【正文】 避障系統(tǒng)研究 第二章 系統(tǒng)硬件原理 12 從控制器接收車輪電機(jī) PWM 驅(qū)動控制信號，并通過光電隔離，實現(xiàn)了對控制器的隔離保護(hù)，提高了電路的抗干擾性與可靠性。 系統(tǒng)硬件 總體 設(shè)計方案 本設(shè)計的履帶輪控制系統(tǒng)采用 DSP 作為主控制器，由此可以構(gòu)建機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)，如圖 所示 : 圖 系統(tǒng)運(yùn)動控制 總體框圖 （ 1） 控制器 控制器模塊設(shè)計主要是組成 DSP 最小系統(tǒng)，包括時鐘、復(fù)位電路、外部存儲器電路、 JTAG 接口等?？刂葡到y(tǒng)部分由步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動器、控制器、仿真器及控制軟件系統(tǒng)等構(gòu)成 。其中，移動系統(tǒng)由車架、履帶和輪系組成。 基于 DSP 的履帶機(jī)器人避障系統(tǒng)研究 第二章 系統(tǒng)硬件原理 11 第二章 基于 DSP 的履帶機(jī)器人避障系統(tǒng)硬件原理 通常，一個完整的履帶式移動機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)包括移動機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)等部分。第五章就是系統(tǒng)的軟件設(shè)計了，通過對主控制器編寫程序 來控制履帶機(jī)器人的避障行為。第三章主要描述了履帶機(jī)器人避障的方法設(shè)計。 論文各部分內(nèi)容 本論文在第一章簡單的介紹了目前對于履帶機(jī)器人避障控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀，針對國內(nèi)外做了分開的研究。 （ 3） 建設(shè)機(jī)器人多是大型設(shè)備，其輸出功率大，一般都采用液壓、液力傳動，對元器件的要求相當(dāng)高。因此采用一般的自動化技術(shù)是不夠的， 唯有采用智能化控制技術(shù)，目前智能化控制技術(shù)理論比較成熟，在一些高科技領(lǐng)域得到了應(yīng)用，但由于建設(shè)施工設(shè)備工作環(huán)境的不確定性，其控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度使這些技術(shù)的應(yīng)用還有待于研究和開發(fā)。 履帶機(jī)器人研究 存在的問題 機(jī)械制造業(yè)在發(fā)達(dá)國家中基本上實現(xiàn)了機(jī)電信一體化。 （ 7） 滾動規(guī)劃 [24] 國內(nèi)學(xué)者席裕庚借鑒預(yù)測控制中滾動優(yōu)化原理，提出了動態(tài)不確定環(huán)境下基于滾動 窗口的機(jī)器人路徑規(guī)劃算法，該法利用機(jī)器人實時測得的局部信息，以滾動方式進(jìn)行在線規(guī)劃，實現(xiàn)了優(yōu)化與反饋的合理結(jié)合，具有良好的避碰能力。應(yīng)用遺傳算法解決自主移動機(jī)器人動態(tài)環(huán)境中路徑規(guī)劃問題，可以避免困難的理論推導(dǎo)，直接獲得問題的最優(yōu)解。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有較強(qiáng)的學(xué)習(xí)和適用能力，但獲取具有代表性的訓(xùn)練樣本不容易。用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對環(huán)境信息進(jìn)行分類和識別，然后建立機(jī)器人工作空間動態(tài)環(huán)境信息的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。 1986年Rumelhart和 Mccleland提出了多層網(wǎng)絡(luò)的前饋學(xué)習(xí)算法，即 BP算法，該算法從后向前修正各層之間的連接權(quán)值，可以求解感知機(jī)無法解決的問題，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制由此發(fā)展起來。 （ 5） 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) [20, 21] 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本原理：人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由大量簡單的神經(jīng)元相互連接而形成的自適用非線性動態(tài)系統(tǒng)。模糊邏輯控制器的缺點是：當(dāng)環(huán)境很復(fù)雜時，總結(jié)出的規(guī)則難以面面俱到，很難構(gòu)造出比較全面的知識庫，構(gòu)造，調(diào)整和修改規(guī)則知識庫比較難；需要花費(fèi)大量的時間來調(diào)整和修改已構(gòu)成的知識庫。由于其直接以編碼作為運(yùn)算對象，對目標(biāo)函數(shù)無特殊要求，具有全局收斂性、隱含的并行性和魯棒性等特點，對于傳統(tǒng)搜索方法難以解決的問題具有良好的適用性。因此，讓機(jī)器人自行學(xué)會模糊規(guī)則是極為必要和有實際意義的。和其它應(yīng)用一樣，利用模糊邏輯解決局部路徑規(guī)劃問題，需要根據(jù)問題的領(lǐng)域和知識來總結(jié)每一條規(guī)則 。比如，參考人的駕駛經(jīng)驗，模糊控制器先對聲納的距離信息進(jìn)行模糊化處理，然后歸納出一組規(guī)則，通過模糊集理論把這些規(guī)則變?yōu)橛行У囊?guī)劃角度和平移距離。由于模糊邏輯控制控制具有符合人類思基于 DSP 的履帶機(jī)器人避障系統(tǒng)研究 第二章 系統(tǒng)硬件原理 9 維的習(xí)慣，不需要建立精 確的數(shù)學(xué)模型，易于將專家知識直接轉(zhuǎn)換為控制信號等優(yōu)點，已成為移動機(jī)器人路徑規(guī)劃的一種重要方法。一方面，模糊控制提出了一種新的機(jī)制用于實現(xiàn)基于知識規(guī)則的控制規(guī)律。模糊控制是一類應(yīng)用模糊集合理論的控制方法。扎德于 1965年提出的模糊集合成為處理現(xiàn)實世界各類物體的方法。 其優(yōu)點是比較靈活，起始點和目標(biāo)點的改變不會造成連通圖的重構(gòu)，缺點是復(fù)雜程度與障礙物的多少成正比，且有時無法獲得最短路徑。 （ 3） 自由空間法 [15, 16] 這是一種經(jīng)典的路徑規(guī)劃方法，它把機(jī)器人所在的環(huán)境空間分成兩部分，即自由空間和障礙物空間。 （ 2） 柵格法 [14] 柵格法將移動機(jī)器人工作環(huán)境分解成一系列具有二值信息的網(wǎng)格單元來記錄環(huán)境信息，有障礙物的地方累積值比較高，移動機(jī)器人就會采用優(yōu)化算法避開 。為解決局部極小值問題，已經(jīng)研究出一些改進(jìn)算法，如 Sato提出的 Laplace勢場法 [13]。引力和斥力的合力作為機(jī)器人的合力，來控制機(jī)器人的運(yùn)動方向，使機(jī)器人繞過障礙物朝 目標(biāo)前進(jìn)。目前國內(nèi)外路徑規(guī)劃的主要算法有： （ 1） 人工勢場法 [12] 人工勢場法是由 Khatib提出的一種虛擬力法，其基本思想是將機(jī)器人在環(huán)境中的運(yùn)動視為一種虛擬的人工受力場中的運(yùn)動。后者更具有實際意義，因 為現(xiàn)實環(huán)境中的障礙物很可能是運(yùn)動規(guī)律未知的運(yùn)動物體。移動機(jī)器基于 DSP 的履帶機(jī)器人避障系統(tǒng)研究 第二章 系統(tǒng)硬件原理 8 人路徑規(guī)劃主要解決三個問題： (1)使機(jī)器人能從初始點運(yùn)動到目標(biāo)點； (2)用一定的算法使機(jī)器人能繞開障礙物，并且經(jīng)過某些必須經(jīng)過的點； (3)在完成以上任務(wù)的前提下，盡量優(yōu)化機(jī)器人運(yùn)行軌跡。一般來說，前者具有更多的自由度，而后者的作業(yè)范圍則 更大一些。路徑規(guī)劃問題是機(jī)器人學(xué)中很重要的一個方面。 推土機(jī)作業(yè)負(fù)載阻力過大時，履帶發(fā)生滑轉(zhuǎn)，推土機(jī)的行駛速度由于履帶的滑轉(zhuǎn)而降低。在附著系數(shù)一定，履帶滑轉(zhuǎn)率 S=0時，推土機(jī)的牽引力與推土機(jī)重量的比值 GF/? 最大；滑轉(zhuǎn)率從 0開始增加時，附著系數(shù) ? 隨之增加；當(dāng)履帶滑轉(zhuǎn)率 S=～ ,附著系數(shù)達(dá)到最大；如果滑轉(zhuǎn)率繼續(xù)增加 ,附著系數(shù)開始下降。 推土機(jī)作業(yè)時，其主要的受限形式是履帶的打滑。 （ 3） 履帶式推土機(jī) 由于履帶機(jī)器人與履帶式推土機(jī)的工作原理有相似之處，所以下面對履帶式推土機(jī)進(jìn)行調(diào)研。 對地面的擠壓作用，對車體的運(yùn)動性能有較大的影響。內(nèi)力的表現(xiàn)形式復(fù)雜而多變，不可能給出精確的分析和預(yù)測，常常用經(jīng)驗公式給出內(nèi)阻力和速度之間的線形近似關(guān)系，同樣本文也是將內(nèi)力近似為作用在主動輪軸上的線性粘性轉(zhuǎn)矩。 履刺產(chǎn)生的牽引力可表述為 ： ?????? ??? ??? NchNhnbnFF bbsp 221 222 公式（ ） 式中 n=1/d,為與地面接觸的履刺的個 數(shù)。 由塑性平衡理論，可計算單個 履刺的牽引力 ： ?????? ?? ??? NchNhbF bbsp 221 22 公式（ ） 式中， b2為履刺的寬度，實際等于履帶的寬度 b， γs 為土壤比重， hb為履刺高度 。因此，總牽引力由履帶剪切土壤產(chǎn)生的牽基于 DSP 的履帶機(jī)器人避障系統(tǒng)研究 第二章 系統(tǒng)硬件原理 6 引力 F，和窄尖三角齒剪切土壤產(chǎn)生的牽引力凡之和構(gòu)成。 德國特丟夫勒根據(jù)實驗得到海泥的載荷和壓陷的半經(jīng)驗公式為 【 10】 ： hh fpez ??? 公式（ ） 式中，為壓陷； e、 f為壓強(qiáng)與沉陷系數(shù)，可同樣由以下經(jīng)驗確定： ? ??f 公式（ ） 2?? ???? ek P a ek P a 時，時，? ??? 式中， τ 為海泥的剪切強(qiáng)度。 深海底履帶機(jī)器車表現(xiàn)為相對寬的履帶中間距和較多的小半徑值支重輪。 （ a） 法向力 為了計算法向力，假定履帶的 兩個部分均為剛性水平連接，從而具有均勻的地面壓力分布 。在建模時，履齒與地面的剪切作用必須加以考慮。與普通履帶車相比，建模條件有以下特點 ： ① 考慮水阻力：通常地面行走的低速履帶車空氣阻力可忽略不計，集礦機(jī)在1000m深的海底行走，海水的密度比空氣大得多，必須考慮海水阻力； ② 忽略離心力：由于集礦機(jī)的運(yùn)行速度很低 ( lm/s)，轉(zhuǎn)向時離心力對其作用很小，可忽略不計； ③ 考慮推土阻力 ： 1000m深海底為極軟的飽和土壤，與地面行駛的履帶車不同，集礦機(jī)具有較深的壓陷深度 (15cm)。 圖 控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu) （ 2） 深海履帶機(jī)器車 王隨平、陳峰等教授在 深海底履帶機(jī)器車動力學(xué)模型 方面有如下 研究 【 9】 。和主控制系統(tǒng)之間通過串行總線 RS485連接。對于電機(jī) 驅(qū)動控制采用 ATMEGA128單片機(jī)系統(tǒng)實現(xiàn)，采用 LM629 實現(xiàn)對電機(jī)的驅(qū)動，實現(xiàn)對直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制和位置控制。 如圖 ，主控制計算機(jī)系統(tǒng)通過無線數(shù)傳模塊直接和遠(yuǎn)程計算機(jī)系統(tǒng)交互。 （ b）控制系統(tǒng)組成 此系統(tǒng)采用分布式控制體系，由主控制系統(tǒng)、電機(jī)控制系統(tǒng)、傳感器控制系 統(tǒng)和云臺控制系統(tǒng)組成。兩個基礎(chǔ)運(yùn)動單元模塊間的電氣連接采用即插即用的結(jié)構(gòu)，分別用航空頭連接運(yùn)動模塊的兩端，為機(jī)器人結(jié)構(gòu)的重構(gòu)提供了方便。機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)采用履帶式結(jié)構(gòu)，因此具有地形適應(yīng)能力強(qiáng)，平穩(wěn)性好等優(yōu)點 ，有利于機(jī)器人完成復(fù)雜地形環(huán)境下的偵察任務(wù) 【 8】 。優(yōu)點是有利于系統(tǒng)的設(shè)計和分析；同時模塊具有即插即用的性能，互換性比較強(qiáng)。 可 重構(gòu) 機(jī)器人是由模塊化單元組成。 2． 國內(nèi)履帶機(jī)器人避障系統(tǒng)的研究現(xiàn) 狀 我國的機(jī)器人起步較晚，與國外發(fā)達(dá)國家相比還有一定的距離 。 蛇形機(jī)器人在 XOY平面上運(yùn)動，相鄰關(guān)節(jié)之間的相對轉(zhuǎn)角 θi(s)為表征運(yùn)動形狀的關(guān)節(jié)變量，可由 公 式 （ ） 積分得 [6]： ? ? ? ? lKinKsLKnKduuks lnnnissi ??????? ???? ? ? ????? 22s i ns i n2 0 公式（ ） 式中： lilK— 任 意 一 個 關(guān) 節(jié)— 每 一 模 塊 的 長 度— 曲 率 偏 差 從公式（ ）中可以看出改變 K1的大小，就可以改變運(yùn)動方向；改變 s的大小，則可以改變運(yùn)動的速度。這樣就確定了執(zhí)行動作的機(jī)器人在其運(yùn)動區(qū)域內(nèi)是否有障礙物、有幾個障礙物、障礙物的號碼、與障礙物的距離等信息 [4]。當(dāng)射線與多邊 形某線段重合時，線段 DC屬于 t坐標(biāo)值小于或等于 xp的情況，因此也不做求交點運(yùn)算。 還有一些特殊情況要加以處理 .如 P向下作射線時，如與多邊形的一邊相交于其端點，可以用 “左閉右開 ”法，即當(dāng)一條線段兩個端點的 X坐標(biāo)值小于或等于 P射線端點的 xp坐標(biāo)值時，就不作射線與該線段的求交點運(yùn)算 .線段 DC即屬于這種情況，此時端點 C雖然與射線相交，但不計人交點。其算法為 [3]：設(shè)機(jī)器人的中心點為 P，由點 P向下引一條與 Y軸平行的射線，計算此射線與多邊形 ABCD的交點數(shù)。為了縮小搜索空間，提高搜索速度，將曲率折衷，搜索范圍確定為：目標(biāo)點為 G,避障機(jī)器人為 R,R到 G的距離為 L,以 L為長，以 L/2為寬做一矩形，在矩形范圍內(nèi)的任何機(jī)器人 (R除外 )都視為是障礙，那么比賽場地中就存在一個障礙物的有限集合 (由對方機(jī)器人以及我方的除避障機(jī)器人以外的機(jī)器人組成，用 O表示 )，O={OR1,OR2,...,ORq}其中 q為搜索范圍內(nèi)的障礙物個數(shù)。機(jī)器人正發(fā)展成為一個龐大的家族，代替人們從事各種各樣的工作。開拓了機(jī)器人行業(yè)的新進(jìn)展。到了 90年代，隨著計算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等快速發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。必須提高建設(shè)機(jī)械的性能和功能，逐步使建設(shè)機(jī)械向著自動化和智能化方向發(fā)展 【 2】 。隨著改革的深入和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在全行業(yè)的共同努力下，我國在研制和開發(fā)建設(shè)機(jī)器人和機(jī)器人化的建設(shè)工程設(shè)備上必將在二十一世紀(jì)取得更大的發(fā)展。 90年代以來，以研制高水平的環(huán)境信息傳感器和信息處理技術(shù)，高適應(yīng)性的移動機(jī)器人控制技術(shù)，真實環(huán)境下的規(guī)劃技術(shù)為標(biāo)志，開展了移動機(jī)器人更高層 次的研究 [1]。特別是在 80年代中期，設(shè)計和制造機(jī)器人的浪潮席卷全世界。其中最著名是名為 General Electric Quadruped的步行機(jī)器人。目的是研究應(yīng)用人工智能技術(shù)，在復(fù)雜環(huán)境下機(jī)器人系統(tǒng)的自主推理、規(guī)劃和控制。 機(jī)器人移動的研究始于 60年代末期。s establishment. Finally, summarized author39。s software design method. Uses the differential motion actuation type caterpillar band robot control algorithm takes the wheel motor control as the key point, introduced software control39。s type to the systems control chip and the wheel and so on to carry on the choice. Had dete