基于模糊控制的移动机器人导航系统设计论文论文

1、学校代码：10213密级：公开硕士学位论文基于模糊控制的移动机器人导航系统设计硕 士 研究生： 钱华导申 请师： 杨名利 教授学 位： 工学硕士学 科、专 业： 控制科学与工程所 在答 辩单 位： 信息科学与工程学院日 期： 2009 年 6 月授予学位单位： 哈尔滨工业大学Classified Index：UDC：School codes: 10213Degree of secrets: opennessDissertation for the Master Degree in EngineeringTHE NAVIGATION SYSTEM DESIGN OFMOBILE ROBOT BA

2、SED ON FUZZY CONTROLCandidate:Supervisor:Academic Degree Applied for:Specialty:Affiliation:Date of Defence:Degree-Conferring-Institution:Qian HuaProf. Yang MingliMaster of EngineeringControl Scienceand EngineeringSchool of Information Scienceand EngineeringJune, 2009Harbin Institute of Technology哈尔滨

3、工业大学工学硕士学位论文摘要移动机器人是机器人技术领域中的一个重要分支，跨越了计算机、自动控制、机械、电子等多个学科。目前，越来越多的移动机器人被应用到物料自动传输、危险场合下的自动作业以及服务业等。这些应用对移动机器人在环境信息感知与理解、路径规划与自定位等方面的自主导航能力提出了更高的要求。为此，本论文以上海化工区有毒气体巡检机器人为对象，对自动导航系统的设计进行了研究。论文主要工作包括：首先，介绍了移动机器人起源和国内外发展现状，简要说明了所用移动机器人系统总体结构和导航系统组成模块。通过对移动机器人常用导航方式的分析，确定了采用磁阻传感器和超声波传感器采集实时导航信息、实现轨道跟踪的导

4、航系统方案。该方案具有路径适应能力强、定位精度高、成本低等优点。其次，对模糊控制算法进行了研究。在分析移动机器人导航常用控制方法和两轮差速移动机器人运动学模型的基础上，提出了移动机器人的角速度线速度函数模型，将双输出系统转化为单输出系统，设计了两输入单输出模糊导航控制器，简化了控制系统结构；讨论了量化因子参数设置对系统稳定性和精度的影响；采用圆环轨道对移动机器人导航控制器进行了仿真。实现了移动机器人导航控制系统硬件和软件。通过对磁阻传感器基本原理的分析，改进了磁传感模块的控制电路设计。研究了环境因素对磁阻传感和超声波传感的影响，提出了具有针对性的测量方法、偏差估计方法和滤波方法。最后，对仿真结

5、果进行了分析，证明了模糊导航控制器在理论上是可行性的；对移动机器人导航系统的软硬件整体调试，经实地运行测试，验证了导航系统稳定、可靠，并具有较高的精度。关键词移动机器人；导航系统；模糊控制；磁阻传感器；数学建模-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractMobile robot is an important branch in the technological field of the robot. Itrefers to computer science, automation, mechanism, electronic science etc. Currentlymore a

6、nd more kinds of mobile robots are applied in many fields, including goods auto-transportation, auto-operation under dangerous cases, and service industry etc. All ofthese applications require a high standard auto-navigation of the mobile robot on fieldsuch as perception and understanding of environ

7、mental, and route plan .Therefore, inthis paper, the design for auto-navigation system is studied based on reviewing of amobile robot project for detection gas in Shanghai Chemical Area.Main research works in the dissertation is as follow:Firstly, the current development of mobile robots in and abro

8、ad is introduced, andthe collectivity structure of mobile robot system and navigation system module wasbriefed. By the analysis of general guiding method of mobile robot, a project to design anavigation system is presented, using a self-developed magneto resistive sensors andultrasonic sensors to co

9、llect real-time guiding information for practical trajectorytracking. The guide method had the following advantages: good adaptability to the path,high positioning accuracy at task points and low costs etc.Secondly, the fuzzy control algorithm theory is studied. The "angular velocity-linear vel

10、ocity" functional model was presented based on analysis of the usualnavigation methods and the kinematics of wheeled mobile robots. Thereafter,transformed the two output system to one output system and simplified the structure ofcontrol system. The impact of quantitative factor parameters was d

11、iscussed on thestability and accuracy of system. A circular tracking orbit was used to simulate mobilerobot navigation system, which make the use of mobile robot navigation system tocontrol hardware and software into practice. After reviewing of the basic principles ofHoneywell magneto resistive sen

12、sor, the design of the magnetic sensor circuit modulewas improved. Analyzed the impact of environment on the magnetic sensors andultrasonic sensors, and came out with a specific measurement method, as well asestimation bias method and filtering method.Finally, the simulation results was analyzed, an

13、d proved the navigation controllerwas feasible in theory. At the same time, we made an overall adjustment to the hardwareand software of the navigation system, and make a test to verify the stability and highaccuracy of the system.- II -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文Keywords Mobile robot; Navigation system; Fuzzy

14、control; Magneto resistive sensor;Mathematical modeling- III -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文目录摘要 . IAbstract . II第 1 章 绪论 .1 引言 .1 课题研究的背景及意义 .1 课题研究的背景 .1 课题研究的意义 .2 国内外现状及发展趋势 .2 研究内容 .4第 2 章 移动机器人总体结构与运动模型 .5 移动机器人系统 .5 移动机器人系统的组成 .5 移动机器人导航方式 .6 移动机器人的运动学分析 .10 移动机器人导航系统数学建模 .13 本章小结 .15第 3 章 模糊导航控制方法与仿真 .16 引

15、言 .16 模糊控制器的基本结构 .16 模糊化 .17 知识库 .18 模糊推理 .18 清晰化 .18 模糊控制器的维数 .18 模糊逻辑控制系统的基本原理 .19 模糊化运算 .19 数据库 .19 规则库 .21 清晰化计算 .22- IV -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 模糊导航控制系统的设计 .23 导航系统仿真研究 .27 仿真工具MATLAB简介.27 移动机器人模糊控制器仿真 .27 仿真结果 .29 本章小结 .32第 4 章 导航控制系统软硬件的设计与实现 .33 控制系统硬件模块的实现 .33 控制器的选型和开发应用 .33 磁检测系统模块 .35 超声波检测系统模块

16、 .39 电机驱动控制模块 .41 控制系统软件设计与实现 .42 软件整体设计方案 .42 磁检测软件系统结构 .43 超声避障软件系统结构 .45 自动导航寻迹模块 .47 导航系统性能测试及实验结果 .48 本章小结 .52结论 .53参考文献 .54哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明 .59哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书 .59致谢 .60-V-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第1章绪论 引言“机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器”，这是我国科学家对机器人的定义。对

17、不同任务和特殊环境的适应性，也是机器人与一般自动化装备的重要区别。正是因为它的可自动操作性和适应性，使得它从 50 年代末第一台工业机器人“尤尼梅特(Unimate)”被发明以后就一直受到工业界和学术界的高度重视并发展成了一个专门的学科机器人学1。相继提出了人类制造机器人的三原则：机器人不应伤害人类；机器人应遵守人类的命令，与第一条违背的命令除外；机器人应能保护自己，与第一条相抵触者除外。移动机器人是机器人学中的一个重要分支，其研究工作始于 20 世纪 60 年代末期。以斯坦福研究所开发的第一台移动机器人SHAKEY为标志，主要目标是研究复杂环境下机器人系统的实时控制问题，涉及到任务规划、运动

18、规划与导航、目标识别与定位、机器视觉、多种传感器信息处理与融合及系统集成等关键技术。其中自主式移动机器人属于智能机器人范畴，它集人工智能、智能控制、信息处理、图像处理、检测与转换等专业技术为一体，跨计算机、自动控制、机械、电子等多个学科 2。智能移动机器人是能通过传感器感知环境和自身的状态，实现在有障碍物的环境中面向目标的自主运动，从而完成移动作业能力的机器人系统3。 课题研究的背景及意义 课题研究的背景自从人类创造了第一台机器人以后，机器人就开始显示出它极大的生命力。但进入 20 世纪 90 年代以来，由于具有一般功能的传统工业机器人的应用趋向饱和，而许多高级生产和特种应用则需要具有各种智能

19、的机器人参与，因而促使智能机器人获得较为迅速的发展。无论从国际或国内的角度来看，复苏和继续发展机器人产业的一条重要途径就是开发各种智能机器人，来提高机器人的性能，扩大其功能和应用领域。-1-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文移动机器人是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合系统。对移动机器人的研究，提出了许多新的或挑战性的理论与工程技术课题，引起越来越多的专家学者和工程技术人员的兴趣，更由于它在军事侦察、扫雷排险、防核化污染等危险与恶劣环境以及民用中的物料搬运上具有广阔的应用前景，使得对它的研究在世界各国受到普遍关注。因此，无论是在制造业还是在非制造业，具有智能特性的

20、自主式移动机器人成为了国内外研究的热点，也是当前智能机器人研究的热点之一4,5,6。 课题研究的意义移动机器人路径规划作为自主式移动机器人技术的一个重要组成部分，是研究移动机器人技术较为活跃的课题之一，吸引了国内外大批的研究学者。随着各种新方法和新技术的不断出现，对移动机器人的研究有了更广阔的天地。我国在智能移动机器人研究方面虽然己经取得了一定的成果，如地面自主导航车、水下自主机器人和飞行机器人等。但由于起步较晚，在研究和应用方面都落后于一些西方国家，而且还没有达到完全实用。因此，进行这项研究，具有一定的理论和工程应用意义。本课题来源是实验室与上海化工区对现场自动巡航毒气检测机器人的研发。论文

21、选题是基于模糊控制的移动机器人导航系统设计，也是目前该领域的研究热点，要求机器人在未知环境信息下，自主地导航行走，避开障碍物，实现任务目标，提高移动机器人的智力水平，减少移动机器人在移动过程中存在的不确定状态，提高移动机器人的速度及灵活性。同时也为开发高智能的远距离搬运机器人、探测机器人、服务机器人、汽车自动驾驶系统打下基础。 国内外现状及发展趋势自上世纪 90 年代以来，各国学者对移动机器人的研究十分活跃，目前，各种类型和智能水平的移动机器人也已在工业生产、日常生活和军事中获得应用。由于移动机器人在国民经济及人们生活中有极大的应用潜力，世界各国对移动机器人的研究都极为重视，促使移动机器人得到

22、快速开发。在制造业中，其最成功的应用是作为自动化生产系统中的无人驾驶搬运机器人，用以完成机床之间、机床与自动仓库之间的物料传送，以及机床与工具库间的工具传送。它是一种针对路径多叉、搬运对象多边、大批量生产规模的运输手段，由于移动机器人的运动灵活性，大大增加了生产系统的柔性和自动化程度。-2-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文在工厂自动化中，移动式搬运机器人是必不可少的7,8,9。在非制造业中，星际探索和能源开发是移动机器人两大应用方向。从 60 年代开始，美国开始研究火星探索用移动机器人，以便在火星上软着陆后进行移动并收集数据。自 1965 年美国成功发射水手 4 号行星探测器以来，人类就从没放弃

23、过对火星的探索。1976 年 7 月和 8 月美国的“海盗 1 号”和“海盗 2 号”在火星成功登陆，1996 年 12 月 4 日火星探路者登陆器在肯尼迪航天中心发射，经过7 个月的长途跋涉，1997 年 7 月，在火星上成功着陆后，索杰纳漫游车离开登陆器在火星表而漫游，行驶了几千米，完成了预定的科学探测任务。海洋开发方面，移动机器人的作用是资源调查、石油矿藏开采、沉船打捞等。现在，移动机器人的研究开发，除上述应用外，还涉及许多其它应用领域。如在采矿业中进行隧道的掘进和矿藏的开采，军事上用于探测侦察、危险性的操作，特别是在一些爆炸物处理中，例如核电厂的废料搬运、有毒的化工场地作业10,11。

24、最近几年，移动机器人技术又广泛应用到智能交通系统等服务方面。在服务机器人方面，日本及美国处于绝对领先地位。例如：安川电机和富士通公司联合开发的送餐机器人，它可以在医院里分送饮食到各个病床，并在病人用完餐后收回餐具；日本静甲株式会社的清水工厂开发出一种自动清扫机器人，它可用于各种工厂中的清扫工作，采用了光纤陀螺来自主控制机器人的方向，对地面没有任何要求。美国也非常重视服务机器人的开发和应用。据新科学家杂志报道，能够从事吸尘和洗碗盘之类烦琐家务事的机器人，现在己经可以在美国以邮购方式获得，每个售价还不到 800 美元。目前在我国，服务机器人开发应用较少，只有少数研究所及高校在研究开发，如北京航空航

25、天大学机器人研究所、哈尔滨工业大学机器人研究所、东北大学机器人研究所等，所取得的研究成果距实用化还有很大的差距。具有代表意义的产品有哈尔滨工业大学机器人研究所开发的爬壁机器人，用于高空极限作业12。与任何一门现代技术分支一样，移动机器人研究的兴起一方面是社会生产发展的需要，另一方面也是相关技术领域交叉发展的结果。其中一个最直接的因素是计算机技术的发展。计算机计算、存储能力的大幅提高，为移动机器人运行更复杂的实时控制算法创造了条件。另外计算机科学出现了一系列诸如人工智能、专家系统等新兴技术分支学科，这些学科为移动机器人未知或动态环境的实时导航开辟了道路。移动机器人技术已成为众多高新技术的产物，同

26、时也为其它技术的发展提供了丰富的研究素材和应用场所。-3-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文利用现代网络技术对机器人系统进行远程控制与操作，已成为最新的机器人研究方向之一。所谓网络机器人技术就是经Internet等网络对机器人进行公开和快捷的研究、开发操作和试验，以实现高度的资源共享和技术交流。基于网络的机器人实现了一个廉价的、灵活多变的系统，网络通信和通信协议在机器人系统中得到应用，以标准的互联网络硬件为通信基础，通过改进TCP/IP协议并用到系统数据库协议顶层，提供一种基于信息的可靠传输服务，构造一个支持多个网段之间的多平台控制系统，任何网络终端，包括网络上的机器人、代理及操作者可以互相通信并

27、交互，共同促使任务的实现4。 研究内容移动机器人路径规划是移动机器人技术的主要研究内容之一，虽然已经有近四十年的研究工作，即从不同的环境建模，针对不同的应用领域等提出了很多路径规划的方法，但远远没有达到完全实用的程度，国内外研究者仍在继续探索，移动机器人的路径规划的避碰问题仍是一个值得研究的问题。本文在总结前人研究成果的基础上做了一部分研究工作，研究内容如下：第 1 章绪论。首先指出对其移动机器人研究的背景以及理论和现实意义，然后对移动机器人路径规划所采取的方法以及国内外研究现状进行一般性的介绍和总结，最后阐述了本文研究的主要内容。第 2 章总体结构与运动控制学模型。主要介绍了本课题所用移动机

28、器人总体结构与导航系统组成，包括传感器系统、电源供电系统和驱动系统，针对具体的应用环境和运动特性对运动模型进行了分析，建立了运动数学模型。第 3 章移动机器人模糊控制理论与仿真。在介绍模糊控制基本理论的基础上，把模糊逻辑方法引入到移动机器人的导航系统中，设计移动机器人导航系统模糊控制器。并应用 Matlab(Simulink)仿真工具对该系统进行了路径设计和仿真。结果表明该算法能满足移动机器人导航的要求。第 4 章导航控制系统的软硬件实现。硬件部分，介绍了控制器的选型和开发应用，研究了磁阻传感器和超声传感器的工作原理，设计了各个模块控制电路。软件部分主要包括：主程序，采样定时器中断程序，软件滤

29、波程序，PWM控制程序和串口通信程序。最后对导航系统进行了系统性能测试。最后对本课题研究工作做出了结论并对本课题提出展望。-4-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第2章移动机器人总体结构与运动模型 移动机器人系统 移动机器人系统的组成移动机器人采用上下二级分布式控制系统结构。自动导航控制系统组成下位机，采用基于模块化并行通信的多微处理器分布式控制系统体系结构设计实现，完成对移动机器人的行为动作控制；上位机主要完成基于主动视觉的移动机器人导航控制等功能和采集现场图像功能；移动机器人通过串行通信和上位机进行信息交互；上位机通过无线通信系统和控制室进行信息交互。移动机器人主要由以下几个功能模块组成：(1

30、) 驱动模块：主要安装了左右轮直流电机及其电机驱动控制器。(2) 动力模块：安装了两个锂电池、DC-DC 模块组为机器人提供电源。(3) 传感器模块：在机器人前端安装了 4 个磁阻传感器、两个超声测距传感器及两个人体感应检测传感器。(4) 下位机控制层：主要安装了全部自行设计开发控制器电路板及其它相关模块电路板。(5) 上位机控制层：主要安装了 PC104 及自行设计的并口扩展板模块。(6) 顶层：在机器人的顶部安装 1 台摄像机及无线通信系统的路由器和天线等。其硬件组成如图 2-1 所示。-5-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文图 2-1 移动机器人硬件组成图 移动机器人导航方式自主式移动机器人

31、相关技术的研究中，导航技术是其研究的核心，也是移动机器人实现智能化及完全自主导航的关键技术。采用不同的导引方式就形成了各种形式的导航系统移。移动机器人的导航研究实质是如何解决以下三个问题13：“我现在在何处?”；“我要往何处去?”；“我要如何到该处去?”。因此，移动机器人要想实现自主导航，必须具备以下能力：(1) 能实现基本的趋向目标功能，如到达给定目标或者跟踪指定目；(2) 能对非预见性事件做出实时反应，如躲避一个突然出现的障碍；(3) 能创建、维护和使用环境地图；(4) 通过学习得到障碍物在地图中的位置之后能可靠避开该障碍物；(5) 能识别二维地形，并能改变其力矩以适应不同的地形；-6-哈

32、尔滨工业大学工学硕士学位论文(6) 具有规划制定一个能避开环境中的陷阱且能完成特定目标的规划。移动机器人的导航方式有多种，目前尚无统一的分类标准。根据环境信息的完整程度、导航指示信号类型、导航地域等因素的不同，导航方式也不同。2.1. 电磁导航电磁导航是目前移动机器人自主导航的主要导航方式。这种导航方式利用电磁感应的原理，沿运行线路的地面上设置一条宽约 5mm、深约 15mm的地沟，地沟中敷设导线，馈以 5030kHz的交变电流，以形成沿导线扩展的交变电磁场，在移动机器人的前端对称安装了若干个磁阻传感器，用于检测磁场强度，并根据磁场的强弱引导移动机器人沿着埋设的导线行驶。这种导航方式在自主导航

33、系统中广泛应用并已经十分成熟，可靠性非常高。但其成本高，传感器发射和反射装置的安装复杂，位置计算也复杂，改造和维护非常困难。缺乏柔性，对路径的修改比较困难14,15。如图 2-2 所示。图 2-2 电磁导引方式的工作原理 航迹推算导航航迹推算导航(Dead-Reckoning Navigation)是典型的独立导航方式，常用检测设备包括罗盘仪、速率仪、里程仪、转速计。这些传感设备能够测量出正在行驶车辆的旅行距离、速度和方位，在短时间内这些传感器的精度较高，由于车轮与地面存在打滑现象，产生的累积误差随路径的增加而增大，定位误差会逐渐累积，引起更大的误差。这就需要在此基础上再采用另外一些附加措施，

34、来周期性地纠正机器人的位置误差16,17。 惯性导航惯性导航系(Inertial Navigation System, INS)主要是由惯性测量装置(加速度计-7-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文和陀螺仪)、计算机和稳定平台组成。由陀螺仪和加速度计测量运动载体相对于惯性空间的角速度和线加速度，通过计算机进行导航解算，从而获得运动载体相对某一基准的导航参数。INS具有在高速率下捕捉数据的能力，且精度很高，但是如果时间较长，精度则降低。为提高绝对精度，就需要增加另外的传感器作为辅助。由于其定位误差随时间的延续不断增大，即误差积累、漂移大。同时惯性导航设备昂贵，也限制了它们的使用18。例如，用在飞行器

35、的高精度陀螺仪，价格高的惊人。目前已研制出了更高精度的光纤陀螺仪，然而它的价格有所下降，这为机器人导航提供了一个诱人的解决方案 19。 地图导航基于地图导航(Map-Based Navigation)20是机器人通过自身的各种传感器，探测周围环境，利用感知到的局部环境信息进行局部地图构造，并与其内部事先存储的完整地图进行匹配。如两模型相互匹配，机器人可确定自身的位置，并根据预先规划的一条全局路线，采用路径跟踪和避障技术，实现导航。它涉及环境地图模型建造和模型匹配两大技术。在导航中用到的地图包括几何地图和拓扑地图两种。几何地图在一个全局坐标系里描述世界模型；拓扑地图用节点和弧组成的网络描述世界模

36、型。 主动信标导航主动信标导航(Active Beacon Navigation)常用的二角测量法是通过算机器人与其在同一点所探测到的二个主动信标之间的二角几何关系，以确定机器人在工作环境中的坐标。信标定位可获得较高的定位精度且计算量小，是普遍采用的定位方法。但该方法需要对环境作一些改造，而且信标必须安装在机器人常用的主动信标能“看到”的位置上，在实际应用中还存在一定的局限性。例如：超声信标21 路标导航路标导航(Landmark Navigation)是事先将环境中的一些特殊景物作为路标，机器人在知道这些路标在环境中的坐标、形状等特征的前提下，通过对路标的探测来确定自身的位置。同时将全局路线

37、分解成为路标与路标间的片段，不断地对路标探测来完成导航。根据路标的不同，可分为人工路标导航和自然路标导航。人工路标导航23是机器人通过对人为放置的特殊标志的识别实现导航，虽然比较容易实现，但它人为地改变了机器人工作的环境。自然路标导航不改变工作环境，是机器人通过对工作环境中的自然特征的识别完成导航，但路标探测的稳定性和鲁棒性是研究的主要问题24。-8-、红外信标22等。哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 全球卫星定位导航全球卫星定位导航(Global Positioning System, GPS)是一个由 24 颗人造卫星星群和它们的基站构成的全球无线定位导航系统。导航系统通过安装在车辆上的GP

38、S接收机，可以全天候地提供车辆的二维位置、二维速度以及时间等导航信息。目前，GPS导航的研究日趋增多25,26,27。然而，GPS信息的精度会受到视野中卫星的几何分布状况、星历误差、时钟误差、传播误差、多路径误差以及接收机噪声等诸多因素的影响；同时，其可靠性会受到高大的树木、山坡以及建筑物等因素影响。通常会采用组合导航方式或改进信息处理算法来提高GPS的精度和可靠性。引导方式有以上多种制导原理，其中，工厂大多采用电磁制导；而激光、视觉导航具有引导柔性好、工作可靠和智能化水平高的特点；实验室一般采用光学制导，其运行范围大，运行精度高，地面费用低，但要求工作环境清洁，不适于工作条件比较恶劣的环境。在这里简要介绍一下本课题所选的磁导引方式，这种方式和电磁导引比较类似，只是把导引线换成磁条。选用一定尺寸的磁条并按照导引路线铺设成一定的轨迹。由于磁条具有一定的厚度，将影响行驶路面的平整，阻碍移动机器人的行驶。在工厂实际应用环境中，磁条应被铺设于预制的轨道中。如图 2-3 所示。在移动机器人上置放多对称的磁阻传感器，使其能对称处于磁导引轨迹的上方。其工作原理是：当移动机器人的行驶与导引轨迹一致时，由于此时磁感应器之间正好对称处于磁导引轨迹的上方，两边的感应强度是一致的，因此两边的感应信号差值为 0，也就没有输出量至控制器，移动机器人将