智能移动机器人控制与感知系统

摘要

随着机器人的应用范围的不断拓宽，机器人所面临的工作环境也越来越复杂，往往是未知的、动态的、非结构化的，所以，要在这种环境下实时地完成各种任务，就对机器人的控制提出了新的挑战。

本文的主要工作和创新点包括：对移动机器人的硬件模块进行了分析。详细研究了移动机器人的感知系统，包括超声波传感器和视觉传感器两大模块。移动机器人采用了两款超声波传感器组合使用，用于探测更为全面的障碍物特征信息。通过对基于行为控制技术的论述，设计了一种用于移动机器人完成多目标任务的基于行为控制系统。另外机器人采用了 Sony EVI-D31 PTZ 摄像头，成功地实现了计算机串口控制，大大的扩展了机器人的视觉功能，可以更多的获取外界信息。

关键词：移动机器人、硬件模块、行为控制。

Abstract

With the development of applied range, the work condition faced by robot is more complex, which always is unknown, dynamic and unstructured. So the control of robot t o fulfill a mission in real time under this environment has a new challenge. The ma in work and innovative ideas include.

The structure of RIRA-Mobile robot is introduced. Furthermore, the driving model and power model are analyzed. The perception system of RIRA-Mobile robot is demonstrated particularly, which includes two models of vision and ultrasonic sensor. RIRA-Mobile robot uses two type s ultrasonic sensors so as to detect the general obstacles’ information. In addition, Sony EVI-D31 PTZ camera is also used, which can de controlled by computer serials that the vision function of robot is extended greatly to get more environment information. Through exploring the behavior-based control technology, a behavior-based control system has been designed for mobile robot fulfilling multiple objective missions.

KEYWORDS:mobile robot; hardware modules; behavior control.

目录

第一章绪论 (1)

（一）移动机器人研究现状 (1)

1、移动机器人的控制系统 (1)

2、导航方式 (5)

3、传感器及多传感器融合技术 (6)

（二）移动机器人的关键技术 (7)

1、基于行为的控制技术 (7)

2、移动机器人的主动视觉技 (8)

（三）研究意义和主要内容 (10)

第二章移动机器人的硬件结构 (11)

（一）移动机器人驱动模块 (11)

1、驱动模块的硬件选取 (11)

2、驱动模块的控制 (12)

（二）移动机器人无线通讯模块 (13)

1、计算机与机器人间的图像无线通信 (14)

2、计算机与机器人间的无线数据通信 (14)

（三）移动机器人控制系统的设计 (15)

1、反应式控制结构 (15)

2、移动机器人基于行为的控制系统的原则 (17)

3、基于行为的控制系统的行为选择机制 (18)

第三章移动机器人感知系统研究 (19)

（一）移动机器人的超声波传感器感知模块 (19)

1、超声波传感器 (19)

2、超声波传感器的基本原理 (20)

3、移动机器人超声波传感器的应用 (20)

（二）移动机器人的视觉感知模块 (23)

1、视觉系统的硬件结构 (24)

2、视觉系统的软件结构 (27)

结论 (32)

致谢 (34)

第一章绪论

（一）移动机器人研究现状

移动机器人的研究始于 20 世纪 60 年代末期，目的是研究人工智能技术及在复杂环境下机器人系统的自主推理和规划能力。70 年代末，随着计算机技术和传感技术的发展，世界上一批著名公司开始研究移动机器人平台，这些移动机器人平台主要作为大学实验室及研究机构的移动机器人实验平台。近年来，自主式移动机器人（Autonomous Mobile Robot）技术在工业、农业、医学及社会服务业等领域显示了越来越广泛的应用前景，因而成为国际机器人学术界研究的热点问题。

国外移动机器人的发展比较迅速，80 年代，美国国防高级研究计划局（DARPA），制定了地面天人作战平台的战略计划。从此，在全世界掀开了全面研究室外移动机器人的序幕，如 DARPA 的“战略计算机”计划中的自主地面车辆（ALV）计划（1983－1990），能源部制订的为期 10 年的机器人和智能系统计划（RIPS 1986－1995），以及后来的空间机器人计划，日本通产省组织的极限环境下作业的机器人计划，欧洲尤里卡中的机器人计划，还有由美国 NASA 资助研制的“丹蒂Ⅱ”八足行走机器人，美国 NASA 研制的火星探测机器人索杰那等。

国内在移动机器人的研究起步较晚，大多数研究尚处于某个单项研究阶段，主要的研究工作有：清华大学智能移动机器人于 1994 年通过鉴定；香港城市大学智能设计、自动化及制造研究中心的自动导。

1、移动机器人的控制系统

对于移动机器人的智能控制来讲有两种不同的观点：一是基于“环境建模－规划－控制”的纵向体系观点，即基于模型的智能控制模拟了人的深思熟虑的行为；二是基于“感知－行动”的横向体系观点，模拟了一种反射行为以及对复杂环境的迅速反应和适应能力。移动机器人的控制结构通常有下面几种：

1. 分级递阶结构：图 1.1 所示的分级递阶结构是由 Albus 提出的[1-4]，把各种模块分成若干层，位于高层的模块负责复杂的推理、判决，较低的层次用于与外界的交互。这种体系结构遵循“感知—思维—行动”的基本规律，层次向上智能增加，精度降低，层次向下，智能降低，精度增加，较好地解决了智能和控制精度的问题。其缺点是反应性差，虽然低层有一定的实时处理能力，但仅限于局部的非智能反应，失去了高度智能性的实时反应能力, 另外，由于各模块串行连接，其中任何一个模块的故障直接影响整个系统的功能。