人工智能四川省重点实验室项目申报书6

1、人工智能四川省重点实验室开放基金项目申报书项目类别一般项目基础研究项目应用研究项目重点项目基础研究项目应用研究项目项目名称：工业检测机器人的运动控制与数据传输研究起止时间：2013年10月至2015年10月承担单位：四川理工学院机械工程学院项目负责人：黄丹平联系电话（手机）科门类：测控技术与仪器学科情况：校级重点建设学科填报日期：2013年5月16日人工智能四川省重点实验室 制填报说明1、申报书适用于人工智能四川省重点实验室资助自然科学研究项目；2、封面“项目类别”只能选填一种，在该项目类别前中画“”；3、申报书填写要求用A4纸计算机打印。一式三份统一报送人工智能四川

2、省重点实验室；4、未尽事宜，可另附材料说明。一、目的意义和国内外研究现状分析 自从1959 年诞生第一台机器人以来，机器人技术得到了长足的进步和发展。智能机器人是具有感知、思维和行动功能的机器，它可获取、处理和识别多种信息，自主地完成较为复杂的操作任务。随着移动机器人的应用领域不断扩大，人们希望机器人能够在未知环境中自动实现路径规划,并且能够通过无线传输将数据实时传输到上位机中,从而大大提高其对环境的适应能力和实际应用效率。避障是机器人路径规划中的难点和研究热点。根据机器人对环境信息知道的程度不同，可分为2 种类型：环境信息完全知道的全局路径规划和环境信息完全未知或部分未知的局部路径规划。对于

3、已知环境下的避碰问题，已经提出了许多有效的解决方法。其中，khatib 提出的人工势场法，结构简单，易于实现，得到了广泛应用。与在已知环境中相比，机器人在环境完全未知或部分未知情况下实现避障更加困难。针对环境信息不确定情况下的避障问题，得到避障系统中应用的系统模型，根据摄像机透视影射原理，进行逆换算，得到控制系统算法，实现单摄像机获取环境深度信息，简化了系统结构，并在此基础上提出了一种基于视觉的局部路径规划的算法，实现了移动智能机器人在不确定环境中利用视觉传感器实时获取外部信息进行路径规划，仿真与实验结果表明，减少了计算规模，提高了实时性，简化了机器人避障的步骤，使机器人能快速地跟踪规划路径，

4、实现避障。未知路径规划技术是机器人控制技术研究中的一个重要问题, 嵌入式实时系统具有功耗低、体积小、集成度高等无可比拟的优势, 可以满足系统实时性的同时简化控制软件的开发。机器人的发展经历了一个从低级到高级的发展过程。当前机器人的发展进入智能机器人阶段, 机器人通过各种传感器获取环境信息, 利用人工智能进行识别、理解、推理并做出判断和决策来完成一定的任务。这就要求智能机器人除了具有感知环境和简单的适应环境能力外, 还具有较强的识别理解功能和决策规划功能。智能机器人路径规划是指在有障碍物的工作环境中, 如何寻找一条从给定起点到终点适当的运动路径, 使机器人在运动过程中能安全、无碰地绕过所有障碍物

5、。随着计算机、传感器及控制技术的发展, 特别是各种新算法不断涌现, 智能机器人路径规划技术已经取得了丰硕研究成果。特别是周围环境已知的全局路径规划, 其理论研究已比较完善, 目前比较活跃的领域是研究在环境未知情况下的局部规划。从研究成果看, 有以下趋势:（1）智能化的算法将会不断涌现。模糊控制、神经网络、遗传算法以及它们的相互结合也是研究热点之一。（2）多智能机器人系统的路径规划。随着智能机器人工作环境复杂度和任务的加重, 对其要求不再局限于单台智能机器人, 在动态环境中多智能机器。人的合作与单个机器人路径规划要很好地统一。（3） 多传感器信息融合用于路径规划。单传感器难以保证输入信息准确与可

6、靠。多传感器所获得信息具有冗余性、互补性、实时性和低代价性, 且可以快速并行分析现场环境。（4）基于功能/行为的智能机器人路径规划。基于模型自顶向下的感知- 建模- 规划- 动作是一种典型慎思结构, 称为基于功能的控制体系结构。基于行为的方法是一种自底向上的构建系统方法, 并在与环境交互作用中最终达到目标。基于功能/行为的机器人控制结构融合了两者优点, 这是研究的新动向之一。机器人路径规划问题可以建模为一个有约束的优化问题, 完成路径规划、定位和避障等任务。根据机器人对环境信息掌握的程度不同将智能机器人路径规划分为基于模型的全局路径规划和基于传感器的局部路径规划。前者是指作业环境的全部信息已知

7、, 主要包括构型空间法、拓扑法、栅格解耦法、自由空间法、神经网络法等; 后者是指作业环境信息全部未知或部分未知, 主要包括人工势场法、模糊逻辑控制法、混合法、滚动窗口法等。智能机器人路径规划存在以下特点:复杂性: 在复杂环境中, 机器人路径规划非常复杂, 且需要很大的计算量。随机性: 复杂环境的变化往往存在很多随机性和不确定因素。多约束: 机器人的形状、速度和加速度等对机器人的运动存在约束。ZigBee无线传输技术是一种新兴的低速率、短距离的无线网络通信技术，该技术是在蓝牙技术和无线标记技术的基础上发展起来的，与其他的无线通信技术一样，其技术标准也是采用的IEEE802制订的相关标准。ZigB

8、ee作为一种个人网络的短程无线通信协议，已经越来越为大家所熟知，它最大的特点就是可组网，特别是带有路由的可组网功能，这一功能在理论上可以实现ZigBee覆盖通讯面积的无限扩展。总之，ZigBee无线传输技术以其低速率、低功耗、短距离、低时延以及低成本等优点有效克服了无线通信技术的各种缺陷，也在很大程度上实现了由自组织网络和传感器所构成的无线传感器网络的各项功能需求。Zigbee无线传输的特点1）成本低。目前，ZigBee 芯片的成本在25 元人民币左右，而且尺寸小。2.4GHz频段可以免费申请使用。2）功耗低。其发射功率为03.6dBm，一个ZigBee节点设备在低耗电待机模式下，采用两节普通

9、5号的干电池做电源的话可使用半年以上。3）速率低。基本速率是250kb/s，当降低到28kb/s时，传输范围可扩大到134m，并获得更高的可靠性。但对存储信息量不大RFID系统，足以满足其需求。4）容量高。基于ZigBee无线传输技术的网络可采用星型、树型等网络拓扑结构。其中星型网络拓扑结构中的主节点可以管理254个以内的子节点，而每一层的主节点还可由上一层网络的相关主节点进行管理，这种分层管理机制，大大提高了基于ZigBee无线传输技术网络的通信容量。5）安全性和可靠性强。基于ZigBee无线传输技术的网络采用的是三级安全模式，三级安全模式的应用大大提高了网络通信的安全性。同时在通信上，Zi

10、gBee无线传输技术采用的是免冲突多载波信道接入方式，有效避免了无线电载波之间的冲突，从而保证了数据传输的可靠性。在国际上, 直到目前检测机器人技术还属于垄断技术, 美、英、法、德、日、挪威等国研制的检测机器人处于世界领先地位, 他们的产品已实用化、商品化。但他们的技术严密封锁, 处于绝对保密状态。一般不出售产品和技术, 只提供在线检测服务, 收取高昂的服务费用。在国内,检测机器人的研究还处于起步阶段, 虽然有一些成果, 但还有许多问题没有解决, 离工程应用还有不小的距离。因此, 必须下大力进行研究, 以开发新型的拥有自主知识产权的管道检测装备, 提升检测技术及手段, 使检测及管理规范化, 并

11、逐步实现由被动维护向主动维护的转化。二、研究方案1、 研究目标、研究内容 机器人的研究存在着两条不同的技术路线：一条是日本和瑞典所走的“需求牵引、技术驱动”，结合工业发展的需求，开发出一系列特定应用的机器人；另一条是把机器人作为研究人工智能的载体，即单纯从技术上模拟人和动物的某些功能，研究有关职能的问题和智能机器人。工业检测机器人要想走向实用，必须拥有胜任的运动系统、可靠的导航系统、精确的感知能力和具有即安全友友好地与人一起工作的能力。工业检测机器人的智能指标为自主性、适应性和交互性。本课题为满足工业检测机器人对工作性质和环境的要求，将主要进行机器人精确定位和检测技术方向研究，并朝着智能化和多

12、样化方向发展。目前主要研究内容集中在以下几个方面： 1、机器人检测技术：重点研究开放式，模块化检测系统，人机界面更加友好，语言、图形 编程界面正在研制之中。机器人控制器的标准化和网络化，以及基于 PC 机网络式控制器的研究 。 编程技术除进一步提高在线编程的可操作性之外， 离线编程的实用化也将成为研究重点。 2、多传感系统：为进一步提高机器人的智能和适应性，多种传感器的使用是其问题解决的 关键。其研究热点在于有效可行的多传感器融合算法，特别是在非线性及非平稳 、非正态分布的情形下的多传感器融合算法。另一问题就是传感系统的实用化。 3、为能够实现工业检测机器人的结构灵巧，应使整体工业检测机器人控

13、制系统小型化，并提高其抗干扰能力；4、机器人遥控及监控技术，机器人半自主和自动巡航技术，机器人和多操作者之间的协调控制，通过网络建立大范围内的机器人遥控系统，在有时延的情况下，建立预先显示进行遥控等；5、由于机器人的工作环境复杂，一般的定位设备无法精确跟踪，设备是上安装的里程轮等存在误差较大，有时还存在打滑现象，这将为数据分析带来较大误差。因此应对机器人精确定位进行研究。2、拟采取的研究方法、技术路线和试验方案机器人是最典型的机电一体化数字化装备,技术附加值很高，应用范围很广,作为 先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业，将对未来生产和社会发展起越来越重要的作用。但是我国目前在工业检测机器

14、人的研究上还处于比较落后的状态，这对我国的工业现代化生产非常不利，所以工业检测机器人的研究对于工业现代化生产就尤为重要了。本项目主要研究工业检测机器人的控制与相关检测部分，并且通过实验平台，对控制系统的硬件及软件测试，检测其是否满足检测机器人的工作要求。其具体的研究方法与技术路线内容如下：一、研究方法与技术路线1、选用多种传感器并将其信息融合到该系统中，利用相关智能算法与数据处理技术得出需求信息；2、选用更适用于工业检测环境检测定位的惯性导航定位方法，它的特性是自主性、独立性完成导航定位。具体导航策略如下：当机器人远离目标时，通过捷联导航理论和卡尔曼滤波理论的研究，对工业机器人进行行走控制。捷

15、联惯导系统基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，通过测量线加速度计和陀螺仪输出值，再根据相应的坐标变换，由加速度计和陀螺的输出参数解算得到飞行体姿态信息。由运动学理论可知，要完整的描述一个物体在空间的运动情况，需要至少 6 个独立的参数信息，其中有三个参量用于表示物体质心处的平动信息，另外三个用以表示物体绕质心处的转动情况，在捷联导航系统中，通常由三个加速度计测量载体的平动信息，载体绕质心的转动则由三个陀螺仪来量测。但是通过研究可以得出，如果当载体相对某一参考坐标系的牵连运动形式是转动的情况时，那么在载体非质心处的加速度信息中将涵盖着相关的角速度信息。所以，在运动载体非质心位置合理的放置足够多的

16、线加速度计，根据各只加速度计安装位置和敏感方向便可将加速度计的输出信息中涵盖的角速度信息提取出来，这便是依靠线加速度计获取到角速度信息的理论基础。而载体导航信息的获取是经过各个坐标系之间的特定转动来实现的，因此选取合适的参考坐标系是非常重要的，它将影响到整个导航系统的精度和复杂度。在捷联式惯性导航系统中，较为常用的参考坐标系通常为以下几种：（1）、地心惯性坐标系-以地球的中心作为坐标系原点构成右手直角坐标系, 轴的选取为地心指向北极的方向，轴、在地球赤道平面内且两个轴分别指向两颗恒星与地轴相垂直并符合右手定律。因此，对于在地球表面附近运动的载体选用惯性坐标系作为参考基准是非常合理的。通常将地心

17、惯性系记作，也简称为i系;（2）、地球坐标系-地球系坐标原点与惯性系的原点重合，均在地球中心处，它相对于惯性系以地球自转角速率 15.04107 /h旋转，坐标系中在赤道平面内，轴与轴重合，轴指向格林威治经度线，轴的指向为东经 900 的方向。将地球系记作，也简称作 e 系；（3）、地理坐标系-地理坐标系是根据载体导航的需要建立在载体上的坐标系，其原点O与载体中心重合，通常简称为东、北、天坐标系，其中指向东，即 E 向；则指向北，即 N 向；沿垂线方向指向天。将地理系记作，也简称为 t 系；（4）、导航坐标系- 导航坐标系是在计算导航参数时而作为导航计算基准的坐标系。通常可将上述介绍的地理系选

18、为导航坐标系，有时在地球极区附近选取轴与轴重合，而使 与 轴，轴与轴存在一个角度的方位关系。将导航坐标系记为，也简称为n系，如图所示；（5）、载体坐标系-载体坐标系是建立在运动载体上的坐标系，一般选取载体质心作为该坐标系的原点，其中轴沿着载体纵轴并且指示载体运动的方向；轴指向运动载体的纵轴方向；轴、和之间两两正交构成右手直角坐标系，指向竖轴方向。将载体系记作，可以简称为 系。在研究导航中经常应用载体系与导航系的坐标变换关系。其中e系到b系位置转换矩阵，通常情况下，同一载体以东北天方向为例，此时选取导航系与地理系重合，为载体所在位置对应的经度，为载体所在位置对应的纬度。地球系与导航系空间转动关系

19、可以用矩阵，其坐标变化公式为： b系到n系是按一定顺序经三次旋转而得，转动关系可用捷联矩阵表示，式中为航向角，为俯仰角，为滚转角。当接近目标时，利用超声波和图像传感器对机器人进行精确定位控制，利用理论与实验并重的双重研究方法，在可靠性理论及完整性实验的基础上为工业检测导航定位提供可靠性很高的参考价值。基于超声波技术的精密检测方法，通常需要精确地测量超声波在介质中的传输时间目前利用超声波的传输时间特性已经实现并完成了许多领域测量方面的任务，人们利用测量超声波的传输时间特性实现了流量、温度等方面的研究世纪年代超声波进入工业领域，年代中期计算机软硬件和高速数字信号处理技术的快速发展，使得利用超声波传

20、输时间对流量、温度、液位和距离等参数进行精密测量得以迅速推广和应用对超声波传输时间的测量方法中最常见的测时方法是脉冲计数法，测时的分辨率决定了此方法的测量精度通常情况下，为了提高测时分辨率，只能不断提高计时脉冲的频率如果要求测时精度达到级，则相应的计时脉冲频率必须达到量级以上提高计时脉冲的频率就等于增加计数器的位数，从而加大硬件成本的开销超声波在介质中传输时就载上了传输介质的信息，因此通过检测接收到的超声波回波信号就可以间接测量所需介质的信息例如，时差法超声波流量计中利用超声波传输时间来测量介质流速、流量等信息超声波在洁净水中的传输速度约为1450m/s，设其顺逆流时间差约为0.38，即380

21、ns。要保证测量达到0.5的测量精度，最大误差为1.9ns，因此对超声波传输时间的测量必须稳定在ns级水平范围内又例如超声波温度计中传输距离不变时利用不同超声波传输时间精密测量温度，如20和21时超声波在空气中的速度约为344和344.6m/s，传输距离固定在0.3，则在20和21时超声波的传输时间是872.09和870.57，其时间差为要保证测量达到的测量分辨率，最大误差为，则要求对超声波传输时间的测量要小于针对上述问题，作者提出了一种精密测量超声波传输时间的方法，并对其中的一些关键技术加以说明该方法不但有效解决了精密测量超声波传输时间的关键问题，而且保证超声波传输时间的测量达到了ns级，乃

22、至ps级的精度CMOS 图像传感器的研究始于20 世纪60 年代末，受当时工艺技术的限制，发展和应用有限。直到20世纪90 年代初，随着大规模集成电路设计技术和信号处理技术的提高，CMOS 图像传感器才日益受到重视，成为固体图像传感器的研发热点。近几年来，随着集成电路设计技术和工艺水平的长足进步，CMOS 图像传感器的一些性能指标已接近甚至超过CCD 图像传感器。CMOS 图像传感器的总体结构一般由像素阵列、行选通逻辑、列选通逻辑、定时和控制电路、在片模拟信号处理器（ASP）构成，高级的CMOS 图像传感器还集成有在片模数转换器（ADC）。行选通逻辑和列选通逻辑可以是移位寄存器，也可以是译码器

23、，其中的行选通逻辑单元可以对像素阵列逐行扫描也可隔行扫描。行选通逻辑单元与列选通逻辑单元配合使用可以实现图像的窗口提取功能。定时和控制电路限制信号读出模式、设定积分时间、控制数据输出率等。在片模拟信号处理器是完成相关双取样、信号积分、放大、取样/保持、双 取样等功能，对信号进行放大处理，提高信噪比（SNR）。在片模数转换器是数字成像系统所必需的，CMOS 图像传感器可以是整个成像阵列有一个ADC 或几个ADC（每种颜色一个），也可以是成像阵列每列各一个。外界光照射像素阵列，发生光电效应，在像素单元内产生相应的电荷。行选通逻辑单元根据需要，选通相应的行像素单元。行像素单元内的图像信号通过各自所在

24、列的信号总线传输到对应的模拟信号处理单元以及ADC，转换成数字图像信号输出。与CCD 相比，这种结构提供了随机进入像元、以非常高的帧速率直接开窗口的能力，同时避免了CCD 中大量电荷转移很长距离的情况。3工业检测移动机器人系统中将各种信号经传感器采集数据后，需要进行相关数据处理。本系统将采用专用采集模块对多路信号进行模数转换，并将所采集数据进行一些必要的滤波降噪后，送给数据处理单元进行数据处理；其该原理框图如下：传感器信号采集信号预处理信息提取4、将模糊控制技术、基于神经网络PID等控制技术应用到工业检测机器人的轨迹跟踪中，并对其控制性能进行研究与比较；5、本课题将采用嵌入式控制系统对各种数据

25、进行采集与处理，并用其控制器工业检测机器人的运动轨迹。该系统将采用Kinetis K60作为主控制器，并将DSP应用到该机器人测控系统中用于数据处理。 6、将测控系统将数据无线通讯、远程图像传输等技术运用到工业机器人的控制系统中，以便实现远距离通讯与控制；7、针对工业机器人所采集的数据与环境特征，利用matlab来进行数据在分析和处理，以便得到优化的程序与智能算法，为后续数据处理打下基础。在实际运用中可将下位机发送来的数据，通过VC和matlab混合编程的程序来完成上位机的数据处理，以便减轻下位机的运算量。二、本课题实验主要测试以下内容：1、分别测试控制系统的硬件及软件工作情况；2、测试检测机

26、器人控制系统能否满足检测要求。三、实验方法1、分别检测控制系统的硬件及软件工作情况； 2、测试检测机器人的远程遥控及数据采集工作； 3、对检测机器人是否能够按正确路线行走进行测试及调试； 4、对检测机器人的硬件稳定性和抗干扰能力进行测试； 5、模拟现场环境及检测要求对检测机器人性能进行实验分析。3、项目实施进度安排及预期目标项目实施进度:2013年10月至2014年3月，进行理论上的研究和技术准备。2014年4月至2014年12月，进行实物研发及调试。2015年6月至2015年10月，结题准备，申请鉴定。预期目标：使得研发出的工业检测机器人技术达到国内先进水平，并且有良好的可操作性、稳定性、和

27、易用性、并且争取到达抗击各种工业干扰的水平。4、本项目的特色与创新之处本项目涉及到机械、电子、控制、计算机、人工智能、传感器、通讯与网络等多个学科和领域，是多种高新技术发展成果的综合集成。该工业机器人标准化、模块化、网络化和智能化的程度高，功能强。本项目包含了无线远程控制技术，机器视觉，现代人工智能控制技术等创新与特色之处，填补了国内工业检测机器人技术的空白，能够使得自主检测机器人技术能够运用到我国工业生产缺陷检测中来。三、最终成果形式及成果预期水平最终成果形式：（1） 、公开的中文核心期刊上发表2-3篇学术论文；（2） 、指导硕士研究生2名，本科毕业生6名；（3） 、提供具有国内先进水平检测

28、机器人原理样机系统一套，可满足试验研究要求；（4） 、确定适宜的设计资料及实物；（5） 、在条件成熟时，申报国家级专利；（6）、成果预期水平：达到国内先进。四、成果转化措施及社会、经济效益分析（限应用型项目填写）我国近几年与机器人技术有关的产品已经不断出现，并给用户带来显著效益。随着我国工业企业自动化水平的不断提高，应用到机器人技术的市场也会越来越大，并且逐渐成为自动化生产的主要方式。我国机器人自动化生产装备的市场刚刚起步，而国内装备制造业正处于由传统装备向先进制造装备转型的时期，这就给机器人自动化生产技术研究开发者带来巨大商机。据预测，目前我国仅汽车行业、电子和家电行业、烟草行业、新能源电池

29、行业等，年需求此类自动化线就达600多条，产值约为120多亿元人民币。在2012年左右需求此类自动化生产技术达到1600条。据初步测算，2013年仅仅汽车制造业的需求市场容量将达到800多亿元人民币。项目最终成果可以很好的运用在自动化生产装备中，并且其先进性，可靠性，易用性，将会使得项目最终产品很快的得到推广，并且产生经济效用。五、现有工作基础和条件1、 与项目有关的前期研究状况 1）主持人任副教授以来，一直从事于管道工业各种现场参数的检测工作，并进行了有较深入的研究，为研究本项目奠定了较扎实的理论基础和较强的科研能力。 2) 主持人多年来始终关注测控技术事业，在机器人控制和机器视觉检测方面的研究工作，取得一定的进展； 3）目前已对机器视觉与远程无线数据传输展开研究，并取得阶段性成果，现已能通过无线网络进行视觉信号的传递与处理； 4) 本组成员具有丰富的科研经验，学科交叉，协作能力强，承担地市级项目多项。其中，主要成员中田建平、胡勇教授在机器人结构设计与调试等方面有较强能力，所在数字化设计与先进制造科研团队为有较强的电路制作与研发能力和数据处理能力。3、 现有研究条件，尚缺少的实验条件和解决途径本人所在科研团队为本校数字化设计与先进制造，该科研团队与自贡市挚诚科技有限公司在工业检测机器人领域长期合作，该校级科研团队现有一些行走机器