移動(dòng)機(jī)器人原理與技術(shù) 課件全套 王曉華 第1-10章 緒論- 移動(dòng)機(jī)器人ROS系統(tǒng)

移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)原理與應(yīng)用第一章

緒論移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展移動(dòng)機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)移動(dòng)機(jī)器人的研究?jī)?nèi)容1.1機(jī)器人與移動(dòng)機(jī)器人概念1.21.31.41.1機(jī)器人與移動(dòng)機(jī)器人概念滿(mǎn)足以下三個(gè)條件的機(jī)器稱(chēng)為機(jī)器人：(1)具有腦、手、腳、等三要素的個(gè)體；(2)具有非接觸傳感器和接觸傳感器；

(3)具有平衡覺(jué)和固有覺(jué)的傳感器。其中，非接觸傳感器和接觸傳感器相當(dāng)于人的五官，使機(jī)器人能夠識(shí)別外界環(huán)境，而平衡覺(jué)和固有覺(jué)則是機(jī)器人感知本身狀態(tài)所不可缺少的傳感器。1.1機(jī)器人與移動(dòng)機(jī)器人概念我國(guó)對(duì)機(jī)器人的定義是：“機(jī)器人是一種自動(dòng)化的機(jī)器，所不同的是這種機(jī)器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動(dòng)作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動(dòng)化機(jī)器。”機(jī)器人技術(shù)主要分兩大類(lèi)，即工業(yè)機(jī)器人和移動(dòng)機(jī)器人。移動(dòng)機(jī)器人是一種在復(fù)雜環(huán)境下工作的，具有自行組織、自主運(yùn)行、自主規(guī)劃的智能機(jī)器人。智能移動(dòng)機(jī)器人是一個(gè)集環(huán)境感知、動(dòng)態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多功能于一體的綜合系統(tǒng)。1.2移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展從移動(dòng)機(jī)構(gòu)角度看，移動(dòng)機(jī)器人通常包括輪式移動(dòng)機(jī)器人、履帶式移動(dòng)機(jī)器人兩種基本的移動(dòng)機(jī)器人。在此基礎(chǔ)上，移動(dòng)機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)逐漸發(fā)展出現(xiàn)步進(jìn)式移動(dòng)機(jī)構(gòu)、蠕動(dòng)式移動(dòng)機(jī)構(gòu)、蛇行式移動(dòng)機(jī)構(gòu)和混合式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，以適應(yīng)不同的工作環(huán)境和場(chǎng)合。一般室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人通常采用輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，輪式移動(dòng)機(jī)器人有著自重輕、承載大、機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)和控制相對(duì)方便、行走速度快、機(jī)動(dòng)靈活、工作效率高等優(yōu)點(diǎn)，但其運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性受路況影響較大。1.2移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展履帶式移動(dòng)機(jī)器人具有接地壓力小，在松軟的地面附著性能和通用性能好，爬樓梯、越障平穩(wěn)性高，自復(fù)位能力良好。但是履帶式移動(dòng)機(jī)器人的速度慢、功耗大、轉(zhuǎn)向時(shí)對(duì)地面的破壞程度大。以腿足式移動(dòng)機(jī)器人為代表的步進(jìn)式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，自由度較多，能夠滿(mǎn)足某些特殊的性能要求，能適應(yīng)復(fù)雜的地形，但因其機(jī)構(gòu)復(fù)雜，存在難以控制、功耗大的缺點(diǎn)。蠕動(dòng)式移動(dòng)機(jī)構(gòu)和蛇行式移動(dòng)機(jī)構(gòu)通常作為模仿某種生物運(yùn)動(dòng)方式的仿生機(jī)器人采用的相應(yīng)的移動(dòng)機(jī)構(gòu)。1.2.1輪式移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展1.國(guó)外輪式移動(dòng)機(jī)器人發(fā)展1969年美國(guó)SRI研制成功“Shakey”系統(tǒng)，它只能解決簡(jiǎn)單的感知、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和控制問(wèn)題，采用的是兩個(gè)主動(dòng)輪再加上兩個(gè)從動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)方式。同時(shí)，安裝了包括視覺(jué)傳感器、超聲傳感器在內(nèi)的許多傳感器。1.2.1輪式移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展1.國(guó)外輪式移動(dòng)機(jī)器人發(fā)展

1970年，前蘇聯(lián)將Lunokhod月球車(chē)送上月球，主要任務(wù)是收集月球表面照片，全車(chē)擁有3個(gè)攝像頭、激光測(cè)距、X射線(xiàn)探測(cè)儀、磁場(chǎng)探測(cè)儀等裝置，它的八個(gè)相互獨(dú)立的電動(dòng)車(chē)輪均為驅(qū)動(dòng)輪。1.2.1輪式移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展1.國(guó)外輪式移動(dòng)機(jī)器人發(fā)展

1971年，美國(guó)將“四輪電動(dòng)漫游者”月球車(chē)送到月球進(jìn)行探測(cè)，該月球車(chē)上裝配了儀表盤(pán)，可顯示速度、方向、坡度、電力和溫度，具有導(dǎo)航功能。1.2.1輪式移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展1.國(guó)外輪式移動(dòng)機(jī)器人發(fā)展

1997年美國(guó)宇航局推出的“旅居者”號(hào)火星車(chē)裝有一部自主式導(dǎo)航系統(tǒng)和使車(chē)體可以就地轉(zhuǎn)彎的獨(dú)立操縱的前后輪。其本身攜帶太陽(yáng)能板，利用無(wú)線(xiàn)電遙控與地面保持聯(lián)系，在支桿上裝有一架相機(jī)和天氣探測(cè)器。1.2.1輪式移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展1.國(guó)外輪式移動(dòng)機(jī)器人發(fā)展

美國(guó)在2004年也相繼將機(jī)遇號(hào)與勇氣號(hào)送上火星，除了六個(gè)輪子的移動(dòng)機(jī)機(jī)構(gòu)，還具有與人肩、肘和腕關(guān)節(jié)類(lèi)似的結(jié)構(gòu)，能夠靈活地伸展、彎曲和轉(zhuǎn)動(dòng)。另外，裝有一對(duì)全景照相機(jī)、顯微鏡成像儀、穆斯鮑爾分光計(jì)和阿爾法粒子X(jué)射線(xiàn)分光計(jì)等多種工具。1.2.1輪式移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展1.國(guó)外輪式移動(dòng)機(jī)器人發(fā)展

2011年，美國(guó)將好奇號(hào)火星車(chē)送上了火星，好奇號(hào)安裝有桅桿相機(jī)、火星手持透鏡成像儀、火星降落成像儀、火星樣本分析儀、化學(xué)與礦物學(xué)分析儀、化學(xué)與攝像機(jī)儀器、輻射評(píng)估探測(cè)器、火星車(chē)環(huán)境監(jiān)測(cè)站、火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入、降落與著陸儀等設(shè)備，同時(shí)安裝有導(dǎo)航相機(jī)、化學(xué)相機(jī)、避險(xiǎn)相機(jī)以及機(jī)械手臂。1.2.1輪式移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展2.國(guó)內(nèi)輪式移動(dòng)機(jī)器人發(fā)展

玉兔號(hào)月球車(chē)于2019年在月球開(kāi)始工作，采取自主導(dǎo)航和地面遙控的組合模式，不僅可以自主前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎、后退，還可以原地打轉(zhuǎn)、橫向側(cè)擺，在危機(jī)四伏的月面上暢行無(wú)阻。1.2.1輪式移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展2.國(guó)內(nèi)輪式移動(dòng)機(jī)器人發(fā)展

祝融號(hào)火星車(chē)于2021年登陸火星。祝融號(hào)火星車(chē)在火星表面完成自動(dòng)避障、自動(dòng)行駛、自動(dòng)探測(cè)，同時(shí)與環(huán)繞器保持通訊，接受從地球發(fā)來(lái)的指令等任務(wù)。1.2.2腿足式移動(dòng)機(jī)器人1.國(guó)外腿足式移動(dòng)機(jī)器人發(fā)展

第一代雙足機(jī)器人

Atlas三代機(jī)器人1.2.2腿足式移動(dòng)機(jī)器人1.國(guó)外腿足式移動(dòng)機(jī)器人發(fā)展1968年由美國(guó)GE公司設(shè)計(jì)的在崎嶇地形下幫助步兵攜帶的設(shè)備WalkingTruck，該設(shè)備是由四條相同的機(jī)械腿與機(jī)體相連接，機(jī)械腿是由三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副組成有三個(gè)自由度，能夠?qū)崿F(xiàn)足端兩個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)和一個(gè)方向的移動(dòng)。1.2.2腿足式移動(dòng)機(jī)器人1.國(guó)外腿足式移動(dòng)機(jī)器人發(fā)展日本于1976年研究出KUMO—I、PV—II以及TITIN系列四足機(jī)器人，最具有代表性的是TITIN—VII，腿部采用三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副為驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的移動(dòng)，擁有三個(gè)自由度，具有多種步行步態(tài)，有較高的自適應(yīng)能力。1.2.2腿足式移動(dòng)機(jī)器人1.國(guó)外腿足式移動(dòng)機(jī)器人發(fā)展德國(guó)研制了一款猿猴類(lèi)型的機(jī)器人iStructDemonstrator，它具有機(jī)械手臂、腿部和脊椎，能夠模擬靈長(zhǎng)目動(dòng)物的行為，它將取代當(dāng)前月球勘測(cè)任務(wù)中的滾輪式探測(cè)器。1.2.2腿足式移動(dòng)機(jī)器人1.國(guó)外腿足式移動(dòng)機(jī)器人發(fā)展意大利開(kāi)發(fā)的具有代表性的液壓動(dòng)力四足機(jī)器人Hyq，該機(jī)器人有十二個(gè)自由度，其中八個(gè)為液壓驅(qū)動(dòng)，四個(gè)為電動(dòng)，每個(gè)腿都設(shè)計(jì)了踝關(guān)節(jié)和足端，能夠?qū)崿F(xiàn)靜態(tài)步行和單腿豎直平面跳躍。1.2.2腿足式移動(dòng)機(jī)器人1.國(guó)外腿足式移動(dòng)機(jī)器人發(fā)展美國(guó)波士頓動(dòng)力公司于2005年研發(fā)了四腿機(jī)器人BigDog。它的單腿運(yùn)動(dòng)主要是靠三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副和一個(gè)移動(dòng)副來(lái)完成，整體結(jié)構(gòu)擁有十二或十六個(gè)主動(dòng)自由度，驅(qū)動(dòng)方式主要以?xún)?nèi)燃機(jī)為動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)。1.2.2腿足式移動(dòng)機(jī)器人1.國(guó)外腿足式移動(dòng)機(jī)器人發(fā)展波士頓動(dòng)力2015年推出了Spot，它具有十二個(gè)自由度，采用電池能源提供動(dòng)力，從而驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)，以液壓系統(tǒng)作為驅(qū)動(dòng)輸出動(dòng)力，進(jìn)而控制每段肢體的動(dòng)作。1.2.2腿足式移動(dòng)機(jī)器人1.國(guó)外腿足式移動(dòng)機(jī)器人發(fā)展2020年，波士頓動(dòng)力推出了Spotmini四足機(jī)器人，它擁有頭戴式機(jī)械臂，能夠操縱其周?chē)沫h(huán)境以及收集數(shù)據(jù)，使用手臂打開(kāi)門(mén)、轉(zhuǎn)動(dòng)閥門(mén)和打開(kāi)開(kāi)關(guān)等等。1.2.2腿足式移動(dòng)機(jī)器人2.國(guó)內(nèi)腿足式移動(dòng)機(jī)器人發(fā)展我國(guó)首個(gè)四足機(jī)器人“萊卡狗”，重量?jī)H22kg，已經(jīng)完全擺脫了外部供電，自帶電池一次充電可以支持2~3小時(shí)的行走。1.2.2腿足式移動(dòng)機(jī)器人2.國(guó)內(nèi)腿足式移動(dòng)機(jī)器人發(fā)展浙江大學(xué)四足仿生機(jī)器人“絕影”的出現(xiàn)表示著中國(guó)的四足機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)?biāo)國(guó)際一流水平?！敖^影”的主要優(yōu)勢(shì)在于動(dòng)作自然柔順，反應(yīng)快速準(zhǔn)確，面對(duì)復(fù)雜環(huán)境能表現(xiàn)出很強(qiáng)的適應(yīng)力。1.2.2腿足式移動(dòng)機(jī)器人2.國(guó)內(nèi)腿足式移動(dòng)機(jī)器人發(fā)展在2018世界機(jī)器人大會(huì)上，上海交通大學(xué)攜新型六足機(jī)器人“青騅”參加了比賽。它采用自主開(kāi)發(fā)的電機(jī)傳感復(fù)合驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)了力覺(jué)動(dòng)態(tài)控制行走，輕量化設(shè)計(jì)讓該機(jī)器人具備更高的功率自重比，六足3-3步態(tài)行走具有更高的穩(wěn)定性。1.2.2腿足式移動(dòng)機(jī)器人2.國(guó)內(nèi)腿足式移動(dòng)機(jī)器人發(fā)展在2018世界機(jī)器人大會(huì)上，一款六足并聯(lián)機(jī)器人又被稱(chēng)作“章魚(yú)俠”，它具有視覺(jué)、力覺(jué)、識(shí)別地形、主動(dòng)避障、自主開(kāi)門(mén)、感知外載、自主平衡等各項(xiàng)功能，這款機(jī)器人最突出的優(yōu)勢(shì)是它的負(fù)載能力與全向運(yùn)動(dòng)性能。1.2.3輪腿式移動(dòng)機(jī)器人輪腿式移動(dòng)機(jī)器人兼具輪式優(yōu)勢(shì)和腿部能力，平地移動(dòng)快、效率高、噪音低，借助腿部能力則能完成適應(yīng)不平地面、跳躍通過(guò)臺(tái)階等動(dòng)作，越障能力強(qiáng)。德國(guó)研究了輪腿式移動(dòng)機(jī)器人“ALDURO”，具有兩個(gè)足和兩個(gè)輪子，并且兩個(gè)輪子在必要的時(shí)候可以成為足，變換為四足步行機(jī)器人。日本研究的輪腿式機(jī)器人“Roller-Walk”，輪子豎立起來(lái)就成為輪式探測(cè)車(chē)，輪子放平，就可以以爬行的方式前進(jìn)。1.2.3輪腿式移動(dòng)機(jī)器人美國(guó)波士頓動(dòng)力的最新機(jī)器人產(chǎn)品“Handle”是輪腿式移動(dòng)機(jī)器人，能在多種惡劣環(huán)境下順利行動(dòng)，如山地、雪地和崎嶇的地形。1.2.3輪腿式移動(dòng)機(jī)器人北京理工大學(xué)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)與控制研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)了“北理哪吒”，是一款輪足復(fù)合式運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人平臺(tái)，可用于無(wú)人作戰(zhàn)、搶險(xiǎn)救援、物資運(yùn)輸、資源勘探等領(lǐng)域。1.2.3輪腿式移動(dòng)機(jī)器人騰訊RoboticsX實(shí)驗(yàn)室推出了最低身高只有35厘米的輪腿式移動(dòng)機(jī)器人Ollie，它可以跳上40厘米的臺(tái)階，豎直起跳高度最高可達(dá)60厘米，甚至能輕松完成360度空翻挑戰(zhàn)；在平地上時(shí)，Ollie更像是一個(gè)“不倒翁”，能抗住各種“突發(fā)”狀況。1.3移動(dòng)機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)1.3.1移動(dòng)機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)1.常見(jiàn)的車(chē)輪

(a)標(biāo)準(zhǔn)輪(b)小腳輪

(c)瑞典輪

(d)球形輪移動(dòng)機(jī)器人常用的車(chē)輪1.3.1移動(dòng)機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)1.常見(jiàn)的車(chē)輪標(biāo)準(zhǔn)輪有兩個(gè)自由度，分別是圍繞輪軸和接觸點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)；小腳輪有三個(gè)自由度，分別是圍繞垂直軸的轉(zhuǎn)動(dòng)、圍繞偏移的輪軸和接觸點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)。在操縱時(shí)繞偏心軸旋轉(zhuǎn)，會(huì)引起加到底盤(pán)上的力。瑞典輪也稱(chēng)為麥克納姆輪，車(chē)輪外緣布置的輥?zhàn)虞S線(xiàn)與車(chē)輪軸線(xiàn)具有一定夾角，也有三個(gè)自由度，分別圍繞輪軸、輥?zhàn)雍徒佑|點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)。輪子摩擦小，可以沿可能的軌跡按照運(yùn)動(dòng)學(xué)原理移動(dòng)；球形輪可以沿任何方向受動(dòng)力而旋轉(zhuǎn)。1.3.1移動(dòng)機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)2.

輪式移動(dòng)機(jī)器人輪子配置方式

3輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)1.3.1移動(dòng)機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)2.

輪式移動(dòng)機(jī)器人輪子配置方式圖(a)所示的驅(qū)動(dòng)方式為后兩輪差速驅(qū)動(dòng)，舵輪轉(zhuǎn)向，調(diào)整舵輪角度使移動(dòng)機(jī)器人在不轉(zhuǎn)動(dòng)車(chē)頭的情況下實(shí)現(xiàn)變道、轉(zhuǎn)向等動(dòng)作，甚至可以實(shí)現(xiàn)沿任意點(diǎn)為半徑的轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)，有很強(qiáng)的靈活性。圖(b)所示的驅(qū)動(dòng)方式為前輪驅(qū)動(dòng)加轉(zhuǎn)向、后兩輪隨動(dòng)。此種方式不需要考慮電機(jī)配合的問(wèn)題。圖(c)所示的驅(qū)動(dòng)方式為通過(guò)兩驅(qū)動(dòng)輪的差動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向時(shí)的半徑、速度、角速度，都由兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪確定?？梢詫?shí)現(xiàn)原地打轉(zhuǎn)等動(dòng)作，有比較強(qiáng)的靈活性。1.3.1移動(dòng)機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)2.

輪式移動(dòng)機(jī)器人輪子配置方式采用三輪機(jī)構(gòu)的機(jī)器人轉(zhuǎn)彎過(guò)程中形成的速度瞬心位于后兩輪軸心連線(xiàn)上，所以即使機(jī)器人旋轉(zhuǎn)半徑為零，旋轉(zhuǎn)中心也與車(chē)體的中心不一致。但三輪機(jī)構(gòu)中具有一個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)是不需要專(zhuān)門(mén)的懸掛系統(tǒng)去保持各輪與地面的可靠接觸，設(shè)計(jì)中只需要注意車(chē)體中心位置合理即可。1.3.1移動(dòng)機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)2.

輪式移動(dòng)機(jī)器人輪子配置方式4輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)1.3.1移動(dòng)機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)2.

輪式移動(dòng)機(jī)器人輪子配置方式圖(a)中，四個(gè)車(chē)輪布置在矩形平面的四角，后兩輪差速驅(qū)動(dòng)，前兩舵輪同步轉(zhuǎn)向。圖(b)中前兩舵輪驅(qū)動(dòng)兼轉(zhuǎn)向。圖(c)所示結(jié)構(gòu)為四輪轉(zhuǎn)向加兩輪驅(qū)動(dòng)方式，這種方式使得四輪移動(dòng)機(jī)器人具有了橫向移動(dòng)的能力。采用四輪機(jī)構(gòu)的移動(dòng)機(jī)器人有兩個(gè)缺點(diǎn)：一是部分四輪機(jī)構(gòu)的機(jī)器人移動(dòng)能力受到限制，轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)需要一定的前行行程；二是這種布局需要一個(gè)緩沖懸掛系統(tǒng)以保持穩(wěn)定、可靠的驅(qū)動(dòng)能力，另外部分結(jié)構(gòu)的橫滑運(yùn)動(dòng)必須考慮。1.3.2移動(dòng)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)移動(dòng)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功能是將能源動(dòng)力傳送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)。移動(dòng)機(jī)器人主要使用三種驅(qū)動(dòng)方法，即液壓驅(qū)動(dòng)，氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。液壓驅(qū)動(dòng)就是利用液壓泵對(duì)液體加壓，使其具有高壓勢(shì)能，然后通過(guò)分流閥推動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)作，從而達(dá)到將液體的壓力使能轉(zhuǎn)換成做功的機(jī)械能。1.3.2移動(dòng)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)液壓驅(qū)動(dòng)的最大特點(diǎn)就是動(dòng)力比較大、力和力矩慣性比大、反應(yīng)快，比較容易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)，適用于要求承載能力和慣性大的場(chǎng)合。其缺點(diǎn)是多了一套液壓系統(tǒng)，對(duì)液壓元件要求高，否則容易造成液體滲漏，噪聲較大，對(duì)環(huán)境有一定的污染。氣壓驅(qū)動(dòng)的基本原理與液壓驅(qū)動(dòng)相似。其優(yōu)點(diǎn)是空氣來(lái)源方便、動(dòng)作迅捷、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、維修方便，其缺點(diǎn)是不宜進(jìn)行速度控制、氣壓不易過(guò)高、負(fù)載能力較低等。1.3.2移動(dòng)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)是利用各種電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的力或轉(zhuǎn)矩直接驅(qū)動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人，常見(jiàn)的輪式移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用的電機(jī)有四種類(lèi)型：步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)和線(xiàn)性電機(jī)。直流伺服電機(jī)在移動(dòng)機(jī)器人中使用較多，其可以通過(guò)調(diào)節(jié)電樞電壓的方式控制轉(zhuǎn)速，具有電源方便，響應(yīng)快，信息傳遞、檢測(cè)、處理都很方便，驅(qū)動(dòng)能力較大的優(yōu)點(diǎn)；其缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)速較高，必須采用減速機(jī)構(gòu)將其轉(zhuǎn)速降低，結(jié)構(gòu)有些復(fù)雜。1.3.3移動(dòng)機(jī)器人的控制系統(tǒng)移動(dòng)機(jī)器人的控制系統(tǒng)是由控制計(jì)算機(jī)及相應(yīng)的控制軟件和伺服控制器組成，它相當(dāng)于人的神經(jīng)系統(tǒng)，是移動(dòng)機(jī)器人的指揮系統(tǒng)，對(duì)其執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出如何動(dòng)作的命令。移動(dòng)機(jī)器人的控制系統(tǒng)主要有集中控制、主從控制、分散控制和分布式控制等幾種形式。1.3.3移動(dòng)機(jī)器人的控制系統(tǒng)1．集中控制系統(tǒng)集中式控制系統(tǒng)用一臺(tái)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)全部控制功能。其優(yōu)點(diǎn)是：硬件成本較低，便于信息的采集和分析，易與實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)控制，整體性與協(xié)調(diào)性較好。缺點(diǎn)是：系統(tǒng)控制缺乏靈活性，控制危險(xiǎn)容易集中，一旦出現(xiàn)故障，其影響面廣，后果嚴(yán)重；由于機(jī)器人的實(shí)時(shí)性要求很高，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行大量數(shù)據(jù)計(jì)算會(huì)降低系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，系統(tǒng)對(duì)多任務(wù)的響應(yīng)能力也會(huì)與系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性相沖突；此外，系統(tǒng)連線(xiàn)復(fù)雜，會(huì)降低系統(tǒng)的可靠性。1.3.3移動(dòng)機(jī)器人的控制系統(tǒng)2．主從控制系統(tǒng)采用主、從兩級(jí)處理器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全部控制功能。主CPU實(shí)現(xiàn)管理、環(huán)境檢測(cè)、路徑規(guī)劃和系統(tǒng)自診斷等；從CPU實(shí)現(xiàn)動(dòng)作控制。主從控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性較好，適于高精度，但其系統(tǒng)擴(kuò)展性較差，維修困難。1.3.3移動(dòng)機(jī)器人的控制系統(tǒng)3．分散控制系統(tǒng)按移動(dòng)機(jī)器人的功能將系統(tǒng)控制分成幾個(gè)模塊，每一個(gè)模塊各有不同的控制任務(wù)和控制策略，各模式之間可以是主從關(guān)系，也可以是平等關(guān)系。這種方式實(shí)時(shí)性好，易于實(shí)現(xiàn)高速、高精度控制，易于擴(kuò)展，可實(shí)現(xiàn)智能控制。其主要思想是“分散控制，集中管理”，即系統(tǒng)對(duì)其總體目標(biāo)和任務(wù)可以進(jìn)行綜合協(xié)調(diào)和分配，并通過(guò)子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作來(lái)完成控制任務(wù)，整個(gè)系統(tǒng)在功能、邏輯和物理等方面都是分散的，所以又稱(chēng)為集散控制系統(tǒng)或分散控制系統(tǒng)。1.3.3移動(dòng)機(jī)器人的控制系統(tǒng)4．分布式控制系統(tǒng)分布式控制系統(tǒng)常采用兩級(jí)控制方式，通常由上位機(jī)、下位機(jī)和網(wǎng)絡(luò)組成。上位機(jī)類(lèi)似于人的大腦，實(shí)現(xiàn)高級(jí)控制功能，下位機(jī)類(lèi)似于人的低級(jí)神經(jīng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制等底層功能。上位機(jī)和下位機(jī)通過(guò)通訊總線(xiàn)相互協(xié)調(diào)工作。分布式控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于：系統(tǒng)靈活性好，控制系統(tǒng)的危險(xiǎn)性降低，采用多處理器的分散控制，有利于系統(tǒng)功能的并行執(zhí)行，提高系統(tǒng)的處理效率，縮短響應(yīng)時(shí)間。1.3.4

移動(dòng)機(jī)器人的感知決策系統(tǒng)移動(dòng)機(jī)器人的感知決策系統(tǒng)由兩部分組成：感知系統(tǒng)和分析-決策智能系統(tǒng)。感知系統(tǒng)主要由具有感知不同信息的傳感器構(gòu)成，屬于硬件部分，包括視覺(jué)、觸覺(jué)、嗅覺(jué)等等傳感器分析-決策智能系統(tǒng)主要是靠計(jì)算機(jī)專(zhuān)用或通用軟件來(lái)完成，例如專(zhuān)家咨詢(xún)系統(tǒng)、智能算法、優(yōu)化算法等。1.4

移動(dòng)機(jī)器人的研究?jī)?nèi)容1．移動(dòng)機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的選擇和設(shè)計(jì)，是根據(jù)移動(dòng)機(jī)器人在各個(gè)領(lǐng)域以及各種場(chǎng)合的實(shí)際應(yīng)用需要進(jìn)行的。移動(dòng)機(jī)器人是一個(gè)機(jī)構(gòu)、電氣和軟件的綜合系統(tǒng)，它的任何一個(gè)部分都不是孤立的，結(jié)構(gòu)的問(wèn)題影響到控制和算法。1.4

移動(dòng)機(jī)器人的研究?jī)?nèi)容2．移動(dòng)機(jī)器人傳感器技術(shù)移動(dòng)機(jī)器人傳感器技術(shù)主要是對(duì)移動(dòng)機(jī)器人自身內(nèi)部的位置和方向信息以及外部環(huán)境信息的檢測(cè)和處理。采用的傳感器分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器。其中內(nèi)部傳感器有:編碼器、線(xiàn)加速度計(jì)、陀螺儀、GPS、磁羅盤(pán)、激光傳感器、激光雷達(dá)等。外部傳感器有視覺(jué)傳感器、超聲波傳感器、紅外傳感器、接觸和接近傳感器。1.4

移動(dòng)機(jī)器人的研究?jī)?nèi)容3．移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航目前的移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航方式主要可分為慣性導(dǎo)航、路標(biāo)導(dǎo)航及基于環(huán)境信息的地圖模型匹配導(dǎo)航等方式。環(huán)境地圖模型匹配導(dǎo)航是機(jī)器人通過(guò)自身的各種傳感器，探測(cè)周?chē)h(huán)境，利用感知的局部環(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，進(jìn)而確定自身位置。根據(jù)規(guī)劃的全局路徑，采用路徑跟蹤和避障技術(shù)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航，涉及到環(huán)境地圖構(gòu)建和模型匹配兩個(gè)問(wèn)題。1.4

移動(dòng)機(jī)器人的研究?jī)?nèi)容3．移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航路標(biāo)導(dǎo)航是將環(huán)境中的特殊景物作為路標(biāo)，機(jī)器人在知道這些路標(biāo)在環(huán)境中的坐標(biāo)、形狀等特征的前提下，通過(guò)對(duì)路標(biāo)的探測(cè)確定自身位置。根據(jù)路標(biāo)的不同，可分為人工路標(biāo)導(dǎo)航和自然路標(biāo)導(dǎo)航，前者通過(guò)對(duì)人為放置的特殊標(biāo)志的識(shí)別實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航，后者是機(jī)器人通過(guò)對(duì)環(huán)境中自然特征的識(shí)別完成導(dǎo)航。路標(biāo)探測(cè)的穩(wěn)定性和魯棒性是研究的主要問(wèn)題。1.4

移動(dòng)機(jī)器人的研究?jī)?nèi)容3．移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航慣性導(dǎo)航通過(guò)描述移動(dòng)機(jī)器人的方位角和根據(jù)從某一參考點(diǎn)出發(fā)測(cè)定的行駛距離來(lái)確定移動(dòng)機(jī)器人當(dāng)前位置的一種方法。這種導(dǎo)航方式通過(guò)與已知的地圖路線(xiàn)來(lái)比較，進(jìn)而控制移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向和距離，這樣便能實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的自主導(dǎo)航。1.4

移動(dòng)機(jī)器人的研究?jī)?nèi)容4．移動(dòng)機(jī)器人定位移動(dòng)機(jī)器人定位就是確定移動(dòng)機(jī)器人在其運(yùn)動(dòng)環(huán)境中的世界坐標(biāo)系的坐標(biāo)。移動(dòng)機(jī)器人定位方法主要分為相對(duì)定位和絕對(duì)定位。在移動(dòng)機(jī)器人的車(chē)輪上裝有光電編碼器或其他測(cè)速傳感器，通過(guò)對(duì)車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的記錄粗略地確定位置和姿態(tài)是一種最基本的相對(duì)定位。1.4

移動(dòng)機(jī)器人的研究?jī)?nèi)容4．移動(dòng)機(jī)器人定位在移動(dòng)機(jī)器人工作的環(huán)境里，人為地設(shè)置一些坐標(biāo)已知的路標(biāo)，如超聲波發(fā)射器、激光反射板等,通過(guò)對(duì)路標(biāo)的探測(cè)來(lái)確定移動(dòng)機(jī)器人自身的位置可看做一種絕對(duì)定位方式。1.4

移動(dòng)機(jī)器人的研究?jī)?nèi)容5．移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃路徑規(guī)劃是指按照某一性能指標(biāo)搜索一條從起始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)的最優(yōu)或者近似最優(yōu)的無(wú)碰路徑。根據(jù)對(duì)環(huán)境信息了解的不同，可以分為兩種類(lèi)型：環(huán)境信息完全知道的全局路徑規(guī)劃；環(huán)境信息部分未知甚至完全未知，移動(dòng)機(jī)器人通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)地對(duì)工作環(huán)境進(jìn)行探測(cè)，以獲取障礙物的位置、形狀和尺寸等信息進(jìn)行的局部路徑規(guī)劃。全局路徑規(guī)劃包括環(huán)境建模和路徑搜索策略?xún)蓚€(gè)子問(wèn)題，部路徑規(guī)劃要解決運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的避障問(wèn)題。1.4

移動(dòng)機(jī)器人的研究?jī)?nèi)容6．移動(dòng)機(jī)器人同時(shí)定位與地圖構(gòu)建SLAM主要研究在對(duì)機(jī)器人位姿和其作業(yè)環(huán)境都不具備先驗(yàn)知識(shí)的情況下，如何應(yīng)用合理的表征方法建模以描述作業(yè)環(huán)境并同時(shí)確定其自身位姿。1.4

移動(dòng)機(jī)器人的研究?jī)?nèi)容7．多移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)多移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)一般由幾個(gè)至幾十個(gè)移動(dòng)機(jī)器人組成，其可以是由異構(gòu)的移動(dòng)機(jī)器人組成，但基本特征在于系統(tǒng)中機(jī)器人均可按照指令合作完成對(duì)象任務(wù)，系統(tǒng)中各個(gè)移動(dòng)機(jī)器人的基本信息，如：位置、速度、方向、目標(biāo)、能量等能夠進(jìn)行交互。多移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的研究分為對(duì)移動(dòng)機(jī)器人合作和多移動(dòng)機(jī)器人協(xié)調(diào)兩大類(lèi)，主要研究多移動(dòng)機(jī)器人如何分解和分配任務(wù)以及運(yùn)動(dòng)如何協(xié)調(diào)一致。移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)原理與應(yīng)用第二章

移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型移動(dòng)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制算法2.1移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)組成2.22.32.42.5移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件2.6移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件2.1移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)組成通常情況下，移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要由機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)器和驅(qū)動(dòng)單元、運(yùn)動(dòng)控制器等部分和相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制方法等內(nèi)容組成。2.1.1移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)輪式移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的基本原理和主要特點(diǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)類(lèi)型基本原理主要特點(diǎn)雙輪車(chē)體左右兩側(cè)各一個(gè)差速輪作為驅(qū)動(dòng)輪，其余車(chē)輪都為隨動(dòng)輪。差速輪本身不能旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)向都是靠?jī)?nèi)外驅(qū)動(dòng)輪之間的速度差來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此不需要配置轉(zhuǎn)向電動(dòng)機(jī)可以原地旋轉(zhuǎn)，較靈活。對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制精度要求不高，成本相對(duì)較低。對(duì)地面平整度要求高四輪車(chē)體四輪均為驅(qū)動(dòng)輪，靠?jī)?nèi)外側(cè)驅(qū)動(dòng)輪速度差實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向直線(xiàn)行走能力良好，驅(qū)動(dòng)力強(qiáng)，但電動(dòng)機(jī)控制相對(duì)復(fù)雜，成本較高。需要精細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使四輪著地，防止打滑單舵機(jī)通常為前驅(qū)，主要依靠車(chē)體前部的一個(gè)鉸軸轉(zhuǎn)向車(chē)輪作為驅(qū)動(dòng)輪控制轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本相對(duì)較低。對(duì)地面要求不高，使用環(huán)境廣泛。靈活性相對(duì)較低2.1.1移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)輪式移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的基本原理和主要特點(diǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)類(lèi)型基本原理主要特點(diǎn)雙舵機(jī)車(chē)體前后各安裝一個(gè)舵機(jī)，搭配左右兩側(cè)的隨動(dòng)輪，由前后舵輪控制轉(zhuǎn)向雙舵輪型轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)360°回轉(zhuǎn)功能，并可以實(shí)現(xiàn)萬(wàn)向移動(dòng)，靈活性高且具有精確的運(yùn)行精度。缺點(diǎn)是雙舵輪成本高麥克納姆輪又稱(chēng)瑞典輪。在中心圓周方向布置了一圈獨(dú)立的、傾斜角度(45°)的行星輪，這些成角度的行星輪把中心輪的前進(jìn)速度分解成X和Y兩個(gè)方向，實(shí)現(xiàn)前進(jìn)及橫行。其結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)動(dòng)靈活，是一種全方位輪可以實(shí)現(xiàn)360°回轉(zhuǎn)功能和萬(wàn)向橫移，靈活性高，運(yùn)行占用空間小，更適合在復(fù)雜地形上的運(yùn)動(dòng)。缺點(diǎn)是成本相對(duì)較高，結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，對(duì)控制、制造、地面的要求較高2.1.2移動(dòng)機(jī)器人常用電動(dòng)機(jī)移動(dòng)機(jī)器人常用電動(dòng)機(jī)類(lèi)型的原理和特點(diǎn)電動(dòng)機(jī)類(lèi)型基本原理主要特點(diǎn)直流伺服電動(dòng)機(jī)直流電壓。直流伺服電動(dòng)機(jī)分為有刷和無(wú)刷電動(dòng)機(jī)直流伺服電動(dòng)機(jī)容易實(shí)現(xiàn)調(diào)速，控制精度高。有刷電動(dòng)機(jī)維護(hù)成本高步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€(xiàn)位移的開(kāi)環(huán)控制電動(dòng)機(jī)。在非超載情況下，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定角度。它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單、精度高，沒(méi)有累積誤差，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用維修方便，制造成本低。缺點(diǎn)是效率較低、發(fā)熱大，有時(shí)會(huì)失步舵機(jī)由接收機(jī)發(fā)出信號(hào)給舵機(jī)，經(jīng)由電路板上的IC判斷轉(zhuǎn)動(dòng)方向，再驅(qū)動(dòng)無(wú)核心馬達(dá)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)速度快、扭力大的舵機(jī)，價(jià)格較高且耗電大2.1.3移動(dòng)機(jī)器人常用運(yùn)動(dòng)控制器目前移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域的運(yùn)動(dòng)控制器可分為三類(lèi)：PLC(ProgrammableLogicController)CHULIQI、工控機(jī)和單片機(jī)。前兩種穩(wěn)定性好、編程簡(jiǎn)單，但成本較高，外圍接口不多；單片機(jī)成本低、可擴(kuò)展性強(qiáng)，但穩(wěn)定性與抗干擾能力不如前兩種。2.1.3移動(dòng)機(jī)器人常用運(yùn)動(dòng)控制器目前單片機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制器絕大多數(shù)基于ARM處理器或者DSP處理器，在機(jī)器人需要完成諸多功能與調(diào)度管理時(shí)，運(yùn)動(dòng)控制器需要很多外圍功能模塊接口，因此控制器一般采用ARM處理器。在機(jī)器人完成一些復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)算法時(shí)，運(yùn)動(dòng)控制器需要具備較強(qiáng)的計(jì)算能力，因此控制器一般采用DSP處理器。ARM處理器外圍接口多，可擴(kuò)展性強(qiáng)，但計(jì)算能力不佳，難以處理一些復(fù)雜的算法；DSP計(jì)算能力強(qiáng)，可處理比較復(fù)雜的算法，但外圍接口少，可擴(kuò)展性差。2.1.3移動(dòng)機(jī)器人常用運(yùn)動(dòng)控制器DSP芯片性能比較2.2移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型是根據(jù)移動(dòng)機(jī)器人底盤(pán)的幾何特性，為整個(gè)移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)推導(dǎo)一個(gè)模型。輪式移動(dòng)機(jī)器人可分為非完整約束系統(tǒng)和完整約束系統(tǒng)兩類(lèi)。獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的個(gè)數(shù)等于定義系統(tǒng)的一個(gè)位姿需要的變量個(gè)數(shù)的移動(dòng)機(jī)器人屬于完整約束系統(tǒng)，非完整約束系統(tǒng)則是指定義系統(tǒng)的一個(gè)位姿需要的變量個(gè)數(shù)多于獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)數(shù)。以雙輪差速驅(qū)動(dòng)的移動(dòng)機(jī)器人為例，建立和運(yùn)用運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的基本步驟如下：2.2移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型1．建立平面全局參考坐標(biāo)系和移動(dòng)機(jī)器人局部參考坐標(biāo)系用來(lái)表示移動(dòng)機(jī)器人的位置。2．根據(jù)移動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)幾何特征和各輪速度，首先計(jì)算在局部參考坐標(biāo)系中各輪的貢獻(xiàn)，得到前向運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，前向運(yùn)動(dòng)學(xué)模型用來(lái)描述移動(dòng)機(jī)器人的幾何特征和單個(gè)輪子行為的函數(shù)關(guān)系。3．在給定移動(dòng)機(jī)器人位置和給定輪速的情況下，計(jì)算出移動(dòng)機(jī)器人在全局參考框架中的速度。2.2.1移動(dòng)機(jī)器人坐標(biāo)系xOy為全局參考坐標(biāo)系，xRCyR為機(jī)器人的局部參考坐標(biāo)系，局部參考坐標(biāo)系的原點(diǎn)為移動(dòng)機(jī)器人底盤(pán)上后輪軸的中點(diǎn)C。在全局參考坐標(biāo)系下，C的位置由坐標(biāo)x和y確定，θ表示全局參考坐標(biāo)系和局部參考坐標(biāo)系的角度差（θ為移動(dòng)機(jī)器人的航向角）。全局參考坐標(biāo)系和局部參考坐標(biāo)系2.2.1移動(dòng)機(jī)器人坐標(biāo)系移動(dòng)機(jī)器人在全局參考坐標(biāo)系中的位姿也叫做狀態(tài)向量可由這3個(gè)元素組成的向量ξI來(lái)描述：為了建立移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和各個(gè)輪子運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系，需要給出局部參考坐標(biāo)系下的運(yùn)動(dòng)和全局參考坐標(biāo)系下運(yùn)動(dòng)的映射關(guān)系，該映射可由正交旋轉(zhuǎn)矩陣來(lái)完成：2.2.1移動(dòng)機(jī)器人坐標(biāo)系移動(dòng)機(jī)器人在局部參考坐標(biāo)系中的狀態(tài)向量ξR可計(jì)算得：由此可以將全局參考坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)映射到局部參考坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)，反之，將則局部參考坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)映射到全局參考坐標(biāo)系中：2.2.2移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型雙輪差速驅(qū)動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人的局部坐標(biāo)系原點(diǎn)C位于兩輪中心，且與移動(dòng)機(jī)器人重心重合。移動(dòng)機(jī)器人有2個(gè)主動(dòng)輪，直徑r，兩輪的輪間距為。全局參考坐標(biāo)系中的雙輪差動(dòng)機(jī)器人2.2.2移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型在運(yùn)動(dòng)中，移動(dòng)機(jī)器人質(zhì)心運(yùn)動(dòng)的線(xiàn)速度為ν(t)、轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度為ω(t)，移動(dòng)機(jī)器人左、右兩輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度分別為

和

，左、右兩輪的線(xiàn)速度分別為VL和VR。給定車(chē)輪直徑、車(chē)輪間距以及航向角，考慮到移動(dòng)機(jī)器人滿(mǎn)足剛體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，下面的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程成立：2.2.2移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型移動(dòng)機(jī)器人在全局坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)速度為：得到雙輪差速驅(qū)動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型：2.3移動(dòng)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型動(dòng)力學(xué)模型的作用是為了確定移動(dòng)機(jī)器人在受到外力作用時(shí)的運(yùn)動(dòng)結(jié)果。對(duì)于雙輪差速驅(qū)動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人，直接應(yīng)用簡(jiǎn)單的受力分析方法即可獲得雙輪差速驅(qū)動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人在外力作用下的位置、速度、加速度的約束關(guān)系。假設(shè)雙輪差速驅(qū)動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人的整體質(zhì)量為m，左右兩輪輸出的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J1、J2，左右電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩分別為T(mén)1、T2，左右兩輪的轉(zhuǎn)速分別為

和

，左右兩輪受到的xR方向的約束反力分別為FxR1、FxR2，兩輪沿軸方向受到的約束反力之和為FyR。2.3移動(dòng)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型分別在移動(dòng)機(jī)器人坐標(biāo)系方向以及電機(jī)軸方向?qū)σ苿?dòng)機(jī)器人進(jìn)行受力分析，滿(mǎn)足力平衡與力矩平衡條件，可得到如下雙輪差速驅(qū)動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)力學(xué)方程：為移動(dòng)機(jī)器人在全局坐標(biāo)系中沿x、y方向的加速度，為角加速度。2.4移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制算法移動(dòng)機(jī)器人基本的運(yùn)動(dòng)控制算法是以PID（比例、積分、微分）控制方法為理論基礎(chǔ)的，PID方法最大的優(yōu)點(diǎn)在于不需要了解被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，只要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)調(diào)整參數(shù)，便可獲得滿(mǎn)意的結(jié)果。在移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制中，一般設(shè)計(jì)按位置偏差進(jìn)行比例、積分、微分控制的PID控制器。2.4.1PID控制方法1.

模擬PID調(diào)節(jié)器在連續(xù)控制系統(tǒng)中，模擬PID調(diào)節(jié)器是一種線(xiàn)性調(diào)節(jié)器。下圖是一個(gè)小功率直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。其中為轉(zhuǎn)速給定信號(hào)，n為實(shí)際轉(zhuǎn)速，偏差e=nr-n；PID調(diào)節(jié)器的輸出電壓u經(jīng)過(guò)功率放大后，作為直流電機(jī)的電樞電壓去控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。小功率直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.4.1PID控制方法1.

模擬PID調(diào)節(jié)器PID控制系統(tǒng)的方框圖其中nr為設(shè)定值；n為系統(tǒng)輸出e=nr-n構(gòu)成控制偏差，為PID控制器的輸入；u為PID控制器的輸出，也是被控對(duì)象的輸入。2.4.1PID控制方法1.

模擬PID調(diào)節(jié)器模擬PID調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律為：模擬PID控制器中的比例調(diào)節(jié)器的作用是對(duì)于偏差做出瞬時(shí)快速反應(yīng)。積分控制器的作用是把偏差累積的結(jié)果作為它的輸出。微分項(xiàng)的作用是阻止偏差的變化，偏差變化越快，微分調(diào)節(jié)器的輸出也越大。2.4.1PID控制方法2.

控制律的離散化方法如果T為采樣周期，用離散采樣時(shí)刻點(diǎn)表示連續(xù)時(shí)間，以和式代替積分，以增量代替微分，可對(duì)上式作如下近似變換：2.4.1PID控制方法2.

控制律的離散化方法聯(lián)立以上兩式，可得離散（數(shù)值）型控制的近似計(jì)算公式：式中：ui為第個(gè)采樣時(shí)刻的輸出值；ei為第個(gè)采樣時(shí)刻的系統(tǒng)輸出偏差，即PID調(diào)節(jié)器的輸入值；ei-1為第i-1個(gè)采樣時(shí)刻的系統(tǒng)輸出偏差；u0為開(kāi)始進(jìn)行PID控制時(shí)原始的控制值。2.4.1PID控制方法2.

控制律的離散化方法當(dāng)控制量初始值為零時(shí)，上式可以重新寫(xiě)成：在計(jì)算機(jī)控制中使用數(shù)字式的PID控制形式為:式中，

。這種形式的數(shù)字式PID控制器稱(chēng)為絕對(duì)式數(shù)字是PID控制器。2.4.1PID控制方法2.

控制律的離散化方法在時(shí)刻PID控制量:有的系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)等增量型執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的控制量，不是位置量的絕對(duì)數(shù)值，而是其增量值，則應(yīng)采用增量式PID算法。通過(guò)以上兩式可以得到控制量的增量：2.4.2PID控制控制器參數(shù)的選擇在數(shù)字PID控制中，采樣周期相對(duì)于系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)來(lái)說(shuō)，一般是很短的。此時(shí)，其參數(shù)Kp，TI，TD可按模擬PID控制器中的方法來(lái)選擇。PID參數(shù)的選擇有兩種可用的方法：理論設(shè)計(jì)法及實(shí)驗(yàn)確定法。2.4.2PID控制控制器參數(shù)的選擇1.

湊試法湊試法是通過(guò)模擬或閉環(huán)運(yùn)行觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線(xiàn)(如階躍響應(yīng))，然后根據(jù)各調(diào)節(jié)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的大致影響，反復(fù)湊試，改變參數(shù)，以達(dá)到滿(mǎn)意的響應(yīng),從而確定PID控制器參數(shù)。在湊試時(shí)，對(duì)參數(shù)按先比例、后積分、再微分的次序反復(fù)調(diào)試。具體的整定步驟如下：2.4.2PID控制控制器參數(shù)的選擇1.

湊試法（1）首先只整定比例部分，將比例系數(shù)由小變大，并觀察相應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線(xiàn)。如果系統(tǒng)靜態(tài)誤差已小到允許范圍內(nèi)，并且已達(dá)到1/4衰減度的響應(yīng)曲線(xiàn)(最大超調(diào)衰減到1/4時(shí)，已進(jìn)入允許的穩(wěn)態(tài)誤差范圍)，那么只需用比例控制器即可，比例系數(shù)可由此確定。2.4.2PID控制控制器參數(shù)的選擇1.

湊試法（2）如果在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上系統(tǒng)的靜態(tài)誤差達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，則必須加入積分環(huán)節(jié)。整定時(shí)首先置積分常數(shù)為一較大值，并將經(jīng)第一步

整定得到的比例系數(shù)略微減小(如降為原值的80%)，然后逐步減小積分常數(shù)，并根據(jù)響應(yīng)曲線(xiàn)的好壞反復(fù)改變比例系數(shù)和積分常數(shù)，使在保持系統(tǒng)良好動(dòng)態(tài)性能的情況下,穩(wěn)態(tài)誤差得到消除，由此得到相應(yīng)的整定參數(shù)。2.4.2PID控制控制器參數(shù)的選擇1.

湊試法（3）若使用比例積分調(diào)節(jié)器消除了穩(wěn)態(tài)誤差,但動(dòng)態(tài)過(guò)程經(jīng)反復(fù)調(diào)整仍不令人滿(mǎn)意，則可加入微分環(huán)節(jié)，構(gòu)成比例-積分-微分調(diào)節(jié)器。在整定時(shí)，可先置微分常數(shù)為零，在第二步整定的基礎(chǔ)上，逐步增大的同時(shí)相應(yīng)地改變和，以獲得滿(mǎn)意的調(diào)節(jié)效果和相應(yīng)的參數(shù)。2.4.2PID控制控制器參數(shù)的選擇2.

實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)法為了減少湊試次數(shù)，可利用他人的經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)要求事先做少量的實(shí)驗(yàn)以得到基準(zhǔn)參數(shù)，按照經(jīng)驗(yàn)公式由這些基準(zhǔn)參數(shù)導(dǎo)出控制器參數(shù)，這就是實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)法。臨界比例法就是其中之一，首先將調(diào)節(jié)器選為純比例調(diào)節(jié)器，形成閉環(huán)，改變比例系數(shù)，使系統(tǒng)對(duì)階躍輸入的響應(yīng)達(dá)到臨界的穩(wěn)定邊緣狀態(tài)。將這時(shí)的比例系數(shù)記為，臨界振蕩的周期記為

，根據(jù)齊格勒-尼柯?tīng)査固峁┑慕?jīng)驗(yàn)公式，就可以由這兩個(gè)基準(zhǔn)參數(shù)得到不同類(lèi)型控制器的參數(shù)。2.4.2PID控制控制器參數(shù)的選擇2.

實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)法控制器類(lèi)型Kp

TITD

P控制0.5Kr

PI控制0.45Kr

0.85Tr

PID控制0.6Kr

0.5Tr

0.12Tr

臨界比例法確定PID控制器參數(shù)2.4.3雙輪差速驅(qū)動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動(dòng)控制移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制一般要實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人兩種運(yùn)動(dòng)問(wèn)題：1．鎮(zhèn)定控制。又稱(chēng)為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)控制，其控制目標(biāo)是控制移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到工作空間的指定點(diǎn)。要求移動(dòng)機(jī)器人從任意的初始狀態(tài)停止到任意的終止?fàn)顟B(tài)，其目的是獲得一個(gè)反饋控制律，使得整個(gè)系統(tǒng)在一個(gè)平衡點(diǎn)漸近穩(wěn)定。對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人而言，點(diǎn)鎮(zhèn)定又可稱(chēng)為姿態(tài)鎮(zhèn)定或姿態(tài)調(diào)節(jié)。采用PID控制器即可實(shí)現(xiàn)鎮(zhèn)定控制。2.4.3雙輪差速驅(qū)動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動(dòng)控制2．跟蹤控制。跟蹤控制可分為軌跡跟蹤控制和路徑跟蹤控制兩種。當(dāng)要求移動(dòng)機(jī)器人在特定時(shí)間到達(dá)特定點(diǎn)時(shí)，就需要進(jìn)行軌跡跟蹤控制。而當(dāng)要求移動(dòng)機(jī)器人以一個(gè)期望的速度跟蹤一條由幾何參數(shù)組成的路徑時(shí)，就可以使用路徑跟蹤控制。跟蹤控制方法是將路徑或軌跡分割為離散的目標(biāo)點(diǎn)，通過(guò)遍歷這些目標(biāo)點(diǎn)，完成路徑和軌跡的跟隨，目標(biāo)點(diǎn)的遍歷過(guò)程可以通過(guò)點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動(dòng)控制來(lái)完成。2.4.3雙輪差速驅(qū)動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動(dòng)控制控制移動(dòng)機(jī)器人由當(dāng)前點(diǎn)移動(dòng)到指定目標(biāo)點(diǎn)，其核心是令機(jī)器人在控制器作用下（以一定合適的方式）持續(xù)地朝向目標(biāo)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。假設(shè)移動(dòng)機(jī)器人可以以任意姿態(tài)到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)，設(shè)移動(dòng)機(jī)器人實(shí)時(shí)位姿為

，目標(biāo)位置為

，移動(dòng)機(jī)器人與目標(biāo)點(diǎn)“五角星”間實(shí)時(shí)的距離差為

，角度差2.4.3雙輪差速驅(qū)動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動(dòng)控制移動(dòng)機(jī)器人點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動(dòng)2.4.3雙輪差速驅(qū)動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動(dòng)控制運(yùn)動(dòng)控制器可以由兩個(gè)并聯(lián)的PID控制器組成：一個(gè)PID控制器，輸入為距離差der，輸出為移動(dòng)機(jī)器人車(chē)體線(xiàn)速度；即距離決定速度。距離遠(yuǎn)速度大，距離近速度小。另一個(gè)PID控制器，輸入為角度差θer，輸出為車(chē)體角速度，即偏角誤差決定轉(zhuǎn)速。偏多轉(zhuǎn)快，偏少轉(zhuǎn)慢。2.4.3雙輪差速驅(qū)動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動(dòng)控制點(diǎn)到點(diǎn)PID控制2.5移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)常見(jiàn)硬件架構(gòu)雙輪驅(qū)動(dòng)的移動(dòng)機(jī)器人的控制系統(tǒng)一般采用上位機(jī)-下位機(jī)的形式。機(jī)載電腦作為上位機(jī)負(fù)責(zé)移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)控制，下位機(jī)負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng)控制運(yùn)動(dòng)。2.5移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件硬件電路設(shè)計(jì)框圖2.5移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件1.最小系統(tǒng)：保證運(yùn)動(dòng)控制芯片如TMS320F2812正常工作，同時(shí)提供芯片所需的時(shí)鐘和復(fù)位電路以及程序下載電路。2.串口通信模塊：將主控芯片的TTL電平轉(zhuǎn)化為RS232電平和RS485電平，其中RS232用于與串口服務(wù)器進(jìn)行異步串行通信方式進(jìn)行通信，RS485用于與電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器和電池管理系統(tǒng)通信。2.5移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件3.A/D轉(zhuǎn)化模塊：用于超聲波傳感器的信號(hào)調(diào)理，將超聲波傳感器電壓信號(hào)調(diào)整到主控芯片A/D的采集范圍內(nèi)。4.報(bào)警功能模塊電路：輸出和輸入符合要求的電壓，根據(jù)輸入電壓高低判斷安全觸邊是否被觸發(fā)，通過(guò)輸出電壓的高低來(lái)控制電磁剎車(chē)用于移動(dòng)機(jī)器人緊急制動(dòng)，通過(guò)輸出高低電平來(lái)控制光報(bào)警器，用于移動(dòng)機(jī)器人的聲光報(bào)警。5.電源電路：將電池電壓進(jìn)行變換，為移動(dòng)機(jī)器人其他元器件提供穩(wěn)定直流的電壓。2.6移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件按照移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的功能可以將程序劃分為4個(gè)模塊：運(yùn)動(dòng)控制功能模塊、報(bào)警功能模塊、A/D采集模塊和串口通信模塊。將這些分開(kāi)的功能模塊有機(jī)結(jié)合起來(lái)便組成了軟件系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)主要完成的任務(wù)是上位機(jī)命令的解析與處理、系統(tǒng)計(jì)算與直流伺服電動(dòng)機(jī)速度分配、傳感器數(shù)據(jù)的接收與處理、向上位機(jī)反饋處理信息。2.6移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件軟件功能劃分2.6移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件1．運(yùn)動(dòng)控制功能模塊：首先對(duì)直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行初始化配置，然后計(jì)算速度并將速度分配給對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)輪，最后將速度發(fā)送給直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器，控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)或停止，從而控制移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。2．串口通信模塊：按照相關(guān)的通信協(xié)議，完成與上位機(jī)、直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器和電池管理系統(tǒng)的通信。2.6移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件3．A/D采集模塊：采集超聲波等模擬信號(hào)傳感器的信號(hào)并做數(shù)據(jù)分析。4．報(bào)警功能模塊：獲取安全觸邊傳感器的狀態(tài)信息，判斷機(jī)器人是否發(fā)生碰撞；根據(jù)對(duì)各傳感器的數(shù)據(jù)處理結(jié)果，控制聲光報(bào)警器是否報(bào)警。移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)原理與應(yīng)用第三章

移動(dòng)機(jī)器人的傳感器移動(dòng)機(jī)器人外部傳感器移動(dòng)機(jī)器人視覺(jué)原理3.1移動(dòng)機(jī)器人內(nèi)部傳感器3.23.33.1移動(dòng)機(jī)器人內(nèi)部傳感器移動(dòng)機(jī)器人內(nèi)部傳感器主要是指能夠測(cè)量移動(dòng)機(jī)器人自身位置、移動(dòng)速度、移動(dòng)加速度等直線(xiàn)位移相關(guān)量和偏轉(zhuǎn)、俯仰和回轉(zhuǎn)等轉(zhuǎn)動(dòng)角度和轉(zhuǎn)動(dòng)速度、轉(zhuǎn)動(dòng)加速度等轉(zhuǎn)動(dòng)相關(guān)量。3.1.1位置傳感器設(shè)定位置或者角度的零位和極限位置對(duì)保護(hù)移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的安全動(dòng)作起著重要作用。3.1.1位置傳感器電位器通過(guò)電阻把位置或角度（角度和位置的原理一樣，只是把電阻做成弧形）信息轉(zhuǎn)化為隨位置或角度變化的電壓，當(dāng)滑動(dòng)觸頭隨位置變化在電阻器上滑動(dòng)時(shí)，觸頭接觸點(diǎn)變化前后的電阻阻值與總阻值之比就會(huì)發(fā)生變化，在功能上電位器充當(dāng)了分壓器的作用，因此其電壓輸出將與電阻阻值成比例，這樣就把位置信息轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。3.1.2位移和角度測(cè)量傳感器旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的角度和直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的位移經(jīng)常會(huì)作為移動(dòng)機(jī)器人的位姿信息，從測(cè)量方法上，可分為兩種。一種是模擬式測(cè)量，將要測(cè)的位移量變換成電流、電壓等進(jìn)行測(cè)量，常用器件為電位器等。另一種是數(shù)字式測(cè)量，將位移量變換成脈沖每個(gè)脈沖與單位位移相對(duì)應(yīng)，檢測(cè)元件輸出脈沖數(shù)。3.1.2位移和角度測(cè)量傳感器編碼器是一個(gè)廣泛使用的位置傳感器，能夠檢測(cè)細(xì)微的運(yùn)動(dòng)，其輸出為數(shù)字信號(hào)。為了測(cè)量位置信息，檢測(cè)細(xì)微的運(yùn)動(dòng)，碼盤(pán)或碼尺被劃分為若干區(qū)域。每個(gè)區(qū)域可能是透光的或不透光的。由發(fā)光二極管作為光源，與之相對(duì)應(yīng)的對(duì)光信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)的是光敏傳感器，如光電晶體管。當(dāng)碼盤(pán)或碼尺采用透光方式進(jìn)行檢測(cè)，光源和光敏傳感器被安裝在碼盤(pán)或碼尺的兩側(cè)；當(dāng)碼盤(pán)或碼尺采用反射光方式進(jìn)行檢測(cè)，光源和光敏傳感器被安裝在碼盤(pán)或碼尺的同側(cè)。3.1.2位移和角度測(cè)量傳感器(a)投射式測(cè)量轉(zhuǎn)角的旋轉(zhuǎn)增量編碼器

(b)反射式測(cè)量直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的直線(xiàn)增量編碼器(c)裝配有增量編碼器的電機(jī)

(d)增量碼盤(pán)編碼器的工作原理與結(jié)構(gòu)3.1.2位移和角度測(cè)量傳感器當(dāng)光源發(fā)射的光線(xiàn)通過(guò)碼盤(pán)或碼尺的透光或反射被光敏傳感器接收到時(shí)，傳感器導(dǎo)通輸出高電平；當(dāng)光源發(fā)射的光線(xiàn)由于碼盤(pán)或碼尺的遮擋或散射等原因使光敏傳感器接收不到光信號(hào)時(shí)，傳感器關(guān)斷，輸出信號(hào)低電平。隨著碼盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)或碼尺的移動(dòng)，傳感器就會(huì)連續(xù)不斷的輸出信號(hào)，通過(guò)對(duì)該信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)就可以測(cè)量角位移或線(xiàn)位移。3.1.2位移和角度測(cè)量傳感器編碼器有增量式編碼器與絕對(duì)式編碼器兩種基本形式。上圖所示的增量式編碼器中，其透光和不透光（反光或不反光）的區(qū)域尺寸相同且交替出現(xiàn)。由于這些區(qū)域尺寸相同，均勻分布在碼盤(pán)或碼尺上，因此每個(gè)區(qū)域所表示的旋轉(zhuǎn)角度或直線(xiàn)位移也都是相同的。增量式編碼器可以檢測(cè)運(yùn)動(dòng)的變化，而對(duì)于位置信息，只有在獲知編碼器初始位置的情況下才可以確切給出。3.1.2位移和角度測(cè)量傳感器使用增量式編碼器進(jìn)行位置檢測(cè)的系統(tǒng)一般在開(kāi)始工作時(shí)都要進(jìn)行復(fù)位，在已知復(fù)位位置的前提下就可以確定系統(tǒng)任意時(shí)刻的角位移。除了獲取精確位置信息外，還需要知道系統(tǒng)是順時(shí)針運(yùn)動(dòng)還是逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)。單一碼道（弧圈）的增量式編碼器無(wú)法對(duì)此進(jìn)行判斷，一般通過(guò)在碼盤(pán)上設(shè)計(jì)兩個(gè)碼道（弧圈）的方式解決，保證每個(gè)碼道的輸出脈沖間相差1/2拍，通過(guò)判斷那個(gè)通道輸出的上升沿或下降沿先于另一通道出現(xiàn)來(lái)確定轉(zhuǎn)動(dòng)方向。3.1.2位移和角度測(cè)量傳感器增量式編碼器的輸出信號(hào)3.1.2位移和角度測(cè)量傳感器對(duì)于增量式編碼器，通過(guò)對(duì)碼道輸出的上升沿和下降沿進(jìn)行檢測(cè)可以在不增加碼道的情況下提高分辨率。絕對(duì)式編碼器上每個(gè)位置對(duì)應(yīng)于一個(gè)唯一的編碼信息，無(wú)需已知初始位置就可以確定任意時(shí)刻碼盤(pán)上的精確位置。絕對(duì)式編碼器工作原理3.1.2位移和角度測(cè)量傳感器絕對(duì)式編碼器的碼盤(pán)設(shè)計(jì)與增量式編碼器有很大不同，其碼盤(pán)是由多圈弧段組成，每圈互不相同，沿徑向方向各弧段的透光和不透光部分（反射和未反射部分）組成唯一編碼指示精確位置。

8位絕對(duì)格雷碼碼盤(pán)3.1.2位移和角度測(cè)量傳感器碼盤(pán)上的編碼有二進(jìn)制和格雷碼兩種。采用二進(jìn)制碼的碼盤(pán)從某一位置轉(zhuǎn)到其前一位置或后一位置時(shí)會(huì)有多段弧圈發(fā)生0變?yōu)?或1變?yōu)?的變化，而采用格雷碼的碼盤(pán)從某一位置轉(zhuǎn)到其前一位置或后一位置時(shí)則只用某一弧圈發(fā)生0變成1或1變?yōu)?的變化。3.1.2位移和角度測(cè)量傳感器二進(jìn)制碼與格雷碼3.1.3加速度傳感器加速度計(jì)有兩種：一種是角速度加速度計(jì)，是由陀螺儀（角速度傳感器）改進(jìn)的，另一種是線(xiàn)速度計(jì)。加速度傳感器的原理隨其應(yīng)用而不同，有壓電式加速度傳感器、電容式加速度傳感器、壓阻式加速度傳感器、諧振式加速度傳感器、伺服式加速度傳感器等。3.1.3加速度傳感器1．壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器具有體積小、功耗低等特點(diǎn)，易于集成在各種模擬和數(shù)字電路中。壓電式加速度傳感器的敏感元件有彈性梁、質(zhì)量塊、固定框組成。當(dāng)有加速度a作用于傳感器時(shí)，傳感器的慣性質(zhì)量塊便會(huì)產(chǎn)生一個(gè)慣性力F作用于傳感器的彈性梁上，便會(huì)產(chǎn)生一個(gè)正比于F的應(yīng)變，此時(shí)彈性梁上的壓敏電阻也會(huì)隨之產(chǎn)生一個(gè)變化量△R，由壓敏電阻組成的惠斯通電橋輸出一個(gè)與△R成正比的電壓信號(hào)V。3.1.3加速度傳感器1．壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器外形3.1.3加速度傳感器2．壓阻式加速度傳感器壓阻式加速度傳感器的懸臂梁上有壓敏電阻，當(dāng)慣性質(zhì)量塊發(fā)生位移時(shí)，會(huì)引起懸臂梁的身長(zhǎng)或壓縮，改變梁上的應(yīng)力分布，進(jìn)而影響壓敏電阻的阻值，壓阻電阻多位于應(yīng)力變化最明顯的分布。這樣，通過(guò)兩個(gè)或四個(gè)壓敏電阻形成的電橋就可以實(shí)現(xiàn)加速度的測(cè)量。3.1.3加速度傳感器2．壓阻式加速度傳感器壓阻式加速度敏感元件3.1.3加速度傳感器3．光波導(dǎo)加速度計(jì)光波導(dǎo)加速度計(jì)的原理：光源從波導(dǎo)1進(jìn)入，經(jīng)過(guò)分束部分后分成兩部分分別通入波導(dǎo)4和波導(dǎo)2，進(jìn)入波導(dǎo)4的一束直接被探測(cè)器2探測(cè)，而進(jìn)入波導(dǎo)2的一束會(huì)經(jīng)過(guò)一段微小的間隙后進(jìn)入波導(dǎo)3，最終被探測(cè)器1探測(cè)到。有加速度時(shí)，質(zhì)量塊會(huì)使得波導(dǎo)2玩去，進(jìn)而導(dǎo)致其與波導(dǎo)3的正對(duì)面積減少，使探測(cè)器1探測(cè)到光減弱，通過(guò)比較兩個(gè)探測(cè)器檢測(cè)到的信號(hào)即可求得加速度。3.1.3加速度傳感器3．光波導(dǎo)加速度計(jì)光波導(dǎo)加速度計(jì)原理3.1.3加速度傳感器4．諧振式加速度計(jì)一根琴弦繃緊程度不同時(shí)彈奏出的聲音頻率也不同，諧振式加速度計(jì)的原理與此相同。SOA常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)有S結(jié)構(gòu)和雙端固定音叉兩種。S結(jié)構(gòu)原理為：若對(duì)振梁施加確定的激振，檢測(cè)器響應(yīng)就可測(cè)出其固有頻率，進(jìn)而測(cè)出加速度。激振的施加和響應(yīng)的檢測(cè)通常都是通過(guò)梳齒機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。3.1.3加速度傳感器4．諧振式加速度計(jì)諧振式加速度計(jì)原理3.1.4姿態(tài)角測(cè)量傳感器陀螺儀是用高速回轉(zhuǎn)體的動(dòng)量矩敏感殼體相對(duì)慣性空間繞正交于自轉(zhuǎn)軸的角運(yùn)動(dòng)檢測(cè)裝置，利用其他原理制成的角運(yùn)動(dòng)檢測(cè)裝置起同樣功能的也稱(chēng)陀螺儀，基本功能是測(cè)量敏感角位移和角速度。三軸陀螺儀分別感應(yīng)Roll（左右傾斜）、Pitch（前后傾斜）、Yaw（左右搖擺）的全方位動(dòng)態(tài)信息。它是構(gòu)成移動(dòng)機(jī)器人慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心敏感器件，其測(cè)量精度直接影響移動(dòng)機(jī)器人姿態(tài)解算的準(zhǔn)確性。3.1.4姿態(tài)角測(cè)量傳感器陀螺儀3.2

移動(dòng)機(jī)器人外部傳感器3.2.1感覺(jué)傳感器1．觸覺(jué)感知傳感器觸覺(jué)傳感器有開(kāi)關(guān)型和陣列型兩種，開(kāi)關(guān)型感覺(jué)物體的存在性，陣列型感覺(jué)物體的存在和形狀，還可以感覺(jué)物體的軟硬程度。開(kāi)關(guān)型是用于檢測(cè)物體是否存在的一種簡(jiǎn)單的觸覺(jué)傳感器，可以通過(guò)切斷/導(dǎo)通（即導(dǎo)體是否有電流）來(lái)判斷是否接觸。3.2.1感覺(jué)傳感器1．觸覺(jué)感知傳感器觸覺(jué)傳感器是由幾個(gè)接觸傳感器組成的陣列，而接觸傳感器由觸桿、發(fā)光二極管和光傳感器組成。當(dāng)觸覺(jué)傳感器接近物體時(shí)，觸桿將隨之縮進(jìn)，遮擋了發(fā)光二極管向光傳感器發(fā)射的部分光線(xiàn)，于是光傳感器輸出與觸感位移或壓力成正比的信號(hào)。當(dāng)觸覺(jué)傳感器與物體接觸時(shí)，依據(jù)物體的形狀和尺寸，不同的接觸傳感器將以不同的次序?qū)佑|做出不同的反應(yīng)，控制器就利用此信息來(lái)確定物體的大小和形狀。3.2.1感覺(jué)傳感器1．觸覺(jué)感知傳感器觸覺(jué)傳感器3.2.1感覺(jué)傳感器2．接近覺(jué)感知傳感器接近覺(jué)傳感器用來(lái)感覺(jué)是否有目標(biāo)物體接近和接近的距離，包括感應(yīng)式傳感器、電容式傳感器、光學(xué)傳感器、超聲波傳感器等。感應(yīng)式傳感器要求檢測(cè)的物體是金屬。電容式傳感器可以檢測(cè)任何固體和液體，測(cè)量范圍為毫米級(jí)。光學(xué)傳感器主要指紅外傳感器和超聲波傳感器。感覺(jué)是否有目標(biāo)物體接近一般用紅外傳感器，測(cè)近距一般用超聲波傳感器，而且也可以用在水下測(cè)量距離、方向和速度。3.2.1感覺(jué)傳感器2．接近覺(jué)感知傳感器紅外傳感器是根據(jù)波從發(fā)射到接收的傳播過(guò)程中所受到的影響來(lái)檢測(cè)物體的接近程度。這類(lèi)傳感器包括一個(gè)可以發(fā)射紅外光的固態(tài)發(fā)光二極管和一個(gè)用作接收器的固態(tài)光敏二極管（或光敏三極管）。當(dāng)光強(qiáng)超過(guò)一定程度時(shí)光敏三極管就會(huì)導(dǎo)通，否則截止。把發(fā)光二極管和光敏三極管匯聚在同一面上，反射光才能被接收器看到。3.2.1感覺(jué)傳感器2．接近覺(jué)感知傳感器紅外傳感器3.2.1感覺(jué)傳感器2．接近覺(jué)感知傳感器紅外傳感器中，一般采用反射光強(qiáng)法進(jìn)行測(cè)量，即目標(biāo)物對(duì)發(fā)光二極管散射光的反射光強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量。光的反射系數(shù)與目標(biāo)物表面顏色、粗糙度等有關(guān)。目標(biāo)顏色較深、接近黑色或透明時(shí)，其反射光很弱。若以輸出信號(hào)達(dá)到其一閾值作為“接近”時(shí)，則對(duì)不同目標(biāo)物“接近”的距離是不同的。紅外光強(qiáng)法接近覺(jué)對(duì)大多數(shù)目標(biāo)物是能找到“接近”感覺(jué)的，即能很容易地檢測(cè)出工作空間內(nèi)某物體是否存在，但是作為距離的測(cè)量并不精確。3.2.2測(cè)距傳感器超聲波傳感器發(fā)射超聲波脈沖信號(hào)，測(cè)量回波的返回時(shí)間便可得知達(dá)到物體表面的距離。如果安裝多個(gè)接收器，根據(jù)相位差還可以得到物體表面的傾斜狀態(tài)信息。但是，超聲波在空氣中衰減得很快（在1MHz的條件下為12dB/cm）,因此其頻率無(wú)法太高。超聲波傳感器可測(cè)量方向、距離、速度。移動(dòng)機(jī)器人主要應(yīng)用超聲波傳感器采用主動(dòng)測(cè)距方式測(cè)距。主動(dòng)測(cè)距方法有渡越時(shí)間法、脈沖回波法、頻率調(diào)制連續(xù)脈沖等。3.2.2測(cè)距傳感器TOF方法檢測(cè)超聲波往返距離的時(shí)間。所用的時(shí)間與超聲波通過(guò)距離成正比，記錄超聲波發(fā)射極發(fā)出脈沖時(shí)間和超聲波接收器接收到第一個(gè)返回脈沖時(shí)間，可得到時(shí)間值T，由時(shí)間T計(jì)算出距離，TOF測(cè)量方法對(duì)噪聲敏感。超聲波傳感器3.2.3視覺(jué)傳感器1．CCD圖像傳感器CCD（ChargeCoupledDevice，感光耦合組件）是攝像系統(tǒng)中可以記錄光線(xiàn)變化的半導(dǎo)體，通常以百萬(wàn)像素為單位。CCD相機(jī)的原理是芯片上面整齊地排列著很多小的感光單元，光線(xiàn)中的光子撞擊每個(gè)單元后，在這些單元中會(huì)產(chǎn)生電子（光電效應(yīng)），光子的數(shù)目與電子的數(shù)目互成比例。3.2.3視覺(jué)傳感器1．CCD圖像傳感器CCD（ChargeCoupledDevice，感光耦合組件）是攝像系統(tǒng)中可以記錄光線(xiàn)變化的半導(dǎo)體，通常以百萬(wàn)像素為單位。CCD相機(jī)的原理是芯片上面整齊地排列著很多小的感光單元，光線(xiàn)中的光子撞擊每個(gè)單元后，在這些單元中會(huì)產(chǎn)生電子（光電效應(yīng)），光子的數(shù)目與電子的數(shù)目互成比例。3.2.3視覺(jué)傳感器1．CCD圖像傳感器每一個(gè)CCD組件由上百萬(wàn)個(gè)MOS電容所構(gòu)成。當(dāng)數(shù)字相機(jī)的快門(mén)開(kāi)啟，來(lái)自影像的光線(xiàn)穿過(guò)這些馬賽克色塊會(huì)讓感光點(diǎn)的二氧化硅材料釋放出電子〈負(fù)電〉與電洞〈正電〉。經(jīng)由外部加入電壓，這些電子和電洞會(huì)被轉(zhuǎn)移到不同極性的另一個(gè)硅層暫存起來(lái)。電子數(shù)的多寡和曝光過(guò)程光點(diǎn)所接收的光量成正比。在一個(gè)影像最明亮的部位，可能有超過(guò)10萬(wàn)個(gè)電子被積存起來(lái)。3.2.3視覺(jué)傳感器1．CCD圖像傳感器曝光后所有產(chǎn)生的電荷都被轉(zhuǎn)移到鄰近的移位緩存器中，并且逐次逐行的轉(zhuǎn)換成信號(hào)流從矩陣中讀取出來(lái)。這些電荷訊號(hào)先被送入一個(gè)QV之中將電荷轉(zhuǎn)換成電壓；再將電壓放大進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。ADC將信號(hào)的連續(xù)范圍配合色塊碼賽克的分布，轉(zhuǎn)換成一個(gè)2D的平面表示列，它讓每個(gè)畫(huà)素都有一個(gè)色調(diào)值，應(yīng)用這個(gè)方法，再由點(diǎn)組成網(wǎng)格，每一個(gè)點(diǎn)現(xiàn)在都有用以表示它所接受的光量的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，可以顯示強(qiáng)弱大小，最終再整合影像輸出。3.2.3視覺(jué)傳感器2．CMOS圖像傳感器CMOS圖像傳感器是一種典型的固體成像傳感器，通常由像元陣列、行驅(qū)動(dòng)器、列驅(qū)動(dòng)器、時(shí)序控制邏輯、A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)總線(xiàn)輸出接口、控制接口等幾部分組成，其工作過(guò)程一般可分為復(fù)位、光電轉(zhuǎn)換、積分、輸出幾部分。

CMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu)框圖3.2.3視覺(jué)傳感器2．CMOS圖像傳感器光照射像元陣列，發(fā)生光電效應(yīng)，在像元內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的電荷。行選擇邏輯單元根據(jù)需要選通相應(yīng)的行像元。行像元內(nèi)的圖像信號(hào)通過(guò)各自所在列的信號(hào)總線(xiàn)輸出到對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)處理單元以及A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號(hào)輸出。其中的行選擇邏輯單元可以對(duì)像元陣列逐行掃描也可以隔行掃描，行選擇邏輯單元與列選擇邏輯單元配合使用可以實(shí)現(xiàn)圖像的窗口提取功能。模擬信號(hào)處理單元的主要功能是對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理，提高信噪比3.2.3視覺(jué)傳感器2．CMOS圖像傳感器由于雜質(zhì)、受熱等其他原因的影響，即使沒(méi)有光照射到象素，象素單元也會(huì)產(chǎn)生電荷，這些電荷產(chǎn)生了暗電流。暗電流與光照產(chǎn)生的電荷很難進(jìn)行區(qū)分。暗電流在像素陣列各處也不完全相同，它會(huì)導(dǎo)致圖形噪聲。另外，光輸入信號(hào)過(guò)強(qiáng)的話(huà)，像素單元將飽和而不能進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，圖像會(huì)模糊。3.3移動(dòng)機(jī)器人視覺(jué)原理視覺(jué)對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人，就像眼睛對(duì)人一樣重要，根據(jù)視覺(jué)系統(tǒng)所使用的攝像機(jī)數(shù)目不同，視覺(jué)系統(tǒng)分為單目視覺(jué)系統(tǒng)、雙目視覺(jué)系統(tǒng)和多目視覺(jué)系統(tǒng)。在移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域，視覺(jué)主要用于環(huán)境中目標(biāo)位姿測(cè)量，典型應(yīng)用包括移動(dòng)機(jī)器人視覺(jué)定位、目標(biāo)跟蹤、視覺(jué)避障等。3.3.1攝像機(jī)成像模型1．參考坐標(biāo)系3.3.1攝像機(jī)成像模型1．參考坐標(biāo)系（1）世界坐標(biāo)系將世界坐標(biāo)系表示成

，此坐標(biāo)系描述空間中各個(gè)目標(biāo)的位置。其原點(diǎn)和各個(gè)坐標(biāo)軸可以由人為自行定義，通常將機(jī)器人的基坐標(biāo)系作為世界坐標(biāo)系。（2）攝像機(jī)坐標(biāo)系攝像機(jī)坐標(biāo)系

是以攝像機(jī)光心為原點(diǎn)設(shè)立的三維直角坐標(biāo)系，Zc軸即攝像機(jī)光軸，正方向?yàn)閿z像機(jī)指向景象的方向，垂直于成像面。

為攝像機(jī)的焦距f。3.3.1攝像機(jī)成像模型1．參考坐標(biāo)系（3）圖像物理坐標(biāo)系目標(biāo)物體經(jīng)由攝像機(jī)采集圖像，將像點(diǎn)投影到成像平面上，稱(chēng)光軸與成像平面的垂直交點(diǎn)為圖像主點(diǎn)

，以主點(diǎn)為原點(diǎn)建立圖像物理坐標(biāo)系

，其橫軸

和縱軸

分別平行于攝像機(jī)坐標(biāo)系橫軸Xc和縱軸Yc，則物理坐標(biāo)(x,y)代表空間中一點(diǎn)在成像平面上的投影點(diǎn)坐標(biāo)。3.3.1攝像機(jī)成像模型1．參考坐標(biāo)系（4）圖像像素坐標(biāo)系用攝像機(jī)采集圖像，圖像信息是模擬的，經(jīng)過(guò)圖像采集卡的處理轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。在計(jì)算機(jī)中數(shù)字圖像的表達(dá)形式是M×N二維數(shù)組，數(shù)組里的元素代表圖像像素點(diǎn)，元素值即為像素值，代表圖像亮度。在圖像上建立圖像像素坐標(biāo)系

，原點(diǎn)為圖像左上角點(diǎn)，橫軸的正方向水平向右，縱軸垂直于向下，單位是像素，像素坐標(biāo)代表了該像素在二維圖像數(shù)組位于第U列、第V行。3.3.1攝像機(jī)成像模型1．參考坐標(biāo)系（4）圖像像素坐標(biāo)系假定主點(diǎn)

的像素坐標(biāo)是

，

軸和

軸相對(duì)于U軸和V軸的尺度因子依次為dx和dy，那么像素坐標(biāo)系和圖像物理坐標(biāo)系的關(guān)系可以下式表示：式中(u,ν)表示物點(diǎn)像素坐標(biāo)系坐標(biāo)，(x,y)表示物點(diǎn)物理坐標(biāo)系坐標(biāo)。3.3.1攝像機(jī)成像模型1．參考坐標(biāo)系用齊次坐標(biāo)與矩陣來(lái)表示上式則為：2．?dāng)z像機(jī)針孔模型光線(xiàn)照射到物體上發(fā)生反射，經(jīng)由攝像機(jī)中心（針孔）投影到成像平面上，感光元件將采集到的光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，最終形成數(shù)字圖像。變換圖形方向即可使其與景物方向一致。3.3.1攝像機(jī)成像模型2．?dāng)z像機(jī)針孔模型針孔模型3.3.1攝像機(jī)成像模型2．?dāng)z像機(jī)針孔模型點(diǎn)P在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為(xc,yc,zc)，

點(diǎn)在圖像物理坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為(x,y)，直線(xiàn)OcOβ的模為攝像機(jī)焦距f，由三角形相似原理可知：3.3.1攝像機(jī)成像模型3．?dāng)z像機(jī)內(nèi)參模型在攝像機(jī)內(nèi)部，物點(diǎn)在攝像機(jī)坐標(biāo)系

下的坐標(biāo)映射到圖像像素坐標(biāo)系

，在攝像機(jī)外部，物點(diǎn)在世界坐標(biāo)系

下的坐標(biāo)映射到攝像機(jī)坐標(biāo)系

。物點(diǎn)由三維空間映射到成像平面的像點(diǎn)是失真的，成像平面上的像點(diǎn)對(duì)應(yīng)的是起點(diǎn)為光心且經(jīng)過(guò)該像點(diǎn)的射線(xiàn)。得到攝像機(jī)坐標(biāo)系和像素坐標(biāo)系之間的關(guān)系，如下：3.3.1攝像機(jī)成像模型3．?dāng)z像機(jī)內(nèi)參模型令

，用齊次坐標(biāo)和矩陣來(lái)表示，如下：3.3.1攝像機(jī)成像模型4．?dāng)z像機(jī)外參模型攝像機(jī)外參模型描述的是攝像機(jī)坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系的映射關(guān)系，用其次坐標(biāo)和矩陣可表示為：(xc,yc,zc)表示景物點(diǎn)在攝像機(jī)坐標(biāo)系中坐標(biāo)；(xw,yw,zw)表示景物點(diǎn)在世界坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；

為攝像機(jī)外參矩陣3.3.2雙目視覺(jué)原理模型1．平行雙目視覺(jué)模型平行雙目視覺(jué)模型3.3.2雙目視覺(jué)原理模型1．平行雙目視覺(jué)模型在平行雙目視覺(jué)模型中，2個(gè)攝像機(jī)的光軸平行，X軸在一條直線(xiàn)上且所指方向一致。左攝像機(jī)坐標(biāo)系的原點(diǎn)為Ocl，X軸為Xcl；右攝像機(jī)坐標(biāo)系的原點(diǎn)為Ocr，軸為Xcr；將左右攝像機(jī)光心連線(xiàn)OclOcr稱(chēng)為基線(xiàn)，其長(zhǎng)度為b；物點(diǎn)p在左右攝像機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)分別為和；物點(diǎn)在左右攝像機(jī)內(nèi)部的圖像像素坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為(ul,vl)和(ur,vr)。設(shè)左右攝像機(jī)的焦距為f，旋轉(zhuǎn)矩陣R是單位矩陣，平移矩陣

，根據(jù)三角形相似原理可知：3.3.2雙目視覺(jué)原理模型1．平行雙目視覺(jué)模型因此，物點(diǎn)p在左攝像機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)可以解出：3.3.2雙目視覺(jué)原理模型2．一般雙目視覺(jué)模型一般雙目視覺(jué)模型3.3.2雙目視覺(jué)原理模型2．一般雙目視覺(jué)模型在左攝像機(jī)中可以確定物點(diǎn)p在射線(xiàn)Oclpl上，在右攝像機(jī)中可以確定物點(diǎn)p在射線(xiàn)Ocrpr上，則射線(xiàn)Oclpl和射線(xiàn)Ocrpr的交點(diǎn)p點(diǎn)。同平行雙目視覺(jué)模型，設(shè)p點(diǎn)在世界坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為(xw,yw,zw)，左右攝像機(jī)的投影矩陣為L(zhǎng)和

，可以得到p點(diǎn)世界坐標(biāo)和圖像像素坐標(biāo)之間的關(guān)系：3.3.2雙目視覺(jué)原理模型2．一般雙目視覺(jué)模型3.3.3攝像機(jī)標(biāo)定攝像機(jī)標(biāo)定方法可分為三類(lèi)：傳統(tǒng)的攝像機(jī)標(biāo)定方法，主動(dòng)視覺(jué)攝像機(jī)標(biāo)定方法和攝像機(jī)自標(biāo)定方法。傳統(tǒng)的攝像機(jī)標(biāo)定方法可以使用于任意的攝像機(jī)模型，精度很高，但不可以用在無(wú)法使用標(biāo)定塊的環(huán)境下。主動(dòng)視覺(jué)攝像機(jī)標(biāo)定方法對(duì)標(biāo)定環(huán)境的要求高，不能使用于攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)未知的場(chǎng)合，且精度較低；攝像機(jī)自標(biāo)定方法不能非線(xiàn)性標(biāo)定，魯棒性不高。Faugeras的標(biāo)定方法作為傳統(tǒng)的攝像機(jī)標(biāo)定方法不僅算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，而且可線(xiàn)性求解參數(shù)。3.3.3攝像機(jī)標(biāo)定Faugeras標(biāo)定方法選用4參數(shù)內(nèi)參矩陣，將像點(diǎn)和物點(diǎn)的成像幾何關(guān)系在齊次坐標(biāo)下寫(xiě)成透視投影矩陣的形式：3.3.3攝像機(jī)標(biāo)定每個(gè)點(diǎn)可以得到兩個(gè)方程，而未知數(shù)只有11個(gè)，所以，最少取六個(gè)點(diǎn)即可通過(guò)最小二乘法求出

，其中移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)原理與應(yīng)用第四章

移動(dòng)機(jī)器人定位移動(dòng)機(jī)器人絕對(duì)定位移動(dòng)機(jī)器人視覺(jué)定位4.1移動(dòng)機(jī)器人相對(duì)定位4.24.3移動(dòng)機(jī)器人概率定位4.44.1移動(dòng)機(jī)器人相對(duì)定位相對(duì)定位是指通過(guò)度量移動(dòng)機(jī)器人相對(duì)于起始位置的方向和距離來(lái)推斷出移動(dòng)機(jī)器人當(dāng)前的位置信息。其基本原理是在移動(dòng)機(jī)器人位姿初始值給定的前提下，基于內(nèi)部傳感器信息計(jì)算出每一時(shí)刻位姿相對(duì)于上一時(shí)刻位姿的距離以及方向角的變化，從而實(shí)現(xiàn)位姿的實(shí)時(shí)估計(jì)。常用的傳感器包括光電編碼器及慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，因此，應(yīng)用此類(lèi)傳感器進(jìn)行相對(duì)定位的方法也通常稱(chēng)為航跡推算法和慣性導(dǎo)航法，相對(duì)定位也叫做位姿跟蹤。4.1.1航跡推算法原理應(yīng)用航跡推算法定位的輪式移動(dòng)機(jī)器人，通常在驅(qū)動(dòng)輪上安裝光電編碼器來(lái)測(cè)量輪子的旋轉(zhuǎn)角度，再結(jié)合移動(dòng)機(jī)器人本身的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)特性計(jì)算出移動(dòng)機(jī)器人相對(duì)于初始點(diǎn)的方向和位置，從而確定出位姿信息。航跡推算是個(gè)累加的過(guò)程，在移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)而航跡逐步累加的過(guò)程中，移動(dòng)機(jī)器人位姿信息的測(cè)量值以及計(jì)算值均會(huì)有累積誤差，定位精度會(huì)下降，因此，航跡推算法適用于短時(shí)間或者短距離的移動(dòng)機(jī)器人位姿跟蹤。4.1.1航跡推算法原理若雙輪差動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人在出發(fā)的初始時(shí)刻，移動(dòng)機(jī)器人自身坐標(biāo)與世界坐標(biāo)重合，經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)時(shí)間t后，移動(dòng)機(jī)器人從原點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)點(diǎn)P。設(shè)此時(shí)移動(dòng)機(jī)器人在世界坐標(biāo)系中的位置為P(Xt,Yt)，移動(dòng)機(jī)器人坐標(biāo)系的x軸與世界坐標(biāo)X軸的夾角為θt。設(shè)l為兩輪間距，Δt為編碼器計(jì)時(shí)間隔時(shí)間，則在相同的一個(gè)采樣周期Δt內(nèi)，移動(dòng)機(jī)器人轉(zhuǎn)過(guò)的角度為：4.1.1航跡推算法原理其中,VL、VR為移動(dòng)機(jī)器人的左、右輪速度。在一個(gè)采樣周期Δt內(nèi)，移動(dòng)機(jī)器人行走的距離為：該兩輪移動(dòng)機(jī)器人的平均速度

表示為：在Δt時(shí)間間隔內(nèi)，移動(dòng)機(jī)器人的位置變化表示為：4.1.1航跡推算法原理在t時(shí)刻后的t+Δt時(shí)刻，移動(dòng)機(jī)器人位置信息可表示為：對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)動(dòng)，航跡推算法存在累積誤差，此類(lèi)誤差來(lái)源于移動(dòng)機(jī)器人安裝的陀螺儀、加速度計(jì)和傾斜角傳感器產(chǎn)生的漂移誤差，此類(lèi)誤差可以通過(guò)建立誤差模型進(jìn)行補(bǔ)償，也可以應(yīng)用航跡推算法和其他的傳感器配合相關(guān)的定位算法進(jìn)行校正。4.1.2移動(dòng)機(jī)器人里程計(jì)定位在雙輪差動(dòng)移動(dòng)機(jī)器結(jié)構(gòu)中，里程計(jì)的工作原理是根據(jù)安裝在移動(dòng)機(jī)器人左右兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)上的光電編碼器來(lái)檢測(cè)車(chē)輪在一定時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)過(guò)的弧度，進(jìn)而推算移動(dòng)機(jī)器人相對(duì)位姿的變化。將光電編碼器與驅(qū)動(dòng)輪同軸安裝，實(shí)現(xiàn)光電編碼器與驅(qū)動(dòng)輪同步旋轉(zhuǎn)。根據(jù)碼盤(pán)分辨率、驅(qū)動(dòng)輪上驅(qū)動(dòng)電機(jī)和減速器的變速比、驅(qū)動(dòng)輪的直徑等物理參數(shù)，將驅(qū)動(dòng)脈沖數(shù)轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)的角度和位移，即移動(dòng)機(jī)器人相對(duì)于某一參考點(diǎn)的瞬時(shí)位置，就是里程計(jì)。4.1.2移動(dòng)機(jī)器人里程計(jì)定位若碼盤(pán)分辨率Cm、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和減速器的變速比n、驅(qū)動(dòng)輪的直徑D，則每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的移動(dòng)機(jī)器人車(chē)輪圓周上的距離為：在一個(gè)單位時(shí)間內(nèi)，若左、右輪的脈沖數(shù)Nl、Nr已知，則可確定左右輪的速度分別為：根據(jù)一個(gè)采樣周期Δt內(nèi)脈沖數(shù)算出移動(dòng)機(jī)器人轉(zhuǎn)過(guò)的角度和行走的距離，即里程計(jì)的數(shù)值，獲得移動(dòng)機(jī)器人位姿。4.1.2移動(dòng)機(jī)器人里程計(jì)定位1．差動(dòng)輪式移動(dòng)機(jī)器人直線(xiàn)定位若差動(dòng)輪式移動(dòng)機(jī)器人左右驅(qū)動(dòng)輪的運(yùn)動(dòng)方向、速度都相同，則機(jī)器人沿直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)直線(xiàn)定位原理圖4.1.2移動(dòng)機(jī)器人里程計(jì)定位1．差動(dòng)輪式移動(dòng)機(jī)器人直線(xiàn)定位機(jī)器人在Pi+1點(diǎn)的位姿為：di為光電碼盤(pán)測(cè)得的機(jī)器人行駛路程，用左、右輪分別測(cè)得的行駛路程的算術(shù)平均值計(jì)算。4.1.2移動(dòng)機(jī)器人里程計(jì)定位2．差動(dòng)輪式移動(dòng)機(jī)器人機(jī)器人旋轉(zhuǎn)定位若差動(dòng)輪式移動(dòng)機(jī)器人左、右驅(qū)動(dòng)輪的運(yùn)動(dòng)方向相反但速度相同，則移動(dòng)機(jī)器人在原地旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)定位原理圖4.1.2移動(dòng)機(jī)器人里程計(jì)定位2．差動(dòng)輪式移動(dòng)機(jī)器人機(jī)器人旋轉(zhuǎn)定位兩輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為：d為車(chē)輪行駛里程。機(jī)器人在Pi+1點(diǎn)的位姿方向角為：4.1.3移動(dòng)機(jī)器人慣性導(dǎo)航法定位慣性導(dǎo)航法通常指采用陀螺儀和加速度計(jì)實(shí)現(xiàn)定位。根據(jù)陀螺儀和加速度計(jì)分別測(cè)得移動(dòng)機(jī)器人的回轉(zhuǎn)速度和加速度，利用一次積分和二次積分求出角度和位置參量。陀螺儀通過(guò)對(duì)所測(cè)量的角度和速度進(jìn)行積分，計(jì)算出相對(duì)于起始方向的偏轉(zhuǎn)角度。δ為t時(shí)刻相對(duì)起始方向的偏轉(zhuǎn)角度；ω為瞬時(shí)角速度；t0為起始時(shí)間。4.1.3移動(dòng)機(jī)器人慣性導(dǎo)航法定位基于光電編碼器的里程計(jì)定位和基于陀螺儀和加速度計(jì)的慣性導(dǎo)航法定位方法中，都存在不可避免的誤差。對(duì)于常見(jiàn)的輪式移動(dòng)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，通常將誤差源分為兩大類(lèi)：系統(tǒng)誤差和非系統(tǒng)誤差。其中系統(tǒng)誤差包括：車(chē)輪半徑不相等、車(chē)輪半徑均值與標(biāo)稱(chēng)輪半徑不等、車(chē)輪不平行、有效輪距未知、傳感器分辨率有限、傳感器采樣頻率有限。非系統(tǒng)誤差包括：行駛的地面不平坦、地面有不可預(yù)知的物體、由于有些原因?qū)е萝?chē)輪行駛過(guò)程當(dāng)中的打滑（光滑的地面、加速度過(guò)大、急速轉(zhuǎn)彎、外界的作用力等）。4.2移動(dòng)機(jī)器人絕對(duì)定位絕對(duì)定位能確定移動(dòng)機(jī)器人在全局參考框架下的位姿信息，不依賴(lài)于時(shí)間和初始位姿，因此，不但沒(méi)有累積誤差問(wèn)題，而且還具有精度高、可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)?；谛艠?biāo)的定位、基于地圖匹配方法的定位以及基于衛(wèi)星的定位都屬于絕對(duì)定位方法的范疇。從傳感器角度，基于紅外、超聲波、激光、以及相機(jī)的定位都屬于絕對(duì)定位。從技術(shù)手段上，偽衛(wèi)星、Wi-Fi、射頻標(biāo)簽（RFID）、藍(lán)牙（Bluetooth，BT）、超寬帶（UltraWideBand，UWB）、地磁以及光跟蹤等，也屬于絕對(duì)定位范圍。4.2.1BDS定位中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDouNavigationSatelliteSystem，BDS)是中國(guó)自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，采用三球交匯定位原理進(jìn)行定位。在空間中已知A、B、C三點(diǎn)的位置，待定位移動(dòng)機(jī)器人看作質(zhì)點(diǎn)D，D點(diǎn)到上述三點(diǎn)的距離皆已知的情況下，可以確定出移動(dòng)機(jī)器人D的空間位置，D點(diǎn)一定位于分別以A、B、C為圓心，AD、BD和CD為半徑的三個(gè)圓球的交匯點(diǎn)上。中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)分為三個(gè)部分，分別為空間段、地面段、用戶(hù)段。4.2.1BDS定位空間段：北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的空間段計(jì)劃由35顆衛(wèi)星組成，包括5顆靜止軌道衛(wèi)星、27顆中地球軌道衛(wèi)星、3顆傾斜同步軌道衛(wèi)星。5顆靜止軌道衛(wèi)星定點(diǎn)位置為東經(jīng)58.75°、80°、110.5°、140°、160°，中地球軌道衛(wèi)星運(yùn)行在3個(gè)軌道面上，軌道面之間為相隔120°均勻分布。地面段：由中心控制系統(tǒng)和標(biāo)校系統(tǒng)組成。中心控制系統(tǒng)主要用于衛(wèi)星軌道的確定、電離層校正、用戶(hù)位置確定、用戶(hù)短報(bào)文信息交換等。標(biāo)校系統(tǒng)可提供距離觀測(cè)量和校正參數(shù)。系統(tǒng)的地面段由主控站、注入站、監(jiān)測(cè)站組成。4.2.1BDS定位主控站用于系統(tǒng)運(yùn)行管理與控制等。主控站從監(jiān)測(cè)站接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，生成衛(wèi)星導(dǎo)航電文和差分完好性信息，而后交由注入站執(zhí)行信息的發(fā)送。注入站用于向衛(wèi)星