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基于惯性传感器的机器人运动轨迹分析与实现.pdf

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独 创 性 声 明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得电子科技大学或其它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谢意。 签名 日期 年 月 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定,有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将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、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 (保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名 导师签名 日期 年 月 日 万方数据摘 要 I 摘 要 移动机器人轨迹的研究是当前比较新颖的课题,它是基于定位 与导航 ,以各种传感器的数据为 前提 ,以微分平坦为 理论基础的 。 本文基于 移动机器人的 运动学、动力学模型,围绕其控制子系统、传感子系统和驱动子系统三个基本子系统,对未知环境下 如何对移动机器人的运动轨迹 的提取与 实现进行了研究 。 首先 对移动机器人的国内外研究历史和发展趋势进行了介绍,同时介绍了本文的选题背景、研究内容和研究意义。 论文 介绍了移动机器人控制子系统、传感子系统和驱动子系统。着重分析了加速度计、陀螺仪、超声波等传感器,包括原理、特性及分类,并对 它 的误差进行了 分析 。对于控制子系统,介绍了各层的关系;对于计算机控制的驱动子系统,介绍了模拟 PID 算法,并实现了其控制程序。 论文 提出了将微分平坦理论与 B 样条曲线相结合的轮式移动机器人轨迹生成方法。轮式移动机器人是一种典型的非完整约束系统,也是典型的非线性系统,可以通过应用微分平坦理论将这类非线性问题转化为平坦系统进行分析研究。对于一些在二维平面无法用准确的函数表达式表示的曲线,考虑到 B样条的连续性、分段参数多项式和造型灵活型( B 样条曲线可以用来构造直线段、尖点和切线等特殊情况),选用 B 样条曲线来拟合机器人运动轨迹是可行的。通过用 B 样条曲线对机器人轨迹进行拟合,得到拟合曲线的函数表达式,结合微分平坦理论得到平坦控制量(这里为电机输出转矩)。 最后 对于平面上移动的移动机器人如何得到它通过的点,将惯性导航原理引进过来,在移动机器人运行过程中,利用超声波传感器进行绝对定位,利用 加速度计、陀螺仪采样移动机器人的加速度、角速度信号,通过计算 确定移动机器人在各个采样点的位姿, 据此 组成了移动机器人的轨迹 。 反过来, 通过微分平坦与 B样条曲线拟合相结合,找到其平坦输出,这样移动机器人可以还原 某一 轨迹。 关键词 移动机器人,微分平坦, B 样条曲线,加速度计,陀螺仪万方数据ABSTRACT II ABSTRACT The mobile robot s trajectory research is a relatively new subject, which is based on the positioning and navigation, and on the premise of data from various sensors. The basis theoretical of mobile robot s trajectory realization is differential flatness. Based on its kinematics and dynamics model, revolving around three basic subsystems, including the control subsystem, sensor subsystem and drive subsystem, in unknown environment how to get and accomplish mobile robot’s moving trajectory are researched. Firstly, history of domestic, foreign research and development trends of mobile robots are introduced. Additionally, the research’s background, content and significance are presented. The mobile robot’s control subsystem, sensor subsystem and drive subsystem are introduced in this paper. Accelerometers, gyroscopes, and ultrasonic sensors are specially analyzed, including their principles, characteristics and classification, and their error factor are studied. To control subsystem, the relationship of layers is introduced. For computer-controlled drive subsystem, analog PID algorithm is introduced, and its control procedures accomplish successfully. Then, the combination of differential flatness theory and the B-spline curve are brought forward to generate robot’s trajectory. Wheeled mobile robot is a typical nonholonomic system, which also is a typical nonlinear system. Through the application of differential flatness theory, the nonlinear problem can be transed into a flat system to analyse. B-spline curves can be used to construct a straight line segment, cusp and tangent, and other special cases. To curves in two dimensions which can not be accurately represented by the function expression, taking the continuity, piecewise polynomial parametric and modeling flexible type of B-spline into account, so using the B-spline curve to fit the robot trajectory is feasible. Through the B-spline curve fitting, getting robot trajectory curve’s fitting function expression, then combining with the differential flatness theory, the flat control volume is acquired, on this point it means motor drive’s output torque. Lastly, how to get a mobile robot’s point which it pass, on the point the principle 万方数据ABSTRACT III of the inertial navigation is introduced. When a mobile robot is moving, use ultrasonic sensors to get its absolute positioning, use accelerometers and gyros to sample mobile robot’s acceleration and angular velocity signal, after calculation the position and orientation of the mobile robot can be determined. Accordingly, numbers of such positions and orientations constitute mobile robot’s trajectory. On the other hand, combining of differential flat and B-spline curve fitting to get flat output, in this way any mobile robot’s trajectory can be restored. Keywords mobile robot, differential flatness, B-spline curve, accelerometers, gyroscopes.万方数据目 录 IV 目 录 第一章 绪论 .................................................................................................................... 1 1.1 引言 ........................................................................................................................... 1 1.2 移动机器人研究概况 ................................................................................................ 2 1.2.1 移动机器人发展历史 ........................................................................................ 2 1.2.2 国外移动机器人的 发展 .................................................................................... 3 1.2.3 国内移动机器人的发展 .................................................................................... 5 1.3 论文课题背景及研究意义 ........................................................................................ 6 1.4 本课题的主要研究内容 ............................................................................................ 7 第二章 移动机器人动力学与运动学 ............................................................................ 8 2.1 机械系统的运动约 束 ............................................................................................... 8 2.2 轮式移动机器人运动学模型 ................................................................................... 9 2.3 轮式移动机器人动力学模型 ................................................................................. 12 第三章 移动机器人系统组 成 ...................................................................................... 15 3.1 移动机器人控制子系统 ......................................................................................... 15 3.2 移动机器人传感子系统 ......................................................................................... 17 3.2.1 陀螺仪 .............................................................................................................. 18 3.2.2 加速度计 .......................................................................................................... 20 3.2.3 超声波传感器 .................................................................................................. 21 3.4 移动机器人驱动子系统 .......................................................................................... 28 3.4.1 移动机器人驱动电机 ....................................................................................... 28 3.4.2 伺服系统的控制 .............................................................................................. 28 第四章 移动机器人运动轨迹研究及实现 .................................................................. 31 4.1 移动机器人定位 ..................................................................................................... 31 4.1.1 移动机器人定位方式 ...................................................................................... 31 4.1.2 环境模型的表示 .............................................................................................. 32 4.1.3 基于惯性传感器的定位 .................................................................................. 33 4.2 移动机器人运 动规划 ............................................................................................. 34 4.3 移动机器人轨迹生成 .............................................................................................. 35 万方数据目 录 V 4.4 B 样条曲线拟合运动轨迹 ...................................................................................... 40 4.4.1 B 样条曲线定义与性质 .................................................................................... 42 4.4.2 运动轨迹拟合步骤 .......................................................................................... 43 4.4.3 三次均匀 B 样条曲线拟合轨迹 ...................................................................... 44 4.4.4 在移动机器人避障中应用 .............................................................................. 47 第五章 移动机器人轨迹提取及仿真 .......................................................................... 49 5.1 试验平台搭建 ......................................................................................................... 50 5.2 数据提取及分析 ..................................................................................................... 52 5.3 基于 Matlab 仿真及轨 迹还原 ................................................................................ 56 第六章 结束语 .............................................................................................................. 58 致谢 ................................................................................................................................ 60 参考文献 ........................................................................................................................ 61 攻读硕士期间的研究成果 ............................................................................................ 65 附录 ................................................................................................................................ 66 万方数据第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1 引言 对于非专业人士的研究者来说,在九十年代末期,很难接触到真正意义上的机器人,而如今功能完善的清洁机器人、教育机器人、机器人玩具等已在市场大量有售,机器人的实际应用减轻了人们的劳动负担、丰富了人们的业余生活,逐渐成为人们生活中的一份子。对于应用场合不同,移动机器人各个模块会有不同,但主要可以分为机械模块、电路模块、传感器模块、驱动模块、控制模块等几个部分,因此 机器人 的研究设计过程会设计到 许 许多 多学科领域,包括机械设计、计算机科学、电子电路、自动化控制、信息和传感器技术、人工智能、仿生学 等 。对机器人的要求不同,其设计难度 也不 一样,有些完成简单任务的机器人,比如堆积木、搬东西的机器人,可能十来人的学生加上几个指导老师在数月时间内可以完成, 但在对 机器人的智能要求非常苛刻的场合下,比如要设计出机器人能与人类进行实力相当的足球对抗赛,恐怕集全世界的科研机构也需要数十年的时间,再者在未知复杂的环境中,比如 进行 星球探测的机器人,要有效、可靠、持久得完成任务, 得 考虑众多的影响因素 。 作为多学科交叉的 机器人 技术, 正是因为其包含众多知识,面临 众 多挑战和许多暂时还难以解决的问题,所以说一个国家科学技术的发展水平, 很大程度上体现在 机器人的 研究和应用上。 宋健院士曾指出 “ 机器人学的进步和 应用是 20世纪自控控制最有说服力的成就,是当代最高意义的自动化 ” [1]。 随着人工智能的 理论逐渐成熟, 社会 对于能够完成一些特殊任务需求 的增加,特别得得益 于 计算机性能的大幅提升, 机器人技术 在最近三十年的时间 里 得到了迅速的发展, 众多的研究机构和大学加入到机器人的 研究 应用行列 。 紧紧跟随人们的需求,大量的研究成果诞生,机器人的 应用逐渐渗透到人类社会的各个领域,逐渐让人们尝到“甜头”,对机器人技术更加重视, 对我们的生产生活影响巨大。在工业中,机器人的加入 “帮助”人们做一些程序固定、单调乏味的工作 , 使 人们从枯燥的生产中解脱出来,让 工业生产更具人性化,同时也 很大程度上提高了生产效率,降低了生产成本, 现在工业上广泛使用的机器人包括 焊接机器人、装配机器人、搬运机器人等; 在 军事上, 机器人的加入让人们 在 面对险情、灾难 时能更加理性高效得去避免损失,不难想象,如果再汶川、玉树地震中有灾难机器万方数据电子科技大学硕士学位论文 2 人的 加入,或许会有许多宝贵的生命能够得到挽救 ,现在在军事上应用广泛 的 机器人包括 排险机器人、抗暴机器人、灾难救援机器人等 ; 在 日常生活中,机器人技术已经渗透到工业 生产 、农业 生产 、建筑 施工 、 生活 服务、 灾难 救援等多个领域,为人类 的 生活 提供了 便利 [2-3]。 在生活日益丰富多彩的 今天,人们对于资源的使用和消耗 越来越大 , 越来越多的人意识到地球上的资源总会有一天会用完,到那个时候我们的去路是什么,基于 这种考虑 一些发达国家将机器人 研究和 应用 领域逐渐由陆地 、海洋 扩展到 外星球 , 比较有代表 性 的有俄罗斯的月球车 、 美国的勇气号和机遇号火星车 , 利用机器人进行陆、海、空、天全方位探测开发,已成为 21 世纪各国家拓展生存空间、增大资源储备的主要手段 [4-5]。 作为机器人中至关重要、应用最广泛的一类,移动机器人是指在室内、道路或一些特殊场合能够通过传感器感知环境和自身状态,实现复杂未知环境中面向目标的自主移动(称为导航)完成任务的智能机器人 系统 [6-7]。移动机器人与其他机器人的 相比,具有特别好的灵活性,它能够像人类一样去自己想去的地方,正因为好的灵活性成就了它广泛 的 活动范围,也因此在实际应用中,它的应用场合非常多 。移动机器人通过各种传感器感知周围环境和自身的状态,采用先进的控制系统控制其行为、执行系统执行预定任务,具有自规划、自组织、自适应的能力。 移动机器人 种类繁多,有多种分类标准。 根据 移动机器人 移动机构的不同 ,可以分为轮式移动机器人 Wheeled Mobile Robot, WMR、履带式移动机器人Pedrailed Mobile Robot, PMR、 蛇形 机器人( Snaked Mobile Robot)和步足移动机器人 Legged Mobile Robot, LMR等;根据 移动机器人 工作的 空间环境不同,可以分为陆地移动机器人、 水下移动机器人和空中移动机器人;根据智能化程度的不同,又可以分为自主移动机器人、半自主移动机器人和人工遥控移动机器人[8-9]。 1.2 移动机器人 研究 概况 1.2.1 移动机器人发展历史 移动机器人最早研制时间可以追溯到上世纪七十年代末八十年代初期,那个时候第一台移动机器人“ Shakey”由美国斯坦福研究所研制出来,它配备了用来检测距离的测距传感器、用来检测是否发生碰撞的碰撞传感器、提供动力 的 驱动万方数据第一章 绪论 3 电机和用来测量运动距离的编码器 , 它已基本具备现代移动机器人的功能,包括对周围的自主感知、对工作环境进行建模、对于预定的任务进行规划分解完成,同时,这也是人们第一次将人工智能学理论加入到机器人中 [10]。但 由于当时计算机运算 速度的限制 , 致使 Shakey 感知环境同时进行环境建模、分析任务和分解任务的速度非常慢,有时甚至需要成百上千分钟来完成。 上世纪 八十年代初期,发生了一件令世界瞩目的事情 ,前苏联 把第一个无人驾驶的月球车送上了月球 [11], 这是继美国 1969 年载人登月后又一次划时代的事件。 进入 20 世纪 90 年代, 对于移动机器人的研究也逐渐深入广泛, 计算机技术的 飞速发展 让机器人计算、对于自身的控制的能够实时完成 。 上世纪 九十年代中期,继 Dante I 号试图进入南极附近火山的失败之后,在随后几个月时间里,卡纳基梅隆大学的机器人研制组将 Dante I 号 升级为 Dante II号,让它进入阿拉斯加火山并采集火山喷出的气体,由于火山附近环境恶劣、高危险性,当时的移动机器人自主控制技术还处于比较初级阶段,所以 Dante II 号并不是由它自己而是由人来操纵的 [12]。 上世纪 九十年代中后期,移动机器人的研究 又取得实质性的突破,在 1996年, 继前苏联发射火星 探测 车失败 后 , 美国成功发射了火星探路者( Mars Pathfinder), 由其携带的 索杰纳( Sojourner rover) 火星车也在 1997 年成功在火星上着陆 [13]。 进入二十一世纪后,移动机器人发展更加迅速,呈现多方向、更 适用、多智能 的研究态势, 各国也相继推出自己的移动机器人产品 , 比如日本的 ASIMO、QRIO 等一系列的仿人机器人,美国的 Seyway 两轮自平衡车,众多机器人公司开始诞生,争先争夺移动机器人市场这块蛋糕,比如德国的 ROBOWATCH 公司把它们自己生产的侦查排爆机器人、智能移动机器人等一系列机器人带到中国,向我们 展示它们 机器人优秀的性能,希望以此与中国寻求合作机会。 1.2.2 国外移动机器人的发展 索杰纳火星车的成功应用, 使 人类第一次对火星表面有了比较全面和细致的了解,成为第一辆送上 除月球 以外的 外 星球并在一定范围内四处活动的星球探测车,在 移动机器人技术发展史上成为一个划时代的标志 [14], 向 人们展现了移动机器人 广阔的应用前景,掀起了一股探测火星的高潮,极大激发了科学研究者对于机器人的兴趣。 上世纪七八十年代,日本工业化进程发展非常迅猛,工业上的巨大需求点燃万方数据电子科技大学硕士学位论文 4 了日本对机器人研究的热情,到了上世纪末期,日本 启动 了一项 为期 五年的国家研究计划 “ 与人协作共存型机器人 ” ( HRP,拟人机器人计划),其研究目标是在人类的工作和生活环境中,利用基于通信网络的远程遥控技术,能够在复杂地形复杂环境下灵活运动,能够与人类合作共同工作,完成复杂的任务。就在这一年,日本本田( Honda) 公司展出了第一个人形移动机器人,之后数十年内,相继研制推出了 几代 功能不断提升、更具智能的仿人 机器人 ASIMO。随后在 2002 年又启动了一 项名叫“ 21 世纪机器人挑战”的 国家 级 项目 ,这个大项目中有一个为期三年的子项目来,它主要是针对机器人开放式的结构,开发通用的“中间件”[15]。 1970 年的月球车 1 号( Lunkhod-1)是最早登上月 球表面的遥控式移动机器人。今天的俄罗斯在机器人技术领域依然 具有 相当 雄厚的技术基础, ROVER 科技有限公司( Rover Science Technology Joint-stock Company Ltd., RCL)运用开发空间机器人的经验于开发地面机器人系统,比如极坐标平面移动车、爬行移动机器人、球形机器人、工作伙伴平台及 ROSA-2 移动车等 [16]。 以英国 、 德国 等数十个国家组成 的 欧盟 , 清醒认识 到 将来的 社会 将是一个 信息化社会,经 过 共同 磋商 ,在本世纪初期 启动 了 信息社会技术( Ination Society Technologies, IST) ,在这个 计划中 计划 开展 借助机器人的交互式博物馆临场感( TOURBOT) 、 探测火山 周围 环境的机器人( ROBOVOLC)、用来评估地震危险 程度 的爬行机器人( ROBOSENSE) 等项目研究 [17]。 韩国 对于未来机器人产业充满期待,同时也为本国的机器人产业 的发展 制定了 明确清晰的步骤和目标。在 2003 年 提出了“十大未来发展动力产业 ”政策,其中包括智能机器人、家用机器人、 IT 产业工程使用机器人等 ;五年之后,也就是 2008 年,为了应对机器人产业发展过程中出现的纠纷、问题,颁发了 智能机器人开发与普及促进法 ,旨在让机器人产业更好更快的发展 [18]。 从第一台移动机器人 shaky 成功研制,距今已过去了近四十年,近四十年来美国 对于移动机器人的研制投入了大量的人力、物力以及财力,也取得了令人全世界瞩目的成绩 , 例如美国 能源部的核废料等危险品搜集、 索杰纳与勇气号等火星 探测车的成功发射 、 应用在校园或 高尔夫球场 等场合 的两轮自平衡机器人Segway、 自主 搬运 车 等 。 许多著名大学与研究所的研究人员参与,比如 JPL、MIT AI Lab、 CMU Robotics Institute、 Georgia Tech Mobile Robot Lab、 Standford Robotics Institute 等。众多优秀人才的参与和雄厚的资金投入使美国取得了非常突出的成果,比如 “ 勇气号 ” 与 “ 机遇号 ” 火星车等 [19]。图 1-1 为 索杰纳火星漫万方数据
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