【正文】 1路的控制信號為例，具體關系見表 。故本設計中，采用 PWM控制方式實現(xiàn)電機調(diào) 。一種是開關周期恒定，通過改變導通脈沖寬度來改變占空比的方式，即脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation，即 PWM)；另一種方式為導通脈沖寬度恒定，通過改變開關頻 率 (f=1/T)來改變占空比，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 為電機工作控制端分，通過不同的電壓邏輯組合，分別決定 兩個電機的轉(zhuǎn)向； ENABLE ENABLE2 為電機工作使能端，分別連接至微控制器的兩路 PWM 輸出信號。將調(diào)制后的超聲波發(fā)射出去，若能檢測到 被測物體反射回來的超聲波回波延遲時間，即可計算出被測物體的距離。 40KHz脈沖信號由 Atmega8515L 產(chǎn)生，其脈沖寬度及脈沖間隔均由軟件控制?？紤]到單一傳感器探測的局限性，在實際應用中，往往通過運用多個傳感器 來進行信息補償。 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)帶預減量數(shù)據(jù)間接尋址； (8)帶后增量的數(shù)據(jù)間接導址； (9)常量尋址； 移動機器人控制系統(tǒng)研究 第 32 頁 共 54 頁 (10)程序直接尋址； (11)程序間接尋址； (12)程序相關尋址 。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，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 個存儲器之間互相獨立，物理結構也不相同。系統(tǒng)時鐘 為控制器提供時鐘脈沖，是控制器的心臟。此外，為便于 日后擴展移動機器人的功能，微控制器應具有較強的 I/O 能力。與 CPU 相比， MCU 的最大特點是使 PC機單片化，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)主要由以下模塊構成：微控制器模塊、模糊避障模塊、電機驅(qū)動模塊、測速模塊、電源模塊、存儲模塊等部分。 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 式 ()的兩 個根 為兩個不相等的實根時， z= () 當式 ()的兩個根 為兩個相等的實根時，即 時， z= () 當式 ()的兩個根 為一對共軛復根，即 = 時， z= () 對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 t 時， z 0, 0,意味著機器人的位置收斂到期望路徑上，且其運動方向為期望路徑的切線方向，并且其衰減的速度由 共同決定?？梢赃x擇合適的控制量 v，實現(xiàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)移。 華北科技學院畢業(yè)設計 第 23 頁 共 54 頁 圖 時的路徑設計 路徑跟蹤控制又稱為軌跡控制 ，沿著所 設計的幾何路徑進行移動控制的基本思路是先求出軌跡目標值和現(xiàn)時位姿的偏差，然后發(fā)出一個控制命令，發(fā)送給機器人的控制系統(tǒng)，使其偏差減小。所以過 A 點做一圓心在垂直于 的直線 上的圓切于以 為半徑的圓，如圖 所示。 華北科技學院畢業(yè)設計 第 21 頁 共 54 頁 如果環(huán)境事先對機器人系統(tǒng)來說是未知的或部分未知的，但機器人配備有實時的傳感器，則路徑規(guī)劃是動態(tài)進行的，并表現(xiàn)出一種“ 探索性 ” 的特點。路徑規(guī)劃是移動機器人導航技術中不可缺少的重要組成部分，它反映了機器人在運動過程中與周圍環(huán)境的交互能力，是移動機器人完成任務的基礎和安全保障。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)動輪 )的半徑。 非完整系統(tǒng)與鏈式系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換 在非完整系統(tǒng)的研究中，鏈式系統(tǒng)具有重要的意義。而非完整系統(tǒng)則不然，每個時刻的運動并非任意，只有滿足非完整約束才行。而對于由微分方程和時間描述的速度約束則存在可積性的問題。 移動機器人的運動 學 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。電源部分：在車架上面有一個可以安裝 6節(jié)電池的電池盒，整個小車的電源就是由它來提供的。該直流伺服電機具有優(yōu)良的速度控制性能，具體來說，它有下列優(yōu)點： (1)具有較大的轉(zhuǎn)矩，以克服傳動裝置的摩擦轉(zhuǎn) 矩和負載轉(zhuǎn)矩； (2)調(diào)速范圍寬，且運行速度平穩(wěn)； (3)具有快速響應能力，可以適應復雜的速度變化； (4)電機的負載特性硬，有較大的過載能力，確保運行速度不受負載沖擊的影響。 (3)可靠性，電動機的可靠性關系到整個機器人的可靠性。 由主動輪受力分析可以得到： () () 其中 為驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)動慣量。移動機器人采用基于長方形底座的車架，驅(qū)動輪安裝于車架底部，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。四輪機構采用不同的方式實現(xiàn)驅(qū)動和轉(zhuǎn)向，既可以使用后輪分散驅(qū)動，也可以用連桿機構實現(xiàn)四輪同步轉(zhuǎn)向，這種方式比僅有前輪轉(zhuǎn)向的方式可以實現(xiàn)更小的轉(zhuǎn)彎半徑，且穩(wěn)定性好，但其機構相對復雜。輪式移動機構是移動機器人中應用最多的一種機器人，在相對平坦的地面上，用車輪移 動的方式是相當優(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大的技巧，對于那些殘疾人士來說，靈活自如的駕駛這類輪椅將有一定的難度。 （ 4）網(wǎng)絡機器人 隨著計算機網(wǎng)絡的擴展延伸，網(wǎng)絡技術的發(fā)展完善，通過計算機網(wǎng)絡遙控機器人為人機交互技術、監(jiān)控技術、遠程操作技術和圖像與控制命令的網(wǎng)絡傳輸及并發(fā)多進程數(shù)據(jù)通信等通信技術提出了更高的挑戰(zhàn)。信息融合的目標是基于各傳感器分離觀測信息，通過對信息的優(yōu)化組合導出華北科技學院畢業(yè)設計 第 5 頁 共 54 頁 更多的有效信息。 路徑規(guī)劃 不論采用何種導航方式，智能移動機器人都是主要完成路徑規(guī)劃、定位和避障等任務。味覺導航的研究具有很好的研究價值，這種移動機器人可用來尋找化學藥品泄漏源。 Stanley 提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡的機器人視覺導航技術。根據(jù)路標的不同，可分為人工路標導航和自然路標導航，人工路標導航是機器人通過對人為放置的特殊標志的識別實現(xiàn)導航，雖然比較容易實現(xiàn)，但它人為地改變了機器人工作的環(huán)境。 移動機器人的分類 移動機器人可從多各方面進行分類。然而隨著機器人的不斷發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)，這些固定于某一位置操作的機器人不能完全滿足各方面的需要。近年來，智能控制的發(fā)展十分迅速，這必將促使機器人的智能化水平達到新的高度。 2）機器人具有一定程度的智能，如記憶、感知、推理、決策、學習等。自主移動機器人的目標是在沒人干預下且無需對環(huán)境做任何規(guī)定和改變的條件下，有目的移動和完成相應的任務。 移動機器人相關的主要技術 導航 移動機器人的導航方式可分為：基于環(huán)境信息的地圖模型匹配（ Map matching）導航；基于各種導航信號的路標（ landmark）導航、視覺導航和味覺導航等。 視覺導航主要完成障礙物和路標的探測及識別。該技術通過提取幾何特征、平均壓縮、向量量化和主成分提取來簡化圖像處理，實現(xiàn)實時視覺導航。定位方法根據(jù)機器人工作環(huán)境復雜性，配備傳感器 的種類和數(shù)量等不同有多種方法，主要有 :慣性定位、路標定位和聲音定位等。 全局路徑規(guī)劃包括環(huán)境建模和路徑搜索策略兩個子問題。隨著科學技術的發(fā)展，移動機器人技術也將不斷地得到完善和發(fā)展。由于移動機器人具有一般機器人所不具備的移動能力，從而使之更具備“代替人”作業(yè)的實力。 小結 本章通過對移動機器人的基礎知識，主要技術及其發(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。輪式移動機器人根據(jù)車輪的多少可分為 1輪、2輪、 3輪、 4 輪和多輪結構。 移動機器人的機械結構 輪式移動機器人（ WMR）包含一大類機械系統(tǒng)。 移動機器人機械結構圖 : 圖 驅(qū)動電機的選型 主動輪驅(qū)動電機功率的確定 在進行驅(qū)動電機功率確定的時候，我們只考慮機器人在水平路面做直線運動的情華北科技學院畢業(yè)設計 第 9 頁 共 54 頁 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/ () 其中機器人的總質(zhì)量為 。 (6)環(huán)境適應性， 驅(qū)動電機要有良好的環(huán)境適應性，往往比一般的電動機的環(huán)境要求高許 。電機參數(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。輸出端需要一個至少 10uF 的鉭電容來改善瞬態(tài)響應和穩(wěn)定性。非完整約束是指同時限制空間 位形及運動速度，并且不能通過積分轉(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)的允許軌跡就可寫成控制系統(tǒng)的可能解： = () 也就是說，對于某種控制 ∈ R，當且僅當 q(t)滿足式 ()時， q(t)是系統(tǒng)的可行軌 跡。 運動學模型 本文研究的機器人是三輪 式 移動 機器人，這樣 可以把整個 移動機器人 看作一個剛體，車輪看作 剛性輪，并且在運動不是太快且 轉(zhuǎn)彎半徑較大時，不考慮車輪與地面?zhèn)认蚧瑒拥那闆r，為了更好地研究移動機器人的運動，我們建立一個三輪 式 的數(shù)學模型。 ??是車體前進方向相對于 X 軸的方位角， ??是前輪相對于車體的轉(zhuǎn)向角。 當 ?? （ k??/2,k??/2） ,k=1,3,5,…,時，可采用如下狀況變換： 華北科技學院畢業(yè)設計 第 19 頁 共 54 頁 () 和輸入變換 () 將式（ ）所 示的可以動機器人系統(tǒng)運動學方程轉(zhuǎn)化為如下的鏈式系統(tǒng)方程： () 顯然式（ ）為式 ()所示一般鏈式系統(tǒng)在 n=4 時的特 。 （ 2）移動機器人在坐標系中的位姿規(guī)劃點是機器人底盤的中心，也是其質(zhì)心。當移動機器人處于 A點時，通過傳感器感應在 C 點有障礙物，一下推導移動機器人從 A點繞過障礙物到達 B點 的避 障路徑。則其繞過障礙物的臨界路徑為以 C為圓心，半徑為 的半圓。 則： () 式中： v機器人的前進速度； 機器人的姿態(tài)角的變化率 。 對于任意給定的路徑 （ 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動，即對任意給定的 0，存在正的常數(shù) T0，使得時間 tT，（ f,x,y） ,即 f[(x,t),(y,t)] 。 本章 主要內(nèi)容對機器人進行了路徑規(guī)劃和路徑跟蹤控制。 華北科技學院畢業(yè)設計 第 27 頁 共 54 頁 圖 智能機器人小車控制系統(tǒng)總體框圖 其中，微控制器模塊是系統(tǒng)的核心，主要進行各種信息、數(shù)據(jù)的處理，協(xié)調(diào)系統(tǒng)中的各個功能模塊完成預定的任務；模糊避障模塊由超聲波傳感器組成，主要負責移動機器人運動過程中的障礙物距離檢測；電機驅(qū)動模塊負責移動 機器人左右輪的獨立驅(qū)動，主要由功率轉(zhuǎn)換模塊和微處理器內(nèi)置的 PWM 單位組成，實現(xiàn)左右輪的差動控制；測速模塊由增量式編碼器組成，用于左右輪轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)向的實時測量，以實現(xiàn)移動機器人的運動控制；電源模塊負責整個移動機器人的電源供給，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，對系統(tǒng)的設計至關重要?；谏鲜鲂枨蠓治?，經(jīng)過全面調(diào)研、反復比較，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 1MHz 獨立的時鐘電路，它僅供片內(nèi)的看門狗定時器（ WDT）使用。 EEPROM 數(shù)據(jù)存儲器可用于存放一些需要掉電保護且比較固定的系統(tǒng)參數(shù)、表格等。其