智能移動(dòng)機(jī)器人控制與感知系統(tǒng)

1、摘要隨著機(jī)器人的應(yīng)用范圍的不斷拓寬，機(jī)器人所面臨的工作環(huán)境也 越來(lái)越復(fù)雜，往往是 未知的、動(dòng)態(tài)的、非結(jié)構(gòu)化的，所以，要在這 種環(huán)境下實(shí)時(shí)地完成各種任務(wù)，就對(duì)機(jī)器人的控制提出了新的挑戰(zhàn)。本文的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)包括：對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的硬件模塊進(jìn)行了 分析。詳細(xì)研究了移動(dòng)機(jī)器人的感知系統(tǒng)，包括超聲波傳感器和視覺(jué) 傳感器兩大模塊。移動(dòng)機(jī)器人采用了兩款超聲波傳感器組合使用，用 于探測(cè)更為全面的障礙物特征信息。通過(guò)對(duì)基于行為控制技術(shù)的論 述，設(shè)計(jì)了一種用于移動(dòng)機(jī)器人完成多目標(biāo)任務(wù)的基于行為控制系 統(tǒng)。另外機(jī)器人采用了 Sony EVI-D31 PTZ 攝像頭，成功地實(shí)現(xiàn)了計(jì) 算機(jī)串口控制，大大的擴(kuò)展了機(jī)器人的

2、視覺(jué)功能，可以更多的獲取外 界信息。關(guān)鍵詞：移動(dòng)機(jī)器人、硬件模塊、行為控制。AbstractWith 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

3、work and innovative ideas rmationThe 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

4、robot uses two type s ultrasonic sensors so as to detect the general obstacles 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 c

5、ontrol technology, a behavior-based control system has been designed for mobile robot fulfilling multiple objective missions.KEYWORDS: mobile robot; hardware modules; behavior control.目錄 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark2 o Current Document 第一章 緒論 1 HYPERLINK l bookmark4 o Current Document （一）移動(dòng)機(jī)器人

6、研究現(xiàn)狀1 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 1、移動(dòng)機(jī)器人的控制系統(tǒng)1 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 2、導(dǎo)航方式5 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 3、傳感器及多傳感器融合技術(shù)6（二）移動(dòng)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)7 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 基于行為的控制技術(shù)7 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 移動(dòng)機(jī)器人的主動(dòng)視覺(jué)技8（三）研究意義和主要

7、內(nèi)容10 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 章移動(dòng)機(jī)器人的硬件結(jié)構(gòu) 11（一）移動(dòng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)模塊11 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 1、驅(qū)動(dòng)模塊的硬件選取 11 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 2、驅(qū)動(dòng)模塊的控制12（二）移動(dòng)機(jī)器人無(wú)線通訊模塊13 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 1、計(jì)算機(jī)與機(jī)器人間的圖像無(wú)線通信14 HYPERLINK l bookmark26 o Current Do

8、cument 2、計(jì)算機(jī)與機(jī)器人間的無(wú)線數(shù)據(jù)通信14 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document （三）移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)15 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 1、反應(yīng)式控制結(jié)構(gòu)15 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 2、移動(dòng)機(jī)器人基于行為的控制系統(tǒng)的原則17 HYPERLINK l bookmark52 o Current Document 3、基于行為的控制系統(tǒng)的行為選擇機(jī)制18 HYPERLINK l bookmark54 o Current

9、 Document 第三章移動(dòng)機(jī)器人感知系統(tǒng)研究 19（一）移動(dòng)機(jī)器人的超聲波傳感器感知模塊19 HYPERLINK l bookmark56 o Current Document 1、超聲波傳感器19 HYPERLINK l bookmark58 o Current Document 2、超聲波傳感器的基本原理20 HYPERLINK l bookmark60 o Current Document 3、移動(dòng)機(jī)器人超聲波傳感器的應(yīng)用20（二）移動(dòng)機(jī)器人的視覺(jué)感知模塊23 HYPERLINK l bookmark62 o Current Document 1、視覺(jué)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)24 HYPERL

10、INK l bookmark64 o Current Document 2、視覺(jué)系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)27結(jié) 論 32致 謝 34第一章 緒論(一) 移動(dòng)機(jī)器人研究現(xiàn)狀移動(dòng)機(jī)器人的研究始于 20世紀(jì) 60 年代末期，目的是研究人工智能技術(shù) 及在復(fù)雜環(huán)境下機(jī)器人系統(tǒng) 的自主推理和規(guī)劃能力。70 年代末，隨著計(jì)算機(jī) 技術(shù)和傳感技術(shù)的發(fā)展，世界上一批著名公司開(kāi)始研究移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)，這些移 動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)主要作為大學(xué)實(shí)驗(yàn)室及研究機(jī)構(gòu)的移動(dòng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。近年 來(lái)， 自主式移動(dòng)機(jī)器人(Autonomous Mobile Robot)技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)及社 會(huì)服務(wù)業(yè)等領(lǐng)域顯示了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用前景，因而成為國(guó)際

11、機(jī)器人學(xué)術(shù)界研究 的熱點(diǎn)問(wèn)題。國(guó)外移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展比較迅速， 80 年代，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)，制定了地面天人作戰(zhàn)平臺(tái)的戰(zhàn)略計(jì)劃。從此，在全世界掀開(kāi)了全面 研究室外移動(dòng)機(jī)器人的序幕，如DARPA的“戰(zhàn)略 計(jì)算機(jī)”計(jì)劃中的自主地面車 輛(ALV)計(jì)劃(1983 1990),能源部制訂的為期10年的機(jī)器人和智能系統(tǒng) 計(jì)劃(RIPS 19861995),以及后來(lái)的空間機(jī)器人計(jì)劃，日本通產(chǎn)省組織的極 限環(huán)境下作業(yè)的機(jī)器 人計(jì)劃，歐洲尤里卡中的機(jī)器人計(jì)劃，還有由美國(guó)NASA資 助研制的“丹蒂”八足行走機(jī)器人，美 國(guó)NASA研制的火星探測(cè)機(jī)器人索杰 那等。國(guó)內(nèi)在移動(dòng)機(jī)器人的研究起步較晚,大

12、多數(shù)研究尚處于某個(gè)單項(xiàng)研究階段, 主要的研究工作有：清華大學(xué)智能移動(dòng)機(jī)器人于 1994 年通過(guò)鑒定；香港城市大 學(xué)智能設(shè)計(jì)、自動(dòng)化及制造研究中心的自動(dòng)導(dǎo)。1、移動(dòng)機(jī)器人的控制系統(tǒng)對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人的智能控制來(lái)講有兩種不同的觀點(diǎn)：一是基于“環(huán)境建模 規(guī)劃控制”的縱向體系觀點(diǎn),即基于模型的智能控制模擬了人的深思熟慮的行 為；二是基于“感知行動(dòng)”的橫向體系觀點(diǎn), 模擬了一種反射行為以及對(duì)復(fù) 雜環(huán)境的迅速反應(yīng)和適應(yīng)能力。移動(dòng)機(jī)器人的控制結(jié)構(gòu)通常有下面幾種：.分級(jí)遞階結(jié)構(gòu)：圖1.1所示的分級(jí)遞階結(jié)構(gòu)是由Albus提出的1-4, 把各種模塊分成若干層,位于高層的模塊負(fù)責(zé)復(fù)雜的推理、判決,較低的層次用 于與外界

13、的交互。這種體系結(jié)構(gòu)遵循“感知思維行動(dòng)”的基本規(guī)律,層次向 上智能增加,精度降低,層次向下,智能降低,精度增加,較好地解決了智能和 控制精度的問(wèn)題。其缺點(diǎn)是反應(yīng)性差,雖然低層有一定的實(shí)時(shí)處理能力,但僅限 于局部的非智能 反應(yīng),失去了高度智能性的實(shí)時(shí)反應(yīng)能力, 另外,由于各模塊 串行連接,其中任何一個(gè)模塊的故障直接影響整個(gè)系統(tǒng)的功能。圖 1.1 分級(jí)遞階結(jié)構(gòu).包容結(jié)構(gòu)：包容式體系結(jié)構(gòu)是美國(guó) MIT 的 R.Brooks 提出的5，采用 “感知?jiǎng)幼鳌苯Y(jié)構(gòu)（圖 1.2），也稱基于行為的結(jié)構(gòu)。包容式體系結(jié)構(gòu)在處理 動(dòng)態(tài)環(huán)境中不確定和模仿動(dòng)物的低級(jí)反射行為方面具有很多優(yōu)點(diǎn)，適合快速的反 射性行為，如移動(dòng)

14、機(jī)器人的目標(biāo)識(shí)別與路徑規(guī)劃，漫游與避障等。但是它 強(qiáng)調(diào) 單元的獨(dú)立、并行工作，缺少全局的指導(dǎo)和協(xié)調(diào)。圖 1.2 包容結(jié)構(gòu)3. 組織協(xié)調(diào)執(zhí)行結(jié)構(gòu)：這種結(jié)構(gòu)是由 Saridis 等人提出來(lái)的 （圖 1.3）圖 1.3 組織協(xié)調(diào)執(zhí)行結(jié)構(gòu)4.反應(yīng)式結(jié)構(gòu)：即根據(jù)移動(dòng)機(jī)器人的行為功能構(gòu)造控制體系結(jié)構(gòu)(圖 1.4)。圖 1.4 反應(yīng)式機(jī)器人控制結(jié)構(gòu)它將機(jī)器人行為的感知、規(guī)劃、任務(wù)執(zhí)行等過(guò)程封裝成一個(gè)行為模塊，例如 將機(jī)器人的行為分為停車、跟蹤、漫游、避障等行為功能模塊，每一行為實(shí)現(xiàn)傳 感器信息與機(jī)器人動(dòng)作間的一種映射。某一時(shí)刻，只有一種行為控制車體。反應(yīng) 式從下向上的方法改變了機(jī)器人的控制策略，它是在小狀態(tài)

15、下搜索一系列的可編 程的條件動(dòng)作對(duì)。純粹的反應(yīng)式系統(tǒng)不使用任何的環(huán)境信息內(nèi)部描述，不執(zhí) 行任何的規(guī)劃，機(jī)器人只是對(duì)傳感器的信息直接進(jìn)行反應(yīng)，從而產(chǎn)生動(dòng)作。這種 控制方法是基于“刺激-反應(yīng) (stimulus-response)的原理。這樣就使機(jī)器 人能夠快速地對(duì)時(shí)變的、非人為構(gòu)造的環(huán)境進(jìn)行反應(yīng)。5.混合式結(jié)構(gòu)可分為：漫游層、趨向總目標(biāo)層、規(guī)劃層或趨向子目標(biāo)層、 應(yīng)急避障層和解死鎖層，從下到上的各層中，越是高層，優(yōu)先級(jí)越高，各層具體 功能如下：漫游層：低優(yōu)先級(jí)層，在無(wú)任務(wù)情況下，機(jī)器人根據(jù)傳感器選擇無(wú)障礙物方 向隨機(jī)動(dòng)作。目的是在多機(jī)器人環(huán)境下，暫時(shí)無(wú)任務(wù)的機(jī)器人同樣需要保持清醒 的意識(shí)和一定的

16、機(jī)動(dòng)性，避免沖突。趨向總目標(biāo)層：機(jī)器人通過(guò)通訊方式得到任務(wù)，比如一個(gè)最終目的地，機(jī)器 人在本層內(nèi)不斷比較當(dāng)前位置和目標(biāo)位置，產(chǎn)生并輸出一個(gè)指向目標(biāo)位置的下一 步動(dòng)作。如果本層有輸出，則表明機(jī)器人有新 的任務(wù)，停止漫游活動(dòng)，開(kāi)始趨 向目標(biāo)運(yùn)動(dòng)。規(guī)劃層：本層又叫子目標(biāo)層，主要任務(wù)是機(jī)器人利用超聲波傳感器、已有地 圖及通訊方式得到較遠(yuǎn)處的環(huán)境信息，使機(jī)器人有足夠的時(shí)間對(duì)環(huán)境做出推理判 斷，對(duì)路徑做出階段性規(guī)劃。規(guī)劃結(jié)果以子目標(biāo)的形式輸出。應(yīng)急避障層：機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，如果紅外線傳感器測(cè)得避障區(qū)有障礙物 存在，則機(jī)器人暫時(shí)停止趨向子目標(biāo)運(yùn)動(dòng)，實(shí)施應(yīng)急避障行為，之后重新規(guī)劃子 目標(biāo)。解死鎖層：沒(méi)有一種

17、算法既具有良好的避障行為，又可以排除所有的死鎖行 為，本算法也不例外。 因此，本層的作用是判斷機(jī)器人是否進(jìn)入死鎖狀態(tài)，如 果是，采用 Follow-wall 行為，逃離死鎖狀態(tài)。系統(tǒng)死鎖判斷方法：一是系統(tǒng) 在 Time 時(shí)間段內(nèi)速度為 0，二是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向與機(jī)器人當(dāng)前目標(biāo)（總目標(biāo)或 子目標(biāo)）方向夾角大于 906。遞階結(jié)構(gòu)，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局小85）制造工程中心自動(dòng)制造研究實(shí)驗(yàn)室提出的NBS 分級(jí)感覺(jué)與控制結(jié)構(gòu)和融合控制結(jié)構(gòu)。隨著機(jī)器人控制技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)發(fā)“具有開(kāi)放式結(jié)構(gòu)的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)器 人控制結(jié)構(gòu)”是當(dāng)前機(jī) 器人控制結(jié)構(gòu)的一個(gè)發(fā)展方向。近幾年，日本、美國(guó)和 歐洲一些國(guó)家都在開(kāi)發(fā)具有開(kāi)放式結(jié)構(gòu)

18、的機(jī)器人 控制器，如日本安川公司基于 PC開(kāi)發(fā)的具有開(kāi)放式結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)功能的機(jī)器人控制結(jié)構(gòu)。我國(guó)863計(jì)劃智能機(jī) 器人主題也已對(duì)這方面的研究立項(xiàng)。新型的機(jī)器人控制器應(yīng)有以下特色：（1）開(kāi)放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用開(kāi)放式軟 件、硬件結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)需要方便的擴(kuò)充功能，使其適用于不同類型機(jī)器人或機(jī) 器人化自動(dòng)生產(chǎn)線。（2）合理的模塊化設(shè)計(jì)對(duì)硬件來(lái)說(shuō)，根據(jù)系統(tǒng)要求和電氣 特性，按模塊化設(shè)計(jì)，這不僅方便安裝和維護(hù)，而且提高了系統(tǒng)的可靠性， 系 統(tǒng)結(jié)構(gòu)也更為緊湊。（3）有效的任務(wù)劃分，不同的子任務(wù)由不同的功能模塊實(shí) 現(xiàn)，以利于修改、添加、配置功能。（4）實(shí)時(shí)性、多任務(wù)，要求機(jī)器人控制器 必須能在確定的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)外

19、部中斷的處理，并且可以使多個(gè)任務(wù)同時(shí)進(jìn)行。（5）網(wǎng)絡(luò)通訊功能，利用網(wǎng)絡(luò)通訊的功能，以便于實(shí)現(xiàn)資源共享或多臺(tái)機(jī)器人 協(xié)同工作。（6）形象直觀的人機(jī)接口。2、導(dǎo)航方式移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航方式可分為：基于環(huán)境信息的地圖模型匹配導(dǎo)航、基于各 種導(dǎo)航信號(hào)- 5 -的陸標(biāo)導(dǎo)航、 視覺(jué)導(dǎo)航和味覺(jué)導(dǎo)航等。環(huán)境地圖模型匹配導(dǎo)航7是機(jī)器人通過(guò)自身的各種傳感器，探測(cè)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(chǔ)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(shí)現(xiàn)導(dǎo)航。它涉及環(huán)境地圖模型建造和 模型匹配兩大問(wèn)題。陸標(biāo)導(dǎo)航是事

20、先將環(huán)境中的一些特殊景物作為陸標(biāo)，機(jī)器人在知道這些陸標(biāo) 在環(huán)境中的坐標(biāo)、形狀等特征的前提下，通過(guò)對(duì)陸標(biāo)的探測(cè)來(lái)確定自身的位置。 同時(shí)將全局路線分解成為陸標(biāo)與陸標(biāo)間的片段，不斷地對(duì)陸標(biāo)探測(cè)來(lái)完成導(dǎo)航。 根據(jù)陸標(biāo)的不同，可分為人工陸標(biāo)導(dǎo)航和自然陸標(biāo)導(dǎo)航。人工陸標(biāo)導(dǎo)航是機(jī)器人 通過(guò)對(duì)人為放置的特殊標(biāo)志的識(shí)別實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航，雖然比較容易實(shí)現(xiàn)，但它人為地改 變了機(jī)器人工作的環(huán)境。自然陸標(biāo)導(dǎo)航不改變工作環(huán)境，是機(jī)器人通過(guò)對(duì)工作環(huán) 境中的自然特征的識(shí)別完成導(dǎo)航，但陸標(biāo)探測(cè)的穩(wěn)定性和魯棒性是研究的主要問(wèn) 題8。視覺(jué)導(dǎo)航主要完成障礙物和陸標(biāo)的探測(cè)及識(shí)別。Trahanias9利用視覺(jué)探測(cè)陸 標(biāo)來(lái)完成機(jī)器人導(dǎo)航。其中陸標(biāo)

21、不是事先定義的人工陸標(biāo)，而是在學(xué)習(xí)階段自動(dòng) 抽取的自然陸標(biāo)。視覺(jué)導(dǎo)航中邊緣銳化、特征提取等圖像處理方法計(jì)算量大，實(shí)時(shí)性差始終是一個(gè)瓶頸問(wèn)題。解決該問(wèn)題 的關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)一種快速的圖像處理方法。Stanley10提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的 機(jī)器人視覺(jué)導(dǎo)航技術(shù)。該技術(shù)中估算逆雅可比矩陣是 基于視覺(jué)導(dǎo)航的一個(gè)關(guān)鍵 問(wèn)題。它將圖像特征的變化與機(jī)器人的位置變化對(duì)應(yīng)起來(lái)，通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練 來(lái) 近似特征雅可比矩陣的逆陣。該技術(shù)，通過(guò)提取幾何特征、平均壓縮、向量量化 和主成分提取來(lái)簡(jiǎn)化圖像處理，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)視覺(jué)導(dǎo)航。味覺(jué)導(dǎo)航11,12。是通過(guò)機(jī)器人配備的化學(xué)傳感器感知?dú)馕兜臐舛?，根?jù) 氣味的濃度和氣流的方向來(lái)控制機(jī)器人的

22、運(yùn)動(dòng)。由于氣味傳感器具有靈敏度高、 機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的優(yōu)越性響應(yīng)速度快以及魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)許多研究人員在 氣味導(dǎo)航技術(shù)上做了許多研究工作。但該項(xiàng)技術(shù)能夠真正應(yīng)用到實(shí)際環(huán)境中的卻 很少，仍處于試驗(yàn)研究階段。Figaro Engineering lnc.公司研制的氧化錫氣味 傳感器，被廣泛用于氣味導(dǎo)航試驗(yàn)。石英晶體微平衡氣味傳感器、導(dǎo)電聚合物氣 味傳感器和一種模仿哺乳動(dòng)物鼻子功能的電子鼻等用于移動(dòng)機(jī)器人味覺(jué)導(dǎo)航的 傳感器都處于試驗(yàn)階段。目前的味覺(jué)導(dǎo)航試驗(yàn)多采用將機(jī)器人起始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)之 間用特殊的化學(xué)藥品，如酒精和樟腦九等，引導(dǎo)出一條無(wú)碰氣味路徑，機(jī)器人根 據(jù)不同的道路跟蹤算法，用氣味傳感器感知?dú)?/p>

23、味的濃談和氣味源的方向進(jìn)行機(jī)器 人導(dǎo)航試驗(yàn)。味覺(jué)導(dǎo)航的研究具有很好的研究?jī)r(jià)值，該種移動(dòng)機(jī)器人可用來(lái)尋找 化學(xué)藥品泄露源。3、傳感器及多傳感器融合技術(shù)傳感技術(shù)自 80 年代以來(lái)獲得了迅猛的發(fā)展，它已經(jīng)越來(lái)越多的被應(yīng)用于各 種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。移動(dòng)機(jī)器人的傳感技術(shù)用于對(duì)車體自身及外部環(huán)境信息的檢測(cè)和處 理。移動(dòng)機(jī)器人所用傳感器主要分為兩類內(nèi)傳感器和外傳感器。（1）內(nèi)傳 感器：用于測(cè)定機(jī)器人自身的參數(shù)位置和方向。常用的有計(jì)程儀、差分計(jì)程儀、 磁羅盤和陀螺羅盤等。（2）外傳感器：用于檢測(cè)和處理外部環(huán)境信息。其中， 用于移動(dòng)機(jī)器人測(cè)距的外傳感器通常為非接觸型傳感器，包括聲學(xué)、 光學(xué)和電 磁波三類。目前常采用超聲

24、、激光、視覺(jué)等傳感器。超聲傳感器的優(yōu)點(diǎn)是硬件結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，容易操作；缺點(diǎn)是速度慢，存在較大的波束角，且對(duì)光滑表 面存在鏡面反射。激光傳感器的優(yōu)點(diǎn)是發(fā)散小或沒(méi)有發(fā)散，并對(duì)大多數(shù)物體無(wú)鏡 面反射現(xiàn)象，缺點(diǎn)是存在潛在的安全問(wèn)題（首先是人眼安全 問(wèn)題），且不適用 于透明物質(zhì)。視覺(jué)傳感器通常采用 CCD 敏感元件，優(yōu)點(diǎn)是獲取信息量大，缺點(diǎn) 是計(jì)算 復(fù)雜，對(duì)環(huán)境光線有一定要求。另外，移動(dòng)機(jī)器人上還有觸覺(jué)、壓覺(jué)、 滑覺(jué)等接觸型傳感器。移動(dòng)機(jī)器人所用傳感器主要分為兩類內(nèi)傳感器和外傳感器。（1）內(nèi)傳 感器：用于測(cè)定機(jī)器人自身的參數(shù)位置和方向。常用的有計(jì)程儀、差分計(jì)程 儀、磁羅盤和陀螺羅盤等。（2）外傳感

25、器：用于檢測(cè)和處理外部環(huán)境信息。其 中，用于移動(dòng)機(jī)器人測(cè)距的外傳感器通常為非接觸型傳感器，包括聲學(xué)、 光學(xué) 和電磁波三類。目前常采用超聲、激光、視覺(jué)等傳感器。超聲傳感器的優(yōu)點(diǎn)是硬 件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，容易操作；缺點(diǎn)是速度慢，存在較大的波束角，且對(duì)光 滑表面存在鏡面反射。激光傳感器的優(yōu)點(diǎn)是發(fā)散小或沒(méi)有發(fā)散，并對(duì)大多數(shù)物體 無(wú)鏡面反射現(xiàn)象，缺點(diǎn)是存在潛在的安全問(wèn)題（首先是人眼安全問(wèn)題），且不適 用于透明物質(zhì)。視覺(jué)傳感器通常采用 CCD 敏感元件，優(yōu)點(diǎn)是獲取信息量大，缺 點(diǎn)是計(jì)算復(fù)雜，對(duì)環(huán)境光線有一定要求。另外，移動(dòng)機(jī)器人上還有觸覺(jué)、壓覺(jué)、 滑覺(jué)等接觸型傳感器。多傳感器信息融合技術(shù)是指將經(jīng)過(guò)集成處

26、理的多傳感器信息進(jìn)行合成，形成 對(duì)外部環(huán)境某一特征的一種表達(dá)方式。在未知環(huán)境中，信息的表現(xiàn)形式是多種多 樣的，信息容量以及對(duì)處理速度的要求已大大超出人腦的信息綜合處理能力，信 息融合這一嶄新的數(shù)據(jù)處理技術(shù)便應(yīng)運(yùn)而生。經(jīng)過(guò)融合的信息具有冗余性、互補(bǔ) 性、實(shí)時(shí)性和低成本性。多傳感器信息融合基本原理和出發(fā)點(diǎn)就是充分利用多個(gè) 傳感器的資源，通過(guò)對(duì)這些傳感器及其觀測(cè)信息的合理支配和使用，把多個(gè)傳感 器在空間和時(shí)間上的冗余或互補(bǔ)信息，依據(jù)某種準(zhǔn)則進(jìn)行組合，以獲得被測(cè)對(duì)象 的一致性解釋或描述，使該系統(tǒng)由此獲得比它的各組成部分更優(yōu)異的性能和更可 靠的決策?？梢宰C明：應(yīng)用優(yōu)理論融合來(lái)自多個(gè)傳感器的信息總能得到比

27、單個(gè)傳 感器信息更好的對(duì)象狀態(tài)估計(jì)。用于移動(dòng)機(jī)器人的多傳感器信息融合方法的研究 從本世紀(jì) 80 年代中期開(kāi)始起步，至今已有 10 余年的歷史。由于移動(dòng)機(jī)器人應(yīng) 用領(lǐng)域很廣，因此確定多傳感器信息融合的通用方法很難。融合的常用方法 有： 加權(quán)平均法、貝葉斯估計(jì)、卡爾曼濾波、統(tǒng)計(jì)決策理論、DS證據(jù)推理、神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)和模糊推理法以及帶置信因子的產(chǎn)生式規(guī)則。其中加權(quán)平均法是最簡(jiǎn)單也最 直觀的方法，一般用于對(duì)動(dòng)態(tài)低水平的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，但結(jié)果不是統(tǒng)計(jì)上的最優(yōu) 估計(jì)；貝葉斯估計(jì)是融合靜態(tài)環(huán)境中多傳感器低層數(shù)據(jù)的常用方法，適用于具有 高斯白噪聲的不確定性傳感信息融合；對(duì)于系統(tǒng)噪聲和觀測(cè)噪聲為高斯白噪聲的 線性系統(tǒng)

28、模型用卡爾曼濾波（KF）來(lái)融合動(dòng)態(tài)低層次冗余傳感信息，對(duì)于非線性系 統(tǒng)模型采用擴(kuò)展卡爾曼濾波（EKF）或者分散卡爾曼濾波（DKF）；統(tǒng)計(jì)決策理論用 于融合多個(gè)傳感器的同一種數(shù)據(jù)，常用于圖像觀測(cè)數(shù)據(jù)；DS證據(jù)推理是貝葉 斯估計(jì)法的擴(kuò)展，它將局部成立的前提與全局成立的前提分離開(kāi)來(lái)，以處理前提 條件不完整的信息融合；基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法根據(jù)系統(tǒng)要求和融合形式，選擇網(wǎng)絡(luò)拓 撲結(jié)構(gòu)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)確定網(wǎng)絡(luò)連接權(quán)值，對(duì)各傳感器的輸入信息進(jìn)行融合。系 統(tǒng)具有很強(qiáng)的容錯(cuò)性和魯棒性；模糊推理法首先對(duì)多傳感器輸出進(jìn)行模糊化，將 所測(cè)得的距離等信息分級(jí)，表示成相應(yīng)的模糊子集，并確定模 糊子集的隸屬度 函數(shù)，通過(guò)融合算法對(duì)隸

29、屬度函數(shù)綜合處理，再將模糊融合結(jié)果清晰化，求出融 合值；帶置信因子的產(chǎn)生式規(guī)則主要用于符號(hào)水平層表達(dá)傳感器信息，結(jié)合專家 系統(tǒng)對(duì)多傳感信息進(jìn)行融合。迄今為止,許多研究人員對(duì)信息融合技術(shù)的研究做 出了很大的貢獻(xiàn)。鄔永革13等對(duì)多傳感器信息融合的概念、方法及實(shí)現(xiàn)等問(wèn)題 作了探討。SHouzelle和G Giraudon14提出了要從多傳感器融合信息中獲取 更多潛在的優(yōu)勢(shì)，必須對(duì)增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)流、知識(shí)模型和推理決策進(jìn)行控制，同時(shí)通 過(guò)使用香農(nóng)（Shannon）信息理論提出了各種傳感器之間的冗余性及互補(bǔ)性的定 量測(cè)量。J K Hackett和M Shah15將多傳感器信息融合的應(yīng)用分為六大類， 即場(chǎng)景分割

30、、表達(dá)、3-D形狀、傳感器建模、自主機(jī)器人和目標(biāo)識(shí)別。袁軍等也 對(duì)多傳感器信息融合的方法進(jìn)行了歸納，同時(shí)也回顧了融合中的控制結(jié)構(gòu)、傳感 器選擇及環(huán)境建模等問(wèn)題。多傳感器融合技術(shù)在自主車導(dǎo)航中的作用越來(lái)越受到重視。如 Hilare 移動(dòng) 機(jī)器人將觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、 兩維視覺(jué)、激光測(cè)距等傳感器結(jié)合起來(lái)，使之能在未知 環(huán)境中操作。Stanford移動(dòng)機(jī)器人將觸覺(jué)、立體視覺(jué)和超聲波傳感器用于非結(jié) 構(gòu)化人為環(huán)境中的機(jī)器人導(dǎo)航。Carnegie-Mellon機(jī)器人中心研制的CMU自主 陸地車具有彩色 TV 攝像機(jī)、激光測(cè)距儀和聲納傳感器。（二） 移動(dòng)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)1、基于行為的控制技術(shù)基于行為控制方法是反應(yīng)式

31、系統(tǒng)的擴(kuò)展，它介于純粹的反應(yīng)式和極端的慎 思型之間。在文獻(xiàn)中基于行為方法和反應(yīng)式方法常常被混淆，盡管兩者在內(nèi)部狀 態(tài)上沒(méi)有本質(zhì)的不同，但是基于行為策略要比純粹的反應(yīng)式方法優(yōu)越的多.“基于行為機(jī)器人（BBR）建立了人工智能、工程和認(rèn)知科學(xué)之間的橋梁。 基于行為的方法是設(shè)計(jì)自主智能體和機(jī)器人的方法論，是智能體結(jié)構(gòu)的一種形 式。正是這種結(jié)構(gòu)提供了框架并且施加了某些約束，從而使機(jī)器人的控制問(wèn)題得 以解決。基于行為的方法論利用了一種普遍的、生物學(xué)上的靈感，從下而上的哲 學(xué)體系，并且允許了在解釋、描述上的一定的自由?；谛袨榈姆椒ㄕ摰哪繕?biāo)就 是發(fā)展控制智能系統(tǒng)（通常是指機(jī)器人系統(tǒng)，也包括一些仿真機(jī)器人和其

32、他的自 主的軟件智能體）的方法，使用機(jī)器人來(lái)構(gòu)造模型從而更好的理解生物系統(tǒng)（通常是指動(dòng)物，從昆蟲(chóng)到人類)?！爆F(xiàn)有的移動(dòng)機(jī)器人存在的主要問(wèn)題是缺乏靈活性和自主性，大多數(shù)機(jī)器人只 能在預(yù)先定義的地圖中或者是高度結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中執(zhí)行預(yù)先規(guī)定的動(dòng)作。在陌生 的環(huán)境下，機(jī)器人不能很好的完成任務(wù)，主要原因在于對(duì)環(huán)境情況的預(yù)先知識(shí)的 了解是不全面的、不確定的和近似的；由于傳感器自身的限制， 感知信息存在 不同程度的不確定性，直接使用感知信息很難得到準(zhǔn)確的環(huán)境模型；控制作用并 非完全可靠，如出現(xiàn)打滑等，基于行為的控制結(jié)構(gòu)解決了這些問(wèn)題，使機(jī)器人能 夠克服環(huán)境的不確定性，可靠的完成復(fù)雜任務(wù)，且效率高、魯棒性好。對(duì)

33、于移動(dòng)機(jī)器人的自主導(dǎo)航來(lái)說(shuō)，所具備的行為包括緊急行為、避障行為、 任務(wù)行為(包括障礙物 識(shí)別及環(huán)境探索)，每種行為有不同的優(yōu)先級(jí)，其中緊 急行為優(yōu)先級(jí)最高，避障行為次之，任務(wù)行為優(yōu)先級(jí)最低，整個(gè)體系結(jié)構(gòu)如圖 1.6 所示圖 1.6 基于行為的控制結(jié)構(gòu)2、 移動(dòng)機(jī)器人的主動(dòng)視覺(jué)技主動(dòng)視覺(jué)的定義:主動(dòng)視覺(jué)(Active Vision)是當(dāng)今計(jì)算機(jī)視覺(jué)和機(jī)器視覺(jué) 研究領(lǐng)域中的一個(gè)熱門課題。主動(dòng)視覺(jué)強(qiáng)調(diào)的是視覺(jué)系統(tǒng)與其所處環(huán)境之間的交 互作用能力。具體地說(shuō)，主動(dòng)視覺(jué)系統(tǒng)應(yīng)具有根據(jù)自己在當(dāng)前環(huán)境中所處的狀態(tài), 如幾何位置、姿態(tài)，攝像機(jī)的成像光學(xué)條件等,調(diào)整自身各部分的狀態(tài)參數(shù),使其 能夠達(dá)到一個(gè)佳成像狀

34、態(tài)，從而使系統(tǒng)能夠方便地完成特定的視覺(jué)任務(wù),如動(dòng)態(tài) 地跟蹤 物體的運(yùn)動(dòng)。由此可見(jiàn)，主動(dòng)視覺(jué)系統(tǒng)就是能夠支持主動(dòng)視覺(jué)功能的實(shí) 驗(yàn)演示系統(tǒng)，又稱為圖像采集平臺(tái)(multi-DOF image grab platform)。通過(guò)視覺(jué) 信息進(jìn)行導(dǎo)航控制是隨著計(jì)算設(shè)備運(yùn)算速度和存儲(chǔ)容量 的快速發(fā)展、圖像技術(shù) 的進(jìn)步而提出來(lái)的。視覺(jué)系統(tǒng)在導(dǎo)航中主要起到環(huán)境探測(cè)和辨識(shí)的作用。環(huán)境的 探測(cè)包括障礙探測(cè)和陸標(biāo)探測(cè)，而辨識(shí)主要是路標(biāo)和目標(biāo)物體的識(shí)別。其目的是 為移動(dòng)機(jī)器人提供相關(guān) 的環(huán)境信息如障礙物相對(duì)機(jī)器人的位置信息，機(jī)器人在 全局坐標(biāo)下的位置信息，甚至運(yùn)動(dòng)物體的速度、 方向、距離信息，以及目標(biāo)的 分類等。視覺(jué)

35、導(dǎo)航的優(yōu)點(diǎn)在于其探測(cè)的范圍廣，取得的信息豐富，其難點(diǎn) 在于 機(jī)器人導(dǎo)航使用的視頻圖像信號(hào)數(shù)據(jù)量很大，要求較高的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理能力，同 時(shí)從圖像中提取對(duì)導(dǎo)航有價(jià)值的信息也是一個(gè)富有挑戰(zhàn)性的工作。視覺(jué)系統(tǒng)的組成機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)從功能上看可分成圖1.7所示三部分。其中攝像頭的作用是 攝取環(huán)境中的情況，產(chǎn)生連續(xù)幀(或場(chǎng))的視頻圖像。這些視頻圖像通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換， 生成相應(yīng)的數(shù)字圖像，然后再由圖像識(shí)別算法對(duì)這些數(shù)字圖像進(jìn)行辨識(shí)，得到所 需數(shù)據(jù)。機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)就其實(shí)現(xiàn)方案而言，可分為三類27：第一類是所謂的軟件 法，該法是指圖中的A/D功能由專門的圖像采集卡實(shí)現(xiàn)，而圖像識(shí)別算法則由裝 入主計(jì)算機(jī)的程序完成。因?yàn)?/p>

36、單純實(shí)現(xiàn)A/D功能的圖像采集卡結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通用性 強(qiáng)，在市場(chǎng)上較普遍，而在PC機(jī)上開(kāi)發(fā)軟件算法也較方便，因此軟件法是比較容 易實(shí)現(xiàn)的方法。但是由于主機(jī)要完成大量的數(shù)字圖像信息的處理，工作量很大， 所以實(shí)時(shí)處理的速度是此類方法的開(kāi)發(fā)重點(diǎn)和難點(diǎn)；第二類是硬件法，它將圖中 A/D和圖像識(shí)別算法固化在一塊數(shù)據(jù)采集處理板上，圖像采集板完成圖像的數(shù)字 化轉(zhuǎn)換、圖像壓縮、分析和處理的功能，向主機(jī)傳送圖像處理后的結(jié)果。由于大 量的圖像處理、分析動(dòng)作都由圖像采集板完成，減輕了主機(jī)的負(fù)擔(dān)，是提高系統(tǒng) 的實(shí)時(shí)處理速度的有利手段。由于問(wèn)題的具體性,采用此法需獨(dú)立開(kāi)發(fā)出一塊數(shù) 據(jù)采集板，所以通用性不強(qiáng)，設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，成本高

37、；第三類是軟、硬件結(jié)合法， 在這種方法中，數(shù)據(jù)采集處理板可實(shí)現(xiàn)A/D功能和部分簡(jiǎn)單但量大的圖像辨識(shí)任 務(wù)，然后將中間辨識(shí)結(jié)果傳給計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)上完成剩余的量小但復(fù)雜的辨識(shí) 計(jì)算任務(wù)。這種方式下，圖像的通用性強(qiáng)，開(kāi)發(fā)周期短。顯然采用軟硬件結(jié)合法， 要比采用硬件法開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)采集處理板的難度小，但是該方法所需的采集卡價(jià)格 貴，費(fèi)用也較高。視覺(jué)系統(tǒng)的工作原理：無(wú)論采用哪種方式，機(jī)器人視覺(jué)子系統(tǒng)一般都具 有如下的功能模塊：圖像采集、圖像分割、目標(biāo)識(shí)別和目標(biāo)跟蹤。(a)圖像采集、通過(guò)攝像頭將環(huán)境中的現(xiàn)實(shí)情況采集到計(jì)算機(jī)內(nèi)存，供視覺(jué)處理軟件分析。 主要用攝像頭、圖像采集卡等硬件設(shè)備來(lái)完成。(b)圖像分割也就

38、是圖像的二值化，是將彩色圖像中各像素區(qū)分成不同對(duì)象的子類。經(jīng)過(guò) 像素分類處理后，彩色圖像變?yōu)槎祱D像(感興趣的目標(biāo)點(diǎn)為1或255，背景點(diǎn)為 0，也可以根據(jù)算法實(shí)現(xiàn)的需要設(shè)置其它值)。在二值圖中，分離出各個(gè)獨(dú)立的 目標(biāo)區(qū)域。圖像分割是在顏色分割的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，對(duì)圖像進(jìn)行顏色分割后，就 可以獲得多個(gè)二值化圖像結(jié)果，這些二值化圖像實(shí)際上是從同一幅圖像中獲得 的。因此，對(duì)于多目標(biāo)圖像處理需要獲得多重二值化圖像結(jié)果。這樣就完成了多 目標(biāo)的分割。(c)目標(biāo)識(shí)別此模塊是通過(guò)獨(dú)立目標(biāo)區(qū)域的特征量來(lái)確定目標(biāo)特性，如通過(guò)目標(biāo)矩心、目 標(biāo)周長(zhǎng)、面積和方向等，最終確定出目標(biāo)的中心位置和運(yùn)動(dòng)方向，為決策子系統(tǒng) 提供信息

39、。目標(biāo)識(shí)別的過(guò)程是計(jì)算機(jī)認(rèn)識(shí)圖像的過(guò)程。就機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)， 它對(duì)機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性影響最大，是系統(tǒng)的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)，同時(shí)也是目 前廣大學(xué)者研究的熱點(diǎn)，提出了許多算法。(d)目標(biāo)跟蹤在機(jī)器人小車運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，視覺(jué)子系統(tǒng)連續(xù)攝取環(huán)境中的一幀一幀的彩色圖像， 及時(shí)處理幀圖像，使機(jī)器人小車能夠進(jìn)行連續(xù)的運(yùn)動(dòng)。在機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)中搜索 目標(biāo)的方法有兩種：一種實(shí)現(xiàn)方法是對(duì)所采集的每一幀圖像進(jìn)行全幀識(shí)別處理； 另一實(shí)現(xiàn)方法是利用上幀所識(shí)別出來(lái)的目標(biāo)信息，根據(jù)它的速度及運(yùn)動(dòng)方向，對(duì) 它在下幀中的大致位置進(jìn)行預(yù)測(cè)估計(jì)，從而只需在一幀圖像的局部區(qū)域進(jìn)行搜索 和識(shí)別。處理，這一方法便是實(shí)際的目標(biāo)跟蹤。目標(biāo)跟蹤大

40、大地減少了系統(tǒng)處理 的數(shù)據(jù)量，從而很容易實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性要求，也可以提供較多的時(shí)間進(jìn)行其它處理。(三)研究意義和主要內(nèi)容近幾十年來(lái)，機(jī)器人技術(shù)不斷得到發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也越來(lái)越廣泛，尤其是 在軍事、月球探索、服務(wù)等領(lǐng)域愈發(fā)得到了更加重要的應(yīng)用。但是在不斷提高機(jī) 器人智能化的同時(shí)，它所面臨的環(huán)境也開(kāi)始變得越來(lái)越復(fù)雜，往往是未知的、動(dòng) 態(tài)變化的，機(jī)器人要完成的任務(wù)也越來(lái)越復(fù)雜。所以就要求機(jī)器人必須有一個(gè)更 好的體系結(jié)構(gòu)，從而能更好的代替人類的勞動(dòng)、工作。本文對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的行為控制較為系統(tǒng)的研究，提出了基于行為的模糊控制 技術(shù)方法。本文的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)包括：第一部分詳細(xì)論述了移動(dòng)機(jī)器人及其控制技術(shù)的現(xiàn)狀，

41、對(duì)當(dāng)前的國(guó)內(nèi)外移動(dòng) 機(jī)器人的發(fā)展進(jìn)行了分析和展望。第二部分對(duì)自行研制開(kāi)發(fā)的RIRA移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行了闡述，并對(duì)RIRA移 動(dòng)機(jī)器人的硬件模塊進(jìn)行了詳細(xì)分析。第三部分進(jìn)行了 RIRA型移動(dòng)機(jī)器人的感知系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括超聲波傳感 器和視覺(jué)傳感器兩大部分。RIRA移動(dòng)機(jī)器人采用了多路超聲波傳感器組合，還 使用了兩款可測(cè)距超聲波傳感器，用于探測(cè)不同距離的障礙物，保證對(duì)外界環(huán)境 的盡可能多的檢測(cè)。另外RIRA移動(dòng)機(jī)器人采用了 Sony EVI D3-PTZ攝像頭， 成功地實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)串口控制，大大的擴(kuò)展了機(jī)器人的視覺(jué)功能，可以更多的獲 取外界信息。第二章 移動(dòng)機(jī)器人的硬件結(jié)構(gòu)（一） 移動(dòng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)模塊（1

42、）調(diào)速范圍寬廣，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著控制電壓改變，能在寬廣的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)；1、驅(qū)動(dòng)模塊的硬件選取硬件的選取根據(jù)實(shí)際環(huán)境的需要，RIRAII移動(dòng)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)部件選取的是交流伺服電 機(jī)，交流伺服電機(jī)選用日本松下電機(jī)，它的額定功率為 0.75kW，額定轉(zhuǎn)矩為 2.4Nm，最高轉(zhuǎn)速為4500rpm，額定轉(zhuǎn)速為3000rpm，選用的編碼器是增量式編 碼器。這種電機(jī)有三種控制模式：位置控制模式、速度控制模式和轉(zhuǎn)矩控制模 式。 運(yùn)動(dòng)控制的原理：由運(yùn)動(dòng)控制模塊發(fā)出控制信號(hào)，如脈沖信號(hào)和模擬電壓量等， 這兩種控制信號(hào)分別對(duì)應(yīng)位置控制模式和速度控制模式，伺服電機(jī)在相應(yīng)的模式 下接收到控制信號(hào)，于是便能按照預(yù)定的方

43、式運(yùn)動(dòng)。在位置控制模式下，根據(jù)輸 入電機(jī)的脈沖頻率，控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速，隨著控制頻率的增大，位置控制模式的 線性度略有下降，這是由于累積誤差引起的。因此，移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，一 般不采用位置控制方式，而選用速度控制模式。交流伺服電機(jī)工作原理伺服電機(jī)在控制系統(tǒng)中用作執(zhí)行元件，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為軸上的轉(zhuǎn)角或轉(zhuǎn)速， 以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。伺服電機(jī)有交流和直流兩種，它們的最大特點(diǎn)是可控。在有控 制信號(hào)輸入時(shí)，伺服電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)；沒(méi)有控制信 號(hào)輸入時(shí)，則停止轉(zhuǎn)動(dòng)；改變控 制電壓的大小和相位（或極性）就可以改變伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，它是控制系 統(tǒng)中的原動(dòng)機(jī)。伺服電機(jī)控制方法有三種：幅值控制；相位控制；幅值- 相位控制。

44、生產(chǎn)中多用幅值控制。交流伺服電機(jī)與普通電機(jī)相比具有如下特點(diǎn)： （1） 調(diào)速范圍寬廣，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著控制電壓改變，能在寬廣的范圍內(nèi)連 續(xù)調(diào)；轉(zhuǎn)子的慣性小，能實(shí)現(xiàn)迅速的啟動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)；控制功率小，過(guò)載能力強(qiáng)，可靠性好。由于伺服電機(jī)的特點(diǎn)，它的應(yīng)用非常廣泛。例如，雷達(dá)系統(tǒng)中掃描天線的旋 轉(zhuǎn)，流量和溫度控制中閥門的開(kāi)啟。另外，數(shù)控機(jī)床中刀具運(yùn)動(dòng)、艦船方向舵和 機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)都是采用伺服電機(jī)來(lái)完成的。2、驅(qū)動(dòng)模塊的控制本研究主要采用單片機(jī)來(lái)控制驅(qū)動(dòng)模塊，單片機(jī)以其體積小、價(jià)格低、抗干 擾性好等特點(diǎn)，在現(xiàn)代控制系統(tǒng)中常用在操作現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以及實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng) 控制。其程序流程圖如圖 2.1所示。圖 2.1 電

45、機(jī)動(dòng)作流程圖單片機(jī)輸入的脈沖信號(hào)通過(guò) D/A 轉(zhuǎn)換，把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，電機(jī) 的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向主要是通過(guò)電壓的變化來(lái)控制的，電機(jī)需要的電壓范圍為-10V +10V,其速度控制圖，如圖2.2示，陰影的部分表示斜率可以變化的范圍，通 過(guò)調(diào)節(jié)伺服控制器的參數(shù)可以調(diào)節(jié)斜率，速度的正軸代表正轉(zhuǎn)，負(fù)軸代表負(fù)轉(zhuǎn)。 交流伺服電機(jī)控制器有五種模式選項(xiàng)，包括：監(jiān)視器模式、參數(shù)設(shè)定模式、EEPROM 寫入模式、自動(dòng)增益調(diào)整模式、輔助模式。在交流伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)之前，還需要對(duì) 控制器的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，選擇控制器的參數(shù)設(shè)定模式，對(duì)其參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，其參 數(shù)設(shè)置如表 2.2所示，調(diào)節(jié)表 2.1 參數(shù)也可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向。

46、在交流伺服電機(jī)運(yùn)行的時(shí)候，選擇控制器的監(jiān)視器模式以監(jiān)視電機(jī)的轉(zhuǎn)速，確保電機(jī)的 轉(zhuǎn)速與指令給定的一致。移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式為履帶式車輛運(yùn)動(dòng)方式，即左邊兩個(gè)輪子的轉(zhuǎn)速一致， 右邊兩個(gè)輪子的轉(zhuǎn)速一致。因此該移動(dòng)機(jī)器人可簡(jiǎn)化成以前后輪中心線為軸線的 兩輪移動(dòng)平臺(tái)。可以通過(guò)控制左右輪的速度來(lái)控制移動(dòng)機(jī)器人作相應(yīng)的動(dòng)作。移 動(dòng)機(jī)器人的動(dòng)作主要包括前進(jìn)、后退、前進(jìn)左拐、前進(jìn)右拐、后退左拐、后退右 拐、停止等動(dòng)作。圖 2.2 速度控制示意圖表2.1伺服電機(jī)參數(shù)設(shè)置參數(shù)號(hào)參數(shù)描述值Pr02控制方式選擇1Pr04驅(qū)動(dòng)禁止輸入無(wú)效1Pr06零速箱位輸入選擇1Pr50速度指令輸入增益按需要設(shè)定Pr51速度指令輸入取反P

47、r58加速度時(shí)間設(shè)定Pr59減速度時(shí)間設(shè)定Pr5AS形加速，減速時(shí)間設(shè)定（二）移動(dòng)機(jī)器人無(wú)線通訊模塊如何提高自主式移動(dòng)機(jī)器人對(duì)各種傳感器信息的處理能力是一個(gè)關(guān)鍵技術(shù) 問(wèn)題。在移動(dòng)機(jī)器人自身負(fù)重能力有限的情況下，通過(guò)無(wú)線通信方式，借助外部 計(jì)算機(jī)處理傳感器信息成為一種可行方案在輪式移動(dòng)機(jī)器人控制平臺(tái)上，成功地 實(shí)現(xiàn)了自主式移動(dòng)機(jī)器人的無(wú)線控制。無(wú)線通訊模塊的功能主要有：圖像的無(wú)線傳輸和數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。1、計(jì)算機(jī)與機(jī)器人間的圖像無(wú)線通信圖像的無(wú)線傳輸采用了 1K1200SR 無(wú)線影音發(fā)射器和接受器。攝像頭連接 發(fā)射器，位于移動(dòng)機(jī)器人的車體之上；接收器放位于上位機(jī)(圖像處理計(jì)算機(jī)) 處，和彩色數(shù)字圖

48、像采集卡連接，傳輸距離可達(dá)百米。2、計(jì)算機(jī)與機(jī)器人間的無(wú)線數(shù)據(jù)通信考慮到移動(dòng)機(jī)器人的特點(diǎn)，無(wú)線通信是較為理想的通信方式。試驗(yàn)中，無(wú)線 收發(fā)模塊采用TX315A全晶振式射頻無(wú)線收發(fā)模塊，模塊由TX315A T01發(fā)射 組件和TX315A-R01接受組件兩部分組成。該無(wú)線收發(fā)模塊主要有以下特性： (1)體積小，發(fā)射和接受模塊均為12*22*32mm0(2)其頻率絕對(duì)一致，故在 使用的時(shí)候可隨意增加發(fā)射和接受組件，以組成所需要的功能系統(tǒng)。(3)發(fā)射 模塊的輸入信號(hào)可以使用 VD5026，PT2262，HT12E 等等編碼器，或是 PIC16， Z80, 51系列的單片機(jī)，電路含有一只47KQ的限流電

49、阻，信號(hào)可以直接由芯片 輸出，傳輸速率為0.6K-4.8K, 10K0(4)接受模塊內(nèi)含有一整 套超外差晶振 接受和數(shù)據(jù)處理電路，輸出可直接傳給 VD5027，PT2272，HT12D 譯碼器或 PIV16，Z80， 51 單片機(jī)。發(fā)射模塊與主機(jī)的連接見(jiàn)圖 2.3，接收模塊與單片機(jī) 的連接見(jiàn)圖 2.6。圖 2.3 發(fā)射模塊與計(jì)算機(jī)的連接圖計(jì)算機(jī)與單片機(jī) 8951 間的無(wú)線通信試驗(yàn)中,發(fā)射和接受兩個(gè)模塊用于計(jì)算 機(jī)串口與單片機(jī) 8951 之間進(jìn)行無(wú)線通信。單片機(jī) 8951 支持串口通信功能, 性價(jià)比高,是計(jì)算機(jī)控制機(jī)器人的理想中介。TX315-T01模塊與計(jì)算機(jī)串口的連 接中,由于模塊不支持 T

50、TL 電平,計(jì)算機(jī)串口的 TXD 線需要經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換后與 發(fā)射模塊的信號(hào)輸入端相連。接受模塊與單片機(jī) 8951 的連接如圖 2.4 所示, 無(wú)線接受模塊的信號(hào)端與單片機(jī)的 RXD 連接。單片機(jī) 8951 可直接通過(guò)一個(gè)引 腳的高低電平將無(wú)線收發(fā)模塊置于始終發(fā)射或接收狀態(tài)。由于試驗(yàn)中計(jì)算機(jī)采用 的是Visual Basic 6.0的開(kāi)發(fā)環(huán)境，可通過(guò)設(shè)置Mscomm控件的屬性來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì) 算機(jī)串口對(duì)無(wú)線收發(fā)模塊收發(fā)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的控制。計(jì)算機(jī)與單片機(jī)的通信速率約定 為9600bs，為了獲得精確的波特率,8951選用11.0592MHz的晶振。所對(duì)應(yīng)的單 片機(jī)接受程序，部分如下：GET:CLR RINOPNO

51、PG1：JBCRI,G10AGMP GIG10：MOVA,SBUFMOV 30HALCALL DISPLAYSJMP GET單RXD無(wú)線片接受機(jī)模塊+ 5VT-L GND圖 2.4 接收模塊與單片機(jī)的連接圖機(jī)器人無(wú)線控制是基于上述計(jì)算機(jī)與單片機(jī)之間的無(wú)線通信而實(shí)現(xiàn)的，設(shè)計(jì) 機(jī)器人無(wú)線通訊的總體框架如圖 2.5所示。圖 2.5 機(jī)器人的無(wú)線通訊模塊示意圖（三） 移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1、反應(yīng)式控制結(jié)構(gòu)隨著人們對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人的性能的要求不斷提高，例如要求其能夠在復(fù)雜的 區(qū)域中（如在真實(shí)環(huán)境 中）進(jìn)行有目的的自主移動(dòng)，這樣就需要在它們的控制 系統(tǒng)中具有一定的實(shí)時(shí)反應(yīng)能力，針對(duì)這種情況， MIT 的

52、 Brooks 等人提出了 一種被稱為包容系統(tǒng)(Subsumption)的反應(yīng)控制結(jié)構(gòu)，反應(yīng)結(jié)構(gòu)目前已經(jīng) 得到 了很大的發(fā)展，各國(guó)研究人員提出了各種控制系統(tǒng)，反應(yīng)結(jié)構(gòu)目前已經(jīng)廣泛的應(yīng) 用于機(jī)器人控制系統(tǒng)。反應(yīng)式控制結(jié)構(gòu)是把復(fù)雜的任務(wù)分解成很多簡(jiǎn)單的可以并發(fā)執(zhí)行的行為，這 些行為直接將傳感器和 驅(qū)動(dòng)器耦合在一起，對(duì)傳感器的輸入實(shí)時(shí)的做出反應(yīng)， 給驅(qū)動(dòng)器發(fā)出控制命令，從而實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)控制， 因此這種結(jié)構(gòu)也被稱為基于行 為的控制結(jié)構(gòu)(Behavior-Based Control Architecture)。多個(gè)行為相互松耦合構(gòu)成 層次模型，它們通過(guò)相互競(jìng)爭(zhēng)與仲裁，產(chǎn)生抑制和激活信息來(lái)協(xié)調(diào)彼此的行為，

53、因此外部觀察者看來(lái)具有一種有序的動(dòng)作方式，表現(xiàn)出某種形式的智能行為，如 避障、跟蹤等。這種方法的優(yōu)點(diǎn)主要在于每個(gè)行為的功能比較簡(jiǎn)單，因而可以通 過(guò)簡(jiǎn)單的傳感器及其快速信息處理過(guò)程獲得比較好的運(yùn)行效果。高層行為建立在 底層行為之上，但下層可以單獨(dú)運(yùn)行，由上而下具有功能繼承性，且實(shí)時(shí)性好。反應(yīng)系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是如何協(xié)調(diào)各種不同的行為，目前的行為協(xié)調(diào)一 般分成兩種模式：合作(cooperative)模式和競(jìng)爭(zhēng)(competitive)模式。合作模式(如圖 2.6 所示)提供了同時(shí)使用一個(gè)或者多個(gè)行為的輸出的能 力，因?yàn)檫@些行為是通過(guò)一組權(quán)值組合在一起，所以它的輸出可以平滑傳感器的 噪聲。然而，因

54、為在不同的行為之間可能存在沖突，因此這種模式可能會(huì)產(chǎn)生小 陷阱或者死循環(huán)的情況，合作模式中比較典型的代表是，Arkin提出的Motor 規(guī)則控制結(jié)構(gòu)。圖 2.6 合作模式在競(jìng)爭(zhēng)模式(如圖 2.7 所示)中，將不同的行為分成不同的等級(jí)，當(dāng)有多 個(gè)行為同時(shí)發(fā)生時(shí)，只是選擇其中優(yōu)先級(jí)高的行為來(lái)作為后的輸出，它以不能平 滑傳感器噪聲為代價(jià)避開(kāi)了小陷阱問(wèn)題，但是也存在極限環(huán)問(wèn)題，Brooks的包 含控制系統(tǒng)所采用的就是競(jìng)爭(zhēng)模式。2、移動(dòng)機(jī)器人基于行為的控制系統(tǒng)的原則本課題基于 Brooks 提出的包容體系結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的基本運(yùn)動(dòng)控制， 通過(guò)采用分布決策模式 來(lái)取代傳統(tǒng)的中心決策模式設(shè)計(jì)控制器，采用基

55、于感知 的反應(yīng)式行為模式，大大提高了移動(dòng)機(jī)器人的機(jī)動(dòng)能力、魯棒性以及快速響應(yīng)能 力，簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，進(jìn)而保證了代碼的易實(shí)現(xiàn)性和最小的擴(kuò)展代價(jià)。為了使自主機(jī)器人系統(tǒng)能夠適應(yīng)環(huán)境的變化，研究人員一直在追求更好的硬 件、更復(fù)雜的程序、更精確的傳感器等等，以求得到更高級(jí)的機(jī)器人行為。但是， 我們總會(huì)受到某些條件的制約。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明：在多數(shù)情況下，越精確、越高級(jí) 的機(jī)器人系統(tǒng)就越難控制。因此在實(shí)際應(yīng)用中要遵循一定的設(shè)計(jì)原則，使自主機(jī) 器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)切實(shí)可靠。目前，已有許多基于行為模式設(shè)計(jì)的機(jī)器人系統(tǒng)能夠 滿足人類的許多方面的要求，這些系統(tǒng)的成功主要?dú)w功于三個(gè)原則：簡(jiǎn)單性原則、 無(wú)殘留狀態(tài)原則和高冗

56、余性原則。簡(jiǎn)單化設(shè)計(jì)原則能夠帶來(lái)使調(diào)試和改進(jìn)更容易、更快捷，執(zhí)行系統(tǒng)的效率更 高、適應(yīng)性更強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，因此它越來(lái)越多地被采用。Donald等人給出了關(guān)于簡(jiǎn)單 化設(shè)計(jì)方法的總的觀點(diǎn)；無(wú)須理解的靈巧操作、無(wú)須靜態(tài)穩(wěn)定性的行走、無(wú)須傳 感器或激勵(lì)器的運(yùn)動(dòng)和基于行為主義的控制系統(tǒng)。無(wú)殘留狀態(tài)被定義為一個(gè)系統(tǒng)的大量反應(yīng)的部分規(guī)則，是對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部所保留 狀態(tài)的一種度量。我們?cè)O(shè)計(jì)時(shí)必須使系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)與外在環(huán)境保持同步，這就 要求所保留的狀態(tài)不能在系統(tǒng)內(nèi)部長(zhǎng)時(shí)間的起作用。無(wú)殘留狀態(tài)特性是一種感覺(jué) 的消退，即在一短暫時(shí)段內(nèi)保留感覺(jué)到的某種信息部分?jǐn)?shù)據(jù)，這有點(diǎn)類似于視網(wǎng) 膜對(duì)殘留影像的保留過(guò)程。感覺(jué)消退的設(shè)計(jì)允許將

57、所得的信號(hào)直接加入到系統(tǒng)中 而無(wú)須改變先前的方法或代碼：允許在實(shí)際的環(huán)境下對(duì)智能系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練和調(diào) 試。高冗余性是能使系統(tǒng)與不確定因素共存，而不是去消除不確定因素。它的實(shí) 現(xiàn)是通過(guò)盡量減少對(duì)精確度的需求來(lái)達(dá)到實(shí)際的要求。高冗余性原則已經(jīng)在上述 的簡(jiǎn)單性原則、無(wú)殘留狀態(tài)原則中被充分運(yùn)用，例如，運(yùn)用快速反饋取代精確計(jì) 算。但在利用高冗余性原則時(shí)，研究人員必須要確保獲得完成任務(wù)所需的最低限 度信息量。3、基于行為的控制系統(tǒng)的行為選擇機(jī)制基于行為的包容式框架結(jié)構(gòu)，如圖2.7和2.8所示，將機(jī)器人的任務(wù)分成幾個(gè) 獨(dú)立模塊，每個(gè)模塊響 應(yīng)一個(gè)非常有限的行為；模塊的作用是固定的，這些模 塊并行完成各自的工作。

58、由于此結(jié)構(gòu)可以任意添加不同優(yōu)先級(jí)的模塊，因此，采 用這種結(jié)構(gòu)構(gòu)造一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的系統(tǒng)成為了可能。但是在這么多無(wú)限增 加的行 為模塊中，哪一個(gè)或幾個(gè)模塊的行為被執(zhí)行，是同步執(zhí)行還是異步執(zhí)行，這些問(wèn) 題就涉及到了層與層之間的行為協(xié)調(diào)。圖 2.8 包容關(guān)系示意圖圖2.10給出了包容結(jié)構(gòu)模塊關(guān)系示意圖，圖中X1是優(yōu)先級(jí)低的行為的輸出， X2是優(yōu)先級(jí)高的行為的輸出，Xout是實(shí)際輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的值。當(dāng)X2存在有意義 的輸出，即優(yōu)先級(jí)高的行為處于激活狀態(tài)時(shí)，即使X1也處于激活狀態(tài)，它也將抑 制X1的輸出，此時(shí)的實(shí)際輸出值等于X2, X1不起作用。只有當(dāng)優(yōu)先級(jí)高的行為不 在激活狀態(tài)時(shí)，優(yōu)先級(jí)低的行為才取得控制

59、權(quán)，實(shí)際輸出才等于XI。第三章 移動(dòng)機(jī)器人感知系統(tǒng)研究（一）移動(dòng)機(jī)器人的超聲波傳感器感知模塊1、超聲波傳感器超聲波是指頻率在2000Hz以上，不能引起正常人聽(tīng)覺(jué)反應(yīng)的機(jī)械振動(dòng)波。其 波長(zhǎng)很短，可以集成狹小的發(fā)射線束，呈束狀直線傳播，傳播具有一定的方向性。 同時(shí)超聲波作為一種非接觸的檢測(cè)方式，和紅外、激光及無(wú)線電測(cè)距相比，不受 光線、被測(cè)對(duì)象的顏色等的影響，在惡劣的環(huán)境中（如含粉塵時(shí)）具有一定的適 應(yīng)能力，比激光測(cè)距更容易獲得近距離信息，并且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。 為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計(jì)和制成了許多超聲波發(fā)生器?？傮w上講， 超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波

60、，一類是用機(jī)械方 式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動(dòng)型等；機(jī)械方式有加爾 統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不 相 同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。超聲波發(fā)生器 內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.1所示，它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖 信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng) 共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到 超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲 波接收器了。常見(jiàn)的