（计算机应用技术专业论文）基于internet的机器人远程跟踪与控制系统的研究.pdf

华北电力火学硕士学位论文 摘要 本论文主要研究了基于i n t e r n e t 的机器人远程跟踪与控制技术。首先，在 运动学分析的基础上，提出了基于视觉反馈的移动机器人实时避障算法。接着 详细阐述了t c po v e ru d p 技术，并在应用层实现了t c po v e ru d p 的核心 技术。然后采用基于图像分割的改进序贯相似性检测算法识别机器人，提出和 验证了在单摄像头的环境下跟踪机器人的可行性。紧接着论述了基于i n t e r n e t 的机器人远程跟踪与控制系统的实现。最后概括了本文的研究工作，指出了需 要进一步丌发和完善的内容。 本系统基于c s 模式实现，为用户提供了两种远程控制方式一直接控制和 智能控制，t c p o v e r u d p 技术为用户提供了良好的机器人远程视频显示，同 时，也为机器人的远稠 动跟踪进行了成功的尝试。 关键词：轨迹控制，t c p o v e r u d p ，目标识别与跟踪 a b s t r a c t t h i sd l s s e r t a t i o nc o n c e n t r a t e so nt h er e s e a r c ho nr e m o t et r a c ka n dc o n t r o l t e c h n i q u ei ni n t e r n e t f i r s t l y ，o nt h eb a s eo ft h ek i n e m a t i ca n a l y s i s ，i ti n t r o d u c e s r e a l t i m eo b s t a c l ea v o i d a n c ea l g o r i t h mb a s e do nv i s i o nf e e d b a c k t h e n ，i td e s c r i b e s t h et c po v e ru d p t e c h n i q u e ，a n di m p l e m e n t st h ec o r et e c h n i q u ei na p p l i c a t i o n l a y e r a n dt h e n ，i ta d o p t sa m e l i o r a t i v es s d at or e c o g n i z et h eo b j e c t ，p r e s e n t sa n d v a l i d a t e st h ef e a s i b i li t yo ft r a c k i n gr o b o to n l yu s i n gau n i t a r yc c d a n dt h e n ，i t i l l u s t r a t e st h ei m p l e m e n t a t i o no fr o b o t i cr e m o t et r a c ka n dc o n t r o ls y s t e m i nt h e e n d ，t h ei m p o r t a n tr e s u l t sa n dc o n c l u s i o n so ft h i sd i s s e r t a t i o na r es u m m a r i z e d ，a n d t h ef u r t h e rr e s e a r c ho nt h i sr e m o t ec o n t r o ls y s t e mo ft h em o b i l er o b o ti sp r o p o s e d t h i ss y s t e mo f f e r st w ok i n d so fc o n t r o lm o d e ：s u p e r v i s o r yc o n t r o la n d i n t e l l i g e n tc o n t r o l ，t h et c po v e ru d pt e c h n i q u eo f f e r st h en i c er o b o tv i d e o d i s p l a y a tt h es a m et i m e ，i ta l s om a d et h ea t t e m p to fa u t o m a t i ct r a c k b iy a n j u n ( c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f l i uc h a n g a n k e yw o r d s ：c o n t r a i l c o n t r o l ，t c po v e ru d p , r e c o g n i z e sa n dt r a c k i 华北电力火学硕士学位论文 摘要 本论文主要研究了基于i n t e r n e t 的机器人远程跟踪与控制技术。首先，在 运动学分析的基础上，提出了基于视觉反馈的移动机器人实时避障算法。接着 详细阐述了t c po v e ru d p 技术，并在应用层实现了t c po v e ru d p 的核心 技术。然后采用基于图像分割的改进序贯相似性检测算法识别机器人，提出和 验证了在单摄像头的环境下跟踪机器人的可行性。紧接着论述了基于i n t e r n e t 的机器人远程跟踪与控制系统的实现。最后概括了本文的研究工作，指出了需 要进一步丌发和完善的内容。 本系统基于c s 模式实现，为用户提供了两种远程控制方式一直接控制和 智能控制，t c p o v e r u d p 技术为用户提供了良好的机器人远程视频显示，同 时，也为机器人的远稠 动跟踪进行了成功的尝试。 关键词：轨迹控制，t c p o v e r u d p ，目标识别与跟踪 a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o nc o n c e n t r a t e so nt h er e s e a r c ho nr e m o t et r a c ka n dc o n t r o l t e c h n i q u ei ni n t e r n e t f i r s t l y ，o nt h eb a s eo ft h ek i n e m a t i ca n a l y s i s ，i ti n t r o d u c e s r e a l t i m eo b s t a c l ea v o i d a n c ea l g o r i t h mb a s e do nv i s i o nf e e d b a c k t h e n ，i td e s c r i b e s t h et c po v e ru d pt e c h n i q u e ，a n di m p l e m e n t st h ec o r et e c h n i q u ei na p p l i c a t i o n l a y e r a n dt h e n ，i ta d o p t sa m e l i o r a t i v es s d at or e c o g n i z et h eo b j e c t ，p r e s e n t sa n d v a l i d a t e st h ef e a s i b i li t yo ft r a c k i n gr o b o to n l yu s i n gau n i t a r yc c d a n dt h e n ，i t i l l u s t r a t e st h ei m p l e m e n t a t i o no fr o b o t i cr e m o t et r a c ka n dc o n t r o ls y s t e m i nt h e e n d ，t h ei m p o r t a n tr e s u l t sa n dc o n c l u s i o n so ft h i sd i s s e r t a t i o na r es u m m a r i z e d ，a n d t h ef u r t h e rr e s e a r c ho nt h i sr e m o t ec o n t r o ls y s t e mo ft h em o b i l er o b o ti sp r o p o s e d t h i ss y s t e mo f f e r st w ok i n d so fc o n t r o lm o d e ：s u p e r v i s o r yc o n t r o la n d i n t e l l i g e n tc o n t r o l ，t h et c po v e ru d pt e c h n i q u eo f f e r st h en i c er o b o tv i d e o d i s p l a y a tt h es a m et i m e ，i ta l s om a d et h ea t t e m p to fa u t o m a t i ct r a c k b iy a n j u n ( c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f l i uc h a n g a n k e yw o r d s ：c o n t r a i l c o n t r o l ，t c po v e ru d p , r e c o g n i z e sa n dt r a c k i 声明 。 “，删删霉。 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文微孙槲锄姊谣终，是本人 在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：釜垂垦日期 哦， 动 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、 缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借 阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用 不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：当堡翌 日期：盟苎兰 导师签名：l 恤 日期：盈签。1 2 ，超 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题的研究背景 第一章引言 机器人( r o b o t ) 技术是6 0 年代中期蓬勃兴起的一项综合了计算机、控制 论、机构学、信息和传播技术、人工智能、仿生学等许多学科而形成的高新技 术，是当代研究十分活跃、应用日益广泛的领域。机器人应用情况是一个国家 工业化自动化水平的重要标志。机器人技术的出现和发展，不但使传统的工业 生产面貌发生根本改观，而且对人类的社会生活产生了深远影响。随着电子、 信息技术的迅速发展，互联网技术( i n t e r n e t ) 的广泛使用，机器人系统成为机 器人技术新的研究与应用方向。 随着远程控制技术的发展，在许多太空、海底、军事、核废料和有毒物质 等处理危险的作业中机器人已经能够替代人类完成任务。网络技术的发展使得 通过i n t e r n e t 进行远程监督和控制机器人成为可能。远程控制技术的应用主要 包括远程医疗、分布式作业及通过i n t e r n e t 进行合作等。在此种背景下，各地 的专家们可以通过i n t e r n e t 完成远端的高精度和相对复杂的任务，这提高了人 类在一些危险有害环境下作业的可达性和安全性。 1 2 国内外在远程跟踪与控制方面的研究现状 信息技术是当前高技术发展中的主流技术，它的发展对其它技术会产生极 大的影响。机器人技术将借助信息技术而发展，同时机器人技术也会对信息技 术的发展产生推动作用。网络和机器人技术的结合是必然的趋势，机器人以 i n t e r n e t 为架构，使其为i n t e r n e t 上越来越多的人们所熟悉和共享。基于i n t e r n e t 的机器人远程控制不仅可出现在过去应用遥操作的危险领域，还开辟了诸如远 程制造、医疗诊断、教育培训和娱乐等新领域。基于i n t e r n e t 的机器人控制技 术也从初期的遥操作机器人逐渐扩展到自主机器人和分布式机器人系统等研究 领域。通过i n t e r n e t 对机器人实施实时控制是一项具有挑战性的工作，这技 术的应用将进一步丰富机器人远程控制手段，具有良好的发展趋势和广阔的应 用前景。 1 2 1 国外研究现状 基于i n t e r n e t 的机器人的思想是由k e ng o l d b e r g 于1 9 9 4 年首先提出的，其 最初的构想是给公众提供可通过i n t e r n e t 访问的遥控机器人，并支持用户对其 华北电力大学硕十学位论文 进行远程操作，这一构想极大地扩展了传统地机器人遥操作概念。k e ng o l d b e r g 等很快就将这一构想应用到m e r c u r yp r o j e c t 中，建立了第一个基于w e b 浏览器 的网路机器人系统。操作者通过w e b 浏览器登录到加州大学的m e r c u r yp r o j e c t 主页，然后使用鼠标与键盘控制一台s c a r a 机器人在半圆形的沙滩中进行物 品挖掘。m e r c u r yp r o j e c t 很快引起了广泛的关注，在m e r c u r yp r o j e c t 开放的7 个月( 1 9 9 4 年9 月到1 9 9 5 年3 月) 恻，该主页( h t t p ：w w w u s c e d u d e p t r a i d e r s ) 有超过2 ，5 0 0 ，0 0 的点击率和访问量。1 9 9 5 年，m e r c u r yp r o i e c t 被t e l e g a r d e n p r o j e c t 所取代，新计划中仍然采用装有c c d 摄像头的机械手复合其它机构通 过i n t e r n e t 给用户提供远程培植操作，如种植种子、浇水等。 几乎同时，西澳大利亚大学的k e n n e t ht a y l o r 也于1 9 9 4 年1 0 月发布了一 个可通过i n t e r n e t 访问，基于w e b 的具有六个自由度的遥操作机械手臂。k e n n e t h t a y l o r 的机器人接受远程用户发出的控制请求，来控制机械手搬运和搭建积木。 该系统通过j a v a a p p l e t 程序提供给用户很好的三维图形操作界面，是迄今为止 最为完备且运行时间最长的网上机器人， 继k e ng o l d b e r g 和k e n n e t ht a y l o r 的开创性工作以后，越来越多的学者和 研究机构投入到基于i n t e r n e t 的机器人技术的研发工作中来。英国b r a d f o r d 大 学的远程机器人望远镜系统；南加州大学可播种和浇水的远程花园t e l e g a r d e m 澳大利亚w o l l o g o n g 大学拾取木块的r o b o t y ；德国以“h a n o i 塔”方法搬运木 块的n e t r o b o t ：加州大学b e r k e l e y 分校的p r o p ( p e r s o n a lr o v i n g p r e s e n c e ) 等 等。 值得一提的是基于w e b 的远程控制机器人与艺术的结合。美国w i l k e s 大 学把一台p u m a 7 6 0 机器人连接到i n t e r n e t ，在这个站点，用户可以使用画笔和 颜料在画架上绘画，j a v a a p p l e t 为用户提供了虚拟的画布，用户在模拟的画布 上点击和拖动鼠标操作，甚至可以指定颜料的饱满程度及画刷在画布上的用力 情况。用户会立即得到虚拟的图像反馈，而所有用户的动作被存储并按顺序传 至机器人。机器人对动作的执行会迟于用户的模拟，这是一个异步的间接执行 的系统。南加州大学d i s m u s e 项目也是与艺术博物馆合作而开发的，通过它， i n t e r n e t 上的用户可以从任意方位观察博物馆作品，如身临其境。i n t e r n e t 上另 一类活跃的远程控制机器人是自主式移动机器人，它的自主性和移动性的特点 将在更高程度上满足人们对远程空间探索的要求，并为最终与非结构化的，未 知的远程环境的交互提供了研究平台。基于w e b 的远程自主式移动机器人系统 各自特色。瑞士联邦工学院的k h e p o n t h e w e b 是第一个基于w e b 的远程自主式 移动机器人系统。用户不但可以控制机器人k h e p e r a 的位置和速度，还可以通 过对摄像机旋转角度及镜头伸缩的控制得到需求的图像反馈。美国c a r n e g i e m e l l o n 大学的x a v i e r 穿行于实验室和教室之间，如果用户给出本人的e m a i l 2 华北电力大学硕士学位论文 地址，它会在到达目的地之后通知用户，并包含图片或最拿手的碰一碰笑话。 德国b o n n 大学开发了用于博物馆导航的r h i n o 和i n e r v a 和n a s a 的火星极地 登陆者m a r sp o l a rl a n d e r 则在基于w e b 的远程自主式移动机器人的两大主要应 用领域进行了积极的尝试。 t a m 等采用基于事件的智能控制方法实现了基于i n t e r n e t 的遥操作，其从 手一端具有比较高的自主决策能力；l e u n g 等提出使用h 。与z 分析的方法对存 在时延的双向力反馈系统进行鲁棒控制；o b o e 与f i o r i n i 等采用简单的p d 控制 器来实现网络时延下的罄操作；n i e m e y e r 与s l o t i n e 基于波变换采用重构滤波 器来保证通讯模块的无源性；k o s u g e 等基于耗散理论采用虚拟固定时延的方法 将变化的时延转化为固定时延处理，但这种方法依赖于时延的上限；y o k o k o h j i 等根据波变量的积分与能量对其进行补偿等非线性方法来限制通讯中产生的附 加能量。 机器人在经过了半个多世纪的发展取得了辉煌的成果，随着将i n t e r n e t 与 机器人的结合，远程控制机器人已经能成功地应用于很多领域，相继出现了足 球机器人、太空机器人、水下机器人以及工业机器人。 1 2 2 国内研究现状 目前，国内在基于i n t e r n e t 的机器人控制技术领域的研究取得了很多成果， 尤其以哈尔滨工业大学、上海交通大学、清华大学、中科院沈阳自动化所、北 京航空航天大学、华南理工大学、东南大学等最为突出。 哈尔滨工业大学研究的基于i n t e r n e t 的遥操作机器人系统一t e l e r o b o t 采用 由i n t e r n e t 服务器和机器人服务器构成两层服务器结构，该系统可以使得用户 通过w e b 浏览器对一台p u m a 5 6 2 机器人进行控制。完成抓取、搬运、堆放等 操作。其w e b 服务器采用j a v a 语言编写的通用网关接口c g i ，w e b 服务器与 机器人服务器之间采用w i n s o c k 通信。该系统没有提供动态的实时图像，而是 以静态的图片反馈给各广+ 端。 上海交通大学也开发了基于网络的机器人遥操作系统，被控机器人是一台 a d e p t 6 0 4 一s 型工业机械手。机器人服务器、图像服务器和c g i 程序用v b 开发， 他们之间的通信通过d d e ( 动态数据交互) 进行。由于此系统的人机交互界面也 是基于h t m l 技术的，交互性差，控制方式单一。此后，他们对这个工业机械 手，又开发了一个基于w e b 的机器人遥操作系统，使用j a v aa p p l e t 开发客户 端用户界面，但对视频图像传输等未涉及。 2 0 0 0 年华南理工大学吴国钊学者报告了他们基于i n t e r n e t 的机器人实时跟 踪系统，系统采用了客户服务器模式，通过图像采集，图像传输，客户请求应 3 华北电力大学硕士学位论文 答三个线程实现机械臂z e b r o 状态控制。在时延控制、人机界面等各方面的工 作未深入探讨。 沈阳自动化研究所的遥操作机器人系统，采用j a v a 语言进行开发，实现了 图像以及指令信息的传送。 清华大学开发了基于事件的网络机器人遥操作系统，采用了基于事件和图 形预测仿真的直接控制方法，实现了i n t e r n e t 上的多用户双臂遥操作系统，但 视频传输不连续，每秒一幅j p e g 格式压缩的图像。 总之，国内对于基于i n t e r n e t 的机器人控制正处于由实验室阶段向实际应 用得过渡时期。2 0 0 4 年4 月2 6 日，内地首例远程遥控机器人成功操刀切除患 者胆囊，也在证实国内远程控制机器人开始逐步应用在各个领域。2 0 0 5 年1 2 月2 3 日，由北京航空航天大学机器人研究所和海军总医院神经外科共同研制的 可通过互联网异地遥控：| j 挥的机器人为一患病老人做开颅，手术成功仅耗时4 0 分钟，这是国内首例通过普通互联网控制机器人成功手术。 1 2 3 基于i n t e r n e t 的机器人远程跟踪与控制中存在的问题 与传统的系统不同的是，基于i n t e r n e t 的机器人远程跟踪与控制系统以网 络环境和数据传输为架构，因而面临以下问题： 1 、时间延迟问题 由于受带宽和网络负载变化的影响，网络的长时间延迟具有不确定性。传 统的遥操作一般假设固定或约定的延迟和数据通过率。目前，能够完全处理好 网络通讯时延并进行远程机器人的实时控制在理论上与实际上都存在诸多有待 解决的问题，因此还没有在i n t e r n e t 上实现的实用实时控制系统，但是已经有 很多学者已经成功地完成了一些实验系统，为最终实现基于i n t e r n e t 的远程跟 踪与控制系统奠定了基础。 2 、网络阻塞造成的数据包丢失 数据包的丢失，尤其是命令数据的丢失将导致无法远程控制机器人，这样 系统的稳定性就很差。在智能控制方式中，后一动作是前一动作的继续，如果 某一时刻，控制命令无法到达服务器，机器人将会陷入等待或者保持状念，无 法完成预定的动作从而导致出错。少量的数据丢失虽然不会影响系统的稳定性， 但会影响机器人的识别，进而失去对机器人的跟踪，无法完成紧急情况的命令 控制。 3 、系统的安全性问题 与其它的i n t e r n e t 系统一样，基于i n t e r n e t 的机器人远程跟踪与控制系统也 要面对网络上潜在的恶意攻击。因此，在系统建立时，安全性是必然要考虑的 4 华北电力人学硕士学位论文 问题。 1 3 课题的研究目的和意义 机器人的远程控制系统的理论基础包括人工智能、计算机、机械动力学和 自动控制等领域，其中包括数据信息的采集、处理和特征提取、模式识别和分 析、相关算法研究以及网络多媒体传输、网络时延特性与分析、智能控制以及 传感器等领域，它的出现和发展促进了相关学科和领域的发展。 i n t e r n e t 的迅速发展使社会经济结构和人们的生活方式发生了巨大的变 化，而将i n t e r n e t 与机器人相结合，这也推动了信息领域和机器人领域的融合。 而随着机器人的智能控制的发展，这必将对于未来的制造领域和控制领域的应 用和发展有重大意义。 基于i n t e r n e t 的机器人远程跟踪与控制系统的实现将极大地改善远程控制 机器人的能力。人们可以将自己的智慧和技术同远程控制机器人的适应能力相 结合而完成有害环境或距离下的作业任务，如： 1 、完成人无法到达或危险环境诸如海底、太空、核材料和有毒物质处理 等场所下的作业任务。 2 、通过远程控制机器人来提高任务的执行效率和精度，并通过i n t e r n e t 协同合作。 3 、通过组织各种机器人大赛，促进人们对于机器人技术的了解和推动。 各种机器人竞赛，包括a b ur o b o c o n 、f l l 、机器人足球( r o b o c u p f i r a ) 、 机器人灭火、机器人老鼠( m i c r o m o u s e ) 等等。这些比赛将推动着机器人技术 的发展以及培训未来的机器人专家。 1 4 本文的主要研究内容 本文结合现有的实验环境和实验条件，机器人采用韩国y u j i nr o b o t ，机 器人通信采用是r f ( 无线射频) 通信模块，以自行搭建的基于c s 模式的远程 机器人跟踪与控制平台，设计了一个基于i n t e r n e t 的机器人远程跟踪与控制系 统。论文的主要工作概括为以下几个部分： l 、分析了双轮驱动移动机器人的运动学方程，在本课题的双轮驱动移动 机器人的基础上建立了移动机器人运动学约束模型与位姿运动学模型，并建立 了基于视觉反馈的实时逸障算法模型。 2 、在u d p 协议基础上，结合t c p 可靠性实现的方法，提出了t c po v e r u d p 技术，分析了t c po v e ru d p 技术的两种实现方式，讨论了t c po v e r 华北电力大学硕士学位论文 u d p 的核心技术，并在应用层实现了t c p o v e r u d p 技术。 3 、阐述了图像分割的方法，在序贯相似性检测算法的基础上改进算法的 预处理步骤，介绍了改进算法的各个步骤，分析了单摄像头下目标跟踪的可能 性，并实现了机器人的识别与跟踪。 4 、论述了基于i n t e r n e t 的机器人远程跟踪与控制系统的功能、体系结构以 及软件实现，设计了基于i n t e r n e t 的机器人远程跟踪与控制系统。 这几部分内容并不是孤立的，实时避障是以目标识别为基础的，t c p o v e r u d p 技术可以减小网络传输的时延，实时的网络数据传输将为目标的识别与跟 踪及下一步的避障奠定条件，而系统是实时避障、目标识别与跟踪以及图像传 输的统一体。 华北电力大学硕士学位论文 第二章双轮驱动移动机器人的轨迹控制 2 1 机器人车轮驱动配置 机器人在地面的移动方式通常有三种：车轮式、履带式和步行式。利用车 轮移动是最常见的一种地面行进方式。车轮移动方式的优点是：能高速稳定地 移动，能量利用效率高，机构和控制简单。它的缺点是对地面要求比较高，适 用于平整的硬质通道。 从理论上讲，三点决定一个平面，因此轮式移动载体的平稳运动至少需要 3 个轮子支撑。目前机器人上最常用的是3 轮或4 轮移动方式，在某些特殊 应用情况下也有5 轮以上的机器人。 典型三轮移动机器人通常采用1 个中心前轮和2 个后轮的车轮布置，要解 决双轮驱动移动机器人远程控制系统研究的主要问题是移动方向和速度的控 制。3 个车轮配置与功能的不同组合又可以将3 轮机器人分为图2 - 1 所示的若 干类型。 图2 - 1 ( a ) 所示为双轮驱动移动机器人，其组合是前轮1 为可以任意方向滚 动的小脚轮，小脚轮的作用是使车体稳定，但会给车体带来力学上的干扰冲突， 后轮2 和后轮3 为独立驱动轮，利用它们的转速差实现转向。这神组合的特点 是机构组合容易，而且当2 个驱动轮以相同速度、相反方向转动时车体能绕2 个驱动轮连线的中点自抟，但自转中心与车体中心不一致。 图2 - 1 ( b ) 所示的组合是操舵机构和驱动机构集中在前轮1 上，2 个后轮只 起支撑从动的作用。与图2 - 1 ( a ) 相比，该机构也能绕2 个后轮连线的中点自转， 但其前轮驱动集中，结构比较复杂。 图2 - 1 ( c ) 所示的组合是前轮1 为操舵轮，后轮2 和后轮3 中一个为驱 动轮，另一个为从动轮。这种车轮机构的特点是结构简单、组成容易，但单边 驱动的驱动性差，稳定性不好，不能自转。 图2 - 1 ( d ) 的车轮组合将图2 - 1 ( c ) 的单轮驱动改为双后轮差动驱动，提高了 驱动性，但加了一个差动齿轮装置，结构更复杂，也增加了质量。 双轮驱动移动机器人是轮式移动机器人系统中被广为研究的系统之一。本 文以实验室的双轮驱动移动机器人为研究对象。 2 2 坐标系的建立 在对移动机器人的环境信息( 主要是环境结构布局以及障碍物分布布局信 7 华北电力大学硕士学位论文 ( c )( d ) 图2 - 1 三轮机器人车轮配置 息) 进行描述时，必须建立两个坐标系：全局坐标系僻一y ) 和车载局部坐标系 ( 五一k ) 。它们之间的关系如图2 2 所示。其中，n ) 为机器人在全局坐标系 中的坐标。 g 是毒= 钱筠辫璺 轹惑叩薛坐标 图2 - 2 坐标系的建立 华北电力大学硕士学何论文 2 2 1 全局坐标系 建立全局坐标系的目的是用来描述整个环境的信息，标识当前机器人的位 置。全局坐标值描述了机器人当前在整个工作环境中所处的位置。因此全局坐 标系可以用来对机器人的定位。 2 2 2 车载局部坐标系 全局坐标系和车载局部坐标系之间的转换关系为： x = m + 也x c o s a kx s i n a ( 2 - 1 ) y = n + kx c o s a + x bx s i n a 其中， 为车载坐标系绕全局坐标系所转过的角度。 顺时针方向为负。 2 2 3 移动机器人运动学模型 ( 2 2 ) 并定义逆时针方向为正， 一个动态系统可以分为受约束和不受约束的系统。而受约束系统又可分为 完整系统和非完整系统，或两者兼而有之。本论文所讨论的双轮驱动移动机器 人系统就是一个这样既有完整性约束，又具有非完整性约束的动态系统。广义 地说，任何带有轮式移动驱动机构的机械装置都属于这类机器人范畴。 本文的移动机器人由刚性车体和刚性轮组成，轴相对车体的方向是固定的。 我们假定机器人在水平面上运动，在运动过程中，每个轮子的回转面始终与水 平面保持垂直，并且轮子始终绕它的水平轴回转：轮和地面的接触为单点接触。 下面我们来分析一下本文中采用的移动机器人的受约束情况，如图2 3 所示。 y 0 图2 - 3 沿轮子平面方向的约束模型 半径为r 的车轮沿平面做纯滚动，车轮中心a 至轨道的距离始终保持不变， 所以其几何约束方程( 几何约束指只包含系统各点的坐标而不包含系统各点速 9 华北电力大学硕士学位论文 度的约束) 为： y 。= r ， ( 2 3 ) 此外，车轮还受到纯滚动运动的限制，即每瞬时与轨道接触点c 的速度等 于零，这就是运动约束( 运动约束是指包含系统各质点坐标对时间的导数，即 速度的约束) 。其约束方程可写成 一唧珊；0 ( 2 - 4 ) 因为v - 土 ，一驴，故式( 2 4 ) 口- 7 写成 土 一8 驴- o 所得到的运动约束是一个比较简单的运动约束 进行积分，成为有限积分形式，即 ( 2 5 ) 对于这个运动约束方程，可以 硝一妒一c ( 2 - 6 ) 这样的运动约束成为町秘的运动约束，它和几何约束没有显著差别。几何约束 与可积的运动约束，总称为完整约束。从物理意义上来说，完整性约束可以由 位置变量的状态方程表示，或者本来是由速度变量的状念方程可以积分成由位 置变量表示的方程。双轮驱动移动机器人做平面运动时，其模型如图2 4 所示。 x 图2 - 4 垂直于轮子平面的约束模型 x r 为机器人运动平面上的外部笛卡尔坐标系( 全局坐标系) ，x b k 为 固连两后轮连线中点q 上的小车笛卡尔坐标( 车载局部坐标系) ，( x ，y ，口) 为移 动机器人在全局坐标系下的位姿向量，x 和y 分别为移动小车的位置坐标，0 为 车载局部坐标系相对于全局坐标系方向，即小车的姿态角，以逆时针方向为正。 v 和珊分别为小车轮基中点q 的前进速度和角速度。h 和v 。分别为小车左、 右速度。0 。v 。) 和( v ，) 之间满足以下关系式： 1 0 华北电力大学硕士学位论文 阶 1 2 1 w 1 2 1 _ w ( 2 - 7 ) 现假设在反馈控制中都以轮基中点0 b 0 ，y 0 ) 为基点进行，则可得到平面运 动的轮式移动机器人运动学方程为： f 量；v c o s 口 j 岁- v s i n 0( 2 - 8 ) 【扫i 甜 由于在整个机器人系统做平面运动过程中，它必须满足纯滚动和不滑动的 约束条件，由式( 2 8 ) 的一、二式可以得到系统存在的约束方程： i s i n 0 一夕c o s 0 0( 2 - 9 ) 如果运动约束方程不可能积分为有限形式，则称为非完整约束。可以用反 证法证明式( 2 9 ) 是一个非完整约束。 证明：假设式( 2 9 ) 是完整约束，即可以把它积分成有限形式 ，o ，y ，口) c( 2 1 0 ) c 为常量。再对式( 2 1 0 ) 求导得： ，y ，p 弦+ l ( x ，y ，日) 岁+ 厶o ，y ，o ) o = 0 ( 2 - 1 1 ) 式( 2 一1 1 ) 中，l ( x ，y ，0 ) 、，v o ，) ，8 ) 、l ( x ，y ，o ) i ； - 别为函数f ( x ，y ，8 ) 对x 、y 、0 的 偏导数。将式( 2 1 1 ) 与式( 2 9 ) 对比，则可以得出： l ( x ，y ，0 ) = s i n 0 ，l g ，y ，0 ) - c o s o ，厶o ，y ，口) 一0( 2 1 2 ) 由l ( x ，y ，0 ) 一0 ，f ( x ，_ ) ，0 ) 是一个与0 无关的函数，而这与l ( x ，y ，o ) = s i n 0 ， ( x ，y ，0 ) 一c o s o 相矛盾。因此式( 2 - 9 ) 是不可积的，即它是一个非完整 ( n o n h o l o n o m i c ) 约束。 非完整约束的一个重要性质就是，它不减少系统的自由度。该约束的物理 意义是：在轮子不发生滑动的情况下，机器人只能在垂直于轮轴的方向上做瞬 时运动，也即，不能瞬时沿轮轴方向运动。这时机器人可以向前或向后做直线、 旋转运动，但不能横向运动，系统受有制约其速度的非完整约束。 对系统的任意两个状态“，y l ，b ) 和0 ：，y ：，0 2 ) ，存在控制，7 0 ) 使系统从 “，y 。，q ) 运动至0 2 ，y ：，0 2 ) 。 由式( 2 9 ) 可以得到： 0 一a r c t 9 1 7 r 2 1 3 ) 1 1 华北电力人学硕士学位论文 式f 2 1 3 ) 3 菱明：z ，y ，口三者之间并不完全独立。 2 4 位姿运动学模型 2 4 1 位姿运动学模型的建立 为了能够控制机器人行走，系统必须经常识别机器人的位置与姿态( 方位 信息) ，即定位问题。 图2 5 是车体速度的向量分解示意图。盖一y 为机器人运动平面上的外部 笛卡尔坐标系( 全局坐标系) ，以一k 为固连两后轮连线中点q 上的小车笛卡尔 坐标( 车载局部坐标系) 。移动机器人的位置姿态函数分别用石( f ) 、) ，o ) 、口( f ) 表 示，其积分表达式为 日o ) 。j = 甜( r y f + 日( f 0 ) ( 2 1 4 ) x o ) * 工”p ) 。c o s 口。d r + x ( t 。) ( 2 1 5 ) _ ) ，p ) 。上”( f ) s i n o d v + x ( t o ) ( 2 1 6 ) 图2 5 车体速度的分解和积分 在实际计算机控制中，必须将上式公式离散化，也就是将图2 5 中的栅格 面积累加起来做近似。有两种近似算法：矩形栅格近似法和梯形栅格近似，分 别如图2 - 6 ( a ) 和( b ) 所示，即利用极短时间周期和该周期初始、木所采集到的编 码器的值瓴) 、瓴一。) 等进行运算求得近似值。矩形栅格近似法离散化比较简 单，现以矩形栅格近似法为例，对图2 6 ( a ) 的矩形栅格可近似为 8 ( l ) - n t k ) a t + 8 0 j 一。) ( 2 - 1 7 ) 工忆) 一v 瓴) c o s o 瓴) a t + x 瓴一1 )( 2 1 8 ) ) ，忆) 一v 瓴) s i n o 瓴) a t + y 瓴一1 )( 2 - 1 9 ) 12 华北电力人学硕士学位论文 式中，吒- n a t 。 m 一删、 霾 l ；k i 叫t “= l l ；q ni 。吲轴j lllliilil - ht ( b ) 图2 6 位姿积分的近似算法 系统必须保存机器人的前一个位姿、当前位姿和下一个位姿，以便能正确 控制机器人的运动。如图2 7 所示。 e ( x 。，y 。，吼) 和p 瓴。y 。，吃一。) 分别代表当前时刻和上一时刻移动机器人位 姿a 令口为移动机器人在极短时问a t ( 采样时间周期) 内产生的方向角增量， 以逆时针方向为正，她、衄分别为移动机器人左轮和右轮在一个采样周期a t 内 走过的弧长，显然移动机器人轮基中点q 在a t 内走过的弧长近似为： a d ；a r _ + a l( 2 2 0 ) 根据图2 - 7 的几何关系，可以直接得到方向角增量 口z 了a r - a l ( 2 - 2 1 ) 只( ，n ，见) 与，纯+ 儿。最一，) 之间的几何关系近似满足： - x 。一1 + a d c o s ( o , 1 + a o ) ( 2 2 2 ) 虬= 儿- 1 + ms i n ( 8 一l + 口) ( 2 2 3 ) 1 3 华北电力大学硕士学位论文 吼- 吃一1 + a o ( 2 2 4 ) 式( 2 2 2 ) 、( 2 - 2 3 ) 和( 2 2 4 ) 与式( 2 1 7 ) 、( 2 - 1 8 ) 和( 2 - 1 9 ) 是一致的。若已知机 器人小车某时刻的位置方位只- l 只要根据微小时间后双轮驱动的移动距离l 和a r 即可以计算出新的位置方位只。以后各个时刻的位置方位可依此类推。本 课题的机器人小车就是采用了这种方式进行定位。 2 4 2 转向和转弯半径 图2 7 机器人彳亍走控制算法示意图 双轮驱动移动机器人的操舵轮属于被动情况，转向是利用它们的转速差来 实现。在图2 - 8 中，设机器人前进方向速度为v 、车体绕两个后轮连线中点的 转动角速度为c o 、车轮半径为吼、左右车轮对应的角速度分别为q 和c o , ，则根 据点的速度合成，对左轮： q 唧v 一了w ( 2 - 2 7 ) 对右轮： q 唧，v + 甜j w( 2 2 8 ) 根据式( 2 2 7 ) 和式( 2 - 2 8 ) 可求出左右轮的转向角速度， q ( v 吲娶) ，吼 ( 2 2 9 ) q ；( v + c o - 罢) 唧( z - 3 0 ) 由式( 2 - 2 9 ) 和式( 2 3 0 ) 可得： v 垃等超( 2 3 1 ) 兰i ! 皇垄杰堂堡主堂垡笙奎 。鲤二竺：1 2 ： 结合v 。r o r ，可求得转弯半径 尺。丝! 丝里 q q 2 可以看出，当q 或q 之一为0 时， r ；里 2 当q q 时，r 一。，此时，机器人沿着直线移动。 图2 - 8 双轮驱动移动机器人的转向 2 5 实时避障算法模型 r 2 3 2 ) r 2 - 3 3 ) f 2 - 3 4 ) 实时避障就是机器人在行进中由当前位置绕过障碍物到达目标点。在机器 人的期望路径上，要么存在障碍物，要么不存在障碍物。对于障碍物，或者其 与背景反差较大，易于识别，本文称之为显示障碍物；或者其与背景很相似， 很难识别，本文称之为隐式障碍物。 2 5 1 算法结构 如图2 - 9 所示，算法的核心在于识别障碍物，并调整机器人的位姿和运动 参数，根据机器人行走控制算法，以最优路径绕过障碍物到达目的地。 华北电力大学硕士学位论文 2 5 2 算法步骤 图2 - 9 机器人实时避障结构图 算法基于视觉反馈，依据机器人当前的控制参数v ，和v 。实时检测前方l 处 矩形区域的障碍物，l 是关于叱和的函数，即l - f ( v l ，) 。假设当前位置为 s ；( x s ，y 。) ，目标点为d 一( x o ，y 。) ，实时避障算法步骤如下： s t e p l ：根据当前位置s 和目标点d 确定机器人的初始参数r ：和。因为两 点间直线最短，可以设定期望路径为起点s 和终点d 之间的直线，确定机器人 的初始参数：左右轮速为屹一屹一，参考运动方向为 0 s - a r e t a n 嚣( 2 - 3 5 ) 因此初始参考向量为p ，- ，y 。，以) 7 。初始参数确定后，控制机器人沿期望路径 前行。 s t e p2 ：检测前方( o ，l ) ，l = f ( v o ) 处是否存在障碍物，如果存在障碍物，则 进入s t e p3 ，否则进入s t e p4 。其中l “k ，可以设为l = a v ，即l a v ，。 s t e p3 ：检测障碍物的边缘，如图2 1 0 所示。设障碍物的边缘点为b 1 和鼠， 比较检测点p ，只) 经过边缘点b 1 “，y 1 ) 到达终点d ，y 。) 的 路径和检测点 p ，y ，) 经过b ：( 屯，y ：) 到达终点d ( x o ，y 。) 的，2 路径的长短，