（机械电子工程专业论文）面向偏振光传感器的移动机器人导航平台设计.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 移动机器人技术是一门涉及机械、电子、传感、控制等多学科的交叉课题。移动机 器人在复杂环境下工作需要具有高精度的导航定位本领来提高其自身的组织和规划能 力。本文根据课题需要自行搭建了轮式自主移动机器人平台，该平台采用偏振光传感器 来实现导航功能。 本文的移动机器人导航平台采用混合式结构设计，平台的主体结构由执行层和决策 层组成。执行层采用一种四轮、差动转向的驱动结构，通过自行搭建的控制系统完成对 该机构的运动控制。为提高系统的响应速度，执行层采用基于行为的控制结构设计。决 策层是导航平台的控制核心，其主要功能包括：传感器信息的融合、决策算法的实现、 控制指令的生成。决策层程序基于v i s u a lc 抖编写。友好的人机交互界面，便于人工对 移动机器人平台进行操作。决策层算法基于模糊控制技术设计。该技术不需要被控对象 精确的数学模型，在非完整约束的移动机器人系统上有较好的应用。 移动机器人航位推算系统中的方向信息非常重要，较小的方向误差可能引起较大的 位置误差。基于光电编码盘的航位推算系统，其方向误差会随时间累积，因而不能长时 间使用。本文使用新型的偏振光传感器与光电编码盘组合成航位推算系统，并将该系统 用于移动机器人的室外导航。 文中设计实验对所搭建的移动机器人导航平台进行性能测试，测试结果表明，本文 搭建的导航平台性能优越，能较精准地完成导航任务。但是实验结果与设定的理论轨迹 相比，仍然存在一定的误差，文中对实验误差进行统计分析，并对产生误差的主要因素 进行了分析验证。 关键词：移动机器人；偏振光传感器；组合导航；模糊控制 面向偏振光传感器的移动机器人导航平台设计 d e s i g n o ft h em o b i l er o b o t n a v i g a t i o np l a t f o r m t o w a r d st h ep o l a r i z a t i o ns e n s o r a b s t r a c t 1 1 1 em o b i l er o b o ti sac r o s s t e c h n o l o g yi n v o l v i n gm e c h a n i s m ，e l e c t r o n i c s ，s e n s o r sa n d c o n t r o lt e c h n o l o g y w o r k i n gi nac o m p l i c a t e da n du n k n o w ne n v i r o n m e n t , t h em o b i l er o b o t n e e d sa p r e c i s en a v i g a t i o ns y s t e mt oi m p r o v ei t sc a p a b i l i t i e so fd e c i s i o na n de x e c u t i o n i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，aw h e e l e dm o b i l er o b o ti sd e v e l o p e d ，a n do nt h eb a s i so ft h ep o l a r i z a t i o ns e n s o r , an a v i g a t i o ns y s t e mf o rt h em o b i l er o b o ti sb u i l t t h em o b i l er o b o ti sb u i l tu pb a s e do na h y b r i ds t r u c t u r e i ti sm a i n l yc o m p o s e do fa n e x e c u t i o nl e v e la n dad e c i s i o nl e v e l ，n l ee x e c u t i o nl e v e la d o p t saf o u r - w h e e l d i f f e r e n t i a l m o t i o ns t r u c t u r ew h i c hi sc o n t r o l l e db yam c uc o n t r o ls y s t e m i no r d e rt oi m p r o v et h e r e s p o n s i v i t yo ft h ee x e c u t i o nl e v e l ，ab e h a v i o r - b a s e dm e t h o di sa d o p t e d t h ed e c i s i o nl e v e li s t h ec o r eo ft h em o b i l er o b o tc o n t r o ls y s t e m i tc a na c h i e v et h ef u n c t i o n sl i k ef u s i n g i n f o r m a t i o no ft h es e n s o r s ，i m p l e m e n t i n gt h ed e c i s i o na l g o r i t h m s ，a n dg e n e r a t i n gt h ec o n t r o l i n s t r u c t i o n sf o rt h ee x e c u t i o nl e v e l a s s i s t e db yv i s u a lc 抖t o o l s ，w ep r o g r a maf r i e n d l y m a n m a c h i n ei n t e r f a c ef o rt h ed e c i s i o nl e v e l a d d i t i o n a l l y af u z z yl o g i cc o n t r o l l e ri s i n t e g r a t e di nt h ed e c i s i o nl e v e l t h ef u z z yl o g i cc o n t r o lt e c h n o l o g yi sw i d e l ya p p l i e di n m o b i l er o b o ts y s t e m sw i t hn o n h o l o n o m i cc o n s t r a i n t sb e c a u s eo fi t sn e e d l e s so ft h ea c c u r a t e m a t h e m a t i c a lm o d e l 1 1 1 eh e a d i n gi n f o r m a t i o ni st h em o s ts i g n i f i c a n tp a r a m e t e ro ft h em o b i l er o b o tn a v i g a t i o n s y s t e mi nt e r m so fi t si n f l u e n c eo nt h ec u m u l a t ed e a d r e c k o n i n ge r r o r s o d o m e t e ri so n eo ft h e m o s tp o p u l a rs e n s o r si nm o b i l er o b o tn a v i g a t i o ns y s t e m h o w e v e r ，i t sf u n d a m e n t a lp r i n c i p l ei s t h ei n t e g r a t i o no fi n c r e m e n t a lm o t i o ni n f o r m a t i o no v e rt i m e ，w h i c hi n e v i t a b l yl e a d st ot h e u n b o u n d e da c c u m u l a t e de r r o r s c o m b i n i n gt h eo d o m e t e ra n dt h ep o l a r i z a t i o ns e n s o r , w e d e v e l o pan o v e ln a v i g a t i o ns y s t e mf o rt h em o b i l er o b o t s o m eo u t d o o re x p e r i m e n t sa r ep e r f o r m e dt ot e s tt h ec a p a b i l i t yo ft h em o b i l er o b o t n a v i g a t i o ns y s t e m t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h en a v i g a t i o ns y s t e mb u i l ti nt h i sd i s s e r t a t i o n e x h i b i t sa ne x c e l l e n tp e r f o r m a n c e n e v e r t h e l e s s ，s o m ee r r o r sc a nb ef o u n di nt h e s e e x p e r i m e n t si fo b s e r v i n g t h er e s u l tc a r e f u l l y w es t a t i s ta n d a n a l y z et h e s ee r r o r si nt h ee n d k 呵w o r d s ：m o b i l er o b o t ；p o l a r i z a t i o ns e n s o r ；i n t e g r a t e dn a v i g a t i o n ；f u z z yl o g i c c o n t r o i 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本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和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：马西赵鸳目屋建么乏毽宏笾丛霉匕泣杰舀毯厶呈磕翠垒獬 作者签名： 要磁童日期：j 蜱年兰月j 尘曰l 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1选题依据及意义 机器人技术是一门高度交叉的前沿技术，它综合了机械、电子、计算机、自动控制、 传感器、信息处理以及人工智能等多种学科的最新研究成果。机器人技术的研究、应用 正受到越来越多国家的重视，一个国家如果不拥有一定数量的机器人，就不具备产品国 际竞争的工业基础。机器人技术的发展水平已经成为衡量一个国家科技发展水平和经济 实力的重要标准。包括中国在内的许多国家都对机器人技术的发展投入了大量的人力和 资金，并给予了高度的重视【l 】。 在机器人研究领域中，移动机器人( a u t o m a t e dm o b i l er o b o t , a 很) 由于具有广阔 的应用前景而成为该领域中的研究热点。其中，定位导航技术是移动机器人研究的重要 发展方向。移动机器人无论是在太空还是在陆地都能够完全或者部分地代替人类完成简 单或者危险的工作，例如：在太空探测中，完成环境检测、搜集资料等工作；在核污染 或者具有核辐射的危险恶劣环境中完成检测、勘察等工作。为了让移动机器人能够顺利、 可靠地完成工作任务，就必须拥有较高精度的定位导航系统。 移动机器人导航技术作为实现其真正的智能化和完全的自主移动的关键技术，其研 究的目标就是实现移动机器人在没有人工干预的条件下有目的的移动并完成特定的工 作任务。移动机器人通过自身装备的传感器主动或者被动地获取外部环境的信息，判定 自身的运行状态，实现自我定位，进而规划并执行下一步的动作。目前可以利用的导航 信息源越来越多，导航系统的种类也越来越多，移动机器人常用的导航方式有：电磁导 航、光反射导航、视觉导航、味觉导航、声音导航等 2 - 4 。 在移动机器人的导航系统中，位姿的确定主要依赖于位置和航向两个参量。位置信 息主要是通过装载在机器人上的里程表来获取，其测量的精度直接影响了机器人当前位 姿的计算。航向信息的测量在移动机器人位姿确定的过程中尤为重要，因为比较小的航 向误差可能因为较长距离的运行而引起较大的位置误差。航向信息的获取方法有多种， 比较常用的是通过陀螺仪或电磁罗盘来获取。陀螺仪由于其具有校正差分里程表的航向 误差的功能而在移动机器人的导航系统中得到广泛的应用。但在移动机器人的应用中， 高精度陀螺仪的成本往往令我们难以承受。如在地面惯导系统中，产生大约0 1 误差 的陀螺仪成本在1 0 万至2 0 万美元之间，而1 精度的性能较低的陀螺仪成本也要2 万 至5 万美元【5 j 。低成本的陀螺仪由于零漂现象的存在会对导航的精度产生影响，往往难 以获得较好的导航效果。电磁罗盘是根据指南针的原理制成的，常用来指示航行的方向， 面向偏振光传感器的移动机器人导航平台设计 但其受环境的影响因素较多，比如：地球磁场的变化、机器人车体的磁化程度、车载电 源系统、电路板等。这些因素的影响使电磁罗盘在移动机器人导航系统中的应用受到限 制。 地球上的生物经过亿万年的进化，形成了精巧的组织器官与结构，其高超的导航定 位本领为我们的科学研究提供了丰富的素材。自然界中的很多生物，如沙蚁c a t a g l y p h i s 、 蜜蜂、蟋蟀、蝗虫等【6 7 】可以通过头背部的偏振敏感复眼感知天空偏振光模式，确定身体 长轴与太阳子午线的夹角，实现精确的导航。 本课题根据沙蚁c a t a g l y p h i s 的复眼偏振光导航原理研制了一种偏振光导航传感器， 该传感器结合微电子和微机械加工技术，利用m e m s 工艺加工。相比传统的导航设备， 仿生偏振光传感器具有体积小、精度高、灵敏度好、集成度高及抗干扰能力强等特点。 为测试传感器的性能并进一步探索该传感器在移动载体导航中的应用方法，本文搭建了 移动机器人导航平台。该平台的导航系统是基于偏振光传感器和光电编码盘设计的，充 分利用了偏振光传感器输出信号无误差累积、精度较高的特点。移动机器人的室外导航 实验结果表明本文所搭建的导航平台能有效地完成导航任务。 1 2 移动机器人技术的研究发展现状 移动机器人技术的研究始于上个世纪6 0 年代末，以斯坦福研究所的自主移动式机 器人s h a k f y 为标志。随着计算机、传感器技术、人工智能的快速发展，人们对移动 机器人的研究已深入涉及机器人的机械结构、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 垄枣【8 】 可o 在工厂自动化生产系统中，无人驾驶搬运机器人的应用最为成功，其可以完成生产 车间内的物料传送和工具传送。它是一种针对路径多叉、搬运对象多边、大批量生产规 模的运输手段。移动机器人的灵活性，大大增加了生产系统的柔性和自动化程度。移动 机器人已成为工厂自动化中必不可少的设施【9 1 。 星际探索和能源开发也是移动机器人的两大应用方向。美国从6 0 年代开始研究火 星探索用的移动机器人，以便在其在火星上软着陆后能进行移动并收集相关的研究数 据。1 9 6 5 年，美国成功发射水手4 号行星探测器，开始对火星的探索，此后又相继于 1 9 7 6 年7 月和8 月发射了“海盗i 号 和“海盗i i 号”探测器。1 9 9 7 年，索杰纳漫游 车在火星上成功着陆后，离开登陆器在火星表面漫游，行驶了几千米，完成预订的科学 任务。2 0 0 4 年，美国宇航局推出“勇气 号火星车【1 0 j ( 如图1 1 所示) ，被科学家称为 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 机器人野外“地质学家”，它可以像人一样环顾环境四周，寻找有价值的探测目标，然 后走上前去对岩石进行敲打、搜集数据。同年，德国航空航天中心研制的太空遥控机器 人飞入国际空间站进行探测和探究工作。海洋开发方面，移动机器人可以用来进行资源 调查、石油矿藏开采、沉船打捞等。移动机器人除在上述领域被广泛应用外，还被用在 采矿业中进行隧道的掘进和矿藏的开采，在军事上进行探测侦察、爆炸物处理，被用于 一些危险性的操作中，如核电厂的废料搬运、有毒的化工场地作业等”“。 图1 1 “勇气”号火星探攫i 器 f i g1 it h es p i r i t m a r sr o v e r 在服务机器人方面，日本发展较快。安川电机和富士通联合开发的送餐机器人，可 以在医院分遴饮食到各个病床，并在病人用完餐后回收餐具；静甲株式会社的清水工厂 开发的自动清扫机器人，可用于工厂的清扫工作，用光纤陀螺来自主控制机器人的方向。 2 0 0 2 年，松下电器产业公司开发出一款家用吸尘机器人，配备多达5 0 个传感器。 国内对移动机器人的研究起步比较晚，开始于上个世纪8 0 年代末，只有少数研究 所及高校在研究开发。清华大学计算机系智能技术与系统国家重点实验室在国防科工委 和国家8 6 3 计划的资助下，从1 9 8 8 年开始研制t h m r 盯s i n g h u a m o b i l e r o b o t ) 系列移动 机器人系统【1 2 1 。t h m r 4 ( 如图1 2 所示) 用来研究智能机器人关键技术，经过实验研究已 经能够实现结构化环境f 的车道线自动跟踪；准结构化环境下的道路跟踪：复杂环境下 的道路避障：视赞临场感遥控驾驶等功能。哈尔滨工业大学机器人研究所开发的爬壁机 面向偏振光传感器的移动机器人导航平台设计 器人可用于高空极限作业。另外，北京航空航天大学机器人研究所、东北大学机器人研 究所、中科院沈阳自动化所等科研院所较早地开展了对移动机器人的研究a 图12 清华大学t h m r - v 智能车 f i g12t h m r - v i n t e l l i g e n tr o b o t 1 3 移动机器人导航技术的研究发展现状 移动机器人的应用非常广泛，一般来说，它应该具有利用传感器和执行机构与外界 环境交互的功能，并且能够实时地对外界环境的激励做出反应，对于不可预测的事件， 如遇见不同的障碍物情况，进行相应的避障行为，同时，实际运行的机器人应该具有一 定的故障诊断能力，保证传感器输入数据的可靠性和有效性，并需要采用合适的导航方 法克服机械上对机器人运动的一些限制，自主运行。 1 31 移动机器人导航方法概述 移动机器人的导航问题按照所提供的环境信息，可分为在已知环境下的导航和在未 知环境下的导航。 在环境已知的情况下，移动机器人的导航又称为路径规划，它是首先给出移动机器 人和作业环境的描述，然后规划出联结两个指定位置之间的移动路径，该路径满足移动 机器人和作业环境的几何学和运动学要求，特别是回避与环境中障碍物的冲突，最后根 据所规划的路径给出控制输出i l “。 在环境未知的情况下，移动机器人的导航是指移动机器人按照预先给出的任务命令 在行进过程中不断感知周围的局部环境信息，自主地做出各种决策，并随时调整自身位 姿，引导自身安全行驶，并执行相应的动作与操作。为此机器人应具有下列三种智能模 块： ( 1 ) 自身位姿的感知模块； 大连理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 局部环境的感知模块； ( 3 ) 实时的自主导航模块。 自身位姿的感知和局部环境的感知是依靠各种传感器及其信息处理与融合来实现 的，移动机器人的导航是在自身位姿和局部环境感知的基础上利用各种算法来实现的。 由于移动机器人运动环境的复杂多变，既可以是室内，也可以是室外，既可能已知，也 可能未知，甚至是时变的，因而给移动机器人的导航带来许多问题，吸引了很多学者对 其进行研究。 移动机器人有多种导航方式，这些导航方式各有其特点，适合不同的应用环境。常 见的移动机器人导航方式有：电磁导航、光反射导航、g p s 导航、环境地图模型匹配导 航、路标导航、视觉导航、基于传感器数据的导航等【1 4 , 1 5 】。电磁导航技术简单实用，但 成本高，改造和维护困难。光反射导航是一种方式简单、价格便宜的导航系统，这两种 技术相当成熟，在国内制造行业使用较多。g p s 在陆地车辆导航系统中得到了广泛的应 用，但是在诸如城市地区，高楼大厦林立，g p s 信号经常出现阻塞。环境地图模型匹配 导航是机器人通过自身的各种传感器信息进行局部的地图构造，并与其内部事先存储的 完整地图进行匹配。通过匹配，确定自身的位置，并根据预先规划的全局路线实现导航。 路标导航中机器人可以通过对路标的探测来确定自身的位置，路标探测的稳定性和鲁棒 性是采用该方法时需要研究的主要问题。视觉导航具有信号探测范围宽、获取信息完整 等优点，但图像识别、路径规划等高层决策算法的计算工作量较大，延迟问题比较明显。 基于传感器数据的导航方式借助了信息融合技术，使机器人融合多种传感器数据，增强 了导航的鲁棒性，提高导航精度。 除了以上几种常见的导航方式外，还有气味导航、声音导航、陀螺仪导航、磁罗盘 导航、光电编码器导航等。 1 3 2 移动机器人导航技术的发展趋势 计算机技术、电子技术、通信技术、传感器技术、控制技术、网络技术的迅猛发展 必将推动和促进移动机器人导航技术取得更多的研究成果。移动机器人导航技术的发展 主要有以下几方面的趋势【1 6 ，r 7 】： ( 1 )先进的传感技术 传感器相当于移动机器人的感觉器官，采用了先进的传感器技术，移动机器人才能 有效地采集环境信息，从而提高导航的效率和准确性。 ( 2 )高效的信息处理技术 一b 一 面向偏振光传感器的移动机器人导航平台设计 信息处理主要是指对于传感器采集进来的信息进行处理，包括语音识别与理解技 术，图像处理与模式识别技术等。由于目前移动机器人的导航大都采用基于视觉或有视 觉参与的导航技术，因此计算机视觉和图像处理技术的水平对于移动机器人导航的发展 将起到至关重要的作用【l 引。 ( 3 )多传感器的信息融合技术 多传感器的导航方式是移动机器人导航发展的必然趋势【1 9 - 2 1 1 。这种多传感器的信息 融合技术充分利用了多个传感器的资源，通过对这些传感器及其观测信息的合理支配和 利用，把多个传感器在空间或时间上的冗余或互补信息根据一定的准则进行组合，从而 获得对被测对象的一致性解释或描述，因此它不但能够提高导航精度，同时也使整个导 航系统具有了较高的鲁棒性。 ( 4 )智能方法的发展与完善 目前在移动机器人导航中，智能方法的应用是一个重要的发展方向。但目前智能算 法在机器人导航中的应用范围却受到了很大限制，如神经网络应用往往局限在环境的建 模和认知上，同时由于目前在导航过程中主要采用前馈网络，需要教师信号进行训练， 因此难于实现在线应用。因此在移动机器人导航中，智能方法还有极大的发展空间。 1 4 本文的主要研究内容 移动机器人导航中多采用光电编码盘，光电编码盘的误差累积，其旋转误差容易产 生很大的位置误差，由其组成的差速里程计系统也会产生较大的方向误差，并最终导致 位置信息失效。光电编码盘结合惯性传感器是一种较好的组合方法，但惯性传感器同样 存在累积误差，并有零漂现象，精度较高的惯性传感器又价格昂贵，普通应用难以承受。 本文自行搭建了移动机器人平台，并用一种新型的导航传感器偏振光传感器与光电 编码盘结合，设计了组合导航系统用于移动机器人的室外导航。室外测试实验表明该平 台能根据天空的偏振光分布有效地完成导航任务，获得较好的效果。全文组织结构如下： 第一章概述当前国内外移动机器人及其导航技术的发展现状，并对常用的导航方式 进行分析，在此基础上，提出本文的设计思想及研究内容。 第二章总体上介绍本文设计的导航平台，包括平台的体系结构、平台的设计原理、 平台的控制策略。导航平台采用一种混合式的结构设计，整体由执行层和决策层组成， 在执行层上设计了反应层来提高系统响应。平台导航系统基于d r 原理设计，融合了偏 振光传感器和光电编码盘的数据。根据平台的体系结构及d r 原理，本文设计了一种位 置和方向分层的组合导航控制策略控制机器人的精确运行。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 第三章详细介绍了导航平台执行层的设计实现方法。执行层是移动机器人平台实现 运动功能的主体，采用一种四轮、差动转向的对称结构设计，提高车体对地面的适应能 力。执行层控制系统基于单片机s t c 8 9 c 5 1 6 r d + 搭建，由运动控制芯片l m 6 2 9 和驱动 芯片l m d l 8 2 0 0 组成。另外，本章还对导航平台的运动学进行了分析。 第四章详细介绍了导航平台决策层的实现方法。决策层是导航平台的智能核心，决 策层采用v i s u a lc + + 编程，编写了友好的操作界面，方便用户使用。路径规划算法是决 策层的主要内容，本文采用模糊控制技术实现该算法，本章中详述了模糊控制器的设计 及实现方法。 第五章介绍了平台室外导航性能测试的实验结果。使用本文搭建的导航平台，在室 外条件下进行了导航性能测试实验。本章对实验方法及结果进行了详细介绍，通过对实 验结果的比较分析，可以看出，本文搭建的导航平台性能优越，满足预期。另外，本章 还对实验结果中的误差及其产生因素进行了分析。 最后对全文的工作进行了全面的总结，工作中仍然存在一些不足，对此作者也做了 一一介绍，在此基础上，提出了对以后工作的展望。 面向偏振光传感器的移动机器人导航平台设计 2 导航平台整体设计 2 1移动机器人导航平台的体系结构 移动机器人的体系结构是指如何把感知、建模、规划、决策、行动等多种模块有机 地结合起来，从而在动态环境中完成目标任务的一个或多个机器人的结构框架 2 2 j 。从体 系的分层结构上看，自主移动机器人导航控制的体系结构主要有三种：基于规划的控制 结构、基于行为的控制结构和混合控制结构。 基于规划的导航控制系统一般可以被分为组织级、协调级和执行级三个基本控制层 次，其中组织级执行规划、决策等信息处理任务；协调级实现较低水平的决策和来自短 期记忆的学习等信息处理功能；执行级使用反馈控制方法完成对各种硬件的控制任务。 这种结构中，机器人智能分布在顶层，通过信息的逐层向下流动，间接地控制其行为， 它是经历一系列从感知、建模到规划处理等阶段后产生的结果，而不是传感器数据直接 作用下的结果。这类系统一般都有中心控制器，具有处理明确描述的特定任务的能力。 该结构具有很好的规划推理能力，通过自上而下的任务逐层分解，模块工作范围逐层缩 小，问题求解精度逐层增高，实现了从抽象到具体、从定性到定量、从人工智能推理方 法到数值算法的过渡，较好地解决了智能和控制精度的关系。在基于规划的控制结构中， 系统根据机器人的任务要求，规划机器人各时刻的动作。对于动态的、无结构的环境， 系统将花费大量的重新规划的时间。 针对基于规划的结构所存在的不足，b r o o k s 提出了一种基于反应式控制方法的包容 结构【2 3 1 ，反应式控制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做出 快速响应。基于行为的控制结构是反应方法的扩展，它把复杂的任务分解成很多简单的 可以并发执行的单元，每个单元有自己的感知器和执行器，两者紧耦合在一起，构成感 知动作行为，多个行为相互松耦合构成层次模型。机器人的最终指令由控制器根据行为 的优先级和本身的任务综合来确定。这种结构的主要优点在于每个行为的功能比较简 单，可以通过简单的传感器及其快速信息处理过程取得比较好的实时效果。采用该控制 结构所设计的机器人在复杂和动态环境中具有良好的鲁棒性。但由于这种控制结构只解 决局部感知任务而没有对任务做出全局规划，不能保证目标的实现是最优的。 由以上分析可以看出，基于规划的控制结构缺乏实用性和灵活性，而基于行为的控 制结构虽然提高了系统的响应速度，却缺乏较高的智能。基于以上对导航平台体系结构 的认识，本文采用了一种混合式的控制结构。控制体系的主体是一个基于规划的控制结 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 构，由上层决策层和下层执行层组成。决策层是整个控制体系的智能中心，它是在车载 笔记本电脑中实现的，充分利用了笔记本的快速计算能力。决策层系统采用v i s u a l c + + 编写，其不仅要完成对可执行实验路径的规划，还要将车体的各个部分有机地结合起来， 融合传感器采集的信息并进行分析处理，建立与外界通信的接口。执行层主要是对运动 功能的实现，由导航平台硬件控制系统和机械系统组成。机械系统是对导航平台本体的 描述，采用了一种差动转向的结构设计。平台控制系统是基于l m 6 2 9 和l m d l 8 2 0 0 搭 建的，由单片机进行控制。为了提高系统的响应速度，增强其灵活性，在下层执行层的 实现上设计了一种基于行为的控制结构。将超声波、红外线等用于机器人避障的传感器 的实现设计在执行层上，与导航平台的运动控制并行执行。决策层与执行层之间通过串 口线进行信息交互，交互的数据包括决策层下传的控制指令和执行层上传的导航平台当 前的位置、姿态等信息。 平台针对传感器的多样性和数据处理的复杂性，将传感器数据处理独立于体系结构 之外，既避免了平台结构过于复杂，又方便了以后采用新的传感器。导航用的偏振光传 感器通过网线将航向角度信息传送到平台决策系统中，光电编码盘的数据则通过串口线 进行传输。系统的整体结构如图2l 所示。 圈2 l 导航平台总体结构 f i g21 s t r u c t u r eo f t h e n a v i g a t i o np l a t f o r m 面向偏振光传感器的移动机器人导航平台设计 决策层是整个导航平台的智能核心，其智能性主要体现在路径规划算法的实现 上。该系统的算法用v i s u a lc h 编写，运行在车载笔记本电脑中。路径规划算法主要是 由一个二输入一输出的模糊控制器实现，模糊控制器可以将人工经验用于控制设计中， 在非完整系统控制中有较好的控制效果。控制器的输入分别是偏振光传感器探测到的平 台当前航向与目标航向的角度差及其对时间的微分，控制器的输出是平台的旋转速度， 目的是实现对平台的变速控制，使其逐渐逼近目标航向。控制嚣需要的传感器信息是通 过网络接口传输的，用u d p 协议实现高效、快速的数据传送。 串口通讯模块是连接导航平台决策层和执行层的桥梁。决策层通过向下传送指令的 方式实现对执行层的控制，所有指令都按设定的指令格式进行封装。执行层则向决策层 返回平台当前的位置和姿态等信息。 执行层实现了对决策层运行指令的解释、执行，能有效地将决策层传送来的控制指 令翻译成对电机的控制语言控制电机精确的运行。执行层程序用c 语言开发，采用分模 块的编程方法将所有的基本运行指令都加以开发，方便了决策层的控制调用。另， 执行 层还实现了对超声、红外线等避障传感器数据的处理，避障传感器的数据处理在执行层 上实现，不仅减少了决策层系统的计算压力，还提高了系统的实时性。 执行层机械系统是所有控制实现的基础，机械系统采用左右轮差速驱动、前后轮随 动的对称结构，增强了车体对地面的适应能力。平台采用悬挂系统解决了四轮的高度定 位问题，稳定了车身，保证算法的有效执行。导航平台三维结构如图2 2 所示。 挑请雎 执 r 垲控制泵境 一执 i b ：目【馘最缱 图2 2 导航平台二维结构图 f i g2 23 - d g r a p ho f t h e n a v i g a t i o np l a t f o r m 1 1 一u 百一 国 大连理工大学硕士学位论文 2 2 平台导航原理 2 2 1偏振光传感器原理及其功能模型 生物在经过了千百万年的进化之后，由于遗传和变异的原因，已经形成了从执行方 式、感知方式、控制方式一直到信息加工处理方式、组织方式等诸多方面的优势和长处。 自然界中的许多生物有着非常神奇的导航本领，夜间迁徙的鸟类，会利用落日的余晖在 起飞时确定向西的方向，在夜晚则通过辨别夜空中的星星导航；海龟、鲸、鼹鼠等可利 用地球磁场进行导航定位【2 4 l ；信鸽利用太阳作为罗盘确定自己将飞往何处，依靠太阳每 日的运行规律，利用体内的生物钟计算出飞行距离。生物的这些令人惊叹的导航定位本 领为我们研制新型导航传感器，开发基于新型原理的导航系统提供了丰富的创新灵感和 技术借鉴。 w e h n e r 等人发现，有一种沙漠蚁c a t a g l y p h i s 在没有任何标识的沙漠环境下外出觅 食，觅食路径随机且远至几百米，但是不管路径多么复杂，它们在找到食物后都能几乎 沿直线准确、快速地返回到巢穴中【2 5 矧。随着人们对大气偏振现象的发现，及对昆虫的 生物神经解剖和敏感机理的研究不断深入，w e h n e r 等人最终发现c a t a g l y p h i s 是利用天 空规律分布的偏振光进行导航定位的口瑶引。 对生物的偏振光导航定位机理的研究对于我们研制基于偏振光的新型传感器具有 重要的理论指导价值。生物的偏振视觉系统主要由两个部分组成，一个是用来感知天空 偏振光信息的视网膜，另一个是能对视网膜采集到的偏振光信息进行分析处理的神经中 枢。通过对该系统的模拟，所设计的偏振光传感器由以下几个功能单元组成：偏振光检 测与光电转换单元，信号放大调理单元，信号a d 转换单元，航向角度的解算与控制单 元，导航角度信息的传输与显示单元【2 ”。其中，偏振光检测与光电转换单元是产生和 探测有效偏振光信息的基础，而航向角度的解算与控制单元是传感器计算与控制的核 心，其它单元的正常工作保证了传感器系统准确、稳定地输出载体航向角度信息。传感 器的结构如图2 3 所示。 碗向偏振光传感器的移动机器人导航平台设计 值撮光 一、 ：， c a t a 蛳h 蹴隔膜 ， 亡= c i t a 鲫m # 神经中枢 图2 3 偏振光传感器结构图 f i g2 3 s t n l 咖m0 f 血e l 豳t i o n $ e i l s o r 本文使用的偏振光传感器原理新颖，性能较高。传感器测量精度高，经过实验标定， 传感器一个周期内的误差在0 2 。以内；传感器输出的是载体的当前方向角信息，输出 信息采用u d p 协议打包，通过网线进行快速传输：输出角度信息误差分布随机且不随 时间累积，具有较高的应用价值。研制的传感器的实物图如图2 4 所示。 图2 4 传感器实物图 f 迫2 4p h o t o g r a p h o f t h ep o l a r ；z a t i o ns e n s o r 璺蓄 大连理工大学硕士学位论文 2 。2 2d r 系统导航原理 航位推算( d e a dr e c k o n i n g ，d 鼬是最基本的导航方法之一，由于误差的累积，它不 能长时间单独使用，通常是同其它导航设备组合应用【3 2 1 。尽管各种现代导航系统( 卫星 导航、无线电导航、天文导航) 的应用范围日益扩大，航位推算的作用仍然不能忽略， 因为它有四个独特的优点： ( a )可不受干扰地随时定位，不像无线电导航、卫星导航系统，经常在需要精 确定位的时候，却因收不到信号而无法定位； ( b )高动态性，由于计算机的复杂性，即使现代的g p s 接收机也只能达到1 h z 的更新频率，因此只能适用于有限的动态范围，而航位推算法至少要比它 快2 0 倍； ( c )能直接给出移动机器人的距离和方向信息； ( d ) 造价较低。 上述四点使航位推算在民用领域，特别是低成本的移动机器人导航定位中处于一种 独特的地位。在这种方法中，普遍使用方向和距离传感器测量位移矢量，从而推算移动 机器人的位置。假设在某一时刻气，移动机器人的位置可表示为( 吒，y 七) ，则吒，y i 可由 以下方程推算出来g ( 知，矽 ( 毡 图2 5 航位推算方法 f i g 2 5 t h ep r i n c i p l eo fd e a dr e c k o n i n g 坼= x 。+ ：置c o s 0 。 y 。= y o + ：量s i n 包 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 面向偏振光传感器的移动机器人导航平台设计 这里，o 。，y 。) 是车辆，。时刻的初始位置，j ，幺分别是车辆从t ，时刻的位置( ，y ，) n t 时刻的位置( x ，y ) 的位移矢量的长度和绝对航向，如图2 5 所示。相对航向定 义为连续两个绝对航向之差，用缈，表示。若给出了“，f 1 ，f 。时刻的相对航向测量值q ， 则f 。时刻的移动机器人绝对航向o k 可由式o k = y 。峨算出。 航位推算是一个递推的过程，计算过程中所有传感器的误差均会造成位置误差的积 累，从而使得定位精度降低。在移动机器人导航系统中，里程表通常用来测量机器人行 进的距离，磁罗盘、速率陀螺仪或差分里程表用来测量机器人的航向。根据航位推算法 进行位置推算，其产生定位误差积累的主要原因有【3 副： 1 ) 里程表误差。由于移动机器人轮胎直径和道路状况的差异造成距离的测量误差， 同时，两轮测量距离的差异还导致差分里程表的航向测量误差，较小的距离误 差可能引起很大的航向角计算误差。图2 6 所示为差分里程表造成的航位推算 误差，图中机器人从o 点向a 点直线运动，但是由于左、右轮里程表的距离误 差，造成了相对航向漂移砌，推算结果机器人从o 点到达了b 点。 2 ) 磁罗盘误差直接导致航向测量误差。移动机器人车体磁化程度、道路环境如隧 道、钢铁大桥、道路大型钢铁结构均会引起磁罗盘的航向测量误差，造成航位 推算误差积累。图2 7 所示为移动机器人经过大桥时，磁罗盘测量的航向情况。 3 ) 速率陀螺仪的误差漂移随时间积累，将其用作航向测量时，也造成误差积累。 图2 8 所示为一低成本的压电陀螺仪输出的漂移信号。图2 9 为考虑速率陀螺仪 一漂移误差及里程表误差时，d r 系统的位置推算误差随时间积累的情况。 p 一 图2 6 应用差分里程表造成航位推算误差 f i g 2 6 d re r r o rr e s u l tf r o mt h eo d o m e t e r 方位角( ) 图2 7 钢铁大桥对磁罗盘航向角的影响 f i g 2 7m a g n e t i cc o m p a s se r r o rr e s u l t f r o mt h em e t a lb r i d g e 大连理工大学硕士学位论文 图2 8 速率陀螺信号的漂移误差 f i g 2 8 b i a sd r i f t so f t h eg y r o s c o p e 纵向位置误差( m ) 图2 9由速率陀螺和里程表构成的d r 系统 的位置误差累积 f i g 2 9 p o s i t i o ne r r o ro ft h ed r s y s t e m ( g y r o s c o p e & o d o m e t r y ) 为了减小累积误差，常用的办法有如下三种： 1 ) 针对不同环境状况采用不同的传感器组合方式构成航位推算系统，例如当经过 钢铁大桥等对磁场影响较大的地方时，采用里程表和速率陀螺仪组合的推算方 式，其它情况采用里程表和磁罗盘组合方式。 2 ) 采用卡尔曼滤波技术对磁罗盘航向信号及速率陀螺仪信号进行滤波处理，减小 干扰和漂移误差。 3 ) 利用g p s 精确定位信息对导航传感器误差进行校正，减小误差积累。 2 2 3d r 系统组成方案的选择 d r 系统的距离传感器为里程表，目前通常采用的里程表为光电式或电磁式。d r 系统测量航向的传感器在系统中起重要作用，如何选用既有一定精度，又有较低成本的 航向传感器是一个重要问题。到目前为止，可适用于车辆航向测量的传感器主要有三类： 差分里程表、磁罗盘、速率陀螺仪。由于采用差分里程表进行航向测量的误差较大，磁 罗盘容易受机器人本体磁化程度的变化及道路环境磁场的影响造成较大误差，故大多采 用速率陀螺测量航向变化率( 即角速率) ，对陀螺仪测量信号进行积分进而得到航向的 变化量。目前，国外用于导航的速率陀螺仪有压电晶体陀螺仪和光纤陀螺仪两类，这两 类陀螺仪都属于低精度、低成本速率陀螺仪。在我国，光纤陀螺仪的研究和开发才开始 不久，与国外相比成本较高，在保证具有一定精度的前提下，考虑到尽可能地降低车载 d r 系统的成本，现有的d r 系统大都由压电陀螺仪和里程表构成。在建立准确的d r 面向偏振光传感器的移动机器人导航平台设计 系统模型的基础上，应用最优估计方法消除陀螺仪随机漂移误差，以减小d r 系统推算 误差积累【3 4 1 。 如上所述，现有的d r 组合方案中，都是采用了惯性传感器和里程表相结合的方法。 较成功的方法是陀螺仪和里程表组合，并采用最优估计方法消除陀螺仪随机漂移误差。 这种方法有两个缺点： 1 ) 导航系统的性能严重依赖于陀螺仪的质量。陀螺仪的输出是正比于输入轴角度 变化率的信号。衡量陀螺仪的一个重要的指标就是陀螺仪的漂移，以o h 来衡 量。陀螺仪的漂移是由惯性传感器制造过程中的缺陷和环境干扰所造成的。在 实际应用过程中，这种漂移信号可能会传递一种错误信息。低漂移的陀螺仪生 产成本是十分昂贵的。因此，惯性传感器的质量在导航系统的成本一效益分析 中起着重要的作用。如果0 0 0 0 1o h 的陀螺仪价格低于1 0 0 美元，那么今天我 们就不再需要g p s 了。 2 ) 应用最优估计方法时，其方法的有效程度依赖于d r 系统的