移动机器人的控制系统研制

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学位论文作者签名：帚Ｉ编彳毛 指导教师签名：魏砭萄
∞。鼍 年６月与日
１绪论
１绪论
１．１移动机器人的发展概况
机器人的发展归功于第二次世界大战后，各国为本国的经济发展加大了经济的投 入。比如说日本，战后开始进行汽车工业，那么这时候由于人力的缺乏，因此迫切需要 一种机器人进行大批量的制造，提高生产效率，降低人的劳动强度，这是社会发展本身 的一种需求。另一方面机器人是生产力发展需求的必然结果，也是人类自身发展的必然 结果，人们在探讨、改造、认识自然过程中，越来越迫切需要能够解放人的一种奴隶。 这种奴隶就是能够代替人们从事复杂和繁重的体力劳动，实现人们对不可达世界的认识 和改造，这也是人们在科技发展过程中的一个客观需要。但另一方面，它也归功于电子 技术，计算机技术以及制造技术等相关技术的发展为其提供了强大的技术保证。
论文以地面自主行驶小车的避障与路径规划技术为核心，探讨了感知技术、系统结 构等地面自主行驶关键技术。论文不仅从理论上研究了自主避障行驶这一课题，还参与 设计并架构了三轮智能小车，通过实践证明了论文中环境感知单元、路径规划算法等研 究结果的正确性。论文的主要研究内容和成果包括：
论文分析研究了智能小车的运动系统模型，给出了小车的理想运动方程，为进一步 研究打下了理论基础。
虽然移动机器人的概念和工作硬件已经出现了几十年，但是近年又不断发生的自然 灾害和持续的军事冲突，促使世界各国工程师以新的眼光去重视机器人技术。移动机器 人技术的范围广泛，从带摄像头的独轮车，到携有军事装备的无人驾驶飞机，它可以挽 救无数人的生命，因此成为最有希望的开发项目。
早在６０年代，人类就已经开始了关于移动机器人的研究， 从８０年代开始，美国 国防高级研究计划局专门立项，制定了地面无人作战平台的战略计划，如ＤＡＲＰＡ（美国国 防高级研究计划局）的“战略计算机＂计划中的自主地面车辆计划。能源部制定了为期
Ｎａｍｅ
：Ｌｉｕ Ｐｅｉｙａｎ
Ｉｎｓｔｒｕｃｔｏｒ：Ｗｅｉ Ｊｕａｎ
（Ｓｉｇｎａｔｕｒｅ） （Ｓｉｇｎａｔｕｒｅ）
ＡＢＳＴＲＡＣＴ
Ｔｈｅ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ ｉｓ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｓｙｓｔｅｍ，ｗｈｉｃｈ ｃａｌｌ ａｐｐｅｒｃｅｉｖｅ ｔｈｅ ｏｕｔｓｉｄｅ ｗｏｒｌｄ ａｎｄ ｉｔｓ ｏｗｎ Ｓｔａｔｅ ｂｙ ｔｈｅ ｓｅｎｓｏｒ ａｎｄ Ｃａｎ ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ ｍｏｖｅ ｔｏ ｔｈｅ ｔａｒｇｅｔ ｔｏ ｆｉｎｉｓｈ ｓｏｍｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ． Ｓｅｖｅｒａｌ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ＡＧＶ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，Ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ：Ｐａｔｈ Ｐｌａｎｎｉｎｇ， Ｏｂｓｔａｃｌｅ Ａｖｏｉｄａｎｃｅ，Ｐｅｒｃｅｐｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ；Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｅｔｃ．Ａｌｌ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｗｏｒｋ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｒｅ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｌｙ ｂｕｔ ａｌｓｏ ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ、Ⅳｉｔｌｌ ｔｈｅ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｔｈｒｅｅ·ｗｈｅｅｌｅｄ ｖｅｈｉｃｌｅ．Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃｏｎｔｅｎｔ ａｎｄ ａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｓ ａｒｅ ａｓ ｆｏｌｌｏｗｓ：
论文设计并实现了分段式红外测距传感器；研究了基于这种传感器的机器人感知系 统，最终设计并完成了感知单元系统板。实验证明，这种环境感知系统基本满足车辆自 主避障行驶的需要。
论文着重讨论了机器人的避障路径算法。该算法基于局部动态环境信息，具有较高 实时性和自适应性。
算法将路径规划分为无障路径规划和避障路径规划两种模式。每种模式均采用了模 糊控制方法。
．Ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．
．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ’ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｃａｒ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ａｌｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｐａｔｈ·ｐｌａｎｎｉｎｇ Ｏｂｓｔａｃｌｅ－ａｖｏｉｄａｎｃｅ ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ
论文研究了智能小车的控制系统结构。 最后，论文对智能小车在实验室内进行实验，基本正确。
关键词：路径规划；避障；模糊控制方法 研究类型：基础研究
Ｓｕｂｊｅｃｔ ：Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｍｏｂｉｌｅ Ｒｏｂｏｔ
Ｓｐｅｃｉａｌｔｙ：Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ
日本东京科学家研制出了首个能载单人的步行机器人，这种步行机器人在将来能取 代轮椅，为下肢残疾人提供便利，该机器人在将来有望取代轮椅。
国内在移动机器入的研究上起步较晚，发展很快，但大多数尚处于某个单项研究阶 段，主要的研究工作有：
北京航空航天大学机器人研究所发挥其技术优势与铁道部北京铁路局科研所为北 京西客站开发了一台玻璃顶棚（约３０００平米）清洗机器人。
１．２．２移动机器人研究的主要技术
（１）导航和定位 导航和定位是移动机器人研究的两个重要问题【４】。移动机器人的导航方式可分为：
２
１绪论
基于环境信息的地图模型匹配（Ｍａｐ ｍａｔｃｈｉｎｇ）导航；基于各种导航信号的路标 （１ａｎｄｍａｒｋ）导航、视觉导航和味觉导航等。环境地图模型匹配导航是机器人通过自身
哈尔滨工业大学于１９９６年研制成功了导游机器人，如图１．１所示，ＤＹ—Ｉ型导游服 务机器人是海尔一哈工大机器人技术公司推出的第一代智能导游机器人，该机器人由伺 服驱动系统，多传感器信息避障及路径规划系统，语音识别及语音合成系统组成。
图１．１导游机器人
１．２移动机器人技术研究现状与展望
１．２．１移动机器人的分类
机器人的发展体现了一个国家技术水平的高低，现代机器人从诞生到现在，己经发 展到了第三代。
第一代机器人是示教再现型机器人。它们装有记忆存储器，由人将作业的各种操作 要求示范给机器人，使之记住操作的程序和要领。当它接到再现命令时，则自主地再现 示教的动作。
第二代机器人是装有小型计算机和简单传感器的离线编程工业机器人。它能感知外 界信息和进行“思维”，比第一代机器人更灵活、更能适应环境变化的需要。
移动机器人按移动方式来分：轮式移动机器人、步行（足式）移动机器人、蛇形机 器人、履带式移动机器人、爬行机器人等；按控制体系结构来分：功能式（水平式）结 构机器人、行为式（垂直式）结构机器人和混合式机器人；按功能和用途来分：医疗机 器人、军用机器人、助残机器人、清洁机器人等；按作业空间来分：陆地移动机器人、 水下机器人、无人飞机和空间机器人。本文主要研究轮式移动机器人。
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ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｍｅｔＩｌｏｄｓ ａｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．
．Ｔｈｅ ｐｅｒｃｅｐｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｉｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｗｈｉｃｈ ｉｎｃｌｕｄｅｓ ｔｈｅ ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｐｌｏｙｍｅｎｔ
ｓｃｈｅｍｅ．Ｗｉｔｈ ｄｅｌｉｂｅｒａｔｉｖｅ ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｓ，ｔｈｅ Ｃａｒ’Ｓ ｐｅｒｃｅｐｔｉｏｎ ｓｕｂｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｃｏｎｓｉｓｔ ｏｆ ｓｅｖｅｒａｌ ｒｅｄ．ｉｎｆｒａｒｅｄ ｓｅｎｓｏｒｓ． ．Ｐａｔｈ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｉｓ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｍｏｄｕｌｅ ｆｏｒ ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ ａｂｉｌｉｔｙ．Ｉｎ ｔｈｅ ｃａｒ’ｓ ｐａｔｈ ｐｌａｎｎｅｒ ｈａｓ ｔｗｏ ｍｏｄｅｓ：ｔｈｅ ｏｂｓｔａｃｌｅ—ａｖｏｉｄａｎｃｅ ｍｏｄｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｎｏｎ·ｏｂｓｔａｃｌｅ ｐａｔｈ ｐｌａｎｎｅｒ ｍｏｄｅ，ｗｈｉｃｈ ａｒｅ ａｌｌ ａｃｈｉｅｖｅｄ ｂｙ ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ．
Ｔｈｅｓｉｓ
：Ｂａｓｉｃ Ｒｅｓｅａｒｃｈ
妻料技夫学
学位论文独创性说明
本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科 技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。
第三代是智能机器人。智能机器人是“具有感知、思维和动作的机器＂。它装有多 种传感器，能识别作业环境，能自主决策，具有人类大脑的部分功能，且动作灵活，是 人工智能技术发展到高级阶段的产物。
移动机器人是近年来发展起来的一门综合学科，集中了机械、电子、计算机、自动 控制以及人工智能等多学科最新研究成果，代表了机电一体化的最高成就。移动机器人 在工业生产中常用来完成运输和上下料等任务，同时也被广泛用于农业、医疗、军事等 不同行业。
．Ｔｈｅ ｉｄｅａｌ ｋｉｎｅｍａｔｉｃ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｔｅｌｌｅｃｔｕａｌｉｚｅｄ ｃａｒ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｂａｓｅ ｏｎ ｗｈｉｃｈ ｔｈｅ
ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ－Ｄｅａｌ Ｒｅｃｋｏｎｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｃａｒｅｆｕｌｌｙ，ａｎｄ ｔｈｅ ｅｒｒｏｒ
西安科技大学 硕士学位论文 移动机器人的控制系统研制 姓名：刘培艳 申请学位级别：硕士 专业：机械制造及其自动化 指导教师：魏娟
20080415
论文题目：移动机器人的控制系统研制 专 业：机械制造及其自动化 硕士生：刘培艳 指导教师：魏娟
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魏娲
摘要
移动机器人是一种能够通过传感器感知外界环境和自身状态，实现在有障碍物的环 境中面向目标的自主运动，从而完成一定作业功能的机器人系统。
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学位论文作者签名：翻磊彳乏日期：弘·《斗６可弓碉
学位论文知识产权声明书
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的各种传感器，探测周围环境，利用感知到的局部环境信息进行局部地图构造，并与其 内部事先存储的完整地图进行匹配，如两模型相互匹配，机器人可确定自身的位置，并 根据预先规划的一条全局路线，采用路径跟踪和避障技术，实现导航。它涉及环境地图 模型建造和模型匹配两大问题。路标导航是事先将环境中的一些特殊景物作为路标，机 器人在知道这些路标在环境中的坐标、形状等特征的前提下，通过对路标的探测来确定 自身的位置。根据路标的不同，可分为人工路标导航和自然路标导航，前者通过对人为 放置的特殊标志的识别实现导航，后者是机器人通过对工作环境中的自然特征的识别完 成导航。路标探测的稳定性和鲁棒性是研究的主要问题。常利用视觉探测路标来完成机 器人导航，涉及视觉导航中边缘锐化、特征提取等图像处理方法计算量大，实时性差始 终是一个瓶颈问题。味觉导航是通过机器人配备的化学传感器感知气味的浓度，根据气 味的浓度和气流的方向来控制机器人的运动，由于气味传感器灵敏度高、响应速度快以 及鲁棒性好等要求难以达到，该项技术很少应用到实际环境中，仍处于试验研究阶段。 还有一种比较常用的方法是预先铺设导轨，这种技术相对简单，也容易实现，但有工作 环境不能随意变更，任务不能变更，缺少灵活性等局限性。
西安科技大学硕士学位论文
１０年的机器人和职能系统计划，以及后来的空间机器人计划。美国国家航空航天局（ＮＡＳＡ） 研制的火星探测机器人于１９９７年登上了火星。
为降低国防物资损失及保安费用，美国国防部出资研制了ＭＤＡＲＳ（移动式无人警备系 统）项目，该项目是在著名的保安机器人ＲＯＢＡＲＴ的基础上建立的一个多移动机器人平台， 用来在指定地点ຫໍສະໝຸດ Baidu行随机巡逻任务。ＭＤＡＲＳ分为ＭＤＡＲＳ—Ｉ（室内型）和ＭＤＡＲＳ—Ｅ（室外型）。