻；( 4 ) 维修容易，不用保养。 在电动执行机构中，常用的电机有直流电机、交流电机、步进电机和直接 驱动电机等实现旋转运动的电动机，以及实现直线运动的直线电机。其中，直 流电动机有以下几方面的优点；1 ) 调速范围广，且易于平滑调节；2 ) 过载、起 动、制动转矩大；3 ) 易于控制，可靠性高；4 ) 调速时的能量损耗较小。直流电 动机的主要缺点是有换向器。由于有换向器，使直流电机比交流电机费工费料， 造价昂贵，运行时换向器需要经常维修，寿命也较短，换向条件又使直流电机 的容量受到限制。由于智能吸尘机器人工作任务特殊，驱动电机不需长时间连 续工作，一般每天工作1 3 小时，工作环境并非十分恶劣，故本吸尘机器人的 驱动电机选用了直流电动机。 直流电机在一定电压下，转速与转矩成正比：如果改变电压，则转速转矩 线随着电压的升降而升降( 如图2 3 ) 。 上海大学硕士学位论文 1 3 ( 转速) n 1 l u = 1 2 v u = 6 v 汰。 7 t ( 转矩) 图2 3 转矩、转速与电压关系图 在吸尘机器人负载一定时( 即转矩一定时) ，降低电压，对应的转速n l 、1 1 2 不同，这样就可实现电机调速。驱动电路设计将在下一章祥述。 2 3 感知系统 智能吸尘机器人要在未知的环境中自主完成工作，就必须依靠传感器，不断 地对机器人位置、姿态、速度和系统内部状态进行监控，并感知机器人所处工 作环境的静态和动态信息。通常采用的传感器分为内部传感器和外部传感器。 检测机器人本身状态的是内部传感器，常用的内部传感器有：编码器、线加速 度计、陀螺仪、磁罗盘等。检测机器人所处环境及状况的是外部传感器，常用 的外部传感器有：视觉传感器、超声波传感器、红外传感器、接触和接近传感 器。 2 3 1 传感器的选择 针对智能吸尘机器人测距和障碍探测的特殊要求，目前采用最多的仍是红外 线和超声波传感器【1 2 l 。对于超声波传感器，其测距原理是利用超声波在空气中 的定向传播和固体反射特性( 纵波) ，通过接收自身发射的超声波反射信号，根 据超声波发出及回波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。由于超声波传感器探测波束角过大，方向性差，虽然有较 长的测量距离( 最大探测距离为1m ) ，但存在测量盲区( 最小盲区为0 3 o 4 m ) 。 红外线是一种只有少数生物( 如响尾蛇) 才能感觉到的光波，其波长为1 上海人学硕十学位论文 n m 1 0 0 0 n m ，与超声波类似，同样具有定向传播和反射能力【1 3 。尽管自然环境 中各种物体均能不同程度的释放出红外能量，但由于其波长及大小很难准确分 辨，故应用在移动机器人上的红外传感器，工作原理与超声波传感器类似，同 样采用发射固定波长的红外线并接收同一回波的主动方式，其探测特性与超声 波传感器恰好相反，即角度分辨率高，而距离分辨率低。同时，红外线传感器 同样具有灵敏度高，结构简单，成本低等优点。 红外线发射与接收的方式有两种，其一是直射式，其二是反射式。直射式指 发光管和接收管相对安放在发射与受控物的两端，中间相距一定距离；反射式 指发光管和接收管并列一起，平时接收管始终无光照，只在发光管发出的红外 光遇到反射物时，接收管收到反射回来的红外线才工作。 综合性价比考虑，本文研究的智能吸尘机器人的感知系统中，采用了多对红 外传感器及微动开关，分别用于不同的探测目的，为吸尘机器人搜集必须的环 境信息。 2 3 2 感知系统的分布及其功能 智能吸尘机器入的主要工作环境在室内，由于室内的陈设及障碍物比较多， 且障碍物的底部离地间隙也存在很大的差别，所以，不管是吸尘机器人的长宽 还是高都要设计得比较小，以求使智能吸尘机器人的外形尺寸小巧。这样，就 对智能吸尘机器人内部的各功能模块的结构布局，提出了较高的要求：同时， 为了较好的实现智能吸尘机器人的避障功能，传感器的布局也要仔细地考虑， 这样才能使智能吸尘机器人对其前方及左右方向上的障碍物进行有效的判断。 本吸尘机器人的内、外部传感器分布如图2 4 示， 上海大学硕士学位论文 红 底 图2 4 传感器分布图 i 测速红外传感器 测速红外传感器的工作原理如图2 5 示。该传感器由红外发射管和接收管组 成，采用的是直射式工作方式，传感器外形为侧射式封装，两管间距比较小， 便于安装在轮子内部，而不占用太多的空间。左右轮上安装的红外发射管工作 在恒流状态，只要吸尘机器人处于工作状态，两轮上的两对发射管就处于导通 工作状态。为防止红外发射管的老化，保证其长期工作的稳定性，取工作电流 为极限值的6 0 。 调制盘 红外发射管弘一一 图2 5 红外传感器测速原理图 ：海大学硕士学位论文 红外发光管的响应时间与采用的材料有关，我们采用的是砷化镓( g a a s ) 红 外发光二极管，它的开启电压为l 1 2 v ，响应时间小于1 0 纳秒，可工作在几 百千赫到几兆赫的系统中。完全能满足吸尘机器人驱动轮测速的要求。 2 触碰感测器 由于红外传感器的探测距离比较近，一般不超过1 米，所以本吸尘机器人采 用另一种方式来探测前方障碍物接触式碰撞检测。这一功能除依靠传感器 外，还需依靠安装在机器人前端的弹性装置缓冲器来协助完成。当缓冲装 置左前方、右前方或正前方碰到障碍物时，依靠弹簧和其他机械装置触发安装 在电路板上的红外传感器组2 。由于弹簧的缓冲作用，并且机器人的移动速度 比较低，碰撞的冲撞力和惯量通常比较小，一般不会对家具造成什么损害。传 感器组2 与测速传感器一样，发射与接收方式也为直射式，提高了判断碰撞障 碍物的准确性。 3 地面扫描及侧墙检测红外传感器 红外传感器组3 的作用是实时扫描地面，据此可分辨出机器人底部是否遇到 楼梯口或即将到达楼梯口而使机器人面临危险，为吸尘机器人的下一步决策供 可靠的判断依据。其中每对传感器成一定角度分布，发射管采用的是顶射式封 装形式，工作原理如图2 6 所示，发射与接收方式为反射式，即发射出的红外 光线须经由地面反射后，才能进入接收管的接收通道使它导通，否则，接收管 因不受光不能导通。 红外发射= 极管 收管 图2 6 反射式红外传感器工作原理图 红外传感器4 的作用是探测机器人右面的墙，其工作原理与地面扫描的红外 传感器组3 相同。在路径规划中这对红外传感器与红外传感器组2 的作用都举 足轻重。 光学措施及机械结构设计在设计红外传感器结构时，要最大限度地减小阳光 及室内照明光源对红外信号的干扰和影响。外壳设计上采用管状凹槽式结构， 将发射、接收二极管置于管中，隔离阳光和照明光源的直射，壳体表面发黑处 上海大学硕十学位论文 理，充分吸收杂散反射光，避免噪声光源散射的干扰，最大程度地减小发射光 旁瓣。 4 微动开关 微动开关为按触式传感器，用于检测吸尘机器入三个车轮是否坠落情况发 生，如坠落楼梯等意外，即检测轮子是否悬空。当两个驱动轮和前轮均着地正 常工作时，微动开关为常开状态，c p u 获得一低电平信号；若某一轮或多轮落 空离地，由于轮的自重使轮下坠而使微动开关导通，c p u 获得一个高电平检测 信号，微控制器据此可采取紧急停机措施，保障吸尘机器人的安全。 2 4 吸尘机器人的运动学分析 建立机器人的运动学模型是以运动学为基础，对吸尘机器人进行路径规划、 路径跟踪等研究的前提。本吸尘机器人的三车轮成等腰三角形分布，这样的对 称性有利于机器人本体的前后左右自由转向，也易于实现对机器人姿态的计算 与控制。两相互独立的驱动轮有独立的功率驱动模块及变速机构。 由于该种机器人受非完整约束，所以机器人只能在与驱动轮轴垂直的方向上 运动，即机器人必需满足以下的纯滚动条件： , z o c o s o 一文。s i n o = 0 ( 2 - 4 ) 建立运行模型如图2 7 所示。 y o 图2 7 吸尘机器人运动模型 图中符号表示的含义及其它相关定义如下： x = 海大学硕十学位论文 x o y 世界坐标系( 固定坐标系) ； x o y 机器人坐标系，原点0 为两后轮连线的中点，x 轴沿着后轮轴 心方向； d 两驱动轮的直径； l 左右轮间的距离； p 机器人在t 时刻的速度瞬心； a 右轮转弯半径； 目机器人坐标系x 轴和环境坐标系x 轴夹角； 、r 两后轮轮心相对地面的线速度，即轮子平动的速度。 向量q = ( x ，y ，口) 表示机器人在世界坐标系中的位姿，这里的( x ，y ) 表示机器人位置的参考点0 ，即车体坐标系的原点在世界坐标系中的位置，目表 示机器人车体坐标系x 方向，即机器人的平动方向，与世界坐标系x 方向的夹 角，即位姿角。 如图2 6 示，由于p 是机器人的速度瞬心，所以在两轮的连线上速度呈梯 形线形分布，则0 点的速度，也即移动机器人移动的线速度为： v o ：二毕：生等型 ( 2 _ 5 ) 将线速度分别投影到世界坐标系上得： 膏：圯c o s p ：丝型兰兰c o s 口 ( 2 6a ) y = v os i n o =竺：望竺：堡s i n 臼 4 由v l 和v r 与p 构成的几何关系可得 三m 。d f d 一国，d 从而可知移动机器人的角速度为： 毋：堡兰：竺：堡二竺：垡 2 口2 三 于是可得移动机器人的运动学方程为： 1 4 ( 2 - 6 b ) ( 2 7 ) 上海大学硕士学位论文 x y 口 2 5 机器人的航位推算 望。口堕。刚 4 4 鲁s t n 臼鲁s i n 臼l ： c z s ， d d 五 瓦j 机器人的航位推算是推算机器人在世界坐标系中的位姿，也是进行移动机 器人导航、路径规划等研究的基础。 智能吸尘机器人要自主的完成路径规划、避碰和吸尘的作业任务，就需要 实时知道自身相对世界坐标系的位置和姿态( 统称为位姿) ，即自定位。因此， 自主定位是移动机器人的一项重要的基本功能。现有的移动机器人自主定位系 统主要有两类：相对定位( 局部定位) 系统是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姿；绝对定位( 全局定位) 系统则通过测 量移动机器人的绝对位姿来实现定位1 4 】。本文采用的航位推算法属于前一种， 即通过红外测速传感器的读数进行推算，具体方法如下【”】： 机器人的位姿写成t 的函数形式为( x ( t ) ，y ( t ) ，0 ( t ) ) ；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v l ( t ) 和v r ( t ) ( 具有 如下关系： 百d x ( t ) = 丢眈( f ) + 哪) 】c o s ) d y r ( t ) ：丢眈( f ) + k ( r ) 】s i n ) 百d o ( t ) = 工1 v l ( t ) 一珞( f ) 】 臣 x ( f ) = x ( “) + f 去眈( r ) + v a o c o s o ( t ) d t ( 2 9a ) l ，o ) = r ( t o ) + ( 去眈p ) + v a t ) s i n o ( t ) d t ( 2 9b ) 疗( f ) = 曰( “) + f 眈( f ) 一( r ) k ( 2 - 9 c ) 由此可见，吸尘机器人的移动控制可通过控制独立两轮的速度来实现。根据 红外测速传感器的采样信息，再通过式( 2 - 9a ) ( 2 - 9c ) 的积分关系，可 上海火学硕十学位论文 买时计算出军体方位x ( t ) ，y ( t ) 、口( t ) 。 采用红外传感器作为测速传感器来实现车体方位推算的最大优点是系统简 单且成本较低。红外测速传感器直接检测的是调制盘的转速，电机的转动通过 减速机构带动驱动轮转动，而调制盘- 5 电机是同轴转，所以，红外测速传感器 检测的速度跟轮子的转速成定比例( 减速传动比值f ) ，轮子转过的角度可根 据测速传感器的读数间接算出。设0 为轮子转过的角度，调制盘的分度数为n ， 红外测速传感器接收到m 个脉冲，则 0 ：i 2 n m 阳d ( 2 1 0 ) f 则轮子行走的距离& ： s c = 了d o = 百m n d ( 2 - 1 1 ) 由于测速传感器的采样是周期性的，以t 为采样周期，式( 2 - 9 a ) 至( 2 9 c ) 可改写为： 工。= x 。+ r ”告眈( f ) + ( f ) 】c 。s 臼( f ) d r ( 2 - 1 2a ) k + l _ k + f ”丢眈( f ) + ( 必n 护o ) a t ( 2 - 1 2b ) 以。= 以+ r ”【屹( r ) 一( r ) k ( 2 - 1 2c ) 式中，( k ，口。) 是车体方位在第n 次采样时刻( 即k 时刻) 的已计算 值，( 咖y 。0 川) 是车体方位在第n + 1 次采样时刻( 即+ r 时刻) 的待计算值，t 是采样周期。设 鲥。= r 丢眈( 卅( f ) 】c o s 目( r ) 础( 2 - 1 3a ) 匕= f + t 百1 眈( f ) + ( 啪n 臼o ) d r ( 2 - 1 3b ) a 0 。= r “ 圪一( 明d t ( 2 - 1 3 c ) 则 x = x 。+ 脯。 ( 2 - 1 4a ) e 。= e + e 以“= 以+ a 0 。 ( 2 1 4b ) ( 2 1 4c ) 上海大学硕士学位论文 通过采样获得m 值，由式( 2 - 1 0 ) 和( 2 一1 1 ) 可获得s 。( t ) 、s r ( f ) 及0 ， 从而解出a o 。然而求瓦+ 和e + 。困难得多，这是由于无法直接求得圪( r ) 和 k ( r ) ，而只有它们对时间的积分值。为了求出此积分，下面给出了离散化计算 公式。 在区间 t n ，+ t 内，对c o s 目( t ) 的采样性插值 c 伽( f ) = c o s o n + 竺坠三兰竺鱼( t - - t ) 将上式代入a x 。的积分表达式，则 皈= p p ) 卜酿+ 型号盟( h 。) p = r “ c 。s 吼一争( c 。s 以+ l - - c o s 已) y ( r ( 幻+ 鱼竺堡! j ；! 翌盟r “r y ( r ) 出 = c o s 0 - 争( c 。s 醵。一c 。s 醌) ( s 。一r ) + ! ! ：! ! 皇! ! ! j ；：- ! 旦盟 ( “+ r ) s 。一乙s 堕兰堕盟卜威 对f “s o ) 函采用近似积分： r ”s ( t ) d t ：墨! ! 虽丁 i2 半丁 则上式可简化为： 皈：( s 。一只) 塑生毕 同理可得： l ：( h + i - s 。) 墅尝 式中： = 跚。) = 圭( & 。城，) 令a s 。= = s 。+ ，s 。：= j i ( s 。，。+ s 。，。) 刚最后可得： 趟。= 埘。型半监 i ：海大学硕十学位论文 且 r ，= 蝇型掣 x = x ，+ 从。 匕“= 4 - l 巩+ l = 吼- i - 吼 根据上面的推导，可知根据左右轮测速传感器的脉冲计数m ，即可求得s 肋 s 。s ，s 从而求得机器人的位姿( 段t ) ，y ，毋( t ) ) 。 ：海大学硕十学位论文 第三章控制系统的硬件设计 3 1 控制系统的硬件设计方案 本论文在硬件设计上以技术先进、实时性强、集成化程度高、结构简单、 成本低廉为目标。采用嵌入式芯片可编程片上系统( p s o c ) ，充分利用其内部集 成的可重构资源，实现机器人的复杂控制，系统设计方案如图3 1 所示。 图3 1 控制系统框幽 从图3 1 可知，本论文所设计的智能吸尘机器人控制系统的硬件电路部分 主要由p s o c 、人机接口电路、红外发射电路、红外接收电路、吸尘与边刷等电 机驱动电路、双轮电机驱动电路、测速传感器检测电路、电源电量检测电路等 共同组成。 其中，作为核心芯片的p s o c ，需完成的功能主要有： 扫描键盘，实时响应输入中断，并控制指示灯及蜂鸣器的工作状态， 完成更人性化的人机交互。 控制各路传感器的选通，识别并保存检测的环境信息，以作为c p u 决 策的依据； 根据识别的环境信息，确定清扫遍历策略及避障策略： e 海大学硕士学位论文 根据相应的避障策略，向驱动电机发送输出控制脉冲，并实时反馈驱 动轮速度，实现较精确的速度控制；同时控制吸尘电机及滚刷等电机， 完成清洁任务。 p s o c 集d s p 的信号高速处理能力和适用于电机控制的外围电路于一体，它 在本吸尘机器人中的应用大大减少了控制系统的占用体积及复杂度，提高了系 统的性价比。 3 2p s o c 内部电路设计 3 2 1 可编程片上系统( p r o g r a m m a b l es y s t e mo i lc h i p ) 本论文所设计的控制系统在硬件上是以嵌入式芯片c y 8 c2 7 5 4 3 为核心芯 片，该芯片是由美国c y p r e s s 半导体有限公司推出的一种全新设计概念的可编 程片上系统( p s o c ) ，其工作电压可为5 v 或3 3 v ，采用t q f p 4 4 封装，工作最高 频率可达4 8 m h z 。其管脚封装图如图3 2 所示： p 2 i l l a 1 腔喇a i n ( a s d 2 & 格c 撕2 哪l3 戳- 1 5 14 期涮5 弼6 s 惘1 嘲8 p - i 9 p 辆1 0 哟1 1 1 鞲翔1 2 营菪 暑苴蓝 量蚕番量塞 零每雩蹿： 鼍菪 枣 毒 肇 盎 图3 2p s o c 管脚封装图 驺p 醐 h 沸鞠嘶 p 骥 辆蟠掰是 3 4 嗍a 辆 a , s c 蠲 3 3 嗍 技呻i 罚啡i 越h 朔 鞠璐 越嗍 甜确州 越唧i 2 5 喇 量盎罡罱心t 蕊窑癣。工t赋o岬豆露窑；_ 口叶s兰岛窭， 上海大学硕上学位论文 p s o c 微控制器和其它的微控制器相比，它具有独特的性能，不仅仅是具有 模拟模块的微控制器，更为重要的是，它完全可以作为一个片内印刷电路板来 使用，因为它是由基本的c p u 内核和预设外围部件组成，就是在一个专有m c u 内核周围集成了p s o c 块，利用芯片内部可编程互联阵列，可以有效地配置芯片 上的模拟和数字电路资源，达到可编程片上系统的目的 1 6 】。p s o c 片内有一个高 速的8 位h a r v a r d 结构处理器内核( m 8 cc p uc o r e ) ，它具有独立的程序存储器 和数据存储器总线，处理器速度可达4 8 m h z 。同时，它还具有一个快闪内存和 s r a m 数据内存，以及设计者可自行配制的模拟模块阵列和数字模块阵列。每 个p s o c 模块都能够独立或者组合使用，并融合了一些d s p 技术来实现各种复杂 的功能。其中1 2 个p s o c 模拟模块可以提供1 i 位一模数转换、8 位逐次逼 近式模数转换、1 2 位增量式模数转换、8 位直接数模转换、可编程增益放大器、 采样和保持功能、可编程滤波器、差分比较器和片内温度传感器等功能；8 个 数字p s o c 模块不仅提供多用途时钟：事件定时器，实时时钟，脉宽调制( p w m ) ， 还可以组合实现循环冗余核对( c r c ) 模块、全双工u a r t s 、s p i 主从通信功能 以及为模拟p s o c 模块提供多种可选的时钟源 17 1 。我们可以通过模块图( 图3 3 ) 来进一步认识。 图3 3p s o c 内部框图 上海大学硕士学位论文 要实现p s o c 内部模块的配置非常方便，c y p r e s s 公司为该芯片提供了一套开 发调试环境，它支持c 语言和、汇编语言。当用户在该环境中根据实际需要选择好 相应的模块后，该环境将自动产生相应的a p i