【正文】 思義，就是將整個計算機系統(tǒng)集成到一塊芯片中。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。 串行通信模塊包括異步通信、同步通信兩部分，異步通信用于預(yù)編成路徑的下載，同步通信用于預(yù)編成路徑數(shù)據(jù)的存儲和。 遙操作包括按鍵編解碼和無線收發(fā)部分，用于移動機器人遙控模式； 電機驅(qū)動模塊負(fù)責(zé)機器人左右兩方輪子的獨立驅(qū)動，主要由功率轉(zhuǎn)換模塊和微控制器內(nèi)置的 PWM 單元組成，實現(xiàn)左右輪的差速控制； 其中，控制系統(tǒng)的總體框圖如圖 3. 1 所示。本課題設(shè)計的移動機器人控制系統(tǒng)，可進行速度檢測和調(diào)節(jié)、原地零半徑轉(zhuǎn)向、電源低電壓監(jiān)測和充電等功能，并可工作于實時手動遙控、預(yù)編程路徑運動及自動沿墻跟蹤等多種模式，從而完成機器人的直線行走，越障和轉(zhuǎn)向的功能?？刂葡到y(tǒng)的先進與否，直接決定了整個機器人系統(tǒng)智能化水平的高低。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。然后，結(jié)合機器人的四輪驅(qū)動機構(gòu)，推導(dǎo)了其運動學(xué)模型和六輪差速實現(xiàn)機器人運動控制的原理。通常采用多種方法綜合采用的方案來完成移動機器人的運動控制。方程如下： (26)?????????????????vyx10sinco再將左右輪角速度表示成質(zhì)心的角速度和線速度，即， (27)RLvR21?RLvL2? 由上式可知，根據(jù)移動機器人(質(zhì)心)設(shè)定的目標(biāo)線速度和角速度即可分別求得左右輪的實時角速度，從而通過電機驅(qū)動機構(gòu)完成速度調(diào)節(jié)，實現(xiàn)移動機器人運動方向和速度的實時控制。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。由式(22)可知，當(dāng) = 時，質(zhì)心的角速度 為 0，即機器人沿直線LR運動；當(dāng) = 時，質(zhì)心的線速度為 0，則機器人可實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)身，即此時機器人VLR將以零半徑轉(zhuǎn)彎。則移動機器人滿足剛體運動和(22)成立。圖 移動機器人的運動示意圖。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。如圖 所示，前輪越障時，副搖臂順時針轉(zhuǎn)動，前輪上升，中輪下降。當(dāng)在不平路面上行駛時，通過主搖臂和副搖臂的擺動，能達到地面自適應(yīng)、增強越障能力和行駛平順性的目的。本文研究的是六輪搖臂探測機器人采用 Rocky 系列懸架系統(tǒng)，由車體、左懸架、右懸架和輪系四部分組成，如圖 所示。 本文研究的移動機器人采用車輪式移動機構(gòu)。第二章 移動機器人的機械結(jié)構(gòu)和運動學(xué)模型 移動機器人機械結(jié)構(gòu) 移動機器人運動方式有很多種，主要分為車輪式和步行式兩類。著重分析探討了模糊控制系統(tǒng)的原理和設(shè)計方法，并提出了模糊控制策略在運動控制中應(yīng)用的具體方法。第 3 章移動機器人控制系統(tǒng)設(shè)計，重點分析了移動機器人的總體控制方案，按照模塊化的思路，依次詳細(xì)分析了微控制器模塊、電機驅(qū)動模塊、遙操作模塊、電源模塊和串行通信接口模塊等內(nèi)容，最后討論了系統(tǒng)設(shè)計的可靠性的問題。 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。同時，該控制系統(tǒng)的設(shè)計完成，對于降低上述各類型機器人的開發(fā)難度，縮短從客戶提出需求到完成最終產(chǎn)品的開發(fā)周期，具有很強的指導(dǎo)意義。該控制系統(tǒng)，適用于多種移動機器人平臺，如家用娛樂機器人、展覽用導(dǎo)游機器人等。智能控制方法常使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制方法，但前者往往伴隨著對存儲容量、運算速度的較高要求，這與移動機器人高速高精度運動控制的要求存在一定差距，故模糊控制方法在機器人控制方面有著較大的優(yōu)勢?？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。編程技術(shù)進一步提高在線編程的可操作3性，離線編程的人機界面更加友好、自然語言化編程和圖形化編程的進一步推廣也是今后研究的重點。重點研究開放式、模塊化控制系統(tǒng)。多傳感器信息融合是把分布在不同位置的傳感器所提供的局部環(huán)境的不完整信息加以綜合，消除多傳感器之間可能存在的冗余和矛盾，以降低其不確定性，形成對系統(tǒng)環(huán)境的相對完整一致的感知描述，從而提高智能系統(tǒng)決策、規(guī)劃的快速性和正確性，同時降低決策風(fēng)險。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。通常采用的傳感器包括分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器。移動機器人傳感技術(shù)主要是對機器人自身內(nèi)部的位置和方向信息以及外部環(huán)境信息的檢測和處理。環(huán)境信息部分未知甚至完全未知，移動機器人通過傳感器實時地對的工作環(huán)境進行探測，以獲取障礙物的位置、形狀和尺寸等信息進行的局部路徑規(guī)劃。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。如韓國 Yujni 機器人科技公司制造的家用機器人 iRboot，日本歐姆龍公司開發(fā)的電子守衛(wèi)恐龍，以及三菱重工推出的可協(xié)助家庭保健和看家的機器人，都為家用機器人的市場化進程發(fā)揮了重要的作用。另外，隨著社會老齡化程度的不斷加劇，仿人機器人將彌補年輕勞動力的不足，解決老齡化社會家庭服務(wù)和醫(yī)療看護等社會問題。日本投入應(yīng)用的消防機器人最多，美、英等國已研制出能依靠感覺信息控制的救災(zāi)智能機器人。第一章 緒論2消防機器人是指能在高溫、強熱輻射、濃煙、地形復(fù)雜、障礙物多、化學(xué)腐蝕、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。該輪椅機器人，能夠自動識別和判斷出行駛的前方是否有行人擋路，或是否可能出現(xiàn)行駛不通的情況，自動采取繞行動作，并能夠提醒擋路的行人讓開道路。輪椅機器人是指使用了移動機器人技術(shù)的電動輪椅。如美國 NAAS 資助研制的丹蒂行走機器人，主要用于遠(yuǎn)程機器人探險，其控制系統(tǒng)涉及環(huán)境感知、障礙物監(jiān)測、機械臂控制和超遠(yuǎn)程遙操作等多方面技術(shù)。移動機器人控制系統(tǒng)性能不斷提高，各類新型移動機器人也紛紛面世。 移動機器人控制技術(shù)研究動態(tài) 移動機器人控制技術(shù)發(fā)展概況步入 21 世紀(jì)，隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，機器人用傳感器的不斷研制、計算機運算速度的顯著提高，移動機器人控制技術(shù)逐步得到完善和發(fā)展。按功能和用途分為醫(yī)療機器人、軍用機器人、清潔機器人等 。作為機器人學(xué)的重要分支，移動機器人能夠運動到特定位置，執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)，具備環(huán)境感知、實時決策和行為控制等功能，擁有很高的軍事、商業(yè)價值。1一種輪式移動機器人的控制系統(tǒng)設(shè)計畢業(yè)論文第一章 緒論 移動機器人技術(shù)概述機器人是一自動的、位置可控的、具有編程能力的多功能操作機。機器人技術(shù)涉及計算機技術(shù)、控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、通訊技術(shù)、人工智能、材料科學(xué)和仿生學(xué)等多類學(xué)科。移動機器人按運動方式分為輪式移動機器人、步行移動機器人、履帶式移動機器人、爬行機器人等。按作業(yè)空間分為陸地移動機器人、水下機器人、無人飛機和空間機器人。移動機器人從最初的示教模仿型向具備環(huán)境信息感知、在線決策等功能的自治型智能化方向發(fā)展。步行式機器人是指按照邁步方式前進的移動機器人，由于符合動物的行進模式，可很好的在自然環(huán)境中運動，具有較強的越野性能。丹蒂計劃的最終目標(biāo)是，為實現(xiàn)在充滿碎片的月球或其它星球的表面進行探險提供一種運動機器人解決方案。德國烏爾姆大學(xué)開發(fā)一種智能輪椅機器人，使喪失行動能力的人也能外出“走動” 。該機器人的控制系統(tǒng)，綜合運用了多傳感器信息融合、模式識別、避障、電機控制和人機接口等技術(shù)。其控制系統(tǒng)的設(shè)計重點包括障礙物檢測、火焰檢測和系統(tǒng)可靠性設(shè)計等多項技術(shù)。我國上海交大機器人研究所也在國家“863”計劃和公安部聯(lián)合投資下，與上海消防所合作開發(fā)消防機器人的產(chǎn)品樣機。此類服務(wù)型機器人的控制系統(tǒng)則綜合運用了環(huán)境感知、路徑規(guī)劃、地圖遍歷、避障、防跌落等技術(shù)，以適合在家中使用。 移動機器人控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)目前，移動機器人控制技術(shù)的研究熱點和發(fā)展趨勢主要包括：(1)運動控制中的路徑規(guī)劃技術(shù)。根據(jù)機器人對環(huán)境信息感知的程度，路徑規(guī)劃可分為環(huán)境信息完全可知的全局路徑規(guī)劃。(2)控制系統(tǒng)中的傳感技術(shù)。獲取真實有效的環(huán)境信息，是控制系統(tǒng)進行決策的保證。內(nèi)部傳感器主要包括:編碼器、線加速度計、陀螺儀、磁羅盤等。(3)控制系統(tǒng)的多傳感器信息融合技術(shù)。(4)控制系統(tǒng)的開發(fā)技術(shù)。機器人控制器結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化，以及網(wǎng)絡(luò)式控制器成為研究熱點。(5)控制系統(tǒng)的智能化技術(shù)。涉及領(lǐng)域包括圖像理解、語音和文字符號的處理與理解、知識的表達和獲取等方面。 本課題的意義本課題設(shè)計并實現(xiàn)的移動機器人控制系統(tǒng)，具有很高的系統(tǒng)集成度和廣泛的功能擴展空間，很好的兼顧了控制系統(tǒng)的通用性和實用性要求。并可通過控制單元的擴充和升級，增加語音識別、人臉識別、視覺追蹤等交互性更強的功能。另外，本課題設(shè)計的移動機器人控制系統(tǒng)，由于集成有通用微控制器開發(fā)平臺、電機驅(qū)動模塊等多種功能單元，因此，可作為數(shù)字電子技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、路徑規(guī)劃及人工智能等多學(xué)科多領(lǐng)域的通用實驗平臺。第 2 章移動機器人的機械結(jié)構(gòu)和運動學(xué)模型，分析了本課題研究的移動機器人的機械結(jié)構(gòu)，結(jié)合移動機器人四輪獨立式驅(qū)動機構(gòu)，建立推導(dǎo)其運動學(xué)模型和雙輪差速實現(xiàn)機器人運動控制的原理。第 4 章移動機器人模糊控制研究，結(jié)合移動機器人控制存在的難點，簡要概述了模糊控制的概念和特點及主要應(yīng)用領(lǐng)域。第一章 緒論4第 5 章總結(jié)，對論文所作的工作進行總結(jié)。車輪移動方式的技術(shù)相對成熟，控制也較為容易實現(xiàn)；步行式控制難度較大，但隨著傳感器技術(shù)和微控制器技術(shù)的快速發(fā)展，該種移動方式也得到了較大的發(fā)展。輪式機器人按車輪的數(shù)量可以分為單輪、三輪、四輪、五輪、六輪和多輪等類型。六輪搖臂吊杠懸架由主搖臂和副搖臂組成，左、右懸架的主搖臂與車體差速齒輪的中心軸固聯(lián)，借助差速輪系相對于車體轉(zhuǎn)動。圖 六輪搖臂懸架結(jié)構(gòu)六輪搖臂探測機器人對地面的自適應(yīng)和越障主要通過主搖臂相對車體和副搖臂的中轉(zhuǎn)動實現(xiàn)輪越障時。副搖臂逆時針轉(zhuǎn)動，前輪下降，中輪上升。5圖 六輪搖臂探測機器人越障原理 移動機器人運動學(xué)模型 移動機器人采用四輪驅(qū)動模式，通過控制左右兩方驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速差實現(xiàn)前進、后退、轉(zhuǎn)向等各種基本的動作，現(xiàn)建立坐標(biāo)系說明移動機器人的運動學(xué)模型，具體坐標(biāo)系和運動參量見圖 移動機器人的運動示意圖。圖 2. 3 中， 代表機器人質(zhì)心的線速度； 和 分別是左右輪的線速度；R 為VVL左右輪的半徑；L 為兩輪的間距；規(guī)律、運動方程 (21)x，y 代表機器人質(zhì)心的二維平面坐標(biāo)。， (21)RL??R?第二章 移動機器人的機械結(jié)構(gòu)和運動學(xué)模型6， (22)LVR???2LRv?? 式(21)和式(22)中， 和 分別代表左右輪的角速度， 為質(zhì)心的角速度，vR ?為質(zhì)心的線速度。按照公式(22)計算得到 和 即可實現(xiàn)移動機器人的運動控制。因為 只與質(zhì)心的角速度有關(guān)，x、y 只與質(zhì)心的線速度有關(guān)，故可將控制變量轉(zhuǎn)為質(zhì)?心的線速度和角速度。 然而，在實際應(yīng)用中，由于編碼器檢測車輪的旋轉(zhuǎn)的分辨誤差、負(fù)載使車輪的等7效半徑產(chǎn)生變化、加速度及旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力使車輪的等效半徑變化以及路面的凹凸和傾斜等因素的影響，使上述公式并非嚴(yán)格成立。 本章小節(jié) 本章首先概述了移動機器人的機械結(jié)構(gòu)。最后，建立了機器人運動過程中線速度和角速度與左右兩邊驅(qū)動輪角速度之間的關(guān)系方程，為通過電機驅(qū)動機構(gòu)完成速度調(diào)節(jié)，實現(xiàn)移動機器人運動方向和速度的實時控制提供了理論依據(jù)?？刂葡到y(tǒng)是整個機器人系統(tǒng)的靈魂。移動機器人的各種功能都在控制系統(tǒng)的統(tǒng)一協(xié)調(diào)下實現(xiàn)；控制系統(tǒng)設(shè)計策略也決定了整個機器人系統(tǒng)的功能特點和可擴展性。INT IO左輪電機右輪電機電機驅(qū)動模塊電平轉(zhuǎn)換 RS232光電編碼器遙控操作模塊MCU（ATMEGA16）AD 電源模塊UARTPWM/IOIO9圖 3. 1 移動機器人控制系統(tǒng)框圖根據(jù)移動機器人的功能要求，本課題研究的控制系統(tǒng)主要包括：微控制器模塊、電機驅(qū)動模塊、測速模塊、遙操作模塊、串行通信模塊及電源模塊等部分。具體設(shè)計過程中，上述各個模塊力求相對獨立，以便系統(tǒng)日常的維護和今后的升級。 微控制器模塊作為控制系統(tǒng)的核心，主要進行各種信息、數(shù)據(jù)的處理，協(xié)調(diào)系統(tǒng)中各功能模塊完成預(yù)定任務(wù)； 測速模塊由增量式光電編碼器組成，用于左右輪轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向的實時測量，以實現(xiàn)移動機器人的運動控制； 電源模塊負(fù)責(zé)整個控制系統(tǒng)各部分的電源供給，并實現(xiàn)埋電池的電量檢測和充電； 本章將從各模塊的設(shè)計原理和功能出發(fā)，闡述各模塊的設(shè)計要點。微控制器在整個系統(tǒng)中扮演的角色類似于人的大腦，主要完成各種信息的運算和決策。微控制器一般以某一種 CPU 內(nèi)核為核心，芯片內(nèi)部集成ROM、EPROM 、EEPROM、 FLASH、RAM、A/D 、D/A、定時器/ 計數(shù)器、看門狗、I/O、串行接口、脈寬調(diào)制器等功能單元。因此微控制器逐漸成為嵌入式 PC 系統(tǒng)的主流核心器件。因此，合理選用控制系統(tǒng)的核心控制器，對系統(tǒng)的設(shè)計至關(guān)重要?？紤]到本