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a g v 开放式控制系统设计 摘要 自动引导小车( a u t o m a t i cg u i d e dv e h i c l e ，a g v ) 是一种无人操纵的自 动化搬运设备，是自动化仓储系统中物流运输的有效手段。它在地面控制系 统的统一调度下能够实现自动货物搬运、无人传送等工作。由于其能够方便 地重组系统，同时能够做到生产过程中的柔性化运输的目的在物流仓储领域 广为应用。a g v 的工作特点要求a g v 控制系统应具备机电设备的多轴联 动、多传感器实时数据采集与处理、与上位机数据交换等功能。目前，我国 自行研制a g v 使用控制器主要有单片机、p l c 和d s p 多轴运动控制卡。使 用单片机进行控制具有成本低、集成度高和开发难度低等特点，但是其在多 轴运动控制应用中算法实现相对难度较大；p l c 作为控制器工作可靠，控制 i o 点数多，但是其在多轴运动控制中成本和其控制轴数成正比。d s p 多轴 运动控制卡与上述两种设备相比具备很大优点，可以轻松进行运动控制， d s p 多轴运动控制卡负责实时部分操作，由工控机实现功能调度和指令发送 等非实时性工作，这样工控机在大部分时间处于闲置状态，这种结构造成了 工控机运算资源的浪费。因此本课题综合上述设备的利弊，提出一种基于 r t - l i n u x 操作系统配合数据采集卡的一种开放式控制系统结构。 本课题在分析了a g v 运动功能及其控制要求的基础上，提出了基于 r t - l i n u x 开放式控制系统的总体设计方案，对其硬件结构的搭建和软件体 系各功能模块的组织进行了详细的研究。构建了由工业计算机+ i o 卡构成 的硬件平台，在不引入下位机的前提下实现了全软件型的开放式数控系统， 保证了系统的开放性和模块化结构；按照任务实时性的不同，控制系统应用 程序从总体上划分为非实时域和实时域两部分，并对各子功能模块的功能实 现和具体的编程手段进行了分析研究。 基于r t - l i n u x 开发数控系统软件，简洁方便功能齐全的图形用户界面 ( g u i ，g r a p h i cu s e ri n t e r f a c e ) 是必须的。本文比较了几种流行的g u i 解 决方案，对其各自的特征和优缺点进行了总结并选择m i n i g u i 作为开发平 台，分析了a g v 系统对于图形用户界面功能需求，开发出了适合于a g v 应用的界面，其具备界面友好、操作方便、功能完备、占用资源少的人机交 互界面。 本文在总结r t - l i n u x 的环境下a d 卡和i o 卡硬件设备驱动程序开发 模式的基础上，阐述了c o m e d i 开发规范，研究了使用c o m e d i 进行 r t - l i n u x 系统下的硬件驱动开发的关键技术，并进行了实例分析。 关键词：开放式控制系统，a g v ，r t - l i n u x ，m i n i g u i i i o p e nc o n t r o ls y s t e md e s i g no fa g v a b s t r a c t a u t o m a t i cg u i d e d v e h i c l e ( a u t o m a t i cg u i d e dv e h i c l e ，a g v ) i sa n u n m a n n e da u t o m a t e de q u i p m e n t ，w h i c hc a na c h i e v ea u t o m a t i cc a r g oh a n d l i n g u n d e rt h eg r o u n dc o n t r o l s y s t e ms c h e d u l i n g ，a n du n m a n n e dt r a n s l a t i o n ，e t c b e c a u s eo fi tc a nr e c o m b i n es y s t e me a s i l ya n db ea b l et ob ef l e x i b l ei nt h e p r o d u c t i o np r o c e s sa tt h es a m et i m e t r a n s p o r t a t i o nw a sw i d e l yu s e da ta b r o a d a sa g vc h a r a c t e r i s t i c so ft h ej o br e q u i r e m e n t s ，i ts h o u l dh a v em u l t i a x i sm o t o r l i n k a g e ，m u l t i s e n s o rr e a l t i m ea c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g ，i nt h eh o s tc o m p u t e r d a t ae x c h a n g ef u n c t i o n s a tp r e s e n t ，s e l f - d e v e l o p e da g vh a du s e ds i n g l e c h i p c o n t r o l l e r p l ca n dd s pm u l t i a x i sm o t i o nc o n t r o lc a r d t h ec h a r a c t e r i s t i co f si n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e ri sl o wc o s t ，h i g hi n t e g r a t i o na n de a s yt od e v e l o p m e n t ， b u ti ti sn o te a s yt oa c h i e v ei nm u l t i a x i sm o t i o nc o n t r o l ；p l cc o n t r o l l e ri st h e m o s tr e l i a b l e ，c o u l dc o n t r o l m a n yi op o i n t s ，b u tp l ci s s oe x p e n s i v ea s m u l t i a x i sm o t i o nc o n t r 0 1 a n dt h ec o s t si si nd i r e c tp r o p o r t i o nt ot h en u m b e ro f a x e s ；d s pm u l t i a x i sm o t i o nc o n t r o lc a r dh a v em a n ya d v a n t a g e sc o m p a r e dt o a b o v e - m e n t i o n e dt w ot y p e so fd e v i c e s ，y o uc a ne a s i l yc o n t r o lt h ed e v i c e ，b u ti t m u s tb ec o m b i n e dw i t hi p c ，d s pm u l t i a x i sm o t i o nc o n t r o lc a r di sr e s p o n s i b l e f o rr e a l - t i m ep a r to ft h eo p e r a t i o n ，i tc a r r i e do u tb yt h ei p ci m p l e m e n t a t i o n f u n c t i o n ss u c ha sn o n r e a l t i m e o b ，s om o s to ft h et i m e ，i p ci sn o tw o r k ，t h i s s t r u c t u r eh a sr e s u l t e di naw a s t eo fi p c t h e r e f o r et h ei s s u eo ft h ep r o sa n dc o n s o ft h ea b o v ee q u i p m e n t ，t h i sp a p e rr e s e a r c hao p e nc o n t r o ls y s t e mt h a tb a s eo n r t l i n u xs y s t e ma n dd a t aa c q u i s i t i o nc a r d a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so ff u n c t i o nr e q u i r e m e n t so fa g vc o n t r o ls y s t e m ， t h es c h e m eo fo p e nc o n t r o ls y s t e mb a s e do nr t - l i n u xi sp r o p o s e d ，t h eh a r d w a r e s t r u c t u r ea n ds o f t w a r ef r a m e w o r ka r ed i s c u s s e di nd e t a i l t h eh a r d w a r es t r u c t u r e c o n s i s t so fi p c & a dc a r d & i oc a r d a n dt h es o t ts y s t e mi si m p l e m e n t e d w i t h o u ti n t r o d u c i n gs l a v e c o m p u t e r , t h eh a r d w a r ec o s t c a nb er e d u c e d r e m a r k a b l y , a n dt h eo p e n n e s sa n dm o d u l a r i z a t i o no fc n cs y s t e mc a nb ea s s u r e d t ot h eg r e a t e s te x t e n t t h es o f t w a r ef r a m e w o r ki sd i v i d e di n t ot w of i e l d s ：n o n r e a l t i m ef i e l da n dr e a l t i m ef i e l d t a s k so fn o nr e a l t i m ef i e l dr u ni nu s e rs p a c e i l l w h i c hi n c l u d e sf il em a n a g e m e n t ，p a r a m e t e rs e t u p ，d e c o d i n g ，s p r a y i n gt r a je c t o r y s i m u l a t i n ga n do t h e r f u n c t i o n a ls u b m o d u l e s t a s k so fr e a l - t i m ef i e l dr u ni n k e r n e l s p a c e ， w h i c hi n c lu d e s i n t e r p o l a t i o n ，p o s i t i o nc o n t r o l ， a c c e l e r a t i o n d e c e l e r a t i o nc o n t r o l ，i oc o n t r o la n do t h e rf u n c t i o n a ls u b m o d u l e s c o m b i n i n gw i t ht h ea u t h o r sd e v e l o p i n ge x p e r i e n c e ，t h es c h e d u l i n gp o l i c yo f d i f f e r e n tp r i o r i t yt a s k si ss t u d i e d ；t h ew a yh o wt h ef u n c t i o n a ls u b m o d u l e sa r e p r o g r a m m e da n dt h ed a t ab u f f e r i n gm e c h a n i s ma r er e s e a r c h e di nd e t a i l d e v e l o p i n gs o f t w a r eb a s e do nr t - l i n u x ，ac o n c i s ea n df u n c t i o n a lg u ii s e s s e n t i a l i nt h i st h e s i s ，s e v e r a lp o p u l a rg u ip l a t f o r m sa r ec o m p a r e d a f t e r s u m m a r i z i n gt h ef e a t u r ea n da d v a n t a g e d i s a d v a n t a g eo f e a c ho t h e r , m i n i g u ii s s e l e c t e da st h ep l a t f o r mf o rd e v e l o p i n gg u if o rt h i ss y s t e mf i n a l l y t h e a r c h i t e c t u r ea n dt e c h n i c a lf e a t u r e so fm i n i g u ia r es t u d i e dt h o r o u g h l y b a s e do n m i n i g u i ，af r i e n d l y , e a s yt oo p e r a t e ，f u n c t i o n a lw e l l - f o u n da n dl o wr e s o u r c e o c c u p a t i o nh u m a n c o m p u t e ri n t e r f a c e i s i m p l e m e n t e d ，w h i c hp r o v e s t h a t m i n i g u ic a nf i tf o rt h ei n t e r f a c ed e m a n do fi n d u s t r yr e a l - t i m ec o n t r o ls y s t e m v e r yw e l l c o m e d ic r i t e r i o ni sd i s c u s s e do nt h eb a s eo fs u m m a r i z i n gt h eh a r d w a r e d e v i c ed r i v e ri nr t - l i n u x ，a tt h es a m et i m ep i v o t a lt e c h n i q u eo fc o m e d id r i v e r i ss t u d i e da n de x a m p l e sa r ea n a l y z e d k e y w o r d s ：o p e n c o n t r o ls y s t e m ，a g v , r t - l i n u x ，m i n i g u i i v a g v 开放式控制系统设计 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行 研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任 由本人承担。 论文作者签名：么醢- 逊 日 期：2 q q2 生五月 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权陕西科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学 位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提 供信息服务。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：躯巍黔师签名： a g v 开放式控制系统设计 l 绪论 1 1 课题背景及意义 自动引导小车a g v ( a u t o m a t i cg u i d e dv e h i c l e ) 是一种无人操纵的自动化运输设备， 是当今柔性制造系统、计算机集成制造系统、自动化仓储系统中物流运输的有效手段i 。 它在地面控制系统的统一调度下能够实现自动货物搬运、无人传送等工作。它与物料输 送中常用的堆垛机、单轨小车、传送带、传送链等相比活动区域无需铺设轨道、支座架 等固定装置，不受场地、道路和空| 日j 的限制，因此由于其能够方便地重组系统，达到生 产过程中的柔性化运输之目的而被广泛应用1 2 】。 最早在1 9 1 3 年美国福特汽车公司开始使用有轨道的引导车辆，到上世纪八、九十年 代，随着计算机技术、数字化、网络化的发展，a g v 在工业领域的应用也逐渐成熟起来。 到目前为止，全世界己拥有a g v 系统1 5 0 0 0 多个，约1 0 0 0 0 0 辆小车i ，l 。 目前我国的a g v 设计应用尚在起步阶段，成套使用的a g v 控制系统由单纳赫公司 出品的n d c 8 占据了大部分市场，自行设计的a g v 控制系统多采用p l c 或单片机作为 控制核心【4 】，这种方法不但设计周期长、设计难度大而且开放性差。 本课题借鉴国外移动机器人领域的研究方法，希望将先进的数字控制理论和方法应 用于a g v 控制系统中来，利用数字化执行部件工作可靠、动态响应能力好、调速范围 宽的特点，研制出支持高速，高精度，开放程度高，界面友善的a g v 开放式控制系统。 1 2 开放式控制系统发展现状 9 0 年代以来，发展基于p c 的开放式数控系统己成为数控领域的重要内容【卯。开放 式数控系统的主要目的是解决变化复杂的市场需求与控制系统功能专一的固定模式之间 的矛盾，使数控系统易变、紧凑、廉价，并具有很强的适应性和二次开发性。i e e e ( i n s t i t u t e f o re l e c t r i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r s ：国际电气电子工程师协会) 对开放式数控系统的 定义是：“具有下列特性的系统可以被称为开放式系统：符合系统规范的应用可以运行在 多个销售商的不同平台上，可以与其它的系统应用互操作，并且具有一致风格的用户交 互界面。 根据i e e e 定义，gp r i t s h o w 提出了开放式控制系统规范的基本特征t 6 ，即： a 互操作性( i n t e r o p e r a b i l i t y ) ：提供标准的数据格式、通信及交互机制； b 可移植性( p o r t a b i l i t y ) ：系统可运行于不同的软硬件平台之上； c 可扩充性( s c a l a b i l i t y ) ：允许用户对系统进行扩展和裁减： d 互换性( i n t e r c h a n g e a b i l i t y ) ：系统的各功能模块可以根据需要进行替换。 开放式数控系统应该是不依赖于特定的软硬件平台，系统结构高度模块化、重构性 陕曲科技人颁l 予，f 、l 论文 强、功能扩充方便的控制系统，它允许用户楸扼f i 已的需要自由选择和配置软硬件模块 1 7 1 。其模块化的设计理念不仅有利于控制器乍产商缩短产品研发周期，快速应对市场上 用户提出的特殊要求，而且可以使用户获得价格低廉、功能强大、后续扩展升级方便的 数控系统产品。因此，基于开放体系结构的数控系统一直是欧美发达国家的研究热点。 开放式数控系统的基础包括硬件、软件和例络在内的p c 技术。随着工业p c 机迅 速发展，技术日益成熟，因此如何充分利用工业p c 资源，将其功能集成到c n c 中，发 展基于p c 的数控系统已成为数控领域的重要研究内容。由于数控系统对多任务和实时 性特性的要求，限制了如d o s 、w i n d o w s 等通用操作系统在数控中的应用。因此，本课 题引入r t - l i n u x 操作系统，l 弭l i n u x 使众多实时操作系统中较为可靠和稳定的，而且已 经得到了成功的应用，例如，美国国家航空航天局喷气推进实验室成功将r t - l i n u x 作为 实时操作系统平台应用于a i r m i s r 机载成像仪中，美国b l o u n t 有限公司开发了基于 r t - l i n u x 的实时数字控制系统等等。 1 3 本课题主要研究内容 本课题通过对a g v 底盘运动方式的具体分析，建立在实时多任务操作系统r t - l i n u x 软件平台以及工业p c 硬件平台上的开放式数控系统的研究，探寻在a g v 底盘控制中的 软件结构合理、硬件组织方式优化、开放程度高、性能优越的开放式控制系统的解决方 案。本课题的主要研究内容有： aa g v 单机控制系统的发展现状，进行a g v 运动模型分析 本部分通过分析a g v 单机的发展并根据a g v 控制系统所需解决问题提出解决方 法；通过分析a g v 单机的运动模型，在a g v 的运动学模型、机动性、反馈以及其定位 方面提出具体分析和解决方法。 b 系统软硬件框架结构设计，r t - l i n u x 的实时机制及软件开发关键技术研究 在分析a g v 控制要求的基础上，提出了工业p c + a d 接口卡+ i o 接口卡的全软件 数控系统新型硬件组织架构，划分了基于r t - l i n u x 的系统软件功能模块；再通过对 r t - l i n u x 内核结构的具体分析提出p c i 接口卡在r t - l i n u x 上的驱动开发方法，并引入 c o m e d i 通用驱动程序进行接口卡的驱动程序设计。 c 数控系统中各功能模块实现策略的详细研究以及系统图形用户界面的实现 基于r t - l i n u x 的a g v 开放式控制系统根据功能的不同可划分为若干个模块，其中 运行于用户空间的主要有文件管理、参数设置、运行轨迹仿真等模块，运行于内核空间 的主要有插补、位置控制、运行算法、i o 控制等模块。 d 用户界面以及驱动程序设计。 在第五章中，本文对l i n u x 下流行的g u i 解决方案进行了分析比较，并最终选择了 国内著名的开源软件项目m i n i g u i 进行a g v 系统的人机交互界面的开发。在硬件驱动 2 a g v 开放式托j 制系统设计 方面，由于r t - l i n u x 的诞生历史较短，并未抉得硬件设备厂商的广泛支持，许多硬件驱 动程序还要自行开发。本文结合i 弭l i n u x 卜设备驱动程序编程技术，提出了基于 c o m e d i 规范丌发本系统的硬件驱动程序方案并详细介绍了c o m e d i 规范的三层结构 以及驱动程序丌发的关键技术。 1 4 关键技术 r t l i n u x 操作系统凭借其开放式的内核模式在国外的机器人控制系统研究领域中占 据了相当重要的地位，与已获得广泛应用的m s d o s 、w i n d o w s 相比，r t - l i n u x 下的软 件集成开发环境( i d e ，i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ) 不如前者完善，开发工具 也不丰富，而且由于r t - l i n u x 是自由软件，主要靠自由软件社区的爱好者进行维护，缺 乏详尽规范的编程指导文档，国内相关的开发项目不多，可供参考和借鉴的大部分是国 外的技术资料，这给本课题的研究带来了一定的困难。在r t - l i n u x 下的实时软、硬件应 用软件的设计开发是本课题所面临的关键技术难点，包括实时任务与非实时任务运行环 境的划分，内核实时线程编程技术的研究，实时内核线程与非实时用户线程之间数据通 信机制的研究，轨迹仿真显示功能的实现技术，图形用户界面的设计及编程，以及硬件 驱动程序等。 1 5 创新之处 本课题的创新之处在于采用了硬实时操作系统r t - l i n u x 作为数控系统软件开发平 台，以c 语言作为程序设计语言，充分利用了l i n u x 源代码公开，软件资源丰富，用户 可以针对特殊的应用要求自行进行配置和开发的优点，并且引入c o m e d i 规范：采用工 业p c 作为硬件开发平台，以模块化结构设计思想搭建硬件框架，系统结构简单，与p c 完全兼容，便于用户升级和定制系统功能模块。基于上述思路开发出全软件的a g v 开 放式数控系统可以跟踪利用计算机技术最新的发展成果，实现高效低廉的新型a g v 控 制器。 a g v 开放式控制系统没汁 2a g v 的运动分析 为整个a g v 推导一个运动学模型，是一个由底向上的过程。各车轮都具有对a g v 支承和产生运动的功能，同时对运动施加约束。根据a g v 底盘的几何特征，多个轮子 连在一起，他们的约束联合起来，形成对a g v 底盘整个的运动约束。由于移动机器人 独立和移动的本质，需要在全局和局部参考框架之间有一个清楚的映射。 由于a g v 是一个独立自动化系统，在电子地图引导方式的运动过程中它需要相对 于环境整体地移动，这样就必须随时将a g v 的运动集成，所以需要引入一个位置估计， 在算法上这是一个重大挑战。 本章通过分析a g v 的运动过程，从位置表示开始，然后注释到各轮子，最后是整 个a g v 的运动学，对a g v 的运动进行分析。在整个过程中各轮都有作用，各轮也在运 动中加上约束，并使用全局参考框架和a g v 局部参考框架对a g v 的运动进行分析对路 径和轨迹进行理论分析。 2 1a g v 运动学模型和运动学约束 运动学是对机械系统如何运行的最基本的研究。在a g v 的运动研究中，必须进行 分析其机械行为以正确的设计特定任务的移动。a g v 的能控性定义了在它的工作空间中 可能的轨迹和路径。由于要考虑到质量和力的影响因素，所以a g v 的动力学在工作空 间的轨迹上还要加上附加约束【8 1 。 2 1 1 位置表示 在整个分析过程中，把a g v 底盘建模成轮子上的一个刚体，运动在水平面上。在 水平平面上忽略a g v 和轮子之间内在的关联和自由度，底盘的总维数是3 个：两个为 平面中的位置；一个为沿垂直轴的方向。 为了确定a g v 在平面中的位置，因此建立了平面全局参考框架和局部参考框架之 间的关系，如图2 1 全局参考框架和局部参考框架。轴、玢将平面上的任意一个惯性 基定义为原点o ： ，巧) 开始的全局参考框架。为了确定a g v 的位置，选择底盘上 的一个点p 作为它的位置参考点。基于 ，y r 定义了机器人底盘上相对于点p 的两个 轴，从而定义了局部参考框架。 陕两科技大硕十学1 7 ：论文 y i 图2 1全局参考框架和局部参考框架 f i 醇一l t h eo v e r a l lf l a m eo fr e f e r e n c ea n dt h el o c a lf l a m eo fr e f e r e n c e 在全局参考框架上，p 的位置由坐标x 和y 确定，全局和局部参考框架之间的角度 差由秒给定。因此可得姿态参考向量占，( ，表示姿态基是全局参考框架) ： h q 2 剀 ( 2 1 ) 为了根据分量的移动描述a g v 的移动，将全局参考框架的移动映射成沿a g v 局部 参考框架轴的运动。该映射由正交旋转矩阵完成： rc目，=一co吉s19p虹nocoso。001 j i r ( 目) = l s i n pl 【 o 将全局参考框架的 弼，巧) 中的运动映射到局部参考框架 烁， ( 2 - 2 ) 碌 中的运动，表示 舌尺= r ( 詈) 考， ( 2 - 3 ) 二 2 1 2 前向运动学模型 建立a g v 前向运动学模型之前，首先建立a g v 的物理结构模型。a g v 驱动形式 采用双轮驱动的差动驱动型式，a g v 车体采用六轮结构如图2 - 2 a g v 车体结构图，其中 如图中2 、4 为驱动轮由电机驱动，作为a g v 的运动动力来源；l 、3 、4 、6 为从动导向 轮起到导向和辅助支撑的作用。 6 a g v 开放式控制系统设计 图2 - 2a g v 车体结构图 f i 9 2 2a g vs t r u c t u r eg r a p h 驱动轮直径r ( 3 6 0 m m ) ，设中心处两轮之间一点尸，各轮距p 的距离为，。给定，- ， ，秒和各轮转速办和驴，则前向运动学模型预测全局参考坐标框架中a g v 的总速度公 式2 4 ： h 叠，= ij c ，l = ( f ，厂，0 ，驴。，痧：) ( 2 - 4 ) 训 再由局部参考框架中的运动计算它在全局参考框架中的运动：叠，= 尺( 9 ) 一叠月。由此 知其策略就是推导在局部参考框架中各轮的贡献：叠r 。 如图2 1 全局参考框架和局部参考框架假设a g v 局部参考框架中沿+ 烁向前运动。 考虑t 方向上各轮的转动速度对点p 的平移速度的贡献，有如下两种情况： a 如果一个轮旋转，另一个轮不动，则p 在两轮中间，将瞬时以半速移动： x ，。= ( 1 2 ) ，巍和x ，：= ( 1 2 ) ，晚，可以简单相加来计算靠的颤分量。 b 若各轮以等速反向转动，结果是一个固定旋转状态，此时爻r 为零，因为没有侧向 移动所以“总为零。再计算如和以分量。 尸点旋转速度q ，轮子瞬时沿半径2 f 的圆弧移动：c o ：尘h ；同样左轮顺势转速： 2f 彩：= 孚，联合上面两式得到差动驱动运动学模型： 一r c p l + ! 堕 2 ，2 ， 舌，= r ( 9 ) 一l0 r c p l + - - - r 0 2 2 ，2 ， ( 2 - 5 ) 2 1 3 轮子运动学约束 运动学模型的第一步就是表达加在单独轮子上的约束。在这之前简述一下假设，轮 子平面总是保持垂直状态，而且轮子与地面只有一个单独的接触点。在这个基础上对轮 陕西科技大硕士学位论文 子类型提出两个约束：。、约束保持滚动接触的概念，即当运动在适当方向发生时，轮 子必须滚动：，约束- 簪持无横向滑动的概念，即在正交于轮子的平面，轮子必须无横 向滑动。 轮子类型主要囱四种：标准轮、小脚轮、瑞典轮和球形轮【。】，结构如图( 2 3 ) 。 坼- 一再 卜- - - 1 一辑一 园3 s - - = 歹 匿一 图2 3 四种基本的a g v 轮类型 f i 9 2 3t h eb a s et y p eo f a g vw h e e l s 标准轮和小脚轮都有一个旋转主轴，这两种轮子都是高度有向的，其主要差别在标 准轮可以完成操纵而无副作用，因为旋转中心经过接触片着地：小脚轮绕偏心轴旋转， 在操纵期间会引起一个力并施加到底盘上，但是在底盘上没有施加实际的约束。瑞典轮 和球形轮的设计比传统的标准轮受方向约束少一些。瑞典轮的功能与标准轮一样，但在 另一个方向产生低阻力，该方向有时垂直常规方向，有时在中间角度，但优点在于：虽 然轮子旋转仅沿主轴提供动力( 通过轮轴) ，轮子以很小的摩擦，可以沿很多可能的轨迹 按运动学原理移动，被设计成可以沿任何方向受动力而旋转。 在本课题中因为四个辅助轮均采用小脚轮，因此在底盘上没有运动学约束，叠，在所 有情况中都可以自由变化。所以使用小脚轮就不再讨论a g v 的运动学约束问题。 2 2 反馈控制 2 2 1 开环控制 运动控制器的目的是跟踪一条轨迹，该轨迹由它的位置或速度轮廓描述成为时间的 函数。所以要将轨迹分割成形状清晰的被定义的运动区段( 如直线或圆弧) 。因此，控制 问题就是根据直线或圆弧段预先计算平滑的轨迹，驱动a g v 从初始位置走到最终位置， 8 风胁时回民嗣时国 a g v 开放式控制系统漫计 这种方法只是种简单的丌环运动控制，因为所测的a g v 位置不能被反馈、刍作速度或 位置控制。 开环控制存在下面的缺点：首先，如果必须考虑a g v 的速度和j j 【】速度的所有限制 和约束，预先计算可行的轨迹： # 常困难：其次，如果环境发生动念的改变，a g v 不会自 动地适应或修正轨迹；最后，最终的轨迹常常不是平滑的，因为对大多数常用的区段( 例 如，直线和圆的一部分) ，从一个轨迹段到另一个轨迹段是不平滑的。 2 2 2 反馈控制 在a g v 的运动控制中，更为适宜的方法是使用一个状态反馈控制器。有了这种控 制器，a g v 的路径规划任务被简化为在所要求的路径中间点，只需设置位置( 子目标) 。 考虑a g v 具有任意的位置和方向，以及一个预定的目标位置和方向，在a g v 参考 框架 x r ，k ，0 中，所给定的实际姿态误差向量为e = r 【x ，y ，刎7 ，x ，y 和臼是a g v 的目 标坐标。 控制器设计的任务是寻求一个控制矩阵，k = 乏妻：1 2 ：乏 ；j | 。= 忌( f ，p ) 使得v ( ，) 和 以。的控制卜w ( f ( t ) 1 ) j = k 叩= k i 三i 驱使误差e 趋向为o o 由于此部分内容不是本课题讨论重点，所以只是做简单介绍，不再作深入的探讨。 2 2 3 运动学模型 运动学模型分析时，假定目标是在惯性框架的原点，下面内容中位置向量将被表示 在惯性框架中。 9 陕曲科技人硕七学位论文 y l i 在惯性框架 x r ，匕，田中，所描述的差动驱动a g v 的运动学，给定公式2 - 6 如下： 7 雌瑚 p 6 ， 如果口，。，这里，= ( - 万t ，i - 】。那么考虑坐标转换到原点在目标位置的极坐标公式如 p ：墨i 面 口= 一口+ a r c t a n2 ( a y ，a x ) p = 一9 一a 利用矩阵方程在新坐标中，得到一个系统的描述公式2 1 0 l o ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) a g vj 帔j 弋托i 制系统设计 i ： 0 1 s i n o r 0 p ( 2 1 0 ) 式中p 是a g v 轮轴的中心与目标f t2 _ i j 的距离，p 表示机器人参考框架x r 轴和 与最后位置有关的x ，轴之间的角度，1 ，和w 分别为切向速度和角速度。 另一方面，如果口，2 ，式中，2 = ( - x ，- ；r 2 】u ( x 2 ，7 l 】 通过设置，= 一，重新定义机器人的前向方向，我们得到由矩阵形式描述的系统公 式2 1 l ： 计 柏 ( 2 - 1 1 ) 。r 2 3a g v 的引导和定位 导航是对a g v 要求的最具挑战性的能力之一，本课题导航拟使用电子地图方式。 在此之前所做工作己将我院实验楼使用m a p g i s 制作成电子文件，并将其使用数据库表 示出来。 a g v 导航的成功需要导航的四个模块：感知，a g v 必须解释它的传感器信息，提 取有意义的数据；定位，a g v 必须确定它在环境中的位置；认知，a g v 必须决定如何 行动以达到期望目标；运动控制，a g v 必须调节它的运动输出，以实现期望的轨道，模 块结构框图如图2 5 。 篓p 口坚p竺 傩曲 垫p羔p 业p 陕阳科技人硕卜学位论文 图2 5 a g v 的一般框图 f i 醇- 5a g vg e n e r a lb l o c kd i a g r a m 本课题导航采用电子地图方式，因此a g v 定位需要引入多个中间点作为a g v 位置 信息的参考，本节主要介绍在电子地图方式下的a g v 定位策略。 2 3 1 基于地图定位的导航 基于地图的方法包括了定位和认知两个模块。在基于地图的导航中，a g v 明确地通 过收集传感器的数据，随后相对于环境图更新有关它位置的信息进行定位。 基于地图定位的具体流程是这样的，首先当a g v 在运行的过程中提取经过路径的 定位传感器信息，通过特定的解释程序分析a g v 所在的位置信息即为感知，之后将感 知的位置信息对应到预先设置的电子地图中确定其所在现实世界中的位置，位置确定后 即可调用或是规划下一步的动作策略并传给运动控制单元解释其策略并输出执行，基于 地图定位的具体流程( 如图2 6 ) 。 图2 - 6 基于地图的导航结构 f i 薛- 6t h es t r u c t u r eo fg u i d e db a s eo nm a p 1 2 a g v 开放式拧制系统改计 2 3 2 地图的表示方法 a g v 移动的环境表示问题是表示a g v 可能位置或位置的对偶问题。有关环境表示 方法所做的决策会影响到a g v 位置表示可用的选择。通常，位置表示的准确程度受到 地图表示准确性的限制。 在选择一个特殊的地图表示方法时，必须确定三个基本关系： a 地图的精度必须恰当地匹配a g v 需要达到目标的精度； b 地图的精度和所表示的特征类型必须匹配a g v 传感器所返回的数据类型； c 地图精度的复杂性直接影响有关作图、定位和导航推理的计算复杂性。 连续值地图是环境精确分解的一种方法。环境特征的位置可以在连续空间中精密地 予以标记。当前实现的a g v 只在2 d 表示中使用连续地图，因为维数增大会引起计算上 的爆炸。 将连续表示的精确性和闭环世界假设的紧凑性结合起来，意味着设想表示会在地图 中表示出所有的环境物体，地图中没有物体的任何区域在相应的环境部分也就没有物体。 因此，地图中所需的总存储量正比于环境中物体密度，而稀疏的环境可由低存储量的地 图来表示 i o j i 。 以我学院楼层结构作为实例如图2 7 所示，是一个2 d 表示方法。这里，多边形表 示连续值坐标空间中所有障碍物。 图2 7 我学院楼层结构地图实例 f i 9 2 - 7o u rc o l l e g eo fs t r u c t u r e 为定位起见，人为地图只在地图上捕捉能被机器人传感器检测到的对象，而且只是 现实世界物体特征的一个子集。因此几何图形有能力表示物体的物理位置，不必提及它 们的纹理、颜色、弹性，或任何其他不直接关系到位置和空间的特征。除了这个层次的 简化之外，通过只捕捉与定位紧密相关的物体几何学方面特征，a g v 的地图可进一步精 简存储器的使用。例如，所有物体可以用非常简单的多边形近似。为了保证计算速度， 陕两科技人硕十学付论丈 会牺牲地图的巧妙性。 a g v 必须依赖位置距离检测装置发现附近a g v 的距离数据作为定位，给定这种直 线提取传感器，一个合适的连续作图方法就是用无限的直线集合构造地图。地图的连续 本质保证可将直线置于平面中任何位置、任何角度。现实环境物体( 诸如墙和交叉口) 的 抽象，只捕捉在地图表示中与a g v 测距传感器所发现的信息类型相匹配的信息。 图2 8 展示了利用连续直线表示方法的室内环境的地图。在地图捕捉中唯一的环境 特征是直线，诸如在角落和沿墙的直线。表示了现实世界的样本，对于实际的墙来说， 它可以有未被所画直线所捕获的纹理和浮雕。 总之，连续地图表示方法的主要优点是：对于环境的配置以及该环境内机器人的位 置，有高准确性和高表达性的潜能。连续表示方法的缺点是地图计算上的耗费。但这个 危险可以用抽象化和只获取最相关的环境特征来缓解。与闭环世界假设的使用相结合， 这些技术可以使连续值地图耗费不多，甚至有时比标准的离散表示方法更方便。 - j i i 图2 8 连续直线表示方法的地图 f i 9 2 - 8c o n s e c u t i v es t r a i g h t l i n em e t h o do f m a p 2 3 3 自主地图的构建 基于路由的定位策略在自主地图的定位方式中是一种较为可靠的定位策略。在这种 情况下，a g v 的路由被明显地标出，所以a g v 能确定自己的位置允许a g v 不相对于 某全局坐标框架，而相对于指定的路径行走，利用例如高紫外反射、激光、电磁信息可 以标记轨迹，使得只有a g v 用特殊的传感器才能容易地检测到它。这样避免了a g v 暂 时偏离它们的轨迹，而且也使预先指定的路径有效的被简化。但是这样做的代价就是使 a g v 更加不灵活，a g v 工作环境的任何变化，都需要巨大的工程和时间。 所有定位策略都要求用人力安装到一个特定的空间，人工的环境改造是必需的，同 时还要为a g v 构建一张环境地图。但是a g v 的导航还应具有正确且合适的传感器。粗 略地，可以把最终目标表述如下： 从一个任意的初始位置开始，一个a g v 应该能够用它自带的传感器探索环境，获 1 4 a g v 开放式控制系统设计 得有关环境的矢识、解释场景、调用合适的地图，并在相应的地图【 l 给自己定位。 要实现这个目标很困难，困难的原因是