【正文】 1路的控制信號(hào)為例，具體關(guān)系見(jiàn)表 。故本設(shè)計(jì)中，采用 PWM控制方式實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào) 。一種是開(kāi)關(guān)周期恒定，通過(guò)改變導(dǎo)通脈沖寬度來(lái)改變占空比的方式，即脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation，即 PWM)；另一種方式為導(dǎo)通脈沖寬度恒定，通過(guò)改變開(kāi)關(guān)頻 率 (f=1/T)來(lái)改變占空比，亦即脈沖頻率調(diào)制 (Pulse Frequency Modulation，即 PFM)。 圖 L293D內(nèi)部電路原理 其中， IN1IN4 為電機(jī)工作控制端分，通過(guò)不同的電壓邏輯組合，分別決定 兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)向； ENABLE ENABLE2 為電機(jī)工作使能端，分別連接至微控制器的兩路 PWM 輸出信號(hào)。將調(diào)制后的超聲波發(fā)射出去，若能檢測(cè)到 被測(cè)物體反射回來(lái)的超聲波回波延遲時(shí)間，即可計(jì)算出被測(cè)物體的距離。 40KHz脈沖信號(hào)由 Atmega8515L 產(chǎn)生，其脈沖寬度及脈沖間隔均由軟件控制?？紤]到單一傳感器探測(cè)的局限性，在實(shí)際應(yīng)用中，往往通過(guò)運(yùn)用多個(gè)傳感器 來(lái)進(jìn)行信息補(bǔ)償。 AVR 微控制器的尋址方式有多種： (1)單一寄存器直接尋址； (2)雙寄存器直接尋址； (3)I/0 直接尋址； (4)數(shù)據(jù)直接尋址； (5)帶位移的數(shù)據(jù)間接尋址； (6)數(shù)據(jù)間接尋址； (7)帶預(yù)減量數(shù)據(jù)間接尋址； (8)帶后增量的數(shù)據(jù)間接導(dǎo)址； (9)常量尋址； 移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)研究 第 32 頁(yè) 共 54 頁(yè) (10)程序直接尋址； (11)程序間接尋址； (12)程序相關(guān)尋址 。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。 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。系統(tǒng)時(shí)鐘 為控制器提供時(shí)鐘脈沖，是控制器的心臟。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。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。 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。 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?？梢赃x擇合適的控制量 v，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)移。 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。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。 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)。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?chē)h(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。根據(jù) Chow 定理，該系統(tǒng)是可控的。 L是前后軸之間的距離， r 是后輪 (驅(qū)動(dòng)輪 )的半徑。 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。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。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。 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。 AM S1117 提供電流限制和熱保護(hù)。電源部分：在車(chē)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(chē)的電源就是由它來(lái)提供的。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。 (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。 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。移動(dòng)機(jī)器人采用基于長(zhǎng)方形底座的車(chē)架，驅(qū)動(dòng)輪安裝于車(chē)架底部，避障傳感器分布于車(chē)體周?chē)?，?chē)身內(nèi)部自下至上依次固定有系統(tǒng)電源 和控制電路。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。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(chē)輪移 動(dòng)的方式是相當(dāng)優(yōu)越的?，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(lèi)輪椅將有一定的難度。 （ 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)。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。 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)。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。 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)。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。 移動(dòng)機(jī)器人的分類(lèi) 移動(dòng)機(jī)器人可從多各方面進(jìn)行分類(lèi)。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。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。 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。自主移動(dòng)機(jī)器人的目標(biāo)是在沒(méi)人干預(yù)下且無(wú)需對(duì)環(huán)境做任何規(guī)定和改變的條件下，有目的移動(dòng)和完成相應(yīng)的任務(wù)。 移動(dòng)機(jī)器人相關(guān)的主要技術(shù) 導(dǎo)航 移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航方式可分為：基于環(huán)境信息的地圖模型匹配（ Map matching）導(dǎo)航；基于各種導(dǎo)航信號(hào)的路標(biāo)（ landmark）導(dǎo)航、視覺(jué)導(dǎo)航和味覺(jué)導(dǎo)航等。 視覺(jué)導(dǎo)航主要完成障礙物和路標(biāo)的探測(cè)及識(shí)別。該技術(shù)通過(guò)提取幾何特征、平均壓縮、向量量化和主成分提取來(lái)簡(jiǎn)化圖像處理，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)視覺(jué)導(dǎo)航。定位方法根據(jù)機(jī)器人工作環(huán)境復(fù)雜性，配備傳感器 的種類(lèi)和數(shù)量等不同有多種方法，主要有 :慣性定位、路標(biāo)定位和聲音定位等。 全局路徑規(guī)劃包括環(huán)境建模和路徑搜索策略兩個(gè)子問(wèn)題。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)也將不斷地得到完善和發(fā)展。由于移動(dòng)機(jī)器人具有一般機(jī)器人所不具備的移動(dòng)能力，從而使之更具備“代替人”作業(yè)的實(shí)力。 小結(jié) 本章通過(guò)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的基礎(chǔ)知識(shí)，主要技術(shù)及其發(fā)展前景的介紹，引出了本論文選題的意義及論文的 主要內(nèi)容。輪式移動(dòng)機(jī)器人根據(jù)車(chē)輪的多少可分為 1輪、2輪、 3輪、 4 輪和多輪結(jié)構(gòu)。 移動(dòng)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu) 輪式移動(dòng)機(jī)器人（ WMR）包含一大類(lèi)機(jī)械系統(tǒng)。 移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)圖 : 圖 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型 主動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率的確定 在進(jìn)行驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率確定的時(shí)候，我們只考慮機(jī)器人在水平路面做直線運(yùn)動(dòng)的情華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 9 頁(yè) 共 54 頁(yè) 況，并且忽略輪子變形、地面打滑、空氣阻力等因素。根據(jù)受力可以得到： () 由式 (),(),()得 : M/ () 其中機(jī)器人的總質(zhì)量為 。 (6)環(huán)境適應(yīng)性， 驅(qū)動(dòng)電機(jī)要有良好的環(huán)境適應(yīng)性，往往比一般的電動(dòng)機(jī)的環(huán)境要求高許 。電機(jī)參數(shù)為：額定電壓 12V，空載轉(zhuǎn)速 5500rpm，轉(zhuǎn)矩 ，輸出功率 。 電路圖如 圖 所示。輸出端需要一個(gè)至少 10uF 的鉭電容來(lái)改善瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性。非完整約束是指同時(shí)限制空間 位形及運(yùn)動(dòng)速度，并且不能通過(guò)積分轉(zhuǎn)化為空間位形的約束。由于 Pfaffian 約束只是限制了系統(tǒng)的許可速度，而不是必需的位形，所以不能將其表示為位形空間的代數(shù)約束。式（ ）所示系統(tǒng)的允許軌跡就可寫(xiě)成控制系統(tǒng)的可能解： = () 也就是說(shuō)，對(duì)于某種控制 ∈ R，當(dāng)且僅當(dāng) q(t)滿足式 ()時(shí)， q(t)是系統(tǒng)的可行軌 跡。 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型 本文研究的機(jī)器人是三輪 式 移動(dòng) 機(jī)器人，這樣 可以把整個(gè) 移動(dòng)機(jī)器人 看作一個(gè)剛體，車(chē)輪看作 剛性輪，并且在運(yùn)動(dòng)不是太快且 轉(zhuǎn)彎半徑較大時(shí)，不考慮車(chē)輪與地面?zhèn)认蚧瑒?dòng)的情況，為了更好地研究移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，我們建立一個(gè)三輪 式 的數(shù)學(xué)模型。 ??是車(chē)體前進(jìn)方向相對(duì)于 X 軸的方位角， ??是前輪相對(duì)于車(chē)體的轉(zhuǎn)向角。 當(dāng) ?? （ k??/2,k??/2） ,k=1,3,5,…,時(shí)，可采用如下?tīng)顩r變換： 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 19 頁(yè) 共 54 頁(yè) () 和輸入變換 () 將式（ ）所 示的可以動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程轉(zhuǎn)化為如下的鏈?zhǔn)较到y(tǒng)方程： () 顯然式（ ）為式 ()所示一般鏈?zhǔn)较到y(tǒng)在 n=4 時(shí)的特 。 （ 2）移動(dòng)機(jī)器人在坐標(biāo)系中的位姿規(guī)劃點(diǎn)是機(jī)器人底盤(pán)的中心，也是其質(zhì)心。當(dāng)移動(dòng)機(jī)器人處于 A點(diǎn)時(shí)，通過(guò)傳感器感應(yīng)在 C 點(diǎn)有障礙物，一下推導(dǎo)移動(dòng)機(jī)器人從 A點(diǎn)繞過(guò)障礙物到達(dá) B點(diǎn) 的避 障路徑。則其繞過(guò)障礙物的臨界路徑為以 C為圓心，半徑為 的半圓。 則： () 式中： v機(jī)器人的前進(jìn)速度； 機(jī)器人的姿態(tài)角的變化率 。 對(duì)于任意給定的路徑 （ f,x,y） =0，尋找反饋控制量 u=u(x,y, )，使系統(tǒng)朝期望的幾何路徑運(yùn)動(dòng)，即對(duì)任意給定的 0，存在正的常數(shù) T0，使得時(shí)間 tT，（ f,x,y） ,即 f[(x,t),(y,t)] 。 本章 主要內(nèi)容對(duì)機(jī)器人進(jìn)行了路徑規(guī)劃和路徑跟蹤控制。 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 27 頁(yè) 共 54 頁(yè) 圖 智能機(jī)器人小車(chē)控制系統(tǒng)總體框圖 其中，微控制器模塊是系統(tǒng)的核心，主要進(jìn)行各種信息、數(shù)據(jù)的處理，協(xié)調(diào)系統(tǒng)中的各個(gè)功能模塊完成預(yù)定的任務(wù)；模糊避障模塊由超聲波傳感器組成，主要負(fù)責(zé)移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的障礙物距離檢測(cè)；電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊負(fù)責(zé)移動(dòng) 機(jī)器人左右輪的獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，主要由功率轉(zhuǎn)換模塊和微處理器內(nèi)置的 PWM 單位組成，實(shí)現(xiàn)左右輪的差動(dòng)控制；測(cè)速模塊由增量式編碼器組成，用于左右輪轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)向的實(shí)時(shí)測(cè)量，以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制；電源模塊負(fù)責(zé)整個(gè)移動(dòng)機(jī)器人的電源供給，由 12V 蓄電池和調(diào)壓電路組成。 因此，合理選用控制系統(tǒng)的 核心控制器，對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要?；谏鲜鲂枨蠓治?，經(jīng)過(guò)全面調(diào)研、反復(fù)比較，最終選用了 ATMEL 公司的 ATmega8515L 型微控制器作為本系統(tǒng)的控制核心。在 AVR 片內(nèi)還集 成了一個(gè) 1MHz 獨(dú)立的時(shí)鐘電路，它僅供片內(nèi)的看門(mén)狗定時(shí)器（ WDT）使用。 EEPROM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可用于存放一些需要掉電保護(hù)且比較固定的系統(tǒng)參數(shù)、表格等。其