多移动非完整机器人协调控制研究

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3.0 侯斌 2024-11-19 7 4 2.75MB 64 页 15积分
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摘 要
随着机器人和自动驾驶技术的发展，需要考虑受控对象与环境接触的非完整
约束问题，非完整移动机器人是这类系统的典型代表之一。它是一个集环境感知、
动态决策与规划、运动控制与执行等多种功能为一体的综合系统。这使得非完整
移动机器人的理论及应用研究在国内外受到越来越广泛地关注，同时随着机器人
技术的发展，人们对机器人的要求不再局限于单个机器人。多机器人系统具有较
强的容错能力、灵活性以及较好的经济性等优势，因此对多移动非完整机器人的
研究已经成为机器人学研究的一个重要方面。如今多机器人协调系统在地质勘探、
搜索救援、采矿、航天器、无人机飞行编队等领域有着广泛的应用。
本文首先介绍了基于非完整移动机器人的运动学模型和动力学模型，综述了
多移动机器人协调控制的主要问题及研究现状；其次，根据滑模控制理论，提出
一种非线性滑模控制器设计方法，以协调一组非完整移动机器人取得合乎要求的
编队，在合理假设下，从理论上证明了机器人协调编队的渐近稳定性，并通过仿
真验证了此控制方法的有效性；接着，从硬件、软件两方面介绍了非完整移动机
器人实验平台，同时还提出了一种移动机器人自由避障策略及其实现方法。
最后，基于非完整移动机器人实验平台，从软件上设计了基于红外传感器的
移动机器人避障控制以及多移动机器人的协调控制，实验结果验证了本文所设计
的控制律的有效性。
关键词：非完整系统 移动机器人 协调控制 避障控制 滑模控制
ABSTRACT
With the development of robot and automatic driving technology, nonholonomic
constraints between the controlled objects and the environment must be taken into
consideration in the systems, of which the nonholonomic mobile robot is a typical
example. The mobile robot is an integrated system, including many functions such as
environment detecting, dynamic decision and planning, motion control and
implementation, etc. The theory and application of nonholonomic mobile robot have
been paid more attention for decades at home and abroad. However a single robot is not
desired any more, due to multi-robot system possessing advantages of better fault
tolerance capability, flexibility and so on. Therefore the research of multiple mobile
nonholonomic robots has been an important aspect in robotics. Nowadays, multi-robot
coordinate systems are widely used in fields such as geological exploration,
search-rescue, mining, space exploration, and aeroplane formation without man, etc.
Dynamics and kinematics models of the nonholonomic mobile robots are
introduced first in the paper, then the primary problems and general situation of the
research for multi-mobile robot coordinate control are summarized. Next, a nonlinear
sliding mode controller is proposed to coordinate a group of robots to achieve a desired
formation. We prove theoretically that under certain reasonable assumptions the
formation is asymptotically stable. The simulations verify the effectiveness of the
control method. Then the hardware and software are introduced for the platform of the
nonholonomic robot, and an obstacle avoidance method of the mobile robot is presented
in addition.
Finally, obstacle avoidance control and multi-robot coordinate control based on
infrared sensors are designed, the experiment results validates the effectiveness of the
controller proposed in the paper.
Key word: Nonholonomic System, Mobile Robot, Coordinate Control,
Obstacle Avoidance Control, Sliding Mode Control
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 .....................................................................................................................1
§1.1 机器人研究现状 ...............................................................................................1
§1.2 移动机器人系统 ...............................................................................................2
§1.2.1 移动机器人简述 .....................................................................................2
§1.2.2 非完整移动机器人系统 .........................................................................3
§1.2.3 非完整移动机器人运动学模型 .............................................................5
§1.2.4 非完整移动机器人动力学模型 .............................................................6
§1.3 多机器人协调控制系统 ...................................................................................6
§1.3.1 多机器人协调控制优点 .........................................................................6
§1.3.2 多移动机器人协调控制现状 .................................................................7
§1.4 课题来源和研究内容 .....................................................................................11
§1.4.1 课题来源 ...............................................................................................11
§1.4.2 主要研究内容 .......................................................................................12
第二章 非完整移动机器人协调编队的滑模控制研究 ...............................................13
§2.1 引言 .................................................................................................................13
§2.2 滑模变结构控制方法概述 .............................................................................13
§2.2.1 变结构控制来源 ...................................................................................13
§2.2.2 滑模变结构概念 ...................................................................................14
§2.2.3 滑模变结构优点 ...................................................................................14
§2.3 非完整移动机器人动力学运动学模型 .........................................................15
§2.4 控制器设计 .....................................................................................................16
§2.4.1 引理 .......................................................................................................17
§2.4.2 控制律设计 ...........................................................................................17
§2.4.3 仿真 .......................................................................................................20
§2.5 结论 ...............................................................................................................24
第三章 非完整移动机器人实验平台 ...........................................................................25
§3.1 移动机器人系统平台概述 .............................................................................25
§3.2 红外信息处理模块 .........................................................................................27
§3.2.1 红外传感器分布图 ...............................................................................28
§3.2.2 红外测距原理 .......................................................................................28
§3.2.3 红外测距模块的参数 ...........................................................................31
§3.3 系统执行模块 .................................................................................................31
§3.4 系统软件设计 .................................................................................................32
§3.4.1 系统软件概述 .......................................................................................32
§3.4.2 系统软件框架 .......................................................................................33
第四章 移动机器人避障控制设计 ...............................................................................34
§4.1 引言 .................................................................................................................34
§4.2 红外数据处理 .................................................................................................35
§4.3 移动机器人避障方法 ......................................................................................37
§4.3.1 避障策略 ...............................................................................................37
§4.3.2 策略实现 ...............................................................................................39
§4.4 实验结果及分析 .............................................................................................39
第五章 移动机器人协调控制设计 ...............................................................................41
§5.1 PID 概述 .......................................................................................................... 41
§5.2 PID 控制电机 .................................................................................................. 43
§5.2.1 编码器测试 ...........................................................................................43
§5.2.2 电机的开环特性 ...................................................................................46
§5.2.3 电机的闭环特性 ...................................................................................47
§5.3 机器人协调控制实验及分析 .........................................................................51
第六章 结论与展望 .......................................................................................................54
参考文献 .........................................................................................................................55
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................61
致 谢 ...............................................................................................................................62
第一章 绪论
1
第一章 绪论
机器人技术的发展是一个国家高科技水平和工业自动化程度的重要标志和体
现。机器人在当前生产和生活中的应用越来越广泛，在某些场合或环境中正替代
人发挥日益重要的作用。
§1.1 机器人研究现状
机器人“Robot”一词由捷克斯洛伐克作家萨佩克于 1920 年在其作品《洛桑
万能机器人公司》中最早使用。可以说，机器人是人类很早以来就幻想能够拥有
的一种拟人机械，能实现人类手脚的灵活运动、具有人的思维与逻辑，能代替人
类从事非固定的复杂劳动。之后，随着控制理论的产生和计算机的发明，1954 年，
美国人 George C . Devol 提出了第一个关于工业机器人的技术方案，随后注册成为
专利。1959 年美国人英格伯格和德沃尔制造出世界上第一台真正实用的工业机器
人“尤尼梅特”并应用于汽车工业，机器人的历史从此开始。1960 年推出了工业
机器人的实验样机，1961 年全世界第一台定名为“Unimate”的机器人正式问世，
标志着机器人技术开始形成。70 年代以后，机器人产业蓬勃兴起，机器人技术发
展为一门综合性的学科—机器人学，其涉及机械工程学、电气工程学、微电子工
程学、控制工程学、信息传感工程学、仿生学以及人工智能工程学等多门尖端学
科。随着科技水平不断提高，这种智能机械正逐步地迈向现实[1]。
机器人技术研究发展至今，已经历了三个阶段[2] ：
（1）示教再现型机器人；它必须由人操纵机械手或通过控制器发出指令让机
械手臂动作，以便机器人在动作过程中将这一过程存入记忆装置。这类机器人不
具有外界信息的反馈能力，很难适应变化的环境。
（2）感知型机器人；感知机器人对外界环境有一定感知能力，如具有简单的
听觉、触觉等功能。机器人工作时，能够根据传感器获得的某一特定信息，适当
调整自己的工作状态，保证在适应环境变化的情况下完成工作。
（3）智能型机器人；这种类型的机器人对环境有更强的感知能力，能独立判
断和行动，能记、推理和决策，从而能够在未知环境中完成更加复杂的任务。智
能机器人的“智能”特征就在于它具有与外部世界对象、环境和人相适应、相协
调的工作机能。从控制方式看，智能机器人不同于工业机器人的“示教、再现”，
不同于遥控机器人的“主-从操纵”，而是以一种“认知-适应”的方式自律地进行
多移动非完整机器人协调控制研究
2
操作。
在当今世界上机器人无论是从技术水平上，还是从已装备的数量上，优势集
中在以日美为代表的少数几个工业发达国家中。日本是机器人产业发展最快的国
家，1996 年日本机器人数量为 40 多万台，约占全世界机器人的总数 50％左右。
美国的机器人近 10 年来也呈持续增长势头，而且增长的幅度逐年加大。从机器人
的技术优势来看，目前美国高科技机器人无论是其质量，还是数量都要高于日本。
另外欧洲的德国、意大利、法国及英国的机器人产业发展也比较快。以上 6个机
器人产业大国所拥有的机器人总数构成了世界机器人数量的主体，约占全世界机
器人总数的 80％。在亚洲除日本外，机器人产业发展较快的国家是韩国，2000 年
底韩国的机器人总数已上升到近 4万台，排在世界的第四位[3]。
国内机器人的研究起步较晚。大多数研究目前尚处于某个单项研究阶段，主
要研究工作有：1994 年通过鉴定的清华大学智能移动机器人，涉及到基于地图的
全局路径规划、基于传感器信息的局部路径规划、路径规划的仿真、传感数据信
息融合等技术；哈尔滨工业大学研制的轮式智能服务机器人能无缆行走、自动避
障、识别语音并能与人对话、用于服务场合的导游导购等；哈尔滨工业大学研制
的壁面清洗爬壁机器人，可用于瓷砖及玻璃壁面清洗作业，实现了高层建筑清洗
作业的自动化。此外，还有香港城市大学智能设计、自动化及制造研究中心的自
动导航车和服务机器人等。总之，近年来移动式机器人的研究在国内得到了很大
的重视，并且在很多方面都取得了丰硕成果[4][5]。
§1.2 移动机器人系统
§1.2.1 移动机器人简述
移动机器人是机器人学中的一个重要分支，早在六十年代，就已经开始了关
于移动机器人的研究。从移动方式上看，移动机器人可分为轮式、履带式、腿式
（单腿式、双腿式和多腿式）和水下推进式四大类。移动机器人由于在军事侦察、
扫雷排险、防核化污染、救灾探险等危险与恶劣环境以及制造业中具有广阔的应
用前景，受到了世界各国普遍关注。
美国国家科学委员会曾预言：“二十世纪的核心武器是坦克，二十一世纪的核
心武器是无人作战系统，其中 2000 年以后遥控地面无人作战系统将连续到装备部
队，并走向战场”。美国国防高级研究计划局（DARPA）专门立项，制定了地面无
人作战平台的战略计划。从此，在全世界掀开了全面研究室外移动机器人的序幕，
第一章 绪论
3
如DARPA 的“战略计算机”计划中的自主地面车辆（ALV）计划，美国能源部制
订的为期 10 年的机器人和智能系统计划（RIPS），以及后来的空间机器人计划；
欧洲尤里卡计划提出的自主机器人计划；日本通产省组织几十家大企业和研究所
及高等院校实施的在极限环境下作业的智能机器人计划等[6][7]。
由于我国在机器人领域的落后形势，所以在移动机器人的研究大多数尚处于
某个单项研究阶段，主要的研究工作有：中国科学院自动化所自行设计并制造的
全方位移动式机器人视觉导航系统；中国科学院沈阳自动化研究所的 AGV 车辆系
统和防爆机器人以及哈尔滨工业大学于 1996 年研制成功的导游机器人等[8]。总体
来看，我国移动机器人技术与当今世界发达国家的先进水平差距还是非常大的。
§1.2.2 非完整移动机器人系统
移动机器人是一个集环境感知、动态决策与规划、运动控制与执行等多种功
能为一体的综合系统。随着移动机器人性能的完善，特别是可充当办公秘书、护
士、导游、保安、娱乐等多种角色服务型移动机器人存在广阔的市场应用前景，
使得对移动机器人的研究在世界各国己经超越了关节机器人而受到普遍重视。
实际的移动机器人系统在与外界环境接触时，都要受到某些力的约束，这些
约束对系统的位置、速度或加速度施加了几何的或运动学特性的限制，要对这样
的系统进行控制，实现特定控制目的或达到某种控制指标，就必须考虑到这些约
束条件的影响。通常，约束条件可以分为完整约束条件和非完整约束条件两类。
设位姿空间
Q
是广义坐标为
 
1 2
, , , n
q q q q
的一个开子集。对于由广义坐标
q
和时间
t
所描述的几何约束，可以将一部分广义坐标用其它广义坐标表示出来，
从而可以将系统降阶，将约束去掉，问题不大。而对于由微分方程和时间描述的
速度约束则存在可积性的问题。一般情况下，对于位姿空间为
Q
的系统，可以将
速度约束写为如下形式
( ) 0A q q  
其中
( ) k n
A q R
，表示
k
个速度约束。具有这种形式的约束称为 Pfaffian 约束。如
果存在一个矢量值函数
，使得
( ) 0 0
h
A q q q
q
 
 
则认为 Pfaffian 约束是可积的。因此可积的 Pfaffian 约束等价于完整约束，不可积
Pfaffian 约束则是一种非完整约束。当系统的瞬时速度限制在
n k
维子空间中，但
可达位姿的集合不限于位姿空间中的某个
n k
维超曲面时，即存在这种非完整约
摘要：

摘要随着机器人和自动驾驶技术的发展，需要考虑受控对象与环境接触的非完整约束问题，非完整移动机器人是这类系统的典型代表之一。它是一个集环境感知、动态决策与规划、运动控制与执行等多种功能为一体的综合系统。这使得非完整移动机器人的理论及应用研究在国内外受到越来越广泛地关注，同时随着机器人技术的发展，人们对机器人的要求不再局限于单个机器人。多机器人系统具有较强的容错能力、灵活性以及较好的经济性等优势，因此对多移动非完整机器人的研究已经成为机器人学研究的一个重要方面。如今多机器人协调系统在地质勘探、搜索救援、采矿、航天器、无人机飞行编队等领域有着广泛的应用。本文首先介绍了基于非完整移动机器人的运动学模型...

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