毕业论文-基于AS-ROBEI机器人组合模块设计及舵机控制的研究

基于 AS-ROBEI 机器人组合模块设计及舵机控制的研究 I摘 要 模块化机器人是一种自动化的机器，具有感知、规划、动作和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。它是典型光机电产品。 AS-ROBEI机器人组合模块是通过各种模块自由构建出各种机器人类型，并通过程序对舵机的控制，执行任务。该组合具有工程性、创新性、设计性。 本文在查阅了大量国内外研究文献的基础上， 全面分析了模块化机器人的历史和现状，提出了产品设计中的关键问题是：执行机构，传感器检测机构，控制机构。针对这些关键问题，从理论，实现方法，应用等方面进行了研究。 主要研究内容有： （1）运动执行机构与传感器检测机构。 （2）单片机控制系统设计。 （3）AS-EI模块儿的结构与控制。 关键词 ：模块化，单片机控制，AS-EI模型 基于 AS-ROBEI 机器人组合模块设计及舵机控制的研究 IIAbstract The modularization robot is one kind of the machine automating, have perception、Plan、 action and coordination ability， as one kind of the automation machine having altitude flexibility. It is that the model glorifies an electromechanical product. That the AS-ROBEI robot constitutes a module is that free structure builds out the various robot types by various module, and pass procedure controlling to the steering engine, Carry out a task. Be combinations turn to have the project、 foak、 design. After comprehensively analyzing the related history, now and future of conceptual design of the modularization robot， the key problems which establish the platform of computer aided conceptual design are put forward, and the relative theory. Applications are discussed comprehensively. The main contents of this dissertation cover the theories, implementation methods and their application. Generally speaking, the main contents are listed as follows: （ 1） Campaign implementing agencies and sensors detecting agencies. （ 2） The design of SCM controlling system . （ 3） The Structure and controlling of AS-EI Module . Key words： modular， steering wheel， AS-EI model 基于 AS-ROBEI 机器人组合模块设计及舵机控制的研究 III目 录 第一章 绪论 . .1 1.1 模块化机器人的特点与发展状况 .1 1.1.1 模 块化机器人的特点. 1 1.1.2 模 块化机器人的提出. 3 1.1.3 模 块化机器人的发展状况 .3 1.2 舵机控制的概述 .4 1.3 本章小结 .5 第二章 机器人的结构部分研究 .6 2.1 执行机构子系统 .6 2.1.1 舵 机及其控制 . .6 2.1.2 舵 机的控制方法 . .7 2.1.3 速 度控制原理 . .8 2.2 传感检测子系统 .8 2.2.1 传 感器的定义及分类. 8 2.2.2 现代传感器- -集 成传感器与智能传感器 . 10 2.3 本章小节 . 13 第三章 模块化机器人的控制部分研究 .14 3.1 单片微型计算机（俗称单片机） . 14 3.2 单片机应用系统设计 . 14 3.3 本章小结 . 16 第四章 基于 AS-ROBEI 的模块化机器人画图机器人 .17 4.1 模型的结构部分 . 17 4.1.1 结构件 . . 18 4.1.2 连接件 . . 18 4.1.3 电气类 . . 18 4.1.4 特殊类 . . 18 4.1.5 连 接件使用方法 . 19 4.2 模型的控制部分 . 19 4.3 用多功能卡实现模型的运动 . 22 4.3.1 画 图机器人结构与控制 . 24 4.4 三维模型仿真 . 27 4.4.1 Pro/ENGINEER 软件介绍 . . 27 4.4.2 Pro/ENGINEER 软件功能 . . 27 4.4.3 三维模型 . . 28 4.4.4 运动仿真 . . 29 4.5 本章小结 . 30 第五章 结论与展望 .31 5.1 研究的基本内容，拟解决的主要问题 . 31 基于 AS-ROBEI 机器人组合模块设计及舵机控制的研究 IV5.2 展望 . 31 参考文献 . .32 致 谢 . .33 附录 1：. .34 附录 2:. .35 附录 3：. .36 附录 4：. .37 附录 5：. .38 声 明 . .40 基于 AS-ROBEI 机器人组合模块设计及舵机控制的研究 1第一章 绪论 我们知道，对于任何一个机器人系统来说，机构是它的“躯体” ，控制系统则是它的“大脑”和“神经系统” ，一个设计合理的机器人机构加上一个有效的控制系统，机器人才能成为一个名副其实的、 “活生生”的机器人，控制系统的性能直接决定着机器人整体功能的实现和性能的高低。机构和控制系统是机器人不可分割的两个部分，在机器人设计过程中，它们始终相互影响，一个合理的机构才能将控制系统的性能完全发挥出来，同时，一个能与机构相匹配的良好合理的控制系统才能充分发挥机器人机构的特点。模块化机器人是一种机构特点非常鲜明的机器人，它由多个一样的模块连接而成，每个模块都是完整的功能单元，能通过模块重组改变自身形态按照不同的步态进行移动。模块化机器人在结构与性能上对控制系统提出新的要求，于是我们引入舵机。舵机体积小，扭矩大，控制方便，重量轻。因此舵机控制更能发挥模块化机器人的性能。 1.1 模块化机器人的特点与发展状况 1.1.1 模块化机器人的特点 模块化机器人的模块化机构是它的一大特点，它可以由几个到几百甚至成千上万个模块组成，模块可以被设计成多种多样，可以是圆形、方形、多面形及其它形状，模块间的连接方式也可以是多种多样的，可以通过连杆连接、面面对接等等。虽然每个模块的结构和功能都有限，但众多的模块连接到一起，就可以组成各种各样简单或复杂的形态，所构成机器人的运动方式也可以是各种各样的。因此，对模块化机器人的研究将会推动机器人机构设计、运动规划、动力学分析、运动控制等方面的发展。模块化机器人要实现自动重构，最基本的就是要实现模块的自动对接，这包含有模块间机械电气接口(包括自动闭锁装置)设计、多传感器信息融合、对接路径规划等方面的技术，通过研究也将大大推动这些方面的发展。再则，由于机构上和传统机器人的不一样，这也将大大推动机器人控制系统的变更发展。 模块化机器人，顾名思义，最大特点就是模块化1。 模块化即模块化机器人设计的中心思想。机器人由若干个相同的模块组 基于 AS-ROBEI 机器人组合模块设计及舵机控制的研究 2成，每个模块都是一个相对独立完整的单元实体，模块由电源、传感、控制、动力、通信等几个单元组成，能独立实现一些简单的功能并能和其它模块进行通信。 除了模块化特点以外，模块化机器人还有着系统设计简单化、造价低、可替代性、开放性、可自动修复以及强健性和高稳定性等特点。 系统设计简单化、造价低。由于组成机器人的模块数量较多(几十个到几百甚至成千上万)，整个机器人所要实现的功能被分离到众多的模块上，只要求每个模块实现有限的简单功能，因此，模块的结构就可以相当简化，其造价也可以相当低廉。而整个机器人系统由这些标准模块按一定的拓扑结构简单拼接而成，降低了整个机器人系统的复杂性和造价。 可替代性。每个模块都被设计成相同的结构，任意两个模块之间都可以相互替代。虽然机器人在按特定的步态进行移动时，每个模块在整个机器人系统中扮演着不同的角色，但是它们功能都相同，即都可以被放在整体机构的任意位置进行工作。当机器人系统中某个模块发生故障时，可以使用另一个模块代替它以保证整个系统的正常工作。 开放性强。模块化机器人系统是一个开放的系统，可以根据任务的不同选择不同数量的模块构成机器人整体。每个模块的性能都拥有一定的升级空间，机器人的整体性能可以通过模块性能的升级而得到改善。 功能冗余性大。每个模块具有的功能都一样，它们之间可以相互替代，而每个模块在系统中实现的功能可能各不一样，因此每个模块在功能上都具有相当的冗余。 可自动修复性。由于每个模块的功能都相同，如果一个模块出了问题，就可以用另一模块来代替，并且丢弃故障模块，这就大大增强了机器人的自我修复能力。 强健性、稳定性。冗余性和可修复能力的组合就增强了系统的强健性。另外，由于每个单元模块都被设计得非常简单，单个模块本身就有相当高的稳定性，而且每个模块在整个系统中都只实现非常有限的功能，对整个系统性能的影响也非常有限，这样即使少数模块出了问题，也不会对整个系统产生太大的影响，系统仍然可以正常工作。相比而言，传统机器人各个环节祸合的比较紧凑，如果哪个环节出现问题，即使很小，对整个系统来说也可能会是灾难性的。 基于 AS-ROBEI 机器人组合模块设计及舵机控制的研究 31.1.2 模块化机器人的提出 从机器人诞生到本世纪80年代初， 机器人技术经历了一个长期缓慢的发展过程，到了90年代，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机器人技术得到了飞速发展。除了工业机器人水平不断提高之外，各种用于非制造业的先进机器人系统也有了长足的进展。机器人技术已成为高科技应用领域中的重要组成部分，它正向着具有行走能力、对环境自主性强的智能机器人的方向发展2。作为新一代的智能机器人，不仅要有 感知、推理、判断等能力，还要有强健的“四肢”运动执行机构。现在的移动机器人大都是借助轮子或者机械腿作为运动执行机构，它们的共同缺点是运动方式比较单一，对地形(特别是未知环境)的适应性不强。例如，机械腿式机器人行走时，当碰到比较松软的地面(如沙地)时，它就无法很好地进行移动。模块化机器人就是为了克服这些传统机器人的固有缺点而被提出的，它是一种高度模块化的机器人134。 1.1.3 模块化机器人的发展状况 国外对模块机器人系统已经进行了大量的研究，目前已经开发的模块化机器人系统主要有两类:一类是静态机器人系统，另一类是动态机器人系统。静态就是在工作之前装配好机器人，而动态就是系统在工作时能动态根据需要重组自身。在本文以下部分中提到的手动移动机器人属于前者，而自动移动机器人则属于后者。 静态机器人系统大都适用于工业机器人， 如Queensland大学的Gordon Wythe，James Kennedy5等人设计一个由有规则几何形状独立模块组成的工业机械手PUMA 560，可以任意改变机械手的形状以适应不用的装配任务。动态机器人系统有:Pamecha和Chirikjia6的构形变化机器人系统,它是由一套独立的机电模块组成的每个模块都有连接、脱开及越过相邻模块的功能，每个模块没有动力，但允许动力和信息输入且可通过它输到相邻模块，构形改变是通过每个模块在相邻模块上的移动来实现的;英国 Dartmouth 学院的 Keith Kotay 和 Daniela Russ7在1998年提出了分子(Molecule)，的概念，自重构机器人的模块称为分子，分子是建立自机器人的基础，分子和其它分子相连接且分子能够在其它分子上运动形成任意的三维结构。对于模块化机器人的研究，现在还大都没有进入实用化，对于模块化动态自动机器人来说，受到诸多条件的限制，现在还停留在理论研究和运用计算机进行仿真阶段。 基于 AS-ROBEI 机器人组合模块设计及舵机控制的研究 4目前国内有许多公司，大学对模块化机器人都已展开研究。本课题所研究的机器人就是由上海广茂达伙伴机器人有限公司开发的。另外，北航机器人研究所也研制出了模块化履带式侦察机器人。此外， “模块化可重组机器人技术研究”也是国家高技术研究发展计划（863计划）8。 1.2 舵机控制的概述 舵机（图 1-1）最早出现在航模运动中，是一种直流位置伺服驱动系统，它接收一定的控制信号，输出一定的角度。适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。其内部结构由直流电机，减速齿轮电位计和控制电路组成。其工作原理是直流电机作为驱动器产生动力源,运动由减速齿轮减速,传递给输出轴和舵盘,在输出轴后端连接有电位计,用以检测 当前位置.并将此值与驱动信号端口发送来的位置信号进行比较,通过控制电路, 将差值放大并由电机执行操作,实现位置伺服。 图1-1 舵机 标准的舵机有3条导线,分别是:电源线、地线、控制线,如图1-2所示。电源线和地线用于提供舵机内部的直流电机和控制线路所需的能源,电压通常介于 46 V,一般取5 V。 基于 AS-ROBEI 机器人组合模块设计及舵机控制的研究 5图 1-2 标准舵机 1.3 本章小结 本章主要包括以下内容： 模块化机器人的发展与特点； 舵机控制的概述。 基于 AS-ROBEI 机器人组合模块设计及舵机控制的研究 6第二章 机器人的结构部分研究 2.1 执行机构子系统 机械与电子的结合，机械技术与控制技术、信息技术、传感技术的结合，使新型现代机械层出不穷， 也为机构内涵的扩充提供了更大的深度和广度。 更加科学地、合理地对机构进行重新定义，不但必要也有可能。 现代机构由于融合了控制技术， 使驱动元件的输出机械特性更加符合机构多变的输出需要。现代机构最突出的特征是具有柔性和可控性，因此在现代机械中被广泛采用.它是实现机械运动和动力变换，传递功能的载体，从实现功能来看它与传统的传动、执行机构并没有不同.驱动元件与执行件(或执行机构)的集成应用使机器人系统更加有效地工作。 例如:步进电机可直接控制执行件实现可控的步进运动;又如伺服电机与执行机构集成实现各种可控运动，使机械系统运动更具柔性。由此可见，现代机械系统覆盖的内容相当丰富，涉及的知识面相当广阔9。 2.1.1 舵机及其控制 舵机是一种位置伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。舵机是一种结构简单的、集成化的直流伺服系统,其内部结构由直流电机、减速齿轮、电位计和控制电路组成.其工作原理是直流电机作为驱动器产生动力源,运动由减速齿轮减速,传递给输出轴和舵盘,在输出轴后端连接有电位计,用以检测当前位置.并将此值与驱动信号端口发送来的位置信号进行比较,通过控制电路,将差值放大并由电机执行操作,实现位置伺服. 一个舵机是一个典型闭环反馈系统,主要包括控制电路、 马达、 齿轮组及比例电位器。 减速齿轮组由马达驱动,其终端(输出端)带动一个线性的比例电位器作位置检测, 该电位器把转角坐标转换为一比例电压反馈给控制线路板,控制线路板将其与输入的控制脉冲信号比较,产生纠正脉冲,并驱动马达正向或反向地转动,使齿轮组的输出位置与期望值相符,令纠正脉冲趋于为0,从而达到使舵机精确定位的目的。舵机的控制信号为周期是20 ms的脉宽调制(PWM)信号,其中脉冲宽度从0.52.5 ms,相对应舵盘的位置为0180,呈线性变化。 基于 AS-ROBEI 机器人组合模块设计及舵机控制的研究 72.1.2 舵机的控制方法 标准的舵机有3条导线,分别是:电源线、地线、控制线。电源线和地线用于提供舵机内部的直流电机和控制线路所需的能源,电压通常介于 46 V,一般取 5 V。注意,给舵机供电的电源应能提供足够的功率。控制线的输入是一个宽度可调的周期性方波脉冲信号,方波脉冲信号的周期为20 ms(即频率为50 Hz)。当方波的脉冲宽度改变时,舵机转轴的角度发生改变,角度变化与脉冲宽度的变化成正比。舵机的输出轴转角与输入信号的脉冲宽度之间的关系可用图2-1来表示。 图 2-1 舵机输出轴转角与输入信号的脉冲宽度之间的关系 舵机内部电路图： 图 2-2 舵机内部电路图 基于 AS-ROBEI 机器人组合模块设计及舵机控制的研究 82.1.3 速度控制原理 由于舵机的驱动信号是间歇性发送给内部控制器的,其控制信号的周期为 20 ms,如果将每个周期内的脉宽宽度以不同的微量递增或递减,则宏观上,可以实现不同的速度变化.速度微量的计算方法为: P= tT1000180式中P-周期脉宽增量 T-控制信号周期 t-脉宽变化范围,即最大转角脉宽与最小转角脉宽的差值 -转角变化范围,即最大转角与最小转角的差值 -工作转速 2.2 传感检测子系统 要对一个机械设备或机械系统的工作过程进行 控制就是要对其机械参数如位置、位移、速度、压力、温度、流量等进行检测和控制。计算机过程控制的关键在于信息的采集(提取)和处理。信息采集主要依靠各种类型的传感器，传感器是信号检测的工具，传感器质量的优劣直接决定测试和过程控制的成败。如果没有传感器对原始信息进行准确、 可靠的捕获和转换， 一切准确的测试和过程控制将无法实现。 2.2.1 传感器的定义及分类 将被测物理量转换成与之相对应的、容易检测、传输或处理的信号的装置，称之为传感器，也叫变换器、换能器10。 传感器的作用类似于人的感觉器官，它将被测物理量如力、位移、温度等转换成可测信号传送到测量系统的中间转换器，供分析处理之用，从而得到所需的测量数据，或变换为相应的控制信号.从信号的获取、变换、加工、传输、显示和控制等方面来看，以电量形式表示的电信号最为方便。对计算机控制系统来说，也就是将待测物理量通过传感器转换成电压或电流信号，送到工业控制机的输入接口，再由计算机进行分析处理。 传感器的分类方法很多，概要的说，有以下几种分类11. 按被测物理量分类，有位移传感器、力传感器、温度传感器等； 按传感器工作的物理基础分类，有机械式、电气式、光学式、液体式等； 按信号变换特征，可分为物理型和结构型； 基于 AS-ROBEI 机器人组合模块设计及舵机控制的研究 9根据敏感元件与被测对象之间的能量关系，可分为能量转换型和能量控制型等； 根据传感器的输出方式分类，又有以下三种： 开关量式:有接点式(如微动开关、行程开关等)和无接点式（如光敏三极管关、接近开关等)两种，主要用于位置的测量和检测信号的有无； 模拟量式:连续式，如电压、电流、电阻、电感、电容等 数字量式:有计数脉冲式和编码式，如光电脉冲发生器、光栅、磁栅等12. 以物理基础分类介绍常用的传感器类型: 1.机械式传感器 机械式传感器是一种应用很广的传感器。它常 以弹性体作为传感器的敏感元件，故又称为弹性敏感元件。它的输入量是力、压力等物理量，而输出则为弹性元件本身的弹性变形.这种变形经放大后造成仪表指针的偏转，借助刻度指示被测量的大小.根据这个原理做成各种机械式仪表，如用于测力或称重的环形测力计、弹簧秤等:用于测量流体压力的波纹膜片、波纹管等。这种直接由机械式传感器做成的机械式指示仪表具有结构简单、使用方便、价格低廉、读数直观等优点。但由于放大和指示系统多为机械传动，惯性大，固有频率低，故多用于静态量或低频变化量的测量13。 2.电阻式传感器 电阻式传感器是把被侧盘如位移、力等转换成电阻变化的一种传感器。有变阻式和电阻应变式两种。 变阻式也称电位计时传感器， 它将位移变化转换成电阻变化，再通过电胆分压电路， 将位移变成输出电压的变化， 用于直线位移、 角位移的测量。这种传感器的优点是结构简单，使用方便，缺点是分辨率不高。电阻应变片式传感器可用于钳复应变、力、位移、加速度、扭矩等参数，具有体积小、响应速度快、精度商、 使用方便等优点。 电阻应变片又分为金属电阻应变片和半导体应变片两种。 3.电感式传感器 电感式传感器是把被测量（如位移）转换成电感量变化的一种装置。其变化是基于电磁感应原理，可分为自感型(包括可变磁阻式和祸流式)与互感型(差动变压器式)两种类型14。 4.压电式传感器 压电式传感器的工作原理是利用某些物质的压电效应。某些物质如石英、钦酸钡等。当受到外力作用时，不仅几何尺寸发生变化，而且内部极化，表面上有电荷 基于 AS-ROBEI 机器人组合模块设计及舵机控制的研究 10出现，形成电场。当外力去掉时，又恢复原状态，这种现象叫压电效应。具有压电效应的材料叫压电材料或压电晶体。 压电传感器是在压电晶体的两个工作面上进行金属燕镀，形成金属膜，构成两个电极。实验证明，在极板上聚集的电荷盘与施加的作用力成正比。由于压电式传感器的输出电信号是很微弱的电荷，传感器本身又有很大内阻，为此，通常把传感器信号先输到高输入阻抗的前置放大器，经阻抗变换后，再经放大、检波电路，变成较大的电压输出.压电传感器体积小、重量轻，精确度及灵敏度高，广泛应用于力、压力的测量15。 5.磁电式传感器 磁电式传感器是把被测物理量转换成感应电动势的一种传感器， 也叫电磁感应式传感器。按结构方式不同，磁电式传感器分为动圈式和磁阻式。 动圈式传感器式磁场不动，线圈可动，如线圈在永久磁场中作直线运动或旋转运动，产生感应电动势，因此动圈式传感器又有速度型和角速度型两种，可用于速度测量和转速测量16。 磁阻式传感器是线圈和磁铁不动，由运动的物质（导磁材料）改变磁路的磁阻，引起磁力线增强或减弱，使线圈产生感应电动势。 6.半导体敏感元件 半导体材料的一个重要特性是光、热、力、磁等物理量的敏感性。利用这些特性，可作为非电量电测的敏感元件，如磁电转换元件、光电转换元件、热敏电阻、气敏电阻等。 2.2.2 现代传感器-集成传感器与智能传感器 多传感器集成概念 多传感器集成是针对一个机电系统中使用多种 传感器这一特定问题而展开的一种信息处理的新的研究方向，是信息的综合与处理的过程，即为了完成所需的决策和估计任务， 对在不同的时间序列上获得的多种传感器信息按一定准则加以综合分析。 因此包括对各种传感器给出的有用信息进行采集、 传输、 分析与合成等处理。 把多种传感器及其信息融合应用到复杂机械系 统中能够提供许多传统的单传感器方法无法提供的性能、根据Lou等的总结，经过集成与融合的多传感器系统具有四大特征:冗余性、互补性、实时性和低成本性17。 目前的多传感器集成与信息融合的优点可归纳为以下几点 基于 AS-ROBEI 机器人组合模块设计及舵机控制的研究 111、扩展了系统的时间和空间的覆盖范围，增加了测量空间的维数，避免了工作盲区，获得单个传感器不能获得的信息。 2、提高了系统信息接收与处理的时间分辨率和空间分辨率。 3、提高了系统定位、导航、跟踪的精度，增强系统对特性识别决策能力。 当描述同一目标或事件的多个信息存在相关时，对多次(同一传感器在不同的时序上)或多个(同一时刻不同传感器)独立测量进行有效综合可提高对该目标或事件描述的准确性。 4、提高了系统工作的稳定性、可靠性和容错能力。 5、有利于降低系统成本。山于多传感器集成系统己在体系结构上充分考虑了多传感器集成的要求，提供了良好的软、硬件及接口等开发因素，因此有利于降低系统成本。 6、有利于提高系统的运行速度。在多传感器集成与信息融合系统中，多传感器的信息采集基本上是并行完成的。因此，多传感器集成与信息融合系统具有良好的实时性。 总而言之，多传感器集成与信息融合具有准确度高、时空覆盖范围广、反应速度快、可靠性高、成本低的特点。 多传感器集成系统 传感器模型 传感器模型可以被描述为： 对外界环境中特定目标进行观测所得到数据信息的内容和形式，这些观测数据受到其它传感器影响的程度，以及观测数据与传感器所处的位置和状态的关系。为此一般把传感器模型按照所描述的对象分三种:观测模型、相关模型和状态模型18。 观测模型是理想状态下外界事件或现象在传感器中的映像， 是传感器观测信息的基本表示； 相关模型描述了不同传感器之间信息的相互影响， 它可以用来表示不同传感器之间观测信息的相互转换； 状态模型描述了传感器状态、 位置对观侧结果的影响， 是一个和传感器观测 控制有关的问题； 了解传感器的行为特性是传感器建模的基础， 其中包括传感器获取环境信息的方式;信息是如何受传感器装置的影响的:观 察结果如何被其它信息源使用等。为 基于 AS-ROBEI 机器人组合模块设计及舵机控制的研究 12此，应该考虑如下因素:传感器的复杂度、观测信息的重构、观测误差、传感器的差异、多视点问题、传感器的相互协同等。 多传感器间的关系 在多传感器系统中，各传感器或传感器信息之间的相互关系主要有以下三种。互补关系、竞争关系和协作关系。 互补关系 基于不同物理原理的传感器提供的信息类型也不同， 且各信息源提供的信息之间又没有重复，把这些传感器的信息综合在一起考虑，就会呈现出互补关系。 互补信息的综合可以给出关于环境的更全面的描绘。 互补信息可以补偿单一传感器的不准确性和测量范围的局限性。 如打印机针头要求执行机构的输出尽可能平稳， 这时环境感知信息应尽量全面、 准确， 可采用互补综合的原则对数据进行综合，共同提供准确、快速的信息。 竞争关系 如果多个传感器提供的是同种类型的信息， 且可采用冗余操作得到统一的信息描述形式，则这些传感器或传感器信息之间就具有竞争关系。冗余信息的融合可以减少整体的不确定性， 提高系统对感兴趣特征的感知精度， 并可增加系统的可靠性。 协作关系 每一种传感器都必须依赖于其它传感器才能获得观测数据， 则称这些传感器之间存在协作关系。 在移动机器人的定位系统中， 光码盘和磁罗盘的组合进行航位推算可以实现定位功能，但是由于光码盘的固有误差，定位的误差将随机器人运行路程的增加而增加，即这种误差是累积的。相反地，差分GPS虽然没有积累误差，但是其绝对精度较低(1m左右)。因此，为获取稳定、高精度的定位，一般每隔一段路程利用GPS信号对光码盘进行校正，差分GPS的定位结果与光码盘测得的结果进行融合。其中，航位推算与差分GPS的信息之间既具有竞争关系(均能够提供定位信息)，又存在协作关系(光码盘依赖于差分GPS的定期校正)。传感器及传感器观测的信息之间的关系常常是复杂多样的， 正确理解并描述这些关系对于准确把握并充分利用多传感器集成与信息融合系统有着重要的意义。 多传感器集成系统的模型 多传感器集成系统的模型是在传感器模型基础上建立的， 除了要依赖于各传感 基于 AS-ROBEI 机器人组合模块设计及舵机控制的研究 13器的特性外， 还要研究它们之间的相互关系。 一方面， 不同传感器的工作方式不同，提供的数据模型也不同;另一方面，即使物理特性相似的传感器，若工作环境或使用目的不同，它们的观测特征也可能完全不同。一种传感器提供的信息可应用于不同的方面， 与此同时， 对于同一种传感器也可用不同的方法来获得同一模型。 因此，无论是物理特性迥异的各类传感器还是用于不同特征抽取的各类算法， 本质上都可以作为一个独立的数据源。作为外界环境的观测者，这些数据源提供的信息是不确定的、相关的或动态的。动态特性是多传感器所固有的，表现为由一个传感器提供的观测信息不可能完全独立于其它传感器的运行情况和观测值。目前，主要有两种多传感器集成系统的建模方法，即基于规则的模型和概率模型。 基于规则的模型是一种较为简单而又有一定使用价值的模型。 其核心思想是把物理传感器抽象为模块式的逻辑传感器， 通过描述其输入输出关系的一组规则来确定其特性，然后很据多传感器集成系统的任务要求来组成所需的实际系统。 概率模型使用概率作为工具来建立传感器及其系统模型。 将多传感器集成系统看作是一个传感器队列，其中每个传感器是神经网络队列中的一个成员，每个成员用一种信息结构表示。这一模型较适合于描述环境观测的不确定性，并且多传感器集成系统中增加新传感器不会给新棋型的建立和分析增加很大困难.此外，在共同的概率框架中，对不同类型的信息做出的描述便于以一致的方式进行比较和集成。 多传感器集成与信息融合系统的结构模型应根据应用问题特性来灵活确定， 但一般可分为集中式、自主式、混合式等;他们在信息损失、数据通信带宽要求、数据关联、处理精度等方面各有优劣。 所谓智能传感器，就是传感器本身带微处理器，能进行自标定，能同时感应多个参数(如气体流速、温度、加速度等)，并具有运算和通讯能力。 2.3 本章小节 （1）介绍了模块化机器人的驱动元件舵机的工作原理和特性 （2）介绍了模块化机器人中传感器的相关知识，如：传感器的分类，传感器间的关系等。 基于 AS-ROBEI 机器人组合模块设计及舵机控制的研究 14第三章 模块化机器人的控制部分研究 目前，基于 RS-ROBEI机器人的模块化机器人主要采用的是单片机控制系统。我们考虑控制系统控制逻辑部分采用哪一种控制系统，要从控制系统的可靠性要求、系统研发周期要求和系统应用对象三方面综合考虑。 单片机控制系统同其他控制系统相比，主要特点就是实现了微机电路结构的超小型化。因此，本文对于控制部分的研究，主要是对于单片机控制系统的研究。 3.1 单片微型计算机（俗称单片机） 通常所说的微型计算机是指中央处理器 CPU、半导体存储器 RAM、 ROM、 I/O接口电路（例如：串行接口、并行接口等）等各种大型集成电路芯片（ LSI）组装在一块或者由几块印刷电路板组装而成的机器。这种机器就是微型电子计算机。其中，用一块印刷电路板组装的微机称之为单板微机。 随着大型集成电路技术的不断进步， 20世纪 80年代开发出了能在一个芯片上集成 CPU、 RAM、 ROM、 I/O接口等电子电路的超微型计算机，这种单个芯片式的微型计算机就被命名为单片微型计算机。具体地说，单片机就是将中央处理器 CPU、随机存储器 RAM、只读存储器 ROM、中断系统、定时器 /计数器、 I/O接口等半导体集成电路芯片集成在一块电路芯片上的微型计算机。 单片微型计算机具有以下几个特点： 可靠性好 芯片本身是按工业环境要求设计的，抗干扰性好 ; 易扩展 片内具有计算机正常运行所必需的部件， 芯片外有许多供扩展用的总线及串、并行输入 /输出引脚。 控制功能强 单片机具有较丰富的指令系统， 其逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微处理器。 3.2 单片机应用系统设计 单片机应用系统的性能要求 单片机应用系统通常工作于现场环境， 用于各种检测或控制。 在实现测控功能、 基于 AS-ROBEI 机器人组合模块设计及舵机控制的研究 15尽量降低成本之外，还要强调以下几项性能要求。 可靠性高 如果单片机应用系统质量较差、关键时刻出现故障，则有可能造成重大损失。因此， 可靠性高是对其十分重要的要求。 而且许多生产过程是日夜不停地连续运行，用于这些生产过程的单片机应用系统也必须随之连续运行， 这就要求单片机应用系统的平均无故障时间要长。 能适应现场工作环境 单片机应用系统通常工作在生产现场， 各种电气设备的频繁启停造成的高低频电磁干扰和大幅度电网电压波动，都直接影响其正常运行。因此，单片机应用系统必须具有很强的抗干扰能力和适应环境的能力，保证在恶劣环境下正常工作。 具有完善的输入/输出通道和实时控制能力 为了对生产过程进行检测和控制，有多种信号需要传送，因此要求系统配备完善的模拟量和数字量输入/输出通道。另外，生产过程的控制都是实时控制，要求计算机能对输入信号的变化有足够快的反应，及时处理并改变控制信号。 易于操作和维护 在设计操作、信号控制系统时，尽量使之简单明了，便于现场操作。另外，要提高系统的维护方便性，即一旦出现故障，能及时迅速查明故障原因并予以排除。 具有一定的可扩展性 根据生产设备和过程的可能变动，在设计单片机应用系统时，在输入/输出接口、存储器容量等方面要留有一定余地，能够实现一定的扩展。 单片机应用系统设计内容与步骤 单片机应用系统设计内容与步骤包括总体设计、功能设计、可靠性设计和系统调式。 总体设计 在对系统要求进行全面分析后，确定单片机应用系统的总体方案，画出系统的硬件结构框图和应用程序结构框图，是系统设计中十分重要的一步。合理的总体设计来自于对系统要求的全面分析和对实现方法的正确选择。 a 制定设计任务书 b 建立数学建模 c 总体方案设计 基于 AS-ROBEI 机器人组合模块设计及舵机控制的研究 16系统功能设计 a 系统软件结构分析与模块设计 b 系统资源的配置 系统可靠性设计 可靠性是单片机应用系统的重要性能指标，由多种元素决定。单片机应用系统所在现场的各种干扰是影响可靠间的重主要因素。 形成干扰的基本要素有三个：干扰源、传播路径、敏感元件。 系统调试 由于单片机应用系统自身不具备调试功能， 及无法验证所设计的硬件和软件的正确性，因此要借助开发系统才能完成调试功能。调试时，应将硬件和软件分成几部分，逐一调试，各部分调试通过后再进行联调。 3.3 本章小结 本章主要介绍了画图机器人单片机控制系统， 指出单片机控制系统的特点及其应用系统设计。 （1）介绍了单片机的概念与特点。 （2）介绍了单片机应用系统设计。 基于 AS-ROBEI 机器人组合模块设计及舵机控制的研究 17第四章 基于 AS-ROBEI 的模块化机器人画图机器人 本章采用AS-EI创新模块作为机电产品模型的结