轮式移动机器人控制系统设计
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摘要
本文以研究所自主开发的轮式移动机器人为研究对象,从工程应用的实际需要出发,利用计算机控制技术、传感器检测技术和信号处理技术,对轮式移动机器人在实际工程中的应用、运动学建模、计算机控制系统的组成和开发、信号的检测与处理等内容进行了较为深入的分析和研究。主要包括以下内容:
1)针对两轮差速转向轮式移动机器人进行运动学建模,为后续的运动控制建立基础。
2)研究了轮式移动机器人传感器、计算机控制系统的组成,开发了PC/104嵌入工控机与PMAC2A-PC/104运动控制卡相结合的组合系统,使嵌入式工控机负责外围器件的扩展,运动控制卡负运动控制部分。两控制部分并行运行,从而提高了系统快速性。
3)分别采用防脉冲均值滤波、中值滤波、自适应滤波算法对陀螺仪进行数字信号处理,综合比较,得出自适应滤波算法对陀螺仪信号滤波效果最好,有效抑制了检测信号中存在的白噪声,提高了传感器的精度。
4)对电子罗盘进行参数如何设置进行了分析。对电子罗盘进行了标定实验,通过标定提高了电子罗盘的精度,并且使电子罗盘具有很好的重复性。分别采用防脉冲均值滤波、中值滤波、自适应滤波算法对电子罗盘进行数字信号滤波处理,实验验证中值滤波对电子罗盘信号滤波效果最好,响应速度快、抗干扰能力强等。
5)对轮式移动机器人控制系统进行新的软件设计开发。采用嵌入式操作系统μC/OS-II来进行多任务调度,使得机器人可以在单系统和组合系统之间相互切换,并具有故障报警和排除功能,从而提高了机器人程序的可扩展性,增强了控制系统的鲁棒性和冗余度。
Taking the independently developed mobile robot as studying object, the kinematics model is deduced, computer control system is developed, sensor measuring and signal processing are investigated by experiment with computer technology, sensor measuring technology and signal processing technology. The following researchs are included in the article:
(1) The theoretical kinematics model is set up by dead reckoning to the two-wheel-differential-driving mobile robot, which established the base for following movement control.
(2) The construction and integration of the sensors and computer control system are researched, the combination control system are developed, which including PC/104 embeded industrial computer and PMAC2A-PC/104 motion control card. The extended peripheries are be charged by the embedded industrial computer,while the robot motion are charged by the motion control card. Both of control system are running at the same time,so the rapidness of the robot are developed.
(3) The Anti-pusle Average Filter,Median Filter,Adaptive Filter are used to process the signal of the gyroscope, though the comparison, the Adaptive Filter is the better filter. The White noise is decreased and the precision is increased by using the Adaptive Filter.
(4) The parameters of the electronic compass are analysed. The electronic compass demarcating experiments are done, after the demarcation, the precision are increased and the repetition is guaranteed. The Anti-pusle Average Filter,Median Filter,Adaptive Filter are used to process the signal of the electronic compass, the experiments shown that the Median Filter has better performance,such as fast response, strong anti- disturbance etc.
(5) The new robot control system is designed and developed.The Real Time Operating System-μC/OS-II is used to manage multi-tasks,so the robot control system can be swithed between the Single control system and combination control system,furthermore the system hasthe malfunction warning and trouble shoting function.So the extension of the robot program is extened,and the robust and redundancy of the control system are increased.
1)针对两轮差速转向轮式移动机器人进行运动学建模,为后续的运动控制建立基础。
2)研究了轮式移动机器人传感器、计算机控制系统的组成,开发了PC/104嵌入工控机与PMAC2A-PC/104运动控制卡相结合的组合系统,使嵌入式工控机负责外围器件的扩展,运动控制卡负运动控制部分。两控制部分并行运行,从而提高了系统快速性。
3)分别采用防脉冲均值滤波、中值滤波、自适应滤波算法对陀螺仪进行数字信号处理,综合比较,得出自适应滤波算法对陀螺仪信号滤波效果最好,有效抑制了检测信号中存在的白噪声,提高了传感器的精度。
4)对电子罗盘进行参数如何设置进行了分析。对电子罗盘进行了标定实验,通过标定提高了电子罗盘的精度,并且使电子罗盘具有很好的重复性。分别采用防脉冲均值滤波、中值滤波、自适应滤波算法对电子罗盘进行数字信号滤波处理,实验验证中值滤波对电子罗盘信号滤波效果最好,响应速度快、抗干扰能力强等。
5)对轮式移动机器人控制系统进行新的软件设计开发。采用嵌入式操作系统μC/OS-II来进行多任务调度,使得机器人可以在单系统和组合系统之间相互切换,并具有故障报警和排除功能,从而提高了机器人程序的可扩展性,增强了控制系统的鲁棒性和冗余度。
Taking the independently developed mobile robot as studying object, the kinematics model is deduced, computer control system is developed, sensor measuring and signal processing are investigated by experiment with computer technology, sensor measuring technology and signal processing technology. The following researchs are included in the article:
(1) The theoretical kinematics model is set up by dead reckoning to the two-wheel-differential-driving mobile robot, which established the base for following movement control.
(2) The construction and integration of the sensors and computer control system are researched, the combination control system are developed, which including PC/104 embeded industrial computer and PMAC2A-PC/104 motion control card. The extended peripheries are be charged by the embedded industrial computer,while the robot motion are charged by the motion control card. Both of control system are running at the same time,so the rapidness of the robot are developed.
(3) The Anti-pusle Average Filter,Median Filter,Adaptive Filter are used to process the signal of the gyroscope, though the comparison, the Adaptive Filter is the better filter. The White noise is decreased and the precision is increased by using the Adaptive Filter.
(4) The parameters of the electronic compass are analysed. The electronic compass demarcating experiments are done, after the demarcation, the precision are increased and the repetition is guaranteed. The Anti-pusle Average Filter,Median Filter,Adaptive Filter are used to process the signal of the electronic compass, the experiments shown that the Median Filter has better performance,such as fast response, strong anti- disturbance etc.
(5) The new robot control system is designed and developed.The Real Time Operating System-μC/OS-II is used to manage multi-tasks,so the robot control system can be swithed between the Single control system and combination control system,furthermore the system hasthe malfunction warning and trouble shoting function.So the extension of the robot program is extened,and the robust and redundancy of the control system are increased.
引文
【1】 张明路,丁承君等.移动机器人的研究现状与趋势[C]. 河北工业大学学报,33(2),2004,4:110-115.
【2】 贾永昱.AGV 及其应用[C].实用物流技术 1997,6,(2):3-4.
【3】 唐文伟.AGV 在物流领域中的应用前景分析[C].物流技术,2001,7,(3):7-8.
【4】 王朝珠,秦化淑编着.最优控制理论[M].科学出版社, 2003.9:70-75
【5】 周明,孙树栋编着.遗传算法原理及应用[M].国防工业出版社, 1999.7:4-5
【6】 蒋新松.机器人与工业自动化[M].河北教育出版社, 2003.4:5-6
【7】 Meystel A..Autonomous mobile robots vehicles with cognitive control [M].World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd., 1991.
【8】 史恩秀,黄玉美.轮式移动机器人的运动控制与定位方法研究[C],西安理工大学,2006
【9】 UB500-18GM75-U-V15 与 UB2000-30GM-E5-V15 超声波传感器说明书.德国 P+F 公司.
【10】 CS61B-3 压电陀螺仪说明书.中国电子集团第 26 研究所
【11】 KVH-C100 电子罗盘说明书.美国 KVH 公司
【12】 Dela Tau 公司.PMAC 用户手册(1.0 版).北京元茂兴有限公司(译) 1999.1
【13】 台湾 DM&P(昭营)公司.Vortex86-6071 说明书.
【14】 John Lombardo 着. 嵌入式 Linux,第一版(吴雨浓译). 中国电力出版社 2003
【15】 任哲.嵌入式实时操作系统原理及应用[M].北京航空航天大学出版社,2005
【16】 Jean J. Labrosse.嵌入式实时操作系统 μC/OS-Ⅱ[M],第 2 版.(邵贝贝译)北京航空航天大学出版社,2003.5
【17】 周航慈,吴光文.基于嵌入式实时操作系统的程序设计技术[M], 北京航空航天大学出版社,2006.11
【18】 李勇.MATLAB 辅助现代工程数字信号处理[M],徐震等编着 西安电子科技大学出版社 2002
【19】 G.Schmidt. Information Processing in Autonomous Mobile Robots. Proceeding of the International Workshop,1991.
【20】 Mantel,Ronald. Design and operational control of an AGV system. International Journal of Production Economics, 1995(41):257-266.
【21】 Numers,Thomas. Development of a navigation and control system for an autonomous outdoor vehicle in a steel plant. Control Engineering Practice.2001(9):573-583.
【22】 King,Russell. An object-oriented simulator for AGV systems. Computers & Industrial Engineering. 1995(28)575-592.
【23】 蔡自兴.机器人学[M].北京:清华大学出版社,2000.
【24】 李海涛.MATLAB6.1 基础及应用技巧[M].国防工业出版社,2002.
【25】 薛定宇.MATLAB5.3 程序设计及应用[M].国防工业出版社,2002.
【26】 Astola J. Foundamentals of nonlinear digital filtering. Boca Raton, U.S.A:CRC Press,1997.
【27】 P.Mattila. Two-dimensional object detection in air using ultrasonic transducer array and non-linear digital L-filter. Sensors and Actuators,1996(55).
【28】 张旦华译.传感器应用[M].中国计量出版社,1992.
【29】 应崇福.超声学[M].科学出版社,1990.
【30】 刘兆琦.测试技术与传感器[M].西北工业大学出版社,1993.
【31】 王炎,周大威. 移动式服务机器人的发展现状及我们的研究[C]. 电气传动,2000(4):3-7.
【32】 李磊,叶涛等. 移动机器人技术研究现状与未来[C]. 机器人,24(5),2002,9:475-480.
【33】 Patric. Jensfelt. Active global localization for a mobile robot using multiple hypothesis tracking. IEEE Transactions On Robotics And Automation, Vol, 17, no.5, October 2001:748-760.
【34】 Armel Cretual, “Application of motion-based visual servoing to target tracking,” International Journal of Robotics Research Vol.20,no.11, November 2001:878-890.
【35】 P.I. Bidyuk , A.S. Gasanov , V.N. Podladchikov . Prediction of Parameter Values of Dynamic Systems by the Kalman Adaptive Filter. Cybernetics and Systems Analysis. Vol. 37, No. 4. 2001.7: 478-489.
【36】 G.Schoner, M.Dose. Dynamics of behavior: theory and applications for autonomous robot architectures. Robotics and Autonomous System, 16(1995):213-245.
【37】 冯文镛. 物品自动运送机器人(ACR)原型系统控制体系结构[D]. 浙江大学博士学位论文. 2001,5.
【38】 祖莉,王华坤. 智能移动机器人运动控制系统及算法的设计[C]. 机器人技术与应用,2002,5:39-42.
【39】 钟新华,蔡自兴,邹小兵. 移动机器人控制系统设计及控制算法研究[C].华中科技大学学报,第 23 卷增刊,2004,10:133-136.
【40】 马云峰. 陀螺仪漂移测试与补偿系统的研制[C]. 系统工程与电子技术,vol.23, No.2 2001: 67-70.
【41】 刘勇,李泽莉等. 基于压电陀螺仪的小型惯性测量装置[C]. 仪器仪表学报,Vol.23,No.25,2002,10:120-122.
【42】 薛年喜. MATLAB 在 数字信号处理中的应用[M]. 清华大学出版社. 2003,11.
【2】 贾永昱.AGV 及其应用[C].实用物流技术 1997,6,(2):3-4.
【3】 唐文伟.AGV 在物流领域中的应用前景分析[C].物流技术,2001,7,(3):7-8.
【4】 王朝珠,秦化淑编着.最优控制理论[M].科学出版社, 2003.9:70-75
【5】 周明,孙树栋编着.遗传算法原理及应用[M].国防工业出版社, 1999.7:4-5
【6】 蒋新松.机器人与工业自动化[M].河北教育出版社, 2003.4:5-6
【7】 Meystel A..Autonomous mobile robots vehicles with cognitive control [M].World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd., 1991.
【8】 史恩秀,黄玉美.轮式移动机器人的运动控制与定位方法研究[C],西安理工大学,2006
【9】 UB500-18GM75-U-V15 与 UB2000-30GM-E5-V15 超声波传感器说明书.德国 P+F 公司.
【10】 CS61B-3 压电陀螺仪说明书.中国电子集团第 26 研究所
【11】 KVH-C100 电子罗盘说明书.美国 KVH 公司
【12】 Dela Tau 公司.PMAC 用户手册(1.0 版).北京元茂兴有限公司(译) 1999.1
【13】 台湾 DM&P(昭营)公司.Vortex86-6071 说明书.
【14】 John Lombardo 着. 嵌入式 Linux,第一版(吴雨浓译). 中国电力出版社 2003
【15】 任哲.嵌入式实时操作系统原理及应用[M].北京航空航天大学出版社,2005
【16】 Jean J. Labrosse.嵌入式实时操作系统 μC/OS-Ⅱ[M],第 2 版.(邵贝贝译)北京航空航天大学出版社,2003.5
【17】 周航慈,吴光文.基于嵌入式实时操作系统的程序设计技术[M], 北京航空航天大学出版社,2006.11
【18】 李勇.MATLAB 辅助现代工程数字信号处理[M],徐震等编着 西安电子科技大学出版社 2002
【19】 G.Schmidt. Information Processing in Autonomous Mobile Robots. Proceeding of the International Workshop,1991.
【20】 Mantel,Ronald. Design and operational control of an AGV system. International Journal of Production Economics, 1995(41):257-266.
【21】 Numers,Thomas. Development of a navigation and control system for an autonomous outdoor vehicle in a steel plant. Control Engineering Practice.2001(9):573-583.
【22】 King,Russell. An object-oriented simulator for AGV systems. Computers & Industrial Engineering. 1995(28)575-592.
【23】 蔡自兴.机器人学[M].北京:清华大学出版社,2000.
【24】 李海涛.MATLAB6.1 基础及应用技巧[M].国防工业出版社,2002.
【25】 薛定宇.MATLAB5.3 程序设计及应用[M].国防工业出版社,2002.
【26】 Astola J. Foundamentals of nonlinear digital filtering. Boca Raton, U.S.A:CRC Press,1997.
【27】 P.Mattila. Two-dimensional object detection in air using ultrasonic transducer array and non-linear digital L-filter. Sensors and Actuators,1996(55).
【28】 张旦华译.传感器应用[M].中国计量出版社,1992.
【29】 应崇福.超声学[M].科学出版社,1990.
【30】 刘兆琦.测试技术与传感器[M].西北工业大学出版社,1993.
【31】 王炎,周大威. 移动式服务机器人的发展现状及我们的研究[C]. 电气传动,2000(4):3-7.
【32】 李磊,叶涛等. 移动机器人技术研究现状与未来[C]. 机器人,24(5),2002,9:475-480.
【33】 Patric. Jensfelt. Active global localization for a mobile robot using multiple hypothesis tracking. IEEE Transactions On Robotics And Automation, Vol, 17, no.5, October 2001:748-760.
【34】 Armel Cretual, “Application of motion-based visual servoing to target tracking,” International Journal of Robotics Research Vol.20,no.11, November 2001:878-890.
【35】 P.I. Bidyuk , A.S. Gasanov , V.N. Podladchikov . Prediction of Parameter Values of Dynamic Systems by the Kalman Adaptive Filter. Cybernetics and Systems Analysis. Vol. 37, No. 4. 2001.7: 478-489.
【36】 G.Schoner, M.Dose. Dynamics of behavior: theory and applications for autonomous robot architectures. Robotics and Autonomous System, 16(1995):213-245.
【37】 冯文镛. 物品自动运送机器人(ACR)原型系统控制体系结构[D]. 浙江大学博士学位论文. 2001,5.
【38】 祖莉,王华坤. 智能移动机器人运动控制系统及算法的设计[C]. 机器人技术与应用,2002,5:39-42.
【39】 钟新华,蔡自兴,邹小兵. 移动机器人控制系统设计及控制算法研究[C].华中科技大学学报,第 23 卷增刊,2004,10:133-136.
【40】 马云峰. 陀螺仪漂移测试与补偿系统的研制[C]. 系统工程与电子技术,vol.23, No.2 2001: 67-70.
【41】 刘勇,李泽莉等. 基于压电陀螺仪的小型惯性测量装置[C]. 仪器仪表学报,Vol.23,No.25,2002,10:120-122.
【42】 薛年喜. MATLAB 在 数字信号处理中的应用[M]. 清华大学出版社. 2003,11.