【正文】 子技術，計算機技術以及制造技術等相關技術的發(fā)展，使得機器 人應運而生，并得以不斷發(fā)展。作為一種先進的機電一體化產(chǎn)品，機器人已經(jīng)能夠使用工具，能看、聽、說，并且開始能夠進行一些決策和思考的智能行為，其應用也從傳統(tǒng)的加工制造業(yè)逐漸擴展到軍事、海洋探測、宇宙探索等領域，并開始進入家庭的服務行業(yè)。 關于機器人的定義目前尚未統(tǒng)一。 2）機器人具有一定程度的智能，如記憶、感知、推理、決策、學習等。 4）機器人具有獨立性，一旦工作程序設定，機器人在工作時不需要人的干預。 20世紀 60 年代以來，機械加工、弧焊點焊、噴涂、裝配、檢測等各種類型的機器人相繼出現(xiàn)并迅速在工業(yè)生產(chǎn)中實用化，這大大提高了產(chǎn)品的一致性和質量。因此， 20 世紀 80年代后期，許多國家開展了移動機器人（ Mobile Robot）技術的研究。自主移動機器人的目標是在沒人干預下且無需對環(huán)境做任何規(guī)定和改變的條件下，有目的移動和完成相應的任務。導航研究的目標就是：在沒人干預的條件下，使機器人有目的移動并完成特定任務，進行特定操作。因此單從系統(tǒng)硬件層次上來講，移動機器人必須具有豐富的傳感器、 功能強大的控制計算機以及靈活和精確的驅動系 。從工作環(huán)境可分為室內(nèi)移動機器人和室外移動機器人；按移動方式可分為輪式移動機器人、步行移動機器人、蛇形移動機器人、履帶式移動好機器人、爬行機器人等；按控制體系結構可分為功能式（水平式）結構機器人、行為式（垂直式）結構機器人和混合式式機器人；按功能和用途可分為醫(yī)療機器人、軍用機器人、助殘機器人、清潔機器人等；按作業(yè)空間可分為陸地移動機器人、水下機器人、無人飛機和空間機器 。 移動機器人相關的主要技術 導航 移動機器人的導航方式可分為：基于環(huán)境信息的地圖模型匹配（ Map matching）導航；基于各種導航信號的路標（ landmark）導航、視覺導航和味覺導航等。它涉及 環(huán)境地圖模型建造和模型匹配兩大問題。同時將全局路線分解成路標與路標間的片段，不斷地對路標探測來完成導航。自然路標導華北科技學院畢業(yè)設計 第 3 頁 共 54 頁 航不改變機器人的工作環(huán)境，是機器人通過對工作環(huán)境中的自然特征的識別完成導航。 視覺導航主要完成障礙物和路標的探測及識別。其中路標不是事先定義的人工路標，而是在學習階段自動抽取的自然路標。解決該問題的關鍵在于設計一種快速的圖像處理方法。該技術中估算逆雅克比矩陣是基于視覺導航的一個關鍵技術問題。該技術通過提取幾何特征、平均壓縮、向量量化和主成分提取來簡化圖像處理，實現(xiàn)實時視覺導航。由于氣味傳感器具有靈敏度高、響應速度快以及魯棒性好等有點，但這些要求難以達到，所以該項技術很少應用到實際環(huán)境中，仍處于試驗研究階段。目前的味覺導航試驗多采用將機器人路徑的起始點和目標 點之間用特殊的化學藥品，如酒精和樟腦丸等，引導出一條無碰氣味路徑，機器人根據(jù)不同的道路跟蹤算法 ，用氣味傳感器感知氣味的濃淡和氣味源的方向進行機器人導航試驗。還有一種比較常用的方法是預先鋪設導軌，這種技術相對簡單，也容易實現(xiàn)，但有工作環(huán)境不能隨意變更，任務不能變更，缺少靈活性等局限性。定位方法根據(jù)機器人工作環(huán)境復雜性，配備傳感器 的種類和數(shù)量等不同有多種方法，主要有 :慣性定位、路標定位和聲音定位等。該方法雖然簡單，但是由于車輪與地面存在打滑現(xiàn)象產(chǎn)生的誤差，累積誤差隨移動機器人控制系統(tǒng)研究 第 4 頁 共 54 頁 路徑的增加而增大，定位誤差會逐漸累積引起較大的偏差；路標定位在移動機器人工作的環(huán)境里，人為地設置一些坐標己知的路標，如超聲波發(fā)射器、激光反射板等，通過對路標的探測來確定自身的位置。路標定位是普通采用的方法，可獲得較高的定位精度且計算量小，可用于實際的生產(chǎn)中，但該法需要對工作環(huán)境預先設定路標，不太符合真正意義的自主導航；聲音定位用于物體超出視野之外或光線很暗，視覺導航和定位失效的情況之下，基于聲音的無方向性和時間分辨率高等優(yōu)點，采用最大似然法、時空梯度法和 MUSIC 法等方法可實現(xiàn)機器人的精確定位。路徑規(guī)劃是自主式移動機器人導航的基本環(huán)節(jié)之一，它是按照某一性能指 標搜索一條從起始狀態(tài)到目標狀態(tài)的最優(yōu)或近似最優(yōu)的無碰路徑。 全局路徑規(guī)劃包括環(huán)境建模和路徑搜索策略兩個子問題。局部路徑規(guī)劃的方法有：人工勢場法（ Artificial Potential Field）、遺傳算法（ GeicAlgorithm）、螞蟻算法（ Ant Algorithm）、模糊邏輯算法（ Fuzzy Logic Algorithm）和滾動路徑規(guī)劃（ Rolling Path Planning）等。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，加以補償降低其不確定性，以形成對系統(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、反映的快速性和正確性，同時降低決策風險。多傳感器融合的常用方法有：加權平均法、貝葉斯推理與 DS 證據(jù)推理、卡爾曼濾波、統(tǒng)計決策理論、神經(jīng)網(wǎng)絡和模糊推理法以及帶置信因子的產(chǎn)生式規(guī)則。隨著科學技術的發(fā)展，移動機器人技術也將不斷地得到完善和發(fā)展。 （ 2）仿生學和類人機器人機構與能源方面的研究 類機器人在蓄電池的蓄電容量、體積、重量，以及語言功能等方面的完善，還需一定程度的探索和研究。 （ 3）多傳感器信息的集成融合 多傳感器信息融合的算法有很多，但多數(shù)算法都是基于線性正態(tài)分布的平穩(wěn)隨機過程前提下，從而還有待深入地研究解決非線性和非平穩(wěn)非正態(tài)分布的現(xiàn)實信息。 （ 5）多機器人系統(tǒng) 目前多機器人系統(tǒng)的研究尚處于理論研究階段，對于多機器人系統(tǒng)體系結構與協(xié)作機制、信息交互以及沖突消除等方面將是多機 器人系統(tǒng)的進一步研究方 。由于移動機器人具有一般機器人所不具備的移動能力，從而使之更具備“代替人”作業(yè)的實力。具有避障功能的移動機器人擁有相當高的社會價值，被大量應用于航天、軍事、制造業(yè)、醫(yī)療、交通等。同樣具有避障功能的移動機器人給不能行走的殘疾人士帶來福音。而擁有自主導航和避障能力的移動機器人將輕易地解決這類問題。 小結 本章通過對移動機器人的基礎知識，主要技術及其發(fā)展前景的介紹，引出了本論文選題的意義及論文的 主要內(nèi)容。因此一切功能的實現(xiàn)離不開它的移動機構，移動機構是整個移動機器人系統(tǒng)的基礎，因此需首先進行移動機構的設計。 移動機構的選擇 傳統(tǒng)的移動機器人移動機構主要有輪式、腿式、履帶式等。車輪的形狀或結構取決于地面的性質和地面的承載能力。輪式移動機器人根據(jù)車輪的多少可分為 1輪、2輪、 3輪、 4 輪和多輪結構。 （ 2）差速轉向式：在小車的左右輪上分別裝上兩個獨立的驅動電機，通過控制左右輪的速度比來實 現(xiàn)車體的轉向。 三輪移動機構一般是一個前輪、兩個后輪。三輪結構比較簡單，可獲得較好的機動性和靈活性，能夠滿足一般的需要，應用也較廣泛。 移動機器人的機械結構 輪式移動機器人（ WMR）包含一大類機械系統(tǒng)。雖然輪式移動機器人的種類繁多，但是大部分的都是非完整系 統(tǒng) 。 移動機器人機械部分主要包括車架、車輪、驅動 電機和相關連接部件。 車架底座能夠承受系統(tǒng)所需要的重量和強度，它是整個機器人的基礎部分。 移動機器人機械結構圖 : 圖 驅動電機的選型 主動輪驅動電機功率的確定 在進行驅動電機功率確定的時候，我們只考慮機器人在水平路面做直線運動的情華北科技學院畢業(yè)設計 第 9 頁 共 54 頁 況，并且忽略輪子變形、地面打滑、空氣阻力等因素。表示驅動輪和從動輪。從動輪受力如圖所示： 移動機器人控制系統(tǒng)研究 第 10 頁 共 54 頁 圖 為車體對從動輪的力 ， 為從動輪的載荷， 為地面對從動輪的摩擦力，方向正好與驅動輪所受摩擦力方向相反， 為地面對輪子的支撐力。 又由 v=rw，可得： () 其中 r 為車輪的半徑。根據(jù)受力可以得到： () 由式 (),(),()得 : M/ () 其中機器人的總質量為 。根據(jù)所要求的運行速度，并且考慮傳動效率以及安全情況，可以確定所需電機的功率大致為： () 根據(jù)確定出的功率，我們就可以進行電機的選 。 移動機器人控制系統(tǒng)研究 第 12 頁 共 54 頁 (2)精確性，要精確地使機械運動滿足系統(tǒng)的需求，必須要求電動機具有高精度。 (4)快速性，在有些系統(tǒng)中，控制指令經(jīng)常變化，有些變化非常迅速，所以要求電動機能做出快速的響應。 (6)環(huán)境適應性， 驅動電機要有良好的環(huán)境適應性，往往比一般的電動機的環(huán)境要求高許 。還有油壓執(zhí)行器，如油壓缸 (直線運動 )和油壓馬達；氣壓執(zhí)行器，如氣壓缸和氣壓馬達等。 本設計選用直流伺服電機。 綜合以上提到的依據(jù)和查閱大量資料后，我們初步選用空心杯直流伺服 FAULHABER2342，它具有節(jié)能、靈敏等優(yōu)點。電機參數(shù)為：額定電壓 12V，空載轉速 5500rpm，轉矩 ，輸出功率 。 （ 2）鋁塑板又比單鋁板好加工。 機器人的電源、控制板就裝在該車體上，電機位于車體的下端。該小車需要的電源是 6 電池或 者是 6 電池。 電路圖如 圖 所示。其壓差在 輸出，負載電流為 800mA時為 。另外還有 5個固定電壓輸出（ 、 、 、 和 5V）的型號。電路 包含 1 個齊納調節(jié)的帶隙參考 電壓 以確保輸出電壓的精度在177。輸出端需要一個至少 10uF 的鉭電容來改善瞬態(tài)響應和穩(wěn)定性。通過對激光、紅外線、超聲波等現(xiàn)有測距方法的比較可知， 該 移動機器人 使用 超聲波傳感器 。 檢測裝置用 于檢測機器人前方已存在的和臨時出現(xiàn)的障礙物 ,控制系統(tǒng)根據(jù)障礙物的信息修改機器人的運動路徑 ,通過驅動系統(tǒng)控制機械裝置移 。完整約束是指只限制受控系統(tǒng)的空間位形或者同時限制空間位形及運動速度，但經(jīng)積分可轉化為空間位形的約束。非完整約束是指同時限制空間 位形及運動速度，并且不能通過積分轉化為空間位形的約束。相對應地人們稱具有完整約束的系統(tǒng)為完整系統(tǒng)，而具有非完整約束的系統(tǒng)為非完整系統(tǒng)。對于由廣義坐標 q和時間 t所描述的幾何約束不存在可積性問題。一般情況下，對于位形空間為 Q 的系統(tǒng)，可以將速度約束寫為如下 形式 A(q)q=0 （ ） 其中 A(q)∈ 表示 k個速度約束集合。由于 Pfaffian 約束只是限制了系統(tǒng)的許可速度，而不是必需的位形，所以不能將其表示為位形空間的代數(shù)約束。因此可積的 Pfaffiall 約束等價于完整約束，不可積 Pfaffian 約束則是一種非完整約束。也就是說，對于具有完整約束的系統(tǒng)，可以找到由一組獨立廣義坐標描述的空間，在此空間內(nèi)，系統(tǒng)的任意運動都是可能的。尋找兩位形之間的實際可行路徑屬于非完整運動規(guī)劃問題。式（ ）所示系統(tǒng)的允許軌跡就可寫成控制系統(tǒng)的可能解： = () 也就是說，對于某種控制 ∈ R，當且僅當 q(t)滿足式 ()時， q(t)是系統(tǒng)的可行軌 跡。如果對于任意的 q?, ∈ ,存在 T0 和 u，使得該系統(tǒng)滿足 q(0)=q?，移動機器人控制系統(tǒng)研究 第 16 頁 共 54 頁 q(t)= 了，則稱該系統(tǒng)是可控的。 Chow 定理指出，若可控性李代數(shù)的秩為 n，則式（ ）所 示無漂移系統(tǒng)是可控的。這一方面是由于鏈式系統(tǒng)是結構最簡單的非完整系統(tǒng)；另一方面是因為一般的非完整系統(tǒng)在滿足一定的條件下，可通過狀態(tài)變換和輸入狀態(tài)反饋精確或近似地轉換為鏈式系統(tǒng)，特別是大多數(shù)實際的非完整系統(tǒng)都可化為鏈式系統(tǒng) 。 運動學模型 本文研究的機器人是三輪 式 移動 機器人，這樣 可以把整個 移動機器人 看作一個剛體，車輪看作 剛性輪，并且在運動不是太快且 轉彎半徑較大時，不考慮車輪與地面?zhèn)认蚧瑒拥那闆r，為了更好地研究移動機器人的運動，我們建立一個三輪 式 的數(shù)學模型。 華北科技學院畢業(yè)設計 第 17 頁 共 54 頁 圖 為 簡化推導假定每根軸上的兩個輪子都可以簡化成位于車軸中點的單個輪子，車輪與地面之間滿足純滾動無滑動條件。前輪可以調節(jié)，后輪的方位角是一定的，車體由后輪驅動。在笛卡爾坐標系下，其位姿可以由 q=(x,y,??,??)來表示。 ??是車體前進方向相對于 X 軸的方位角， ??是前輪相對于車體的轉向角。 式（ ）和式（ ）所示的約束明顯是不可積的，因此式（ ）所示的可移動機器人是一非完整系統(tǒng)。因此系統(tǒng)的可控性李代參數(shù) ?的秩是 4。事實上，移 動機器人可以停止在任何位置和方向的，即可控。 當 ?? （ k??/2,k??/2） ,k=1,3,5,…,時，可采用如下狀況變換： 華北科技學院畢業(yè)設計 第 19 頁 共 54 頁 () 和輸入變換