室外移动机器人远程控制系统的设计与开发

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3.0 赵德峰 2024-11-19 4 4 4.37MB 74 页 15积分

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摘要

尽管室外移动机器人的研究正处于蓬勃发展阶段，但其智能化水平与科研人

员的设想尚存一定距离，目前室外智能移动机器人还是不能完全自主地完成所有

任务，因此远程控制系统的出现成为必然。

课题源于国家十一·五计划项目“基于环境信息和电子地图的引导式遥控系

统”，项目由清华大学、国防科技大学、南京理工大学等五家单位共同承担，本文

主要完成项目中室外移动机器人远程控制系统部分的设计和实现。

首先，图像的无线传输是遥控系统的关键技术，为了提高图像的传输质量，

在天线云台随动控制系统的设计中，通过分析传统定位方法的不足，提出了组合

定位算法，避免了电子罗盘的滞后性，完善了视觉临场感技术。其次，完成遥控

器设计，并研究遥控器方向盘无缝隙切换技术和力反馈技术，进而对方向盘力反

馈方案进行改进。然后，根据总体设计方案及系统的功能原理，搭建了基于

PIC18F458 微控制器的硬件平台，包括电源模块、数据采集模块、通信模块和电机

驱动模块等；完成了系统软件的设计和调试工作，并选择合适的增量式 PID 控制

算法来实现定向天线和方向盘随动控制系统。最后，结合监控系统，完成下位机

和上位机的数据通信工作。

通过试验和现场联调，课题基本上达到了预期的设计目标，并成功应用在国

家实际项目中，对同类系统的延续性研究与应用具有实际意义。

关键字：室外移动机器人；远程控制系统；视觉临场感技术；无缝隙

切换与力反馈技术；遥控器；PID 控制算法

ABSTRACT

Although the outdoor mobile robot research is still in vigorous development stage,

but the intelligence level is not following the idea of researchers. At present, the outdoor

mobile robot is still not fully complete all the tasks independently, so research of the

remote control system is inevitable.

The subject is from the project of National Eleventh Five-Year Plan "research of

the guide-style remote control system based on environmental information and

electronic maps", and the project will be completed by five units, such as Tsinghua

University, National Defense University and Nanjing Polytechnic University. This paper

will complete the design and implementation of the remote control system of the

outdoor mobile robot.

First of all, the images wireless transmission is the key technology of remote

control system. In order to improve image quality, in the design of the antenna platform

servo control system, proposed combination location algorithm by analyzing the

shortcomings of traditional positioning method, to avoid hysteresis of the electronic

compasslag, improved the visual telepresence technology. Second, completed the design

of the remote and studied seamless switching technology and force feedback technology

of the remote control steering wheel, and then improved the programs. Then, according

to the overall design and the principle function of the system, setted up the hardware

platform based on PIC18F458 microcontroller, including power modules, data

acquisition module, communication module and motor drive module, etc.; completed

the design and debugging work of the system software, and select the appropriate

incremental PID control algorithm to achieve the directional antenna and steering wheel

servo control system. Finally, the combination of monitoring system, completed the

communications between the next-bit machine and host computer.

Through testing and debugging in feild, the subject is basically to achieve the

desired design goals, and applied in practical projects successfully, and will play an

practical role in the continuity research and application of similar systems.

Key Words: Outdoor mobile robot，Remote control system, Visual

telepresence technology, Seamless switching technology and force

feedback technology, Remote, PID control algorithm

摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ......................................................... 1

§1.1 概述 ....................................................... 1

§1.2 室外移动机器人研究的背景及意义 ............................. 2

§1.3 室外移动机器人的国内外研究现状 ............................. 2

§1.3.1 面向非结构化道路的室外移动机器人 ...................... 3

§1.3.2 面向结构化道路的室外移动机器人 ........................ 4

§1.4 基于视觉临场感技术的远程控制系统简介 ....................... 6

§1.4.1 远程控制系统的研究背景及组成 .......................... 6

§1.4.2 临场感技术 ............................................ 7

§1.4.3 定向天线云台随动系统 .................................. 7

§1.4.4 力反馈技术和无缝隙切换技术 ............................ 8

§1.5 课题来源及主要研究内容 ..................................... 8

第二章室外移动机器人远程控制系统平台分析 ........................... 10

§2.1 远程控制系统平台整体方案设计 .............................. 10

§2.2 移动机器人站的构成与实现 .................................. 11

§2.2.1 移动站主要部件功能 ................................... 12

§2.2.2 移动机器人站的通信功能 ............................... 13

§2.3 移动指挥站的构成与实现 .................................... 13

§2.3.1 数据无线通信 ......................................... 15

§2.3.2 图像无线通信 ......................................... 15

§2.3.3 移动指挥站的监控系统 ................................. 16

§2.3.4 遥控器及方向、速度控制系统 ........................... 18

§2.3.5 天线云台随动控制系统 ................................. 19

§2.4 小结 ...................................................... 19

第三章移动指挥站天线云台随动系统的分析 ............................. 20

§3.1 引言 ...................................................... 20

§3.2 天线云台随动系统简介 ....................................... 20

§3.2.1 GPS 应用及其定位原理 ................................. 21

§3.2.2 磁罗盘的应用及工作原理 ............................... 22

§3.3 系统硬件平台的构成 ......................................... 22

§3.4 系统软件平台的搭建 ........................................ 23

§3.5 组合定位算法在天线云台系统中的应用 ......................... 24

§3.5.1 传统定位方法在车载天线系统中的特点 ................... 24

§3.5.2 组合定位算法的应用 ................................... 25

§3.6 小结 ...................................................... 26

第四章遥控系统硬件平台设计与实现 ................................... 27

§4.1 引言 ...................................................... 27

§4.2 遥控系统的方案设计 ........................................ 27

§4.2.1 遥控操作功能的实现 ................................... 27

§4.2.2 遥控器的设计与实现 ................................... 27

§4.2.3 遥控器方向控制系统 ................................... 29

§4.2.4 状态无缝隙切换的实现方案 ............................. 30

§4.2.5 方向盘力反馈技术的实现方案及其改进 ................... 30

§4.2.6 遥控器元器件的选择 ................................... 31

§4.3 遥控系统硬件体系结构 ...................................... 33

§4.3.1 系统硬件整体架构 ..................................... 33

§4.3.2 微处理器 ............................................. 34

§4.3.3 TH-MC-7845C 测控板部分 ............................... 36

§4.3.4 电机正反转控制电路 ................................... 45

§4.3.5 LPA3 功率放大板--电机驱动电路 ........................ 46

§4.4 本章小结 .................................................. 49

第五章遥控系统软件平台设计与实现 ................................... 50

§5.1 软件开发平台搭建 .......................................... 50

§5.2 系统软件总体设计 .......................................... 51

§5.3 软件功能模块设计 .......................................... 52

§5.3.1 主程序 ............................................... 52

§5.3.2 初始化模块 ........................................... 53

§5.3.2 中断模块 ............................................. 54

§5.3.3 串口通讯程序 ......................................... 55

§5.3.4 控制算法子程序 ....................................... 56

§5.4 PID 控制算法的应用 ......................................... 57

§5.4.1 PID 控制的原理及特点 ................................. 57

§5.4.2 增量式数字 PID 控制算法 ............................... 58

§5.4.3 控制参数的整定 ....................................... 59

§5.5 小结 ...................................................... 62

第六章总结与展望 ................................................... 64

§6.1 总结 ...................................................... 64

§6.2 展望 ...................................................... 64

参考文献 ............................................................ 66

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 69

致谢 ................................................................ 70

第一章绪论

§1.1 概述

智能移动机器人是机器人研究领域中的一个重要分支[1]。智能移动机器人集智

能控制、人工智能、图像处理、信息处理、检测与转换等技术为一体，跨越计算

机、电子、机械等多个学科，成为当前研究热点之一。智能移动机器人的优势在

于其有着广泛的应用范围，比如在智能交通领域、工厂码头的监控以及人所不能

到达的各种危险领域的工作等。

智能移动机器人的研究在60年代末期便出现了[9]，在1966年至1972年中，斯坦

福研究院（SRI）的Charles Rosen等人研发出了一种自主移动机器人，取名为Shakey。

其目的在于人工智能化的研究应用，在复杂领域里完成机器人系统的规划、自主

化推理和控制。与此同时，以最著名的名为General Electric Quadruped 的步行机器

人为代表的操作式步行机器人也研发成功，进而开始了步行机构机器人的研究，

用来解决机器人在崎岖地域内的行驶问题。随着计算机技术的应用和传感技术的

快速发展，70年代末期，移动机器人研究又出现了新的趋势。特别是在80年代中

期，设计和制造机器人的高潮到来了。世界著名的公司开始研制智能移动机器人

平台，这些移动机器人主要作为研究机构和实验室教学的试验平台，从而激发了

移动机器人学向多种不同方向的研究。自90年代开始，移动机器人的研究向更高

层次发展，其中以研制高适应性控制技术、高水平的环境信息传感器和信息处理

技术、规划技术为标志。

智能移动机器人的研究涉猎许多方面，完成形态也不同[10]，仅移动形式来说

便可以分为轮式移动机器人、行走式移动机器人、履带式移动机器人、水下推进

式移动机器人等；按功能和用途来分，可分为医疗机器人、军用机器人、助残机

器人、清洁机器人和管道检测机器人等；考虑作业空间，又可分为陆地移动机器

人、水下机器人、无人飞机和空间机器人等；按控制体系架构来分，有功能式结

构机器人、行为式结构机器人和混合式结构机器人；就工作环境来说，还可分为

室外智能移动机器人和室内智能移动机器人。本文主要就室外移动机器人来研究。

室外移动机器人远程控制系统的设计与开发

§1.2 室外移动机器人研究的背景及意义

室外移动机器人（OMR，

Outdoor Mobile Robot），又称智能车辆（IV，

Intelligent

Vehicle）或自主地面车辆（ALV，Autonomous Land Vehicle），最早出现在20世纪

80年代美国国防部高级研究计划署制订的“战略计算计划”中，它主要是为了研究与

新一代的无人驾驶地面车辆有关的技术，类似的车辆能够在室外实现完全或部分

自主驾驶，执行指定的任务。室外移动机器人之所以受重视，是因为其不仅在军

事上有特殊应用价值，并且在公路交通运输中有着宽泛的应用前景[2]。

随着社会信息化的深入发展，工农业、科研、国防等多种行业越来越需要更

高性能的智能车系统。20 世纪 80 年代初期，美国国防高级研究计划局(DARPA)

就专门立项，制定了地面无人作战平台的战略计划，从而移动机器人的全方位研

究从此开始了，智能车也在同一时期快速发展起来。

随着社会进步和科学技术的发展，智能机器人技术的研究更加受到科研人员

的重视，其应用领域无处不在。在未来海洋开发、宇宙探测、军事、工农业、国

防、服务、娱乐等领域，智能机器人都有着广阔的发展空间。现代电子技术、计

算机软硬件技术、人工智能技术、自动控制技术、系统识别技术的飞速发展，促

进了室外移动机器人导航、运动控制方法的进步和功能的多样化。随着国际间高

科技领域竞争的日益激烈，多功能室外移动机器人必然会在各行业中得到广泛使

用。目前在军事应用领域，室外移动机器人被寄予替代人们自动完成某些日常性

与危险性军事任务的厚望，比如在军事领域巡逻、监控和勘察以及在危险领域作

业等。作为科研机构，开发一种能适应多种环境、满足多方面要求的多功能室外

移动机器人实验平台成为必然。

§1.3 室外移动机器人的国内外研究现状

按照应用领域和运动环境的不同，当前室外智能移动机器人研究的侧重点根

据其项目资助来源一般可以有两大类：第一类为由军方或航天界所资助，其侧重

点在非结构化道路上的机敏性、灵活性与应用环境中的越野性。第二类为由民用

部门所资助，其侧重点在结构化道路上的车辆自主驾驶或人工辅助驾驶。

在这方面，美、德、法、日等国走在世界前列。80年代初，在美国DARPA的

支持下，CMU、Stanford和MIT等单位开展了ALV的研究，试图研制在非结构化环

境中能够自主移动的车辆[11，12，13]。NASA下属的JPL同样进行了相关方面的研究。

国内是从八五期间开始的，由多所高校共同研制的军用室外移动机器人7B.8，其某

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摘要：

摘要尽管室外移动机器人的研究正处于蓬勃发展阶段，但其智能化水平与科研人员的设想尚存一定距离，目前室外智能移动机器人还是不能完全自主地完成所有任务，因此远程控制系统的出现成为必然。课题源于国家十一·五计划项目“基于环境信息和电子地图的引导式遥控系统”，项目由清华大学、国防科技大学、南京理工大学等五家单位共同承担，本文主要完成项目中室外移动机器人远程控制系统部分的设计和实现。首先，图像的无线传输是遥控系统的关键技术，为了提高图像的传输质量，在天线云台随动控制系统的设计中，通过分析传统定位方法的不足，提出了组合定位算法，避免了电子罗盘的滞后性，完善了视觉临场感技术。其次，完成遥控器设计，并研究遥控器...

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