智能移动机器人控制与感知系统.docx

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1、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SonyEVI-D31PTZ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

2、界信息。关键词：移动机器人、硬件模块、行为控制。AbstractWiththedevelopmentofappliedrange,theworkconditionfacedbyrobotismorecomplex,whichalwaysisunknown,dynamicandunstructured.Sothecontrolofrobottofulfillamissioninrealtimeunderthisenvironmenthasanewchallenge.Themainworkandinnovativeideasinclude.ThestructureofRIRA-Mobilerobo

3、tisintroduced.Furthermore,thedrivingmodelandpowermodelareanalyzed.TheperceptionsystemofRIRA-Mobilerobotisdemonstratedparticularly,whichincludestwomodelsofvisionandultrasonicsensor.RIRA-MobilerobotusestwotypeSultrasonicsensorssoastodetectthegeneralobstacles*addition,informationSonyEVI-D31PTZcameraisa

4、lsoused,whichcandecontrolledbycomputerserialsthatthevisionfunctionofrobotisextendedgreatlytogetmoreenvironmentinformation.Throughexploringthebehavior-basedcontroltechnology,abehavior-basedcontrolsystemhasbeendesignedformobilerobotfulfillingmultipleobjectivemissions.KEYWORDS：mobilerobot;hardwaremodul

5、es;behaviorcontrol.目录第一章绪论1（一）移动机器人研究现状11、移动机器人的控制系统12、导航方式53、传感器及多传感器融合技术6（二）移动机器人的关键技术71 、基于行为的控制技术72 移动机器人的主动视觉技8（三）研究意义和主要内容103、章移动机器人的硬件结构11（一）移动机器人驱动模块111、驱动模块的硬件选取112、驱动模块的控制12（二）移动机器人无线通讯模块131、计算机与机器人间的图像无线通信142、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151、反应式控制结构152、移动机器人基于行为的控制系统的原则173、基于行为的控制系统的行为

6、选择机制18第三章移动机器人感知系统研究19（）移动机器人的超声波传感器感知模块191、超声波传感器192、超声波传感器的基本原理203、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231、视觉系统的硬件结构242、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(AU

7、tonOnlOUSMobileRObot)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(19831990),能源部制订的为期10年的机器人和智能系统计划(RIPS1986-1995),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

8、蒂一八足行走机器人，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“环境建模一规划一控制”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“感知一行动”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Ll所示的分级递阶结构是由AlbUS提出的1-

9、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“感知一思维一行动”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。图Ll分级递阶结构2.包容结构：包容式体系结构是美国MIT的R.Brooks提出的5,采用“感知一动作”结构（图1.2）,也称基于行为的结构。包容式体系结构在处理动态环境中不确定和模仿动物的低

10、级反射行为方面具有很多优点，适合快速的反射性行为，如移动机器人的目标识别与路径规划，漫游与避障等。但是它强调单元的独立、并行工作，缺少全局的指导和协调。图1.2包容结构3.组织一协调一执行结构：这种结构是由Saridis等人提出来的（图1.3)图1.3组织一协调一执行结构4.反应式结构：即根据移动机器人的行为功能构造控制体系结构(图1.4)。它将机器人行为的感知、规划、任务执行等过程封装成一个行为模块，例如将机器人的行为分为停车、跟踪、漫游、避障等行为功能模块，每一行为实现传感器信息与机器人动作间的一种映射。某一时刻，只有一种行为控制车体。反应式从下向上的方法改变了机器人的控制策略，它是在小状

11、态下搜索一系列的可编程的条件一一动作对。纯粹的反应式系统不使用任何的环境信息内部描述，不执行任何的规划，机器人只是对传感器的信息直接进行反应，从而产生动作。这种控制方法是基于“刺激-反应(StimUIUS-response)的原理。这样就使机器人能够快速地对时变的、非人为构造的环境进行反应。5.混合式结构可分为：漫游层、趋向总目标层、规划层或趋向子目标层、应急避障层和解死锁层，从下到上的各层中，越是高层，优先级越高，各层具体功能如下:漫游层：低优先级层，在无任务情况下，机器人根据传感器选择无障碍物方向随机动作。目的是在多机器人环境下，暂时无任务的机器人同样需要保持清醒的意识和一定的机动性，避免

12、冲突。趋向总目标层：机器人通过通讯方式得到任务，比如一个最终目的地，机器人在本层内不断比较当前位置和目标位置，产生并输出一个指向目标位置的下一步动作。如果本层有输出，则表明机器人有新的任务，停止漫游活动，开始趋向目标运动。规划层：本层又叫子目标层，主要任务是机器人利用超声波传感器、已有地图及通讯方式得到较远处的环境信息，使机器人有足够的时间对环境做出推理判断，对路径做出阶段性规划。规划结果以子目标的形式输出。应急避障层：机器人在运动过程中，如果红外线传感器测得避障区有障碍物存在,则机器人暂时停止趋向子目标运动，实施应急避障行为，之后重新规划子目标。解死锁层：没有一种算法既具有良好的避障行为，又

13、可以排除所有的死锁行为,本算法也不例外。因此，本层的作用是判断机器人是否进入死锁状态，如果是，采用Follow-wall行为，逃离死锁状态。系统死锁判断方法：一是系统在Time时间段内速度为0,二是机器人运动方向与机器人当前目标（总目标或子目标）方向夹角大于906o图1.5混合型控制结构除此五种之外，还有Albus提出的三脊梯结构，席裕庚、IH华等提出的环递阶结构，美国国家标准局小85）制造工程中心自动制造研究实验室提出的NBS分级感觉与控制结构和融合控制结构。随着机器人控制技术的发展，开发“具有开放式结构的模块化、标准化机器人控制结构”是当前机器人控制结构的一个发展方向。近几年，日本、美国和

14、欧洲一些国家都在开发具有开放式结构的机器人控制器，如日本安川公司基于PC开发的具有开放式结构、网络功能的机器人控制结构。我国863计划智能机器人主题也已对这方面的研究立项。新型的机器人控制器应有以下特色：（1）开放式系统结构，采用开放式软件、硬件结构，可以根据需要方便的扩充功能，使其适用于不同类型机器人或机器人化自动生产线。（2）合理的模块化设计对硬件来说，根据系统要求和电气特性，按模块化设计，这不仅方便安装和维护，而且提高了系统的可靠性，系统结构也更为紧凑。（3）有效的任务划分，不同的子任务由不同的功能模块实现，以利于修改、添加、配置功能。（4）实时性、多任务，要求机器人控制器必须能在确定的

15、时间内完成对外部中断的处理，并且可以使多个任务同时进行。（5）网络通讯功能，利用网络通讯的功能，以便于实现资源共享或多台机器人协同工作。（6）形象直观的人机接口。2、导航方式移动机器人的导航方式可分为：基于环境信息的地图模型匹配导航、基于各种导航信号-5-的陆标导航、视觉导航和味觉导航等。环境地图模型匹配导航7是机器人通过自身的各种传感器，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。陆标导航是事先将环境中的一些特殊景物作为陆标，机器人在知道这些陆标在环境中的坐标、形状等特征的前提下，通过对陆标的探测来确定自身的位置。同时将全局路线分解成为陆标与陆标间的片段，不断地对陆标探测来完成导航。根据陆标的不同，可分为人工陆标导航和自然陆标导航。人工陆标导航是机器人通过对人为放置的特殊标志的识别实现导航，虽然比较容易实现，但它人为地改变了机器人工作的环境。自然陆标导航不改变工作环境，是机器人通过对工作环境中的自然特征的识别完成导航，但陆标探测的稳定性和鲁棒性是研究的主要问题8。视觉导航主要完成障碍物和陆标的探测及识别。Trahanias9利用视觉探测陆标来完成机器人导