1、學(xué)校代碼：10213密級：公開碩士學(xué)位論文基于模糊控制的移動機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計碩 士 研究生： 錢華導(dǎo)申 請師： 楊名利 教授學(xué) 位： 工學(xué)碩士學(xué) 科、專 業(yè)： 控制科學(xué)與工程所 在答 辯單 位： 信息科學(xué)與工程學(xué)院日 期： 2009 年 6 月授予學(xué)位單位： 哈爾濱工業(yè)大學(xué)Classified Index：UDC：School codes: 10213Degree of secrets: opennessDissertation for the Master Degree in EngineeringTHE NAVIGATION SYSTEM DESIGN OFMOBILE ROBOT BA

2、SED ON FUZZY CONTROLCandidate:Supervisor:Academic Degree Applied for:Specialty:Affiliation:Date of Defence:Degree-Conferring-Institution:Qian HuaProf. Yang MingliMaster of EngineeringControl Scienceand EngineeringSchool of Information Scienceand EngineeringJune, 2009Harbin Institute of Technology哈爾濱

3、工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文摘要移動機(jī)器人是機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域中的一個重要分支，跨越了計算機(jī)、自動控制、機(jī)械、電子等多個學(xué)科。目前，越來越多的移動機(jī)器人被應(yīng)用到物料自動傳輸、危險場合下的自動作業(yè)以及服務(wù)業(yè)等。這些應(yīng)用對移動機(jī)器人在環(huán)境信息感知與理解、路徑規(guī)劃與自定位等方面的自主導(dǎo)航能力提出了更高的要求。為此，本論文以上海化工區(qū)有毒氣體巡檢機(jī)器人為對象，對自動導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行了研究。論文主要工作包括：首先，介紹了移動機(jī)器人起源和國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，簡要說明了所用移動機(jī)器人系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和導(dǎo)航系統(tǒng)組成模塊。通過對移動機(jī)器人常用導(dǎo)航方式的分析，確定了采用磁阻傳感器和超聲波傳感器采集實時導(dǎo)航信息、實現(xiàn)軌道跟蹤的導(dǎo)

4、航系統(tǒng)方案。該方案具有路徑適應(yīng)能力強(qiáng)、定位精度高、成本低等優(yōu)點。其次，對模糊控制算法進(jìn)行了研究。在分析移動機(jī)器人導(dǎo)航常用控制方法和兩輪差速移動機(jī)器人運(yùn)動學(xué)模型的基礎(chǔ)上，提出了移動機(jī)器人的角速度線速度函數(shù)模型，將雙輸出系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為單輸出系統(tǒng)，設(shè)計了兩輸入單輸出模糊導(dǎo)航控制器，簡化了控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；討論了量化因子參數(shù)設(shè)置對系統(tǒng)穩(wěn)定性和精度的影響；采用圓環(huán)軌道對移動機(jī)器人導(dǎo)航控制器進(jìn)行了仿真。實現(xiàn)了移動機(jī)器人導(dǎo)航控制系統(tǒng)硬件和軟件。通過對磁阻傳感器基本原理的分析，改進(jìn)了磁傳感模塊的控制電路設(shè)計。研究了環(huán)境因素對磁阻傳感和超聲波傳感的影響，提出了具有針對性的測量方法、偏差估計方法和濾波方法。最后，對仿真結(jié)

5、果進(jìn)行了分析，證明了模糊導(dǎo)航控制器在理論上是可行性的；對移動機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)的軟硬件整體調(diào)試，經(jīng)實地運(yùn)行測試，驗證了導(dǎo)航系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，并具有較高的精度。關(guān)鍵詞移動機(jī)器人；導(dǎo)航系統(tǒng)；模糊控制；磁阻傳感器；數(shù)學(xué)建模-I-哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文AbstractMobile robot is an important branch in the technological field of the robot. Itrefers to computer science, automation, mechanism, electronic science etc. Currentlymore a

6、nd more kinds of mobile robots are applied in many fields, including goods auto-transportation, auto-operation under dangerous cases, and service industry etc. All ofthese applications require a high standard auto-navigation of the mobile robot on fieldsuch as perception and understanding of environ

7、mental, and route plan .Therefore, inthis paper, the design for auto-navigation system is studied based on reviewing of amobile robot project for detection gas in Shanghai Chemical Area.Main research works in the dissertation is as follow:Firstly, the current development of mobile robots in and abro

8、ad is introduced, andthe collectivity structure of mobile robot system and navigation system module wasbriefed. By the analysis of general guiding method of mobile robot, a project to design anavigation system is presented, using a self-developed magneto resistive sensors andultrasonic sensors to co

9、llect real-time guiding information for practical trajectorytracking. The guide method had the following advantages: good adaptability to the path,high positioning accuracy at task points and low costs etc.Secondly, the fuzzy control algorithm theory is studied. The "angular velocity-linear vel

10、ocity" functional model was presented based on analysis of the usualnavigation methods and the kinematics of wheeled mobile robots. Thereafter,transformed the two output system to one output system and simplified the structure ofcontrol system. The impact of quantitative factor parameters was d

11、iscussed on thestability and accuracy of system. A circular tracking orbit was used to simulate mobilerobot navigation system, which make the use of mobile robot navigation system tocontrol hardware and software into practice. After reviewing of the basic principles ofHoneywell magneto resistive sen

12、sor, the design of the magnetic sensor circuit modulewas improved. Analyzed the impact of environment on the magnetic sensors andultrasonic sensors, and came out with a specific measurement method, as well asestimation bias method and filtering method.Finally, the simulation results was analyzed, an

13、d proved the navigation controllerwas feasible in theory. At the same time, we made an overall adjustment to the hardwareand software of the navigation system, and make a test to verify the stability and highaccuracy of the system.- II -哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文Keywords Mobile robot; Navigation system; Fuzzy

14、control; Magneto resistive sensor;Mathematical modeling- III -哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文目錄摘要 . IAbstract . II第 1 章 緒論 .1 引言 .1 課題研究的背景及意義 .1 課題研究的背景 .1 課題研究的意義 .2 國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 .2 研究內(nèi)容 .4第 2 章 移動機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)與運(yùn)動模型 .5 移動機(jī)器人系統(tǒng) .5 移動機(jī)器人系統(tǒng)的組成 .5 移動機(jī)器人導(dǎo)航方式 .6 移動機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)分析 .10 移動機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模 .13 本章小結(jié) .15第 3 章 模糊導(dǎo)航控制方法與仿真 .16 引

15、言 .16 模糊控制器的基本結(jié)構(gòu) .16 模糊化 .17 知識庫 .18 模糊推理 .18 清晰化 .18 模糊控制器的維數(shù) .18 模糊邏輯控制系統(tǒng)的基本原理 .19 模糊化運(yùn)算 .19 數(shù)據(jù)庫 .19 規(guī)則庫 .21 清晰化計算 .22- IV -哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 模糊導(dǎo)航控制系統(tǒng)的設(shè)計 .23 導(dǎo)航系統(tǒng)仿真研究 .27 仿真工具M(jìn)ATLAB簡介.27 移動機(jī)器人模糊控制器仿真 .27 仿真結(jié)果 .29 本章小結(jié) .32第 4 章 導(dǎo)航控制系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計與實現(xiàn) .33 控制系統(tǒng)硬件模塊的實現(xiàn) .33 控制器的選型和開發(fā)應(yīng)用 .33 磁檢測系統(tǒng)模塊 .35 超聲波檢測系統(tǒng)模塊

16、 .39 電機(jī)驅(qū)動控制模塊 .41 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn) .42 軟件整體設(shè)計方案 .42 磁檢測軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu) .43 超聲避障軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu) .45 自動導(dǎo)航尋跡模塊 .47 導(dǎo)航系統(tǒng)性能測試及實驗結(jié)果 .48 本章小結(jié) .52結(jié)論 .53參考文獻(xiàn) .54哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 .59哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文使用授權(quán)書 .59致謝 .60-V-哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文第1章緒論 引言“機(jī)器人是一種自動化的機(jī)器，所不同的是這種機(jī)器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機(jī)器”，這是我國科學(xué)家對機(jī)器人的定義。對

17、不同任務(wù)和特殊環(huán)境的適應(yīng)性，也是機(jī)器人與一般自動化裝備的重要區(qū)別。正是因為它的可自動操作性和適應(yīng)性，使得它從 50 年代末第一臺工業(yè)機(jī)器人“尤尼梅特(Unimate)”被發(fā)明以后就一直受到工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的高度重視并發(fā)展成了一個專門的學(xué)科機(jī)器人學(xué)1。相繼提出了人類制造機(jī)器人的三原則：機(jī)器人不應(yīng)傷害人類；機(jī)器人應(yīng)遵守人類的命令，與第一條違背的命令除外；機(jī)器人應(yīng)能保護(hù)自己，與第一條相抵觸者除外。移動機(jī)器人是機(jī)器人學(xué)中的一個重要分支，其研究工作始于 20 世紀(jì) 60 年代末期。以斯坦福研究所開發(fā)的第一臺移動機(jī)器人SHAKEY為標(biāo)志，主要目標(biāo)是研究復(fù)雜環(huán)境下機(jī)器人系統(tǒng)的實時控制問題，涉及到任務(wù)規(guī)劃、運(yùn)動

18、規(guī)劃與導(dǎo)航、目標(biāo)識別與定位、機(jī)器視覺、多種傳感器信息處理與融合及系統(tǒng)集成等關(guān)鍵技術(shù)。其中自主式移動機(jī)器人屬于智能機(jī)器人范疇，它集人工智能、智能控制、信息處理、圖像處理、檢測與轉(zhuǎn)換等專業(yè)技術(shù)為一體，跨計算機(jī)、自動控制、機(jī)械、電子等多個學(xué)科 2。智能移動機(jī)器人是能通過傳感器感知環(huán)境和自身的狀態(tài)，實現(xiàn)在有障礙物的環(huán)境中面向目標(biāo)的自主運(yùn)動，從而完成移動作業(yè)能力的機(jī)器人系統(tǒng)3。 課題研究的背景及意義 課題研究的背景自從人類創(chuàng)造了第一臺機(jī)器人以后，機(jī)器人就開始顯示出它極大的生命力。但進(jìn)入 20 世紀(jì) 90 年代以來，由于具有一般功能的傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用趨向飽和，而許多高級生產(chǎn)和特種應(yīng)用則需要具有各種智能

19、的機(jī)器人參與，因而促使智能機(jī)器人獲得較為迅速的發(fā)展。無論從國際或國內(nèi)的角度來看，復(fù)蘇和繼續(xù)發(fā)展機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的一條重要途徑就是開發(fā)各種智能機(jī)器人，來提高機(jī)器人的性能，擴(kuò)大其功能和應(yīng)用領(lǐng)域。-1-哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文移動機(jī)器人是一個集環(huán)境感知、動態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多種功能于一體的綜合系統(tǒng)。對移動機(jī)器人的研究，提出了許多新的或挑戰(zhàn)性的理論與工程技術(shù)課題，引起越來越多的專家學(xué)者和工程技術(shù)人員的興趣，更由于它在軍事偵察、掃雷排險、防核化污染等危險與惡劣環(huán)境以及民用中的物料搬運(yùn)上具有廣闊的應(yīng)用前景，使得對它的研究在世界各國受到普遍關(guān)注。因此，無論是在制造業(yè)還是在非制造業(yè)，具有智能特性的

20、自主式移動機(jī)器人成為了國內(nèi)外研究的熱點，也是當(dāng)前智能機(jī)器人研究的熱點之一4,5,6。 課題研究的意義移動機(jī)器人路徑規(guī)劃作為自主式移動機(jī)器人技術(shù)的一個重要組成部分，是研究移動機(jī)器人技術(shù)較為活躍的課題之一，吸引了國內(nèi)外大批的研究學(xué)者。隨著各種新方法和新技術(shù)的不斷出現(xiàn)，對移動機(jī)器人的研究有了更廣闊的天地。我國在智能移動機(jī)器人研究方面雖然己經(jīng)取得了一定的成果，如地面自主導(dǎo)航車、水下自主機(jī)器人和飛行機(jī)器人等。但由于起步較晚，在研究和應(yīng)用方面都落后于一些西方國家，而且還沒有達(dá)到完全實用。因此，進(jìn)行這項研究，具有一定的理論和工程應(yīng)用意義。本課題來源是實驗室與上海化工區(qū)對現(xiàn)場自動巡航毒氣檢測機(jī)器人的研發(fā)。論文

21、選題是基于模糊控制的移動機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計，也是目前該領(lǐng)域的研究熱點，要求機(jī)器人在未知環(huán)境信息下，自主地導(dǎo)航行走，避開障礙物，實現(xiàn)任務(wù)目標(biāo)，提高移動機(jī)器人的智力水平，減少移動機(jī)器人在移動過程中存在的不確定狀態(tài)，提高移動機(jī)器人的速度及靈活性。同時也為開發(fā)高智能的遠(yuǎn)距離搬運(yùn)機(jī)器人、探測機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人、汽車自動駕駛系統(tǒng)打下基礎(chǔ)。 國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢自上世紀(jì) 90 年代以來，各國學(xué)者對移動機(jī)器人的研究十分活躍，目前，各種類型和智能水平的移動機(jī)器人也已在工業(yè)生產(chǎn)、日常生活和軍事中獲得應(yīng)用。由于移動機(jī)器人在國民經(jīng)濟(jì)及人們生活中有極大的應(yīng)用潛力，世界各國對移動機(jī)器人的研究都極為重視，促使移動機(jī)器人得到

22、快速開發(fā)。在制造業(yè)中，其最成功的應(yīng)用是作為自動化生產(chǎn)系統(tǒng)中的無人駕駛搬運(yùn)機(jī)器人，用以完成機(jī)床之間、機(jī)床與自動倉庫之間的物料傳送，以及機(jī)床與工具庫間的工具傳送。它是一種針對路徑多叉、搬運(yùn)對象多邊、大批量生產(chǎn)規(guī)模的運(yùn)輸手段，由于移動機(jī)器人的運(yùn)動靈活性，大大增加了生產(chǎn)系統(tǒng)的柔性和自動化程度。-2-哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文在工廠自動化中，移動式搬運(yùn)機(jī)器人是必不可少的7,8,9。在非制造業(yè)中，星際探索和能源開發(fā)是移動機(jī)器人兩大應(yīng)用方向。從 60 年代開始，美國開始研究火星探索用移動機(jī)器人，以便在火星上軟著陸后進(jìn)行移動并收集數(shù)據(jù)。自 1965 年美國成功發(fā)射水手 4 號行星探測器以來，人類就從沒放棄

23、過對火星的探索。1976 年 7 月和 8 月美國的“海盜 1 號”和“海盜 2 號”在火星成功登陸，1996 年 12 月 4 日火星探路者登陸器在肯尼迪航天中心發(fā)射，經(jīng)過7 個月的長途跋涉，1997 年 7 月，在火星上成功著陸后，索杰納漫游車離開登陸器在火星表而漫游，行駛了幾千米，完成了預(yù)定的科學(xué)探測任務(wù)。海洋開發(fā)方面，移動機(jī)器人的作用是資源調(diào)查、石油礦藏開采、沉船打撈等。現(xiàn)在，移動機(jī)器人的研究開發(fā)，除上述應(yīng)用外，還涉及許多其它應(yīng)用領(lǐng)域。如在采礦業(yè)中進(jìn)行隧道的掘進(jìn)和礦藏的開采，軍事上用于探測偵察、危險性的操作，特別是在一些爆炸物處理中，例如核電廠的廢料搬運(yùn)、有毒的化工場地作業(yè)10,11。

24、最近幾年，移動機(jī)器人技術(shù)又廣泛應(yīng)用到智能交通系統(tǒng)等服務(wù)方面。在服務(wù)機(jī)器人方面，日本及美國處于絕對領(lǐng)先地位。例如：安川電機(jī)和富士通公司聯(lián)合開發(fā)的送餐機(jī)器人，它可以在醫(yī)院里分送飲食到各個病床，并在病人用完餐后收回餐具；日本靜甲株式會社的清水工廠開發(fā)出一種自動清掃機(jī)器人，它可用于各種工廠中的清掃工作，采用了光纖陀螺來自主控制機(jī)器人的方向，對地面沒有任何要求。美國也非常重視服務(wù)機(jī)器人的開發(fā)和應(yīng)用。據(jù)新科學(xué)家雜志報道，能夠從事吸塵和洗碗盤之類煩瑣家務(wù)事的機(jī)器人，現(xiàn)在己經(jīng)可以在美國以郵購方式獲得，每個售價還不到 800 美元。目前在我國，服務(wù)機(jī)器人開發(fā)應(yīng)用較少，只有少數(shù)研究所及高校在研究開發(fā)，如北京航空航

25、天大學(xué)機(jī)器人研究所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所、東北大學(xué)機(jī)器人研究所等，所取得的研究成果距實用化還有很大的差距。具有代表意義的產(chǎn)品有哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所開發(fā)的爬壁機(jī)器人，用于高空極限作業(yè)12。與任何一門現(xiàn)代技術(shù)分支一樣，移動機(jī)器人研究的興起一方面是社會生產(chǎn)發(fā)展的需要，另一方面也是相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域交叉發(fā)展的結(jié)果。其中一個最直接的因素是計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展。計算機(jī)計算、存儲能力的大幅提高，為移動機(jī)器人運(yùn)行更復(fù)雜的實時控制算法創(chuàng)造了條件。另外計算機(jī)科學(xué)出現(xiàn)了一系列諸如人工智能、專家系統(tǒng)等新興技術(shù)分支學(xué)科，這些學(xué)科為移動機(jī)器人未知或動態(tài)環(huán)境的實時導(dǎo)航開辟了道路。移動機(jī)器人技術(shù)已成為眾多高新技術(shù)的產(chǎn)物，同

26、時也為其它技術(shù)的發(fā)展提供了豐富的研究素材和應(yīng)用場所。-3-哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文利用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制與操作，已成為最新的機(jī)器人研究方向之一。所謂網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人技術(shù)就是經(jīng)Internet等網(wǎng)絡(luò)對機(jī)器人進(jìn)行公開和快捷的研究、開發(fā)操作和試驗，以實現(xiàn)高度的資源共享和技術(shù)交流。基于網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器人實現(xiàn)了一個廉價的、靈活多變的系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)通信和通信協(xié)議在機(jī)器人系統(tǒng)中得到應(yīng)用，以標(biāo)準(zhǔn)的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)硬件為通信基礎(chǔ)，通過改進(jìn)TCP/IP協(xié)議并用到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫協(xié)議頂層，提供一種基于信息的可靠傳輸服務(wù)，構(gòu)造一個支持多個網(wǎng)段之間的多平臺控制系統(tǒng)，任何網(wǎng)絡(luò)終端，包括網(wǎng)絡(luò)上的機(jī)器人、代理及操作者可以互相通信并

27、交互，共同促使任務(wù)的實現(xiàn)4。 研究內(nèi)容移動機(jī)器人路徑規(guī)劃是移動機(jī)器人技術(shù)的主要研究內(nèi)容之一，雖然已經(jīng)有近四十年的研究工作，即從不同的環(huán)境建模，針對不同的應(yīng)用領(lǐng)域等提出了很多路徑規(guī)劃的方法，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到完全實用的程度，國內(nèi)外研究者仍在繼續(xù)探索，移動機(jī)器人的路徑規(guī)劃的避碰問題仍是一個值得研究的問題。本文在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上做了一部分研究工作，研究內(nèi)容如下：第 1 章緒論。首先指出對其移動機(jī)器人研究的背景以及理論和現(xiàn)實意義，然后對移動機(jī)器人路徑規(guī)劃所采取的方法以及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行一般性的介紹和總結(jié)，最后闡述了本文研究的主要內(nèi)容。第 2 章總體結(jié)構(gòu)與運(yùn)動控制學(xué)模型。主要介紹了本課題所用移動機(jī)

28、器人總體結(jié)構(gòu)與導(dǎo)航系統(tǒng)組成，包括傳感器系統(tǒng)、電源供電系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)，針對具體的應(yīng)用環(huán)境和運(yùn)動特性對運(yùn)動模型進(jìn)行了分析，建立了運(yùn)動數(shù)學(xué)模型。第 3 章移動機(jī)器人模糊控制理論與仿真。在介紹模糊控制基本理論的基礎(chǔ)上，把模糊邏輯方法引入到移動機(jī)器人的導(dǎo)航系統(tǒng)中，設(shè)計移動機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)模糊控制器。并應(yīng)用 Matlab(Simulink)仿真工具對該系統(tǒng)進(jìn)行了路徑設(shè)計和仿真。結(jié)果表明該算法能滿足移動機(jī)器人導(dǎo)航的要求。第 4 章導(dǎo)航控制系統(tǒng)的軟硬件實現(xiàn)。硬件部分，介紹了控制器的選型和開發(fā)應(yīng)用，研究了磁阻傳感器和超聲傳感器的工作原理，設(shè)計了各個模塊控制電路。軟件部分主要包括：主程序，采樣定時器中斷程序，軟件濾

29、波程序，PWM控制程序和串口通信程序。最后對導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)性能測試。最后對本課題研究工作做出了結(jié)論并對本課題提出展望。-4-哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文第2章移動機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)與運(yùn)動模型 移動機(jī)器人系統(tǒng) 移動機(jī)器人系統(tǒng)的組成移動機(jī)器人采用上下二級分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。自動導(dǎo)航控制系統(tǒng)組成下位機(jī)，采用基于模塊化并行通信的多微處理器分布式控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)，完成對移動機(jī)器人的行為動作控制；上位機(jī)主要完成基于主動視覺的移動機(jī)器人導(dǎo)航控制等功能和采集現(xiàn)場圖像功能；移動機(jī)器人通過串行通信和上位機(jī)進(jìn)行信息交互；上位機(jī)通過無線通信系統(tǒng)和控制室進(jìn)行信息交互。移動機(jī)器人主要由以下幾個功能模塊組成：(1

30、) 驅(qū)動模塊：主要安裝了左右輪直流電機(jī)及其電機(jī)驅(qū)動控制器。(2) 動力模塊：安裝了兩個鋰電池、DC-DC 模塊組為機(jī)器人提供電源。(3) 傳感器模塊：在機(jī)器人前端安裝了 4 個磁阻傳感器、兩個超聲測距傳感器及兩個人體感應(yīng)檢測傳感器。(4) 下位機(jī)控制層：主要安裝了全部自行設(shè)計開發(fā)控制器電路板及其它相關(guān)模塊電路板。(5) 上位機(jī)控制層：主要安裝了 PC104 及自行設(shè)計的并口擴(kuò)展板模塊。(6) 頂層：在機(jī)器人的頂部安裝 1 臺攝像機(jī)及無線通信系統(tǒng)的路由器和天線等。其硬件組成如圖 2-1 所示。-5-哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文圖 2-1 移動機(jī)器人硬件組成圖 移動機(jī)器人導(dǎo)航方式自主式移動機(jī)器人

31、相關(guān)技術(shù)的研究中，導(dǎo)航技術(shù)是其研究的核心，也是移動機(jī)器人實現(xiàn)智能化及完全自主導(dǎo)航的關(guān)鍵技術(shù)。采用不同的導(dǎo)引方式就形成了各種形式的導(dǎo)航系統(tǒng)移。移動機(jī)器人的導(dǎo)航研究實質(zhì)是如何解決以下三個問題13：“我現(xiàn)在在何處?”；“我要往何處去?”；“我要如何到該處去?”。因此，移動機(jī)器人要想實現(xiàn)自主導(dǎo)航，必須具備以下能力：(1) 能實現(xiàn)基本的趨向目標(biāo)功能，如到達(dá)給定目標(biāo)或者跟蹤指定目；(2) 能對非預(yù)見性事件做出實時反應(yīng)，如躲避一個突然出現(xiàn)的障礙；(3) 能創(chuàng)建、維護(hù)和使用環(huán)境地圖；(4) 通過學(xué)習(xí)得到障礙物在地圖中的位置之后能可靠避開該障礙物；(5) 能識別二維地形，并能改變其力矩以適應(yīng)不同的地形；-6-哈

32、爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文(6) 具有規(guī)劃制定一個能避開環(huán)境中的陷阱且能完成特定目標(biāo)的規(guī)劃。移動機(jī)器人的導(dǎo)航方式有多種，目前尚無統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)環(huán)境信息的完整程度、導(dǎo)航指示信號類型、導(dǎo)航地域等因素的不同，導(dǎo)航方式也不同。2.1. 電磁導(dǎo)航電磁導(dǎo)航是目前移動機(jī)器人自主導(dǎo)航的主要導(dǎo)航方式。這種導(dǎo)航方式利用電磁感應(yīng)的原理，沿運(yùn)行線路的地面上設(shè)置一條寬約 5mm、深約 15mm的地溝，地溝中敷設(shè)導(dǎo)線，饋以 5030kHz的交變電流，以形成沿導(dǎo)線擴(kuò)展的交變電磁場，在移動機(jī)器人的前端對稱安裝了若干個磁阻傳感器，用于檢測磁場強(qiáng)度，并根據(jù)磁場的強(qiáng)弱引導(dǎo)移動機(jī)器人沿著埋設(shè)的導(dǎo)線行駛。這種導(dǎo)航方式在自主導(dǎo)航

33、系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用并已經(jīng)十分成熟，可靠性非常高。但其成本高，傳感器發(fā)射和反射裝置的安裝復(fù)雜，位置計算也復(fù)雜，改造和維護(hù)非常困難。缺乏柔性，對路徑的修改比較困難14,15。如圖 2-2 所示。圖 2-2 電磁導(dǎo)引方式的工作原理 航跡推算導(dǎo)航航跡推算導(dǎo)航(Dead-Reckoning Navigation)是典型的獨(dú)立導(dǎo)航方式，常用檢測設(shè)備包括羅盤儀、速率儀、里程儀、轉(zhuǎn)速計。這些傳感設(shè)備能夠測量出正在行駛車輛的旅行距離、速度和方位，在短時間內(nèi)這些傳感器的精度較高，由于車輪與地面存在打滑現(xiàn)象，產(chǎn)生的累積誤差隨路徑的增加而增大，定位誤差會逐漸累積，引起更大的誤差。這就需要在此基礎(chǔ)上再采用另外一些附加措施，

34、來周期性地糾正機(jī)器人的位置誤差16,17。 慣性導(dǎo)航慣性導(dǎo)航系(Inertial Navigation System, INS)主要是由慣性測量裝置(加速度計-7-哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文和陀螺儀)、計算機(jī)和穩(wěn)定平臺組成。由陀螺儀和加速度計測量運(yùn)動載體相對于慣性空間的角速度和線加速度，通過計算機(jī)進(jìn)行導(dǎo)航解算，從而獲得運(yùn)動載體相對某一基準(zhǔn)的導(dǎo)航參數(shù)。INS具有在高速率下捕捉數(shù)據(jù)的能力，且精度很高，但是如果時間較長，精度則降低。為提高絕對精度，就需要增加另外的傳感器作為輔助。由于其定位誤差隨時間的延續(xù)不斷增大，即誤差積累、漂移大。同時慣性導(dǎo)航設(shè)備昂貴，也限制了它們的使用18。例如，用在飛行器

35、的高精度陀螺儀，價格高的驚人。目前已研制出了更高精度的光纖陀螺儀，然而它的價格有所下降，這為機(jī)器人導(dǎo)航提供了一個誘人的解決方案 19。 地圖導(dǎo)航基于地圖導(dǎo)航(Map-Based Navigation)20是機(jī)器人通過自身的各種傳感器，探測周圍環(huán)境，利用感知到的局部環(huán)境信息進(jìn)行局部地圖構(gòu)造，并與其內(nèi)部事先存儲的完整地圖進(jìn)行匹配。如兩模型相互匹配，機(jī)器人可確定自身的位置，并根據(jù)預(yù)先規(guī)劃的一條全局路線，采用路徑跟蹤和避障技術(shù)，實現(xiàn)導(dǎo)航。它涉及環(huán)境地圖模型建造和模型匹配兩大技術(shù)。在導(dǎo)航中用到的地圖包括幾何地圖和拓?fù)涞貓D兩種。幾何地圖在一個全局坐標(biāo)系里描述世界模型；拓?fù)涞貓D用節(jié)點和弧組成的網(wǎng)絡(luò)描述世界模

36、型。 主動信標(biāo)導(dǎo)航主動信標(biāo)導(dǎo)航(Active Beacon Navigation)常用的二角測量法是通過算機(jī)器人與其在同一點所探測到的二個主動信標(biāo)之間的二角幾何關(guān)系，以確定機(jī)器人在工作環(huán)境中的坐標(biāo)。信標(biāo)定位可獲得較高的定位精度且計算量小，是普遍采用的定位方法。但該方法需要對環(huán)境作一些改造，而且信標(biāo)必須安裝在機(jī)器人常用的主動信標(biāo)能“看到”的位置上，在實際應(yīng)用中還存在一定的局限性。例如：超聲信標(biāo)21 路標(biāo)導(dǎo)航路標(biāo)導(dǎo)航(Landmark Navigation)是事先將環(huán)境中的一些特殊景物作為路標(biāo)，機(jī)器人在知道這些路標(biāo)在環(huán)境中的坐標(biāo)、形狀等特征的前提下，通過對路標(biāo)的探測來確定自身的位置。同時將全局路線

37、分解成為路標(biāo)與路標(biāo)間的片段，不斷地對路標(biāo)探測來完成導(dǎo)航。根據(jù)路標(biāo)的不同，可分為人工路標(biāo)導(dǎo)航和自然路標(biāo)導(dǎo)航。人工路標(biāo)導(dǎo)航23是機(jī)器人通過對人為放置的特殊標(biāo)志的識別實現(xiàn)導(dǎo)航，雖然比較容易實現(xiàn)，但它人為地改變了機(jī)器人工作的環(huán)境。自然路標(biāo)導(dǎo)航不改變工作環(huán)境，是機(jī)器人通過對工作環(huán)境中的自然特征的識別完成導(dǎo)航，但路標(biāo)探測的穩(wěn)定性和魯棒性是研究的主要問題24。-8-、紅外信標(biāo)22等。哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 全球衛(wèi)星定位導(dǎo)航全球衛(wèi)星定位導(dǎo)航(Global Positioning System, GPS)是一個由 24 顆人造衛(wèi)星星群和它們的基站構(gòu)成的全球無線定位導(dǎo)航系統(tǒng)。導(dǎo)航系統(tǒng)通過安裝在車輛上的GP

38、S接收機(jī)，可以全天候地提供車輛的二維位置、二維速度以及時間等導(dǎo)航信息。目前，GPS導(dǎo)航的研究日趨增多25,26,27。然而，GPS信息的精度會受到視野中衛(wèi)星的幾何分布狀況、星歷誤差、時鐘誤差、傳播誤差、多路徑誤差以及接收機(jī)噪聲等諸多因素的影響；同時，其可靠性會受到高大的樹木、山坡以及建筑物等因素影響。通常會采用組合導(dǎo)航方式或改進(jìn)信息處理算法來提高GPS的精度和可靠性。引導(dǎo)方式有以上多種制導(dǎo)原理，其中，工廠大多采用電磁制導(dǎo)；而激光、視覺導(dǎo)航具有引導(dǎo)柔性好、工作可靠和智能化水平高的特點；實驗室一般采用光學(xué)制導(dǎo)，其運(yùn)行范圍大，運(yùn)行精度高，地面費(fèi)用低，但要求工作環(huán)境清潔，不適于工作條件比較惡劣的環(huán)境。在這里簡要介紹一下本課題所選的磁導(dǎo)引方式，這種方式和電磁導(dǎo)引比較類似，只是把導(dǎo)引線換成磁條。選用一定尺寸的磁條并按照導(dǎo)引路線鋪設(shè)成一定的軌跡。由于磁條具有一定的厚度，將影響行駛路面的平整，阻礙移動機(jī)器人的行駛。在工廠實際應(yīng)用環(huán)境中，磁條應(yīng)被鋪設(shè)于預(yù)制的軌道中。如圖 2-3 所示。在移動機(jī)器人上置放多對稱的磁阻傳感器，使其能對稱處于磁導(dǎo)引軌跡的上方。其工作原理是：當(dāng)移動機(jī)器人的行駛與導(dǎo)引軌跡一致時，由于此時磁感應(yīng)器之間正好對稱處于磁導(dǎo)引軌跡的上方，兩邊的感應(yīng)強(qiáng)度是一致的，因此兩邊的感應(yīng)信號差值為 0，也就沒有輸出量至控制器，移動機(jī)器人將