【正文】 品的一致性和質(zhì)量。 2）機(jī)器人具有一定程度的智能，如記憶、感知、推理、決策、學(xué)習(xí)等。作為一種先進(jìn)的機(jī)電一體化產(chǎn)品，機(jī)器人已經(jīng)能夠使用工具，能看、聽、說(shuō)，并且開始能夠進(jìn)行一些決策和思考的智能行為，其應(yīng)用也從傳統(tǒng)的加工制造業(yè)逐漸擴(kuò)展到軍事、海洋探測(cè)、宇宙探索等領(lǐng)域，并開始進(jìn)入家庭的服務(wù)行業(yè)。近年來(lái)，智能控制的發(fā)展十分迅速，這必將促使機(jī)器人的智能化水平達(dá)到新的高度。 3）機(jī)器人具有通用性，工作種 類和工作程序靈活多變。然而隨著機(jī)器人的不斷發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)，這些固定于某一位置操作的機(jī)器人不能完全滿足各方面的需要。在自主移動(dòng)機(jī)器人相關(guān)技術(shù)的研究中，導(dǎo)航技術(shù)是其研究的核心，也是移動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)智能化及完全自主的關(guān)鍵技移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)研究 第 2 頁(yè) 共 54 頁(yè) 術(shù)。 移動(dòng)機(jī)器人的分類 移動(dòng)機(jī)器人可從多各方面進(jìn)行分類。 環(huán)境地圖模型匹配導(dǎo)航是機(jī)器人通過(guò)自身的各種傳感器，探測(cè)周圍環(huán)境，利用感知到的局部環(huán)境信息進(jìn)行局部地圖構(gòu)造，并與其內(nèi)部事先存儲(chǔ)的完整地圖進(jìn)行匹配，如兩模型相互匹配，機(jī)器人可確定自身的位置，并根據(jù)預(yù)先規(guī)劃的一條全局路線，采用路徑跟蹤和避障技術(shù)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航。根據(jù)路標(biāo)的不同，可分為人工路標(biāo)導(dǎo)航和自然路標(biāo)導(dǎo)航，人工路標(biāo)導(dǎo)航是機(jī)器人通過(guò)對(duì)人為放置的特殊標(biāo)志的識(shí)別實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航，雖然比較容易實(shí)現(xiàn)，但它人為地改變了機(jī)器人工作的環(huán)境。 Trahanias 利用視覺(jué)探測(cè)路標(biāo)來(lái)完成機(jī)器人導(dǎo)航。 Stanley 提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器人視覺(jué)導(dǎo)航技術(shù)。 味覺(jué)導(dǎo)航是通過(guò)機(jī)器人配備的化學(xué)傳感器感知?dú)馕兜臐舛龋鶕?jù)氣味的濃度和氣流的方向來(lái)控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。味覺(jué)導(dǎo)航的研究具有很好的研究?jī)r(jià)值，這種移動(dòng)機(jī)器人可用來(lái)尋找化學(xué)藥品泄漏源。慣性定位是在移動(dòng)機(jī)器人的車輪上裝有光電編碼器或其它測(cè)速傳感器，通過(guò)對(duì)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的記錄來(lái)粗略地確定位置和姿態(tài)。 路徑規(guī)劃 不論采用何種導(dǎo)航方式，智能移動(dòng)機(jī)器人都是主要完成路徑規(guī)劃、定位和避障等任務(wù)。其中環(huán)境建模的主要方法有：可視圖法（ VGraphic）、自由空間法（ Free SpaceApproach）和柵格法（ Grids）等。信息融合的目標(biāo)是基于各傳感器分離觀測(cè)信息，通過(guò)對(duì)信息的優(yōu)化組合導(dǎo)出華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 5 頁(yè) 共 54 頁(yè) 更多的有效信息。移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的研 究與發(fā)展趨勢(shì)包括： （ 1）導(dǎo)航與定位 在完全未知或部分未知的環(huán)境下，基于自然路標(biāo)導(dǎo)航與定位技術(shù)以及視覺(jué)導(dǎo)航中路標(biāo)的識(shí)別和圖像處理的快速算法的研究，并通過(guò)專用數(shù)字信號(hào)處理器（ DSP）的開發(fā)與研制，可以為導(dǎo)航與定位提供突破性的進(jìn)展。 （ 4）網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人 隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展延伸，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展完善，通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)遙控機(jī)器人為人機(jī)交互技術(shù)、監(jiān)控技術(shù)、遠(yuǎn)程操作技術(shù)和圖像與控制命令的網(wǎng)絡(luò)傳輸及并發(fā)多進(jìn)程數(shù)據(jù)通信等通信技術(shù)提出了更高的挑戰(zhàn)。移動(dòng)機(jī)器人在移動(dòng)過(guò)程中不可避免會(huì)遇到各式各樣的障礙物，靈活、實(shí)時(shí)地躲開這些障礙物是衡量其性能的關(guān)鍵指標(biāo)?，F(xiàn)在，大多數(shù)殘疾人士使用電子輪椅，由于駕駛這種輪椅需要相當(dāng)大的技巧，對(duì)于那些殘疾人士來(lái)說(shuō)，靈活自如的駕駛這類輪椅將有一定的難度。 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 7 頁(yè) 共 54 頁(yè) 第 2 章 移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)學(xué)模型 引言 移動(dòng)機(jī)器人顧名思義，其主要實(shí)現(xiàn)的是其運(yùn)動(dòng)的功能。輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)是移動(dòng)機(jī)器人中應(yīng)用最多的一種機(jī)器人，在相對(duì)平坦的地面上，用車輪移 動(dòng)的方式是相當(dāng)優(yōu)越的。 1輪和 2 輪在實(shí)現(xiàn)上的障礙主要是穩(wěn)定問(wèn)題，所以實(shí)際中輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)多采用要是 3輪和 4輪，其轉(zhuǎn)向裝置的結(jié)構(gòu)通常有兩種方式： （ 1）鉸軸輪向式：轉(zhuǎn)向輪裝在轉(zhuǎn)向鉸軸上，轉(zhuǎn)向電機(jī)通過(guò)減速器和機(jī)械連桿機(jī)構(gòu)控制鉸軸從而控制轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向。四輪機(jī)構(gòu)采用不同的方式實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向，既可以使用后輪分散驅(qū)動(dòng)，也可以用連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)四輪同步轉(zhuǎn)向，這種方式比僅有前輪轉(zhuǎn)向的方式可以實(shí)現(xiàn)更小的轉(zhuǎn)彎半徑，且穩(wěn)定性好，但其機(jī)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。各種機(jī)器人的體積大小不一，結(jié)構(gòu)多種多樣，功能各 不相同。移動(dòng)機(jī)器人采用基于長(zhǎng)方形底座的車架，驅(qū)動(dòng)輪安裝于車架底部，避障傳感器分布于車體周圍，車身內(nèi)部自下至上依次固定有系統(tǒng)電源 和控制電路。主動(dòng)輪的受力如圖所示： 圖 M— 驅(qū)動(dòng) 力矩； — 驅(qū)動(dòng)輪質(zhì)量； — 驅(qū)動(dòng)輪的載荷； — 車體對(duì)驅(qū)動(dòng)輪的作用力； — 地面對(duì)輪子的摩擦力； N— 地面對(duì)驅(qū)動(dòng)輪的支撐力； v— 驅(qū)動(dòng)輪軸心的運(yùn)動(dòng)速度； 在這里分別用下標(biāo) d,c。 由主動(dòng)輪受力分析可以得到： () () 其中 為驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 根據(jù)所要求的機(jī)器人的加速度，我們可以估算出所需要的驅(qū)動(dòng)力矩的大小。 (3)可靠性，電動(dòng)機(jī)的可靠性關(guān)系到整個(gè)機(jī)器人的可靠性。 機(jī)器人采用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)很多，常用的有電磁執(zhí)行器，如直流電機(jī)、無(wú)刷電機(jī)、同步電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)以及直接驅(qū)動(dòng)式轉(zhuǎn)矩電機(jī)。該直流伺服電機(jī)具有優(yōu)良的速度控制性能，具體來(lái)說(shuō)，它有下列優(yōu)點(diǎn)： (1)具有較大的轉(zhuǎn)矩，以克服傳動(dòng)裝置的摩擦轉(zhuǎn) 矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩； (2)調(diào)速范圍寬，且運(yùn)行速度平穩(wěn)； (3)具有快速響應(yīng)能力，可以適應(yīng)復(fù)雜的速度變化； (4)電機(jī)的負(fù)載特性硬，有較大的過(guò)載能力，確保運(yùn)行速度不受負(fù)載沖擊的影響。 車架：車架要求從強(qiáng)度和剛度上滿足車體運(yùn)行和加速時(shí)的要求，同時(shí)又不能太重，本 文機(jī)器人所采用的 底盤 的材料是鋁塑板，厚度是 4mm，鋁塑復(fù)合板是由內(nèi)外兩面鋁合金板、低密度聚乙烯芯層與粘合劑復(fù)合為一體的一種新型金屬塑料復(fù)合墻面裝飾材料，選擇該材料的原因是： 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 13 頁(yè) 共 54 頁(yè) （ 1） 4 mm 鋁塑復(fù)合板其剛性與 mm 的單鋁板或 mm 鋼板相當(dāng)，因此符合強(qiáng)度及剛度要求。電源部分：在車架上面有一個(gè)可以安裝 6節(jié)電池的電池盒，整個(gè)小車的電源就是由它來(lái)提供的。 AMS1117 是是一個(gè)低壓差電壓調(diào)節(jié)器系列。 AM S1117 提供電流限制和熱保護(hù)。 圖 感知系統(tǒng)：移動(dòng)機(jī)器人的避障行走，首先是解決靜態(tài)障礙物的避障，此時(shí)環(huán)境信息主要是 距離信息。 移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng) 學(xué) 模型 非完整約束與非完整系統(tǒng) 通常，系統(tǒng)所受的約束條件可分為完整約束（ holonomic constraint）和非完整約束（ nonholonomic constraint)兩種。因此也可以稱其為不可積約束或運(yùn)動(dòng)約束。而對(duì)于由微分方程和時(shí)間描述的速度約束則存在可積性的問(wèn)題。如果存在一個(gè)矢量值函數(shù) h :Q → ，使得 A(q)q華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 15 頁(yè) 共 54 頁(yè) =0 ? 則認(rèn)為 Pfaffian 約束是可積的。而非完整系統(tǒng)則不然，每個(gè)時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)并非任意，只有滿足非完整約束才行。 定義 1：兩個(gè)矢量場(chǎng) 的李括號(hào)為 : 定義 2：李積為一組嵌套的李括號(hào)，遞推的李積 如下式所示 : = = = 假設(shè)式（ ）所示系統(tǒng)是無(wú)漂移的（ driftfree），也就是說(shuō)，當(dāng)控制量為零時(shí)系統(tǒng)的狀態(tài)不發(fā)生漂移， 是 上光滑的線性獨(dú)立的矢 量場(chǎng)，并且對(duì)所有時(shí)間它們的流形是存在的。 非完整系統(tǒng)與鏈?zhǔn)较到y(tǒng)的轉(zhuǎn)換 在非完整系統(tǒng)的研究中，鏈?zhǔn)较到y(tǒng)具有重要的意義。圖 是三輪 式 移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型示意圖。 L是前后軸之間的距離， r 是后輪 (驅(qū)動(dòng)輪 )的半徑。在純滾動(dòng)無(wú)滑動(dòng)條件下，作用在該系統(tǒng) 上的 Pfaffian 約束如下： （ 1） 后輪在垂直于輪平面內(nèi)的速度分量為零，即 : x?sin??y?cos??=0 () （ 2） 前輪在垂直于輪平面內(nèi)的速度分量為零，即 : x?sin(??+??) y?cos(??+??)l cos??=0 () 移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)研究 第 18 頁(yè) 共 54 頁(yè) = r + () 這里 ??≠π /2，其物理意義是前輪不可以和車身垂直，這與實(shí)際系統(tǒng)是一致的。根據(jù) Chow 定理，該系統(tǒng)是可控的。 小結(jié) 本章內(nèi)容主要介紹了移動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，首先明確提出了移動(dòng)機(jī)器人的三輪式結(jié)構(gòu)，繼而對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇進(jìn)行了詳細(xì)的分析，最后建立移動(dòng)機(jī)器人在理想狀態(tài)下的數(shù)學(xué)模型。路徑規(guī)劃是移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)中不可缺少的重要組成部分，它反映了機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與周圍環(huán)境的交互能力，是移動(dòng)機(jī)器人完成任務(wù)的基礎(chǔ)和安全保障。 （ 3）討論的路徑規(guī)劃方案排除在出發(fā)點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)及其附近有障礙物的情況。 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 21 頁(yè) 共 54 頁(yè) 如果環(huán)境事先對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是未知的或部分未知的，但機(jī)器人配備有實(shí)時(shí)的傳感器，則路徑規(guī)劃是動(dòng)態(tài)進(jìn)行的，并表現(xiàn)出一種“ 探索性 ” 的特點(diǎn)。設(shè) A、 C點(diǎn)之間的距離為 d，其值可由傳感器確定，而 A點(diǎn)距離目標(biāo)點(diǎn) B點(diǎn)也是可知的，故根據(jù)障礙物出現(xiàn)的位置分為兩種情況進(jìn)行路徑設(shè)計(jì)。所以過(guò) A 點(diǎn)做一圓心在垂直于 的直線 上的圓切于以 為半徑的圓，如圖 所示。在 A點(diǎn)移動(dòng)機(jī)器人的速度方向沿著 方向，由于移動(dòng)機(jī)器人的自身特性，其轉(zhuǎn)彎路徑只能為一光滑連續(xù)曲線，且其各個(gè)點(diǎn)的一階導(dǎo)數(shù)均存在。 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 23 頁(yè) 共 54 頁(yè) 圖 時(shí)的路徑設(shè)計(jì) 路徑跟蹤控制又稱為軌跡控制 ，沿著所 設(shè)計(jì)的幾何路徑進(jìn)行移動(dòng)控制的基本思路是先求出軌跡目標(biāo)值和現(xiàn)時(shí)位姿的偏差，然后發(fā)出一個(gè)控制命令，發(fā)送給機(jī)器人的控制系統(tǒng)，使其偏差減小。此處 v、 為控制變化量?？梢赃x擇合適的控制量 v，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)移。 假設(shè)機(jī)器人以恒定速度 v 運(yùn)動(dòng)， v 為常數(shù)，以下推導(dǎo) 的控制率。 把式（ ）代入（ ）得： = （ ） 由二階微分方程求解公式可知，它的特征方程為： + + =0 () 當(dāng) 式 ()的兩 個(gè)根 為兩個(gè)不相等的實(shí)根時(shí)， z= () 當(dāng)式 ()的兩個(gè)根 為兩個(gè)相等的實(shí)根時(shí)，即 時(shí)， z= () 當(dāng)式 ()的兩個(gè)根 為一對(duì)共軛復(fù)根，即 = 時(shí)， z= () 對(duì)于以上任何一種情況，只要保證 為正、常數(shù)，則以上三種情況下的微分方程的解都是衰減的，即當(dāng) t 時(shí)， z 0, 0,意味著機(jī)器人的位置收斂到期望路徑上，且其運(yùn)動(dòng)方向?yàn)槠谕窂降那芯€方向，并且其衰減的速度由 共同決定。在簡(jiǎn)單的未知環(huán)境中，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行的路徑設(shè)計(jì)與規(guī)劃，并通過(guò)路徑控制來(lái)減少其可能產(chǎn)生的偏差。 本課題研究的控制系統(tǒng)主要由以下模塊構(gòu)成：微控制器模塊、模糊避障模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、測(cè)速模塊、電源模塊、存儲(chǔ)模塊等部分。 在本文中 采用微控制器（ MicroController Unit,MCU）作為移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)的核心。與 CPU 相比， MCU 的最大特點(diǎn)是使 PC機(jī)單片化，體積大大減小，功能和成本下降， 可靠性提高。在硬件的 設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)微控制器的選型往往需要考慮諸多因素，本文中的微控制器選用主要包括以下幾個(gè)方面： (1)對(duì)于微控制器類型，目前國(guó)內(nèi)外移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)采用的微控制器有多種，如飛思卡爾微控制器、東芝微控制器，甚至有的設(shè)計(jì)采用更高檔 16 位、 32 位微控制器。此外，為便于 日后擴(kuò)展移動(dòng)機(jī)器人的功能，微控制器應(yīng)具有較強(qiáng)的 I/O 能力。 ATmega8515L 微控制器特點(diǎn) 1997 年， ATMEL 挪威設(shè)計(jì)中心出于市場(chǎng)考慮 充分發(fā)揮其 Flash 技術(shù)優(yōu)勢(shì)，精簡(jiǎn)指令集（ RISC）微控制器，簡(jiǎn)稱 AVR 微控制器。系統(tǒng)時(shí)鐘 為控制器提供時(shí)鐘脈沖，是控制器的心臟。因此， AVR 片內(nèi)的 WDT 是獨(dú)立硬件形式的看門狗，使用 AVR 可以省掉外部的 WDT 芯片。 這 3 個(gè)存儲(chǔ)器之間互相獨(dú)立，物理結(jié)構(gòu)也不相同。 AVR中的通用寄存器和 I/O 寄存器，其功能、特點(diǎn)及使用方法涉及整個(gè) AVR 單片機(jī)的全部功能和特 。其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流 ； 圖 ATmega8515L微控制器的芯片引腳配置圖 C(PC7..PC0) 端口 C為 8位雙向 I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱 的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流 ； XTAL2 片內(nèi)反向振蕩放大器的輸出端； XTAL1 反向振蕩放大器與片內(nèi)時(shí)鐘操作電路的輸入端； RXD 串行輸入通道； TXD 串行輸出通道； INT0 外部中斷 0； INT1