【正文】 易燃易爆等惡劣條件下進行滅火和救援工作的移動機器人。路徑規(guī)劃是移動機器人導(dǎo)航的基本環(huán)節(jié)之一，定義是按照某一性能指標(biāo)搜索一條從起始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)的最優(yōu)或近似最優(yōu)的無碰路徑。外部傳感器主要包括：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?？刂葡到y(tǒng)的智能特征包括知識理解、歸納、推斷、反應(yīng)和問題求解等內(nèi)容。 論文的主要內(nèi)容本論文的主要內(nèi)容包括以下幾個部分：第 1 章緒論，綜述了國內(nèi)外移動機器人研究和應(yīng)用現(xiàn)狀，闡明本課題的研究背景和意義以及主要研究內(nèi)容。 本文研究的移動機器人采用車輪式移動機構(gòu)。后輪越障時，主搖臂逆時針轉(zhuǎn)動，前輪和中輪下降，后輪上升。VLR 若將式(21)代入式(22)，可得， (23)RL???vLR2??而機器人的質(zhì)心運動方程為， ， (24)?cosvx? ?siny???將式(23)代入式(24)得 (25)????????????????? ??LRLRyxsin2cosi 方程(25)中各變量相互關(guān)聯(lián)，設(shè)計控制器時比較復(fù)雜，為此，先進行解耦處理。第二章 移動機器人的機械結(jié)構(gòu)和運動學(xué)模型8第三章 移動機器人的控制系統(tǒng)設(shè)計 移動機器人控制系統(tǒng)方案在移動機器人系統(tǒng)的總體設(shè)計中，控制系統(tǒng)的設(shè)計尤為重要。其中，第三章 移動機器人的控制系統(tǒng)設(shè)計10 微控制器模塊 在本課題中，采用微控制器(MicroControllerUnit，MCU)作為移動機器人控制系統(tǒng)的核心。在硬件平臺的設(shè)計過程中，對微控制器的選型往往需要考慮諸多因素，本課題的微控制器選用依據(jù)主要包括以下幾個方面：(1) 對于微控制器類型，目前國內(nèi)外移動機器人平臺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)計采用更高檔 16 位、32 位微控制器。ATmegal6 是基于增強的 AVR RISC 結(jié)構(gòu)的低功耗 8 位 CMOS 微控制器。 ATMEGA16 微控制器最小系統(tǒng)電路ATMEGA16 微控制器最小系統(tǒng)的硬件線路，主要包括復(fù)位線路、晶振線路、AD轉(zhuǎn)換濾波線路、ISP 下載接口和 JTAG 仿真接口等幾部分。但內(nèi)置 RC 振蕩的誤差受溫度影響波動較大，并且使用內(nèi)部 RC 振蕩所產(chǎn)生的功耗遠大于使用外部晶振，故本設(shè)計采用 8M 外部石英晶振作為系統(tǒng)振蕩源。 圖 3. 4 AD 轉(zhuǎn)換濾波電路原理圖ATMEGAI6 內(nèi)帶 標(biāo)準參考電壓。 圖 3. 6 JTAG 仿真接口電路原理圖當(dāng)需要在線下載程序或調(diào)試系統(tǒng)時，需將下載電纜或調(diào)試接線一端插入目標(biāo)板相應(yīng)插座，另一端連至計算機的 25 針并口，之后啟動相應(yīng)軟件即可進行操作。現(xiàn)在，大多數(shù)應(yīng)用場合都使用電樞控制方法。電壓平均值 可用下式表示：Uav (31)UtSSonavT?? 式中 為開關(guān)每次接通的時間， 為開關(guān)通斷的時間周期， 為占空比，ton ?。本課題采用意法半導(dǎo)體公司的 L293D 專用電機驅(qū)動芯片作為移動機器人左、右驅(qū)動輪的直流電機的核心功率模塊。具體電路如圖 3. 9 所示，微控制器的硬件 PWM 輸出端口 OClA 和 OC1B 分別接至 L293D 的 ENl 和 EN2 作為使能信號，通用 IO 口 PA2 和 PA3 通過反相器邏輯處理后，接至 L293D 的 INl～IN4 控制電機轉(zhuǎn)向。輸出比較引腳 OClx 在 TCNTl 與 OCRlx 匹配時置位，在 TOP 時清零。光電編碼器的基本結(jié)構(gòu)由旋轉(zhuǎn)軸上的編碼圓盤以及裝在圓盤兩側(cè)的發(fā)光元件和光敏元件組成。 本設(shè)計中基于 T 法測量移動機器人驅(qū)動電機的實時轉(zhuǎn)速。通過對光電編碼器所輸出的相位差 90 度的兩路電壓脈沖信號 Out_A 和 Out_B 進行鑒相，就能夠判別車輪正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。 實際電路設(shè)計中，將 D 觸發(fā)器的輸出端 Wl 與微控制器 PBO 引腳連接。通過和編碼模塊配套使用的解碼模塊，即可從串行碼中分離出相應(yīng)鍵值。 編碼芯片 PT2262 發(fā)出的編碼信號由：地址碼、數(shù)據(jù)碼、同步碼組成一個完整的碼字，解碼芯片 PT2272 接收到信號后，其地址碼經(jīng)過兩次比較核對后，VT 腳才輸出高電平，與此同時相應(yīng)的數(shù)據(jù)腳也輸出高電平。BIT (K1)) {第三章 移動機器人的控制系統(tǒng)設(shè)計24//special functions for Klwhile (PINBamp。而機器人控制電路需要+5V 直流供電，驅(qū)動電機部分則需要+12V 直流供電。25 圖 3. 13 移動機器人電源部分電路原理圖 其中，Vin 引腳是未穩(wěn)壓電壓輸入端；OUTPUT 引腳是開關(guān)電壓輸出，接電感及肖特基二極管；GND 引腳是電源地；FEEDBACK 引腳是反饋輸入端，將穩(wěn)壓輸出的電壓接到反饋輸入端的目的是同內(nèi)部電壓基準比較，若電壓偏低，則用放大器來控制內(nèi)部振蕩器以提高輸出占空比，從而提高輸出電壓；ON/OFF 引腳是控制輸入端，接低電平時，穩(wěn)壓電路工作；接高電平時，穩(wěn)壓電路關(guān)斷。 (4)控制電路中，紅外一體化接收頭必須有良好的電源濾波，以減少電源紋波對傳感器內(nèi)部電路的干擾。因此，埋電池的充電電路必須符合其充電特性要求，即對停止充電的判定必須嚴格準確。通常與恒定電流充電配合使用。這個方法通常用于恒定電流充電，適用于電池的快速充電。R 的功率不小于電流的平方乘以電阻，因此必須選用合適的功率電阻，不能使用普通的 1/4W 電阻。微控制器以此電壓作為電壓不足發(fā)送聲光報警信號和停止充電的判斷依據(jù)。兩者之間使用三芯屏蔽電纜作為傳輸介質(zhì)。上位機是主控者，下位機微控制器是處于從動方式。0～655s 。引起系統(tǒng)故障的原因一般有兩大方面，一是系統(tǒng)運行的外界環(huán)境條件通過系統(tǒng)內(nèi)部反映出來的故障，二是系統(tǒng)內(nèi)部自身產(chǎn)生的故障。 正確接地是控制系統(tǒng)抑制干擾所必須注意的重要問題，在設(shè)計中若能把接地和屏蔽正確的結(jié)合，可很好地消除外界干擾的影響。 看門狗實際上是一個特殊的定時器 DogTimer, DogTimer 按固定速率計時，計滿預(yù)定時間就發(fā)出溢出脈沖，使微控制器復(fù)位。第四章 移動機器人運動控制的模糊策略研究 本課題研究的移動機器人，驅(qū)動輪由四個直流電機和四個步進電機分別驅(qū)動，采用左右輪差速實現(xiàn)機器人的運動速度和方向的控制。一般的工業(yè)生產(chǎn)過程較多屬于線性定常系統(tǒng)。因此，采用經(jīng)典控制或現(xiàn)代控制方法都無法解決問題。因為人腦的重要特點之一就是有能力對模糊事物進行識別與判決，看起來似乎不確切的模糊手段常?？梢赃_到精確控制的目的。 與常規(guī)的控制系統(tǒng)相比較，模糊控制系統(tǒng)的主要特點是： (1) 模糊控制系統(tǒng)可以解決復(fù)雜系統(tǒng)的控制問題。 模糊控制的基礎(chǔ)知識 模糊數(shù)學(xué)理論是模糊控制理論的基石。 為了表述帶有模糊性的事務(wù)和概念，需要引入模糊集合。但自然界中更多的事物不具有明確的分界線，即模糊的。把元素對概念的符合程度看作元素對集合的隸屬程度，那么指定各個元素的隸屬度也就指定了一個集合，因此模糊集合完全由其隸屬函數(shù)所刻畫，模糊集合的運算也通過隸屬函數(shù)的運算來刻畫。在模糊控制中，采樣的輸入量總是精確量，要利用模糊邏輯推理方法，就必須首先把輸入的精確量模糊化。它由被控過程和模糊控制器構(gòu)成。例如，在室溫控制問題中對溫度的控制有如下描述：如果室溫很低，室溫還在微量降低，則全力加熱；如果室溫適中，室溫不再變化，則不加熱；如果室溫偏高，室溫微量上升，則中等降溫；如果室溫較高，室溫不再變化，則微量降溫；如果室溫較高，室溫微量上升，則中等降溫。 圖 模糊控制器組成綜上所述，模糊控制算法可概括為以下四個步驟： (l)根據(jù)本次采樣得到的系統(tǒng)的輸出值，計算所選擇的系統(tǒng)的輸入變量； (2)將輸入變量的精確值變?yōu)槟：浚? (3)根據(jù)輸入變量 (模糊量) 和模糊控制規(guī)則，按模糊推理合成模糊控制規(guī)則計算控制量(模糊量 )； (4)由上述得到的控制變量(模糊量) 計算精確的控制量。因此，模糊控制器組成模糊化 模糊推理 去模糊化輸入 輸出第四章 移動機器人運動控制的模糊策略研究40從形式上看，這里輸入量應(yīng)該是三個，但是人們習(xí)慣于稱它為單變量模糊控制系統(tǒng)。 模糊化就是通過在輸入論域上定義語言變量，將精確的輸入值轉(zhuǎn)換為模糊的語言值。設(shè) ；按以ke kXiei??下三種情況處理：若 n，則 量化后的結(jié)果為 n；若 n，則 量化后的結(jié)果iei ii為n；否則 ，可以采用四舍五入的方法對取整 ，得到 的量化結(jié)果。 在根據(jù)語言變量的定義對輸入量進行模糊化之后，接下來的步驟即為模糊推理。模糊推理首先計算控制規(guī)則庫中每條規(guī)則的滿足程度(條件聚合)，然后根據(jù)條件的滿足程度推斷單一規(guī)則輸出的大小(推斷)。 一般將其語言變量的值劃分為 7 類：“正大”(PB)， “正中”(PM)， “正小”(PS)，“零”(ZE)， “負小”(NS) ， “負中”(NM)和“負大”(NB)。設(shè)誤差 e、誤差變化率 ec、控制量 u 的基本論域分別為：{emax，emax}、{eCmaxf，ecmax}和{umax, umax}。一般情況下，一維模糊控制器用于一階被控對象，由于這種控制器輸入變量只選一個誤差，它的動態(tài)控制性能不佳。從線性控制與非線性控制的角度分類，模糊控制是一種非線性控制；從控制器的智能性看，模糊控制屬于智能控制的范疇。如果用T 代表室溫，dT 代表室溫變化，du 代表加熱的大小，再為每個輸入輸出量定義出相應(yīng)的語言值模糊集： 室溫 T={NB：很低， ZE：適中，PS：偏高，PM：較高}； 室溫變化 dT={Ns：微量降低，ZE：適中 PS：微量上升}； 溫控量 du={NB：全力加熱， ZE：不加熱 NS：微量降溫，NM：中等降溫}； 則可將上述語一言描述改寫成為： if T=NB and dT=NS then du=PB； or if T=ZE and dT=ZE then du=ZE； or if T=PS and dT=PS tehn du=NM； or if T=PS and dT=ZE then du=NS；39 上式模型稱為溫控模糊控制規(guī)則庫。模糊控制器的輸出則是被控系統(tǒng)的調(diào)節(jié)量輸入。其作用是把模糊值進行肯定化處理，對模糊值作出傾向性判斷。為了對模糊的自然語言形式化和定量化，進一步區(qū)分和刻畫模糊值的程度，常常還借用自然語言中的修飾詞，諸如“較” 、 “很” ，還有“稍微” 、“相當(dāng)” 、 “極” 、 “大約” 、 “近似” 、 “傾向于”等來描述模糊值。在模糊邏輯中，事件不以集合的極限值分類，而是給每一個元素賦于一個介于 0 和 1 之間的實數(shù)，描述其屬于一個集合的強度。在本質(zhì)上，普通集合第四章 移動機器人運動控制的模糊策略研究36只是模糊集合的特殊情況。模糊理論是建立在模糊邏輯的基礎(chǔ)之上，描述和處理人類語言所特有的模糊信息的理論。模糊控制建立在對過程控制的語言型經(jīng)驗之上，不需要精確的數(shù)學(xué)模型。這些經(jīng)驗包括對被控對象的特征的了解、在各種情況下相應(yīng)的控制策略以及性能指標(biāo)判據(jù)。使運動控制系統(tǒng)兼顧了實時性高、高的穩(wěn)定性等設(shè)計要點，并可通過模糊控制規(guī)則庫的擴充，為該運動控制系統(tǒng)方便添加其他功能。其調(diào)節(jié)品質(zhì)取決于 PID 控制器各個參數(shù)的整定。 例如，在電量充足的情況下，按照預(yù)編程序，移動機器人每接收到右轉(zhuǎn)指令，轉(zhuǎn)彎角度可達到 90 度；但如果電量不足，轉(zhuǎn)彎角度就很有可能連 60 度都達不到。清零脈沖由微控制器發(fā)出，在程序中每隔一段語句放一個清 DogTimer 的喂狗語句，以保證程序正常運行時 DogTimer 不會溢出，一旦程序進入一個不含喂狗語句的死循環(huán)，DogTimer 將溢出，導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)位，跳出這個死循環(huán)，由初始化部分開始重新執(zhí)行。 (3)抑制自感電動勢干擾 在本系統(tǒng)中，使用了電動機這種具有較大電感量的器件。由系統(tǒng)內(nèi)部引起故障的因素有：元器件的失效、焊接點的虛焊脫焊、接插件的導(dǎo)電接觸面的氧化或腐蝕、線路連接線的開路或短路等等。 微控制器部分采用中斷方式接收上位機傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，以保證通信的實時性。數(shù)據(jù)內(nèi)容選用定長幀結(jié)構(gòu)存儲。此處選用 MAXIM 公司生產(chǎn)的 MAX232 芯片實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。unsigned int read_ adc (unsigned char adc_ input)//查詢方式讀取 ADC 單端通道{ ADMUX= (Oxc0︱adcinput)；//adc_input:單端通道 Ox00～Ox07 //Oxc0；//選擇內(nèi)部 2. 56V 參考電壓第三章 移動機器人的控制系統(tǒng)設(shè)計28 ADCSRA=(1ADSC)；//啟動 AD 轉(zhuǎn)換while ((ADCSRAamp。 開關(guān) Sl 為繼電器的動作端，當(dāng)停止充電時 Sl 開路。溫度超出設(shè)定值時任何電池都得停止充電。為了防止充電時電流過大導(dǎo)致電池過熱，此時電流限制是非常關(guān)鍵的。有時候溫度不容易測得，但可以測得電壓，或者是其他情況。設(shè)計中，上述功能主要通過電池電壓檢測、電池充電電路及聲光報警電路三部分實現(xiàn)。根據(jù)輸出的電壓檔次、最大輸入電壓 Vin(MAX)、最大負載電流ILoad( MAX )等參數(shù)選擇電感時可參照產(chǎn)品手冊上相應(yīng)的電感曲線圖來查找所需采用的電感值