【正文】 設在超聲波返回的距離處，傳感器波束角對應的弧長范圍內(nèi)存在障礙的概率呈均勻分布，且概率總和為 1，基于 DSP 的履帶機器人避障系統(tǒng)研究 第三章 避障方法設計 23 某一超聲傳感器在某一時刻對環(huán)境進行探測，第 (i, j)個柵格有三種可能狀態(tài)，即存在障礙物 (full)、不存在障礙物 (empty)或不確定，如圖 所示。由于超聲波的方向分辨率低，無法確定此點在此段弧的具體哪一點。有效測量范圍為 ~，每兩個傳感器間隔角為 23176。當不考慮履帶的滑移時， 假設履帶機器人向右轉(zhuǎn)，則 外側履帶的速度 1v 和內(nèi)側履帶的速度 2v 分別是： 11vr?? 公式 （ ） 22vr?? 公式 （ ） 式中， r －主動輪半徑 （ m） 2? －內(nèi)側 （ 轉(zhuǎn)彎側 ） 主動輪的角速度 （ m/s） 被控 對 象 定位系統(tǒng) 路線 比較 控制 算法 預定路徑 左履帶驅(qū)動 右履帶驅(qū)動 左履帶速度 1v 右履帶速度 2v ? ?,xy e ? 電機驅(qū)動 電機驅(qū)動 磁通門羅盤 基于 DSP 的履帶機器人避障系統(tǒng)研究 第三章 避障方法設計 22 1? －外側主動輪的角速度 （ m/s） 當考慮到履帶的滑移 1i ， 2i 時，則上面兩式應改寫為： 1 1 1(1 )v r i??? 公式 （ ） 2 2 2(1 )v r i??? 公式 （ ） 履帶機器人 速度與內(nèi)外履帶速度的關系為： 122vvv ?? 公式 （ ） 履帶機器人 轉(zhuǎn)向的角速度與內(nèi)外履帶速度的關系為： . 12vvB? ?? 公式 （ ） 式中， B為履帶中心距 （ m） 。故外層屬于 履帶機器人 導航部分。 基于 DSP 的履帶機器人避障系統(tǒng)研究 第三章 避障方法設計 21 第三章 履帶機器人 避障 方法設計 履帶機器人避障控制的總體框圖 圖 硬件控制總體框圖 首先履帶機器人在馬達的驅(qū)動下，左右履帶分別產(chǎn)生 速度 1v ， 2v 之后履帶機器人的位置 (, )xy 可由跟蹤定位系統(tǒng)測定，方向角 ? 可由磁通門羅盤測定。本文控制電路 PCB的線路設計遵循以下原則 ： （ 1） 根據(jù)電路功能要求，按功率大小、信 號強弱與性質(zhì)等因素，進行分區(qū)布置，盡可能將強弱電信號分開，將數(shù)、模信號電路分開，完成同一功能的電路應盡量按電路工作順序排列，安排在一定的范圍內(nèi)，從而縮短引線并減小信號環(huán)路面積 ； （ 2） 各部分電路的濾波網(wǎng)絡必須就近連接，以減小輻射和被干擾的幾率，提高電路的抗干擾能力 ； （ 3） 使電源線、地線的走向和數(shù)據(jù)傳遞的方向一致 ； （ 4） 所布信號線應盡可能短，并盡量減少過孔數(shù)目，同時，信號線應盡量靠近地線，信號線之間布局垂直，并遠離大電流信號線及電源線 ； （ 5） 各模塊之間最好能以地線進行隔離，防止相互之間的信號禍合效應 ； （ 6） 不相容的信號線應盡量相互遠離，而且盡量避免平行走線， PCB 正反兩面的信號線應相互垂直。 （ 7） 電源線的布置除了要根據(jù)電流的大小，盡量加粗導體寬度外，采取使電源線、地線的走向與數(shù)據(jù)傳遞的方向一致，將有助于增強抗噪聲能力。 （ 3） 對于 F2812，采用 DC/DC 模塊電源單獨供電，減小主電路對 DSP 的影響。任何電源及輸電線路都存在內(nèi)阻，正是這些內(nèi)阻才引起了電源的噪聲干擾。如果抗干擾性不好，將引起諸如測量數(shù)據(jù)精度不夠、所測數(shù)據(jù)值不穩(wěn)定、系統(tǒng)電壓偏移無法正常工作以及可能導致系統(tǒng)軟件無法運行等問題，甚至還會造成元件損壞。其中輸入端是來自采樣電阻的壓降信號。 圖 系統(tǒng)測速電路原理圖 電流采樣電路 TMS320F2812 中的 ADC 轉(zhuǎn)換器是一個帶有 16 通道的 12 位擻數(shù)轉(zhuǎn)換器，可配置為兩個獨立的 8 通道模塊，方便為 EVA 和 EVB 服務。PWM1~PWM4 用來輸出 4 路 PWM 脈沖給電機，因此可以由 EVA 定時器 1 提供時基。電機測速部分由一個霍爾開關和信號放大電路組成。同理兩組功率驅(qū)動電路分別接收 EVA 和 EVB 傳送的 PWM 控制信號，驅(qū)動左右輪電機運轉(zhuǎn)。采用雙極性 PWM 驅(qū)動 H 橋結構電路。 電機 的選擇與 功率驅(qū)動主回路設計 車輪電機功率驅(qū)動主回路主要由驅(qū)動模塊和檢測模塊等部分組成，由于機器人有左右兩組電機，可以設計利用 DSP 的兩個事務管理器模塊分別控制兩組電機 。 圖 磁接近開關安裝示意圖 履帶機 器人 測速原理如下：把磁接近開關傳感器作為變送器，安裝在左右兩條履帶驅(qū)動輪軸上 (如圖 ，當驅(qū)動輪帶動履帶行走轉(zhuǎn)動時，固定在其上的導磁探測桿同步轉(zhuǎn)動，順次通過磁接近開關，發(fā)出開關量速度檢測信號。齒盤轉(zhuǎn)動，齒盤中的齒和間隙交替通過永久磁鐵的磁場，從而不斷改變磁路的磁阻，通過磁阻的改變而使磁通量發(fā)生變化，感應出一定幅度的脈沖電勢，該脈沖電勢的頻率等于磁阻變化的頻率，其頻率跟旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)速成正比。它與磁羅經(jīng)羅盤、電位計羅盤相比，其主要特點是：靈敏度高、可靠性好、體積小、起動快、重量輕、結構簡單，適于測弱磁。依據(jù)的原理是聲波與目標之間的距離與聲波在聲源與目標之間的傳播的時間成正比。薄片和后板構成了一個電容器，當給薄片加上頻率 50kHz，電壓峰值為 300V 的方波電壓時，薄片以同樣的頻率震動，產(chǎn)生頻率為 50kHz 的超聲波。測距原理如圖 所示。 傳感器的選擇與介紹 聲納傳感器 聲納傳感器 [25~27]是利用超聲波原理研制成的超聲波是一種震動頻率高于聲波的機械波。外部存儲器接口譯碼通過 XC95144XL 來完成。 F2812 能夠內(nèi)部產(chǎn)生外部接口的等待周期。 TMS320F2812 強大的功能使其能滿足嵌入式智能控制單元的設計要求，比起TMS320C240X 系列來講，各項性能指標都有了顯著的提高，提供了足夠的處理能力，使一些復雜的實時控制算法的應用成為可能。具有成本低，功耗小，改進的并行結構，高性價比的優(yōu)點，在與現(xiàn)有的 C240x 系列 DSP 芯片代碼兼容的同時，還具有靈活的指令集，更快的運算速度，更高的外設集成度，更大的數(shù)據(jù)程序存儲量，更精確快速的 A/D 轉(zhuǎn)換等主要特點，成為信號處理及控制應用技術的理想選擇。 履帶機器人 DSP 控制器 的選擇與介紹 履帶機器人 DSP 控制器的設計是機器人控制系統(tǒng)的核心部分，系統(tǒng)的結構框圖如圖所示。電流檢測的方法有電阻檢測、霍爾電流傳感器等各種 不同的方法，本系統(tǒng)采用了霍爾電流傳感器檢測。 （ 3） 功率驅(qū)動 機器人的電機驅(qū)動模塊具有欠壓保護，過流保護和故障輸出功能。下面將對控制系統(tǒng)的各部分逐一進行介紹。由于本論文中的研究還處于初級階段，系統(tǒng)配置尚不齊全，因此，移動機器人只包括移動機構和控制系統(tǒng)兩大部分。對于履帶機器人的控制算法及仿真將會在第四章設計與介紹。而且建設機 器人的工作條件惡劣，環(huán)境溫度變化很大，陽光、雨雪、塵埃、潮濕等嚴酷的工作環(huán)境以及強烈的振動和沖擊對系統(tǒng)的元件影響很大，國內(nèi)相關元件的質(zhì)量還有待提高， 對實現(xiàn)建設機器人的國產(chǎn)化是一個不利因素。建設機械電信一體化、機器人化較之機械手技術更為復雜和困難，主要體現(xiàn)在以下幾個方面： （ 1） 由于建設施工作業(yè)中每一個具體操作的內(nèi)容和要求都是不確定的， 實現(xiàn)建設施工自動化，就要求設備具有人的感覺、認識和判斷能力，成為智能機械，具有自我適應作業(yè)對 象和環(huán)境變化的能力。但基于 DSP 的履帶機器人避障系統(tǒng)研究 第二章 系統(tǒng)硬件原理 10 存在早熟收斂問題。并利用該模型建立機器人動態(tài)避障與神 經(jīng)網(wǎng)絡輸出的關系。人工神經(jīng)網(wǎng)絡的研究可以追溯到上個世紀 40年代，但其理論和應用的真正突破則來自于 80年代初 Hopfield的兩篇關于神經(jīng)網(wǎng) 絡的研究論文，它們奠定了神經(jīng)網(wǎng)絡軟件描述、硬件實現(xiàn)的基礎。一些研究人員已經(jīng)將遺傳算法用于模糊規(guī)則的設計，以及模糊控制器隸屬度函數(shù)和 參數(shù)的優(yōu)化等。另外，由于實際環(huán)境的復雜性，一方面很難預見到所有可能的情況，另外對于多輸入、多輸出的模糊系統(tǒng)要窮盡其所有規(guī)則也是一個復雜、困難的過程。在用模糊控制的方法規(guī)劃機器人路徑時，往往要對機器人自身帶的傳感器獲取的信息進行模糊化處理。模糊控制的價值可從兩個方面來考慮。 （ 4） 模糊邏輯算法 [17~ 19] 模糊邏輯的基本原理：模糊控制是智能控制的一個十分活躍的研究與應 用領域，也理所當然成為機器人路徑規(guī)劃的一種重要方法。柵格法表現(xiàn)出良好的性能，受到重視并有很好的發(fā)展前景，但該方法存在著環(huán)境分辨率與環(huán)境信息存儲量的矛盾。 該法結構簡單，便于低層的實時控制，在實時避障和平滑的軌跡控制方面，得到了廣泛應用，其不足在于存在局部最優(yōu)解，容易產(chǎn)生死鎖現(xiàn)象，因而可能使移動機器人在到達目標點之前就停留在局部最優(yōu)點。動態(tài)環(huán)境中的路徑規(guī)劃比靜態(tài)環(huán)境下的規(guī)劃復雜得多。就最簡單的形式，路徑規(guī)劃問題可以按如下定義：在有障礙物的工作環(huán)境中，如何尋找一條從給定起點到終點適當?shù)倪\動路徑，使機器人在運動過程中能安全、無碰地繞過所有障礙物。履帶的瞬時速度 wv 推土機機身瞬時速度 v 及滑轉(zhuǎn)率 S具有如下關系： w vwvvvS ?? 公式（ ） 國內(nèi)外履帶機器人避障路徑規(guī)劃方法研究現(xiàn)狀 履帶機器人屬于移動機器人的一種。推土機工作時必須滿足驅(qū)動條件和附著條件： wif FFFFYFF ??? ?????{ 公式（ ） 式中： fiwFFFFFY??— 牽 引 力— 地 面 阻 力— 坡 度 阻 力— 作 業(yè) 阻 力— 推 土 機 驅(qū) 動 力— 地 面 對 履 帶 的 支 反 力— 地 面 附 著 系 數(shù) （ b）牽引力、附著系數(shù)與滑轉(zhuǎn)率的關系 不同地面條件產(chǎn)生的附著系數(shù)是有差異的，在不同地面條件下的履帶牽引力與其滑轉(zhuǎn)率的關系如下。假定法向載荷沿履 帶長度均勻分布，則履帶的沉陷量可由壓力一沉陷量方程預測。 （ c）運動阻力 履帶車的運動阻力可以分成內(nèi)力和外力兩個部分內(nèi)阻力主要分布在履帶一懸掛系統(tǒng)，由履帶板間、驅(qū)動輪齒和履帶、支重輪軸的摩擦損失以及支重輪和履帶之間的轉(zhuǎn)動阻力構成。 履帶牽引力的幅值 F，由地面剪切應力提供，假定沿車體行進方向剪切壓力為均勻分布，則可表述為剪切壓力沿接 觸面積的積分 ： dxxtbF t??01),(2 ? 公式（ ） 而剪切壓力又能表述為剪切位移和法向壓力的函數(shù) .對大多數(shù)的擾動土壤，有以下關系式 ： ? ? ? ?? ? ? ? ?????? ??? ? Kxtjextpcxt ,1t a n, ?? 公式（ ） 式中， p為法向壓力， c為土壤的內(nèi)聚力， φ為土壤的內(nèi)摩擦角， K為土壤的水平剪切模量，表征土壤達到最大剪切應力時的變形值。當主動輪和從動輪沉陷之差與履帶長度相比較小時，履帶板的厚度可忽略不計，壓強 Ph可由經(jīng)驗關系表述為主動輪和從動輪最低點沉陷 △ Zh的函數(shù)?；谝陨峡紤]，參考陸地履帶車輛的動力學原理，我們進行了集礦機工作狀態(tài)下的受力分析，并最終建立了深海底集礦機的動力學模型。 485 總線 電機控制系統(tǒng) 嵌入式主控制系統(tǒng) 傳感器控制系統(tǒng) 云臺控制系統(tǒng) 無線通訊 電機 1 電機 4 傳感器 1 傳感器 4 云臺 1 云臺 4 ．．． ．．． ．．． 基于 DSP 的履帶機器人避障系統(tǒng)研究 第二章 系統(tǒng)硬件原理 5 由于深海底履帶機器車的工作環(huán)境和自身特性與普通履帶車輛有很大不同，主要表現(xiàn)為履帶車的低速性 ( 1m/s)、海泥的高含水性和低的剪切強度、以及深海底的作業(yè)環(huán)境，深海底履帶車的建模簡化條件與普通履帶車相比，也應該有所不同。傳感器的控制和云臺的控制分別采用 AVR的單片機系統(tǒng)，實現(xiàn)對傳感器數(shù)據(jù)的接收、傳送以及對云臺的