（精密仪器及机械专业论文）基于超声波的机器人避障和目标跟踪方法的研究(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

摘要 摘要 目前机器人技术是世界上最热门的研究领域之一，很多成熟机器人产品已经 在不同领域得到广泛的应用。伴随着机器人技术普遍涉及自动控制、计算机、电 子技术、新材料、传感器、人工智能和机械工程等学科技术的飞速发展，伴随着 社会发展的需要，机器人技术的应用环境和功能任务越来越复杂，采用的新理论、 新方法、新技术也越来越多。超声技术作为- f - 逐渐从新兴的、多学科交叉的边 缘学科变成- - i - 以物理、电子、机械及材料学为基础的通用技术的新兴技术，也 越来越多应用到机器人技术的领域。 本文以研究竞赛机器人的避障和目标跟踪为主要目标，研究基于超声波传感 器的竞赛机器人的避障和目标跟踪方法。机器人使用双轮差动式移动机器人，本 文通过对超声波应用的分析和研究，基于超声波测距原理，设计和实现了一套机 器人的避障和目标跟踪控制系统，参与亚太机器人大赛并圆满完成了控制任务。 首先，根据比赛任务规则的解读和分析上，结合超声波技术应用的特点，提 出了几个主要应用方向。并详细设计了基于超声波的物体识别的具体方法，基于 超声波定位的原理和流程。 其次，全方面对基于超声波的机器人避障和目标跟踪进行了设计研究。主要 包括了控制策略的设计，行为模式的设计，传感器系统的设计，信息的采集和处 理以及抗干扰措施等。 再次，在对移动机器人避障控制常见的算法研究基础上，结合这些算法的优 缺点，提出一种新的基于神经模糊控制的避障控制算法，并介绍了算法的具体设 计。 最后，通过仿真和实验结果验证了机器人应用超声波技术实现避障和目标跟 踪的有效、可靠和稳定。机器人最后实际比赛的表现表明基于超声波的避障和目 标跟踪控制能满足比赛的要求。 关键词：机器人超声技术避障目标跟踪传感器模糊神经控制 a b s t r a c t a b s t r a c t c u r r e n t l yr o b o t i c si so n eo ft h ew o r l dm o s tp o p u l a rf i e l d so fs t u d y ；m a n ym a t u r e r o b o tp r o d u c t sh a v e b e e nw i d e l ya p p l i e di nd i f f e r e n ta r e a s w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n t o fv a r i o u st e c h n o l o g i e sw h i c hr e l a t e dt or o b o t i c ss u c ha sa u t o m a t i cc o n t r o l ，c o m p u t e r , e l e c t r o n i c s ，n e wm a t e r i a l s ，s e n s o r s ，a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c ea n dm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ；, w i t ht h en e e d so fs o c i a ld e v e l o p m e n t , t h ea p p l i c a t i o na n df u n c t i o no fr o b o t i c si s b e c o m i n gm o r ea n dm o r ec o m p l e x ，u s i n gn e wt h e o r i e s ， n e wm e t h o d sa n dn e w t e c h n o l o g i e sa r ea l s ob e c o m i n gm o r ea n dm o r e u l t r a s o n i ct e c h n o l o g y , t h i se m e r g i n g t e c h n o l o g y ，a sag e n e r a lt e c h n o l o g yb a s e do np h y s i c s , e l e c t r o n i c s ，m a c h i n e r ya n d m a t e r i a l ss c i e n c e ，w h i c hg r o w s u pf r o ma ne m e r g i n gm u l t i d i s c i p l i n a r ym a r g i n a ls u b j e c t , h a sm o r ea n dm o r ec h a n c et ob ea p p l i e di nr o b o t i c s i nt h i sp a p e r , t h em a i no b j e c t i v ei st os t u d yt h ec o m p e t i t i o nr o b o to b s t a c l e a v o i d a n c ea n dt a r g e tt r a c k i n gm e t h o d sb a s e do nd t r a s o n i cs e n s o r s r o b o tu s e t w o - w h e e l e dm o b i l er o b o t sm o d e l a c c o r d i n gt oa n a l y s i sa n dr e s e a r c ha b o u tt h e a p p l i c a t i o no f u l t r a s o n i ct e c h n o l o g y ，d e s i g na n dr e a l i z e dar o b o to b s t a c l ea v o i d a n c ea n d t a r g e tt r a c k i n gc o n t r o ls y s t e mb a s e do nu l t r a s o n i cr a n g i n gp r i n c i p l e ，w h i c hf u l f i l lt h e c o n t r o lt a s ks u c c e s s f u l l yi na b u 2 0 0 7 f i r s t l y , a c c o r d i n gt ot h er u l e so ft h ec o m p e t i t i o na n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so f u l t r a s o n i ct e c h n o l o g ya p p l i c a t i o n si d e n t i f i e ds e v e r a lm a j o rr e s e a r c hd i r e c t i o n s d e s i g n o b j e c t sr e c o g n i t i o nm e t h o da n do r i e n t a t i o np r i n c i p l ea n dp r o c e s s s e c o n d l y , d i dc o m p r e h e n s i v ed e s i g na n dr e s e a r c ha l l o v e rt h es y s t e ma b o u t o b s t a c l ea v o i d a n c ea n dt a r g e tt r a c k i n gw h i c ha r ei n c l u d et h ed e s i g no ft h ec o n t r o l s t r a t e g y ，t h eb e h a v i o rp a t t e r n s ，s e n s o rs y s t e m s ，i n f o r m a t i o nc o l l e c ta n dp r o c e s s ， a n t i - j a m m i n gm e a s l e s ，a n ds oo n t h i r d l y , c o m m o no b s t a c l ea v o i d a n c ec o n t r o la l g o r i t h m sa st h eb a s i s ，c o m b i n i n g t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h e s ea l g o r i t h m s ，d e s i g nan e wf u z z yn e u r a lc o n t r o l a l g o r i t h ma b o u to b s t a c l ea v o i d a n c ec o n t r 0 1 f i n a l l y ，s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w e dt h a tt h es y s t e mo fo b s t a c l e a v o i d a n c ea n dt a r g e tt r a c k i n gb a s e d0 1 1u l t r a s o n i ct e c h n o l o g yi se f f e c t i v e ，r e l i a b l ea n d s t a b l e t h ea c t u a lp e r f o r m a n c eo ft h er o b o ti nt h ec o m p e t i t i o ns h o w e dt h a tt h ec o n t r o l s y s t e ma c h i e v e dt h er e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：r o b o t ，u l t r a s o n i ct e c h n o l o g y , o b s t a c l ea v o i d a n c e , t a r g e tt r a c k i n g , s e n s o r , f u z z yn e u r a lc o n t r 0 1 1 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，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经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：兰室二鱼日期：棚年月，日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：重二 导师签名： 日期：妒舜白，日 第一章绪论 第一章绪论 现在，机器人这一词对大多数人来说已经并不陌生，从新闻、电影、广播再 到工业应用、玩具、动画各个行业都充斥着关于机器人的话题。这事实表明人 的一种愿望，人类希望制造一种像人一样的机器，以便代替人类完成各种工作， 这种幻想与追求却已有3 0 0 0 多年的历史。西周时期，我国的能工巧匠偃师就研制 出了能歌善舞的伶人，这是我国最早记载的机器人。 实用上，机器人( r o b o t ) 是自动执行工作的机器装置。机器人可接受人类指挥， 也可以执行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。 机器人执行的是取代或是协助人类工作的工作，例如制造业、建筑业，或是危险 的工作。 欧美国家认为：机器人应该是由计算机控制的通过编排程序具有可以变更的 多功能的自动机械，但是日本不同意这种说法。日本人认为“机器人就是任何高 级的自动机械 ，这就把那种尚需一个人操纵的机械手包括进去了。因此，很多 日本人概念中的机器人，并不是欧美人所定义的。 现在，国际上对机器人的概念已经逐渐趋近一致。一般说来，人们都可以接 受这种说法，即机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。联 合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义：“一种可编程和多功 能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可 改变和可编程动作的专门系统比1 。一 1 1 机器人发展的历史与现状 现代机器人的研究始于2 0 世纪中期，其技术背景是计算机和自动化的发展， 以及原子能的开发利用。1 9 2 0 年，捷克斯洛伐克作家卡雷尔恰佩克在他的科幻小 说罗萨姆的机器人万能公司中，根据r o b o t a ( 捷克文，原意为“劳役、苦工) 和r o b o t n i k ( 波兰文，原意为“工人一) 脚，创造出“机器人这个词。此后，1 9 4 6 年第一台数字电子计算机问世，计算机取得了惊人的进步。大批量生产的迫切需 求推动了自动化技术的进展，其结果之一便是1 9 5 2 年数控机床的诞生。在这些基 础上机器人的开发从此渐渐兴盛起来。 电子科技人学硕+ 学位论文 1 1 1 机器人的发展进程 1 9 3 9 年美国纽约世博会上展出了西屋电气公司制造的家用机器人e l e k t r o 。 它由电缆控制，可以行走，会说7 7 个字，甚至可以抽烟，不过离真正干家务活还 差得远。但它让人们对家用机器人的憧憬变得更加具体。1 9 4 2 年美国科幻巨匠阿 西莫夫提出“机器人三定律”。虽然这只是科幻小说里的创造，但后来成为学术 界默认的研发原则。这个时期，机器人研究刚刚起步，规范才刚开始建立，但人 们的目光已经被吸引了过来。 1 9 5 4 年，美国人乔治德沃尔制造出世界上第一台可编程的机器人。这种机 械手能按照不同的程序从事不同的工作，具有通用性和灵活性，是世界上首次获 得专利的第一台机器人。1 9 6 0 年美国联合内燃机公司买下了德沃尔的专利，成立 了u n i m a t i o n 公司，生产出第一批商用工业机器人，命名为u n i m a t e 。不久后，美 国a m f 公司生产出“v e r s t r a n ”( 意思是万能搬运) ，与u n i m a t i o n 公司生产的 u n i m a t e 一样成为真正商业化的工业机器人。这是世界上两种最早、最有名的机器 人。后来美国麻省理工学院，斯坦福国际研究所，斯坦福大学等机构纷纷成立了 机器人和人工智能研究中心，开展了有关机器人领域各分支的极为广泛的研究。 到六十年代后期，机器人技术的研究达到了一个高潮1 。 1 9 6 9 年日本早稻田大学加藤- - n 实验室研发出第一台以双脚走路的机器人， 从这个时期开始，仿人或者类人机器人的研究开始。加藤一郎也因为他的贡献， 被誉为“仿人机器人之父”。日本在机器人技术研究上虽然起步较晚，但国家重 视，采取了一系列鼓励使用机器人的措施，到了1 9 8 0 年，工业机器人真正在日本 普及，故称该年为“机器人元年一。随后，工业机器人在日本得到了巨大发展， 日本也因此而赢得了“机器人王国的美称 。并且日本专家以研发仿人机器人和 娱乐机器人的技术见长，后来更进一步，催生出本田公司的a s i m o 和索尼公司的 q r i o 。 在经历了7 0 年代机器人进入工业应用时期，8 0 年代初中期的迅速发展之后， 机器人学的发展逐渐走上了良性循环。9 0 年代初期，工业机器人的生产与需求进 入了高潮期，到2 0 0 0 年服役机器人约1 0 0 万台。进入新世纪以来，随着计算机技 术和人工智能技术的飞速发展，使机器人在功能和技术层次上有了很大的提高， 移动机器入和机器人的视觉和触觉等技术就是典型的代表。机器入技术发展纵深 变得无比巨大，水下机器人、空间机器人、空中机器人、地面机器人、微小型机 器人等各种用途的机器人相继问世，许多梦想成为了现实。机器人的技术( 如传 2 第一章绪论 感技术、智能技术、控制技术等) 扩散和渗透到各个领域形成了各式各样的新机 器机器人化机器。目前世界各国都在加大科研力度和资金投入，进行机器人 共性技术的研究，抢滩各个高精尖领域。 1 1 2 国内外机器人的发展现状 机器人涉及到机械、电子、控制、计算机、人工智能、传感器、通讯与网络 等多个学科和领域，是多种高新技术发展成果的综合集成。因此上述学科的发展 都不断的带动机器人学的发展或者被机器人的研究所带动。这些学科涉及世界每 一角落，在经济和科学发展中都占有举足轻重的地位，越来越多的国家参与到机 器人的研究中。 目前，智能机器人的研究已被列入世界各国的高技术发展计划，各国纷纷投 入大量的人力和物力积极开展智能机器人方面的研究。世界各科技强国纷纷制定 了宏伟的机器人发展计划，如美国国防部高级研究计划局( d a r p a ) 的“战略计算与 生存能力”计划中的自主陆上载体( a l v ) 计划，能源部制定的机器人和智能系统计 划，以及后续的空间机器人计划；日本通产省组织的“极限环境下作业的机器人斤 计划，及其后续的“未来工厂”发展计划；欧洲尤里卡计划中的智能机器入计划 在占 奇。 我国机器人的研究开始时间虽然比较晚，始于2 0 世纪8 0 年代。但经过“六 五一、“七五的技术准备，“八五胗、。九五厣的飞速发展，到“十五的第 二年( 2 0 0 2 年) ，我国的机器人技术己取得长足的发展，为技术的进一步提升打下 了坚实的基础。近几年来，国内在机器人理论、样机的设计研制、机器人应用工 程等方面有了可喜的发展，机器人技术的许多领域已接近世界先进水平。“十五” 期间，国家确定的机器人技术发展的战略目标是：围绕制造业信息化工程的关键 技术，以重大与重点课题为主线，研究开发基础技术、单元产品和系统装备，掌 握战略必争关键技术及竞争前沿核心技术，增强自主设计与制造重大关键设备的 能力，提升制造业基础装备的水平，取得一批具有自主知识产权的创新成果，实 现机器人技术与自动化装备的跨越式发展晦1一 机器人在制造业的应用范围越来越广阔，标准化、模块化、网络化和智能化 的程度也越来越高，功能越来越强，并向着成套技术和装备的方向发展。机器人 应用从传统制造业向非制造业转变，向以人为中心的个人化和微小型方向发展， 并将服务于人类活动的各个领域。总趋势是从狭义的机器人概念向广义的机器人 电子科技人学硕十学位论文 技术概念转移；从工业机器人产业向解决工程应用方案业务的机器人技术产业发 展。机器人技术的内涵已变为“灵活应用机器人技术的、具有实在动作功能的智 能化系统。一目前，工业机器人技术正在向智能机器和智能系统的方向发展，其 发展趋势主要为：结构的模块化和可重构化；控制技术的丌放化、p c 化和网络化； 伺服驱动技术的数字化和分散化；多传感器融合技术的实用化；工作环境设计的 优化和作业的柔性化以及系统的网络化和智能化等方面。 目前，我国的机器人专家从应用环境出发，将机器人分为两大类，即工业机 器人和特种机器人。国际上的机器人学者，从应用环境出发将机器人也分为两类： 制造环境下的工业机器人和非制造环境下的服务与仿人型机器人，这和我国的分 类是一致的。此外，从机器人竞赛的热潮开始以来，各种各样的竞赛机器人也蜂 拥而出，他们从一个侧面反映了一个国家信息和自动化领域的基础实力和高科技 发展的水平，同时由于它们的“集客效果 ，成为机器人类别中越来越独特的一 个分支旧。 1 2 课题相关的关键技术 机器人是多学科交叉的产物，机器人技术是一门跨多学科综合性技术交叉的 课题，广泛涉及自动控制、计算机、电子技术、新材料、传感器、人工智能和机 械工程等学科技术。伴随社会发展的需要，机器人应用环境和功能任务越来越复 杂，机器人在复杂环境下的信息综合与处理、针对复杂任务的规划和协调的难度 和影响变得突出，需要采用的理论、方法和技术也越来越复杂。机器人技术涉及 繁多无法一一列举，本论文主要研究对象是竞赛机器人，因此也结合竞赛研究。 机器人竞赛都会制定严格的竞赛规则，规定参加机器人在规定的时间内，按 照规定的规则进行机器人之间的对抗，决出优胜者。这就要求竞赛机器人本身要 能满足高速驱动、准确定位、抗干扰能力强和功耗低的特点；竞赛机器人的对抗 越来越激烈，要求机器人的机械结构设计既要灵活又要牢固。中央电视台从2 0 0 2 年开始每年承办由“亚洲广播电视联盟主办的亚太地区大学生机器人大赛，我 校组队参加了前四届该赛事，成绩较好，本论文正是以该项比赛为课题背景来展 开机器人基于超声波的避障系统研究的。 从近几年亚太地区大学生机器人大赛比赛的情况和结果来看，竞赛用机器人 具有以下发展趋势： 1 智能化要求越来越高：随着竞赛水平的不断提高，竞赛场地越来越复杂， 4 第一章绪论 竞争对手的策略更加灵活多样，机器人面对突发的事件的情况也越来越多。这要 求机器人具备相应的智能应对方案，排除障碍，准确的完成任务。 2 抗干扰性和准确性：随着竞赛竞争性的加强，竞赛任务的越来越复杂，机 器人在完成任务的过程中，会受到各种各样的干扰。这就要求机器人在受到干扰 的时候还能够找回自己的位置，准确的识别任务目标和干扰目标，进而完成自己 的任务。 3 机动性和灵活性：在比赛过程中，时间是获胜的关键因素之一，机器人数 量和重量的联合限制使机器人本体向微型化发展。那么良好的机动性和灵活性就 更能适应比赛的环境。 1 2 1 避障技术 机器人避障从可移动机器人的出现就开始研究，但一开始他并不作为一门单 列的技术进行研究，人们通常在路径规划中实现。路径规划用于指导机器人的行 为以达到它的长远目标。路径规划就是根据某些最优化的准则，在机器人的工作 空间内找到一条从起始位姿到目标位姿的能避开障碍的最优路径，该路径具有最 短的距离或最少的行走时间等低成本的特点。近年来，机器人工作在未知环境下 的情况越来越多，传统的基于感知建模规划动作的方法不易建立准 确的环境地图模型，而且很难适应动态的未知环境的路径规划。因此人们提出了 基于行为的移动机器人路径规划方法，又叫做反应式的控制方法口1 。反映结构是一 种从感知到动作的直接映射，机器人能够对外界环境变化作出快速响应。基于动 作将动作分为若干基本行为，复杂的行为刻有几个简单行为按次序构成。简单说， 就是把以前的导航问题分解成相对独立的导航单元，如避障、跟踪、目标制导等。 于是避障技术从此越来越多的被单独研究。 因为方式的不同，避障技术通常从两个方面来实现。一种就是障碍物已知， 环境也已知，我们采取传统的全局路径规划，又称静态或离线路经规划。全局路 径规划的方法主要有：拓扑法、可视图法和栅格法阿1 。拓扑法的基本思想是降维法， 即将高维几何空间中求路径的问题转化为低维拓扑空间中辨别连通性问题。优点 是大大缩小搜索空间，缺点是建立拓扑网络的过程相当复杂。可视图法将机器人 视为一点，将机器人、目标点和多变形障碍物的各项点进行组合连接。优点是能 够求得最短路径，但因为机器人尺寸大小忽略，过障碍时离障碍太近甚至接触， 并且搜索时间长。栅格法将机器人的工作环境分解成一系列的具有二值信息的网 5 电子科技人学硕+ 学位论文 格单元，工作空间中障碍物的位置和大小一致，并且在机器人运动过程中，障碍 物的位置和大小不发生变化。该方法精确度、容量、速度都取决于栅格粒度的大 小。 另一种是环境信息完全未知或者部分未知，通过传感器在线地对机器人的工 作环境进行探测，以获取障碍物的位置、形状和尺寸等信息的移动机器人必须通 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。常见的方法由人工势场法，栅格法和模糊算法。 避障技术在应用是通常会面对以下四种类型： 1 已知环境下的静态障碍物，其环境中障碍物的形状、大小和位置对规划系 统都是精确已知的，其障碍物是静止不动的。 2 已知环境下的动态障碍物，其环境中障碍物的形状、大小对规划系统都是 精确已知的，但其位置是动态的。 3 未知环境下的静态障碍物，对机器人系统而言，环境事先是未知的或部分 未知的，其障碍物的形状和大小是未知的，但其障碍物是静止不动的。 4 未知环境下的动态障碍物，对机器人系统而言，环境事先是未知的或部分 未知的，其障碍物的形状和大小是未知的，同时其位置是动态的。 1 2 2 识别技术 识别技术是从智能机器人研究开始出现的，自1 9 6 1 年美国 j n i m a t i o n 公司研 制出世界上第一台往复式工业机器人以来，机器人的发展经历了三个阶段：第一 代示教再现( t e a c h i n g p 1 a y b a c k ) 机器人，主要是指按事先示教的位置和姿态进 行重复动作的机械。第二代传感控制( s e n s o r yc o n t r o ll e d ) 机器人，指具有如视 觉和触觉等外部感觉功能的机器人。这种机器人由于具有外部的感觉功能，因此 可以根据外界的情况来修改自身的动作，从而完成较为复杂的作业。第三代智能 ( i n t e l i g e n t ) 机器人。除了具有外部感觉的功能外，还具有规划和决策的功能， 从而可以适应周围环境的变化而自主地进行工作。自主式移动机器人的智能体现 为具有感知( s e n s i n g ) 、决策( d e c i s i o n m a k i n g ) 和行为( a c t i n g ) 等基本功能。而 这一系列基本功能的组合我通常称之为识别，它是切智能化表现的基础。 感知就是获取关于其环境的知识，这是通过各类传感器来测量实现的。机器 人中的传感器除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，还应用了视觉、声 6 第一章绪论 觉、光学、力觉、触觉等传感器。然后在收集各种传感器的数据基础上进行分析， 做出判断、决策并做出相应的行为。其中精确度最高，效果最好的是基于视觉传 感器数据的识别，但其设计算法复杂，反应时问不快，在竞赛机器人这个高速、 多变、灵活的环境下效果并不明显，所以我们通常采用声觉、光觉配合其他传感 器共同实现。 1 2 3 驱动及结构技术 机器人驱动及结构技术是机动性和灵活性的最基本保障，在良好的驱动和结 构的基础上，控制、算法的改进才有意义。目前机器人的驱动控制多采用液压驱 动和电机驱动两种动力源。液压驱动功率大重量轻，力和力矩的输出都很好，运 行平稳，响应快，对无级调速过载保护都有非常出色的表现。但其体积大，配套 设施多且容易出现污染并不适合比赛的环境。电机由于其控制方便，易于实现关 节驱动，噪音小等优点己日益在竞赛机器人中成为主流。从能源供给角度移动机 器人驱动形式主要分为拖缆运行和电池供电驱动两种，电池驱动控制具有更大的 能动空间，但受到电池、驱动器质量的限制，所以目前大多数研究人员在研制移 动机器人的过程中多采用拖缆运行形式。因考虑到需要附带执行机构，移动机器 人一般设计功率较大，然而目前市场上，高功率伺服电机的控制与驱动产品体积 质量均较大，且价格昂贵，这大大限制了移动机器人的负载空间。 机器人运动方法的选择是移动机器人结构设计基准的最重要方面。机器人在 地面上移动的方式通常有三种：车轮式、履带式和步行式。步行移动方式模仿人 类或动物的行走机理，用腿脚走路，对环境适应性好，智能程度也相对较高。正 因如此，步行移动方式在机构和控制上是最复杂的，技术上也还不成熟，不适于 在要求灵活和可靠性高的比赛中。履带式实际是一种自己为自己铺路的轮式车辆。 它是将环状循环轨道履带卷绕在若干滚轮外，使车轮不直接与地面接触。履带式 的优点是着地面积比车轮式大，所以着地压强小；另外与路面黏着力强，能吸收 较小的凸凹不平，适于松软不平的地面。车轮式移动是最常见的一种地面行进方 式。车轮式移动的优点是：能高速稳定的移动，能量利用效率高，机构和控制简 单，而且技术比较成熟。它的缺点是对路面要求较高，适于平整硬质路面。目前， 轮式机器人由于控制简单，运动稳定和能源利用率高等特点，得到了普遍的应用 发展。 7 电子科技大学硕士学位论文 1 2 4 传感器技术 人是通过视觉、嗅觉、听觉及触觉等感官来感知外界的信息，感知的信息输 入大脑进行分析判断( 即人的思维) 和处理，再指挥人做出相应的动作，这是人 类认识世界和改造世界具有的最基本的本能。同样，利用电子仪器特别是用计算 机控制的自动化装置来代替人的劳动，那么计算机类似于人的大脑，而仅有大脑 而没有感知外界信息的“五官”显然是不足够的，中央处理系统也还需要它们的 “五官一即传感器。 传感器技术是现代信息技术的主要内容之一。信息技术包括计算机技术、通 信技术和传感器技术等，计算机相当于人的大脑，通信相当于人的神经，而传感 器就相当于人的感观。从广义上讲，传感器就是能感受外界信息并能按一定规律 将这些信息转化成可用信号的装置；从狭义上讲，传感器就是将外界信息转化成 电信号的装置。对于机器人技术而言，传感器技术的重要性相当明显。因为各种 各样的传感器与人的感观一一对应，它能够把自然界的各种物理量和化学量等精 确地变换为电信号，再经过电子电路或计算机进行处理，从而对这些量进行检测 或控制。举例来说，相当于人眼( 视觉) 的光敏传感器，如半导体传感器、c c d 传 感器、光敏晶体管、光电倍增管等；相当于人耳( 听觉) 的是力敏传感器，如电 容式话筒、陶瓷传感器、电动式话筒等；相当于人皮肤( 触觉) 的是力敏传感器 和温敏传感器，力敏传感器有应变仪、半导体传感器等，温敏传感器有热敏电阻、 半导体传感器、热电阻等；相当于人鼻子( 嗅觉) 的是气敏传感器，如半导体传 感器、燃烧式传感器：相当于人舌头( 味觉) 的是味觉传感器，如离子传感器。 这些传感器都能作为机器人获得外部信息的有效工具，从而使机器人具有感知环 境、对象状态的能力，使之具备智能化的特征。 1 3 论文的主要研究内容 本文研究的对象是竞赛用两轮差动式自主移动机器人，在实际比赛中避障系 统是其应付突发事件的关键。由于超声波作用的独特性，超声技术已逐渐从- i - j 新兴的、多学科交叉的边缘学科变成- f l 以物理、电子、机械及材料学为基础的 通用技术之一。科技工作者的广泛关注，超声波的应用领域逐渐扩大。因此在对 机器人竞赛规则分析的基础上，主要研究超声波在机器人中的应用和对基于超声 波的避障和跟踪方法的研究。章节安排如下： 8 第一章绪论 第2 章介绍了机器人大赛的主题和规则，然后根据比赛任务的需要对超声波 在自动机器人的几个主要应用功能进行研究，并进一步讨论了除避障以外几个功 能的具体实现。 第3 章讨论机器人避障和跟踪的策略：研究了超声波传感器的布置和环境建 模的实现；从硬件和软件等各方面对传感器数据信息的采集、处理进行了系统地 分析和设计；最后讨论了多传感器数据融合和抗干扰的措施。 第4 章首先介绍了移动机器人避障控制常见的算法，然后在结合这些算法的 优缺点的基础上，重点论述了一种新的使用神经模糊控制理论设计的避障控制算 法。 第5 章的主要介绍机器人避障控制系统仿真，然后根据仿真后的结论对移动 机器人进行了场地实验，以得到实验数据帮助机器人在比赛中更好的表现。 9 电子科技人学硕+ 学 7 = 论文 第二章基于超声波的机器人相关设计 我们知道，当物体振动时会发出声音。科学家们将每秒钟振动的次数称为声 音的频率，它的单位是赫兹。我们人类耳朵能听到的声波频率为2 0 - 2 0 0 0 0 赫兹。 当声波的振动频率大于2 0 0 0 0 赫兹或小于2 0 赫兹时，我们便听不见了。因此，我 们把频率高于2 0 0 0 0 赫兹的声波称为“超声波”。超声波具有方向性好，穿透能 力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远等特点【9 1 。由于超声波作用的独 特性，超声技术已逐渐从- f 3 新兴的、多学科交叉的边缘学科变成一门以物理、 电子、机械及材料学为基础的通用技术之一。科技工作者的广泛关注，超声波的 应用领域逐渐扩大。 医学的超声波扫描术可说是超声波最重要的应用。超声波扫描不涉及有害的 辐射，远比x 一射线等检验工具安全，所以常用于产前检查通常用于医学诊断的超 声波频率为1 - - - - 5 兆赫。 在全球，超声波广泛运用于工程学、生物学、诊断学、治疗学等领域。 1 工程学方面的应用：水下定位与通讯、地下资源勘查等 2 生物学方面的应用：剪切大分子、生物工程及处理种子等 3 诊断学方面的应用：a 型、b 型、m 型、d 型、双功及彩超等 4 治疗学方面的应用：理疗、治癌、外科、体外碎石、牙科等 各行各业都可以把超声用起来，竞赛机器人也不例外。从2 0 0 2 年8 月3 1 日 “亚洲广播电视联盟 决定在日本东京举行首届亚太地区大学生机器人大赛以 来，这一年一度的赛事已经举办到了第六届。每一届大赛都是由举办国制定一个 规则，每次的内容都大不相同。随着规则的越来越复杂，对机器人的要求也越来 越高，在现在的比赛中，机器人通常要承担设障，取物品，排除干扰等多种任务， 因此涉及的技术会很多。下面结合竞赛规则讨论和研究超声波在本次竞赛机器人 中的应用范围。 2 1 亚太机器人大赛的主题和规则 为了普及机器人开发技术，促进人工智能的研究和发展，促进大学生对机器 人的学习和实践水平，我国由中国中央电视台承办在2 0 0 2 年6 月开始参加亚太地 1 0 区大学牛机器人大舞。我校每年都组队参加啦a 地区人学佳机器人人舞的【! ：i 内选 拔磷，取得丁小锚的成绩，在党舞机器人的j i ：发改i i 上秘祟了 定的经验。 今年是像项赛事的筇六届，本届机器人大赛山越南乐办，本次比赛的t 题建 立在越南f 龙湾个古老的传奇神话上。大赛的比赛场地如图2 一l 所示。红色圆 点代表红队的珍珠，绿色圆点代表绿队的珍珠，蓝色圆点代表“岛屿”，珍珠和 “岛屿”如同22 所示。比赛一方要操作自己的手动机器人或自动机器人将珍珠 放在“岛屿”t ：- 。只有在岛的最顶端放上珍珠爿能算赢得这个岛。第一个在比赛 场地中心用赢得的“岛”完成图2 1 中所示的“v ”字形的参赛队将是胜利者，即 完成“胜利岛”。 m 2 1 竞赛场地平面图 比赛时叫为3 分钟，如果两个队在比赛时叫内部没完成“胜利岛”的建啦， 那么按积分计算，分多者取胜。场地【f | 最外刚总共肯1 0 个“岛屿”，每个岛可以 得一分：十阳j 。环总其有5 个“岛屿”，每个岛可以得两分；最内罔的5 个“岛 屿”，则为= 分岛。另外，手动机器人只能对最外圈的“岛屿”进行操作，不能 进入l ff 万形的场地，手动机器人，叮以蛤n 功机器人传递珍珠，他足于动机器人 不能直接或| l i j 摆接触自动机器人 幽2 2 竞赛中的岛屿和珍珠示意图 每队只能有一个手动机器人，最多可以有三个自动机器人，所有机器人的总 质量不得超过5 0 k g 。比赛在方形场地( 1 4 m x l 4 m ) 进行，场地凹刷有术质围栏( 1 0 c m 高，3 c m 厚) ，场地的地板是2 0 m m 厚的胶合板，并涂满乳状胶导向线是3 c m 宽的 r 1 色无光泽的胶带。“珍珠”为圆柱形( 重3 0 0 9 ) ，由高密度聚苯乙烯制成。能源 小能超过直2 4 v d c 。 通过解读2 0 0 7 年亚太大学生机器人大赛的比赛觑则，不难发现，和 = ：屈机器 人大窭相比，无论是竞赛舰则还是场地设计都大大提高了比赛的复杂度和田难度。 要体现在以卜两点： ( 1 ) 场地设计方面：比赛场地由规则的矩j 骺变成了不规则的多边形，尤其是 场地中白色的引导线，往届鄙是相互垂直的g o 度布置，而在本届比赛中引导线坎 殴计成类似j 二蜘蛛网，线与线之问连接成小舰则的多边形。这给传统的机器人竞 赛中常刚的寻线导航_ 手f 】定位造成了很大的困难。场地的复杂使机器人在整个运动 的 r 程和机器人 l 碰捕的可能性大人增加，此避障技术在这届显得尤为季要。 ( 2 ) 比赛规则方而：刎则巾设汁的得分点众多，总弛有2 0 个“岛屿”可以 用柬得分，复杂度大人高j ：往届比赛。众多的得分点将使得竞赛策略更j j 多样# 富，双方的拦碱和对抗会更加激烈，返就要求机器人控制系统必颁更加稳定、叮 佯和智能化，与虑也必须更加j 仝而。 对术届人赛的竞赛州则的祥渍和分析，可叭看本届机器人大赛0 往幅丰比 第二二章基于超卢波的机器人相关设计 更具有挑战性。地图和规则的复杂代表着策略的更加多样性，为了能够针对不同 比赛对手，开展不同的比赛策略。我校代表队通过对比赛规则的认真分析和研究， 最终设计了三自一从的机器人群：一个手动机器人，一个主自动机器人，一个二 分线自动机器人和一个干扰自动机器人，分别司职不同战术功能。 其中自动机器人更为复杂，涵盖了机器人的各方面技术特点。根据亚太机器 人大赛的任务需要，在结合超声波的应用范圈，我们列出自动机器人必需的一些 重要功能特征： 1 具备目标物体的识别和判断能力，能根据目标的不同采取正确的动作； 2 能够跟踪当前选择的路径，并保持一定的精度； 3 当遇到障碍物或干扰目标时，能够自动避开或跟踪； 4 当发生碰撞时能够对自身位置进行准确定位，以帮助确定下一步任务； 5 在能够完成目标任务的条件下，使用尽可能优化的设计，以利于控制系统 更快速的实现。 2 2 基于超声波的机器人避障和目标跟踪 超声波一般而言是指频率超过2 0 k h z 以上的声波，这种声波的音频超过人耳 朵所能昕到的范围。与电磁波不同，超声波是一种机械波，它可以在气体、液体、 固体中传播f l o j 。 超声波在空气中的传播特性有以下几个方面。 1 ) 声速。超声波在介质中的传播速度即介质的声速，用c 表示。如在常温下， 空气中的声速约为3 3 4 m s 。 2 ) 声阻抗。超声波从一种介质传播到另一种介质，在两介质的分界面上一部 分就会发生声波的折射与反射。超声波在两介质的界面上的反射能量与透射能量 的变化，取决于这两种介质的声阻抗之比。声阻抗定义为传播介质的密度与声速 之积。 3 ) 声衰减。超声波在介质中传播时，会发生能量的衰减，其产生的原因为以 下三个方面：由于波前的扩展而产生的能量损失、超声波在介质中的散射而产生 的能量损失，由于介质的内耗所产生的吸收衰减。 2 2 1 选择超声波的理由 机器人的避障和目标跟踪任务目标和实现方式虽然不太一样，但它们的基本 电子科技人学硕十学位论文 要求是一样的，都是对目标或障碍的距离和位置的探测，然后根据识别系统的判 断而做出不同的做出避障和跟踪的动作。 由前章1 2 1 节避障技术的介绍可以知道要实现移动机器人避障行走的自主 控制，所面临的基本问题是：一方面要求有充分的环境信息，另一方面要求能处 理所获得的环境信息使其转化成控制信息。这两方面都将在下一章进行详细研究， 这里我们只讨论获得外部环境信息的传感器的选择。 在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、电感式、 电容式、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 ) 二维视觉传感器 ( 2 ) 激光雷达传感器 ( 3 ) 超声波传感器 对于二维视觉传感器而言，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，必须使用两个或者更多的摄像机。 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，所以大大限制了它在实时控制中的应用。 近年来，激光雷达在移动机器人避障中的应用也日益增多【i l l 。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 三维地扫描激光束或光平面，激光雷达能够以较高的频率提供大量的、准确的距 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，利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制。 为此，利用超声波的这些性质就可制成超声波传感器。 超声波传感器方向性差，但相对于其它类型的传感器有如下优点：环境适应 能力强，在阴影、灰尘、烟雾等环境下，超声波传感器几乎不受恶劣环境的影响， 仍然能够实时准确的探测到障碍物信息，反馈给信息处理设备。这对于在比赛中 各种干扰手段层出不穷的竞赛机器人这一点尤为重要。 1 4 第二章基丁二超卢波的机器人相关设计 和视觉传感器和激光测距仪相比，超声波传感器便宜，不容易损坏。在比赛 中，通常只需要辨别物体的大致性状和与机器人的距离，并不需要诸如颜色、类 别等信息。此外，视觉传感器如摄像机得到的距离信息，主要根据物体所成像的 相对灰度等级决定的，物体像的灰度信息会随光线变化而变化，在同一种影响的 环境中，其很难判断物体的远近。而超声波传感器通过波的发射接收时间来测量 距离信息，对环境的光线无要求。 和光学传感器相比，超声波传感器不仅可以探测到障碍物的存在，而且能够 得到障碍物距机器人的距离，更便于机器人做出决策。虽然光传播速度比声音快， 但诸如计算机控制器延时和电机响应速度等将限制机器人执行任务的速度，因此 光速快的优势并不明显。 此外超声波传感器结构简单、体积小、费用低，信号处理简单可靠，易于小 型化和集成化，这更适合比赛机器人微型化的趋势，因此本课题选择超声波产传 感器作为我们机器人作为距离和障碍的