【正文】 = = 為判斷矢量場 { }的相關(guān)性，計算得： = = 所以，矢量場 { }是線性無關(guān)的。在純滾動無滑動條件下，作用在該系統(tǒng) 上的 Pfaffian 約束如下： （ 1） 后輪在垂直于輪平面內(nèi)的速度分量為零，即 : x?sin??y?cos??=0 () （ 2） 前輪在垂直于輪平面內(nèi)的速度分量為零，即 : x?sin(??+??) y?cos(??+??)l cos??=0 () 移動機(jī)器人控制系統(tǒng)研究 第 18 頁 共 54 頁 = r + () 這里 ??≠π /2，其物理意義是前輪不可以和車身垂直，這與實際系統(tǒng)是一致的。其中， (x,y)是后輪車軸中點坐標(biāo)。 L是前后軸之間的距離， r 是后輪 (驅(qū)動輪 )的半徑。純滾動是指輪與地面接觸點的速度在輪平面內(nèi)的分量為零；無滑動是指輪與地面接觸點速度在垂直于輪平面內(nèi)的分量為零。圖 是三輪 式 移動機(jī)器人運(yùn)動學(xué)模型示意圖。 下式就是一種單鏈系統(tǒng)： () 可以看出，鏈?zhǔn)较到y(tǒng)具有特別的結(jié)構(gòu)，若令 =const 那么系統(tǒng)呈現(xiàn)出線性且成為由驅(qū)動從 到 的一條積分鏈，這樣就可以對系統(tǒng)進(jìn)行解耦控制。 非完整系統(tǒng)與鏈?zhǔn)较到y(tǒng)的轉(zhuǎn)換 在非完整系統(tǒng)的研究中，鏈?zhǔn)较到y(tǒng)具有重要的意義。記Δ是由 ,? , 定義的分布， ?是Δ的對合，設(shè)?=L 是由 ,? , 構(gòu)成的最小李代數(shù)，則可稱其為可控性李代數(shù)。 定義 1：兩個矢量場 的李括號為 : 定義 2：李積為一組嵌套的李括號，遞推的李積 如下式所示 : = = = 假設(shè)式（ ）所示系統(tǒng)是無漂移的（ driftfree），也就是說，當(dāng)控制量為零時系統(tǒng)的狀態(tài)不發(fā)生漂移， 是 上光滑的線性獨(dú)立的矢 量場，并且對所有時間它們的流形是存在的。 非完整系統(tǒng)的可 控性 如果不從約束的觀點（即不能運(yùn)動的方向），而是從可以運(yùn)動的方向來考慮，那么就可以選擇一組基，記為： ∈ ,j=1,...m. 其中 m=nk。而非完整系統(tǒng)則不然，每個時刻的運(yùn)動并非任意，只有滿足非完整約束才行。當(dāng)系統(tǒng)的瞬時速度限制在 nk維子空間中，但可達(dá)位形的集合不限于位形空間中的某個 nk維超曲面時，即存在這種非完整約束。如果存在一個矢量值函數(shù) h :Q → ，使得 A(q)q華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 15 頁 共 54 頁 =0 ? 則認(rèn)為 Pfaffian 約束是可積的。具有這種形式的約束稱為 Pfaffian 約束。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。 設(shè)位形空間 Q是 中廣義坐標(biāo)為 q= , ,....., )的一個開子集。因此也可以稱其為不可積約束或運(yùn)動約束。因此可稱其為幾何約束。 移動機(jī)器人的運(yùn)動 學(xué) 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。 移動機(jī)器人控制系統(tǒng)研究 第 14 頁 共 54 頁 控制電路板：控制電路板是 移動機(jī)器人機(jī)械的重要部分，移動機(jī)器人 的路徑規(guī)劃模塊及 控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和檢測裝置 ，都集成在此控制板上。 圖 感知系統(tǒng)：移動機(jī)器人的避障行走，首先是解決靜態(tài)障礙物的避障，此時環(huán)境信息主要是 距離信息。 1%以內(nèi)。 AM S1117 提供電流限制和熱保護(hù)。通過 2個外部電阻可實現(xiàn) ～ 輸出電壓范圍。 AMS1117 是是一個低壓差電壓調(diào)節(jié)器系列。因為電機(jī)的驅(qū)動芯片 L293 需要 ~8 V電壓，控制板的核心是 ATmega8515 的單片機(jī)，需要穩(wěn)定的 5V 電源，所以必須將電源經(jīng)過穩(wěn)壓芯片 AMS1117 穩(wěn)壓、濾波輸出獲得 5v電壓。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。 （ 3）價格便宜，節(jié)約成本。 車架：車架要求從強(qiáng)度和剛度上滿足車體運(yùn)行和加速時的要求，同時又不能太重，本 文機(jī)器人所采用的 底盤 的材料是鋁塑板，厚度是 4mm，鋁塑復(fù)合板是由內(nèi)外兩面鋁合金板、低密度聚乙烯芯層與粘合劑復(fù)合為一體的一種新型金屬塑料復(fù)合墻面裝飾材料，選擇該材料的原因是： 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 13 頁 共 54 頁 （ 1） 4 mm 鋁塑復(fù)合板其剛性與 mm 的單鋁板或 mm 鋼板相當(dāng)，因此符合強(qiáng)度及剛度要求。它消除的鐵心渦流的能耗，同時重量和轉(zhuǎn)動慣量也很小。該直流伺服電機(jī)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(fù)載轉(zhuǎn)矩； (2)調(diào)速范圍寬，且運(yùn)行速度平穩(wěn)； (3)具有快速響應(yīng)能力，可以適應(yīng)復(fù)雜的速度變化； (4)電機(jī)的負(fù)載特性硬，有較大的過載能力，確保運(yùn)行速度不受負(fù)載沖擊的影響?，F(xiàn)在還出現(xiàn)了壓電執(zhí)行器、超聲波執(zhí)行器、形狀記性合金執(zhí)行器和靜電執(zhí)行器等新型執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 機(jī)器人采用的驅(qū)動電機(jī)很多，常用的有電磁執(zhí)行器，如直流電機(jī)、無刷電機(jī)、同步電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)以及直接驅(qū)動式轉(zhuǎn)矩電機(jī)。 (5)經(jīng)濟(jì)性經(jīng)濟(jì)性是任何工程技術(shù)的一個重要指標(biāo)，控制電動機(jī)也毫不例外，況且控制電機(jī)在系統(tǒng)中所占經(jīng)濟(jì)價值的比例較大，控制電機(jī)的經(jīng)濟(jì)性顯得尤為重要。 (3)可靠性，電動機(jī)的可靠性關(guān)系到整個機(jī)器人的可靠性。 電機(jī)的選擇 移動機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)的電機(jī)除具有一般電動機(jī)基本功能以 外，由于其特殊性，還具有下列特點及要求： (1)可控性，驅(qū)動電機(jī)是將控制信號轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械運(yùn)動的原件，可控性非常的重要。 根據(jù)所要求的機(jī)器人的加速度，我們可以估算出所需要的驅(qū)動力矩的大小。 由式（ ），（ ），（ ）得 () 由從動輪的受力分析可得： () () 又 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 11 頁 共 54 頁 () 所以由 ()、 ()、 ()得： () 對驅(qū)動輪和從動輪受力分析完后，下面分析車體受力，如圖所示： 圖 圖中， 為除車輪外車體的質(zhì)量。 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。由于我們考慮的是機(jī)器人做直線運(yùn)動的情況，所以各個輪子中心的運(yùn)動速度與機(jī)器人的直線運(yùn)動速度相同。主動輪的受力如圖所示： 圖 M— 驅(qū)動 力矩； — 驅(qū)動輪質(zhì)量； — 驅(qū)動輪的載荷； — 車體對驅(qū)動輪的作用力； — 地面對輪子的摩擦力； N— 地面對驅(qū)動輪的支撐力； v— 驅(qū)動輪軸心的運(yùn)動速度； 在這里分別用下標(biāo) d,c。車架底座由安裝于車體底部的三個車輪支撐，三個車輪構(gòu)成三角平面，符合架構(gòu)穩(wěn)定要求。移動機(jī)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。 車體的機(jī)械結(jié)構(gòu)對整個機(jī)器人的穩(wěn)定性、靈活性和小車的移動效果起到非常重要的作 。各種機(jī)器人的體積大小不一，結(jié)構(gòu)多種多樣，功能各 不相同。據(jù)上所述，本論文的輪式移動機(jī)器人選擇的方案：本設(shè)計選用三輪機(jī)構(gòu)，移動機(jī)器人底盤的左右兩側(cè)分別安裝直流伺服電機(jī)的驅(qū)動輪，獨(dú)立驅(qū)動；前輪為萬向輪，僅起支撐作用，移動機(jī)器人控制系統(tǒng)研究 第 8 頁 共 54 頁 靠后輪的轉(zhuǎn) 速差實現(xiàn)轉(zhuǎn) 。四輪機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)相對復(fù)雜。在這種情況下，非驅(qū)動輪應(yīng)為自由輪。 1輪和 2 輪在實現(xiàn)上的障礙主要是穩(wěn)定問題，所以實際中輪式移動機(jī)構(gòu)多采用要是 3輪和 4輪，其轉(zhuǎn)向裝置的結(jié)構(gòu)通常有兩種方式： （ 1）鉸軸輪向式：轉(zhuǎn)向輪裝在轉(zhuǎn)向鉸軸上，轉(zhuǎn)向電機(jī)通過減速器和機(jī)械連桿機(jī)構(gòu)控制鉸軸從而控制轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向。在軌道上運(yùn)行的多采用實心的剛輪，室內(nèi)路面行駛的多采用充氣輪胎。輪式移動機(jī)構(gòu)是移動機(jī)器人中應(yīng)用最多的一種機(jī)器人，在相對平坦的地面上，用車輪移 動的方式是相當(dāng)優(yōu)越的。使其能夠完成預(yù)定的使用功能，既能保證行機(jī)構(gòu)所需 的運(yùn)動，又能保證組成零部件的工作可靠，另外還需考慮到設(shè)計的可行 。 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 7 頁 共 54 頁 第 2 章 移動機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)與運(yùn)動學(xué)模型 引言 移動機(jī)器人顧名思義，其主要實現(xiàn)的是其運(yùn)動的功能。 論文的主要內(nèi)容： 第一，移動機(jī) 器人的基礎(chǔ)知識；第二，移動機(jī)器人機(jī)械部分的設(shè)計研究與運(yùn)動學(xué)模型，詳細(xì)描述了車體的選擇，電機(jī)的選型，傳感器的選型，及運(yùn)動學(xué)模型；第三，移動機(jī)器人的路徑規(guī)劃研究及其控制算法研究，主要講述了模糊控制算法，并設(shè)計了避障路徑模糊控制器的設(shè)計；第四，移動機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計，主要包括：電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計，電源設(shè)計，硬件電路設(shè)計及系統(tǒng)可靠性分析；第五，移動機(jī)器人控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計，主要包括：程序設(shè)計及其實現(xiàn)的環(huán)境?，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(dāng)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。比如在 制造業(yè)中，柔性裝配系統(tǒng)（ FAS）是柔性制造系統(tǒng)的主要組成部分，近年來，為響應(yīng)產(chǎn)品換代的頻繁變化， FAS 的構(gòu)形發(fā)生了很大變化，發(fā)達(dá)工業(yè)國家已出現(xiàn)了動態(tài)可重構(gòu)形的柔性裝配系統(tǒng)，在這類系統(tǒng)中，眾多的具有避障功能的移動機(jī)器人代替了通用的傳送帶。移動機(jī)器人在移動過程中不可避免會遇到各式各樣的障礙物，靈活、實時地躲開這些障礙物是衡量其性能的關(guān)鍵指標(biāo)。 移動機(jī)器人控制系統(tǒng)研究 第 6 頁 共 54 頁 論文研究的意義和主要內(nèi)容 論文研究的意義在于： 移動機(jī)器人是新生的計算機(jī)控制領(lǐng)域中的最年輕一代，并在 1985 年后成為此領(lǐng)域中的主角，被廣泛應(yīng)用于社會生活的各方各面。 （ 4）網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人 隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展延伸，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展完善，通過計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)遙控機(jī)器人為人機(jī)交互技術(shù)、監(jiān)控技術(shù)、遠(yuǎn)程操作技術(shù)和圖像與控制命令的網(wǎng)絡(luò)傳輸及并發(fā)多進(jìn)程數(shù)據(jù)通信等通信技術(shù)提出了更高的挑戰(zhàn)。同時，研究自然界各種生物的覓食、定位及路徑跟蹤等生態(tài)策略，醬人類所不及的生物特長賦予機(jī)器人，研制如機(jī)器狗，機(jī)器蛇，機(jī)器貓和機(jī)器魚等各種仿生機(jī)器人 。移動機(jī)器人技術(shù)的研 究與發(fā)展趨勢包括： （ 1）導(dǎo)航與定位 在完全未知或部分未知的環(huán)境下，基于自然路標(biāo)導(dǎo)航與定位技術(shù)以及視覺導(dǎo)航中路標(biāo)的識別和圖像處理的快速算法的研究，并通過專用數(shù)字信號處理器（ DSP）的開發(fā)與研制，可以為導(dǎo)航與定位提供突破性的進(jìn)展。 移動機(jī)器人的發(fā)展前景 目前影響智能移動機(jī)器人技術(shù)研究的主要因素有：導(dǎo)航、定位、通信、傳感技術(shù)和運(yùn)動控制策略等。信息融合的目標(biāo)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(dǎo)出華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 5 頁 共 54 頁 更多的有效信息。 多傳感器信息融合方面的研究 移動機(jī)器人的多傳感器信息融合技術(shù)的研究始于 20世紀(jì) 80年代。其中環(huán)境建模的主要方法有：可視圖法（ VGraphic）、自由空間法（ Free SpaceApproach）和柵格法（ Grids）等。根據(jù)機(jī)器人對環(huán)境信息知道的程度不同，可分為兩種類型：環(huán)境信息完全知道的全局路徑規(guī)劃；環(huán)境信息部分未知甚至完全未知，移動機(jī)器人通過傳感器實時地對的工作環(huán)境進(jìn)行探測，以獲取障礙物的位置、形狀和尺寸等信息進(jìn)行的局部路徑規(guī)劃。 路徑規(guī)劃 不論采用何種導(dǎo)航方式，智能移動機(jī)器人都是主要完成路徑規(guī)劃、定位和避障等任務(wù)。三角測量法是路標(biāo)定位常用的方法，機(jī)器人在同一點探測到 3 個路標(biāo)，并通過三角幾何運(yùn)算，可確定 機(jī)器人在工作環(huán)境中的坐標(biāo)。慣性定位是在移動機(jī)器人的車輪上裝有光電編碼器或其它測速傳感器，通過對車輪轉(zhuǎn)動的記錄來粗略地確定位置和姿態(tài)。 定位 作為移動機(jī)器人導(dǎo)航最基本環(huán)節(jié)，定位是確定機(jī)器人在二維工作環(huán)境中相對于全局坐標(biāo)的位置姿態(tài)。味覺導(dǎo)航的研究具有很好的研究價值，這種移動機(jī)器人可用來尋找化學(xué)藥品泄漏源。 Figaro Engineering ，被廣泛用于氣味導(dǎo)航實驗。 味覺導(dǎo)航是通過機(jī)器人配備的化學(xué)傳感器感知?dú)馕兜臐舛?，根?jù)氣味的濃度和氣流的方向