【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 5 二、移動(dòng)機(jī)器人模型介紹 （一） 先鋒 3系列機(jī)器人平臺(tái)介紹 先鋒 3 系列機(jī)器人是 Mobile Robots 生產(chǎn)的自主式室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人。先鋒 3系列機(jī)器人比大多數(shù)機(jī)器人小，如圖 21，但是在 它的內(nèi)部高度集成了智能移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)，而它的能力完全可以與那些體積笨重價(jià)格昂貴的設(shè)備相匹敵。 圖 21 先鋒 3 系列機(jī)器人 Amigo 外形及物理尺寸 1. Amigo 機(jī)器人硬件系統(tǒng) Amigo 機(jī)器人體積較小，靈活方便，功能強(qiáng)大，為廣大學(xué)校用于研究開(kāi)發(fā)。其長(zhǎng)為 33cm，寬為 28cm，高為 13cm，重為 ，可載重 30kg，最大平移速度 750mm/sec，最大旋轉(zhuǎn)速度 300deg/sec。它提供了內(nèi)嵌 SH2 微控制器，負(fù)責(zé)底層數(shù)據(jù)處理和命令執(zhí)行，如獲取傳感器信息，小車(chē)位置信息等等，具有更快捷的處理速度 和更強(qiáng)大的擴(kuò)展能力。 Amigo 機(jī)器人具有一個(gè)萬(wàn)向輪和兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，其中萬(wàn)向輪僅僅起到支撐作用，而驅(qū)動(dòng)功能和導(dǎo)向作用則由驅(qū)動(dòng)輪來(lái)完成。每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪配有一個(gè)電機(jī)， 每臺(tái)電機(jī)配備高分辨率光學(xué)編碼器，可以準(zhǔn)確定位，速度測(cè)量，以及更先進(jìn)的計(jì)算。ARCOS 驅(qū)動(dòng)服務(wù)器使用一個(gè)普通的比例－微分－積分（ PID）控制系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的 PWM 脈沖寬度以平滑電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。電機(jī)運(yùn)行周期為 50 微秒（ 20KHZ）；脈沖寬度由 0500 表示 0100％的占空比周期。 ARCOS 驅(qū)動(dòng)服務(wù)器每 5 毫秒便會(huì)根據(jù)車(chē)輪編碼器的反饋再次計(jì)算并且 調(diào)整機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡。 此外該機(jī)器人還配備有 8 個(gè)聲吶測(cè)距裝置，其分布如圖 22 所示，在前方不均勻的分布著 6 個(gè)聲吶裝置，用于檢測(cè)前方、左前方、左方、右前方、右方的障礙物，在后方有兩個(gè)聲吶裝置用于檢測(cè)后方的障礙區(qū)。 Amigo 機(jī)器人的聲吶測(cè)量距離的范圍為 10cm（ 6 英寸）至 5m，這決定于測(cè)量速度。 6 圖 22 Amigo 聲吶分布 2. Amigo 機(jī)器人軟件系統(tǒng) 機(jī)器人控制器軟件系統(tǒng)包括 ARIA 和 ARNL，機(jī)器人客戶端軟件系統(tǒng)包括MobileSim、 MobileEyes、 Mapper3 等等。 Aria 軟件功能強(qiáng)大，使用方便，簡(jiǎn)單，因而具有更強(qiáng)的適應(yīng)性，可用于先鋒系列機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制。 Aria 基于 C++編程語(yǔ)言，為面向?qū)ο蟮?，是高端軟件編?xiě)的理想選擇， Aria 由 Mobile Robots 開(kāi)發(fā)，作為應(yīng)用程序接口（ API），非常方便 Amigo 機(jī)器人應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)與研究。 ARNL軟件開(kāi)發(fā)包主要是用于 Mobile Robots 機(jī)器人平臺(tái)定位及自主導(dǎo)航。 移動(dòng)機(jī)器人的仿真軟件種類(lèi)較多，各有優(yōu)缺點(diǎn)， Amigo 機(jī)器人使用的是操作簡(jiǎn)單的 MobileSim仿真軟件。 MobileSim工作界面簡(jiǎn)單，容易上手。我們?cè)谶M(jìn) 行機(jī)器人仿真之前首先應(yīng)打開(kāi) MobileSim仿真軟件，這樣才能和機(jī)器人建立連接，由于 MobileSim主要加載工作環(huán)境地圖和機(jī)器人，并實(shí)時(shí)顯示機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡，因此應(yīng)先繪制地圖。借助 Mapper3 繪圖軟件，可以方便地繪制機(jī)器人的工作環(huán)境地圖，需要注意的是，為方便實(shí)物仿真，我們?cè)诶L制機(jī)器人的真實(shí)工作環(huán)境時(shí)，必須做到準(zhǔn)確無(wú)誤，否則實(shí)驗(yàn)結(jié)果就會(huì)出現(xiàn)偏差。 MobileEyes 是更為高級(jí)的仿真軟件，主要應(yīng)用于機(jī)器人的導(dǎo)航與定位，本文關(guān)于移動(dòng)機(jī)器人的路徑規(guī)劃就用到了上述軟件，特別是 MobileEyes 仿真軟件。 （二） 先鋒 3系列機(jī)器人工作原理 1. Amigo 機(jī)器人的 CS 關(guān)系 機(jī)器人本體上包括所有的傳感器、執(zhí)行器、電源等附屬設(shè)備及 SH2 單片機(jī)構(gòu)成下位機(jī)，一般我們使用的 PC 作為上位機(jī)。上 /下位機(jī)構(gòu)成 Client/Server 結(jié)構(gòu)。如圖 23 所示。 7 圖 23 Amigo 機(jī)器人 CS 結(jié)構(gòu) 下位機(jī)負(fù)責(zé)執(zhí)行底層任務(wù)，包括機(jī)器人運(yùn)動(dòng)指令，獲取傳感器信息，計(jì)算各種位置信息，驅(qū)動(dòng)附件設(shè)備以及處理上位機(jī)發(fā)出的控制指令等等，上位機(jī)即主機(jī)主要執(zhí)行應(yīng)用層次的任務(wù)，包括障礙物的檢測(cè)與避障，傳感器耦合，定位、導(dǎo)航等等。當(dāng)上位 機(jī)和下位機(jī)建立連接之后，上位機(jī)可以仿真一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上的機(jī)器人服務(wù)器，或者直接利用獲得的信息控制機(jī)器人。 2. Amigo 機(jī)器人的通訊 Amigo 機(jī)器人與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接方式主要有三種（如圖 24）：一是通過(guò)串行口建立連接，該方法連接簡(jiǎn)單，只需要一條串口連接線，即可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接，但受到串口線的限制，計(jì)算機(jī)對(duì)機(jī)器人控制不方便；二是通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)建立連接，機(jī)器人和計(jì)算機(jī)之間需要借助無(wú)線路由器建立連接，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制，該方法應(yīng)用較多； 第三，車(chē)載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，機(jī)器人配備了一個(gè)嵌入式計(jì)算機(jī)主板，主 板上有一個(gè)傳統(tǒng)的鍵盤(pán)，鼠標(biāo)，顯示器接口， 0/100M自適應(yīng)網(wǎng)卡， 4 個(gè) COM 口， 2 個(gè) USB 口， PC104/PC104+擴(kuò)展總線等設(shè)備。 圖 24 Amigo 機(jī)器人連接方式 Aria 幫助用戶實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的應(yīng)用程序與下位機(jī) Firmware 的通訊以及應(yīng)用程序與下位機(jī) Firmware 的通訊，其中也包含了對(duì)下位機(jī)附件設(shè)備的通訊和管理。ArRobot 類(lèi)是 Aria 的核心，管理著 Client 與 Server 的通訊周期、讀取機(jī)器人平臺(tái)的運(yùn)行狀態(tài)信息、觸發(fā)通訊周期內(nèi)的特定任務(wù)等工作內(nèi)容。 機(jī)器人的通訊即為建立 ArRobot 實(shí)例與機(jī)器人平臺(tái) OS（也即 Firmware）的 8 連接關(guān)系。這里的機(jī)器人平臺(tái)包含了機(jī)器人本體以及從機(jī)器人本體上的 AUX 端 口、模擬 /數(shù)字 IO 擴(kuò)展出的附件設(shè)備（例如：聲吶、抓持器、 PTZ 云臺(tái)、先鋒 手臂、羅盤(pán)等）。 ArRobot 實(shí)例可以與機(jī)器人 Firmware 建立連接，也可以與仿真器建立連接，建立連接的過(guò)程由 ArRobotConnector 類(lèi)實(shí)現(xiàn)。 ArRobotConnector 建立 ArRobot 的連接時(shí)，首先會(huì)嘗試通過(guò)本地 TCP 端口建立與 MobileSim 的連接，如果不成功則會(huì)進(jìn)一步建立與 Firmware 的本地串口（ COM1）連接。 機(jī)器人 Client 與 Server 之間通訊傳輸?shù)幕締挝皇欠舷蠕h數(shù)據(jù)協(xié)議的數(shù)據(jù)包，基本過(guò)程： Client 發(fā)送指令數(shù)據(jù)包（ Command Packets ）給機(jī)器人，來(lái)控制機(jī)器人平臺(tái)。 Server 端則將機(jī)器人狀態(tài)信息數(shù)據(jù)包（ Server Information Packets ，即 “SIPs”) 發(fā)給 Client 端，應(yīng)用程序解讀分析機(jī)器人狀態(tài)信息進(jìn)行計(jì)算。 SIPs 包含了機(jī)器人及附件設(shè)備的狀態(tài)信息，每 100ms 由 Server 向 Client 發(fā)送一次。 SIPs 包含的具體內(nèi)容有機(jī)器人的當(dāng)前位置以及預(yù)期位置、平移和旋轉(zhuǎn)速度、聲吶信息、電池電壓、模擬及數(shù)字 I/O 狀態(tài)信息等。這些數(shù)據(jù)信息通過(guò) ArRobot的狀態(tài)映射表來(lái)實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)和使用。 3． Amigo 機(jī)器人的任務(wù)周期 SIPs 是以一定的周期發(fā)送的， Aria 每收到一個(gè) SIP 就會(huì)觸發(fā)一個(gè) ArRobot任務(wù)處理周期。每個(gè)任務(wù)周期處理的任務(wù)有： SIP 數(shù)據(jù)包解析、傳感器數(shù)據(jù)處理、機(jī)器人行為處理、狀態(tài)映射、用戶任務(wù)處理。任務(wù)周期如圖 25 9 圖 25 Amigo 機(jī)器人任務(wù)周期 （三）移動(dòng)機(jī)器人的坐標(biāo)系 移動(dòng)機(jī)器人要完成避 障，實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃，首先需對(duì)移動(dòng)機(jī)器人有一個(gè)準(zhǔn)確的定位，這就要用到移動(dòng)機(jī)器人的坐標(biāo)系問(wèn)題。常用的移動(dòng)機(jī)器人坐標(biāo)系有兩種，分絕對(duì)坐標(biāo)系和相對(duì)坐標(biāo)系，一般使用絕對(duì)坐標(biāo)系。而 Amigo 機(jī)器人使用聲吶測(cè)距，光電編碼器確定位置，所測(cè)得位置信息多為相對(duì)于小車(chē)的，為相對(duì)坐標(biāo)，因此需要進(jìn)行坐標(biāo)變化。由光電編碼器的值計(jì)算得到是移動(dòng)機(jī)器人的內(nèi)部坐標(biāo)位置