一种自主移动机器人智能导航控制系统设计
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2 移动机器人智能导航控制
将前述环境探测子系统的输出信息作为智能导 航决策系统的输入, 可以使移动机器人产生反应式 智能导航控制行为, 进而完成非结构化环境下的作 业. 在文献[ 10] 的基础上, 笔者设计了模糊决策系统 以实现机器人 的智能 导航 控制, 相关 内容 已经 在 H N- 9 的嵌入式控制系统固件开发中实现并获得成 功的实践验证. 本文主要介绍与 H N- 9 的导航角控 制有关的智能决策系统设计.
对于受非完整约束的移动机器人系统, 仅仅依 靠两侧码盘实现差动移动载体定位估计的里程计方 法[ 4, 6, 7] 存在严重的累计误差, 尤其是航向角的累积 误差将加剧位置估计误差的无界增长[ 8] . 不同于差
图 2 HN- 9 车体结构 Fig. 2 T he vehicle bo dy st ruct ur e of H N- 9
Abstract: T his paper present ed t he intelligent navigat ion cont rol syst em design o f an aut onomo us mo bile robot . A robot pro to ty pe, nam ed H N- 9, w as used to int roduce t his implement at io n t echno logy o f t his scheme. T he robot senses it s surr oundings by scanning- ult rasonic, and m akes auto nom ous navigat io n dec-i sion based o n a f uzzy logic cont roller. It s localizat ion sy st em is composed of enco ders and compass. T he simulat io n and experiment al result s sho w t he v alidity of t he design ar chitecture. T his pract ical scheme is low- cost and mo dularized, suitable f or endow ing an ex ist ing mo bile ro bo t w it h intellig ent nav igatio n abil-i t y , t o increase t he loco mot ion- operation ef ficiency and r eliabilit y. Key words: mobile robot ; aut onomo us nav igat io n; f uzzy cont rol; embedded syst em
作业于非结构环境中的自主移动机器人, 需要 依靠传感系统感知周围的环境 信息并估计自 身位 置, 以便顺利地避开障碍物, 安全、迅速地到达目的 地. 大量相关实验通常在一些经典机器人实验平台 上进行, 例如 K hepera[ 1-3] 、M illibot [ 4] 等. 这类系 统
通常在移动载体四周安置多个超声波或( 和) 红外线 传感器来感知环境, 需要考虑这些分布传感器之间 的窜扰, 通常还要配合额外的传感器以补偿测距存 在的盲区. 这些都造成了移动机器人机械结构设计、 硬件电路设计及软件处理的复杂性. 部分自主实验
H N- 9 自主导航相关部分的系统结构如图 6 所 示, 其导航角决策部分是一个 2 输入 1 输出的模糊 推理系统. 两个输入分别为 HO 及 HT , 输出就是机器 人航向角的决策变化量 $HV, 进而根据该移动机器
图 5 移动机器人环境信息建模 Fig. 5 T he cir cumstance mo del of mobile ro bo t
1 HN- 9 移动机器人
为便于实验的进行, 笔者设计并全手工制作了 一台小型移动机器人实验模型样机 H N- 9( 见图 1) . H N- 9 主要由操作臂、履带式车体、环境探测系统以 及嵌入式控制系统等主要部件组成. 当操作臂处于 初始折叠状态 时, 整 体实际 尺寸为 150 mm @ 130 mm @ 135 mm. 该样机采用 ARM 7T DMI- S 内核微 控制器 L PC2106 作为整个嵌入式控制系统的核心, 固件用 ADS1. 2 编译器按照 32 位 ARM 指令集进 行编译.
一种自主移动机器人智能导航控制系统设计
宁柯军, 杨汝清
( 上海交通大学 机器人研究所, 上海 200030)
摘 要: 提出一种实用的自主移动机器人智能导航控制方案, 以研制的模型样机 H N- 9 为例, 阐述
了其具体实现技术. 机器人采用扫描式超声波实现作业环境的探测, 基于码盘和电子罗盘的组合导
图 5 表示移动机器人在环境中有关参数的配 置. 图中: 机器人正向方向用矢量 V 表示; 机器人当 前位置为( x V , y V ) ; 目标点坐标为( x T , y T ) ; 机器人 检测到障碍物坐标( x O , y O ) ; HT 为机器人正向与目 标点方向夹 角; HO 为机器人 正向 与障碍 物方向 夹 角. 机器人根据这些信息自主决策产生航向角变化 量 $HV , 进而实现行为控制.
10 76
上海交通大学学报
第 40 卷
如图 4 所示, 本文实验中共需要检测 7 个方位 的信息, 位于车体正前方 180b范围 内, 相邻方 位之 间相差为 30b. 相邻 探测角相差大于实际超声 波换 能器波束角( 25b左右) 是为了避免重复检测恰好位 于邻相处的物体, 无形中夸大实际物体的体积, 不利 于产生正确的行为决策. 但这样也可能漏检邻相之 间的小体积物体. 由于移动机器人是在动态作业过 程中检测环境, 扫描基点随之变化, 因此被漏检的物 体实际上总会被检测到.
航子系统实现定位估计, 利用模糊决策子系统产生反应式智能导航控制行为. 仿真实验及模型样机
的实际运行效果验证了该系统构成的可行性. 这种模块化的低成本设计方案便于在移动机器人的
嵌入式控制系统上实现, 便于对已有移动机器人系统进行改造以实现自主导航功能, 用以提高操作
机动性与可靠性.
关键词: 移动机器人; 自主导航; 模糊控制; 嵌入式系统
动轮驱动系统, 履带与地面之间存在复杂的接触与 滑动, 更难以实现准确的转向 控制与定位估 计. 在 H N- 9 中采用由两侧码盘及机载电子罗盘组成的组 合导航子系统实现自定位估计, 利用 EKF 融合这 3 个传感器 的输 出 信息 以 提供 优 化的 位 置 及航 向 ( x V , y V , HV ) 估计[ 9] . 该系统设计中, 由 于不需要在 嵌入式系统固件中实现多维矩阵求逆的相关例程, 因此具体实现非常容易[ 9] . 由于室内环境的各种钢 架结构以及电源线可能干扰地磁场的分布, 电子罗 盘通常仅适用 于室外环境以提供较好 的绝对航向 信息. 1. 2 扫描式超声波环境探测系统
人运动学方程可以控制机器人车体具体动作.
图 4 H N- 9 移动机器人探测区域划分 F ig . 4 T he scanning zo ne par titio n o f mobile robot HN- 9
该探测模块每完成一次扫描将获得一组对应方 位信息, 可以利用简单的加权平均法或传统的势场 法融合这组信息以获得当前障碍物相对机器人的坐 标[ 9] .
第7期
宁柯军, 等: 一种自主移动机器人智能导航控制系统设计
107 5
研究还需要对作业环境进行一定的结构化改造, 结 论具有一定的应用局限性.
本文提出一种实用的低成本自主移动机器人导 航控制方案, 可以实现一种纯反应式自主能力, 保证 移动机器人在非结构环境下自主避障到达目标点. 研制的模型样机 H N- 9 采用一种扫描式超声波环境 探测系统实现非结构作业环境的感知; 采用扩展卡 尔曼滤波器( Ex t ended Leabharlann Baidualman Filt er, EKF ) 融合码 盘及电子罗盘的输出信息以提供优化的定位估计; 利用模糊控制器实现智能导航行为决策. 这一低成 本实现方案可以有效地控制机器人在存在不确定障 碍物的非结构化环境中自主完成即定作业任务.
H N- 9 采用一种扫描式超声波环境探测系统来 感知作业环境, 图 3 为其工作原理图. 利用步进电机 控制 上 面 的 超 声 波 收、发 换 能 器 对 ( T / R- 40, 40 kH z) 的转向, 可以实现对机器人所处环境全方位的 探测. 这种方法与传统多超声波传感器系统[ 4] 相比, 大大降低了电路系统的复杂性与成本, 并可以更加 灵活地探测任意方向的环境信息以进行多种实验研 究, 但是不宜应用于高扫描频率的场合.
第 40 卷 第 7 期 2006 年 7 月
上 海交 通大 学学 报
JOU RN AL O F SH AN G HA I JIA OT O N G U N IV ERSIT Y
文章编号: 1006- 2467( 2006) 07- 1074- 05
V ol. 40 N o. 7 Jul . 2006
在 H N- 9 中定义模糊控制器输入变量 HO 、HT 以 及输出 $HV 的模糊语言变量均为: { R B, R S, Z, L S, L B} . 其中: RB、RS、Z、LS、LB 分别 为右 大、右 小、 零、左小、左大; 输入变量 HO 、HT 的论域均为[ - 90b, 90b] ; 输出 $HV 的论 域为[ - 60b, 60b] . 它们均采用 标准三角形隶属函数( 见图 7) 以简化嵌入式控制系 统的固件开发.
图 3 扫描式超声波环境探测系统 F ig. 3 T he environment ultraso nic- scanner sy stem
由于实际移动机器人模型尺寸较小, 在该移动 机器人调试阶段通过实验调整超声波电路参数及控 制器软件设计, 该探测模 块可以可靠探 测约 20~ 500 mm 范围内的物体, 实际距离分辨率< 3 m m. 为 方便主要问题的讨论, 可以认为探测模块位于机器 人中心.
中图分类号: T P 242. 6
文献标识码: A
A Design of an Autonomous Mobile Robot. s Intelligent Navigation Control System
N I NG K e- j un, YA N G R u- qing ( Research Inst. of Robot ics, Shang hai Jiao to ng U niv. , Shang hai 200030, China)
收稿日期: 2005-07-04 基金项目: 国家高技术研究发展规划( 863) 项目( 2003 A A421020) 作者简介: 宁柯军( 1976- ) , 男, 辽宁大连人, 博士, 主要研究方向为机器人机构学、机器人智能控制、嵌入式系统等. 杨汝清( 联系人) , 男,
教授, 博士生导师, 电话( Tel. ) : 021- 62932680; E-mail: rqyang@ sjt u. edu. cn.
图 1 小型移动机器人模型 H N- 9 F ig . 1 T he m ini mobile robot pr otot ype HN- 9
H N- 9 配置的平面三自由度冗余操作臂采用一 种基于多智能体的机械臂控制方法, 使得机械臂的 行为具有柔性及强鲁棒性[ 5] . 1. 1 车体子系统
如图 2 所示, H N- 9 左、右两套履带传动系分别 由独立的微型直流减速电机驱动, 使得 H N- 9 的移 动控制成为差动模式. 两套旋转码盘分别与车体两 侧的履带从动轮轴连接, 用于检测两侧履带传动系 统实际旋转量以实现移动与速度控制.
将前述环境探测子系统的输出信息作为智能导 航决策系统的输入, 可以使移动机器人产生反应式 智能导航控制行为, 进而完成非结构化环境下的作 业. 在文献[ 10] 的基础上, 笔者设计了模糊决策系统 以实现机器人 的智能 导航 控制, 相关 内容 已经 在 H N- 9 的嵌入式控制系统固件开发中实现并获得成 功的实践验证. 本文主要介绍与 H N- 9 的导航角控 制有关的智能决策系统设计.
对于受非完整约束的移动机器人系统, 仅仅依 靠两侧码盘实现差动移动载体定位估计的里程计方 法[ 4, 6, 7] 存在严重的累计误差, 尤其是航向角的累积 误差将加剧位置估计误差的无界增长[ 8] . 不同于差
图 2 HN- 9 车体结构 Fig. 2 T he vehicle bo dy st ruct ur e of H N- 9
Abstract: T his paper present ed t he intelligent navigat ion cont rol syst em design o f an aut onomo us mo bile robot . A robot pro to ty pe, nam ed H N- 9, w as used to int roduce t his implement at io n t echno logy o f t his scheme. T he robot senses it s surr oundings by scanning- ult rasonic, and m akes auto nom ous navigat io n dec-i sion based o n a f uzzy logic cont roller. It s localizat ion sy st em is composed of enco ders and compass. T he simulat io n and experiment al result s sho w t he v alidity of t he design ar chitecture. T his pract ical scheme is low- cost and mo dularized, suitable f or endow ing an ex ist ing mo bile ro bo t w it h intellig ent nav igatio n abil-i t y , t o increase t he loco mot ion- operation ef ficiency and r eliabilit y. Key words: mobile robot ; aut onomo us nav igat io n; f uzzy cont rol; embedded syst em
作业于非结构环境中的自主移动机器人, 需要 依靠传感系统感知周围的环境 信息并估计自 身位 置, 以便顺利地避开障碍物, 安全、迅速地到达目的 地. 大量相关实验通常在一些经典机器人实验平台 上进行, 例如 K hepera[ 1-3] 、M illibot [ 4] 等. 这类系 统
通常在移动载体四周安置多个超声波或( 和) 红外线 传感器来感知环境, 需要考虑这些分布传感器之间 的窜扰, 通常还要配合额外的传感器以补偿测距存 在的盲区. 这些都造成了移动机器人机械结构设计、 硬件电路设计及软件处理的复杂性. 部分自主实验
H N- 9 自主导航相关部分的系统结构如图 6 所 示, 其导航角决策部分是一个 2 输入 1 输出的模糊 推理系统. 两个输入分别为 HO 及 HT , 输出就是机器 人航向角的决策变化量 $HV, 进而根据该移动机器
图 5 移动机器人环境信息建模 Fig. 5 T he cir cumstance mo del of mobile ro bo t
1 HN- 9 移动机器人
为便于实验的进行, 笔者设计并全手工制作了 一台小型移动机器人实验模型样机 H N- 9( 见图 1) . H N- 9 主要由操作臂、履带式车体、环境探测系统以 及嵌入式控制系统等主要部件组成. 当操作臂处于 初始折叠状态 时, 整 体实际 尺寸为 150 mm @ 130 mm @ 135 mm. 该样机采用 ARM 7T DMI- S 内核微 控制器 L PC2106 作为整个嵌入式控制系统的核心, 固件用 ADS1. 2 编译器按照 32 位 ARM 指令集进 行编译.
一种自主移动机器人智能导航控制系统设计
宁柯军, 杨汝清
( 上海交通大学 机器人研究所, 上海 200030)
摘 要: 提出一种实用的自主移动机器人智能导航控制方案, 以研制的模型样机 H N- 9 为例, 阐述
了其具体实现技术. 机器人采用扫描式超声波实现作业环境的探测, 基于码盘和电子罗盘的组合导
图 5 表示移动机器人在环境中有关参数的配 置. 图中: 机器人正向方向用矢量 V 表示; 机器人当 前位置为( x V , y V ) ; 目标点坐标为( x T , y T ) ; 机器人 检测到障碍物坐标( x O , y O ) ; HT 为机器人正向与目 标点方向夹 角; HO 为机器人 正向 与障碍 物方向 夹 角. 机器人根据这些信息自主决策产生航向角变化 量 $HV , 进而实现行为控制.
10 76
上海交通大学学报
第 40 卷
如图 4 所示, 本文实验中共需要检测 7 个方位 的信息, 位于车体正前方 180b范围 内, 相邻方 位之 间相差为 30b. 相邻 探测角相差大于实际超声 波换 能器波束角( 25b左右) 是为了避免重复检测恰好位 于邻相处的物体, 无形中夸大实际物体的体积, 不利 于产生正确的行为决策. 但这样也可能漏检邻相之 间的小体积物体. 由于移动机器人是在动态作业过 程中检测环境, 扫描基点随之变化, 因此被漏检的物 体实际上总会被检测到.
航子系统实现定位估计, 利用模糊决策子系统产生反应式智能导航控制行为. 仿真实验及模型样机
的实际运行效果验证了该系统构成的可行性. 这种模块化的低成本设计方案便于在移动机器人的
嵌入式控制系统上实现, 便于对已有移动机器人系统进行改造以实现自主导航功能, 用以提高操作
机动性与可靠性.
关键词: 移动机器人; 自主导航; 模糊控制; 嵌入式系统
动轮驱动系统, 履带与地面之间存在复杂的接触与 滑动, 更难以实现准确的转向 控制与定位估 计. 在 H N- 9 中采用由两侧码盘及机载电子罗盘组成的组 合导航子系统实现自定位估计, 利用 EKF 融合这 3 个传感器 的输 出 信息 以 提供 优 化的 位 置 及航 向 ( x V , y V , HV ) 估计[ 9] . 该系统设计中, 由 于不需要在 嵌入式系统固件中实现多维矩阵求逆的相关例程, 因此具体实现非常容易[ 9] . 由于室内环境的各种钢 架结构以及电源线可能干扰地磁场的分布, 电子罗 盘通常仅适用 于室外环境以提供较好 的绝对航向 信息. 1. 2 扫描式超声波环境探测系统
人运动学方程可以控制机器人车体具体动作.
图 4 H N- 9 移动机器人探测区域划分 F ig . 4 T he scanning zo ne par titio n o f mobile robot HN- 9
该探测模块每完成一次扫描将获得一组对应方 位信息, 可以利用简单的加权平均法或传统的势场 法融合这组信息以获得当前障碍物相对机器人的坐 标[ 9] .
第7期
宁柯军, 等: 一种自主移动机器人智能导航控制系统设计
107 5
研究还需要对作业环境进行一定的结构化改造, 结 论具有一定的应用局限性.
本文提出一种实用的低成本自主移动机器人导 航控制方案, 可以实现一种纯反应式自主能力, 保证 移动机器人在非结构环境下自主避障到达目标点. 研制的模型样机 H N- 9 采用一种扫描式超声波环境 探测系统实现非结构作业环境的感知; 采用扩展卡 尔曼滤波器( Ex t ended Leabharlann Baidualman Filt er, EKF ) 融合码 盘及电子罗盘的输出信息以提供优化的定位估计; 利用模糊控制器实现智能导航行为决策. 这一低成 本实现方案可以有效地控制机器人在存在不确定障 碍物的非结构化环境中自主完成即定作业任务.
H N- 9 采用一种扫描式超声波环境探测系统来 感知作业环境, 图 3 为其工作原理图. 利用步进电机 控制 上 面 的 超 声 波 收、发 换 能 器 对 ( T / R- 40, 40 kH z) 的转向, 可以实现对机器人所处环境全方位的 探测. 这种方法与传统多超声波传感器系统[ 4] 相比, 大大降低了电路系统的复杂性与成本, 并可以更加 灵活地探测任意方向的环境信息以进行多种实验研 究, 但是不宜应用于高扫描频率的场合.
第 40 卷 第 7 期 2006 年 7 月
上 海交 通大 学学 报
JOU RN AL O F SH AN G HA I JIA OT O N G U N IV ERSIT Y
文章编号: 1006- 2467( 2006) 07- 1074- 05
V ol. 40 N o. 7 Jul . 2006
在 H N- 9 中定义模糊控制器输入变量 HO 、HT 以 及输出 $HV 的模糊语言变量均为: { R B, R S, Z, L S, L B} . 其中: RB、RS、Z、LS、LB 分别 为右 大、右 小、 零、左小、左大; 输入变量 HO 、HT 的论域均为[ - 90b, 90b] ; 输出 $HV 的论 域为[ - 60b, 60b] . 它们均采用 标准三角形隶属函数( 见图 7) 以简化嵌入式控制系 统的固件开发.
图 3 扫描式超声波环境探测系统 F ig. 3 T he environment ultraso nic- scanner sy stem
由于实际移动机器人模型尺寸较小, 在该移动 机器人调试阶段通过实验调整超声波电路参数及控 制器软件设计, 该探测模 块可以可靠探 测约 20~ 500 mm 范围内的物体, 实际距离分辨率< 3 m m. 为 方便主要问题的讨论, 可以认为探测模块位于机器 人中心.
中图分类号: T P 242. 6
文献标识码: A
A Design of an Autonomous Mobile Robot. s Intelligent Navigation Control System
N I NG K e- j un, YA N G R u- qing ( Research Inst. of Robot ics, Shang hai Jiao to ng U niv. , Shang hai 200030, China)
收稿日期: 2005-07-04 基金项目: 国家高技术研究发展规划( 863) 项目( 2003 A A421020) 作者简介: 宁柯军( 1976- ) , 男, 辽宁大连人, 博士, 主要研究方向为机器人机构学、机器人智能控制、嵌入式系统等. 杨汝清( 联系人) , 男,
教授, 博士生导师, 电话( Tel. ) : 021- 62932680; E-mail: rqyang@ sjt u. edu. cn.
图 1 小型移动机器人模型 H N- 9 F ig . 1 T he m ini mobile robot pr otot ype HN- 9
H N- 9 配置的平面三自由度冗余操作臂采用一 种基于多智能体的机械臂控制方法, 使得机械臂的 行为具有柔性及强鲁棒性[ 5] . 1. 1 车体子系统
如图 2 所示, H N- 9 左、右两套履带传动系分别 由独立的微型直流减速电机驱动, 使得 H N- 9 的移 动控制成为差动模式. 两套旋转码盘分别与车体两 侧的履带从动轮轴连接, 用于检测两侧履带传动系 统实际旋转量以实现移动与速度控制.