1、目 錄摘 要abstract第一章引言11.1 研究的目的和意義11.2 履帶機器人避障系統研究的現狀及發展趨勢11.2.1 國內履帶外機器人避障系統的研究現狀11.2.2 國內外履帶機器人避障路徑規劃研究現狀.71.3 履帶機器人研究存在的問題101.4 論文各部分內容10第二章 基于dsp的履帶機器人避障系統硬件原理112.1 系統硬件總體設計方案112.2 履帶機器人dsp控制器選擇與介紹122.2.1 tms320f2812芯片介紹132.2.2 系統外部擴展存儲器132.3 傳感器的選擇與介紹142.3.1 聲納傳感器142.3.2 航向角傳感器162.3.3 速度傳感器162.4

2、電機的選擇與功率驅動主回路設計172.5 硬件系統抗干擾技術192.6 本章小結20第三章 履帶機器人避障方法設計213.1 履帶機器人避障控制的總體框圖213.2 履帶式移動機器人的運動學模型213.3 履帶式移動機器人的環境建模223.4 覆蓋式路徑規劃的數學描述243.5 覆蓋式路徑規劃的方法設計253.6 軌跡控制算法的設計263.7本章小結27第四章 基于dsp的履帶機器人避障控制算法的仿真284.1 控制算法284.2 避障控制算法的matlab仿真304.3 本章小結33第五章 基于dsp的履帶機器人避障系統的軟件設計345.1dsp開發環境介紹345.2 避障控制系統程序345

3、.2.1 主程序模塊345.2.2 避障模塊365.2.3 pid模塊365.2.4 a/d轉換模塊385.3 本章小結39第六章 結論與展望406.1結論406.2 研究展望40致謝41參考文獻42ii基于dsp的履帶機器人避障系統研究 摘要摘 要本文設計了基于dsp的履帶式機器人避障系統系統。首先對履帶機器人的國內外研究和使用現狀進行了較為全面和詳實的介紹，從而尋求出該課題的研究方向；同時介紹了機器人的各種避障控制算法。其次，介紹了履帶機器人避障系統的總體結構方案設計。為實現整個系統的行走及避障功能要求，對系統控制芯片和車輪驅動電機的類型等進行了選擇。確定了以 tms320f2812 ds

4、p為核心控制器，直流電機為主要運動機構的機器人核心部分；同時，設計了機器人的主要硬件構造。本文隨后根據控制要求分析了系統所需的硬件結構。搭建了一個基于dsp的機器人控制平臺，概括了硬件電路設計中所必須考慮的抗干擾措施。之后闡述了控制系統的軟件設計方法。以車輪電機控制采用增量式pid控制算法為重點，介紹了軟件控制的總體策略與控制結構，并對仿真結果進行了比較；然后分塊介紹各個模塊程序與必要的寄存器的設置。最后，總結了作者的研究成果，并闡述需要進一步深入研究的工作。關鍵詞：履帶機器人，避障系統，自主導航，dsp系統，運動學模型。abstractthis article designed the sy

5、stem which has evaded based on the dsp marching robot bonds.first has carried on more comprehensive and a detailed introduction to the caterpillar band robot's domestic and foreign research and the use present situation, thus seeks this topic the research direction. simultaneously introduced rob

6、ot's each kind evades bonds the control algorithm.next, introduced the caterpillar band robot evades bonds system's gross structure project design. in order to realize overall system's walk and evade bonds the function request, actuated electrical machinery's type to the systems cont

7、rol chip and the wheel and so on to carry on the choice. had determined take tms320f2812 dsp as the core controller, the direct current machine for the main motion robot hard core. at the same time, has designed robot's main hardware structure.this article has analyzed the hardware architecture

8、which according to the control request the system needs. has built one based on the dsp robot control platform, summarized the anti-jamming measure which in the hardware circuit design must consider. afterward elaborated control system's software design method. uses the differential motion actua

9、tion type caterpillar band robot control algorithm takes the wheel motor control as the key point, introduced software control's overall strategy and the control structure, and has carried on the comparison to the simulation result. then the piecemeal introduced that each module procedure and th

10、e essential register's establishment.finally, summarized author's research results, and elaborated that needs further deep research work.key words: caterpillar band robot, obstacle avoidance, autonomous navigation, dsp, kinematics model.iv基于dsp的履帶機器人避障系統研究 第一章 引言第一章 引言1.1 研究的目的和意義在人類文明的悠遠長河中

11、，我們看到了人類進步的腳印：各種機器的發明大大地減輕了人們的體力勞動；與此同時，電子計算機的發明與推廣應用也在很大程度上代替了人們所進行的腦力勞動；而機器人作為二者結合的產物則可以完成許多人類“力所不能及”的工作。機器人移動的研究始于60年代末期。斯坦福研究院(sri)的nils nilssen和charles rosen等人，在1966年至1972年中研造出了取名shakey的自主移動機器人。目的是研究應用人工智能技術，在復雜環境下機器人系統的自主推理、規劃和控制。與此同時，最早的操作式步行機器人也研制成功，從而開始了機器人步行機構方面的研究，以解決機器人在不平整地域內的運動問題，設計并研制

12、出了多足步行機器人。其中最著名是名為general electric quadruped的步行機器人。70年代末，隨著計算機的應用和傳感技術的發展，移動機器人研究又出現了新的高潮。特別是在80年代中期，設計和制造機器人的浪潮席卷全世界。一大批世界著名的公司開始研制移動機器人平臺，這些移動機器人主要作為大學實驗室及研究機構的移動機器人實驗平臺，從而促進了移動機器人學多種研究方向的出現。90年代以來，以研制高水平的環境信息傳感器和信息處理技術，高適應性的移動機器人控制技術，真實環境下的規劃技術為標志，開展了移動機器人更高層次的研究1。開發和研制建設機器人和傳統建設機械的機器人化，是工業機器人和特種

13、機器人發展的必然結果，也是建設機械設備發展的方向。隨著改革的深入和科學技術的發展，在全行業的共同努力下，我國在研制和開發建設機器人和機器人化的建設工程設備上必將在二十一世紀取得更大的發展。隨著建設施工向高級化方向發展，高等級公路、高層建筑和鐵路的施工要求愈來愈高，對建設施工設備的要求也日益上升，目前建設工程設備基本上實現了機械化，但一般多停留在人工操縱、控制上，由于施工過程中，所處理的信息量越來越大，人工控制很難達到建設施工的具體要求。必須提高建設機械的性能和功能，逐步使建設機械向著自動化和智能化方向發展【2】。1.2履帶機器人避障系統研究的現狀及發展趨勢1.2.1 國內外履帶機器人避障系統的

14、研究現狀1國外履帶機器人避障系統的研究現狀46基于dsp的履帶機器人避障系統研究 第二章 系統硬件原理從1959年美國第一臺工業機器人到本世紀80年代初，機器人技術經歷了一個長期緩慢的發展過程。到了90年代，隨著計算機技術、微電子技術、網絡技術等快速發展，機器人技術也得到了飛速發展。制造價格不斷降低，而其質量與性能卻在迅速提高。開拓了機器人行業的新進展。機器人是人類創造的一種特殊機器,在生產和生活等方面,特別是在危險和極限環境作業中,有著廣泛的應用前景。機器人正發展成為一個龐大的家族，代替人們從事各種各樣的工作。（1）足球機器人避障系統障礙物的描述對路徑規劃算法以及尋找路徑的策略有很重要的意義

15、機器人向目標點運動采用的策略是消除機器人在起始點的方向、位置與目標點之間的角度誤差和距離誤差，所走的軌跡一般為一條曲線，曲率的大小取決于機器人在起始點的方向和目標點的位置，機器人的方向與起始點到目標點的方向一致時，曲率最小，機器人的方向與起始點到目標點的方向垂直時，曲率最大(因為機器人可以正、反兩個方向運動)。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：目標點為g,避障機器人為r,r到g的距離為l,以l為長，以l/2為寬做一矩形，在矩形范圍內的任何機器人(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(由對方機器人以及我方的除避障機器人以外的機器人組成，用o表示

16、)，o=or1,or2,.,orq其中q為搜索范圍內的障礙物個數。采用檢驗交點數法判斷比賽場上的其它機器人是否為障礙物(避障機器人除外)。其算法為3：設機器人的中心點為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。若交點數為偶數(包括0)，則p點在多邊形之外；若交點數為奇數，則點p在多邊形之內。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，即當一條線段兩個端點的x坐標值小于或等于p射線端點的xp坐標值時，就不作射線與該線段的求交點運算.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。反之，在線段兩端

17、點的x坐標值中，只要有一個小于射線的xp坐標值時，就進行求交點運算，da,ab,bc線段。當射線與多邊形某線段重合時，線段dc屬于t坐標值小于或等于xp的情況，因此也不做求交點運算。用此方法檢驗所有的機器人(避障機器人除外)，如果機器人的中心點在abcd內就認為它是障礙物。這樣就確定了執行動作的機器人在其運動區域內是否有障礙物、有幾個障礙物、障礙物的號碼、與障礙物的距離等信息4。（2）蛇形機器人避障系統20世紀90年代初期，日本hirose教授通過對自然界中蛇運動的長期分析和研究，提出蛇運動是肌肉以諧波振動的方式收縮與松弛的假設，用曲率顯正弦變化的曲線來模擬蛇的運動曲線，于1993年制造出第一

18、個蛇形機器人5，其運動曲線方程為： 公式（1.1）式中：根據蛇形機器人結構和運動特點，平面運動的蛇形機器人可以簡化為平面連桿模型。蛇形機器人在xoy平面上運動，相鄰關節之間的相對轉角i(s)為表征運動形狀的關節變量，可由公式（1.1）積分得6： 公式（1.2）式中：從公式（1.2）中可以看出改變k1的大小，就可以改變運動方向；改變s的大小，則可以改變運動的速度。芮執元等人用蛇形機器人的左右擺動電機來改變k1的大小，即用模糊神經網絡來控制蛇形機器人的左右擺動電機，從而達到改變k1大小，躲避障礙物，到達目標的目的7。2國內履帶機器人避障系統的研究現狀我國的機器人起步較晚，與國外發達國家相比還有一定

19、的距離。 （1）可重構履帶機器人根據調研發現北京航空航天大學機械工程及自動化學院的王田苗，鄒丹，陳殿生三人在可重構履帶機器人方面有以下研究。可重構機器人是由模塊化單元組成。模塊化的含義是將復雜的系統轉變成多個簡單的模塊組成。優點是有利于系統的設計和分析；同時模塊具有即插即用的性能，互換性比較強。他們所設計的機構是由4個具有獨立運動能力的基礎模塊，2個轉動關節模塊及3個連桿模塊組成。機器人的行走機構采用履帶式結構，因此具有地形適應能力強，平穩性好等優點，有利于機器人完成復雜地形環境下的偵察任務【8】。（a）電氣連接結構設計電氣連接部分的模塊化設計為機器人機構的可重構提供了保證。兩個基礎運動單元模

20、塊間的電氣連接采用即插即用的結構，分別用航空頭連接運動模塊的兩端，為機器人結構的重構提供了方便。傳輸線包括485總線的信號線，用于與主控系統之間的控制信息傳輸；機的信號線，用于主控系統與轉動關節模塊之間的信息傳輸；以及兩路電源線，分別是24v和8.4v，用于電機和機的供電。（b）控制系統組成此系統采用分布式控制體系，由主控制系統、電機控制系統、傳感器控制系統和云臺控制系統組成。當各子控制系統接收到從主控制系統傳送來的控制指令后，就獨立地完成對模塊的控制，同時各子控制系統將機器人本體的信息和傳感器監測的信息返回給主控制系統，便于主控制系統的統一決策。如圖1.1所示，主控制計算機系統通過無線數傳模

21、塊直接和遠程計算機系統交互。主控計算機系統采用基于arm7系列微處理器和c/os-ii的嵌入式實時操作系統，具有處理速度快、功耗低、價格低廉等優點，系統支持多任務管理和任務間的同步與通信，能夠對多傳感器信息進行實時處理，實現自主控制算法，滿足偵察作業的需要。對于電機驅動控制采用atmega128單片機系統實現，采用lm629 實現對電機的驅動，實現對直流電機的轉速控制和位置控制。傳感器的控制和云臺的控制分別采用avr的單片機系統，實現對傳感器數據的接收、傳送以及對云臺的姿態控制。和主控制系統之間通過串行總線rs-485連接。控制系統的這種模塊化的設計使得各個部分單獨控制，方便調試和功能實現。4

22、85總線電機控制系統嵌入式主控制系統傳感器控制系統云臺控制系統無線通訊電機1電機4傳感器1傳感器4云臺1云臺4圖1.1 控制系統體系結構（2）深海履帶機器車王隨平、陳峰等教授在深海底履帶機器車動力學模型方面有如下研究【9】。由于深海底履帶機器車的工作環境和自身特性與普通履帶車輛有很大不同，主要表現為履帶車的低速性(0.5一1m/s)、海泥的高含水性和低的剪切強度、以及深海底的作業環境，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。與普通履帶車相比，建模條件有以下特點：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，集礦機在1000m深的海底行走，海水的密度比空氣大得多，必

23、須考慮海水阻力；忽略離心力：由于集礦機的運行速度很低(0.5一lm/s)，轉向時離心力對其作用很小，可忽略不計；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，集礦機具有較深的壓陷深度(15cm)。在如此深的壓陷情況下，推土阻力成為集礦機的主要運動阻力之一；考慮履刺的剪切力：為了增加集礦機在1000m深稀軟底上的附著力，與普通履帶車輛不同，集礦機履帶上設計了高130mm、齒距為200mm的尖三角齒。在建模時，履齒與地面的剪切作用必須加以考慮。基于以上考慮，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下的受力分析，并最終建立了深海底集礦機的動力學模型。（a）法向

24、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。對應地，地面壓力ph(h =s,i)與壓強ph之間的關系可表述為： 公式（1.3）式中b是履帶寬度，z0為法向單位向量。深海底履帶機器車表現為相對寬的履帶中間距和較多的小半徑值支重輪。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可由經驗關系表述為主動輪和從動輪最低點沉陷zh的函數。德國特丟夫勒根據實驗得到海泥的載荷和壓陷的半經驗公式為【10】： 公式（1.4）式中，為壓陷；e、f為壓強與沉陷系數，可同樣由以下經驗確定： 公式（1.5）式中，為海泥的剪切強度。（b）牽引力由于深海底

25、的特殊環境，該履帶車具有高130mm、齒距d為200mm的窄尖三角齒；同時，設計的土壤剪切深度深達180mm。因此，總牽引力由履帶剪切土壤產生的牽引力f，和窄尖三角齒剪切土壤產生的牽引力凡之和構成。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： 公式（1.6）而剪切壓力又能表述為剪切位移和法向壓力的函數.對大多數的擾動土壤，有以下關系式： 公式（1.7）式中，p為法向壓力，c為土壤的內聚力，為土壤的內摩擦角，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。由塑性平衡理論，可計算單個履刺的牽引力： 公式（1.8）式中

26、，b2為履刺的寬度，實際等于履帶的寬度b，s為土壤比重，hb為履刺高度;,稱為土壤流值。履刺產生的牽引力可表述為： 公式（1.9）式中n=1/d,為與地面接觸的履刺的個數。（c）運動阻力履帶車的運動阻力可以分成內力和外力兩個部分內阻力主要分布在履帶一懸掛系統，由履帶板間、驅動輪齒和履帶、支重輪軸的摩擦損失以及支重輪和履帶之間的轉動阻力構成。內力的表現形式復雜而多變，不可能給出精確的分析和預測，常常用經驗公式給出內阻力和速度之間的線形近似關系，同樣本文也是將內力近似為作用在主動輪軸上的線性粘性轉矩。外阻力主要產生于車輛一地面的相互作用，主要表現為海泥的壓實阻力和海泥的推土阻力，以及深海環境中的海

27、水阻力。對地面的擠壓作用，對車體的運動性能有較大的影響。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。（3） 履帶式推土機由于履帶機器人與履帶式推土機的工作原理有相似之處，所以下面對履帶式推土機進行調研。（a）驅動控制的實現條件推土機的最大牽引力一方面取決于發動機的輸出轉矩(另一方面受地面附著條件的限制)推土機最佳生產率的發揮由其最大的履帶牽引力決定【11】。推土機作業時，其主要的受限形式是履帶的打滑。推土機工作時必須滿足驅動條件和附著條件： 公式（1.10）式中：（b）牽引力、附著系數與滑轉率的關系不同地面條件產生的附著系數是有差異的，在不同地面條件下的履帶牽引力與

28、其滑轉率的關系如下。在附著系數一定，履帶滑轉率s=0時，推土機的牽引力與推土機重量的比值最大；滑轉率從0開始增加時，附著系數隨之增加；當履帶滑轉率s=0.10.2時,附著系數達到最大；如果滑轉率繼續增加,附著系數開始下降。當履帶滑轉率s達到100%時，履帶發生完全滑轉!推土機不能工作，此時推土機牽引力的比值下降很快。推土機作業負載阻力過大時，履帶發生滑轉，推土機的行駛速度由于履帶的滑轉而降低。履帶的瞬時速度推土機機身瞬時速度及滑轉率s具有如下關系： 公式（1.11）1.2.2 國內外履帶機器人避障路徑規劃方法研究現狀履帶機器人屬于移動機器人的一種。路徑規劃問題是機器人學中很重要的一個方面。路徑

29、規劃的研究對象可分為關節式機械手和移動式機器人。一般來說，前者具有更多的自由度，而后者的作業范圍則更大一些。就最簡單的形式，路徑規劃問題可以按如下定義：在有障礙物的工作環境中，如何尋找一條從給定起點到終點適當的運動路徑，使機器人在運動過程中能安全、無碰地繞過所有障礙物。移動機器人路徑規劃主要解決三個問題：(1)使機器人能從初始點運動到目標點；(2)用一定的算法使機器人能繞開障礙物，并且經過某些必須經過的點；(3)在完成以上任務的前提下，盡量優化機器人運行軌跡。根據工作環境路徑規劃可分為兩種：環境信息已知的靜態路徑規劃，又稱全局規劃；環境信息未知或部分未知的動態規劃，又稱局部規劃。后者更具有實際

30、意義，因為現實環境中的障礙物很可能是運動規律未知的運動物體。動態環境中的路徑規劃比靜態環境下的規劃復雜得多。目前國內外路徑規劃的主要算法有：（1）人工勢場法12 人工勢場法是由khatib提出的一種虛擬力法，其基本思想是將機器人在環境中的運動視為一種虛擬的人工受力場中的運動。障礙物被排斥勢場包圍，對機器人產生斥力，排斥力隨機器人與障礙物的距離的減少而迅速增大；目標被引力勢場包圍，對機器人產生引力，吸引力隨機器人與目標的接近而減小。引力和斥力的合力作為機器人的合力，來控制機器人的運動方向，使機器人繞過障礙物朝目標前進。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

31、用，其不足在于存在局部最優解，容易產生死鎖現象，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點。為解決局部極小值問題，已經研究出一些改進算法，如sato提出的laplace勢場法13。改進算法是通過數學上合理定義勢場方程，來保證勢場中不存在局部極值。（2）柵格法14 柵格法將移動機器人工作環境分解成一系列具有二值信息的網格單元來記錄環境信息，有障礙物的地方累積值比較高，移動機器人就會采用優化算法避開。柵格法表現出良好的性能，受到重視并有很好的發展前景，但該方法存在著環境分辨率與環境信息存儲量的矛盾。（3）自由空間法15, 16 這是一種經典的路徑規劃方法，它把機器人所在的環境空間分成兩

32、部分，即自由空間和障礙物空間。機器人在自由空間中找到一條按某種性能指標規劃出來的安全路徑。其優點是比較靈活，起始點和目標點的改變不會造成連通圖的重構，缺點是復雜程度與障礙物的多少成正比，且有時無法獲得最短路徑。（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劃的一種重要方法。扎德于1965年提出的模糊集合成為處理現實世界各類物體的方法。此后，對模糊集合和模糊控制的理論研究和實際應用廣泛開展起來。模糊控制是一類應用模糊集合理論的控制方法。模糊控制的價值可從兩個方面來考慮。一方面，模糊控制提出了一種新的機制用于實現基于知

33、識規則的控制規律。另一方面，模糊控制為非線性控制器提出了一個比較容易的設計方法，尤其是受控對象或過程含有不確定性而且很難用常規非線性控制理論處理時，更是有效。由于模糊邏輯控制控制具有符合人類思維的習慣，不需要建立精確的數學模型，易于將專家知識直接轉換為控制信號等優點，已成為移動機器人路徑規劃的一種重要方法。在用模糊控制的方法規劃機器人路徑時，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。比如，參考人的駕駛經驗，模糊控制器先對聲納的距離信息進行模糊化處理，然后歸納出一組規則，通過模糊集理論把這些規則變為有效的規劃角度和平移距離。該算法的優點是算法直觀，容易實現，能方便人的經驗融合到算法當

34、中，計算量不大，能滿足實時性的要求。和其它應用一樣，利用模糊邏輯解決局部路徑規劃問題，需要根據問題的領域和知識來總結每一條規則。另外，由于實際環境的復雜性，一方面很難預見到所有可能的情況，另外對于多輸入、多輸出的模糊系統要窮盡其所有規則也是一個復雜、困難的過程。因此，讓機器人自行學會模糊規則是極為必要和有實際意義的。進化計算是一類模擬生物界進化規律機制來求解問題的自組織、自適用人工智能技術，其中以遺傳算法運用最為廣泛。由于其直接以編碼作為運算對象，對目標函數無特殊要求，具有全局收斂性、隱含的并行性和魯棒性等特點，對于傳統搜索方法難以解決的問題具有良好的適用性。一些研究人員已經將遺傳算法用于模糊

35、規則的設計，以及模糊控制器隸屬度函數和參數的優化等。模糊邏輯控制器的缺點是：當環境很復雜時，總結出的規則難以面面俱到，很難構造出比較全面的知識庫，構造，調整和修改規則知識庫比較難；需要花費大量的時間來調整和修改已構成的知識庫。如果輸入量與知識庫不匹配，就無所適從，不具備適用能力，也就是缺乏泛化能力。（5） 神經網絡20, 21 神經網絡的基本原理：人工神經網絡是由大量簡單的神經元相互連接而形成的自適用非線性動態系統。人工神經網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的兩篇關于神經網絡的研究論文，它們奠定了神經網絡軟件描述、硬件實現的基礎。1

36、986年rumelhart和mccleland提出了多層網絡的前饋學習算法，即bp算法，該算法從后向前修正各層之間的連接權值，可以求解感知機無法解決的問題，人工神經網絡控制由此發展起來。神經網絡在移動機器人路徑規劃上的應用：環境是一個很復雜非線性的系統，不同的環境很難用精確的數學模型表示出來，神經網絡具有任意逼近精確函數的能力。用神經網絡對環境信息進行分類和識別，然后建立機器人工作空間動態環境信息的神經網絡模型。并利用該模型建立機器人動態避障與神經網絡輸出的關系。神經網絡具有較強的學習和適用能力，但獲取具有代表性的訓練樣本不容易。（6） 遺傳算法22, 23 一種借鑒生物界自然選擇和自然遺傳機

37、制的隨機搜索算法，由于它具有簡單、健壯、隱含并行性和全局優化等優點，對于傳統搜索方法難以解決的復雜和非線性問題具有良好的適用性。應用遺傳算法解決自主移動機器人動態環境中路徑規劃問題，可以避免困難的理論推導，直接獲得問題的最優解。但存在早熟收斂問題。（7） 滾動規劃24 國內學者席裕庚借鑒預測控制中滾動優化原理，提出了動態不確定環境下基于滾動窗口的機器人路徑規劃算法，該法利用機器人實時測得的局部信息，以滾動方式進行在線規劃，實現了優化與反饋的合理結合，具有良好的避碰能力。但容易產生死鎖，且動態環境下的障礙物運動規律必須已知。1.3 履帶機器人研究存在的問題機械制造業在發達國家中基本上實現了機電信

38、一體化。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，主要體現在以下幾個方面：（1）由于建設施工作業中每一個具體操作的內容和要求都是不確定的， 實現建設施工自動化，就要求設備具有人的感覺、認識和判斷能力，成為智能機械，具有自我適應作業對象和環境變化的能力。因此采用一般的自動化技術是不夠的， 唯有采用智能化控制技術，目前智能化控制技術理論比較成熟，在一些高科技領域得到了應用，但由于建設施工設備工作環境的不確定性，其控制系統的復雜程度使這些技術的應用還有待于研究和開發。（2）建設機器人的研制和開發，要用到機、電、光、聲、化學以及生物等多學科的知識，須將多種技術組合后進行信息處理，如何把

39、各種技術組織成一個成熟的信息系統也是一個相當大的問題。（3）建設機器人多是大型設備，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高。而且建設機器人的工作條件惡劣，環境溫度變化很大，陽光、雨雪、塵埃、潮濕等嚴酷的工作環境以及強烈的振動和沖擊對系統的元件影響很大，國內相關元件的質量還有待提高， 對實現建設機器人的國產化是一個不利因素。1.4 論文各部分內容本論文在第一章簡單的介紹了目前對于履帶機器人避障控制技術的研究現狀，針對國內外做了分開的研究。第二章將會介紹基于dsp的履帶機器人避障系統的硬件原理。第三章主要描述了履帶機器人避障的方法設計。對于履帶機器人的控制算法及仿真將會在第四

40、章設計與介紹。第五章就是系統的軟件設計了，通過對主控制器編寫程序來控制履帶機器人的避障行為。對于第六章將描述這一課題的結論，并寫出來本人對未來履帶機器人的前景展望。第二章 基于dsp的履帶機器人避障系統硬件原理通常，一個完整的履帶式移動機器人系統應包括移動機構、控制系統、通訊系統、傳感系統等部分。由于本論文中的研究還處于初級階段，系統配置尚不齊全，因此，移動機器人只包括移動機構和控制系統兩大部分。其中，移動系統由車架、履帶和輪系組成。因移動系統的機構設計不在本文的研究范圍之內，故不再做進一步的介紹。控制系統部分由步進電機、驅動器、控制器、仿真器及控制軟件系統等構成。下面將對控制系統的各部分逐一

41、進行介紹。2.1 系統硬件總體設計方案本設計的履帶輪控制系統采用dsp作為主控制器，由此可以構建機器人運動控制系統，如圖2.1所示:轉速反饋adc adccap evapwm16tms320f2812pwm712evbcap adc adc信號檢測電路功率驅動電路功率驅動電路右輪電機光電隔離輔助電源主電源光電隔離左輪電機電流反饋轉速反饋轉速檢測電流檢測電流反饋電流檢測轉速檢測磁通門羅盤聲納傳感器信號檢測電路圖2.1 系統運動控制總體框圖（1）控制器控制器模塊設計主要是組成dsp最小系統，包括時鐘、復位電路、外部存儲器電路、jtag接口等。dsp強大的功能使其能滿足嵌入式智能控制單元的設計要求，

42、處理速度快且具有大量可編程的外設接口，能靈活實現與外界通信。（2）信號隔離從控制器接收車輪電機 pwm驅動控制信號，并通過光電隔離，實現了對控制器的隔離保護，提高了電路的抗干擾性與可靠性。（3）功率驅動機器人的電機驅動模塊具有欠壓保護，過流保護和故障輸出功能。大大的簡化了電路的設計，增強了系統的可靠性。功率元件主要由與非門、電阻、晶體管、續流二極管組成，對從信號隔離模塊輸入的控制信號進行運算放大，轉換成電機的驅動信號，從而驅動直流電機運轉。（4）檢測模塊該模塊主要采集反饋信號，由電流檢測和電機轉速檢測模塊組成。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，本系統采用了霍爾電流傳感器

43、檢測。將電流信號轉變成電壓信號再經過放大和濾波以后將反饋信號變化為壓3v的電壓信號送到dsp的a/d采樣單元。電機測速部分由一個霍爾開關和信號放大電路組成。霍爾開關采集轉速值，經整形、放大輸出，直接輸入到dsp的捕獲引腳，捕獲單元在捕獲引腳上出現跳變時使能觸發，通過計數定時器對負脈沖計數，得出電機轉速信號，從而計算出電機的轉速。2.2 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的核心部分，系統的結構框圖如圖所示。其硬件控制電路主要包括dsp控制芯片tms320f2812，地址總線驅動芯片lvc16244，同時也可作為電平轉換芯片使用，數據總線驅動芯片lvc1

44、6245，can總線驅動芯片uc5350，外部擴展存儲器is6llv6416，串口通信轉換芯片max232，以及復位、時鐘單元，電源轉換單元。dsp控制器tms320f2812電平轉換單元lt1086外部擴展ram is61lv6416復位、時鐘單元電源轉換模塊jtag接口sci串口驅動max232地址總線驅動lvc16244數據總線驅動lvc16245can總線驅動uc5350圖2.2 dsp控制器最小系統組成框圖2.2.1 tms320f2812芯片介紹本系統采用的tms320f2812芯片是美國ti公司新型研制的面向電機控制、工業控制的一款帶片內flash的32位定點dsp。該芯片將實時

45、處理能力和控制器外設功能集于一體，為控制系統應用提供了一個理想的技術平臺。具有成本低，功耗小，改進的并行結構，高性價比的優點，在與現有的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，更大的數據程序存儲量，更精確快速的a/d轉換等主要特點，成為信號處理及控制應用技術的理想選擇。其主要資源和性能指標如下：（1）32位定點處理器，供電電壓3.3v，150mhz的高主頻，系統周期為6.67ns的處理速度，運算速度可達15omips，支持雙16x16乘加操作，因而可兼顧控制和快速運算的雙重功能；（2）采用經典哈佛總線結構，利用多總線在存儲器、外圍模塊和cp

46、u之間轉換數據，使之可以在一個周期內并行完成取指令、讀數據和寫數據，同時它采用了指令流水線技術，保證信號處理的快速性和實時性；（3）內部存儲器包括128kx16bit的內部flash，18kx16bit的內部saram;可外擴1mxl6位的程序和數據存儲器，存儲器統一編址，其尋址空間達4m；（4）中斷資源豐富，可支持45個外設級中斷和3個外部中斷，提取中斷向量和保存現場只需9個時鐘周期；（5）擁有雙事件管理器eva和evb，分別包括6路pwm/cmp、2路qep、3路ca衛、2路16位定時器。事件管理器適用于控制交流電機、直流電機、開關磁阻電機，步進電機、多極電機和逆變器等；（6）擁有兩個sc

47、i口和一個spi口，增加了數據緩存功能，此外串行通訊模塊還包括增強的ecan總線和1個增強型多通道緩存串口，能滿足多種通訊的需要；（7）16通道12位的adc模塊，可設置多種采樣方式，內部含兩路采樣保持器，一個轉換單元，可實現雙通道同步采樣，最小轉換時間為80ns。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。2.2.2 系統外部擴展存儲器dsp芯片內部具有18k的saram和128k的flash可以擦寫，但是不支持在線調試，調試過程中如果每

48、次都使用專用的flash燒寫插件將程序存入閃存，不僅操作麻煩，而且損壞了閃存的壽命，所以本最小系統板上外擴了兩片零等待周期的研k數據存儲器ram，芯片型號為islv6416，提供總共128k的外部存儲器。在系統開發過程中，內部的存儲器往往要優先使用，這樣可以能夠能好的提高系統的運行效率。此外，外部存儲器的速度要受等待周期的影響。f2812能夠內部產生外部接口的等待周期。片外等待周期由片內等待產生寄存器確定。為了能夠獲得零等待的存儲器接口，系統必須正確的配置等待寄存器。也可以通過外部ready信號來產生等待周期。外部存儲器接口譯碼通過xc95144xl來完成。a0a15d0d15/ce/we/o

49、e/lb/uba0a15d0d15/cs/we/rdtms320f2812islv6416圖2.2 dsp外部擴展ram原理圖islv6416是issi公司生產的64k*16位高速cmos ram。3.3v電壓供電，低功耗設計，三態輸出，靜態操作，無需時鐘信號或刷新。f2812的存儲器采用統一編址方式，存儲器由兩種配置方式：一種是dsp工作在計算機模式并且啟動內部的b00t模式，此時可以選擇從內部的flash運行程序；另一種是內部的flash被屏蔽并且xdtf zone 7空間被使能。2.3 傳感器的選擇與介紹2.3.1 聲納傳感器 聲納傳感器2527是利用超聲波原理研制成的超聲波是一種震動頻

50、率高于聲波的機械波。由換能晶片在電壓激勵下發生震動產生，它具有頻率小，波長短，方向性好，能夠射線定向傳播。脈沖式聲納傳感器信號處理簡單，價格低，被廣泛用在機器人測距避障，定位導航等。通過測量由發射到接收所經過的時間以及超聲波在空氣中傳播的速度來測得機器人到障礙物的距離。測距原理如圖2.3所示。圖2.3 600系列聲納傳感器測距原理圖傳感器即是超聲波發射器，又是超聲波接受器，發射的超聲波頻率為50khz。靜電換能器是一個圓形的薄片，在發射超聲波的時候，將電能轉換為超聲波能，接收超聲波的時候，將超聲波能轉換為電能。薄片的材料是塑料，其正面涂有一層金屬薄膜，背面有一塊鋁制后板，如圖2.4所示。薄片和

51、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，產生頻率為50khz的超聲波。傳感器內有一個調諧電路，當接收回波時，只有頻率接近50khz的信號才能接收，其他的頻率信號則被過濾，計時和距離計算需另外硬件電路和軟件來實現。圖2.4 600系列傳感器機械原理圖聲納傳感器最主要的測距方法是渡越時間法tof(time of flight)。即聲波從發射到碰到前方障礙物之后被接收到所經歷的時間間隔。依據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。這種方法對對象的材料性質依賴較小，并且不受電磁波、粉塵等干擾。障礙物與傳感器之

52、間的距離可以通過下式來計算： 公式（2.1） 式中：機器人到障礙物的距離(m) 聲波往返傳播時間(s) 聲波在介質中傳播速率(m/s)在空氣中聲波傳輸速率為： 公式（2.2）為環境攝氏溫度，在測量精度不是要求很高的情況下，可以認為為常數。2.3.2 航向角傳感器測定集礦機航向角的是磁通門羅盤，是在磁通門場強計的原理上研制出來的。它與磁羅經羅盤、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。磁通門羅盤測角系統主要由檢測頭和電路處理兩大部分組成。檢測頭置于地磁磁場中，其測量繞組中偶次諧波的大小和相位就分別反映了地磁磁場的方向，將此信號加以鑒別并通過

53、計算機運算，就能檢測出羅盤載體相對于地磁磁場的方向，從而測定集礦機的航向角。2.3.3 速度傳感器履帶機器人速度傳感器采用磁接近開關傳感器，它的結構如圖2.5所示。齒盤轉動，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，其頻率跟旋轉體的轉速成正比。測量精度和齒盤的齒數有關，齒數越多精度越高。脈沖信號檢測方法有兩種：檢測脈沖寬度和脈沖頻率。由于深海集礦機速度在01m/s的范圍內，較慢，因此，采用檢測脈沖寬度的方法。線圈永久磁鐵磁盤圖2.5 磁接近開關安裝示意圖履帶機器人測速原理如下：

54、把磁接近開關傳感器作為變送器，安裝在左右兩條履帶驅動輪軸上(如圖2.6，當驅動輪帶動履帶行走轉動時，固定在其上的導磁探測桿同步轉動，順次通過磁接近開關，發出開關量速度檢測信號。驅動輪轉動的快慢，決定了導磁探測桿經過磁接近開關的時間間隔。驅動輪每轉一圈，傳感器產生15個脈沖，每個脈沖走的距離一樣，都是十五之一周長。而每個脈沖時間不一樣，每個脈沖時間通過檢測每個脈沖寬度得到，這樣，一個脈沖時間內集礦機走的距離十五之一周長除以一個脈沖時間即得履帶速度。543211導磁探測桿 2履帶驅動輪 3磁接近開關 4支撐軸 5信號線圖2.6 磁接近開關傳感器原理2.4 電機的選擇與功率驅動主回路設計車輪電機功率

55、驅動主回路主要由驅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。2.4.1 信號隔離電路直流電機是感性負載，工作電壓一般在12v-40v，高dsp電壓，因此dsp與功率驅動電路間要有隔離電路。本系統采用光電禍合器來完成信號的隔離，以避免前后兩級信號產生相互干擾。2.4.2 車輪電機功率驅動模塊設計機器人的車輪電機驅動模塊主要由電源、兩組功率驅動單元組成，分別用來控制左右兩組車輪電機。采用雙極性pwm驅動h橋結構電路。以其中一組為例，f2812的eva模塊產生四路pwm信號，經光電隔離電路隔離后進入功率驅動電路，功率驅動電路由4組功率元件組成(分別包括與非門、電阻、晶體管、續流二極管)，采用h全橋結構。當pwmi和pwm4為低電平，pwmz和pwm3為高電平時，tl、t4飽和導通而孔、t3截止，電流從tl流向電機再流向t4，電機正轉;反之，當p