分類號 密級 U D C 編號 中 南 大 學 士 學 位 論 文 論文題目 移動機器人結(jié)構(gòu)設計與 運動控制方法研究 學科、專業(yè) 模式識別與智能系統(tǒng) 研究生姓名 鐘新華 導師姓名及 專業(yè)技術(shù)職務 蔡自興 教授 答辯時間 2005 年 4 月 摘 要 移動機器人移動平臺的設計與運 動控制技術(shù)的研究是整個移動機器人系統(tǒng)研究的兩大重要組成部分， 它將為移動機器人更高層次的理論與方法研究提供一個可靠的實驗平臺及基礎。 本文介紹了一種六輪式移動機器人移動平臺的設計和基于 體內(nèi)容有： 首先， 提出了一種由三個搖架裝置組成的六輪式移動機器人的移動機構(gòu)，然后，對基于此移動機構(gòu)的移動機器人的結(jié)構(gòu)設計作了較為詳細的介紹，并建立了針對此結(jié)構(gòu)特 征的移動機器的運動學方程。 其次，提出了一種由 動控制卡和相關(guān)傳感器組成的移動機器人運動控制系統(tǒng)。并應用模塊化及 程的多任務處理機制實現(xiàn)系統(tǒng)程序設計和運動控制策略的提出。 此系統(tǒng)具有較好的開放性，易于功能擴展。 最后，針對移動機器人的運動控制方法作了相關(guān)探討。介紹了一種基于狀態(tài)反饋的路徑跟蹤控制算法， 并將此方法應用于自行開發(fā)的移動機器實驗平臺進行了驗證。然后，提出了基于激光雷達的環(huán)境感知信息的移動機器人實時避障控制方法， 并在實驗過程中對它進行了進一步改進，從而得到了更為優(yōu)化的避障控制效果。 關(guān)鍵詞 移動機器人，運動控制系統(tǒng)，路徑跟蹤，實時避障 s of on of In of as of a is to of of is in is of a a in be in of on of a is in As a is on 錄 第一章 緒 論 .題背景及意義 .動機器人的研究概況 .動機器人的移動機構(gòu)研究概況 .動機器人的運動控制系統(tǒng)研究 . 移動機器人運動控制概述 . 移動機器人運動控制系統(tǒng)的設計要求 . 幾種運動控制系統(tǒng)實現(xiàn)方法的比較 .動機器人的運動控制方法研究概況 . 移動機器人路徑跟蹤控制技術(shù) . 路徑跟蹤偏差的兩種計算方法 . 路徑跟蹤控制方法 . 實時避障控制方法 .究內(nèi)容 .二章 移動機器人移動平臺設計 .言 .動機器人車體設計 . 移動機構(gòu)方案選擇 . 移動機器人車體結(jié)構(gòu) .動系統(tǒng)的設計 . 驅(qū)動電機的選型 . 減速器的選型 .感系統(tǒng)設計 .動機器人運動學分析 . 運動學模型建立 . 坐標系定義 . 正運動學分析 . 20 運動學分析 . 21 結(jié) .三章 移動機器人運動控制系統(tǒng)設計 .言 .于 移動機器人運動控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) . 硬件系統(tǒng)構(gòu)成 . 基于 動控制卡的步進電機驅(qū)動控制 . 移動機器人自定位系統(tǒng) .于視窗操作系統(tǒng)的運動控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) . 軟件系統(tǒng)構(gòu)成 . 基于 步進電機控制模塊 . 位姿勢狀態(tài)監(jiān)測模塊 . 光纖陀螺（航向角采集）模塊 . 傾角傳感器（俯仰角、橫滾角采集）模塊 . 臂姿態(tài)采集模塊 . 網(wǎng)絡通信模塊 . 路徑跟蹤控制模塊與實時避障控制模塊 . 主控模塊 .結(jié) .四章 移動機器人運動控制方法研究 .言 .動機器人路徑跟蹤控制 . 問題描述 . 誤差系統(tǒng)建立 . 反饋控制器設計 . 實驗結(jié)果 .動機器人實時避障控制 . 基于激光雷達的局部環(huán)境描述 . 勢場避障算法 . 實驗與算法改進 .結(jié) .五章 結(jié)論與展望 .論 .望 .考文獻 . 謝 .讀學位期間主要研究成果 .士學位論文 第一章 緒 論 1第一章 緒 論 題背景及意義 本課題來源于國家自然科學基金重點項目： “未知環(huán)境下移動機器人導航控制的理論與方法研究” 。 隨著科學技術(shù)的發(fā)展，人類的研究活動領域已 由陸地擴展到海底和空間。利用移動機器人進行空間探測和開發(fā)，已成為21世紀世界各主要科技發(fā)達國家開發(fā)空間資源的主要手段之一。研究和發(fā)展月球探測移動機器人技術(shù)，對包括移動機器人在內(nèi)的相關(guān)前沿技術(shù)的研究將產(chǎn)生巨大的推動作用。 移動機器人是一種能夠通過傳感器感知外界環(huán) 境和自身狀態(tài)，實現(xiàn)在有障礙物的環(huán)境中面向目標的自主運動，從而完成一定作業(yè)功能的機器人系統(tǒng)。近年來，由于移動機器人在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學、航天和人類生活的各個方面顯示了越來越廣泛的應用前景，使得它成為了國際機器人學的研究熱點。20 世紀 90年代以來，以研制高水平的環(huán)境信息傳感器和信息處理技術(shù)，高適應性的移動機器人控制技術(shù)，真實環(huán)境下的規(guī)劃技術(shù)為標志，開展了移動機器人更高層次的研究。目前，移動機器人特別是自主機器人已成為機器人技術(shù)中一個十分活躍的研究領域1。 在移動機器人導航控制理論和方法的研究中， 確定性環(huán)境的導航控制方法已取得了大量的研究和應用成果。對未知環(huán)境中的導航控制也已開展了一些研究，并提出了若干方法，但尚未形成統(tǒng)一和完善的體系結(jié)構(gòu)，還有許多關(guān)鍵理論和技術(shù)問題有待解決和完善。這些問題主要包括環(huán)境建模、定位、導航控制器的學習和優(yōu)化、故障診斷、在線運動規(guī)劃與控制等。未知環(huán)境中的移動機器人只具有較少的先驗知識，其導航控制方法涉及環(huán)境認知、優(yōu)化決策、知識表示與獲取等多項關(guān)鍵問題。未知環(huán)境中的移動機器人導航控制理論和方法的研究目的是在機器學習、環(huán)境認知、在線規(guī)劃、運動控制等方面的理論和方法上有突破性進展，推動認知科學、模式識別、非線性控制等學科的前沿問題研究，提供新的設計理論和技術(shù)2。 移動機器人的移動機構(gòu)是確保機器人移動可靠 、靈活和較強的越障能力的關(guān)鍵，移動機器人要實現(xiàn)穩(wěn)定的、可靠的、高精度的運動控制，必須依賴優(yōu)良的運動控制系統(tǒng)和先進的運動控制方法。為給“未知環(huán)境下移動機器人導航控碩士學位論文 第一章 緒 論 2制的理論與方法研究”課題的研究提供一個開放式、模塊化、可靠的實驗平臺，本文介紹了一種六輪式移動機器人移動平臺的設計和基于 移動機器人運動控制系統(tǒng)的具體實現(xiàn)方案以及對移動機器人運動控制方法進行了研究。 動機器人的研究概況 移動機器人是一種具有一定智能、在一定范圍 內(nèi)移動且能完成各種規(guī)定任務的機器人，與普通機器人的主要區(qū)別是移動機器人一般安裝在可移動的平臺載體上，可在較大地域范圍內(nèi)活動。根據(jù)活動范圍和工作環(huán)境的不同，可分為陸地移動機器人、水下移動機器人和空中移動機器人；根據(jù)移動機構(gòu)的不同，可分為輪式、履帶式和腿式等類型移動機器人；根據(jù)執(zhí)行任務的智能水平，又可分為自主式、半自主式和遙控式移動機器人。理想的自主移動機器人可以不需人的干預在各種環(huán)境中自主完成規(guī)定任務，具有較高的智能水平，在目前，全自主移動機器人還大多處于實驗階段，進入實用的多為半自主移動機器人，通過人的干預在特定環(huán)境中執(zhí)行各種任務，而遙控機器人則完全離不開人的干預3。 移動機器人技術(shù)研究綜合了多學科領域的知識 ，關(guān)鍵技術(shù)可分為：路徑規(guī)劃、導航定位與運動控制技術(shù)等4。路徑規(guī)劃又可分為全局和局部路徑規(guī)劃，全局路徑規(guī)劃是根據(jù)移動機器人總體任務進行路徑規(guī)劃，將總體路徑任務分解，并建立全局地形數(shù)據(jù)庫；局部路徑規(guī)劃是根據(jù)全局規(guī)劃分解的子任務，結(jié)合移動機器人當前狀態(tài)信息，實時規(guī)劃可行路徑。導航定位技術(shù)確定移動機器人在全局地圖中的位置，并實時得到機器人與路徑跟蹤的相對位置關(guān)系，其關(guān)鍵技術(shù)是多傳感器信息處理與數(shù)據(jù)融合技術(shù)。運動控制技術(shù)的任務是控制移動機器人跟蹤局部規(guī)劃給出的路徑，結(jié)合導航定位系統(tǒng)得到機器人本身狀態(tài)信息與道路信息，完成航向和速度控制。移動機器人的路徑規(guī)劃、導航控制以及運動控制技術(shù)是相互關(guān)聯(lián)的，任何一個系統(tǒng)的不完善都會導致整體性能的下降。 移動機器人技術(shù)的發(fā)展經(jīng)過了較長的歷程。1962 年，美國俄亥俄州立大學開始進行車輛自動駕駛控制技術(shù)的研究。同時，美國的麻省理工學院、斯坦福研究院(及英國研究實驗室、日本 機械工程實驗室等研究機構(gòu)也進入到這一領域。到了八十年代，眾多的國家開始研制自主移動機器人，而且發(fā)展迅速，有不少研究機構(gòu)取得了很多有意義的研究成果，其中較為著名的有美國的 內(nèi)基國國防軍大學、日本的 。九十年代至今，有更多的國碩士學位論文 第一章 緒 論 3家加入到智能移動機器人技術(shù)的研究，主要研究熱點是將各種智能控制方法應用到移動機器人的控制。典型的移動機器人有美國噴氣推進實驗室(制的索杰納( 卡內(nèi)基5。 我國自“八五”期間開始進入這一研究領域，并在國家 863 計劃中予以重點支持。較為全面對路徑規(guī)劃、視覺導航、信息融合、自動駕駛等一些基本的智能機器人技術(shù)做了探索，所形成的一些關(guān)鍵技術(shù)成果也在其他領域得到應用。我國在機器人技術(shù)與自動化工藝裝備等方面已取得了突破性進展，縮短了同發(fā)達國家的差距，但是在機器人的核心及關(guān)鍵技術(shù)的原創(chuàng)性研究、高性能關(guān)鍵工藝裝備的自主設計和制造能力、高可靠性基礎功能部件的批量生產(chǎn)應用等方面，同發(fā)達國家相比，我國仍存在較大的差距6。 動機器人的移動機構(gòu)研究概況 從最早出現(xiàn)的機器人到現(xiàn)在涌現(xiàn)出的形態(tài)各異 的移動小車，其移動機構(gòu)的形式層出不窮，以美國、俄羅斯、法國和日本為首的西方發(fā)達國家已經(jīng)研制出了多種復雜奇特的三維移動機構(gòu)，有的已經(jīng)進入了實用化和商業(yè)化階段7 8。面對 21 世紀深空探測的挑戰(zhàn)，對各種自主系統(tǒng)的研制是必須的，而移動機構(gòu)又是各種自主系統(tǒng)的最基本和最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。 已經(jīng)出現(xiàn)的移動機器人的移動機構(gòu)主要有履帶 式、腿式和輪式，其中以輪式的效率最高， 但其適應能力相對較差， 而腿式的適應能力最強但其效率最低9。 履帶式移動機構(gòu)是將圓環(huán)狀的循環(huán)軌道卷繞在 若干車輪外，使車輪不直接與地面接觸，利用履帶可以緩和地面的凹凸不平。它具有良好的穩(wěn)定性能、越障能力和較長的使用壽命，適合在崎嶇的地面上行使。但由于沉重的履帶和繁多的驅(qū)動輪使得整體機構(gòu)笨重，消耗的功率也相對較大10。 腿式移動機構(gòu)基本上是模仿人或動物的下肢機 構(gòu)形態(tài)而制成的。因其出色的地面適應能力和越野能力，曾經(jīng)得到很多機器人專家的廣泛重視，在其開發(fā)和研制上投入了大量的時間和精力，也取得了較大的成果。從移動的方式上來看，腿式移動機器人可分為兩種：動態(tài)行走機器人和靜態(tài)行走機器人。根據(jù)腿的數(shù)量又可進行分類，如四腿移動機器人六腿移動機器人。腿式機器人雖然具有較強的越野能力，但結(jié)構(gòu)比較復雜，運動控制的難度較大，而且移動速度較慢11。 輪式移動機構(gòu)具有運動速度快、能量利用率高 、結(jié)構(gòu)簡單、控制方便和能碩士學位論文 第一章 緒 論 4借鑒至今已很成熟的汽車技術(shù)等優(yōu)點，只是越野性能不太強。但隨著各種各樣的車輪底盤的出現(xiàn)，如日本 六輪柔性底盤月球漫游車 羅斯六輪三體柔性框架移動機器人 國 六輪三體柔性機器人 列以及美國 六輪搖臂懸吊式行星漫游車 列，已使輪式機器人越野能力大大增加，可以和腿式機器人相媲美。于是人們對機器人機構(gòu)研究的重心也隨之轉(zhuǎn)移到輪式機構(gòu)上來，特別是最近日本開發(fā)出一種結(jié)構(gòu)獨特的五點支撐懸吊結(jié)構(gòu) 卓越的越野能力較腿式機器人有過之而不及11 輪式結(jié)構(gòu)按輪的數(shù)量分可分為二輪機構(gòu)、三輪 機構(gòu)、四輪機構(gòu)、六輪以及多輪機構(gòu)。二輪移動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)非常簡單，但是在靜止和低速時非常不穩(wěn)定。三輪機構(gòu)的特點是機構(gòu)組成容易，旋轉(zhuǎn)中心是在連接兩驅(qū)動輪的直線上，可以實現(xiàn)零回轉(zhuǎn)半徑。四輪機構(gòu)的運動特性基本上與三輪機構(gòu)相同，由于增加了一個支撐輪，運動更加平穩(wěn)。以上幾種輪式移動機構(gòu)的共同特點是它們所有的輪子在行駛過程中，只能固定在一個平面上，不能作上下調(diào)整，因此，地面適用能力差。一般的六輪機構(gòu)主要就是為了提高移動機器人的地面適應能力而在其結(jié)構(gòu)上作了改進，增加了搖臂結(jié)構(gòu)，使得機器人在行駛過程中，其輪子可以根據(jù)地形高低作上下調(diào)整，從而提高了移動機器人的越野能力14。 動機器人的運動控制系統(tǒng)研究 動機器人運動控制概述 移動機器人的運動控制系統(tǒng)是機器人系統(tǒng)的執(zhí) 行機構(gòu)，對系統(tǒng)精確地完成各項任務起著重要作用，有時也可作為一個簡單的控制器3。構(gòu)成機器人運動控制系統(tǒng)的要素有：計算機硬件系統(tǒng)及控制軟件、輸入/輸出設備、驅(qū)動器、傳感器系統(tǒng)，它們之間的關(guān)系如圖15。 動機器人運動控制系統(tǒng)的設計要求 移動機器人運動控制系統(tǒng)的設計主要包括系統(tǒng) 的功能和體系結(jié)構(gòu)設計，功能設計主要完成控制功能和算法的軟件設計，而體系結(jié)構(gòu)設計是功能在硬件上計算機硬件及控制軟件I/O 設備 傳感器驅(qū)動器 機器人本體 圖 1器人控制系統(tǒng)構(gòu)成要素人 碩士學位論文 第一章 緒 論 5的實現(xiàn)16。根據(jù)面向的任務和環(huán)境不同，對移動機器人運動控制系統(tǒng)的設計也不同。目前機器人運動控制系統(tǒng)存在主要問題有：系統(tǒng)局限于專用微處理器、專用機器人語言，開放性差17；軟件結(jié)構(gòu)依賴于微處理器硬件，難以在不同系統(tǒng)間移植；擴展性差18。針對這些不足，進行機器人運動控制系統(tǒng)設計時應考慮以下要求： (1)開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。采用開放式軟件、硬件結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)需要方便擴充功能，使其適用于不同目的的科研需求1920。 (2)合理的模塊化設計。硬件根據(jù)系統(tǒng)要求和電氣特性進行模塊化設計，不僅方便安裝和維護，而且提高系統(tǒng)的可靠性；軟件按功能分成不同模塊，便于修改、添加。 (3)實時性、多任務要求?？刂破鞅仨毮茉诖_定時間內(nèi)完成對外部中斷的處理，并且可以多個任務同時進行21。 (4)網(wǎng)絡通信功能，便于資源共享和多機器人協(xié)同。 (5)具有一定智能，能根據(jù)實際情況判斷和決策，如給定速度突變或在合理范圍之外時的處理、對故障的自動診斷等1。 種運動控制系統(tǒng)實現(xiàn)方法的比較 目前，一個運動控制系統(tǒng)或電機控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方法主要有以下幾種7： (1)以模擬電路硬接線方式建立的運動控制系統(tǒng)。早期的運動控制系統(tǒng)一般是采用運算放大器等分立元件以硬接線方式組成的模擬控制系統(tǒng)，其優(yōu)點在于：通過對輸入信號的實時處理，可實現(xiàn)系統(tǒng)的高速控制；由于硬接線方式可以實現(xiàn)無限的采樣頻率，因此控制器的精度較高而且具有較大的寬度。 然而，與數(shù)字系統(tǒng)相比，其缺點也是很明顯的 ：器件老化和環(huán)境溫度變化對構(gòu)成系統(tǒng)的元器件的參數(shù)影響很大；構(gòu)成模擬系統(tǒng)所需的元器件較多，增加了系統(tǒng)的復雜性，也使系統(tǒng)的可靠性降低；由于系統(tǒng)采用硬接線，其升級和功能修改幾乎是不可能的；受系統(tǒng)規(guī)模的限制，很難實現(xiàn)運算量大、精度高、性能更先進的復雜控制算法。這些缺陷使它很難應用于一些功能要求比較高的場合。 (2)以微控制器為核心的運動控制系統(tǒng)。利用微控制器所構(gòu)成的系統(tǒng)與模擬電路相比具有以下優(yōu)點：絕大多數(shù)控制邏輯由軟件實現(xiàn)，電路變得簡單；微控制器具有更強的邏輯功能，運算速度快、精度高、具有大容量的存儲器，因此有能力實現(xiàn)較為復雜的算法；微控制器的控制方式主要由軟件實現(xiàn)，因此修改控制規(guī)律時，僅需對軟件進行修改；無零點漂移，控制精度高；可提供人機界面，實現(xiàn)多機聯(lián)網(wǎng)工作。 碩士學位論文 第一章 緒 論 6然而，由于微控制器一般采用 線結(jié)構(gòu)，處理速度和能力有限，軟件編程難度較大，且一般芯片集成度較低，不具備運動控制系統(tǒng)的專用外設。因此，基于微控制器構(gòu)成的系統(tǒng)仍需較多的元器件，這增加了系統(tǒng)電路的復雜性，降低了可靠性，也難以滿足運算量較大的實時信號處理的需要，難以實現(xiàn)控制算法。 (3)利用專用芯片實現(xiàn)的運動控制。為簡化電機模擬控制系統(tǒng)電路，同時保持系統(tǒng)的快速響應能力，一些公司推 出了專用電機控制芯片，如 司的9。利用專用電機控制芯片構(gòu)成的運動控制系統(tǒng)保持了模擬系統(tǒng)和以微控制器為核心的運動控制系統(tǒng)兩種實現(xiàn)方式的長處，具有速度快、系統(tǒng)集成度高、使用元器件少、可靠性好等優(yōu)點；同時，專用電機控制芯片的價格便宜，進一步降低了系統(tǒng)成本，因此這種實現(xiàn)方式廣泛應用于精度較低和成本敏感的場合。 然而，受專用電機控制芯片本身的限制，其缺 點主要包括：軟件算法固化在芯片內(nèi)部，雖然可以保證較高的響應速度，但降低了系統(tǒng)靈活性，擴展性較差；受芯片制造工藝限制，其算法較為簡單，控制精度也較低；用戶不能對芯片編程，不便對系統(tǒng)升級。 (4)以可編程邏輯器件為核心的運動控制系統(tǒng)。由于們可以利用它們的系統(tǒng)開發(fā)軟件或 開發(fā)語言，通過軟件編程實現(xiàn)運動控算法，然后將這些算法下載到相應的可編程邏輯器件中，從而以硬件方式實現(xiàn)最終的運動控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)優(yōu)點主要有：系統(tǒng)的主要功能在單片 實現(xiàn)，減少了元器件個數(shù)，縮小了系統(tǒng)體積；具有良好的擴展性和可維護性，通過修改軟件并重新下載到目標板上的相關(guān)器件中，就可以對系統(tǒng)的升級；系統(tǒng)以硬件實現(xiàn)，響應速度快，可實現(xiàn)并行處理；開發(fā)工具齊全，通用性強。然而，這種系統(tǒng)實現(xiàn)方法的成本較高?？刂扑惴ㄔ綇碗s，對可編程邏輯器件的集成度要求越高，芯片價格越昂貴。因此，考慮到系統(tǒng)成本，一般使用可編程邏輯器件實現(xiàn)較為簡單的運動控制系統(tǒng)。 (5)在通用計算機上用軟件實現(xiàn)運動控制策略。在通用計算機上，利用高級語言編制相關(guān)的控制軟件，配合驅(qū)動電路板、信號交換接口，就可以構(gòu)成一個運動控制系統(tǒng)。這種實現(xiàn)方法利用計算機的高速度、強大的運算能力和方便的編程環(huán)境，可以實現(xiàn)高性能、高精度、復雜的控制算法，而且軟件的修改也很方便。但是，通用計算機缺點在于系統(tǒng)體積大，難以應用于工業(yè)現(xiàn)場，而且難以實現(xiàn)實時性要求較高的信號處理算法。一般來說，這種系統(tǒng)實現(xiàn)方法可用于控制軟件的仿真研究或用作上位機，與下位機的實時系統(tǒng)一起構(gòu)成兩級或多級碩士學位論文 第一章 緒 論 7運動控制系統(tǒng)。 動機器人的運動控制方法研究概況 動機器人路徑跟蹤控制技術(shù) 移動機器人運動控制的基本任務是跟蹤上層規(guī) 劃系統(tǒng)給出的路徑（即期望路徑） ，最基本的控制框圖如圖 示，局部規(guī)劃層根據(jù)全局路徑任務規(guī)劃出當前要行駛的期望路徑，再與從導航定位系統(tǒng)給出的機器人狀態(tài)及與道路相對關(guān)系信息比較，得到路徑跟蹤偏差，控制器根據(jù)跟蹤偏差計算出控制量，使移動機器人跟蹤期望路徑，減少跟蹤偏差，這一過程反復進行，就能控制機器人完成路徑跟蹤任務。下面分別介紹路徑跟蹤偏差計算方法、控制方法以及導航自定位方法的研究情況。 徑跟蹤偏差的兩種計算方法 移動機器人路徑跟蹤控制有兩種基本控制方法 ：基于航向的控制方法和基于位姿的控制方法22。圖1.3(a)、(b)分別是兩種路徑跟蹤方法的示意圖，圖中在該點沿路徑切線方向與機器人距離（ d， 切線垂直方向與機器人距離即機器人與路徑的橫向偏差為 y，點人工駕駛車輛行進時駕駛員總是看車輛前方一定距離是一樣的道理?；诤较虻母櫡椒ㄖ豢紤]機器人當前航向與機器人當前位置和跟蹤點之間方向的偏差， 控制目的是令航向偏差 為零；基于位姿的控制方法中航向偏差是指機器人當前航向與被跟蹤點在路徑中的切線方向偏差，同時又考慮了機器人和被跟蹤點的位置偏差，控制目的是同時使航向偏差 和橫向位置偏差 y 為零。 上述兩種方的控制效果并沒有太大的差別，但基于航向的控制方法不必求出機器人質(zhì)心 G 到路徑切線的距離，計算控制器 移動機器人 內(nèi)部狀態(tài)測傳感器導航定位系統(tǒng)規(guī)劃 層 給 出的期望路徑跟 蹤偏差 控制量移動機 器 人外部狀態(tài) 移動機 器 人內(nèi)部狀態(tài)移動機 器 人與道路相對關(guān)系圖 1動機器人路徑跟蹤控制碩士學位論文 第一章 緒 論 8很簡單。兩種方法得到的偏差最終都轉(zhuǎn)化為航向偏差，所以航向跟蹤控制是移動機器人路徑跟蹤控制的基礎23,24。 純路徑跟蹤方法也在不少文獻中得到應用25,26。 其基本思想是通過確定機器人小車的希望半徑，從而實現(xiàn)軌跡跟蹤的目的。機器人小車的希望轉(zhuǎn)彎半徑由 一定前視距離的希望道路點在當前車體坐標系中的位置確定。另外，還有預視目標點路徑偏差計算方法等27，但從根本上來說，都只是上面兩種基本方法的改進或是針對應用環(huán)境對特定的條件作了一些限制。 徑跟蹤控制方法 目前見諸于文獻的路徑跟蹤控制方法很多，從 傳統(tǒng)控制方法、現(xiàn)代控制方法到智能控制方法都有不少學者作了大量的研究。由于移動機器人本身是一個復雜的非線性系統(tǒng)，影響其控制性能的因素很多，難于建立精確的動力學模型。如輪式移動機器人的路徑跟蹤控制與其縱向速度、橫向速度、機器人繞其重心的轉(zhuǎn)動慣量、重心位置、前后輪側(cè)偏系數(shù)、航向偏差大小以及實際道路情況等許多因素有關(guān)。其中縱向速度的變化對控制效果影響最大，在一定速度下效果很好的控制器，當速度變化時，控制效果可能會嚴重惡化，總的來說是速度越低，預視距離越長（在一定范圍內(nèi)） ，控制器越穩(wěn)定28。因此，在移動機器人路徑跟蹤控制中，理想的控制器應充分考慮這些因素的影響，并對其變化有很好的自適應能力。下面分別介紹傳統(tǒng)控制方法與智能控制方法的國內(nèi)外研究情況。 （一）傳統(tǒng)路徑跟蹤控制方法 傳統(tǒng)控制方法如 制、極點配置等控制器依賴于精確的數(shù)學模型，因此，在移動機器人控制研究中對傳統(tǒng)控制方法進行了大量的改進，提出了許多基于傳統(tǒng)方法的自適應控制方法。但因為傳統(tǒng)控制方法簡單實用，其設計理論相當成熟，且在一定條件下穩(wěn)定性較好，比較適合當前的硬件水來，而且，近路徑 G 機器人航向路徑 D d p 路徑切線方(a) 基于航向的路徑跟蹤機器人航向b) 基于位姿的路徑跟蹤種路徑跟蹤方法G 碩士學位論文 第一章 緒 論 9年來傳統(tǒng)控制方法在廣度與深度上有很大發(fā)展，因而在移動機器人實際控制中得到了廣泛的應用。1988 年，人用最優(yōu)控制方法設計了一個速度自適應側(cè)向控制器，包括全部狀態(tài)反饋及觀測器，它對速度的適應是通過分段實現(xiàn)的， 即每個速度段分別設計相應的車速反饋增益； 德國的用極點配置及卡爾曼濾波器技術(shù)來解決控制器對汽車速度變化的適應性問題； 在大速度范圍內(nèi)成功地實現(xiàn)車輛的自動駕駛，并且這種控制器不需要視覺系統(tǒng)提供的前方道路幾何信息25 29。 （二）智能路徑跟蹤控制方法 七十年代提出的智能控制使控制系統(tǒng)設計不再 依賴于數(shù)學模型，擺脫了線性局限，同時也為解決機器人控制問題提供了新的手段30。智能控制方法在輪式移動機器人控制上也有著廣泛的應用31 32。文獻33給出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡的魯棒自適應控制方法用以解決輪式移動機器的點鎮(zhèn)定問題，提出了在線的值整定算法，保證了跟蹤偏差較小和控制信號有界。文獻34針對輪式移動機器人的軌跡跟蹤問題，提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡預測控制方法，利用在線的好地實現(xiàn)了對期望軌跡的跟蹤控制。文獻35提出了一種模糊控制方法，借鑒于人的駕駛行為與經(jīng)驗，分析和設計適合于移動機器路徑跟蹤控制的模糊控制器，它不需要建立顯式的移動小車模型，并且具有很好的參數(shù)變化適應性，實驗也證明了這一方法的優(yōu)越性。模糊理論、神經(jīng)網(wǎng)絡和遺傳算法相結(jié)合的控制方法也是近年來國內(nèi)外研究的熱點。目前智能控制方法在輪式移動機器人控制中的應用還只是停留在理論研究的價段，諸如實時性問題限制了智能控制方法的進一步應用36 37。 時避障控制方法 隨著科技的發(fā)展，避障技術(shù)應用越來越廣泛。 例如，無人駕駛的汽車和智能移動機器人等，都要求系統(tǒng)自動地躲避障礙物。實時避障是反映智能移動機器人自動能力的關(guān)鍵問題之一，比較困難的問題是一方面要求有充分的可靠的環(huán)境信息，另一方面又要求有比較快的處理速度，滿足實時性要求38。國內(nèi)外學者曾做過大量的研究工作，比較有效的方法主要有：邊沿檢測法、概率網(wǎng)格法、矢量場法、決策理論法和勢場法等。邊沿檢測法是早期限采用的一種簡單實用的避障方法，其基本思想是當機器人探測到前方存在障礙物時，先停下來求解障礙物的邊界，然后引導機器人繞過該障礙物繼續(xù)前進。網(wǎng)格法是將環(huán)境用一系列的網(wǎng)格來表示，每一網(wǎng)格具有一個概率值，表示該網(wǎng)絡被障礙物占據(jù)的可能性大小，并用傳感器探測到障礙物的信息不斷更新網(wǎng)格的概率值，這樣碩士學位論文 第一章 緒 論 10就可形成一張完整的網(wǎng)格圖，應用網(wǎng)格圖的障礙信息即可規(guī)劃出局部避障路徑。決策理論法將決定機器人運動控制命令的感知信息用一系列產(chǎn)生式規(guī)則表示，并應用貝葉斯決策理論確定機器人的運動。勢場法是最早由將機器人的運動控制表示為一種虛擬力的驅(qū)動，其中障礙物對機器人產(chǎn)生排斥力，目標點產(chǎn)生吸引力。斥力和引力的和力方向確定了機器人的運動方向，運動速度的大小通常與合力的大小成正比39。虛擬力場法將網(wǎng)格法與勢場法相結(jié)合，將斥力的大小用超聲波傳感器的實時測量數(shù)據(jù)即時更新，并在矢量場直方圖（法中進行了進一步改進，其中機器人周圍的障礙物信息用直方圖表示，并用于確定機器人的運動方向和速度。此后改進的矢量場直方圖算法更加完善了40 41。 究內(nèi)容 移動機器人車體平臺的設計與運動控制技術(shù)的 研究是整個移動機器人系統(tǒng)研究的兩大重要組成部分，它將為移動機器人更高層次的理論與方法研究提供一個可靠的實驗平臺及堅實的基礎。對此，本文的研究內(nèi)容包括以下幾個方面： （ 1） 移動平臺設計， 設計符合未知復雜環(huán)境下工作的移動機器人實驗平臺。 （2）基于 進電機控制卡的控制系統(tǒng)設計，研究與其它環(huán)境感知系統(tǒng)的接口與協(xié)作。 （3）建立軟件平臺、機器人低層