人工智能四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目申報(bào)書(shū)6

1、人工智能四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目申報(bào)書(shū)項(xiàng)目類別一般項(xiàng)目基礎(chǔ)研究項(xiàng)目應(yīng)用研究項(xiàng)目重點(diǎn)項(xiàng)目基礎(chǔ)研究項(xiàng)目應(yīng)用研究項(xiàng)目項(xiàng)目名稱：工業(yè)檢測(cè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制與數(shù)據(jù)傳輸研究起止時(shí)間：2013年10月至2015年10月承擔(dān)單位：四川理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院項(xiàng)目負(fù)責(zé)人：黃丹平聯(lián)系電話（手機(jī)）科門(mén)類：測(cè)控技術(shù)與儀器學(xué)科情況：校級(jí)重點(diǎn)建設(shè)學(xué)科填報(bào)日期：2013年5月16日人工智能四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 制填報(bào)說(shuō)明1、申報(bào)書(shū)適用于人工智能四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助自然科學(xué)研究項(xiàng)目；2、封面“項(xiàng)目類別”只能選填一種，在該項(xiàng)目類別前中畫(huà)“”；3、申報(bào)書(shū)填寫(xiě)要求用A4紙計(jì)算機(jī)打印。一式三份統(tǒng)一報(bào)送人工智能四川

2、省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；4、未盡事宜，可另附材料說(shuō)明。一、目的意義和國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析 自從1959 年誕生第一臺(tái)機(jī)器人以來(lái)，機(jī)器人技術(shù)得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步和發(fā)展。智能機(jī)器人是具有感知、思維和行動(dòng)功能的機(jī)器，它可獲取、處理和識(shí)別多種信息，自主地完成較為復(fù)雜的操作任務(wù)。隨著移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，人們希望機(jī)器人能夠在未知環(huán)境中自動(dòng)實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃,并且能夠通過(guò)無(wú)線傳輸將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中,從而大大提高其對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力和實(shí)際應(yīng)用效率。避障是機(jī)器人路徑規(guī)劃中的難點(diǎn)和研究熱點(diǎn)。根據(jù)機(jī)器人對(duì)環(huán)境信息知道的程度不同，可分為2 種類型：環(huán)境信息完全知道的全局路徑規(guī)劃和環(huán)境信息完全未知或部分未知的局部路徑規(guī)劃。對(duì)于

3、已知環(huán)境下的避碰問(wèn)題，已經(jīng)提出了許多有效的解決方法。其中，khatib 提出的人工勢(shì)場(chǎng)法，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，得到了廣泛應(yīng)用。與在已知環(huán)境中相比，機(jī)器人在環(huán)境完全未知或部分未知情況下實(shí)現(xiàn)避障更加困難。針對(duì)環(huán)境信息不確定情況下的避障問(wèn)題，得到避障系統(tǒng)中應(yīng)用的系統(tǒng)模型，根據(jù)攝像機(jī)透視影射原理，進(jìn)行逆換算，得到控制系統(tǒng)算法，實(shí)現(xiàn)單攝像機(jī)獲取環(huán)境深度信息，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上提出了一種基于視覺(jué)的局部路徑規(guī)劃的算法，實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)智能機(jī)器人在不確定環(huán)境中利用視覺(jué)傳感器實(shí)時(shí)獲取外部信息進(jìn)行路徑規(guī)劃，仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，減少了計(jì)算規(guī)模，提高了實(shí)時(shí)性，簡(jiǎn)化了機(jī)器人避障的步驟，使機(jī)器人能快速地跟蹤規(guī)劃路徑，

4、實(shí)現(xiàn)避障。未知路徑規(guī)劃技術(shù)是機(jī)器人控制技術(shù)研究中的一個(gè)重要問(wèn)題, 嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)具有功耗低、體積小、集成度高等無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì), 可以滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的同時(shí)簡(jiǎn)化控制軟件的開(kāi)發(fā)。機(jī)器人的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)從低級(jí)到高級(jí)的發(fā)展過(guò)程。當(dāng)前機(jī)器人的發(fā)展進(jìn)入智能機(jī)器人階段, 機(jī)器人通過(guò)各種傳感器獲取環(huán)境信息, 利用人工智能進(jìn)行識(shí)別、理解、推理并做出判斷和決策來(lái)完成一定的任務(wù)。這就要求智能機(jī)器人除了具有感知環(huán)境和簡(jiǎn)單的適應(yīng)環(huán)境能力外, 還具有較強(qiáng)的識(shí)別理解功能和決策規(guī)劃功能。智能機(jī)器人路徑規(guī)劃是指在有障礙物的工作環(huán)境中, 如何尋找一條從給定起點(diǎn)到終點(diǎn)適當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)路徑, 使機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中能安全、無(wú)碰地繞過(guò)所有障礙物

5、。隨著計(jì)算機(jī)、傳感器及控制技術(shù)的發(fā)展, 特別是各種新算法不斷涌現(xiàn), 智能機(jī)器人路徑規(guī)劃技術(shù)已經(jīng)取得了豐碩研究成果。特別是周?chē)h(huán)境已知的全局路徑規(guī)劃, 其理論研究已比較完善, 目前比較活躍的領(lǐng)域是研究在環(huán)境未知情況下的局部規(guī)劃。從研究成果看, 有以下趨勢(shì):（1）智能化的算法將會(huì)不斷涌現(xiàn)。模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法以及它們的相互結(jié)合也是研究熱點(diǎn)之一。（2）多智能機(jī)器人系統(tǒng)的路徑規(guī)劃。隨著智能機(jī)器人工作環(huán)境復(fù)雜度和任務(wù)的加重, 對(duì)其要求不再局限于單臺(tái)智能機(jī)器人, 在動(dòng)態(tài)環(huán)境中多智能機(jī)器。人的合作與單個(gè)機(jī)器人路徑規(guī)劃要很好地統(tǒng)一。（3） 多傳感器信息融合用于路徑規(guī)劃。單傳感器難以保證輸入信息準(zhǔn)確與可

6、靠。多傳感器所獲得信息具有冗余性、互補(bǔ)性、實(shí)時(shí)性和低代價(jià)性, 且可以快速并行分析現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。（4）基于功能/行為的智能機(jī)器人路徑規(guī)劃?；谀Ｐ妥皂斚蛳碌母兄? 建模- 規(guī)劃- 動(dòng)作是一種典型慎思結(jié)構(gòu), 稱為基于功能的控制體系結(jié)構(gòu)?；谛袨榈姆椒ㄊ且环N自底向上的構(gòu)建系統(tǒng)方法, 并在與環(huán)境交互作用中最終達(dá)到目標(biāo)?；诠δ?行為的機(jī)器人控制結(jié)構(gòu)融合了兩者優(yōu)點(diǎn), 這是研究的新動(dòng)向之一。機(jī)器人路徑規(guī)劃問(wèn)題可以建模為一個(gè)有約束的優(yōu)化問(wèn)題, 完成路徑規(guī)劃、定位和避障等任務(wù)。根據(jù)機(jī)器人對(duì)環(huán)境信息掌握的程度不同將智能機(jī)器人路徑規(guī)劃分為基于模型的全局路徑規(guī)劃和基于傳感器的局部路徑規(guī)劃。前者是指作業(yè)環(huán)境的全部信息已知

7、, 主要包括構(gòu)型空間法、拓?fù)浞?、柵格解耦法、自由空間法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等; 后者是指作業(yè)環(huán)境信息全部未知或部分未知, 主要包括人工勢(shì)場(chǎng)法、模糊邏輯控制法、混合法、滾動(dòng)窗口法等。智能機(jī)器人路徑規(guī)劃存在以下特點(diǎn):復(fù)雜性: 在復(fù)雜環(huán)境中, 機(jī)器人路徑規(guī)劃非常復(fù)雜, 且需要很大的計(jì)算量。隨機(jī)性: 復(fù)雜環(huán)境的變化往往存在很多隨機(jī)性和不確定因素。多約束: 機(jī)器人的形狀、速度和加速度等對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)存在約束。ZigBee無(wú)線傳輸技術(shù)是一種新興的低速率、短距離的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，該技術(shù)是在藍(lán)牙技術(shù)和無(wú)線標(biāo)記技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，與其他的無(wú)線通信技術(shù)一樣，其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)也是采用的IEEE802制訂的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。ZigB

8、ee作為一種個(gè)人網(wǎng)絡(luò)的短程無(wú)線通信協(xié)議，已經(jīng)越來(lái)越為大家所熟知，它最大的特點(diǎn)就是可組網(wǎng)，特別是帶有路由的可組網(wǎng)功能，這一功能在理論上可以實(shí)現(xiàn)ZigBee覆蓋通訊面積的無(wú)限擴(kuò)展?？傊?，ZigBee無(wú)線傳輸技術(shù)以其低速率、低功耗、短距離、低時(shí)延以及低成本等優(yōu)點(diǎn)有效克服了無(wú)線通信技術(shù)的各種缺陷，也在很大程度上實(shí)現(xiàn)了由自組織網(wǎng)絡(luò)和傳感器所構(gòu)成的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的各項(xiàng)功能需求。Zigbee無(wú)線傳輸?shù)奶攸c(diǎn)1）成本低。目前，ZigBee 芯片的成本在25 元人民幣左右，而且尺寸小。2.4GHz頻段可以免費(fèi)申請(qǐng)使用。2）功耗低。其發(fā)射功率為03.6dBm，一個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)設(shè)備在低耗電待機(jī)模式下，采用兩節(jié)普通

9、5號(hào)的干電池做電源的話可使用半年以上。3）速率低?；舅俾适?50kb/s，當(dāng)降低到28kb/s時(shí)，傳輸范圍可擴(kuò)大到134m，并獲得更高的可靠性。但對(duì)存儲(chǔ)信息量不大RFID系統(tǒng)，足以滿足其需求。4）容量高?；赯igBee無(wú)線傳輸技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)可采用星型、樹(shù)型等網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的主節(jié)點(diǎn)可以管理254個(gè)以內(nèi)的子節(jié)點(diǎn)，而每一層的主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理，這種分層管理機(jī)制，大大提高了基于ZigBee無(wú)線傳輸技術(shù)網(wǎng)絡(luò)的通信容量。5）安全性和可靠性強(qiáng)?；赯igBee無(wú)線傳輸技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)采用的是三級(jí)安全模式，三級(jí)安全模式的應(yīng)用大大提高了網(wǎng)絡(luò)通信的安全性。同時(shí)在通信上，Zi

10、gBee無(wú)線傳輸技術(shù)采用的是免沖突多載波信道接入方式，有效避免了無(wú)線電載波之間的沖突，從而保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴Ｔ趪?guó)際上, 直到目前檢測(cè)機(jī)器人技術(shù)還屬于壟斷技術(shù), 美、英、法、德、日、挪威等國(guó)研制的檢測(cè)機(jī)器人處于世界領(lǐng)先地位, 他們的產(chǎn)品已實(shí)用化、商品化。但他們的技術(shù)嚴(yán)密封鎖, 處于絕對(duì)保密狀態(tài)。一般不出售產(chǎn)品和技術(shù), 只提供在線檢測(cè)服務(wù), 收取高昂的服務(wù)費(fèi)用。在國(guó)內(nèi),檢測(cè)機(jī)器人的研究還處于起步階段, 雖然有一些成果, 但還有許多問(wèn)題沒(méi)有解決, 離工程應(yīng)用還有不小的距離。因此, 必須下大力進(jìn)行研究, 以開(kāi)發(fā)新型的擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的管道檢測(cè)裝備, 提升檢測(cè)技術(shù)及手段, 使檢測(cè)及管理規(guī)范化, 并

11、逐步實(shí)現(xiàn)由被動(dòng)維護(hù)向主動(dòng)維護(hù)的轉(zhuǎn)化。二、研究方案1、 研究目標(biāo)、研究?jī)?nèi)容 機(jī)器人的研究存在著兩條不同的技術(shù)路線：一條是日本和瑞典所走的“需求牽引、技術(shù)驅(qū)動(dòng)”，結(jié)合工業(yè)發(fā)展的需求，開(kāi)發(fā)出一系列特定應(yīng)用的機(jī)器人；另一條是把機(jī)器人作為研究人工智能的載體，即單純從技術(shù)上模擬人和動(dòng)物的某些功能，研究有關(guān)職能的問(wèn)題和智能機(jī)器人。工業(yè)檢測(cè)機(jī)器人要想走向?qū)嵱?，必須擁有勝任的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、可靠的導(dǎo)航系統(tǒng)、精確的感知能力和具有即安全友友好地與人一起工作的能力。工業(yè)檢測(cè)機(jī)器人的智能指標(biāo)為自主性、適應(yīng)性和交互性。本課題為滿足工業(yè)檢測(cè)機(jī)器人對(duì)工作性質(zhì)和環(huán)境的要求，將主要進(jìn)行機(jī)器人精確定位和檢測(cè)技術(shù)方向研究，并朝著智能化和多

12、樣化方向發(fā)展。目前主要研究?jī)?nèi)容集中在以下幾個(gè)方面： 1、機(jī)器人檢測(cè)技術(shù)：重點(diǎn)研究開(kāi)放式，模塊化檢測(cè)系統(tǒng)，人機(jī)界面更加友好，語(yǔ)言、圖形 編程界面正在研制之中。機(jī)器人控制器的標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)化，以及基于 PC 機(jī)網(wǎng)絡(luò)式控制器的研究 。 編程技術(shù)除進(jìn)一步提高在線編程的可操作性之外， 離線編程的實(shí)用化也將成為研究重點(diǎn)。 2、多傳感系統(tǒng)：為進(jìn)一步提高機(jī)器人的智能和適應(yīng)性，多種傳感器的使用是其問(wèn)題解決的 關(guān)鍵。其研究熱點(diǎn)在于有效可行的多傳感器融合算法，特別是在非線性及非平穩(wěn) 、非正態(tài)分布的情形下的多傳感器融合算法。另一問(wèn)題就是傳感系統(tǒng)的實(shí)用化。 3、為能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)檢測(cè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)靈巧，應(yīng)使整體工業(yè)檢測(cè)機(jī)器人控

13、制系統(tǒng)小型化，并提高其抗干擾能力；4、機(jī)器人遙控及監(jiān)控技術(shù)，機(jī)器人半自主和自動(dòng)巡航技術(shù)，機(jī)器人和多操作者之間的協(xié)調(diào)控制，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)建立大范圍內(nèi)的機(jī)器人遙控系統(tǒng)，在有時(shí)延的情況下，建立預(yù)先顯示進(jìn)行遙控等；5、由于機(jī)器人的工作環(huán)境復(fù)雜，一般的定位設(shè)備無(wú)法精確跟蹤，設(shè)備是上安裝的里程輪等存在誤差較大，有時(shí)還存在打滑現(xiàn)象，這將為數(shù)據(jù)分析帶來(lái)較大誤差。因此應(yīng)對(duì)機(jī)器人精確定位進(jìn)行研究。2、擬采取的研究方法、技術(shù)路線和試驗(yàn)方案機(jī)器人是最典型的機(jī)電一體化數(shù)字化裝備,技術(shù)附加值很高，應(yīng)用范圍很廣,作為 先進(jìn)制造業(yè)的支撐技術(shù)和信息化社會(huì)的新興產(chǎn)業(yè)，將對(duì)未來(lái)生產(chǎn)和社會(huì)發(fā)展起越來(lái)越重要的作用。但是我國(guó)目前在工業(yè)檢測(cè)機(jī)器

14、人的研究上還處于比較落后的狀態(tài)，這對(duì)我國(guó)的工業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)非常不利，所以工業(yè)檢測(cè)機(jī)器人的研究對(duì)于工業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)就尤為重要了。本項(xiàng)目主要研究工業(yè)檢測(cè)機(jī)器人的控制與相關(guān)檢測(cè)部分，并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)控制系統(tǒng)的硬件及軟件測(cè)試，檢測(cè)其是否滿足檢測(cè)機(jī)器人的工作要求。其具體的研究方法與技術(shù)路線內(nèi)容如下：一、研究方法與技術(shù)路線1、選用多種傳感器并將其信息融合到該系統(tǒng)中，利用相關(guān)智能算法與數(shù)據(jù)處理技術(shù)得出需求信息；2、選用更適用于工業(yè)檢測(cè)環(huán)境檢測(cè)定位的慣性導(dǎo)航定位方法，它的特性是自主性、獨(dú)立性完成導(dǎo)航定位。具體導(dǎo)航策略如下：當(dāng)機(jī)器人遠(yuǎn)離目標(biāo)時(shí)，通過(guò)捷聯(lián)導(dǎo)航理論和卡爾曼濾波理論的研究，對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行行走控制。捷

15、聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)基本工作原理是以牛頓力學(xué)定律為基礎(chǔ)，通過(guò)測(cè)量線加速度計(jì)和陀螺儀輸出值，再根據(jù)相應(yīng)的坐標(biāo)變換，由加速度計(jì)和陀螺的輸出參數(shù)解算得到飛行體姿態(tài)信息。由運(yùn)動(dòng)學(xué)理論可知，要完整的描述一個(gè)物體在空間的運(yùn)動(dòng)情況，需要至少 6 個(gè)獨(dú)立的參數(shù)信息，其中有三個(gè)參量用于表示物體質(zhì)心處的平動(dòng)信息，另外三個(gè)用以表示物體繞質(zhì)心處的轉(zhuǎn)動(dòng)情況，在捷聯(lián)導(dǎo)航系統(tǒng)中，通常由三個(gè)加速度計(jì)測(cè)量載體的平動(dòng)信息，載體繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)則由三個(gè)陀螺儀來(lái)量測(cè)。但是通過(guò)研究可以得出，如果當(dāng)載體相對(duì)某一參考坐標(biāo)系的牽連運(yùn)動(dòng)形式是轉(zhuǎn)動(dòng)的情況時(shí)，那么在載體非質(zhì)心處的加速度信息中將涵蓋著相關(guān)的角速度信息。所以，在運(yùn)動(dòng)載體非質(zhì)心位置合理的放置足夠多的

16、線加速度計(jì)，根據(jù)各只加速度計(jì)安裝位置和敏感方向便可將加速度計(jì)的輸出信息中涵蓋的角速度信息提取出來(lái)，這便是依靠線加速度計(jì)獲取到角速度信息的理論基礎(chǔ)。而載體導(dǎo)航信息的獲取是經(jīng)過(guò)各個(gè)坐標(biāo)系之間的特定轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此選取合適的參考坐標(biāo)系是非常重要的，它將影響到整個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)的精度和復(fù)雜度。在捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中，較為常用的參考坐標(biāo)系通常為以下幾種：（1）、地心慣性坐標(biāo)系-以地球的中心作為坐標(biāo)系原點(diǎn)構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系, 軸的選取為地心指向北極的方向，軸、在地球赤道平面內(nèi)且兩個(gè)軸分別指向兩顆恒星與地軸相垂直并符合右手定律。因此，對(duì)于在地球表面附近運(yùn)動(dòng)的載體選用慣性坐標(biāo)系作為參考基準(zhǔn)是非常合理的。通常將地心

17、慣性系記作，也簡(jiǎn)稱為i系;（2）、地球坐標(biāo)系-地球系坐標(biāo)原點(diǎn)與慣性系的原點(diǎn)重合，均在地球中心處，它相對(duì)于慣性系以地球自轉(zhuǎn)角速率 15.04107 /h旋轉(zhuǎn)，坐標(biāo)系中在赤道平面內(nèi)，軸與軸重合，軸指向格林威治經(jīng)度線，軸的指向?yàn)闁|經(jīng) 900 的方向。將地球系記作，也簡(jiǎn)稱作 e 系；（3）、地理坐標(biāo)系-地理坐標(biāo)系是根據(jù)載體導(dǎo)航的需要建立在載體上的坐標(biāo)系，其原點(diǎn)O與載體中心重合，通常簡(jiǎn)稱為東、北、天坐標(biāo)系，其中指向東，即 E 向；則指向北，即 N 向；沿垂線方向指向天。將地理系記作，也簡(jiǎn)稱為 t 系；（4）、導(dǎo)航坐標(biāo)系- 導(dǎo)航坐標(biāo)系是在計(jì)算導(dǎo)航參數(shù)時(shí)而作為導(dǎo)航計(jì)算基準(zhǔn)的坐標(biāo)系。通?？蓪⑸鲜鼋榻B的地理系選

18、為導(dǎo)航坐標(biāo)系，有時(shí)在地球極區(qū)附近選取軸與軸重合，而使 與 軸，軸與軸存在一個(gè)角度的方位關(guān)系。將導(dǎo)航坐標(biāo)系記為，也簡(jiǎn)稱為n系，如圖所示；（5）、載體坐標(biāo)系-載體坐標(biāo)系是建立在運(yùn)動(dòng)載體上的坐標(biāo)系，一般選取載體質(zhì)心作為該坐標(biāo)系的原點(diǎn)，其中軸沿著載體縱軸并且指示載體運(yùn)動(dòng)的方向；軸指向運(yùn)動(dòng)載體的縱軸方向；軸、和之間兩兩正交構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系，指向豎軸方向。將載體系記作，可以簡(jiǎn)稱為 系。在研究導(dǎo)航中經(jīng)常應(yīng)用載體系與導(dǎo)航系的坐標(biāo)變換關(guān)系。其中e系到b系位置轉(zhuǎn)換矩陣，通常情況下，同一載體以東北天方向?yàn)槔?，此時(shí)選取導(dǎo)航系與地理系重合，為載體所在位置對(duì)應(yīng)的經(jīng)度，為載體所在位置對(duì)應(yīng)的緯度。地球系與導(dǎo)航系空間轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)系

19、可以用矩陣，其坐標(biāo)變化公式為： b系到n系是按一定順序經(jīng)三次旋轉(zhuǎn)而得，轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)系可用捷聯(lián)矩陣表示，式中為航向角，為俯仰角，為滾轉(zhuǎn)角。當(dāng)接近目標(biāo)時(shí)，利用超聲波和圖像傳感器對(duì)機(jī)器人進(jìn)行精確定位控制，利用理論與實(shí)驗(yàn)并重的雙重研究方法，在可靠性理論及完整性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上為工業(yè)檢測(cè)導(dǎo)航定位提供可靠性很高的參考價(jià)值?；诔暡夹g(shù)的精密檢測(cè)方法，通常需要精確地測(cè)量超聲波在介質(zhì)中的傳輸時(shí)間目前利用超聲波的傳輸時(shí)間特性已經(jīng)實(shí)現(xiàn)并完成了許多領(lǐng)域測(cè)量方面的任務(wù)，人們利用測(cè)量超聲波的傳輸時(shí)間特性實(shí)現(xiàn)了流量、溫度等方面的研究世紀(jì)年代超聲波進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域，年代中期計(jì)算機(jī)軟硬件和高速數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的快速發(fā)展，使得利用超聲波傳

20、輸時(shí)間對(duì)流量、溫度、液位和距離等參數(shù)進(jìn)行精密測(cè)量得以迅速推廣和應(yīng)用對(duì)超聲波傳輸時(shí)間的測(cè)量方法中最常見(jiàn)的測(cè)時(shí)方法是脈沖計(jì)數(shù)法，測(cè)時(shí)的分辨率決定了此方法的測(cè)量精度通常情況下，為了提高測(cè)時(shí)分辨率，只能不斷提高計(jì)時(shí)脈沖的頻率如果要求測(cè)時(shí)精度達(dá)到級(jí)，則相應(yīng)的計(jì)時(shí)脈沖頻率必須達(dá)到量級(jí)以上提高計(jì)時(shí)脈沖的頻率就等于增加計(jì)數(shù)器的位數(shù)，從而加大硬件成本的開(kāi)銷(xiāo)超聲波在介質(zhì)中傳輸時(shí)就載上了傳輸介質(zhì)的信息，因此通過(guò)檢測(cè)接收到的超聲波回波信號(hào)就可以間接測(cè)量所需介質(zhì)的信息例如，時(shí)差法超聲波流量計(jì)中利用超聲波傳輸時(shí)間來(lái)測(cè)量介質(zhì)流速、流量等信息超聲波在潔凈水中的傳輸速度約為1450m/s，設(shè)其順逆流時(shí)間差約為0.38，即380

21、ns。要保證測(cè)量達(dá)到0.5的測(cè)量精度，最大誤差為1.9ns，因此對(duì)超聲波傳輸時(shí)間的測(cè)量必須穩(wěn)定在ns級(jí)水平范圍內(nèi)又例如超聲波溫度計(jì)中傳輸距離不變時(shí)利用不同超聲波傳輸時(shí)間精密測(cè)量溫度，如20和21時(shí)超聲波在空氣中的速度約為344和344.6m/s，傳輸距離固定在0.3，則在20和21時(shí)超聲波的傳輸時(shí)間是872.09和870.57，其時(shí)間差為要保證測(cè)量達(dá)到的測(cè)量分辨率，最大誤差為，則要求對(duì)超聲波傳輸時(shí)間的測(cè)量要小于針對(duì)上述問(wèn)題，作者提出了一種精密測(cè)量超聲波傳輸時(shí)間的方法，并對(duì)其中的一些關(guān)鍵技術(shù)加以說(shuō)明該方法不但有效解決了精密測(cè)量超聲波傳輸時(shí)間的關(guān)鍵問(wèn)題，而且保證超聲波傳輸時(shí)間的測(cè)量達(dá)到了ns級(jí)，乃

22、至ps級(jí)的精度CMOS 圖像傳感器的研究始于20 世紀(jì)60 年代末，受當(dāng)時(shí)工藝技術(shù)的限制，發(fā)展和應(yīng)用有限。直到20世紀(jì)90 年代初，隨著大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)的提高，CMOS 圖像傳感器才日益受到重視，成為固體圖像傳感器的研發(fā)熱點(diǎn)。近幾年來(lái)，隨著集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)和工藝水平的長(zhǎng)足進(jìn)步，CMOS 圖像傳感器的一些性能指標(biāo)已接近甚至超過(guò)CCD 圖像傳感器。CMOS 圖像傳感器的總體結(jié)構(gòu)一般由像素陣列、行選通邏輯、列選通邏輯、定時(shí)和控制電路、在片模擬信號(hào)處理器（ASP）構(gòu)成，高級(jí)的CMOS 圖像傳感器還集成有在片模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。行選通邏輯和列選通邏輯可以是移位寄存器，也可以是譯碼器

23、，其中的行選通邏輯單元可以對(duì)像素陣列逐行掃描也可隔行掃描。行選通邏輯單元與列選通邏輯單元配合使用可以實(shí)現(xiàn)圖像的窗口提取功能。定時(shí)和控制電路限制信號(hào)讀出模式、設(shè)定積分時(shí)間、控制數(shù)據(jù)輸出率等。在片模擬信號(hào)處理器是完成相關(guān)雙取樣、信號(hào)積分、放大、取樣/保持、雙 取樣等功能，對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理，提高信噪比（SNR）。在片模數(shù)轉(zhuǎn)換器是數(shù)字成像系統(tǒng)所必需的，CMOS 圖像傳感器可以是整個(gè)成像陣列有一個(gè)ADC 或幾個(gè)ADC（每種顏色一個(gè)），也可以是成像陣列每列各一個(gè)。外界光照射像素陣列，發(fā)生光電效應(yīng)，在像素單元內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的電荷。行選通邏輯單元根據(jù)需要，選通相應(yīng)的行像素單元。行像素單元內(nèi)的圖像信號(hào)通過(guò)各自所在

24、列的信號(hào)總線傳輸?shù)綄?duì)應(yīng)的模擬信號(hào)處理單元以及ADC，轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號(hào)輸出。與CCD 相比，這種結(jié)構(gòu)提供了隨機(jī)進(jìn)入像元、以非常高的幀速率直接開(kāi)窗口的能力，同時(shí)避免了CCD 中大量電荷轉(zhuǎn)移很長(zhǎng)距離的情況。3工業(yè)檢測(cè)移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)中將各種信號(hào)經(jīng)傳感器采集數(shù)據(jù)后，需要進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)處理。本系統(tǒng)將采用專用采集模塊對(duì)多路信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將所采集數(shù)據(jù)進(jìn)行一些必要的濾波降噪后，送給數(shù)據(jù)處理單元進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；其該原理框圖如下：傳感器信號(hào)采集信號(hào)預(yù)處理信息提取4、將模糊控制技術(shù)、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID等控制技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)檢測(cè)機(jī)器人的軌跡跟蹤中，并對(duì)其控制性能進(jìn)行研究與比較；5、本課題將采用嵌入式控制系統(tǒng)對(duì)各種數(shù)據(jù)

25、進(jìn)行采集與處理，并用其控制器工業(yè)檢測(cè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡。該系統(tǒng)將采用Kinetis K60作為主控制器，并將DSP應(yīng)用到該機(jī)器人測(cè)控系統(tǒng)中用于數(shù)據(jù)處理。 6、將測(cè)控系統(tǒng)將數(shù)據(jù)無(wú)線通訊、遠(yuǎn)程圖像傳輸?shù)燃夹g(shù)運(yùn)用到工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)中，以便實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通訊與控制；7、針對(duì)工業(yè)機(jī)器人所采集的數(shù)據(jù)與環(huán)境特征，利用matlab來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)在分析和處理，以便得到優(yōu)化的程序與智能算法，為后續(xù)數(shù)據(jù)處理打下基礎(chǔ)。在實(shí)際運(yùn)用中可將下位機(jī)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，通過(guò)VC和matlab混合編程的程序來(lái)完成上位機(jī)的數(shù)據(jù)處理，以便減輕下位機(jī)的運(yùn)算量。二、本課題實(shí)驗(yàn)主要測(cè)試以下內(nèi)容：1、分別測(cè)試控制系統(tǒng)的硬件及軟件工作情況；2、測(cè)試檢測(cè)機(jī)

26、器人控制系統(tǒng)能否滿足檢測(cè)要求。三、實(shí)驗(yàn)方法1、分別檢測(cè)控制系統(tǒng)的硬件及軟件工作情況； 2、測(cè)試檢測(cè)機(jī)器人的遠(yuǎn)程遙控及數(shù)據(jù)采集工作； 3、對(duì)檢測(cè)機(jī)器人是否能夠按正確路線行走進(jìn)行測(cè)試及調(diào)試； 4、對(duì)檢測(cè)機(jī)器人的硬件穩(wěn)定性和抗干擾能力進(jìn)行測(cè)試； 5、模擬現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及檢測(cè)要求對(duì)檢測(cè)機(jī)器人性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。3、項(xiàng)目實(shí)施進(jìn)度安排及預(yù)期目標(biāo)項(xiàng)目實(shí)施進(jìn)度:2013年10月至2014年3月，進(jìn)行理論上的研究和技術(shù)準(zhǔn)備。2014年4月至2014年12月，進(jìn)行實(shí)物研發(fā)及調(diào)試。2015年6月至2015年10月，結(jié)題準(zhǔn)備，申請(qǐng)鑒定。預(yù)期目標(biāo)：使得研發(fā)出的工業(yè)檢測(cè)機(jī)器人技術(shù)達(dá)到國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平，并且有良好的可操作性、穩(wěn)定性、和

27、易用性、并且爭(zhēng)取到達(dá)抗擊各種工業(yè)干擾的水平。4、本項(xiàng)目的特色與創(chuàng)新之處本項(xiàng)目涉及到機(jī)械、電子、控制、計(jì)算機(jī)、人工智能、傳感器、通訊與網(wǎng)絡(luò)等多個(gè)學(xué)科和領(lǐng)域，是多種高新技術(shù)發(fā)展成果的綜合集成。該工業(yè)機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的程度高，功能強(qiáng)。本項(xiàng)目包含了無(wú)線遠(yuǎn)程控制技術(shù)，機(jī)器視覺(jué)，現(xiàn)代人工智能控制技術(shù)等創(chuàng)新與特色之處，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)工業(yè)檢測(cè)機(jī)器人技術(shù)的空白，能夠使得自主檢測(cè)機(jī)器人技術(shù)能夠運(yùn)用到我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)缺陷檢測(cè)中來(lái)。三、最終成果形式及成果預(yù)期水平最終成果形式：（1） 、公開(kāi)的中文核心期刊上發(fā)表2-3篇學(xué)術(shù)論文；（2） 、指導(dǎo)碩士研究生2名，本科畢業(yè)生6名；（3） 、提供具有國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平檢測(cè)

28、機(jī)器人原理樣機(jī)系統(tǒng)一套，可滿足試驗(yàn)研究要求；（4） 、確定適宜的設(shè)計(jì)資料及實(shí)物；（5） 、在條件成熟時(shí)，申報(bào)國(guó)家級(jí)專利；（6）、成果預(yù)期水平：達(dá)到國(guó)內(nèi)先進(jìn)。四、成果轉(zhuǎn)化措施及社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益分析（限應(yīng)用型項(xiàng)目填寫(xiě)）我國(guó)近幾年與機(jī)器人技術(shù)有關(guān)的產(chǎn)品已經(jīng)不斷出現(xiàn)，并給用戶帶來(lái)顯著效益。隨著我國(guó)工業(yè)企業(yè)自動(dòng)化水平的不斷提高，應(yīng)用到機(jī)器人技術(shù)的市場(chǎng)也會(huì)越來(lái)越大，并且逐漸成為自動(dòng)化生產(chǎn)的主要方式。我國(guó)機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)裝備的市場(chǎng)剛剛起步，而國(guó)內(nèi)裝備制造業(yè)正處于由傳統(tǒng)裝備向先進(jìn)制造裝備轉(zhuǎn)型的時(shí)期，這就給機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)研究開(kāi)發(fā)者帶來(lái)巨大商機(jī)。據(jù)預(yù)測(cè)，目前我國(guó)僅汽車(chē)行業(yè)、電子和家電行業(yè)、煙草行業(yè)、新能源電池

29、行業(yè)等，年需求此類自動(dòng)化線就達(dá)600多條，產(chǎn)值約為120多億元人民幣。在2012年左右需求此類自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)達(dá)到1600條。據(jù)初步測(cè)算，2013年僅僅汽車(chē)制造業(yè)的需求市場(chǎng)容量將達(dá)到800多億元人民幣。項(xiàng)目最終成果可以很好的運(yùn)用在自動(dòng)化生產(chǎn)裝備中，并且其先進(jìn)性，可靠性，易用性，將會(huì)使得項(xiàng)目最終產(chǎn)品很快的得到推廣，并且產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效用。五、現(xiàn)有工作基礎(chǔ)和條件1、 與項(xiàng)目有關(guān)的前期研究狀況 1）主持人任副教授以來(lái)，一直從事于管道工業(yè)各種現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)的檢測(cè)工作，并進(jìn)行了有較深入的研究，為研究本項(xiàng)目奠定了較扎實(shí)的理論基礎(chǔ)和較強(qiáng)的科研能力。 2) 主持人多年來(lái)始終關(guān)注測(cè)控技術(shù)事業(yè)，在機(jī)器人控制和機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)方面的研究工作，取得一定的進(jìn)展； 3）目前已對(duì)機(jī)器視覺(jué)與遠(yuǎn)程無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸展開(kāi)研究，并取得階段性成果，現(xiàn)已能通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行視覺(jué)信號(hào)的傳遞與處理； 4) 本組成員具有豐富的科研經(jīng)驗(yàn)，學(xué)科交叉，協(xié)作能力強(qiáng)，承擔(dān)地市級(jí)項(xiàng)目多項(xiàng)。其中，主要成員中田建平、胡勇教授在機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與調(diào)試等方面有較強(qiáng)能力，所在數(shù)字化設(shè)計(jì)與先進(jìn)制造科研團(tuán)隊(duì)為有較強(qiáng)的電路制作與研發(fā)能力和數(shù)據(jù)處理能力。3、 現(xiàn)有研究條件，尚缺少的實(shí)驗(yàn)條件和解決途徑本人所在科研團(tuán)隊(duì)為本校數(shù)字化設(shè)計(jì)與先進(jìn)制造，該科研團(tuán)隊(duì)與自貢市摯誠(chéng)科技有限公司在工業(yè)檢測(cè)機(jī)器人領(lǐng)域長(zhǎng)期合作，該校級(jí)科研團(tuán)隊(duì)現(xiàn)有一些行走機(jī)器