移動機器人原理與技術(shù) 課件 第1、2章 緒論、移動機器人運動控制系統(tǒng)

移動機器人技術(shù)原理與應(yīng)用第一章

緒論移動機器人的發(fā)展移動機器人的基本結(jié)構(gòu)移動機器人的研究內(nèi)容1.1機器人與移動機器人概念1.21.31.41.1機器人與移動機器人概念滿足以下三個條件的機器稱為機器人：(1)具有腦、手、腳、等三要素的個體；(2)具有非接觸傳感器和接觸傳感器；

(3)具有平衡覺和固有覺的傳感器。其中，非接觸傳感器和接觸傳感器相當于人的五官，使機器人能夠識別外界環(huán)境，而平衡覺和固有覺則是機器人感知本身狀態(tài)所不可缺少的傳感器。1.1機器人與移動機器人概念我國對機器人的定義是：“機器人是一種自動化的機器，所不同的是這種機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、動作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機器?！睓C器人技術(shù)主要分兩大類，即工業(yè)機器人和移動機器人。移動機器人是一種在復(fù)雜環(huán)境下工作的，具有自行組織、自主運行、自主規(guī)劃的智能機器人。智能移動機器人是一個集環(huán)境感知、動態(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移動機器人的發(fā)展從移動機構(gòu)角度看，移動機器人通常包括輪式移動機器人、履帶式移動機器人兩種基本的移動機器人。在此基礎(chǔ)上，移動機器人的移動機構(gòu)逐漸發(fā)展出現(xiàn)步進式移動機構(gòu)、蠕動式移動機構(gòu)、蛇行式移動機構(gòu)和混合式移動機構(gòu)，以適應(yīng)不同的工作環(huán)境和場合。一般室內(nèi)移動機器人通常采用輪式移動機構(gòu)，輪式移動機器人有著自重輕、承載大、機構(gòu)簡單、驅(qū)動和控制相對方便、行走速度快、機動靈活、工作效率高等優(yōu)點，但其運動穩(wěn)定性受路況影響較大。1.2移動機器人的發(fā)展履帶式移動機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。但是履帶式移動機器人的速度慢、功耗大、轉(zhuǎn)向時對地面的破壞程度大。以腿足式移動機器人為代表的步進式移動機構(gòu)，自由度較多，能夠滿足某些特殊的性能要求，能適應(yīng)復(fù)雜的地形，但因其機構(gòu)復(fù)雜，存在難以控制、功耗大的缺點。蠕動式移動機構(gòu)和蛇行式移動機構(gòu)通常作為模仿某種生物運動方式的仿生機器人采用的相應(yīng)的移動機構(gòu)。1.2.1輪式移動機器人的發(fā)展1.國外輪式移動機器人發(fā)展1969年美國SRI研制成功“Shakey”系統(tǒng)，它只能解決簡單的感知、運動規(guī)劃和控制問題，采用的是兩個主動輪再加上兩個從動輪的驅(qū)動方式。同時，安裝了包括視覺傳感器、超聲傳感器在內(nèi)的許多傳感器。1.2.1輪式移動機器人的發(fā)展1.國外輪式移動機器人發(fā)展

1970年，前蘇聯(lián)將Lunokhod月球車送上月球，主要任務(wù)是收集月球表面照片，全車擁有3個攝像頭、激光測距、X射線探測儀、磁場探測儀等裝置，它的八個相互獨立的電動車輪均為驅(qū)動輪。1.2.1輪式移動機器人的發(fā)展1.國外輪式移動機器人發(fā)展

1971年，美國將“四輪電動漫游者”月球車送到月球進行探測，該月球車上裝配了儀表盤，可顯示速度、方向、坡度、電力和溫度，具有導(dǎo)航功能。1.2.1輪式移動機器人的發(fā)展1.國外輪式移動機器人發(fā)展

1997年美國宇航局推出的“旅居者”號火星車裝有一部自主式導(dǎo)航系統(tǒng)和使車體可以就地轉(zhuǎn)彎的獨立操縱的前后輪。其本身攜帶太陽能板，利用無線電遙控與地面保持聯(lián)系，在支桿上裝有一架相機和天氣探測器。1.2.1輪式移動機器人的發(fā)展1.國外輪式移動機器人發(fā)展

美國在2004年也相繼將機遇號與勇氣號送上火星，除了六個輪子的移動機機構(gòu)，還具有與人肩、肘和腕關(guān)節(jié)類似的結(jié)構(gòu)，能夠靈活地伸展、彎曲和轉(zhuǎn)動。另外，裝有一對全景照相機、顯微鏡成像儀、穆斯鮑爾分光計和阿爾法粒子X射線分光計等多種工具。1.2.1輪式移動機器人的發(fā)展1.國外輪式移動機器人發(fā)展

2011年，美國將好奇號火星車送上了火星，好奇號安裝有桅桿相機、火星手持透鏡成像儀、火星降落成像儀、火星樣本分析儀、化學與礦物學分析儀、化學與攝像機儀器、輻射評估探測器、火星車環(huán)境監(jiān)測站、火星科學實驗室進入、降落與著陸儀等設(shè)備，同時安裝有導(dǎo)航相機、化學相機、避險相機以及機械手臂。1.2.1輪式移動機器人的發(fā)展2.國內(nèi)輪式移動機器人發(fā)展

玉兔號月球車于2019年在月球開始工作，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、轉(zhuǎn)彎、后退，還可以原地打轉(zhuǎn)、橫向側(cè)擺，在危機四伏的月面上暢行無阻。1.2.1輪式移動機器人的發(fā)展2.國內(nèi)輪式移動機器人發(fā)展

祝融號火星車于2021年登陸火星。祝融號火星車在火星表面完成自動避障、自動行駛、自動探測，同時與環(huán)繞器保持通訊，接受從地球發(fā)來的指令等任務(wù)。1.2.2腿足式移動機器人1.國外腿足式移動機器人發(fā)展

第一代雙足機器人

Atlas三代機器人1.2.2腿足式移動機器人1.國外腿足式移動機器人發(fā)展1968年由美國GE公司設(shè)計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械腿與機體相連接，機械腿是由三個轉(zhuǎn)動副組成有三個自由度，能夠?qū)崿F(xiàn)足端兩個方向的轉(zhuǎn)動和一個方向的移動。1.2.2腿足式移動機器人1.國外腿足式移動機器人發(fā)展日本于1976年研究出KUMO—I、PV—II以及TITIN系列四足機器人，最具有代表性的是TITIN—VII，腿部采用三個轉(zhuǎn)動副為驅(qū)動來實現(xiàn)機器人的移動，擁有三個自由度，具有多種步行步態(tài)，有較高的自適應(yīng)能力。1.2.2腿足式移動機器人1.國外腿足式移動機器人發(fā)展德國研制了一款猿猴類型的機器人iStructDemonstrator，它具有機械手臂、腿部和脊椎，能夠模擬靈長目動物的行為，它將取代當前月球勘測任務(wù)中的滾輪式探測器。1.2.2腿足式移動機器人1.國外腿足式移動機器人發(fā)展意大利開發(fā)的具有代表性的液壓動力四足機器人Hyq，該機器人有十二個自由度，其中八個為液壓驅(qū)動，四個為電動，每個腿都設(shè)計了踝關(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腿足式移動機器人1.國外腿足式移動機器人發(fā)展美國波士頓動力公司于2005年研發(fā)了四腿機器人BigDog。它的單腿運動主要是靠三個轉(zhuǎn)動副和一個移動副來完成，整體結(jié)構(gòu)擁有十二或十六個主動自由度，驅(qū)動方式主要以內(nèi)燃機為動力源驅(qū)動液壓系統(tǒng)。1.2.2腿足式移動機器人1.國外腿足式移動機器人發(fā)展波士頓動力2015年推出了Spot，它具有十二個自由度，采用電池能源提供動力，從而驅(qū)動液壓系統(tǒng)，以液壓系統(tǒng)作為驅(qū)動輸出動力，進而控制每段肢體的動作。1.2.2腿足式移動機器人1.國外腿足式移動機器人發(fā)展2020年，波士頓動力推出了Spotmini四足機器人，它擁有頭戴式機械臂，能夠操縱其周圍的環(huán)境以及收集數(shù)據(jù)，使用手臂打開門、轉(zhuǎn)動閥門和打開開關(guān)等等。1.2.2腿足式移動機器人2.國內(nèi)腿足式移動機器人發(fā)展我國首個四足機器人“萊卡狗”，重量僅22kg，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小時的行走。1.2.2腿足式移動機器人2.國內(nèi)腿足式移動機器人發(fā)展浙江大學四足仿生機器人“絕影”的出現(xiàn)表示著中國的四足機器人技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)藝H一流水平。“絕影”的主要優(yōu)勢在于動作自然柔順，反應(yīng)快速準確，面對復(fù)雜環(huán)境能表現(xiàn)出很強的適應(yīng)力。1.2.2腿足式移動機器人2.國內(nèi)腿足式移動機器人發(fā)展在2018世界機器人大會上，上海交通大學攜新型六足機器人“青騅”參加了比賽。它采用自主開發(fā)的電機傳感復(fù)合驅(qū)動器，實現(xiàn)了力覺動態(tài)控制行走，輕量化設(shè)計讓該機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腿足式移動機器人2.國內(nèi)腿足式移動機器人發(fā)展在2018世界機器人大會上，一款六足并聯(lián)機器人又被稱作“章魚俠”，它具有視覺、力覺、識別地形、主動避障、自主開門、感知外載、自主平衡等各項功能，這款機器人最突出的優(yōu)勢是它的負載能力與全向運動性能。1.2.3輪腿式移動機器人輪腿式移動機器人兼具輪式優(yōu)勢和腿部能力，平地移動快、效率高、噪音低，借助腿部能力則能完成適應(yīng)不平地面、跳躍通過臺階等動作，越障能力強。德國研究了輪腿式移動機器人“ALDURO”，具有兩個足和兩個輪子，并且兩個輪子在必要的時候可以成為足，變換為四足步行機器人。日本研究的輪腿式機器人“Roller-Walk”，輪子豎立起來就成為輪式探測車，輪子放平，就可以以爬行的方式前進。1.2.3輪腿式移動機器人美國波士頓動力的最新機器人產(chǎn)品“Handle”是輪腿式移動機器人，能在多種惡劣環(huán)境下順利行動，如山地、雪地和崎嶇的地形。1.2.3輪腿式移動機器人北京理工大學運動驅(qū)動與控制研究團隊研發(fā)了“北理哪吒”，是一款輪足復(fù)合式運動的機器人平臺，可用于無人作戰(zhàn)、搶險救援、物資運輸、資源勘探等領(lǐng)域。1.2.3輪腿式移動機器人騰訊RoboticsX實驗室推出了最低身高只有35厘米的輪腿式移動機器人Ollie，它可以跳上40厘米的臺階，豎直起跳高度最高可達60厘米，甚至能輕松完成360度空翻挑戰(zhàn)；在平地上時，Ollie更像是一個“不倒翁”，能抗住各種“突發(fā)”狀況。1.3移動機器人的基本結(jié)構(gòu)1.3.1移動機器人的執(zhí)行機構(gòu)1.常見的車輪

(a)標準輪(b)小腳輪

(c)瑞典輪

(d)球形輪移動機器人常用的車輪1.3.1移動機器人的執(zhí)行機構(gòu)1.常見的車輪標準輪有兩個自由度，分別是圍繞輪軸和接觸點的轉(zhuǎn)動；小腳輪有三個自由度，分別是圍繞垂直軸的轉(zhuǎn)動、圍繞偏移的輪軸和接觸點的轉(zhuǎn)動。在操縱時繞偏心軸旋轉(zhuǎn)，會引起加到底盤上的力。瑞典輪也稱為麥克納姆輪，車輪外緣布置的輥子軸線與車輪軸線具有一定夾角，也有三個自由度，分別圍繞輪軸、輥子和接觸點的轉(zhuǎn)動。輪子摩擦小，可以沿可能的軌跡按照運動學原理移動；球形輪可以沿任何方向受動力而旋轉(zhuǎn)。1.3.1移動機器人的執(zhí)行機構(gòu)2.

輪式移動機器人輪子配置方式

3輪移動機構(gòu)1.3.1移動機器人的執(zhí)行機構(gòu)2.

輪式移動機器人輪子配置方式圖(a)所示的驅(qū)動方式為后兩輪差速驅(qū)動，舵輪轉(zhuǎn)向，調(diào)整舵輪角度使移動機器人在不轉(zhuǎn)動車頭的情況下實現(xiàn)變道、轉(zhuǎn)向等動作，甚至可以實現(xiàn)沿任意點為半徑的轉(zhuǎn)彎運動，有很強的靈活性。圖(b)所示的驅(qū)動方式為前輪驅(qū)動加轉(zhuǎn)向、后兩輪隨動。此種方式不需要考慮電機配合的問題。圖(c)所示的驅(qū)動方式為通過兩驅(qū)動輪的差動來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向時的半徑、速度、角速度，都由兩個驅(qū)動輪確定?？梢詫崿F(xiàn)原地打轉(zhuǎn)等動作，有比較強的靈活性。1.3.1移動機器人的執(zhí)行機構(gòu)2.

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

輪式移動機器人輪子配置方式4輪移動機構(gòu)1.3.1移動機器人的執(zhí)行機構(gòu)2.

輪式移動機器人輪子配置方式圖(a)中，四個車輪布置在矩形平面的四角，后兩輪差速驅(qū)動，前兩舵輪同步轉(zhuǎn)向。圖(b)中前兩舵輪驅(qū)動兼轉(zhuǎn)向。圖(c)所示結(jié)構(gòu)為四輪轉(zhuǎn)向加兩輪驅(qū)動方式，這種方式使得四輪移動機器人具有了橫向移動的能力。采用四輪機構(gòu)的移動機器人有兩個缺點：一是部分四輪機構(gòu)的機器人移動能力受到限制，轉(zhuǎn)向運動的實現(xiàn)需要一定的前行行程；二是這種布局需要一個緩沖懸掛系統(tǒng)以保持穩(wěn)定、可靠的驅(qū)動能力，另外部分結(jié)構(gòu)的橫滑運動必須考慮。1.3.2移動機器人的驅(qū)動系統(tǒng)移動機器人的驅(qū)動系統(tǒng)的功能是將能源動力傳送到執(zhí)行機構(gòu)。移動機器人主要使用三種驅(qū)動方法，即液壓驅(qū)動，氣動驅(qū)動和電動機驅(qū)動。液壓驅(qū)動就是利用液壓泵對液體加壓，使其具有高壓勢能，然后通過分流閥推動執(zhí)行機構(gòu)進行動作，從而達到將液體的壓力使能轉(zhuǎn)換成做功的機械能。1.3.2移動機器人的驅(qū)動系統(tǒng)液壓驅(qū)動的最大特點就是動力比較大、力和力矩慣性比大、反應(yīng)快，比較容易實現(xiàn)直接驅(qū)動，適用于要求承載能力和慣性大的場合。其缺點是多了一套液壓系統(tǒng)，對液壓元件要求高，否則容易造成液體滲漏，噪聲較大，對環(huán)境有一定的污染。氣壓驅(qū)動的基本原理與液壓驅(qū)動相似。其優(yōu)點是空氣來源方便、動作迅捷、結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、維修方便，其缺點是不宜進行速度控制、氣壓不易過高、負載能力較低等。1.3.2移動機器人的驅(qū)動系統(tǒng)電動機驅(qū)動是利用各種電動機產(chǎn)生的力或轉(zhuǎn)矩直接驅(qū)動移動機器人，常見的輪式移動機器人應(yīng)用的電機有四種類型：步進電機、直流伺服電機、交流伺服電機和線性電機。直流伺服電機在移動機器人中使用較多，其可以通過調(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、處理都很方便，驅(qū)動能力較大的優(yōu)點；其缺點是轉(zhuǎn)速較高，必須采用減速機構(gòu)將其轉(zhuǎn)速降低，結(jié)構(gòu)有些復(fù)雜。1.3.3移動機器人的控制系統(tǒng)移動機器人的控制系統(tǒng)是由控制計算機及相應(yīng)的控制軟件和伺服控制器組成，它相當于人的神經(jīng)系統(tǒng)，是移動機器人的指揮系統(tǒng)，對其執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出如何動作的命令。移動機器人的控制系統(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移動機器人的控制系統(tǒng)1．集中控制系統(tǒng)集中式控制系統(tǒng)用一臺計算機實現(xiàn)全部控制功能。其優(yōu)點是：硬件成本較低，便于信息的采集和分析，易與實現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)控制，整體性與協(xié)調(diào)性較好。缺點是：系統(tǒng)控制缺乏靈活性，控制危險容易集中，一旦出現(xiàn)故障，其影響面廣，后果嚴重；由于機器人的實時性要求很高，當系統(tǒng)進行大量數(shù)據(jù)計算會降低系統(tǒng)實時性，系統(tǒng)對多任務(wù)的響應(yīng)能力也會與系統(tǒng)的實時性相沖突；此外，系統(tǒng)連線復(fù)雜，會降低系統(tǒng)的可靠性。1.3.3移動機器人的控制系統(tǒng)2．主從控制系統(tǒng)采用主、從兩級處理器實現(xiàn)系統(tǒng)的全部控制功能。主CPU實現(xiàn)管理、環(huán)境檢測、路徑規(guī)劃和系統(tǒng)自診斷等；從CPU實現(xiàn)動作控制。主從控制系統(tǒng)實時性較好，適于高精度，但其系統(tǒng)擴展性較差，維修困難。1.3.3移動機器人的控制系統(tǒng)3．分散控制系統(tǒng)按移動機器人的功能將系統(tǒng)控制分成幾個模塊，每一個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。這種方式實時性好，易于實現(xiàn)高速、高精度控制，易于擴展，可實現(xiàn)智能控制。其主要思想是“分散控制，集中管理”，即系統(tǒng)對其總體目標和任務(wù)可以進行綜合協(xié)調(diào)和分配，并通過子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作來完成控制任務(wù)，整個系統(tǒng)在功能、邏輯和物理等方面都是分散的，所以又稱為集散控制系統(tǒng)或分散控制系統(tǒng)。1.3.3移動機器人的控制系統(tǒng)4．分布式控制系統(tǒng)分布式控制系統(tǒng)常采用兩級控制方式，通常由上位機、下位機和網(wǎng)絡(luò)組成。上位機類似于人的大腦，實現(xiàn)高級控制功能，下位機類似于人的低級神經(jīng)系統(tǒng)，實現(xiàn)運動控制等底層功能。上位機和下位機通過通訊總線相互協(xié)調(diào)工作。分布式控制系統(tǒng)的優(yōu)點在于：系統(tǒng)靈活性好，控制系統(tǒng)的危險性降低，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)時間。1.3.4

移動機器人的感知決策系統(tǒng)移動機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、觸覺、嗅覺等等傳感器分析-決策智能系統(tǒng)主要是靠計算機專用或通用軟件來完成，例如專家咨詢系統(tǒng)、智能算法、優(yōu)化算法等。1.4

移動機器人的研究內(nèi)容1．移動機器人機構(gòu)設(shè)計移動機器人機械結(jié)構(gòu)的選擇和設(shè)計，是根據(jù)移動機器人在各個領(lǐng)域以及各種場合的實際應(yīng)用需要進行的。移動機器人是一個機構(gòu)、電氣和軟件的綜合系統(tǒng)，它的任何一個部分都不是孤立的，結(jié)構(gòu)的問題影響到控制和算法。1.4

移動機器人的研究內(nèi)容2．移動機器人傳感器技術(shù)移動機器人傳感器技術(shù)主要是對移動機器人自身內(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、線加速度計、陀螺儀、GPS、磁羅盤、激光傳感器、激光雷達等。外部傳感器有視覺傳感器、超聲波傳感器、紅外傳感器、接觸和接近傳感器。1.4

移動機器人的研究內(nèi)容3．移動機器人導(dǎo)航目前的移動機器人導(dǎo)航方式主要可分為慣性導(dǎo)航、路標導(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)航是機器人通過自身的各種傳感器，探測周圍環(huán)境，利用感知的局部環(huán)境信息進行局部地圖構(gòu)造，并與其內(nèi)部事先存儲的完整地圖進行匹配，進而確定自身位置。根據(jù)規(guī)劃的全局路徑，采用路徑跟蹤和避障技術(shù)，實現(xiàn)導(dǎo)航，涉及到環(huán)境地圖構(gòu)建和模型匹配兩個問題。1.4

移動機器人的研究內(nèi)容3．移動機器人導(dǎo)航路標導(dǎo)航是將環(huán)境中的特殊景物作為路標，機器人在知道這些路標在環(huán)境中的坐標、形狀等特征的前提下，通過對路標的探測確定自身位置。根據(jù)路標的不同，可分為人工路標導(dǎo)航和自然路標導(dǎo)航，前者通過對人為放置的特殊標志的識別實現(xiàn)導(dǎo)航，后者是機器人通過對環(huán)境中自然特征的識別完成導(dǎo)航。路標探測的穩(wěn)定性和魯棒性是研究的主要問題。1.4

移動機器人的研究內(nèi)容3．移動機器人導(dǎo)航慣性導(dǎo)航通過描述移動機器人的方位角和根據(jù)從某一參考點出發(fā)測定的行駛距離來確定移動機器人當前位置的一種方法。這種導(dǎo)航方式通過與已知的地圖路線來比較，進而控制移動機器人的運動方向和距離，這樣便能實現(xiàn)移動機器人的自主導(dǎo)航。1.4

移動機器人的研究內(nèi)容4．移動機器人定位移動機器人定位就是確定移動機器人在其運動環(huán)境中的世界坐標系的坐標。移動機器人定位方法主要分為相對定位和絕對定位。在移動機器人的車輪上裝有光電編碼器或其他測速傳感器，通過對車輪轉(zhuǎn)動的記錄粗略地確定位置和姿態(tài)是一種最基本的相對定位。1.4

移動機器人的研究內(nèi)容4．移動機器人定位在移動機器人工作的環(huán)境里，人為地設(shè)置一些坐標已知的路標，如超聲波發(fā)射器、激光反射板等,通過對路標的探測來確定移動機器人自身的位置可看做一種絕對定位方式。1.4

移動機器人的研究內(nèi)容5．移動機器人路徑規(guī)劃路徑規(guī)劃是指按照某一性能指標搜索一條從起始狀態(tài)到目標狀態(tài)的最優(yōu)或者近似最優(yōu)的無碰路徑。根據(jù)對環(huán)境信息了解的不同，可以分為兩種類型：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，移動機器人通過傳感器實時地對工作環(huán)境進行探測，以獲取障礙物的位置、形狀和尺寸等信息進行的局部路徑規(guī)劃。全局路徑規(guī)劃包括環(huán)境建模和路徑搜索策略兩個子問題，部路徑規(guī)劃要解決運動過程中的避障問題。1.4

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

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

移動機器人運動控制系統(tǒng)移動機器人運動學模型移動機器人動力學模型移動機器人運動控制算法2.1移動機器人運動控制系統(tǒng)組成2.22.32.42.5移動機器人運動控制系統(tǒng)硬件2.6移動機器人運動控制系統(tǒng)軟件2.1移動機器人運動控制系統(tǒng)組成通常情況下，移動機器人運動控制系統(tǒng)主要由機械運動機構(gòu)、驅(qū)動器和驅(qū)動單元、運動控制器等部分和相應(yīng)的運動控制方法等內(nèi)容組成。2.1.1移動機器人運動機構(gòu)輪式移動機器人運動機構(gòu)的基本原理和主要特點運動機構(gòu)類型基本原理主要特點雙輪車體左右兩側(cè)各一個差速輪作為驅(qū)動輪，其余車輪都為隨動輪。差速輪本身不能旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)向都是靠內(nèi)外驅(qū)動輪之間的速度差來實現(xiàn)。因此不需要配置轉(zhuǎn)向電動機可以原地旋轉(zhuǎn)，較靈活。對電動機的控制精度要求不高，成本相對較低。對地面平整度要求高四輪車體四輪均為驅(qū)動輪，靠內(nèi)外側(cè)驅(qū)動輪速度差實現(xiàn)轉(zhuǎn)向直線行走能力良好，驅(qū)動力強，但電動機控制相對復(fù)雜，成本較高。需要精細結(jié)構(gòu)設(shè)計使四輪著地，防止打滑單舵機通常為前驅(qū)，主要依靠車體前部的一個鉸軸轉(zhuǎn)向車輪作為驅(qū)動輪控制轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)簡單、成本相對較低。對地面要求不高，使用環(huán)境廣泛。靈活性相對較低2.1.1移動機器人運動機構(gòu)輪式移動機器人運動機構(gòu)的基本原理和主要特點運動機構(gòu)類型基本原理主要特點雙舵機車體前后各安裝一個舵機，搭配左右兩側(cè)的隨動輪，由前后舵輪控制轉(zhuǎn)向雙舵輪型轉(zhuǎn)向驅(qū)動的優(yōu)點是可以實現(xiàn)360°回轉(zhuǎn)功能，并可以實現(xiàn)萬向移動，靈活性高且具有精確的運行精度。缺點是雙舵輪成本高麥克納姆輪又稱瑞典輪。在中心圓周方向布置了一圈獨立的、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速度分解成X和Y兩個方向，實現(xiàn)前進及橫行。其結(jié)構(gòu)緊湊，運動靈活，是一種全方位輪可以實現(xiàn)360°回轉(zhuǎn)功能和萬向橫移，靈活性高，運行占用空間小，更適合在復(fù)雜地形上的運動。缺點是成本相對較高，結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，對控制、制造、地面的要求較高2.1.2移動機器人常用電動機移動機器人常用電動機類型的原理和特點電動機類型基本原理主要特點直流伺服電動機直流電壓。直流伺服電動機分為有刷和無刷電動機直流伺服電動機容易實現(xiàn)調(diào)速，控制精度高。有刷電動機維護成本高步進電動機步進電動機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制電動機。在非超載情況下，電動機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)而不受負載變化的影響，當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，就驅(qū)動步進電動機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定角度。它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的優(yōu)點是控制簡單、精度高，沒有累積誤差，結(jié)構(gòu)簡單，使用維修方便，制造成本低。缺點是效率較低、發(fā)熱大，有時會失步舵機由接收機發(fā)出信號給舵機，經(jīng)由電路板上的IC判斷轉(zhuǎn)動方向，再驅(qū)動無核心馬達開始轉(zhuǎn)動速度快、扭力大的舵機，價格較高且耗電大2.1.3移動機器人常用運動控制器目前移動機器人領(lǐng)域的運動控制器可分為三類：PLC(ProgrammableLogicController)CHULIQI、工控機和單片機。前兩種穩(wěn)定性好、編程簡單，但成本較高，外圍接口不多；單片機成本低、可擴展性強，但穩(wěn)定性與抗干擾能力不如前兩種。2.1.3移動機器人常用運動控制器目前單片機的運動控制器絕大多數(shù)基于ARM處理器或者DSP處理器，在機器人需要完成諸多功能與調(diào)度管理時，運動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。在機器人完成一些復(fù)雜的運動算法時，運動控制器需要具備較強的計算能力，因此控制器一般采用DSP處理器。ARM處理器外圍接口多，可擴展性強，但計算能力不佳，難以處理一些復(fù)雜的算法；DSP計算能力強，可處理比較復(fù)雜的算法，但外圍接口少，可擴展性差。2.1.3移動機器人常用運動控制器DSP芯片性能比較2.2移動機器人運動學模型移動機器人運動學模型是根據(jù)移動機器人底盤的幾何特性，為整個移動機器人運動推導(dǎo)一個模型。輪式移動機器人可分為非完整約束系統(tǒng)和完整約束系統(tǒng)兩類。獨立驅(qū)動的個數(shù)等于定義系統(tǒng)的一個位姿需要的變量個數(shù)的移動機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)的一個位姿需要的變量個數(shù)多于獨立的驅(qū)動數(shù)。以雙輪差速驅(qū)動的移動機器人為例，建立和運用運動學模型的基本步驟如下：2.2移動機器人運動學模型1．建立平面全局參考坐標系和移動機器人局部參考坐標系用來表示移動機器人的位置。2．根據(jù)移動機器人結(jié)構(gòu)幾何特征和各輪速度，首先計算在局部參考坐標系中各輪的貢獻，得到前向運動學模型，前向運動學模型用來描述移動機器人的幾何特征和單個輪子行為的函數(shù)關(guān)系。3．在給定移動機器人位置和給定輪速的情況下，計算出移動機器人在全局參考框架中的速度。2.2.1移動機器人坐標系xOy為全局參考坐標系，xRCyR為機器人的局部參考坐標系，局部參考坐標系的原點為移動機器人底盤上后輪軸的中點C。在全局參考坐標系下，C的位置由坐標x和y確定，θ表示全局參考坐標系和局部參考坐標系的角度差（θ為移動機器人的航向角）。全局參考坐標系和局部參考坐標系2.2.1移動機器人坐標系移動機器人在全局參考坐標系中的位姿也叫做狀態(tài)向量可由這3個元素組成的向量ξI來描述：為了建立移動機器人的運動和各個輪子運動之間的關(guān)系，需要給出局部參考坐標系下的運動和全局參考坐標系下運動的映射關(guān)系，該映射可由正交旋轉(zhuǎn)矩陣來完成：2.2.1移動機器人坐標系移動機器人在局部參考坐標系中的狀態(tài)向量ξR可計算得：由此可以將全局參考坐標系中的運動映射到局部參考坐標系中的運動，反之，將則局部參考坐標系中的運動映射到全局參考坐標系中：2.2.2移動機器人運動學模型雙輪差速驅(qū)動移動機器人的局部坐標系原點C位于兩輪中心，且與移動機器人重心重合。移動機器人有2個主動輪，直徑r，兩輪的輪間距為。全局參考坐標系中的雙輪差動機器人2.2.2移動機器人運動學模型在運動中，移動機器人質(zhì)心運動的線速度為ν(t)、轉(zhuǎn)動的角速度為ω(t)，移動機器人左、右兩輪轉(zhuǎn)動的角速度分別為

和

，左、右兩輪的線速度分別為VL和VR。給定車輪直徑、車輪間距以及航向角，考慮到移動機器人滿足剛體運動規(guī)律，下面的運動學方程成立：2.2.2移動機器人運動學模型移動機器人在全局坐標系中的運動速度為：得到雙輪差速驅(qū)動移動機器人的運動學模型：2.3移動機器人動力學模型動力學模型的作用是為了確定移動機器人在受到外力作用時的運動結(jié)果。對于雙輪差速驅(qū)動移動機器人，直接應(yīng)用簡單的受力分析方法即可獲得雙輪差速驅(qū)動移動機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)動移動機器人的整體質(zhì)量為m，左右兩輪輸出的轉(zhuǎn)動慣量為J1、J2，左右電機驅(qū)動力矩分別為T1、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移動機器人動力學模型分別在移動機器人坐標系方向以及電機軸方向?qū)σ苿訖C器人進行受力分析，滿足力平衡與力矩平衡條件，可得到如下雙輪差速驅(qū)動移動機器人的運動力學方程：為移動機器人在全局坐標系中沿x、y方向的加速度，為角加速度。2.4移動機器人運動控制算法移動機器人基本的運動控制算法是以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)點在于不需要了解被控對象的數(shù)學模型，只要根據(jù)經(jīng)驗調(diào)整參數(shù)，便可獲得滿意的結(jié)果。在移動機器人運動控制中，一般設(shè)計按位置偏差進行比例、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)器是一種線性調(diào)節(jié)器。下圖是一個小功率直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。其中為轉(zhuǎn)速給定信號，n為實際轉(zhuǎn)速，偏差e=nr-n；PID調(diào)節(jié)器的輸出電壓u經(jīng)過功率放大后，作為直流電機的電樞電壓去控制直流電機的轉(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)器的作用是對于偏差做出瞬時快速反應(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，用離散采樣時刻點表示連續(xù)時間，以和式代替積分，以增量代替微分，可對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）型控制的近似計算公式：式中：ui為第個采樣時刻的輸出值；ei為第個采樣時刻的系統(tǒng)輸出偏差，即PID調(diào)節(jié)器的輸入值；ei-1為第i-1個采樣時刻的系統(tǒng)輸出偏差；u0為開始進行PID控制時原始的控制值。2.4.1PID控制方法2.

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

。這種形式的數(shù)字式PID控制器稱為絕對式數(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刻PID控制量:有的系統(tǒng)采用步進電機等增量型執(zhí)行機構(gòu)，執(zhí)行機構(gòu)需要的控制量，不是位置量的絕對數(shù)值，而是其增量值，則應(yīng)采用增量式PID算法。通過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，采樣周期相對于系統(tǒng)的時間常數(shù)來說，一般是很短的。此時，其參數(shù)Kp，TI，TD可按模擬PID控制器中的方法來選擇。PID參數(shù)的選擇有兩種可用的方法：理論設(shè)計法及實驗確定法。2.4.2PID控制控制器參數(shù)的選擇1.

湊試法湊試法是通過模擬或閉環(huán)運行觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線(如階躍響應(yīng))，然后根據(jù)各調(diào)節(jié)參數(shù)對系統(tǒng)響應(yīng)的大致影響，反復(fù)湊試，改變參數(shù)，以達到滿意的響應(yīng),從而確定PID控制器參數(shù)。在湊試時，對參數(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。如果系統(tǒng)靜態(tài)誤差已小到允許范圍內(nèi)，并且已達到1/4衰減度的響應(yīng)曲線(最大超調(diào)衰減到1/4時，已進入允許的穩(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)誤差達不到設(shè)計要求，則必須加入積分環(huán)節(jié)。整定時首先置積分常數(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,但動態(tài)過程經(jīng)反復(fù)調(diào)整仍不令人滿意，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，可先置微分常數(shù)為零，在第二步整定的基礎(chǔ)上，逐步增大的同時相應(yīng)地改變和，以獲得滿意的調(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.

實驗經(jīng)驗法為了減少湊試次數(shù)，可利用他人的經(jīng)驗，根據(jù)要求事先做少量的實驗以得到基準參數(shù)，按照經(jīng)驗公式由這些基準參數(shù)導(dǎo)出控制器參數(shù)，這就是實驗經(jīng)驗法。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)對階躍輸入的響應(yīng)達到臨界的穩(wěn)定邊緣狀態(tài)。將這時的比例系數(shù)記為，臨界振蕩的周期記為

，根據(jù)齊格勒-尼柯爾斯提供的經(jīng)驗公式，就可以由這兩個基準參數(shù)得到不同類型控制器的參數(shù)。2.4.2PID控制控制器參數(shù)的選擇2.

實驗經(jīng)驗法控制器類型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)動移動機器人點到點運動控制移動機器人的運動控制一般要實現(xiàn)移動機器人兩種運動問題：1．鎮(zhèn)定控制。又稱為點對點控制，其控制目標是控制移動機器人運動到工作空間的指定點。要求移動機器人從任意的初始狀態(tài)停止到任意的終止狀態(tài)，其目的是獲得一個反饋控制律，使得整個系統(tǒng)在一個平衡點漸近穩(wěn)定。對于移動機器人而言，點鎮(zhèn)定又可稱為姿態(tài)鎮(zhèn)定或姿態(tài)調(diào)節(jié)。采用PID控制器即可實現(xiàn)鎮(zhèn)定控制。2.4.3雙輪差速驅(qū)動移動機器人點到點運動控制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。當要求移動機器人在特定時間到達特定點時，就需要進行軌跡跟蹤控制。而當要求移動機器人以