智能移動機(jī)器人平臺外文翻譯

本科畢業(yè)設(shè)計(jì)英文翻譯題目智能移動機(jī)器人平臺專業(yè)名稱機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化學(xué)生姓名指導(dǎo)教師畢業(yè)時(shí)間西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 智能移動機(jī)器人平臺作者JCwolf一個完成機(jī)器人和自動化系統(tǒng)學(xué)位的報(bào)告提交給普利茅斯大學(xué)2003-2004序言這篇報(bào)告介紹了智能移動機(jī)器人的理論和關(guān)注的焦點(diǎn)是相關(guān)問題的解決并對不同方法做了具體補(bǔ)充。在為了完成自主移動機(jī)器人設(shè)計(jì)、建造和測試這個項(xiàng)目。設(shè)計(jì)的機(jī)器人和輪椅大小差不多,使它能繞著建筑物行走。它為未來導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展提供了一個平臺。它有能力成為一個完善的服務(wù)機(jī)器人。它在未來領(lǐng)域的發(fā)展已經(jīng)被確定。一個避障系統(tǒng)已成功應(yīng)用是為了證明這些。它的最大速度為1.5米/秒。在不同領(lǐng)域的一個研究領(lǐng)域,例如快速傳感技術(shù)超音波測距,軌跡生成的快速運(yùn)動和避障,被執(zhí)行了。測試完成之后,為了確認(rèn)軌跡生成的理論。該報(bào)告深入了解電路設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)。并且完成了現(xiàn)代微控制器模塊設(shè)計(jì)。由于靈活的設(shè)計(jì)、模塊提供了另一個學(xué)生項(xiàng)目基地,包括這一個。電力電子設(shè)計(jì)提供的直流電機(jī)的電流上升到30安培每頻道。這個線路的最大電力不需要昂貴專門的組件。該項(xiàng)目順利完成。這是部分的最后一年,在本科學(xué)位課程和換向機(jī)器人自動化系統(tǒng)。致謝作者特別感謝為這項(xiàng)工作默默付出的他的許多同學(xué)。同時(shí)感謝我的主管的圭多Bugmann博士，保羅·羅賓遜博士。潘根華博士和講師艾倫·辛普森，的曼塞爾戴維斯博士，菲爾博士Culverhouse，近3年來支持我。此外，我從大衛(wèi)和羅杰·鮑爾斯，鮑勃·布雷，工學(xué)碩士，ING，彼得·路德，菲爾霍爾和菲爾·布朗得到了良好的技術(shù)支持。

最后筆者希望向他的家人致敬。我的父母（本和瑪麗亞狼),在經(jīng)濟(jì)上支持我并且用很多方法鼓勵我。特別要感謝我美麗的妻子Soo-mi楊,她在許多方面支持和寬恕。沒有她的道義支持這個項(xiàng)目可能不會完成。J.C.亞狼普利茅斯大學(xué)2004年4月目錄序言 2致謝 3目錄 4概述 7智能移動機(jī)器人原理 8數(shù)字控制器 8取樣和量化 8AD轉(zhuǎn)換 9DA轉(zhuǎn)換 9采樣頻率 9延遲 10軌跡生成 10弧 11貝塞爾曲線 13直線指引 14視線指引線 14向量場 15勢場 15基于矢量場極限環(huán) 16矢量場融合 17啟動款匹配的動力動機(jī)器 20造型移動機(jī)器人 20設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 22規(guī)格 22機(jī)械設(shè)計(jì) 22框架 22轉(zhuǎn)向 23變速箱 24精度 25電子硬件設(shè) 25供電電路 25單片機(jī)模塊 26超音波傳感器 28軸編碼器 31初步設(shè)計(jì) 31最后軸角編碼器及其特點(diǎn)設(shè)計(jì) 31伺服控制器 32電力電子 35電路輸入 37電路功能 37故障電流限制器設(shè)計(jì) 38溝通機(jī)載 40串行通信 40I2C通訊 42智能控制 44運(yùn)動學(xué)模型 44矢量逆解系統(tǒng) 44逆運(yùn)動學(xué)算法 45用于指導(dǎo)的傳感器 46位置 46遙感調(diào)查的速度和反應(yīng)時(shí)間 46導(dǎo)航和制導(dǎo)系統(tǒng)造型 49演示制導(dǎo)系統(tǒng) 49三維監(jiān)測界面 51VRML 51信息交換的遠(yuǎn)程監(jiān)控 51項(xiàng)目管理 52結(jié)論 53關(guān)鍵詞 54參考文獻(xiàn) 55附件 56附錄1:ATMegaUoP手冊》(征求意見稿) 56附錄2:系統(tǒng)綜述框圖 63附錄3:源代碼 69 第16頁共17頁第1章概述服務(wù)機(jī)器人還沒有現(xiàn)成的產(chǎn)品。為什么?因?yàn)樾枰芯坑懈纳频恼n程,直到第一個真正的服務(wù)型機(jī)器人可以去投入生產(chǎn)。一個服務(wù)機(jī)器人的需求是將融入到人類的環(huán)境中并與人類相同的速度來移動和運(yùn)行。當(dāng)前智能移動機(jī)器人通常緩慢移動甚至停止來測量。這將是其他人傳遞的障礙。緩慢的機(jī)器人是低效甚至沒用的,因?yàn)橛脩艨赡軐幵缸约鹤?都比它快。這個項(xiàng)目是關(guān)于給機(jī)器人提供快速運(yùn)行的平臺,這樣使移動機(jī)器人對現(xiàn)實(shí)生活中更有用。作者在許多不同的項(xiàng)目中獲得移動機(jī)器人的經(jīng)驗(yàn)和知識,包括:機(jī)器人足球,Melexis獎杯和其它。更多的相關(guān)項(xiàng)目的信息可以在JC亞狼網(wǎng)頁上找到(2004):www.swrtec.de。在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候,這些項(xiàng)目的知識有助于這份報(bào)告。尤其是機(jī)器人足球,在快速移動是必不可少的,理可開發(fā)和測試并轉(zhuǎn)移到自然環(huán)境問題。第2章智能移動機(jī)器人原理在本章將移動機(jī)器人的基本理論和原則進(jìn)行解釋。當(dāng)該理論應(yīng)用于快速的機(jī)器人時(shí)，一定要特別注意其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。2.1數(shù)字控制器大多數(shù)機(jī)器人應(yīng)用使用數(shù)字控制器,因此基本的數(shù)字控制應(yīng)給予及其優(yōu)勢的影響進(jìn)行討論。一些數(shù)字控制的最重要的優(yōu)點(diǎn)：括公元前（1992）·數(shù)字元件不易老化和隨環(huán)境變化?！に麄儗υ肼暫透蓴_不敏感?！?shù)字處理器是更緊湊，重量輕。（適用于內(nèi)移動機(jī)器人）·他們更加靈活和強(qiáng)大。·微處理器和數(shù)字信號處理器成本持續(xù)下降。然而它也有缺點(diǎn)：·由于有限的運(yùn)算速度和信號的分辨率的限制字長的數(shù)字處理器。（相比之下，當(dāng)模擬控制器在實(shí)時(shí)操作時(shí)，而該解決方案在理論上是無限的。）·有限字長往往轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)不穩(wěn)定?！\(yùn)算速度的限制，導(dǎo)致控制回路中的時(shí)間延遲這可能會導(dǎo)致閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。

2.1.1取樣和量化大多數(shù)控制系統(tǒng)包含數(shù)字以及模擬信號。因此模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換（AD），反之亦然（DA），發(fā)揮了重要作用。機(jī)器人可能有A至D轉(zhuǎn)換器或車輪的軸角編碼器的伺服系統(tǒng)。在這種情況下的采樣和量化是必需的。2.1.2AD轉(zhuǎn)換一個模擬值發(fā)生在瞬間。由于數(shù)字號碼的長度是有限的，模擬值四舍五入。這個過程被稱為量化。最低的值或最接近的值，它可以圓整（1位），被稱為量化水平。一個輸出A至D轉(zhuǎn)換器的停留時(shí)間T不變，直到一個新的元素已被轉(zhuǎn)換和控制器。時(shí)間T被稱為采樣周期。處理器通常計(jì)算內(nèi)通過控制算法輸出采樣周期。這意味著輸出至少比輸入遲T。2.1.3DA轉(zhuǎn)換數(shù)字字轉(zhuǎn)換成相應(yīng)比例的模擬水平?！白钚〉囊徊?，同一個量化級別限制的準(zhǔn)確性。幸運(yùn)數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換可以幾乎同時(shí)發(fā)生。然而，直到一個新的值被轉(zhuǎn)換DA轉(zhuǎn)換器的輸出才會改變。這是分析零階保持和框圖建模過程的步驟。圖1.在瞬間采樣數(shù)據(jù)的kT2.1.4采樣頻率采樣頻率ωs必須選擇一種方式，該控制器能應(yīng)對改變輸入值ωv，干擾ωw和控制器植物功能帶寬ωb。奈奎斯特——香農(nóng)采樣定理指出，采樣頻率必須至少兩次信號的頻率。事實(shí)上，這不會得到平穩(wěn)的控制器響應(yīng)。因此，一般情況下，ωs應(yīng)當(dāng)選擇滿足下列公式：（1）（2）當(dāng)停留時(shí)間TSE設(shè)定時(shí)，該系統(tǒng)的采樣周期為ωs和固有頻率為ωn。通?？刂破魇怯脕砜刂埔苿訖C(jī)器人的發(fā)動機(jī)。機(jī)械運(yùn)動時(shí)間常數(shù)與ωn和幾百毫秒有關(guān)。因此實(shí)際的采樣頻率不是很高。（比如50HZ-1000Hz）。如果機(jī)器人通過視覺控制，這將成為一個問題，因?yàn)殡娔X（目前）沒有強(qiáng)大到足以提供一個視覺系統(tǒng)與50-1000Hz的頻率相比。其他傳感器，如軸角編碼器，但不采取太大的CPU功率和采樣頻率可以很容易地實(shí)現(xiàn)。2.1.5延遲在信號傳輸和傳感器處理信息期間發(fā)生延遲，在數(shù)字控制系統(tǒng)中。延遲可能導(dǎo)致不穩(wěn)定，必須保持在最低限度。如果延遲無法通過提高CPU的功率或其他硬件來減少的話，預(yù)測控制方法可以在一定程度彌補(bǔ)延遲。預(yù)測控制方法往往需要一個控制過程的模型。這使控制器更復(fù)雜，正因?yàn)槿绱?它并非常見的。在快速機(jī)器人的情況下，延誤是至關(guān)重要的。減少的延遲增加了控制器的收益，因此可以改善瞬態(tài)響應(yīng)。2.2軌跡生成有許多方法來生成一個機(jī)器人的運(yùn)動軌跡（路徑）。通常軌跡發(fā)生器的輸入數(shù)據(jù)是一個初始值，目標(biāo)位置，可能是中間的航點(diǎn)或障礙。軌跡發(fā)生器是一個指導(dǎo)系統(tǒng)。導(dǎo)引系統(tǒng)通常是導(dǎo)航系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)指導(dǎo)機(jī)器人向目標(biāo)點(diǎn)而言，給它的導(dǎo)航系統(tǒng)?？焖俚囊苿訖C(jī)器人必須以盡可能快的速度移動。因此，車輛速度和控制器收益達(dá)到了極限。如果所要求的軌跡超出系統(tǒng)能力可能出現(xiàn)下列問題：在這個巨大的需求中輸入非線性關(guān)系，如滑移和飽和度，可以使系統(tǒng)不穩(wěn)定和機(jī)器人旋轉(zhuǎn)失控。機(jī)器人不能按照所需的路徑，可能會碰到一個障礙。因此，有必要生成相匹配的車輛動態(tài)軌跡。這里有一個已被調(diào)查過他們的基本軌跡功能概述的簡介并討論其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。2.2.1弧弧是圓的一部分。通過計(jì)算一個圓圈，可以產(chǎn)生一個路徑，起點(diǎn)和終點(diǎn)是圓的切點(diǎn)。計(jì)算半徑與車輪速度和機(jī)器人的轉(zhuǎn)向有直接的關(guān)系。由此產(chǎn)生的每個車輪的速度有固定的比例，這是一個優(yōu)勢，因?yàn)樗喕?jì)算。切向加速度at可以很容易地被軌跡生成算法限制，否則就會發(fā)生在之后的機(jī)器人控制器里。這增加路徑下面的準(zhǔn)確性。(3)(4)結(jié)合:半徑R是已知的軌跡發(fā)生器。加速度|at|≤K僅限于K和機(jī)器人v的前進(jìn)速度，通常是一個機(jī)器人控制器輸入，可以根據(jù)需要設(shè)置。如果機(jī)器人需要在一條直線上移動半徑是無限的。在這種情況下，算法必須算作一個例外。圖2這里是一個例子，作者采用了一圈接近目標(biāo)點(diǎn)從0度水平的軌跡后才能繼續(xù)。這個例子取自機(jī)器人足球。機(jī)器人旨在視線指導(dǎo)的的i1。合格后，I1的機(jī)器人是計(jì)算圓相切，并可以進(jìn)入在I2圈。它將退出圓與球碰撞時(shí)，并繼續(xù)直線運(yùn)動和輕微的加速對運(yùn)球向目標(biāo)。圖3：圓直線移動的軌跡應(yīng)用于機(jī)器人足球

這一戰(zhàn)略已實(shí)施于一體的世界上最成功的機(jī)器人足球戰(zhàn)略：韓國大學(xué)和KAIST，看到北京李等人（1999）。它有筆者也進(jìn)行了測試。圖3顯示了從MAPLE包含文件的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)從一個真正的游戲情況。這種方法的主要缺點(diǎn)是：避障和在動態(tài)環(huán)境變化的其他因素難以和直圓直剛性結(jié)構(gòu)相結(jié)合。優(yōu)勢是簡單，匹配容易和預(yù)測的軌跡機(jī)器人動力學(xué)動作準(zhǔn)確。2.2.2貝塞爾曲線貝塞爾曲線可以被定義為與兩條直線相切的一條曲線。選擇第一條直線時(shí)要通過機(jī)器人的初始位置并且第二條直線要通過終點(diǎn)。第一直線確定機(jī)器人的方向。第二條線的方向決定機(jī)器人從哪一方接近目標(biāo)（最后的姿勢）。這是形成這種軌跡的非常好的一個性質(zhì)。主要缺點(diǎn)是貝塞爾曲線數(shù)學(xué)的復(fù)雜性曲線,使得它難以創(chuàng)造的軌跡一個機(jī)器人能跟隨在高速狀態(tài)下。當(dāng)要求機(jī)器人沿目標(biāo)曲線運(yùn)動時(shí)作者進(jìn)行了貝塞爾曲線實(shí)驗(yàn)。一旦機(jī)器人靠近目標(biāo)點(diǎn),下一個目標(biāo)點(diǎn)將被確定路。當(dāng)機(jī)器人開始運(yùn)動時(shí)，需要轉(zhuǎn)90度。它從（X，Y）=（57,15）點(diǎn)開始運(yùn)動。線上的點(diǎn)確定了產(chǎn)生的軌跡。當(dāng)改變機(jī)器人方向和速度這兩者之間的關(guān)系不平衡時(shí)，會使機(jī)器人離目標(biāo)很遠(yuǎn)。實(shí)際上機(jī)器人的路徑是小三角形。圖四:貝塞爾曲線軌跡與第一個實(shí)驗(yàn)相比這個實(shí)驗(yàn)起點(diǎn)和終點(diǎn)的方向比較小，起點(diǎn)(x,y)=(77,12)并且速度減小了。機(jī)器人沿被要求和相當(dāng)精確的軌跡運(yùn)動是沒問題的。圖5:貝塞爾曲線軌跡2.2.3.直線導(dǎo)引通過旋轉(zhuǎn)機(jī)器人可以沿直線移動到目標(biāo)點(diǎn)。對輪式機(jī)器人而言，沒有切向速度只有微分轉(zhuǎn)動的可能。該系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是，它是簡單，準(zhǔn)確。主要缺點(diǎn)是速度，因?yàn)闄C(jī)器人必須停止轉(zhuǎn)動。2.2.4視線指導(dǎo)線也被稱為導(dǎo)彈制導(dǎo)與直線的指導(dǎo)有關(guān)，但這個時(shí)候機(jī)器人移動比目標(biāo)方向稍高。如果向量從機(jī)器人指向目標(biāo)點(diǎn)，那么它的角度θ∠=表明機(jī)器人應(yīng)該沿仰角方向運(yùn)動。2.2.5向量場一個向量場實(shí)質(zhì)是由一個2-維向量組成的區(qū)域。一個向量由大小和方向組成，向量對于速度和航向角而言相當(dāng)重要。大小被認(rèn)為是向量場中很重要的問題，大小對于通過每個向量組合成為向量場是很有用的。越重要的向量越長，航向角貼近的是更加重要的向量。一些向量場產(chǎn)生器，像是基礎(chǔ)的勢場產(chǎn)生法，是不考慮大小的。這種情況下大小經(jīng)常被忽略。勢場勢場的一些理論像是軌跡的概念是從物理領(lǐng)域中的電學(xué)部分中分化而出的。引力場公式如下：這里是一個沖起始到目標(biāo)位置的向量是一個從起始指向機(jī)器人的向量是一個表征機(jī)器人當(dāng)前位置的單位化的長度和預(yù)計(jì)的角度。結(jié)果是指向目標(biāo)的。引力場是關(guān)聯(lián)其中的可視的指引。斥力場產(chǎn)生背向目標(biāo)的向量。等式是表格6：引力場表格6展示了一個引力場指向目標(biāo)點(diǎn)（0.0）。在當(dāng)前應(yīng)用的機(jī)器人僅有當(dāng)前位置的向量才加入計(jì)算，對于多為圖表像表格6這樣，機(jī)器人可以在場中任何可能的地方，同時(shí)也可以在任何點(diǎn)長生向量?；跇O限環(huán)的向量場極限環(huán)是非線性控制理論的一部分。但是一個表格能夠表現(xiàn)極限環(huán)的屬性，像是表格7，那么這個表格便可以適應(yīng)路徑生成。此問題更深入的解讀請閱讀D-HKim（2000）。極限環(huán)的非線性功能的第二位表現(xiàn)為一個向量場包含一個單位環(huán)。單位環(huán)外的向量將產(chǎn)生于單位環(huán)相切的方向。這可以看成是一個圓弧/圓軌跡生成率可以引導(dǎo)機(jī)器人自動從任何方向進(jìn)入該圓。最終生成的向量場可以用來產(chǎn)生圓弧軌跡或者是用于避障。圖表7：極限環(huán)極限環(huán)的缺點(diǎn)在于一旦機(jī)器恩跨過了單位元，向量場將指向中心。所以，具體實(shí)現(xiàn)極限環(huán)控制并不容易，因?yàn)闄C(jī)器人在接近單位圓時(shí)可能會稍稍的越過邊界。對這種場在單位環(huán)內(nèi)進(jìn)行修改時(shí)一個解決此種問題的可行的措施。矢量場的融合所有的可提供向量場都可以在同一時(shí)間進(jìn)行討論。作者開發(fā)了一種可供合并向量場合并的方法，該方法在RobinsonP(2004)中論述。約束和要求：-兩個或者更多的向量場。-這些向量場包含標(biāo)準(zhǔn)化的向量。這種方法最好用一個例子來描述。一個典型的需要向量場合并的地方在于當(dāng)一個機(jī)器人R需要避免和機(jī)器人O在路上相遇去目標(biāo)T時(shí)?？聪旅鎴D表8。在融合向量場過程中，需要一個加權(quán)函數(shù)。經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)證明，高斯正態(tài)分布函數(shù)在合并兩個場域是很合適的方式。（一個圓柱體或是一個椎體都可能產(chǎn)生一個突然的沖擊以使航向角發(fā)生變化并產(chǎn)生激發(fā)不穩(wěn)定現(xiàn)象。）圖表8：回避方案角和當(dāng)前的機(jī)器人航向角是不同的，ro向量是指向機(jī)器人回避方向。那個角是表征機(jī)器人和障礙物碰撞程度的量。這個角度越小，碰撞事件發(fā)生的情況就越小，同時(shí)避開障礙物的可能性越高。這個機(jī)器人的任務(wù)是走到點(diǎn)。為了將攔在它和目標(biāo)點(diǎn)之間的障礙物也納入考慮，那個機(jī)器人就必須計(jì)算障礙物和自己的距離。這個距離在式子中是以矢量ro定義的。和障礙物的距離越短就意味著避開障礙物的重要性越大。一個回避向量場應(yīng)該被定義的和任務(wù)向量場rt場一樣。標(biāo)準(zhǔn)化后的目標(biāo)向量是。提供的兩個向量和是用高斯加權(quán)方程加在一起的-融合。這里：是結(jié)果典型的目標(biāo)向量M是一個固定的加權(quán)因素G()是高斯方程。是對高斯方程的安全系數(shù)是高斯方程的分布我們可以知道要回避一個障礙，本質(zhì)上有兩個因素。和ro。作者按對于在場域內(nèi)特定點(diǎn)完成這個任務(wù)的重要程度關(guān)聯(lián)每個向量的長度來作為向量融合的基礎(chǔ)原則。呢個和ro可以作為限制藍(lán)本來影響的長度。表示所能帶來的最大的安全度。是溝槽的陡峭斜坡的斜度。一個更大的將會到這更高的角度。這已經(jīng)是被認(rèn)為很重要的。機(jī)器人距離障礙ro的路程在高斯方程中被認(rèn)為是位置參數(shù)的藍(lán)本。最終，結(jié)果向量場為機(jī)器人表征了新的瞬時(shí)航向角。在不同速度的足球機(jī)器人上實(shí)驗(yàn)，最大速度為3米每秒。坐標(biāo)系統(tǒng)已英寸為單位。表格：在0.36米每秒速度下的避障路徑