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1、机器人控制理论与技术课程论文基于机遇号火星探测器的移动控制系统分析研究摘要：机器人的移动作为机器人学中的一个重要研究部分，它是传感技术、控制技术、信息处理技术和电子技术等多门技术相结合的成果。随着相关技术的不断发展，移动式机器人正朝着高速度、高精度、智能化、开放化方向发展。作为机器人实现快速、准确的核心，其控制系统的优良对整个机器人的性能方面起到非常重要的作用。本文以美国“机遇号”火星探测器为例，仅对该款机器人的移动控制系统的功能要求分析，基于对移动控制系统的三种工作模式即非寻迹模式、寻迹模式和寻迹避障模式深入研究后，确定了的总体设计方案。关键词：机器人，控制系统，移动控制系统一. 引言“机遇
2、号”火星探测器是美国宇航局在火星上执行勘测任务的两个探测器之一。另一个火星探测器为“勇气号”，“机遇号”于2003年7月7日发射2004年1月25日 安全着陆火星表面。“机遇号”通过对火星为期六年多的勘测，取得了很大的成绩：发现了形成于酸性湖泊的岩石，首次在火星发现陨石，抵达维多利亚陨坑，并对其进行了为期两年多的勘测，结果显示，早期火星曾有面积相当于俄克拉荷马州大小的一片地下水层。该研究为科学家如何研究火星表面提供了清晰观点，“机遇号”已经连续有效运作了超过原本设计(90个日子)30倍的任务时间；由于太阳能发电板被清洁干净，它因此能够继续执行大量对火星岩石的地质分析和地表描绘。任务的重点包括了
3、完成90个火星日的任务，发现了火星上的第一个陨石、防热护盾岩(Heat Shield Rock)（在子午线高原），以及超过两年的时间研究维多利亚撞击坑。机遇号惊险的在2007年的沙尘暴中存活了下来，现在正朝向努力撞击坑(Endeavour crater)前进。二. 机遇号结构“机遇号”是一个六轮、太阳能动力车，高1.5米、宽2.3米以及长1.6米、180公斤重。六个轮子上有锯齿状的凸出纹路(rocker-bogie)来适应地形，每个轮子都有自己的马达，车体本车装载于前后端来让本身能够在30度的倾斜范围保持安全。最高车速是50公厘/每秒(2英寸/每秒)，虽然平均速度只有最高车速的五分之一。“机遇
4、号”和他的姐妹“勇气号”都载有纽约世贸大楼的金属残片，这些残片重新制成护盾来保护钻孔机械上的电缆。太阳能板阵列能够在每个火星日产生约140瓦的电力让可充电式的锂离子电池储存电力并在晚上使用将近4个小时。“机遇号”的车体上的电脑使用了一个20MHZ的RAD6000中央处理器、128MB的DRAM、3MB的EEPROM以及256MB的快闪存储器。它的车体作业温度介于40 C到40 C，车上由电热器在必要时能支援的放射性同位素热点机也提供了基本的温度控制。一个黄金薄膜和一层二氧化硅气凝胶进行隔热，如图1所示。 图1 机遇号火星探测器三. 机遇号的移动控制系统设计3.1控制系统的总体要求为了简化设计难
5、度，明确设计的目标，增强系统的通用性和可靠性，可以通过将一个复杂的系统分解成功能独立的模块1。经过分析，本文机器人即机遇号的移动功能要求可以简化为以下儿点：1) 模式选择：机器人在开始工作前，可以设定相应的工作模式。2) 移动：机器人可以实现直行、转弯和旋转运动。3) 导航：机器人能够自主运动，实现寻迹导航和非寻迹导航。4) 定位：根据传感器采集到的信息，得到行走的距离和角度，实现定位功能。5) 避障：机器人在寻迹的过程中能够避开障碍物，沿着设定的轨迹继续行进。3.2控制系统方案设计3.2.1控制系统整体方案根据机器人需要完成的任务和负荷的功能，对控制系统进行方案分析和设计,确定系统主要括：电
6、源模块、模式选择模块、处理器模块、传感器模块以及驱动控制和执行机构，如图2所示。 图 2 控制系统整体方案电源模块为整个系统的动力源泉，是机器人必不可少的一部分，该模块的好坏直接影响整个系统。需要将供电源电压正确的转换为每个模块所需要的电源电压，保证每个模块的正常工作。模式选择模块。机器人三种的移动工作模式： 非寻迹模式、寻迹模式、寻迹避障模式。非寻迹模式给定起点和目标点，要求机器人能够平稳的从起始点运动到目标点，并保证到达目标点的位姿。寻迹模式中,要求移动机器人能够按照设定的轨迹线运行。寻迹避障模式实在寻迹模式的运行轨迹上存在障碍物，要求移动机器人能够避开障碍物，找到轨迹路线，继续前进，本系
7、统选用寻迹避障模式。处理器模块是整个系统的核心，承担了整个系统的任务分配工作、数据处理和运动控制。对传感器模块采集到的数据进行处理和分析，根据处理分析的结果控制执行机构。传感器模块用于同环境进行交互，感知自身状态，是机器人获取信息的窗口，是系统做出正确决定的重要依据。驱动控制和执行机构负责驱动移动机器人向各个方向的移动，驱动单元放大了控制器的控制信号，传递给执行单元,执行单元接收到信号后就会执行相应的动作模式即通过直流电机驱动六个主动轮。在电源模块正常工作的情况下，处理器根据模式选择模块的选择，进入对应的工作模式，实时的读取传感器模块采集到信号数据，对采集的数据进行和分析，从而控制执行机构。3
8、.2.2电机控制的方案处理器对于执行机构的控制是通过电机来实现的，图为电机控制实现图，采取闭环方式实现对电机的控制，如图3所示。 图3 电机控制方块图3.3控制系统的结构形式选择移动机器人控制系统的结构，需要综合考虑移动机器人的功能、本体结构和控制方式。从移动机器人处理控制算法的方式来看，有串行和并行两种结构。串行处理结构顾名思义就是控制算法是指算法是由串行机构来处理的，这种处理结构类型的控制器从计算机结构和控制方式来分，有单CPU结构，二级CPU结构和多CPU结构；并行处理结构使用多个处理器并行计算1。四. 机遇号的设计理念“机遇号”火星探测器是一个组织结构复杂的系统，不仅要求机器人具有移动
9、的功能，还要求机器人能够对任务进行分析、对路径进行规划和跟踪、感知周围和自身的信息、自主决策等类似人类智能行为的功能。根据机器人的功能要求,可以将移动机器人看作是以机械装置为基础，加上行为控制器、知识库及传感器系统组成的相互联系、相互作用的一个复杂系统，“机遇号”的设计主要从以下几个方面分步进行的5。4.1定位技术为了保证机遇号能够正确完成好导航任务，需要对其进行准确的定位。目前,常用于机器人的定位方法可分为两类：相对位置测量和绝对位值测量，针对不同的定位方法有不同的实现方法，例如里程计和惯性导航就属于相对位置测量,也称为航位推算，航位推算存许多不同的校正方法，Borenstein和Feng提
10、出了 UMBmark校核方法，实验证明该校核算法能够使定位精度提高10倍以上；Louchene等人在机器人后面放置专门设计的后轮校核航位推算系统误差和非系统误差。绝对位置测量也有其实现方法，每种方法都有其自身的优缺点，在实际的应用中大多是综合其中的几种，实现互补，以提高定位的精度和可靠性。4.2导航技术机器人感知周边环境的方法不同，导航的方式也不同。机器人通过自身的感知系统感知周围的环境信息，将及时感知的局部环境信息构成局部地图，同机器人存储的全局地图进行匹配。匹配成功，机器人就知道自身所在的位置，从而实现导航，这种导航方式叫做基于环境信息的地图模型匹配导航，这种方式需要构造环境的地图，将局部
11、环境信息和全局环境信息进行匹配。机器人还可以将环境中一些特殊的东西作为路标，这些路标信息机器人是事先知道的，通过对路标的信息获取，确定自身在环境中的信息，完成导航，称为路标导航。这里的路标可以是人为放置的也可以是工作环境的自然特征。视觉导航，要求机器人能够探测和识别路标，还能够探测和识别障碍物信息，机遇号就是采用该种导航模式。4.3多传感器的信息融合“机遇号”在移动的过程中不断感知周围的环境信息和自身的状态信息，因为周围工作环境的复杂性、自身状态的不确定性和单一传感器的局限性，只靠一种传感器很难准确的感知到周围环境信息，也很难了解到自身状态。为了能够在复杂动态的环境下完成相应的任务通常会安装多
12、传感器。多传感器的融合是指将多个或者多种传感器所提供的环境信息进行集成处理，形成对外部环境的统一表示。经过集成处理的多传感器信息能比较完整和准确的反应环境特征，对于这些信息的集成处理方法有加权、平均贝叶斯估算、卡尔曼滤波、模糊推理以及人工神经网络等。4.4路径规划路径规划是移动机器人导航与控制的基础，移动机器人根据给定的任务在变化的环境下实现对车体的控制，给定的任务指机器人要作出的全局路径规划，在实现全局路径规划的过程中，往往需要机器人根据环境信息的变化作出相应的反应，机器人根据具体的环境信息和自身状态作出局部路径规划。路径规划的分类，也就是前面所提的全局路径规划和局部路径规划，两齐结合起来为
13、机器人规划出来一条无障碍的最优或近似最优的可行路径。全局路径规划常用的方法有：环境分割法、可视图法、图搜索法、人工势场法和遗传算法。局部路径规划常用的方法有：人工势场法、神经网络法、模糊推理法、向量场矩形法、速度空间寻优方法和动态窗口法等。4.5车体控制车体控制技术是移动机器人的核心技术，其任务是根据当前局部路径规划的结果和移动机器人本身的车体位置、姿态等信息做出决策，控制机械装置进行相应的动作和速度的改变。目前，车体控制研究的主要内容集中在建立车体模型和车体控制算法研究上， 常见的控制综法有比例积分微分(PID)、路径跟踪算法、预脇控制算法、最优控制算法、校糊控制算法、神经网络控制算法等。实
14、际的控制中，为了达到理想的效果，常会综合多种算法。五. 总结本文通过对“机遇号”火星车的机械设备进行相关信息的搜集与统计，分析出各种硬件组成部分的类型、特点及其动态特性。深入研究了整个火星车移动过程的工艺要求、工作流程，并对系统的稳定性、准确性、快速性等性能指标进行相关的分析与比较。一般来说,机器人系统是由运动系统、感知系统、通信系统和控制系统几个主要部分组成，由于篇幅有限本文仅对火星车上的运动控制系统进行相关的研究。参考文献1. 包玉. 移动机器人系统设计及算法研究D. 南京理工大学, 2014.22. 李伟. 六自由度关节式机器人控制系开发D. 华东理工大学, 2014.43. Liu f
15、ang. Design of theControl Systemof an Indoor ServiceRobotBased on the PC and ATMEGA128 J. Proceedings of the 3rd International Conference on Mechanical Engineering and Mechanics(Volume 1). 20094. Liu xie. RESEARCH AND DESIGNED OF A STRUCTURED SCALABLEROBOT CONTROL SYSTEMBASED ON REAL-TIME BUS J. Proceedings of 2012 IEEE 2nd International Conference on Cloud Computing and Intelligence Systems, 20125. 邸凯昌. 勇气号和机遇号火星车定位方法评述J. 航天器工程. 2009.96. 龚根华 轮式移动机器人控制系统设计与研究D. 南京航空航天大学,2004.2课程论文评分标准表评价内容具 体 要 求分值评分查阅、收集资料查阅一些相关资料，收集素材，进行参考。10选题、构思、
