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1、西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 本科畢業(yè)設(shè)計論文 題 目 輪式機(jī)器人控制技術(shù)研究 專業(yè)名稱 自動化 學(xué)生姓名 張俊 指導(dǎo)教師 邢超 畢業(yè)時間 2014.06 設(shè)計 論文 畢業(yè) 任務(wù)書 一、題目 輪式機(jī)器人控制技術(shù)研究 二、指導(dǎo)思想和目的要求 1、 利用已有的專業(yè)知識，

2、培養(yǎng)學(xué)生解決實際工程問題的能力； 2、 鍛煉學(xué)生的科研工作能力和培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)結(jié)合作攻關(guān)能力； 三、主要技術(shù)指標(biāo) 1. 研究輪式機(jī)器人控制算法； 2. 完成演示程序 四、進(jìn)度和要求 第01周----第02周： 英文翻譯； 第03周----第04周： 學(xué)習(xí)輪式機(jī)器人動力學(xué)與控制理論； 第05周----第10周： 研究輪式機(jī)器人算法； 第11周----第16周： 設(shè)計演示程序； 第17周----第18周： 撰寫畢業(yè)設(shè)計論文，論文答辯； 五、主要參考書及參考資料 [1] 《Mobile Robotics: Mathematics, Models, and Methods Ha

3、rdcover》 Alonzo Kelly , Cambridge University Press , 2013 [2] 《Arduino Robotics》John-David Warren, Josh Adams, Harald Molle, Apress; 1 edition , 2011 [3] 《Intermediate Robot Building (Technology in Action)》David Cook, Apress; 2 edition 2011. 學(xué)生 張俊 指導(dǎo)教師

4、 邢超 系主任 __________ 摘 要 移動機(jī)器人在軍事和國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。移動機(jī)器人運動控制技術(shù)作為機(jī)器人學(xué)的一個重要分支，是一項具有多年歷史而且具有廣泛應(yīng)用前景的技術(shù)。在查閱大量資料的基礎(chǔ)上，分析了移動機(jī)器人運動控制技術(shù)特點及發(fā)展現(xiàn)狀，研究并設(shè)計了兩輪驅(qū)動的機(jī)器人運動控制系統(tǒng)。移動機(jī)器人的位置和姿態(tài)識別是移動機(jī)器人運動控制系統(tǒng)中的一個最基本的問題。本文根據(jù)兩輪差速驅(qū)動機(jī)器人的運動學(xué)方程，采用了一種簡潔實用的航位推算公式。這種方法可以在性能較高的微處理器中采用，進(jìn)行實時推算，具有一定的效率優(yōu)勢。 移動機(jī)器人運動控制結(jié)構(gòu)決定了它的運動能力。本文采用主

5、從式控制結(jié)構(gòu)， 即由主機(jī)完成復(fù)雜運算并將處理后的數(shù)據(jù)傳遞給從機(jī)，由從機(jī)完成小車本體的控 制，從機(jī)通過數(shù)控插補技術(shù)來實現(xiàn)機(jī)器人小車兩驅(qū)動輪的聯(lián)動；由運動函數(shù)構(gòu)成 的運動控制源程序在PC機(jī)編寫，經(jīng)編譯生成相應(yīng)的目標(biāo)代碼并通過串口發(fā)送到從機(jī)，從機(jī)的功能一是接收來自主機(jī)的數(shù)據(jù)和命令，二是根據(jù)主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)執(zhí)行 插補運算并驅(qū)動電機(jī)。從機(jī)是以STC89LE52為核心的運動控制器，利用STC89LE52 芯片的控制功能，實現(xiàn)了移動機(jī)器人兩驅(qū)動電機(jī)的控制。由從機(jī)構(gòu)成的運動控制 器，成本低，功能強(qiáng)，使用方便，而具有十分廣闊的應(yīng)用前景。 關(guān)鍵詞：運動控制，航跡推算，插補，步進(jìn)電機(jī)，單片機(jī)

6、 Abstract As an important branch subject of robotics，the motion controller technology of mobile robot has a long history and will be widely used in the future，Based On refer ringto a great deal of the information and the research of the technology and development of mobile robot avail

7、able，a two-wheel differential driving mobile robot was designed in the work presented here． The identity of location and position is a fundamental problem of the motion controller system of mobile robot。In this paper，based On the research of two-wheel differential driving mobile’s motive equation，a

8、 compact and practicably equation was induced．This method Call be used in a high performance micro-controller to perform real-time calculation and win show its efficient advantage． The motion abillty of a wheeled mobile robot iS determined by its motion controller system．Based on the utilization o

9、f a PC and a slaver micro·computer，a control system for a wheeled mobile robot with two stepping motors is designed and implemented．The control system is able to control the turning and speed of the two motors by interpolation technique．The source motion control program is written with these motion

10、functions on PC and it is complied to object code．The code is transmitted to RAM of micro．controller through serial port of PC．The micro—controller has two main functions．The first iS receiving data or instructions from PC．The second is executing the instructions．The step．motor Can be controlled by

11、STC89LE52 with its out put module，This kind of motion controller has the features of lower cost and powerful function．So it has wide application prospect. Key words：motion, control course, calculation, nterpolating,stepping,motor, micro-controlle 目錄 第一章 緒論 1 1.1題目的來源及研究意義 1 1.2移動機(jī)器人國

12、內(nèi)外的研究歷史與現(xiàn)狀 2 第二章 移動機(jī)器人系統(tǒng)概述 5 2.1移動機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 5 2.2移動機(jī)器人傳感器技術(shù) 5 2.3移動機(jī)器人感知系統(tǒng) 7 2.4移動機(jī)器人路徑規(guī)劃技術(shù) 10 2.4.1移動機(jī)器人的全局路徑規(guī)劃 11 2.4.2移動機(jī)器入的局部路徑規(guī)劃 12 2.5移動機(jī)器人運動學(xué)模型 13 2.6移動機(jī)器人航跡推算 15 2.7本章小結(jié) 16 第三章 移動機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計 18 3.1控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 18 3.2單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路 20 3.3步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動單元 22 3.5本章小結(jié) 28 第四章 算法優(yōu)化及實驗 29 4.1速度調(diào)節(jié) 29

13、4.2平面運動速度 30 4.3上下位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸實驗 31 4.4 機(jī)器人運動仿真 32 4.4.1 MATLAB編程 32 4.4.2運行結(jié)果 33 4.5本章小結(jié) 37 第五章 結(jié)束語 38 5.1總結(jié) 38 參考文獻(xiàn) 39 致謝 42 42 第一章 緒論 1.1題目的來源及研究意義 移動機(jī)器人技術(shù)是機(jī)器人學(xué)中的一個重要分支，它的研究始于二十世紀(jì)六十年代，以斯坦福大學(xué)研制的自主移動式機(jī)器人SHAKEY為標(biāo)志，其主要目標(biāo)是 研究在復(fù)雜環(huán)境下機(jī)器人系統(tǒng)的實時控制問題，涉及到任務(wù)規(guī)劃、運動規(guī)劃與導(dǎo)航、目標(biāo)

14、識別與定位、機(jī)器視覺、多傳感器信息處理與融合以及系統(tǒng)集成等多項關(guān)鍵技術(shù)。 移動機(jī)器人可以作為研究其它領(lǐng)域如人工智能等的平臺，同時移動機(jī)器人的研究也提出了許多新的、挑戰(zhàn)性的理論與工程技術(shù)課題，引起了越來越多的專家學(xué)者和工程技術(shù)人員的興趣。與任何一門現(xiàn)代技術(shù)分支一樣，移動機(jī)器人研究的興起一方面是社會生產(chǎn)發(fā)展的需要，另一方面也是相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域交叉互相促進(jìn)發(fā)展的結(jié)果。信息技術(shù)、人工智能技術(shù)、計算機(jī)以及機(jī)械電子技術(shù)的發(fā)展大大推動了在移動機(jī)器人研究領(lǐng)域向縱深方向延伸。其中一個最直接的因素是計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展。計算機(jī)運算速度和存儲能力的大幅度提高，為移動機(jī)器人運行更復(fù)雜的實時控制算法創(chuàng)造了條件；另外計算機(jī)科學(xué)

15、出現(xiàn)了一系列諸如人工智能、專家系統(tǒng)等新興技術(shù)分支學(xué)科，這些學(xué)科為移動機(jī)器人在未知或動態(tài)環(huán)境下的實時導(dǎo)航開辟道路。移動機(jī)器人技術(shù)己經(jīng)成為眾多高新技術(shù)的產(chǎn)物，同時也為其它技術(shù)的發(fā)展提供了廣闊的應(yīng)用場所。 隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，移動機(jī)器人的應(yīng)用范圍不斷拓展，功能不斷提高，不僅在工業(yè)、國防、服務(wù)等行業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用，而且在野外作業(yè)以及在有害、危險環(huán)境作業(yè)中的應(yīng)用也得到世界各國的高度重視。目前，由于移動機(jī)器人具有更大的使用靈活性已使其成為機(jī)器人技術(shù)研究的一個熱點。 機(jī)器人是一個集環(huán)境感知，動態(tài)決策與規(guī)劃，行為控制與執(zhí)行等多功能于一體的綜合系統(tǒng)，它集中了傳感器技術(shù)，機(jī)械工程，電子工程，計算機(jī)工程

16、，自動化控制工程以及人工智能等多學(xué)科的研究成果，代表機(jī)電一體化的最高成就，是目前科學(xué)技術(shù)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一。隨著機(jī)器人性能不斷地完善，移動機(jī)器人的應(yīng)用范圍大為擴(kuò)展，不僅在工業(yè)，農(nóng)業(yè)，國防，醫(yī)療，服務(wù)等行業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用[1-2]，而且在排雷，搜捕，救援，輻射和空間領(lǐng)域等有害與危險場合得到很好的應(yīng)用。因此，機(jī)器人技術(shù)的研究和發(fā)展受到了越來越多的重視。 移動機(jī)器人是一個對外界環(huán)境高度開放的智能系統(tǒng)，能夠在執(zhí)行預(yù)先給定的任務(wù)指令的同時，根據(jù)行進(jìn)中不斷感知到的周圍局部環(huán)境信息，自主地做出各種決策，自動避開障礙物，引導(dǎo)自身安全地行使到指定的目標(biāo)位置。這對解決工業(yè)中危險地區(qū)的標(biāo)本采集和故障處理等問題

17、有著實際的指導(dǎo)意義。 移動機(jī)器人控制技術(shù)是當(dāng)今自動化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點之一，受到了各方面的關(guān)注。社會經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和各個行業(yè)對自動化程度要求的提高，都極大地推動了機(jī)器入技術(shù)的發(fā)展。機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)是機(jī)器人的控制。 1.2移動機(jī)器人國內(nèi)外的研究歷史與現(xiàn)狀 自從五十年代世界上第一臺機(jī)械手在美國誕生以來，經(jīng)過近半個世紀(jì)的努力，機(jī)器人技術(shù)取得了巨大的進(jìn)步，機(jī)器人的使用改變了許多行業(yè)的面貌。與此同時，機(jī)器人學(xué)也發(fā)展成為一門獨立的科學(xué)，取得了許多耀眼的成果。 近年來，新的形勢為機(jī)器人學(xué)提出了新的課題。經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域內(nèi)的某些概念如計 算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMs)和敏捷制造等都要求系統(tǒng)具有一定的‘柔性’，

18、對于其中使用的機(jī)器人則要求與傳統(tǒng)的具有固定機(jī)座的機(jī)械手不同，要具有一定的移動能力。另一方面，未來戰(zhàn)爭中戰(zhàn)場要素的變化也為移動機(jī)器人提供了廣闊的舞臺， 由于這些原因，移動機(jī)器人成為機(jī)器人學(xué)中一個非?；钴S的領(lǐng)域。 國外PID控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一。由于PID控制器具有簡單而固定的形式，算法簡單、可靠性高，在很寬的操作條件范圍內(nèi)都能保持較好的魯棒性[2]，能給設(shè)計人員提供一種簡單而直接的調(diào)節(jié)方式，故在工業(yè)控制過程中，PID控制器是應(yīng)用最多的一種控制方式。 自1965年美國加利福尼亞大學(xué)控制論專家zadeh首次提出了用“隸屬函數(shù)” 概念來定量描述事物模糊性的模糊集合理論以來，

19、其理論和方法日臻完善zadeh 把模糊控制應(yīng)用于自動控制領(lǐng)域，開辟了模糊控制理論及其工程應(yīng)用的新時代。 國內(nèi)在機(jī)器人運動控制器中，處理器件接受高層控制級的指令，計算和輸出多路控制信號，協(xié)調(diào)各驅(qū)動輪，并對系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。目前，許多機(jī)器人的運動控制系統(tǒng)均采用專用的微處理器，如以DSP為核心的微處理器制作專用的主板，采用專用的編程語言，并將控制算法固化在EPROM中。 運動控制算法是移動機(jī)器人運動控制的關(guān)鍵，由于PID控制器結(jié)構(gòu)簡單、參 數(shù)易于調(diào)整，因此在移動機(jī)器人運動控制中得到了廣泛的應(yīng)用，但是移動機(jī)器人 運動控制系統(tǒng)的模型在實際系統(tǒng)中存在控制參數(shù)難以調(diào)整、控制系統(tǒng)存在噪聲影 響等問

20、題，即用傳統(tǒng)的比例控制器己不能達(dá)到較好的控制效果。 模糊邏輯法模擬駕駛員的駕駛思想，將模糊控制[3]本身所具有的魯棒性與基于生理學(xué)上的“感知一動作”行為結(jié)合起來，為移動機(jī)器人在未知環(huán)境中運動提出了一種新思路，模糊控制不需要建立數(shù)學(xué)模型，可以利用語言描述復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，是一種基于非數(shù)學(xué)模型的控制方法，但是難以建立完善的推理規(guī)則。 在我國，移動機(jī)器人已在水下探險、自動搬運等方面有了初步的應(yīng)用，有些方面已經(jīng)達(dá)到或接近于美日歐發(fā)達(dá)國家水平，但由于我們起步晚，總體水平還比較落后。因此，開展分工合作，各單位選擇適合自己的研究方向，跟蹤國外學(xué)科發(fā)展前沿，對提高我國自動化水平、推廣移動機(jī)器人的應(yīng)用，進(jìn)而

21、創(chuàng)造更多經(jīng)濟(jì)效益都是很重要的。敏捷制造、柔性加工系統(tǒng)、計算機(jī)集成制造系統(tǒng)的開發(fā)和推廣、應(yīng)用在我國勢在必行，而在柔性加工單元中，用作搬運的自主移動機(jī)器人，要求能隨工作任務(wù)和環(huán)境的改變，智能地重規(guī)劃行駛路徑，并要求能實時避開途中的障礙物。要達(dá)到這種水平，當(dāng)前還有很多問題需要深入的研究，而其中的智能導(dǎo)航問題是最基本也是最重要的一個。 我國的機(jī)器人學(xué)研究起步較晚，但進(jìn)步較快，己在工業(yè)機(jī)器人、特種機(jī)器人和智能機(jī)器人各個方面都取得了顯著成績。在“七五”期間，完成了示教再現(xiàn)工業(yè)機(jī)器聲成套技術(shù)(包括機(jī)械手、控制系統(tǒng)、驅(qū)動傳動單元、測試系統(tǒng)的設(shè)計、制造應(yīng)用和小批量生產(chǎn)的工藝技術(shù)等)。為跟蹤國外高技術(shù)，80年代

22、國家高技術(shù)計劃中安排了智能機(jī)器人的研究開發(fā)，包括水下無纜機(jī)器人、高功能裝配機(jī)器人和多種特種機(jī)器人。進(jìn)行了智能機(jī)器人體系結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)、控制、人工智能、機(jī)器視覺，高性能傳感器及新材料的應(yīng)用研究，取得了大量成果。其中，輪式移動機(jī)器人的研究也碩果累累。 目前，國內(nèi)研究輪式移動機(jī)器人的科研單位及公司主要有研制能力風(fēng)暴As．R機(jī)器人的上海廣茂達(dá)伙伴機(jī)器人有限公司；研制的CASIA．1自主移動機(jī)器人的中科院自動化所[4]；研制“青青”輪式移動機(jī)器人的哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制“小蜘蛛”輪式移動機(jī)器人登月車的上海交大等。當(dāng)前，移動機(jī)器人技術(shù)的研究與發(fā)展的趨勢包括有：機(jī)器人機(jī)構(gòu)、導(dǎo)航和定位、路徑規(guī)劃、傳感器信息融合技術(shù)

23、、智能技術(shù)、移動機(jī)器人傳感器技術(shù)等研究。 第二章 移動機(jī)器人系統(tǒng)概述 一般來說，輪式移動機(jī)器人系統(tǒng)主要包括小車機(jī)械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、傳感器信息采集系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、移動機(jī)器人運動學(xué)模型和路徑跟蹤等，以下分別作些簡要介紹，各部分具體將在后續(xù)章節(jié)詳細(xì)介紹。 2.1移動機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 移動機(jī)器人控制系統(tǒng)是整個機(jī)器人的核心，他決定了控制系統(tǒng)的性能劣。目前，移動機(jī)器人控制系統(tǒng)主要有三種結(jié)構(gòu)方式：集中式控制，主從式控制[5]和分布式控制。集中式控制方式是指用一臺功能比較強(qiáng)大的計算機(jī)實現(xiàn)其全部控制功能，在早期的機(jī)器人

24、控制系統(tǒng)中較多地采用這種方式。隨著計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和機(jī)器人控制要求的不斷提高，逐漸出現(xiàn)了主從式控制和分布式控制。在主從式控制結(jié)構(gòu)中，有上下兩級計算機(jī)，其中上位機(jī)利用它的運算能力和龐大的資源來完成復(fù)雜數(shù)據(jù)的處理，并把數(shù)據(jù)傳遞給下位機(jī)，下位機(jī)完成控制對象的位置控制，并把相關(guān)的數(shù)據(jù)傳遞給上位機(jī)。當(dāng)前投入使用的移動機(jī)器人控制系統(tǒng)大多采用主從式控制，也采用上下二級的分布式結(jié)構(gòu)，上位機(jī)負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)管理以及運輪式移動機(jī)器人運動控制系統(tǒng)研究與設(shè)計動學(xué)計算，路徑規(guī)劃等，下位機(jī)可由一個或多個CPU組成，這些CPU和主控機(jī)聯(lián)系是通過總線形式的緊耦合，處理器承擔(dān)固定的任務(wù)，這種結(jié)構(gòu)的控制器對工作速度和控制性能要求

25、較高。 2.2移動機(jī)器人傳感器技術(shù) 移動機(jī)器人傳感技術(shù)主要是對機(jī)器人自身內(nèi)部的位置和方向等信息以及外部環(huán)境信息的檢測和處理。一般來說，移動機(jī)器人的傳感器分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器。其中內(nèi)部傳感器有編碼器、線加速度計、陀螺儀、GPS、磁羅盤、角速度傳感器等。外部傳感器有：視覺傳感器、超聲波傳感器、紅外傳感器、接觸和接近傳感器等。如何提高移動機(jī)器人傳感器的可靠性和精度也是移動機(jī)器人的研究熱點。 移動機(jī)器人的傳感系統(tǒng)負(fù)責(zé)獲取機(jī)器人內(nèi)部狀態(tài)和外部工作環(huán)境的信息，是移動機(jī)器人感知、決策和動作三大要素之一。傳感系統(tǒng)的硬件組成單元是傳感器，其功能是為機(jī)器人提供諸如視覺、力覺、觸覺等對外部環(huán)境的感知能力

26、，同時還可以感知機(jī)器人本身的工作狀態(tài)和位置。 移動機(jī)器人其行駛機(jī)構(gòu)的形式層出不窮，美國、俄羅斯、法國和日本等西方發(fā)達(dá)國家己經(jīng)研制出了多種復(fù)雜奇特的三維行駛機(jī)構(gòu)[6]，有的己經(jīng)進(jìn)入了實用化和商業(yè)化階段。由于我國的市場要求較小，所以現(xiàn)在只有一些零星的研究工作。面對21世紀(jì)深空探測的挑戰(zhàn)，對各種自主系統(tǒng)的研制是急需的，也是必要的，而行駛機(jī)構(gòu)又是自主移動機(jī)器人系統(tǒng)最基本與最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。己經(jīng)出現(xiàn)的行駛機(jī)構(gòu)主要有履帶式、腿式和輪式。 輪式機(jī)器人具有運動速度快的優(yōu)點，只是越野性能不太強(qiáng)。但隨著各種各樣輪子底盤的出現(xiàn)，并可以和腿式機(jī)器人相媲美，于是人們對移動機(jī)器人行駛機(jī)構(gòu)研究的重心轉(zhuǎn)移到輪式機(jī)構(gòu)上來。在移

27、動機(jī)器人行駛機(jī)構(gòu)的研究方面，很難再找到開發(fā)腿式結(jié)構(gòu)的了，幾乎都在進(jìn)行輪式結(jié)構(gòu)的研究。輪式機(jī)器人適合于條件較好的路面。輪式移動機(jī)構(gòu)運動平穩(wěn)，自動操縱簡單，最適合平地行走，在無人工廠中，常用來搬運零部件或做其他工作，應(yīng)用最廣泛。所以本課題采用輪式。 三輪移動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)最簡單，控制最方便。三點確定一個平面，三輪支撐理論上是穩(wěn)定的，采用三輪移動機(jī)構(gòu)的機(jī)器人來說，重心都比較低，載荷穩(wěn)定且中心位置基本不發(fā)生變化，所以三輪移動機(jī)構(gòu)能滿足要求。前輪為萬向輪，只起支撐作用，后兩輪為驅(qū)動輪，固定不可轉(zhuǎn)向，且相互獨立。后兩輪差動驅(qū)動的移動機(jī)器人結(jié)構(gòu)如圖2．2所示。 2.3移動機(jī)器人感知系統(tǒng) 對移動機(jī)器人而言，機(jī)

28、器入視覺系統(tǒng)正如入的眼睛一樣，是機(jī)器入感知局部環(huán)境的重要“感官"。能否正確、實時地處理視覺信息直接關(guān)系到機(jī)器人行駛速度、跟蹤效果以及對障礙物的避碰，對系統(tǒng)的實時性和魯棒性具有決定性作用， θ p x x y y 圖2.2輪式移動機(jī)器人結(jié)構(gòu) 其處理技術(shù)是移動機(jī)器人研究中最關(guān)鍵的技術(shù)之一。視覺傳感器方式具有信息量大、信息完整等優(yōu)點，使得通過視覺傳感器準(zhǔn)確獲取信息成為輪式移動機(jī)器人的主要發(fā)展方向之一。視覺導(dǎo)航[7]主要完成障礙物和陸標(biāo)的探測及識別，這種能力將不僅使機(jī)器人能感知二維環(huán)境中物體的幾何信息，如形狀、位置、姿態(tài)等信息，而且能對它

29、們進(jìn)行描述、存儲、識別與理解。過去，由于圖像采集及處理的硬件設(shè)備運行速度低，利用視覺系統(tǒng)感知環(huán)境導(dǎo)引機(jī)器人進(jìn)行跟蹤受到了很大限制。 近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，視頻設(shè)備及計算機(jī)硬件運行速度得到了很大提高，越來越多的研究者投入到視覺導(dǎo)航領(lǐng)域中。因此，研究視覺導(dǎo)航技術(shù)已成為移動機(jī)器人導(dǎo)航研究的趨勢。但是，如何讓機(jī)器人具有類似于人類的自主視覺能力，如何提高機(jī)器人運動中的控制精度，仍然是需要長期解決的問題。視覺系統(tǒng)是移動機(jī)器人視覺導(dǎo)航進(jìn)行路徑跟蹤的一個重要組成部分。本文所研究的輪式移動機(jī)器人的視覺系統(tǒng)主要由圖像采集、圖像處理、圖像辨識三個模塊構(gòu)成。其中圖像采集模塊用來獲取數(shù)字圖像；圖像處理模塊是

30、對提取到的外界路面信息進(jìn)行處理，得到需要的特征信息；圖像辨識模塊是在具有特征信息的圖像中辨識出期望跟蹤路徑的直線斜率、曲線曲率等一些信息用于對機(jī)器人的反饋控制。 立體視覺是仿照人類利用雙目視覺線感知距離的方法，實現(xiàn)對三維信息的感 知，在實現(xiàn)上采用基于三角測量的方法，利用兩個或多個攝像機(jī)對同一景物從不 同位置成像，從而從視差中恢復(fù)距離信息。一個完整的機(jī)器人立體視覺系統(tǒng)包括： 圖像獲取、攝像機(jī)標(biāo)定、特征提取、立體匹配、三維信息恢復(fù)及后處理5個部分。 （1）圖像獲取 獲取數(shù)字圖像是進(jìn)行圖像處理和實現(xiàn)計算機(jī)視覺的前提條件。立體圖像獲取方式很多，主要取決于應(yīng)用的場合和目的。在機(jī)器人視覺系統(tǒng)中

31、，數(shù)字圖像獲取常用的設(shè)備一般是CCD攝像頭和視頻采集卡。圖像采集不但要滿足系統(tǒng)的應(yīng)用要求，而且要考慮視點差異、光照條件、攝像機(jī)性能以及景物特點等因素的影響，以利于立體視覺計算[8]。 （2）攝像機(jī)標(biāo)定 要從圖像中恢復(fù)出物體的三維信息，必須已知空間坐標(biāo)系中的物體點同它在 圖像平面上像點之間的對應(yīng)關(guān)系，而這個對應(yīng)關(guān)系是由攝像機(jī)的位置、屬性參數(shù) 和成像模型所決定的。確定這些攝像機(jī)參數(shù)的過程就稱為攝像機(jī)標(biāo)定，攝像機(jī)標(biāo) 定實質(zhì)上就是確定出由空間坐標(biāo)系到圖像坐標(biāo)系的變換矩陣。 （3）圖像預(yù)處理與特征提取 由光學(xué)成像系統(tǒng)生成的二維圖像，包含了各種各樣的隨機(jī)噪聲和畸變，因此 需要對原始圖像進(jìn)行

32、預(yù)處理，突出有用信息、抑制無用信息，從而改善圖像質(zhì)量。圖像預(yù)處理的目的主要有兩個：一是改善圖像的視覺效果，提高圖像質(zhì)量的清晰 度；二是使圖像變的更有利于計算機(jī)的處理，便于各種特征分析。圖像預(yù)處理技 術(shù)，包括圖像對比度的增強(qiáng)、隨機(jī)噪聲的去除、邊緣特征的加強(qiáng)等。 特征提取是為了得到匹配賴以進(jìn)行的圖像特征，由于目前尚沒有一種普遍適 用的理論可用于圖像特征的提取，從而導(dǎo)致了立體視覺研究中匹配特征的多樣性。 目前，常用的匹配特征主要有點特征、線特征和區(qū)域特征等。一般來講，大尺度 特征含有豐富的圖像信息，在圖像中的數(shù)目較少，易于得到快速匹配，但他們的 定位精度差，特征提取與描述困難，而小尺度

33、特征數(shù)目較多，其所含有信息較少，因而在匹配時需要較強(qiáng)的約束準(zhǔn)則和匹配策略，以克服歧義匹配和提高運算效率，良好的匹配特征應(yīng)具有可區(qū)分性、不變性、穩(wěn)定性、唯一性以及有效解決歧義匹配的能力。 (4)立體匹配 立體匹配是立體視覺中最重要也是最困難的問題。它要解決同一空間點在不同圖像中像點的對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)空間三維場景被投影為二維圖像時，同一景物在不同視點下的圖像會有很大的不同，而且場景中的諸多因素，如光照條件、景物幾何形狀和物理特性、噪聲干擾和畸變以及攝像機(jī)特性等，都被綜合成單一的圖像中的灰度值。因此，要準(zhǔn)確地對包含了如此之多不利因素的圖像進(jìn)行無歧義的匹配，顯然是十分困難的。對于任何一種立體匹配方法，

34、其有效性有賴于3個問題的解決，即選擇正確的匹配特征，尋找特征之間的本質(zhì)屬性及建立能正確匹配所選特征的穩(wěn)定算法。立體匹配的研究都圍繞這三方面展開，并已提出了大量各具特色的匹配方法。但是由于立體匹配涉及的問題太多，至今仍未得到很好的解決，特別是在復(fù)雜場景中，如何提高算法的去歧義匹配和抗干擾能力，降低實現(xiàn)的復(fù)雜讀和計算量，都需要更深入的研究。 (5)三維重建 立體視覺的任務(wù)就是得出感興趣場景的三維信息，對于不同的應(yīng)用可以有不同的要求，但最基本的就是要計算目標(biāo)的深度信息，得到三維坐標(biāo)。若系統(tǒng)需要結(jié)果的可視化，則可對場景進(jìn)行重建。已知立體成像模型和完成立體匹配后，三維信息的恢復(fù)是比較容易的。重要的是

35、如何提高計算的精確度，其影響因素是多方面的，如攝像機(jī)參數(shù)標(biāo)定，圖像特征定位的精度和立體匹配的準(zhǔn)確性等，因此要提高三維重建的精度還需要更深入的研究。 2.4移動機(jī)器人路徑規(guī)劃技術(shù) 路徑規(guī)劃是指移動機(jī)器入在障礙物環(huán)境中，如何尋找出一條從起始點到目的地的合適路徑，并要求該路徑能保證在運行過程中能安全地避開障礙物。輪式移動機(jī)器人的主要工作環(huán)境在地面，在室外環(huán)境中容易受到地面建筑物、街道和行人的影響，在室內(nèi)環(huán)境中容易受到燈光、墻壁、門、走廊還有安裝在地面的設(shè)備和工作人員行走的影響，需要進(jìn)行路徑規(guī)劃，因此研究人員進(jìn)行大量深入的研究。 近年來，機(jī)器人路徑規(guī)劃的方法主要有可以分為兩大類：傳統(tǒng)路徑規(guī)劃方法

36、和智能路徑規(guī)劃方法。傳統(tǒng)路徑規(guī)劃方法主要包括：自由空間法，圖搜索法，柵格解耦法和人工勢場法?。大部分機(jī)器人路徑規(guī)劃中的全局規(guī)劃都是基于上述幾種方法進(jìn)行的，但是以上這些傳統(tǒng)方法在路徑搜索效率及路徑優(yōu)化方面尚有待于迸一步改善。而現(xiàn)在通常使用的搜索技術(shù)包括：梯度法，A等圖搜索方法，枚舉法，隨機(jī)搜索法等。這些方法中，梯度法易陷入局部最小點，圖搜索方法、枚舉法不能用于高維的優(yōu)化問題，而隨機(jī)搜索法則計算效率太低。近年來，隨著遺傳算法等智能方法的廣泛應(yīng)用，機(jī)器人路徑規(guī)劃方法也有了長足的發(fā)展，許多研究者把目光放在了基于智能方法的路徑規(guī)劃研究上。其中，應(yīng)用較多的算法主要有模糊方法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和遺傳算法。 機(jī)

37、器人規(guī)劃問題是指綜合機(jī)器人的動作序列并執(zhí)行的問題，從給定的狀態(tài)出發(fā)，這個序列能夠使機(jī)器人達(dá)到預(yù)期的工作目標(biāo)，完成規(guī)定動作的工作任務(wù)。機(jī)器人規(guī)劃問題通常分為兩級不同規(guī)劃問題：任務(wù)規(guī)劃和路徑規(guī)劃[9]。路徑規(guī)劃是根據(jù)環(huán)境信息，將任務(wù)規(guī)劃的結(jié)果變成一條由起點到終點的無碰撞優(yōu)化路徑。對于自主式移動機(jī)器人，路徑規(guī)劃也稱為行動規(guī)劃或運動規(guī)劃。路徑規(guī)劃本身又可分為全局規(guī)劃和局部規(guī)劃。全局規(guī)劃是基于環(huán)境模型，在有限條件下對任意指定的起點和終點產(chǎn)生一條優(yōu)化路徑，即給出實際路徑上的一系列關(guān)鍵點。其主要方法有：可視圖法、廣義錐法、位置空間法、頂點法、勢場法、柵格法等。局部規(guī)劃是處于規(guī)劃的底層，它通過各種傳感器、處理

38、器同環(huán)境交互信息，把全局規(guī)劃得到的一系列路徑關(guān)鍵點作為系統(tǒng)的子目標(biāo)序列，規(guī)劃一條實際的路徑。移動機(jī)器人局部規(guī)劃的主要任務(wù)實避碰，即實時地躲避各種突發(fā)障礙物。 2.4.1移動機(jī)器人的全局路徑規(guī)劃 移動機(jī)器人的全局路徑規(guī)劃方法主要有：可視圖法、拓?fù)浞ā鸥穹?、自由空間法、最優(yōu)控制法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等[10]。 可視圖法將移動機(jī)器人視為一點，把機(jī)器人、目標(biāo)點和多邊形障礙物的各個頂點進(jìn)行組合連接，并保證這些直線均不與障礙物相交，這就形成了一張圖，稱為可視圖。由于任意兩個頂點都是可見的，從起點沿著這些直線到達(dá)目標(biāo)點所有路徑都是可見的，從起點沿著這些直線到達(dá)目標(biāo)點的所有路徑均是運動體的無碰路徑。搜索最優(yōu)

39、路徑的問題就轉(zhuǎn)換為從起點到目標(biāo)點經(jīng)過這些可視線段的最短距離問題。運用優(yōu)化算法，可刪除一些不必要的連線以簡化可視圖，縮小搜索時間。該算法能夠找到最短路徑。但是該方法缺陷在于忽略了移動機(jī)器人的尺寸大小，使得機(jī)器人通過障礙物頂點時離障礙物太近甚至接觸，并且搜索時間比較長。 切線圖法和vornoi圖法都是對可視圖法進(jìn)行的改進(jìn)。切線圖用障礙物的切線表示弧，因此是從起始點到目標(biāo)點的最短路徑的圖，即移動機(jī)器人幾乎接近障礙物行走。其缺點是如果控制過程中產(chǎn)生位置誤差，移動機(jī)器人就容易碰到障礙物。vomoi圖法用盡可能遠(yuǎn)離障礙物[11]和墻壁的路徑表示弧。因此，從起始點到目標(biāo)點的路徑將會增長，但采用該方法既使產(chǎn)

40、生位置誤差，移動機(jī)器人也不會碰到障礙物。 拓?fù)浞▽⒁?guī)劃空間分割成具有拓?fù)涮卣髯涌臻g，根據(jù)彼此連通性建立拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)上尋找從起始點到目標(biāo)點的拓?fù)渎窂剑罱K由拓?fù)渎窂角蟪鰩缀温窂酵負(fù)浞ɑ舅枷胧墙稻S法，即將在高維幾何空間中尋求路徑的問題轉(zhuǎn)化為低維拓?fù)淇臻g中判別連通性的問題。優(yōu)點在于利用拓?fù)涮卣鞔蟠罂s小了搜索空間，并且 該算法復(fù)雜性僅依賴于障礙物數(shù)目且在理論上是完備的。而且拓?fù)浞ㄍǔ２恍枰獧C(jī)器人的準(zhǔn)確位置，對于位置誤差也就有了更好的魯棒性。缺點是建立拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的過程相當(dāng)復(fù)雜，特別在增加障礙物時如何有效地修正己經(jīng)存在的拓?fù)渚W(wǎng)是有待解決的問題。 柵格法將移動機(jī)器人工作環(huán)境分解成一系列具有二值信息

41、的網(wǎng)格單元，多采用四叉樹或八叉樹表示，并通過優(yōu)化算法完成路徑搜索。該方法以柵格為單位記錄環(huán)境信息，有障礙物的地方累積值比較高，移動機(jī)器人就會采用優(yōu)化算法避開。環(huán)境被量化成具有一定分辨率的柵格，柵格大小直接影響環(huán)境信息存儲量大小和規(guī)劃時間長短，柵格劃分大了，環(huán)境信息存儲量小，規(guī)劃時間短，但分辨率下降，在密集環(huán)境下發(fā)現(xiàn)路徑的能力減弱，柵格劃分小了，環(huán)境分辨率高，在密集環(huán)境下發(fā)現(xiàn)路徑的能力強(qiáng)，但環(huán)境信息存儲量大，規(guī)劃時間長。柵格法經(jīng)改進(jìn)也廣泛應(yīng)用于局部路徑規(guī)劃。 自由空間法應(yīng)用于移動機(jī)器人路徑規(guī)劃，采用預(yù)先定義的如廣義錐形和凸多邊形等基本形狀構(gòu)造自由空間，并將自由空間表示為連通圖，通過搜索連通圖來

42、進(jìn)行路徑規(guī)劃。自由空間的構(gòu)造方法是：從障礙物的一個頂點開始，依次作其它頂點的鏈接線，刪除不必要的鏈接線，使得鏈接線與障礙物邊界所圍成的每一個自由空間都是面積最大的凸多邊形；連接各鏈接線的中點形成的網(wǎng)絡(luò)圖即為機(jī)器可自由運動的路線。其優(yōu)點是比較靈活，起始點和目標(biāo)點的改變不會造成連通圖的重構(gòu)，缺點是復(fù)雜程度與障礙物的多少成正比，且有時無法獲得最短路徑。柵格法建模存在空間分辨率和內(nèi)存容量的矛盾。而自由空間法建模，解決了這一矛盾。但自由空間法的分割需構(gòu)造想象邊界，想象邊界本身具有任意性，于是導(dǎo)致路徑的不確定性。 可視圖法缺乏靈活性，且不適用于圓形障礙物的路徑規(guī)劃問題。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法用于全局路徑規(guī)劃可以解決

43、以上問題。引入網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和模擬退火方法，計算簡單，且能避免局部極值情況。根據(jù)路徑點位于障礙物內(nèi)外的不同位置，選取不同運動方程，并針對障礙物形狀設(shè)定各條邊的模擬退火初始溫度，該方法計算簡單，收斂速度快，能避免局部極值，使規(guī)劃的無碰路徑達(dá)到最短。 2.4.2移動機(jī)器入的局部路徑規(guī)劃 局部路徑規(guī)劃包括人工勢場法、模糊邏輯算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和遺傳算法等[12]人工勢場法是由心Khatib提出的一種虛擬力法，其基本思想是將移動機(jī)器人在環(huán)境中的運動視為一種虛擬入工受力場中的運動。障礙物對移動機(jī)器入產(chǎn)生斥力，目標(biāo)點產(chǎn)生引力，引力和斥力周圍由一定的算法產(chǎn)生相應(yīng)的勢，機(jī)器人在勢場中受到抽象力作用，抽象力使得機(jī)

44、器人繞過障礙物。該法結(jié)構(gòu)簡單，便于低層的實時控制，在實時避障和平滑的軌跡控制方面，得到了廣泛應(yīng)用，其不足在于存在局部最優(yōu)解，容易產(chǎn)生死鎖現(xiàn)象，因而可能使移動機(jī)器人在到達(dá)目標(biāo)點之前就停留在局部最優(yōu)點。為解決局部最優(yōu)問題，已經(jīng)研究出一些改進(jìn)算法，如Sato提出的Laplace勢場法。改進(jìn)算法是通過數(shù)學(xué)上合理定義勢場方程，來保證勢場中不存在局部極值。 模糊邏輯算法[13]是基于對駕駛員的工作過程觀察研究得出的。駕駛員避碰動作并非對環(huán)境信息精確計算完成的，而是根據(jù)模糊的環(huán)境信息，通過查表得到規(guī)劃出的信息，完成局部路徑規(guī)劃。優(yōu)點是克服了勢場法易產(chǎn)生的局部最優(yōu)問題，對處理未知環(huán)境下的規(guī)劃問題顯示出很大優(yōu)

45、越性，對于解決用通常的定量方法來說是很復(fù)雜的問題或當(dāng)外界只能提供定性近似的、不確定信息數(shù)據(jù)時非常有效，模糊邏輯算法有諸多優(yōu)點，但也存在固有缺陷：人的經(jīng)驗不一定完備，輸入量增多時，推理規(guī)則或模糊表會急劇膨脹。 2.5移動機(jī)器人運動學(xué)模型 在過去幾十年里，機(jī)器人學(xué)已經(jīng)發(fā)展成很成熟的一門學(xué)科，移動機(jī)器人運動學(xué)模型分為位移運動學(xué)模型，速度運動學(xué)模型加速速度運動學(xué)模型[14-17]三種，在這里對移動機(jī)器人的速度運動學(xué)模型進(jìn)行分析。圖2．3所示兩后輪驅(qū)動的模型，用(x，y)和小車縱軸與X軸之間的央角θ來描述機(jī)器人小車的位姿P。 vl θ w X Y vr

46、圖 2.3移動機(jī)器人位姿分析 機(jī)器人的位姿可以表示為： P=[X，Y，θ]T 式(2．1) 其中(x，y)為機(jī)器人的坐標(biāo)，0為機(jī)器人的姿態(tài)角，即機(jī)器人前進(jìn)方向相對于X軸的方位角。vl和vr分別為機(jī)器人本體左右車輪的線速度，y是移動機(jī)器人本體的前進(jìn)速度，w是移動機(jī)器人本體自身的角速度。機(jī)器人的運動學(xué)方程進(jìn)行了詳細(xì)的推導(dǎo)，可以得到機(jī)器人車體的運動方程為： xyθ=cosθ0sinθ001 vw 式（2．2) 這樣就可以通過V和w來控制機(jī)器人的位姿。 對機(jī)器人而言，能夠直接進(jìn)行控制的是兩個獨

47、立驅(qū)動電機(jī)，因此采用 U=[VL，VR]T 形式的輸入控制量，來分別控制兩個驅(qū)動輪。所以這就需要將機(jī)器人的前進(jìn)速度v和w轉(zhuǎn)動速度轉(zhuǎn)化為兩個輪子的線速度 。如圖2．4所示： V V V M N 圖 2.4 控制量轉(zhuǎn)化示意圖 輪式機(jī)器人的加速度w由兩輪的線速度決定，機(jī)器人的線速度為V，左右輪的距離為2L，N是移動機(jī)器人的質(zhì)心，M是移動機(jī)器人的速度瞬心，N M之間的距離即為機(jī)器人的轉(zhuǎn)動半徑，設(shè)為r。 則機(jī)器人的前進(jìn)速度可以表示為： V= VL+VR2

48、 式（2．3) 移動機(jī)器人的左右輪具有相同的角速度： θ=w=Vr =VLr-L=VRr+L 式（2．4) 由以上的推導(dǎo)可得移動機(jī)器人左右兩輪的線速度與機(jī)器人的角速度之間的關(guān)系如下： VL=V-wLVR=V+wL 式(2．5) 可見，只要分別控制兩個車輪的轉(zhuǎn)速，就能達(dá)到控制機(jī)器人位姿的目的。 2.6移動機(jī)器人航跡推算 移動機(jī)器人的位置和姿態(tài)識別[18-20]是移動機(jī)器人導(dǎo)航控制中的一個最基本的問題。航位推算方法是建立在所設(shè)計的兩輪差速驅(qū)動機(jī)器入車

49、體結(jié)構(gòu)和各種傳感器提供的信息的基礎(chǔ)之上的。移動機(jī)器人一般每個采樣周期需要推算一次自身位姿，因此航位推算方法在保證精確度的同時，要注意算法的實時性。 移動機(jī)器人與臂式機(jī)械手不同，它對于環(huán)境來說沒有一個固定點。機(jī)械手能夠以固定點為基準(zhǔn)點，利用編碼器等檢測器件很容易得到各關(guān)節(jié)和杠桿的位置和姿態(tài)，而移動機(jī)器人的位置和姿態(tài)識別卻是移動機(jī)器人導(dǎo)航控制的一個最基本的問題。位姿識別大致可以分為兩種：一種是利用檢測運動狀態(tài)的內(nèi)傳感器進(jìn)行航位推算，另一種是利用外傳感器收集環(huán)境信息進(jìn)行位姿識別. 為便于研究，分別建立WMR工作空間坐標(biāo)系標(biāo)XOY系和WMR坐標(biāo)系XaOaYa WMR的運動軌跡用ΣXOY中的方程f（

50、X，Y,θ）=0,表示，位置（X，Y）為XaOaYa的原點Oa在XOY中的坐標(biāo)，姿態(tài)θ為Xa軸與X軸的夾角，即其位姿為P=[X，Y，θ]T 。理想狀態(tài)：車體工作地為平整水平面；運動過程中車輪與地面間無相對運動；車體的幾何參數(shù)如輪徑等保持不變。控制WMR以設(shè)定的速度沿軌跡f（X，Y, θ）=0,運動時，控制左、右驅(qū)動輪的運動速度和即可。定義Uc=[Vcl，Vcr]T。設(shè)在t（i）時刻已知WMR的Uc(i)=[Vcl(i)，Vcr(i)]T和P(i)=[X(i),Y(i), θ(i) ] ，則在t(i+1)時刻WMR的p(i+1)可為： p(i+1)=p(i)+A（i）UC（i)

51、 式(2．6) 式中： A(i)=Tcos（θi+?θ2Tcos（θi+?θ2Tsin(θi+?θ2Tsin(θi+?θ2-TBTB 式（2.7） ?θ=T（Vcr(i)-Vcl(i)）/2B，T為控制周期，B為兩驅(qū)動輪間距。。同時，Uc(i)應(yīng)滿足Vc=(Vcri+Vcli) / 2。可見，若無外界干擾，欲控制WMR在t(i+1)到達(dá)目標(biāo)位姿P=（i+1），根據(jù)WMR 在t（i）時刻的P（i）控制即可?？刂芔c(i)可轉(zhuǎn)化為控制在T內(nèi)發(fā)給驅(qū)動電機(jī)的脈沖數(shù)?ci=[?cli,?cri]T，令 K=π*RNm*Rate

52、 式（2.8) 式中：Nm和Rate分別為電機(jī)轉(zhuǎn)一應(yīng)發(fā)給電機(jī)的脈沖數(shù)和電機(jī)至驅(qū)動輪的降速比[21]；R為驅(qū)動輪半徑。則有Uc(i)=2K?ci/T，式(2．6)就轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)的控制模型，即： P（i+1）=P（i）+ A1i*?ci 式(2.9) 式中：?c為系統(tǒng)的運動控制量， A1i=Kcos（θSi+dθi)Kcos（θSi+dθi)Ksin（θSi+dθi)Ksin（θSi+dθi)-2K/B2K/B 式(2.10) dθi=K（?cri-

53、?cliB 式(2.11) 2.7本章小結(jié) 本章主要對移動機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、感知系統(tǒng)、路徑規(guī)劃技術(shù)、移動機(jī)器人運動學(xué)模型及規(guī)劃路徑的離散化等作了詳細(xì)介紹，是本課題具體實現(xiàn)的理論基礎(chǔ)。 首先，介紹了移動機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)及其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，移動行使機(jī)構(gòu)。主要是為了后續(xù)章節(jié)的討論奠定基礎(chǔ)； 其次，介紹了移動機(jī)器人感知系統(tǒng)，路徑規(guī)劃方面的基礎(chǔ)知識，為本文后續(xù)章節(jié)提供理論基礎(chǔ)： 最后，概述了移動機(jī)器人運動學(xué)模型及規(guī)劃路徑的離散化處理，為后續(xù)章節(jié)控制算法的提出提供理論基礎(chǔ)。

54、 第三章 移動機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計 隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，移動機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，對移動機(jī)器人的硬件性能提出了更高的要求。 本章主要論述移動機(jī)器人的非完整約束問題、控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)、以及各硬件及相關(guān)應(yīng)用電路的應(yīng)用。重點介紹硬件設(shè)計，包括光電編碼盤抗干擾電路、電機(jī)驅(qū)動器設(shè)計、傳感器信息采集系統(tǒng)、電源系統(tǒng)設(shè)計及硬件的可靠性設(shè)計等。 3.1控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 控制系統(tǒng)在移動機(jī)器人系統(tǒng)中占有重要地位。控制系統(tǒng)硬件是機(jī)器人的基礎(chǔ)，它決定了控制性能的優(yōu)劣，也決定了機(jī)器人使用的方便程度。計算機(jī)控制系統(tǒng)有三種結(jié)構(gòu)：集中控制、主從控制和分布式控制[22]。本課題選用主從

55、控制。 采用主從式結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)，即由上位機(jī)完成復(fù)雜計算，將處理后的數(shù)據(jù)傳遞給下位機(jī)，由下位機(jī)完成對小車本體的控制；機(jī)器人小車采用三輪結(jié)構(gòu)，前輪為萬向輪，后兩輪為驅(qū)動輪，機(jī)器人小車的驅(qū)動采用步進(jìn)電機(jī)。因而，有效地降低了成本。該控制器器通過串口與上位機(jī)通信，這樣，就簡化了控制器與上位機(jī)的連接，但不妨礙充分利用上位機(jī)的有關(guān)軟件資源。運動控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3．1所示 移動機(jī)器人運動控制系統(tǒng)的核心是微控制器，作為機(jī)器人控制器的核心高性能的CPU是必需的，選擇一個什么樣的微控制器對于機(jī)器人小車的性能、控制系統(tǒng)的設(shè)計方式有很大的影響，應(yīng)具體分析控制系統(tǒng)的特征和要求進(jìn)行微控制器的選擇， 應(yīng)以運算速度、

56、功能、兼容性、整個移動機(jī)器人系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、通信方式及通信速率、電機(jī)控制方式、ROM及RAM的大小為依據(jù)來選擇合適的微控制器[24]。 圖 3.1控制器硬件結(jié)構(gòu)框圖 目前微控制器主要有數(shù)字信號處理器DSP、現(xiàn)場可編程邏輯門陣列FPGA和單片機(jī)等類型。DSP具有數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、速度快等優(yōu)點，且其體積較小，有利于電路板布局，但是DSP在中斷處理、位處理或邏輯操作方面不如單片機(jī)，芯片價格尤其是浮點器件價格較貴，系統(tǒng)開發(fā)成本較高；FPGA是Filed Programmable GateArray的縮寫，即現(xiàn)場可編程邏輯門陣列。FPGA是在CPLD的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型高性能可編程邏輯器件，

57、它一般采用SRAM工藝[25]，也有一些專用器件采用Flash工藝或反熔絲(Anti．Fuse)212藝等。FPGA的集成度很高，其器件密度從數(shù)萬系統(tǒng)門到數(shù)千萬系統(tǒng)門不等，可以完成極其復(fù)雜的時序與組合邏輯電路功能，適用于高速、高密度的高端數(shù)字邏輯電路設(shè)計領(lǐng)域，但其系統(tǒng)開發(fā)成本較高。單片機(jī)雖然在運算任務(wù)的完成上不如DSP，但是其成本低、易于開發(fā)、相關(guān)資料較全，配合一定的外圍芯片能夠很好地完成本系統(tǒng)的控制任務(wù)，隨著微電子工藝水平的提高，單片微型計算機(jī)技術(shù)有了飛躍的發(fā)展。單片機(jī)型號之多，已到了難以統(tǒng)計的地步。在MSC．5l系列單片機(jī)內(nèi)核8051／80C5l的基礎(chǔ)上Intel，Philips，Siem

58、ens等大公司紛紛推出各種派生芯片。如目前應(yīng)用最廣的8位單片機(jī)89C51，價格低廉、功能強(qiáng)大。但在一些復(fù)雜的系統(tǒng)中，就不得不考慮16位單片機(jī)。MCS．96系列16位單片機(jī)廣泛應(yīng)用于伺服系統(tǒng)、變頻調(diào)速等各類要求實時處理的控制系統(tǒng)。考慮到機(jī)器人尺寸的限制，功耗等因素選擇一個功能齊全的單片機(jī)是比較合適的，定位合理的方案，可獲得較高的性能價格比。 綜合比較之下，以單片機(jī)為核心確定整個控制系統(tǒng)的設(shè)計方案是比較合適 的。本文中運動控制器采用一種CPU數(shù)字控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，CPU采用STC89LE52單片機(jī)。 STC89C51Rc／RD+系列單片機(jī)是宏晶科技推出的新一代超強(qiáng)抗干擾高速低功耗的單片機(jī)，指

59、令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī)，12時鐘機(jī)器周期，6時鐘機(jī)器周期可任意選擇，最新的D版本內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路。 3.2單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路 單片機(jī)可以工作的最小系統(tǒng)一般由電源、復(fù)位電路、系統(tǒng)時鐘等構(gòu)成。 (1)復(fù)位電路 關(guān)于復(fù)位電路，當(dāng)晶振在20MHz以下時，電容可以不用，電阻為1K。復(fù)位電路如圖4．3所示。 圖 3.3 復(fù)位電路圖 采用外部時鐘源，時鐘頻率為0-40MHz，CPu最大操作時鐘頻率可達(dá)48MHz，振蕩器輸出頻率稱為系統(tǒng)時鐘電路。 圖 3.4 時鐘電路 (3)串口電路 上位機(jī)利用MSComm控件將編碼數(shù)據(jù)從串12發(fā)送至下位機(jī)

60、，由于本系統(tǒng)使用了串13，串1：3使用Maxim公司的MAX232芯片，只需4個小容量電容，接口使用DB9母頭，方便與串口延長線連接。 使用MAX3232進(jìn)行RS232電平轉(zhuǎn)換，MAX3232是3VI作電源的RS232轉(zhuǎn)換芯片。采用串12和上位機(jī)通訊一個目的是進(jìn)行ISP功能燒寫芯片，另一個是為調(diào)試系統(tǒng)的串口通訊。電路如圖3 5所示。 圖 3.5串口電路 (4)電源單元 安全可靠的電源系統(tǒng)是控制系統(tǒng)能否正常工作的先決條件，因此，機(jī)器人電源系統(tǒng)必須進(jìn)行合理設(shè)計。從上述的各個單元分析可以總結(jié)出，為了各集成電路模塊正常工作，電路需要提供的電壓基準(zhǔn)有3．3v供電，5v供電。由于系統(tǒng)對

61、電源的穩(wěn)定性要求很高，所以要采取穩(wěn)壓芯片。 3.3步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動單元 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通俗一點講：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度(即步進(jìn)角)?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的，同時也可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。 步進(jìn)電機(jī)分三種：永磁式(PM)，反應(yīng)式(VR)和混合式(HB)[26-27]。永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7．5度或15度；反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1．5度，但噪聲和振動都很大，在

62、歐美等發(fā)達(dá)國家80年代已被淘汰：混合式步進(jìn)電機(jī)混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點，分為兩相和五相，兩相步進(jìn)角一般為1．8度而五相步進(jìn)角一般為0．72度，這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。 步進(jìn)電機(jī)具有如下特點： 1、一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3-5％，步距值不受各種干擾因素的影響。簡而言之，轉(zhuǎn)子運動的速度主要取決于脈沖信號的頻率，而轉(zhuǎn)子運動的總位移量取決于總的脈沖個數(shù)。 2、位移與輸入脈沖信號相對應(yīng)，步距誤差不長期積累。因此可以組成結(jié)構(gòu)較為簡單而又具有一定精度的丌環(huán)控制系統(tǒng)，也可以在要求更高精度時組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。 3、步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度取決于不同的磁性材料。步進(jìn)電機(jī)溫度過高首先會使電機(jī)的

63、磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點，一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上，有的甚至高達(dá)攝氏200度以上。所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏80．90度完全正常。 4、步進(jìn)電機(jī)的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動時，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機(jī)隨頻率(或速度)的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。 5、步進(jìn)電機(jī)有啟動頻率要求和加速過程。雖然步進(jìn)電機(jī)低速時可以正常運轉(zhuǎn)，但若高于一定速度就無法啟動，并伴有嘯叫聲。步進(jìn)電機(jī)有一個技術(shù)參數(shù)為“空載啟動頻率"，即步進(jìn)電機(jī)在空

64、載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應(yīng)該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻(電機(jī)轉(zhuǎn)速從低速升到高速)。 6、無刷，電動機(jī)本體部件少，可靠性高；控制性能好，起動、停車、反轉(zhuǎn)及其它運行方式的改變，都在少數(shù)脈沖內(nèi)完成，在一定的頻率范圍內(nèi)運行時，任何運行方式都不會丟步；停止時有自鎖能力。 因此本系統(tǒng)采用57BYGH311-01兩相步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動單元，由于步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成直線或角位移的執(zhí)行元件，它不能直接接到交直流電源上，而必須使用專

65、用設(shè)備一步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動器。典型步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)如圖3．7所示：控制器可以發(fā)出脈沖頻率從幾赫茲到幾萬赫茲可以連續(xù)變化的脈沖信號，它為環(huán)形分配器提供脈沖序列。環(huán)形分配器的主要功能是把來自控制環(huán)節(jié)的脈沖序列按一定的規(guī)律分配后，經(jīng)過功率放大器的放大加到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電源的各項輸人端，以驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動。環(huán)形分配器主要有兩大類：一類是用計算機(jī)軟件設(shè)計的方法實現(xiàn)環(huán)形分配器要求的功能，通常稱軟環(huán)形分配器：另一類是用硬件構(gòu)成的環(huán)形分配器，通常稱為硬環(huán)形分配器。功率放大器主要對環(huán)形分配器的較小輸出信號進(jìn)行放大，以達(dá)到驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)目的。 圖 3.7步進(jìn)電機(jī)控制圖 文中所控制的步進(jìn)電機(jī)是兩相步進(jìn)電動機(jī)

66、。步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動器的電路如圖3.8所示。它由STC89LE52RC單片機(jī)、光電耦合器、集成芯片L297和L298組成。高性能低電壓8位單片機(jī)是STC89LE52RC芯片。內(nèi)置8K字節(jié)可重復(fù)擦寫的Flash閃速存儲器，256字節(jié)RAM，3個16位定時器，對完成步進(jìn)電機(jī)簡單控制已足以勝任。 圖3．8步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動器部分原理圖 L297芯片是一種硬件環(huán)分集成芯片，它可產(chǎn)生四相驅(qū)動信號，用于計算機(jī)控制的兩相雙極或四相單極步進(jìn)電機(jī)。它的心臟部分是一組譯碼器它能產(chǎn)生各種所需的相序，這一部分是由兩種輸人模式控制，方向控制(CW/CCW)和HALF/FULL以及步進(jìn)式時鐘CLOCK，它將譯碼器從一階梯推進(jìn)至另一階梯。譯碼器有四個輸出點連接到輸出邏輯部分，提供抑制和斬波功能所需的相序。因此L297能產(chǎn)生三種相序信號，對應(yīng)于三種不同的工作方式：即半步方式(HALFS TEP))基本步距(FULL STEP，整步)一相激勵方式；基本步距兩相激勵方式。脈沖分配器內(nèi)部是一個3bit可逆計數(shù)器，加上一些組合邏輯，產(chǎn)生每周期8步格雷碼時序信號，這也就是半步工作方式的時序信號。此時HALF/FUL