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【JL103】轮式机器人控制技术研究,jl103,轮式,机器人,控制,节制,技术研究
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A. A. 17576 A 3as an is in It of of a 3-D -D to a to be in a of is in as an to be to by I. IS a In of is as an of of be In we of by a of to of to is is to a of -D is to of to be a of of of in as a N 2, 2, 009190 of 1. It be as a a of to of of to to It to to in 2. in a of of of a in a 3. to AD or to a of We of is is a 4-5. of is in of a to A of If is of on it it is of in it of of of a it be by to an of to be to in i) of of be of by D of of of of I. of II of of . of of in of is by of a of of to be of as of it on If is to of it in of to . A. . P. to of a at is is of a of to to As a in is in of of be 1. is of a of is to is by is to to is a of is of is to be by PM of 4-6 on of a (a) b) 1: of 2. of as of To of in is to of be (a) of b) of 2: of N 2, 2, 009192 N n we to of A. of is by D as of as of of is a is as a so of : kg kg kg 000000an of of is in is on a by .8 in 7. to It of a on be is of We on of to is of is to It at is in be in Z. A. . P. he is in If on of in of is =is 000 20000 is to in be , to as by to of be to by We of on by 000 000 of is (a) b) it at a 0 I. It is of to of to of It is is I: F of ( 0 = 30 000 000 3 3000 0 4000 6 5000 5 6000 13 50 7000 0 of is a is to of it to in ) is to to 8, ( ) & 222+=, : in of N 2, 2, 009194 & : & : : g : to m : of of of of of : of is on a 000 .5 is 3 .5 an 6/s. of 3. is 3, is 57. to 8-9. of in is by 7 .5 s. 4 in of 3: of 3 .5 s. Z. A. . P. 4: of 7 .5 s. of is by a of is In we A. s a is is an is it is D of of a 6, a of by at So is is = ( - 90) is in = 90, &2,1)( = . of as 10 5. is 000 is a , 10. in ): 0 of a): 0 0/s 0/s N 2, 2, 009196 30 5 6. 5: ,10 (6: B. s is D of it a We an so be 7 8. to us of we no by in we Z. A. . P. 7: ,10 (8: V. of to of of of of s is in A is to of be or to of as an So we to N 2, 2, 009198 1 N. of of I, 1973 2 R. “ a to 1987 3 G. . “a 2008, 26, 6014 . “A 1996, 4, 36585 T. Z. A. 国际杂志上 智能感知和智能化系统，第 2 卷，第 2， 2009 年 6 月 以控制为中心的模拟器的机电一体化设计 案例研究： 定单轮机器人 朱震、 A. 讯作者： ( 电子与计算机工程系 新加坡民族大学 新加坡 117576 抽象 为援助复杂机电系统的设计开发一个 3 维仿真平台是本文件提出的。它使用部件由 维绘图软件绘制的亚当斯（机械系统动力学自动分析 软件）绘制这一机制的动态行为的动画模拟。这个综合仿真平台集成了三维模拟器 种集成使设计师可以采用以控制为中心的新颖设计复杂的机械结构，这种集成使设计师可以采用以控制为中心的方去设计在机电一体化系统中使用的复杂的机械结构。单轮机器人的动态分析作为本文的一个案例去说明他的用途。这个仿真环境可以被轻松地通过简单的 纸扩展到任何复杂的机械系统。 关键词 亚当斯，单轮机器人、 动态仿真 第一部分：导语 本文介绍了一个以控制为中心的用于机电一体化系统设计的方法。在这种方法下，控制器的设计不被作为一个独立问题，而是与机制设计交织在一起的。这两个设计是被同时提出的。在本文，我们通过放置一个机械系统的虚拟原型来概述这两个共存的设计的方法，这个机械系统是根据闭环控制，去分析这个系统的动态行为并进行微调的机械设计。 仿真在任何复杂的机电系统设计中都很重要，因为这关乎着复杂的结构和操作。传统上，大多数模拟是基于计算机的，还要求数学建模。这种模型用于描述系统动力学和寻找其动 态响应。这种模型还用于预测在一组给定参数和初始条件下的系统行为。 开发 3D 运动仿真的 在控制界很流行的件结合在一起来建造一个以控制为中心的设计平台。这种运动模拟器使用了三个具有不同连接器参数的三维机械制图合并成一个复杂的机电一体化系统。这样就消除了需要导出复数和非线性系统的动态行为的数学模型。这种模拟器曾经被广泛用于在开路控制和闭路控制中分析 亚当斯 （自动动态分析的机械系统） 开始作为一般用途的项目去分析正在进行大的非线性位移而形成非线性 力和输入的议案的系统。这种方法由尼古拉。奥尔兰代亚开发。它可以被归类为一个一般用途的数字代码，利用统筹发展非最小集的运动方程。此运动仿真软件分析复杂的行为辨识程序集，并因而使用户能够测试虚拟原型和优化设计就建立许多物理原型。它使用僵硬集成商来解决这些方程和稀疏矩阵代数来解决其最内层计算循环中的线性方程组。自成立以来，重大发展投资导致工业上复杂虚拟原型机制造工具的广泛应用。在最近发表的文章上报道了设计和开发的仿人机器人虚拟样机技术的使用。 许用户从 统中导入几何或生成一个实体模型的实现从 头做起。我们采用了第一种方法：用 件制造 后将这些部件转移到 一个车轮状的自主汽车，这种设计的动机被植根于正在运行的自行车和其优秀的机动能力的稳定。滚动轮有内在的持续直立的倾向。如果这种轮是倾斜的而不是落在一边，那么他就会导向倾斜的那一边。 特殊结构设计采用了转动轮子的这些特征。综合仿真平台将简化机电一体化系统的设计阶段。而且呢，他还可以让学生和研究者更深刻地理解任何复杂的机械。 集成使得控制工程师完成设计周期而不生成任何原型。此外可以使用模拟结果也可以被用于对机械设计的微调。本文的结论包括： (i)用 件开环仿真的 闭环系统的仿真。这一综合的系统，可以用于任何机电一体化系统的控制中心的设计，只要通过简单地替换 D 绘图。 第二节简要地解释 结构和原则。在第三节中提出的动态模拟说明了基本的操作原理。闭环模拟的结果刊载于第四部分。关键功能的开发系统和可能提高的领域在结语中突出显示。 第二部分。 械结构和模型 计的动机源于动态自行车出色的转向能力和动态稳定性。自主汽车及其转向能力的特殊结构的稳定性可以使用动态的滚动轮作为示例来解释说明。滚动轮子的角动量防止了它掉落在一侧。如果轮子被向一侧倾斜，而不至于落到那一侧去的现象是由于称为陀螺仪的精度。使 轮被设置在 内壳里，并且被悬挂于 使用的两轴万向节的轴上。飞轮大的角动量添加到动态稳定性，并提供对态度扰乱的不敏感性。因此，即使固定式 以直立。这种特殊结构在很多方面比起常规多轮式自主车辆有着优势。由于电子零件时闭路的， 特别适合潮湿地区的。 其操作原理如示意图 1的解释： 飞轮被悬浮在使用倾斜旋转飞轮万向节的 轨上。飞轮附加到内部万向节和纺成旋转电机。被附加到外万向支架的这个倾斜电机可以使内部万向节倾斜并使飞轮快速旋转向任一侧。通过这一平台的 外壳是硬性加入到轨的。运行着的电动机使轮子 转动 ；轮子的转速可以通过控制驱动电机的转速控制。有兴趣的读者可参考 4-6 和许多其他引用中关于稳定单轮机器人的操作的详细信息。 模型图在 实际的硬件中绘制的图如 2 所示。图示组件与实际每一组件同等大小和形状。为了减少 有机械部件包括在 图 ；这些都是 、 内部万向节、 外万向节、 飞轮用其支撑结构。这个结构是 足以反映出，稍后将被审查的物理属性。质量、密度和摩擦。亚 当斯 /视图中定义。 (a) 图的 b) 内部机械图硬件 2： 外部视图和内部机制的 第三部分： 在亚当斯动力学仿真 在本节中，我们给出仿真结果来说明的 些开环模拟使用亚当斯只 开始 进行 。 亚当斯 A. 通过引入 3件。材料，质量，密度和摩擦进行定义。质量和惯性 自动计算。表一列出的机器人组件主要的动态特性 提出了亚当斯模型。 型在亚当斯环境需要几个方面考虑，如重力，接触 约束，摩擦，惯性和参考标记，使良好的逼近 真正的机器人的行为。该机构各关节的运动是与一个特定的定义。比如说呢。 驱动关节被指定为一个转动关节，本联合相关旋转指定 车轮的滚动运动 。 适当的动态仿真的需要之间的接触特性的近似地 和轮辋。实际箔包裹，是在一个水平测试 表面覆盖的铝板。摩擦系数是 态条件选择 。 和 协议与 之匹配 。 亚当斯 /求解器做所有的计算 所需要的模拟运动。它允许不同类型对于一个特定的问题积分器。在每个积分的详细解释，可以发现在 亚当斯 /求解器文件 积分设置， 大多数机械系统推荐的积分器 。 我们使用默认的积分器，制定和修正。可以使用其他的积分设置，基于 模拟式（其他比 楚理解积分器设定 在亚当斯 /求解器文件 。 有指定的模拟频率，内部频率和步长。模拟频率 更新图形显示的频率，而内部的频率是密切相关的 正在研究的系统。它代表了在该组件的状态被改变的速度。内部频率 在仿真环境和其他求解器的设置非常重要的参数必须设置依据 与内部频率 。 飞轮是整个结构中移动最快的对象。如果飞轮频率为 秒（基于其速度计算）和所需的运动中的每一步的飞轮 集成度 步骤，然后优化步长（扬程 ） 。 动量守恒定律和陀螺进动控制的 的快速旋转的角动量大，重型飞轮 克服外部 如倾动力矩引起的重力扰动。根据角动量守恒， 高自旋车轮速度，更长的 机器人应该能够自己站起来 。 我们验证了飞轮转速对平衡轮通过模拟运动的影响 不同的飞轮转速的同时保持外部力量，如重力不变。模拟 七种不同的飞轮转速 1000转和 7000 转之间进行，最高速 飞轮的。每个飞轮转速，仿真是两个条件 做（一）保持 b）使它滚动的速度在每分钟 30转。结果总结在表 显然是 显然，时间随飞轮转速的增加而下降与角动量守恒。当车轮，其角动量 增加了飞轮的角动量平衡的努力帮助。它是观察到的 相同的转速，过了秋天 倾斜试验期间， 00转速。第二，飞轮是倾斜 0236 s。本仿真结果示于图 3。该图显示，而飞轮 23倾斜，整个 斜 57。这符合仿真和实验 结果发表在 8 - 9 。学习的速度和 同的图。测试是通过倾斜的飞轮从 0到 结果再次重复 7图 4所示是 在陀螺进动的概念整合 。 第四部分： 仿真与闭环控制 本设计环境发展的动机是由需要控制为中心的方法 机电一体化设计。将模拟能力，在闭环控制是必不可少的。 在本节中，我们 提出了闭环控制的仿真结果 。 作为第一步， 置的闭环控制下的控制器实现的亚当斯。我们的最终目标是亚当斯与 样的接口将保证每个软件的使用它的任务是适当的 亚当斯的三维动态仿真 设计的控制器的机械结构和 仿真结果与 例加微分）控制器中实现亚当 下图所示。用于这 些模拟控制器报告 6 较早，而设计 使用的 过线性化的系统动力学在其垂直位置获得。 因此控制器 可能无法正常工作的倾斜角度大时。用于此控制法 模拟了下，在 =（ - 90）是从垂直位置的倾斜角的变化中 例如， = 90。 B 中 亚当斯是用于动态三维仿真，它的能力非常有限，为了实现 控制器。我们创造了亚当斯和 控制器可以实现使用 闭环响应控制器实现在 些 结果是那些在亚当斯获得相同的控制器实现。亚当斯与整合 让我们利用 在我们不再被限制 亚当斯在实现控制器和我们可以尝试更复杂的控制器 结构包括模糊逻辑控制，滑模控制等。 第五部分：结语 境中的动态仿真模拟已被成功开发。少量的实验验证了 就是说角动量和陀螺游行的运作原则有了法律保护。测试结果显示虚拟原型的行为是根据两项原则，因此，在亚当斯的虚拟 示实际的机械系统。控制器 也被实施以加强建设这种虚拟机器人的理由。这个虚拟原型现在可以用于各种调查，否则耗时或耗费财力。使用的内部控制模板提供由亚当斯设计和实施闭环操作限制此虚拟系统的灵活性作为一个有效的工具。所以我们集成 利用它的力量。 引用： 1 发展和应用面向稀疏度的节点类似方法 机械动力系统、 博士论文，密歇根大学，安阿伯 美国， 1973 2 亚当斯 使用稀疏矩阵方法解决多体 动力学问题 ，美国国家航空航天局讲习班上多体仿真、 加州研究所的技术，美国， 1987 3 罗德里格斯， 计和运行 仿真结果新的低成本仿人机器人 ， 2008 年， 第 26 页 601 毕业设计（论文）外文 文献翻译 题 目 ： 轮式机器人控制技术研究 专业名称 ： 自动化 学生姓名： 张俊 班 级： 163002 学 号： 103614 指导教师： 邢超 1 轮式机器人控制技术研究 答辩人：张俊 指导教师：邢超老师 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文答辩 2 答辩提纲 选题背景以及研究意义 移动机器人系统概述 移动机器人系统设计 算法优化及实验 3 选题背景 移动机器人是一个对外界环境高度开放的智能系统，能够在执行预先给定的任务指令的同时，根据行进中不断感知到的周围局部环境信息，自主地做出各种决策，引导自身安全地行使到指定的目标位置。这对解决工业中危险地区的标本采集和故障处理等问题有着实际的指导意义。 移动机器人控制技术是当今自动化领域技术发展的热点之一，受到了各方面的关注。社会经济的飞速发展和各个行业对自动化程度要求的提高，都极大地推动了机器入技术的发展。机器人的关键技术是机器人的控制。 4 移动机器人系统概述 轮式移动机器人系统主要包括小车机械结构、驱动系统、传感器信息采集系统、控制系统、移动机器人运动学模型和路径跟踪等。 控制系统结构方式：主从式控制。 移动机器人行驶机构：轮式行驶 移动机器人路径规划：全局和局部 移动机器人运动学模型：速度运动学模型 5 移动机器人的位姿分析 通过 y y 6 主要论述移动机器人的非完整约束问题、控制系统硬件结构、以及各硬件及相关应用电路的应用。重点介绍硬件设计，包括光电编码盘抗干扰电路、电机驱动器设计、传感器信息采集系统、电源系统设计及硬件的可靠性设计等。 移动机器人系统设计 控制系统硬件结构：主从式结构 单片机的最小系统电路：电源，复位电路，系统时钟等 步进电机驱动单元：两相步进电机 运动控制系统软件： 7 控制系统硬件结构 控制器硬件结构框图 主机完成复杂计算，将处理后的数据传递给下位机，下位机即单片机完成对 轮式机器人的控制。 主 机接 口电 路运动控制器接 口 电 路接 口 电 路功 率 驱 动 电 路功 率 驱 动 电 路左 侧 驱 动 电 机右 侧 驱 动 电 路8 步进电机控制图 步进电机驱动控制 以两相步进电机作驱动单元，控制器发出脉冲信号为环形分配器提供脉冲序列，然后经分配器分配再放大后加到步进电机驱动电源的各项输入端，以驱动步进电机转动。 运 动控 制器脉 冲 分 配 器电 流 控 制功 率 驱 动 级保 护 电 路步 进 电 机 负 载D I 进电机控制驱动器部分原理图 硬件电路设计 步进电机控制驱动器由 电耦合器、集成芯片 高性能低电压 8位单片机内置 8256字节3个 16位定时器， 可以 完成步进电机简单控制 10 +运行过程 运动控制系统软件设计 +的项目主要由框架窗口类 (用程序类(档类 (视图类 (成，当运行用户应用程序时，程序中的应用程序类首先获得控制权然后依次执行以下功能： (1)做部分初始化工作； (2)调用应用程序类的构造函数，构造应用程序的唯一应用类对象； (3)调用 函数 (该函数隐藏在应用程序框架内部 )； (4)从 函数返回后删除应用程序的唯一应用类对象； (5)终止应用程序 . 11 速度调节 算法优化及实验 0 加速 恒定 高 速 减速 t T 图为 直线 (恒定 )加减速控制算法，这种加减速定位控制方式，就是通过加速、恒定高速、减速的过程使电机从一个位置运行到另一个位置。在这个过程中，要对步进电机的步进过程及走的总步数进行有效而相对精确地控制。 12 上下位机的数据传输 单片机通过中断方式接收并 保 存，接收程序在串口中断服务子程序中保存接收的数据到预定的存储区域 。 中断接收程序 ： 中 断 服 务 程 序是 电 机 序 号 吗是 转 向 吗保 存 数 据保 存 数 据返 回 等 待 接 收转 向返 回 等 待 接 受步 数保 存 数 据转 控 制 程 序进电机控制程序： 单片机对电机的控制可以通过中断方式 上下位机的数据传输 14 机器人运动仿真 以 15 期望路径为直线，选定机器人的初始状态，跟踪直线的坐标的变化曲线 运行结果 16 程序运行校正图，表示了校正后单位阶跃响应曲线之间的关系 运行结果 17 总结 结合当今机器人研究的发展潮流，为使机器人更具实用性，满足未来的机器人应用领域扩广的需要，在如下几个方面的研究还有待加强： （ 1）移动机器人的生命力就在于其工程应用。后续大量的试验及由此获得的试验数据和经验仍然是完善和提高机器人性能所不可缺少的。 （ 2）比较性研究工作不足。也就是说与各种成熟的算法之间的基本特性及性能特点的对比研究还不是十分充分，而且还缺乏用于性能评估的标准测试集。 比较性研究工作不足。也就是说与各种成熟的算法之间的基本特性及性能特点的对比研究还不是十分充分，而且还缺乏用于性能评估的标准测试集。 18 感谢邢老师的辛勤指导 ! 请各位老师批评指正 ! 谢谢 ! 本科毕业设计论文 题 目 轮式机器人控制技术研究 专业名称 自动化 学生姓名 张俊 指导教师 邢超 毕业时间 西北工业大学明德学院毕业设计论文 毕业 任务书 一 、题目 轮式机器人控制技术研究 二、指导思想和目的要求 1、 利用已有的专业知识，培养学生解决实际工程问题的能力； 2、 锻炼学生的科研工作能力和培养学生的团结合作攻关能力； 三、主要技术指标 1. 研究轮式机器人控制算法； 2. 完成演示程序 四、进度和要求 第 01周 2周： 英文翻译； 第 03周 4周： 学习轮式机器人动力学与控制理论； 第 05周 0周： 研究轮式机器人算法； 第 11周 6周： 设计演示程序； 第 17周 8周： 撰写毕业设计论文，论文答辩； 五、主要参考书及参考资料 1 2013 2 1 2011 3 2 2011. 设计 论文 西北工业大学明德学院毕业设计论文 学生 张俊 指导教师 邢超 系主任 _西北工业大学明德学院毕业设计论文 摘 要 移动机器人在军事和国民经济领域有着广泛的应用前景。移动机器人运动控制技术作为机器人学的一个重要分支，是一项具有多年历史而且具有广泛应用前景的技术。在查阅大量资料的基础上，分析了移动机器人运动控制技术特点及发展现状，研究并设计了两轮驱动的机器人运动控制系统。移动机器人的位置和姿态识别是移动机器人运动控制系统中的一个最基本的问题。本文根据两轮差速驱动机器人的运动学方程，采用了一种简洁实用的航位推算公式。这种方法可以在性能较高的微处理器中采用，进行实时推算，具有一定的效率优势。 移动机器人运动控制结构决定了它的运 动能力。本文采用主从式控制结构， 即由主机完成复杂运算并将处理后的数据传递给从机，由从机完成小车本体的控 制，从机通过数控插补技术来实现机器人小车两驱动轮的联动；由运动函数构成 的运动控制源程序在 编写，经编译生成相应的目标代码并通过串口发送到从机，从机的功能一是接收来自主机的数据和命令，二是根据主机发送的数据执行 插补运算并驱动电机。从机是以 用 片的控制功能，实现了移动机器人两驱动电机的控制。由从机构成的运动控制 器，成本低，功能强，使用方便 ，而具有十分广阔的应用前景。 关键词 ：运动控制，航迹推算，插补，步进电机，单片机 西北工业大学明德学院毕业设计论文 s an of of a be in n a of of of a in of is a of of In n of s a be in a to of a iS by on of a PC a a a is is to of by is C it is to is AM of C iS or C is an be of of So it 北工业大学明德学院毕业设计论文 录 第一章 绪论 . 1 . 1 . 2 第二章 移动机器 人系统概述 . 5 . 5 . 5 动机器人感知系统 . 6 动机器人路径规划技术 . 9 . 10 . 12 动机器人运动学模型 . 13 动机器人航迹推算 . 15 章小结 . 16 第三章 移动机器人系统设计 . 18 制系统硬件结构 . 18 片机的最小系统电路 . 20 进电机驱动单元 . 22 章小结 . 28 第四章 算法优化及实验 . 29 度调节 . 29 面运动速度 . 30 . 31 器人运动仿真 . 32 程 . 32 行结果 . 33 西北工业大学明德学院毕业设计论文 章小结 . 35 第五章 结束语 . 36 结 . 36 参考文献 . 37 致谢 . 40 西北工业大学明德学院毕业设计论文 1 第一章 绪论 目的来源及研究意义 移动机器人技术是机器人学中的一个重要分支，它的研究始于二十世纪六十年代，以斯坦福大学研制的自主移动式机器人 主要目标是 研究在复杂环境下机器人系统的实时控制问题，涉及到任务规划、运动规划与导航、目标识别与定位、机器视觉、多传感器信息处理与融合以及系统集成等多项关键技术。 移动机器人可以作为研究其它领域如人工智能等的平台，同时移动机器人的研究也提出了许多新的、挑战性的理论与工程技术课题，引起了越来越多的专家学者和工程技术人员的兴趣。与任何一门现代技术分支一样，移动机器人研究的兴起一方面是社会生产发展的需要，另一方面也是相关技术领域交叉互相促进发展的结果。信息技术、人工智能技术、计算机以及机械电子技术的发展大大推动了在移动机器人研究领域向纵深方向延伸。其中一个最直接的因素是计算机技术的发展。计算机运算速度和存储能力的大幅度提高，为移动机器人运行更复杂的实时控制算法创造了条件；另 外计算机科学出现了一系列诸如人工智能、专家系统等新兴技术分支学科，这些学科为移动机器人在未知或动态环境下的实时导航开辟道路。移动机器人技术己经成为众多高新技术的产物，同时也为其它技术的发展提供了广阔的应用场所。 随着机器人技术的不断发展，移动机器人的应用范围不断拓展，功能不断提高，不仅在工业、国防、服务等行业中得到广泛的应用，而且在野外作业以及在有害、危险环境作业中的应用也得到世界各国的高度重视。目前，由于移动机器人具有更大的使用灵活性已使其成为机器人技术研究的一个热点。 机器人是一个集环境 感知，动态决策与规划，行为控制与执行等多功能于一西北工业大学明德学院毕业设计论文 2 体的综合系统，它集中了传感器技术，机械工程，电子工程，计算机工程，自动化控制工程以及人工智能等多学科的研究成果，代表机电一体化的最高成就，是目前科学技术发展最活跃的领域之一。随着机器人性能不断地完善，移动机器人的应用范围大为扩展，不仅在工业，农业，国防，医疗，服务等行业中得到广泛的应用 1而且在排雷，搜捕，救援，辐射和空间领域等有害与危险场合得到很好的应用。因此，机器人技术的研究和发展受到了越来越多的重视。 移动机器人是一个对外界环境高度开放的智能系统 ，能够在执行预先给定的任务指令的同时，根据行进中不断感知到的周围局部环境信息，自主地做出各种决策，自动避开障碍物，引导自身安全地行使到指定的目标位置。这对解决工业中危险地区的标本采集和故障处理等问题有着实际的指导意义。 移动机器人控制技术是当今自动化领域技术发展的热点之一，受到了各方面的关注。社会经济的飞速发展和各个行业对自动化程度要求的提高，都极大地推动了机器入技术的发展。机器人的关键技术是机器人的控制。 动机器人国内外的研究历史与现状 自从五十年代世界上第一台机械手在美国诞生以来，经过近半个世纪 的努力，机器人技术取得了巨大的进步，机器人的使用改变了许多行业的面貌。与此同时，机器人学也发展成为一门独立的科学，取得了许多耀眼的成果。 近年来，新的形势为机器人学提出了新的课题。经济领域内的某些概念如计 算机集成制造系统 (敏捷制造等都要求系统具有一定的柔性，对于其中使用的机器人则要求与传统的具有固定机座的机械手不同，要具有一定的移动能力。另一方面，未来战争中战场要素的变化也为移动机器人提供了广阔的舞台， 由于这些原因，移动机器人成为机器人学中一个非常活跃的领域。 国外 发展起来的控制策略之一。由于 法简单、可靠性高，在很宽的操作条件范围内都能保持较好的鲁棒性 2，能给设计人员提供一种简单而直接的调节方式，故在工业控制过程中， 自 1965年美国加利福尼亚大学控制论专家 属函数” 西北工业大学明德学院毕业设计论文 3 概念来定量描述事物模糊性的模糊集合理论以来，其理论和方法日臻完善 模糊控制应用于自动控制领域，开辟了模糊控制理论及其工程应用的新时代。 国内在机器人运动控制器中，处理器件接受高层控制级的指 令，计算和输出多路控制信号，协调各驱动轮，并对系统状态进行监控。目前，许多机器人的运动控制系统均采用专用的微处理器，如以 核心的微处理器制作专用的主板，采用专用的编程语言，并将控制算法固化在 运动控制算法是移动机器人运动控制的关键，由于 数易于调整，因此在移动机器人运动控制中得到了广泛的应用，但是移动机器人 运动控制系统的模型在实际系统中存在控制参数难以调整、控制系统存在噪声影 响等问题，即用传统的比例控制器己不能达到较好的控制效果。 模糊逻辑法模拟驾驶员的驾驶思想，将模糊控制 3本身所具有的鲁棒性与基于生理学上的“感知一动作”行为结合起来，为移动机器人在未知环境中运动提出了一种新思路，模糊控制不需要建立数学模型，可以利用语言描述复杂的非线性系统，是一种基于非数学模型的控制方法，但是难以建立完善的推理规则。 在我国，移动机器人已在水下探险、自动搬运等方面有了初步的应用，有些方面已经达到或接近于美日欧发达国家水平，但由于我们起步晚，总体水平还比较落后。因此，开展分工合作，各单位选择适合自己的研究方向，跟踪国外学科发展前沿，对提高我国自动化 水平、推广移动机器人的应用，进而创造更多经济效益都是很重要的。敏捷制造、柔性加工系统、计算机集成制造系统的开发和推广、应用在我国势在必行，而在柔性加工单元中，用作搬运的自主移动机器人，要求能随工作任务和环境的改变，智能地重规划行驶路径，并要求能实时避开途中的障碍物。要达到这种水平，当前还有很多问题需要深入的研究，而其中的智能导航问题是最基本也是最重要的一个。 我国的机器人学研究起步较晚，但进步较快，己在工业机器人、特种机器人和智能机器人各个方面都取得了显著成绩。在“七五”期间，完成了示教再现工业机器声成套技 术 (包括机械手、控制系统、驱动传动单元、测试系统的设计、制造应用和小批量生产的工艺技术等 )。为跟踪国外高技术， 80年代国家高技术计划中安排了智能机器人的研究开发，包括水下无缆机器人、高功能装配机器人西北工业大学明德学院毕业设计论文 4 和多种特种机器人。进行了智能机器人体系结构、机构、控制、人工智能、机器视觉，高性能传感器及新材料的应用研究，取得了大量成果。其中，轮式移动机器人的研究也硕果累累。 目前，国内研究轮式移动机器人的科研单位及公司主要有研制能力风暴R 机器人的上海广茂达伙伴机器人有限公司；研制的 1 自主移动机器人的中科院 自动化所 4；研制“青青”轮式移动机器人的哈尔滨工业大学研制“小蜘蛛”轮式移动机器人登月车的上海交大等。当前，移动机器人技术的研究与发展的趋势包括有：机器人机构、导航和定位、路径规划、传感器信息融合技术、智能技术、移动机器人传感器技术等研究 。 西北工业大学明德学院毕业设计论文 5 第二章 移动机器人系统概述 一般来说，轮式移动机器人系统主要包括小车机械结构、驱动系统、传感器信息采集系统、控制系统、移动机器人运动学模型和路径跟踪等，以下分别作些简要介绍，各部分具体将在后续章节详细介绍。 动机器人控制系统结构 移动机器人控制系统是整个机器人的核心，他决定了控制系统的性能劣。目前，移动机器人控制系统主要有三种结构方式：集中式控制，主从式控制 5和分布式控制。集中式控制方式是指用一台功能比较强大的计算机实现其全部控制功能，在早期的机器人控制系统中较多地采用这种方式。随着计算机技术的飞速发展和机器人控制要求的不断提高，逐渐出现了主从式控制和分布式控制。在主从式控制结构中，有上下两级计算机，其中上位机利用它的运算能力和庞大的资源来完成复杂数据的处理，并把数据传递给下位机，下位机完成控制对象的位置 控制，并把相关的数据传递给上位机。当前投入使用的移动机器人控制系统大多采用主从式控制，也采用上下二级的分布式结构，上位机负责整个系统管理以及运轮式移动机器人运动控制系统研究与设计动学计算，路径规划等，下位机可由一个或多个 些 理器承担固定的任务，这种结构的控制器对工作速度和控制性能要求较高。 动机器人传感器技术 移动机器人传感技术主要是对机器人自身内部的位置和方向等信息以及外部环境信息的检测和处理。一般来说，移动机器人的传感器分为内部传感器和外部 传感器。其中内部传感器有编码器、线加速度计、陀螺仪、 罗盘、角西北工业大学明德学院毕业设计论文 6 速度传感器等。外部传感器有：视觉传感器、超声波传感器、红外传感器、接触和接近传感器等。如何提高移动机器人传感器的可靠性和精度也是移动机器人的研究热点 。 移动机器人的传感系统负责获取机器人内部状态和外部工作环境的信息，是移动机器人感知、决策和动作三大要素之一。传感系统的硬件组成单元是传感器，其功能是为机器人提供诸如视觉、力觉、触觉等对外部环境的感知能力，同时还可以感知机器人本身的工作状态和位置。 移动机器人其行驶机构的形式层出不穷，美国、俄罗斯、法国和日本等西方发达国家己经研制出了多种复杂奇特的三维行驶机构 6，有的己经进入了实用化和商业化阶段。由于我国的市场要求较小，所以现在只有一些零星的研究工作。面对 21 世纪深空探测的挑战，对各种自主系统的研制是急需的，也是必要的，而行驶机构又是自主移动机器人系统最基本与最关键的环节。己经出现的行驶机构主要有履带式、腿式和轮式。 轮式机器人具有运动速度快的优点，只是越野性能不太强。但随着各种各样轮子底盘的出现，并可以和腿式机器人相媲美，于是人们对移动机器人行驶 机构研究的重心转移到轮式机构上来。在移动机器人行驶机构的研究方面，很难再找到开发腿式结构的了，几乎都在进行轮式结构的研究。轮式机器人适合于条件较好的路面。轮式移动机构运动平稳，自动操纵简单，最适合平地行走，在无人工厂中，常用来搬运零部件或做其他工作，应用最广泛。所以本课题采用轮式。 三轮移动机构结构最简单，控制最方便。三点确定一个平面，三轮支撑理论上是稳定的，采用三轮移动机构的机器人来说，重心都比较低，载荷稳定且中心位置基本不发生变化，所以三轮移动机构能满足要求。前轮为万向轮，只起支撑作用，后两轮为驱动轮， 固定不可转向，且相互独立。后两轮差动驱动的移动机器人结构如图 2 2 所示。 动机器人感知系统 对移动机器人而言，机器入视觉系统正如入的眼睛一样，是机器入感知局部西北工业大学明德学院毕业设计论文 7 环境的重要“感官 。能否正确、实时地处理视觉信息直接关系到机器人行驶速度、跟踪效果以及对障碍物的避碰，对系统的实时性和鲁棒性具有决定性作用， 图 式移动机器人结构 其处理技术是移动机器人研究中最 关键的技术之一。视觉传感器方式具有信息量大、信息完整等优点，使得通过视觉传感器准确获取信息成为轮式移动机器人的主要发展方向之一。视觉导航 7主要完成障碍物和陆标的探测及识别，这种能力将不仅使机器人能感知二维环境中物体的几何信息，如形状、位置、姿态等信息，而且能对它们进行描述、存储、识别与理解。过去，由于图像采集及处理的硬件设备运行速度低，利用视觉系统感知环境导引机器人进行跟踪受到了很大限制。 近年来，随着科学技术的迅速发展，视频设备及计算机硬件运行速度得到了很大提高，越来越多的研究者投入到视觉导航领域中。 因此，研究视觉导航技术已成为移动机器人导航研究的趋势。但是，如何让机器人具有类似于人类的自主视觉能力，如何提高机器人运动中的控制精度，仍然是需要长期解决的问题。视觉系统是移动机器人视觉导航进行路径跟踪的一个重要组成部分。本文所研究的轮式移动机器人的视觉系统主要由图像采集、图像处理、图像辨识三个模块构成。其中图像采集模块用来获取数字图像；图像处理模块是对提取到的外界路面信息y y x x p 西北工业大学明德学院毕业设计论文 8 进行处理，得到需要的特征信息；图像辨识模块是在具有特征信息的图像中辨识出期望跟踪路径的直线斜率、曲线曲率等一些信息用于对机器人的反馈控制。 立体视觉是仿照人类利用双目视觉线感知距离的方法，实现对三维信息的感 知，在实现上采用基于三角测量的方法，利用两个或多个摄像机对同一景物从不 同位置成像，从而从视差中恢复距离信息。一个完整的机器人立体视觉系统包括： 图像获取、摄像机标定、特征提取、立体匹配、三维信息恢复及后处理 5个部分。 （ 1） 图像获取 获取数字图像是进行图像处理和实现计算机视觉的前提条件。立体图像获取方式很多，主要取决于应用的场合和目的。在机器人视觉系统中，数字图像获取常用的设备一般是 像采集不但要满足系统的应用 要求，而且要考虑视点差异、光照条件、摄像机性能以及景物特点等因素的影响，以利于立体视觉计算 8。 （ 2） 摄像机标定 要从图像中恢复出物体的三维信息，必须已知空间坐标系中的物体点同它在 图像平面上像点之间的对应关系，而这个对应关系是由摄像机的位置、属性参数 和成像模型所决定的。确定这些摄像机参数的过程就称为摄像机标定，摄像机标 定实质上就是确定出由空间坐标系到图像坐标系的变换矩阵。 （ 3） 图像预处理与特征提取 由光学成像系统生成的二维图像，包含了各种各样的随机噪声和畸变，因此 需要对原始图像进行预处理，突出有用信息、抑制无用信息，从而改善图像质量。图像预处理的目的主要有两个：一是改善图像的视觉效果，提高图像质量的清晰 度；二是使图像变的更有利于计算机的处理，便于各种特征分析。图像预处理技 术，包括图像对比度的增强、随机噪声的去除、边缘特征的加强等。 特征提取是为了得到匹配赖以进行的图像特征，由于目前尚没有一种普遍适 用的理论可用于图像特征的提取，从而导致了立体视觉研究中匹配特征的多样性。 目前，常用的匹配特征主要有点特征、线特征和区域特征等。一般来讲，大尺度 西北工业大学明德学院毕业设计论文 9 特征含有丰富的图像信 息，在图像中的数目较少，易于得到快速匹配，但他们的 定位精度 差，特征提取与描述困难，而小尺度特征数目较多，其所含有信息较少，因而在匹配时需要较强的约束准则和匹配策略，以克服歧义匹配和提高运算效率，良好的匹配特征应具有可区分性、不变性、稳定性、唯一性以及有效解决歧义匹配的能力。 (4)立体匹配 立体匹配是立体视觉中最重要也是最困难的问题。它要解决同一空间点在不同图像中像点的对应关系。当空间三维场景被投影为二维图像时，同一景物在不同视点下的图像会有很大的不同，而且场景中的诸多因素，如光照条件、景物几何形状和物理 特性、噪声干扰和畸变以及摄像机特性等，都被综合成单一的图像中的灰度值。因此，要准确地对包含了如此之多不利因素的图像进行无歧义的匹配，显然是十分困难的。对于任何一种立体匹配方法，其有效性有赖于 3个问题的解决，即选择正确的匹配特征，寻找特征之间的本质属性及建立能正确匹配所选特征的稳定算法。立体匹配的研究都围绕这三方面展开，并已提出了大量各具特色的匹配方法。但是由于立体匹配涉及的问题太多，至今仍未得到很好的解决，特别是在复杂场景中，如何提高算法的去歧义匹配和抗干扰能力，降低实现的复杂读和计算量，都需要更深入的研究 。 (5)三维重建 立体视觉的任务就是得出感兴趣场景的三维信息，对于不同的应用可以有不同的要求，但最基本的就是要计算目标的深度信息，得到三维坐标。若系统需要结果的可视化，则可对场景进行重建。已知立体成像模型和完成立体匹配后，三维信息的恢复是比较容易的。重要的是如何提高计算的精确度，其影响因素是多方面的，如摄像机参数标定，图像特征定位的精度和立体匹配的准确性等，因此要提高三维重建的精度还需要更深入的研究。 动机器人路径规划技术 路径规划是指移动机器入在障碍物环境中，如何寻找出一条从起始点到目的西北工业大学明德学院毕业设计论文 10 地的合适路径，并要求该路径能保证在运行过程中能安全地避开障碍物。轮式移动机器人的主要工作环境在地面，在室外环境中容易受到地面建筑物、街道和行人的影响，在室内环境中容易受到灯光、墙壁、门、走廊还有安装在地面的设备和工作人员行走的影响，需要进行路径规划，因此研究人员进行大量深入的研究。 近年来 ，机器人路径规划的方法主要有可以分为两大类：传统路径规划方法和智能路径规划方法。传统路径规划方法主要包括：自由空间法，图搜索法，栅格解耦法和人工势场法 。大部分机器人路径规划中的全局规划都是基于上述几种方法进行的，但是以上 这些传统方法在路径搜索效率及路径优化方面尚有待于迸一步改善。而现在通常使用的搜索技术包括：梯度法， 举法，随机搜索法等。这些方法中，梯度法易陷入局部最小点，图搜索方法、枚举法不能用于高维的优化问题，而随机搜索法则计算效率太低。近年来，随着遗传算法等智能方法的广泛应用，机器人路径规划方法也有了长足的发展，许多研究者把目光放在了基于智能方法的路径规划研究上。其中，应用较多的算法主要有模糊方法，神经网络算法和遗传算法。 机器人规划问题是指综合机器人的动作序列并执行的问题，从给定的状态出发，这个序列 能够使机器人达到预期的工作目标，完成规定动作的工作任务。机器人规划问题通常分为两级不同规划问题：任务规划和路径规划 9。路径规划是根据环境信息，将任务规划的结果变成一条由起点到终点的无碰撞优化路径。对于自主式移动机器人，路径规划也称为行动规划或运动规划。路径规划本身又可分为全局规划和局部规划。全局规划是基于环境模型，在有限条件下对任意指定的起点和终点产生一条优化路径，即给出实际路径上的一系列关键点。其主要方法有：可视图法、广义锥法、位置空间法、顶点法、势场法、栅格法等。局部规划是处于规划的底层，它通过各种 传感器、处理器同环境交互信息，把全局规划得到的一系列路径关键点作为系统的子目标序列，规划一条实际的路径。移动机器人局部规划的主要任务实避碰，即实时地躲避各种突发障碍物。 动机器人的全局路径规划 移动机器人的全局路径规划方法主要有：可视图法、拓扑法、栅格法、自由西北工业大学明德学院毕业设计论文 11 空间法、最优控制法和神经网络法等 10。 可视图法将移动机器人视为一点，把机器人、目标点和多边形障碍物的各个顶点进行组合连接，并保证这些直线均不与障碍物相交，这就形成了一张图，称为可视图。由于任意两个顶点都是可见的，从起点沿着这些直线到达目标点所有路径都是可见的，从起点沿着这些直线到达目标点的所有路径均是运动体的无碰路径。搜索最优路径的问题就转换为从起点到目标点经过这些可视线段的最短距离问题。运用优化算法，可删除一些不必要的连线以简化可视图，缩小搜索时间。该算法能够找到最短路径。但是该方法缺陷在于忽略了移动机器人的尺寸大小，使得机器人通过障碍物顶点 时离障碍物太近甚至接触，并且搜索时间比较长。 切线图法和 法都是对可视图法进行的改进。切线图用障碍物的切线表示弧，因此是从起始点到目标点的最短路径的图，即移动机器人几乎接近障碍物行走。其缺点是如果控制过程中产生位置误差，移动机器人就容易碰到障碍物。 11和墙壁的路径表示弧。因此，从起始点到目标点的路径将会增长，但采用该方法既使产生位置误差，移动机器人也不会碰到障碍物。 拓扑法将规划空间分割成具有拓扑特征子空间，根据彼此连通性建立拓扑网络，在网络上寻找从起始点到目 标点的拓扑路径，最终由拓扑路径求出几何路径拓扑法基本思想是降维法，即将在高维几何空间中寻求路径的问题转化为低维拓扑空间中判别连通性的问题。优点在于利用拓扑特征大大缩小了搜索空间，并且 该算法复杂性仅依赖于障碍物数目且在理论上是完备的。而且拓扑法通常不需要机器人的准确位置，对于位置误差也就有了更好的鲁棒性。缺点是建立拓扑网络的过程相当复杂，特别在增加障碍物时如何有效地修正己经存在的拓扑网是有待解决的问题。 栅格法将移动机器人工作环境分解成一系列具有二值信息的网格单元，多采用四叉树或八叉树表示，并通过优化算法完 成路径搜索。该方法以栅格为单位记录环境信息，有障碍物的地方累积值比较高，移动机器人就会采用优化算法避开。环境被量化成具有一定分辨率的栅格，栅格大小直接影响环境信息存储量大小和规划时间长短，栅格划分大了，环境信息存储量小，规划时间短，但分辨率下降，西北工业大学明德学院毕业设计论文 12 在密集环境下发现路径的能力减弱，栅格划分小了，环境分辨率高，在密集环境下发现路径的能力强，但环境信息存储量大，规划时间长。栅格法经改进也广泛应用于局部路径规划。 自由空间法应用于移动机器人路径规划，采用预先定义的如广义锥形和凸多边形等基本形状构造自由空间，并将自由空 间表示为连通图，通过搜索连通图来进行路径规划。自由空间的构造方法是：从障碍物的一个顶点开始，依次作其它顶点的链接线，删除不必要的链接线，使得链接线与障碍物边界所围成的每一个自由空间都是面积最大的凸多边形；连接各链接线的中点形成的网络图即为机器可自由运动的路线。其优点是比较灵活，起始点和目标点的改变不会造成连通图的重构，缺点是复杂程度与障碍物的多少成正比，且有时无法获得最短路径。栅格法建模存在空间分辨率和内存容量的矛盾。而自由空间法建模，解决了这一矛盾。但自由空间法的分割需构造想象边界，想象边界本身具有任意性 ，于是导致路径的不确定性。 可视图法缺乏灵活性，且不适用于圆形障碍物的路径规划问题。神经网络法用于全局路径规划可以解决以上问题。引入网络结构和模拟退火方法，计算简单，且能避免局部极值情况。根据路径点位于障碍物内外的不同位置，选取不同运动方程，并针对障碍物形状设定各条边的模拟退火初始温度，该方法计算简单，收敛速度快，能避免局部极值，使规划的无碰路径达到最短。 动机器入的局部路径规划 局部路径规划包括人工势场法、模糊逻辑算法、神经网络算法和遗传算法等12人工势场法是由心 出的一种虚拟 力法，其基本思想是将移动机器人在环境中的运动视为一种虚拟入工受力场中的运动。障碍物对移动机器入产生斥力，目标点产生引力，引力和斥力周围由一定的算法产生相应的势，机器人在势场中受到抽象力作用，抽象力使得机器人绕过障碍物。该法结构简单，便于低层的实时控制，在实时避障和平滑的轨迹控制方面，得到了广泛应用，其不足在于存在局部最优解，容易产生死锁现象，因而可能使移动机器人在到达目标点之前就停留在局部最优点。为解决局部最优问题，已经研究出一些改进算法，如 13 提出的 进算法是通过数学上合理定义势 场方程，来保证势场中不存在局部极值。 模糊逻辑算法 13是基于对驾驶员的工作过程观察研究得出的。驾驶员避碰动作并非对环境信息精确计算完成的，而是根据模糊的环境信息，通过查表得到规划出的信息，完成局部路径规划。优点是克服了势场法易产生的局部最优问题，对处理未知环境下的规划问题显示出很大优越性，对于解决用通常的定量方法来说是很复杂的问题或当外界只能提供定性近似的、不确定信息数据时非常有效，模糊逻辑算法有诸多优点，但也存在固有缺陷：人的经验不一定完备，输入量增多时，推理规则或模糊表会急剧膨胀。 动机器人运动学模型 在过去几十年里，机器人学已经发展成很成熟的一门学科，移
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