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基于FPGA的六自由度智能移动机器人设计解析.pdf
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基于
FPGA
的六自由度智能移动机器人设
摘要:智能移动机器人是指无需人工干预,可以自主完成行驶任务的车辆。路径 规划
是移动机器人的一个重要组成部分,它的任务就是在具有障碍物的环境内, 按照一
定的评价标准,寻找一条从起始状态到达 LI 标状态的无碰路径。遗传算法 就是对自
然界中生物的遗传特性进行模拟而得出的一种模拟进化算法,它是继模 糊方法、神
经网络、蚁群之后新加入路径规划研究领域的一种算法。提出了一种 基于遗传算法
解决移动机器人路径规划问题的方法。通过本文的研究及实验结果 证明,将遗传算
法应用于移动机器人的路径规划问题研究,能够探索与改进一种 新的路径优化方法。
关键词:移动机器人:路径规划;遗传算法
Abstract:
Intelligent mobile robot can complete the task independently without human
intervention. Path planning is an important part of the mobile robot. Its task is to follow a
certain evaluation criteria and find a route to goal state from the initial state without collision
path in environments with obstacles. Genetic algorithm is a simulation of the genetic
characteristics of the biological nature of the simulation and the results of evolutionaiy
algorithms which is a pa
什
1 planning algorithm following the fuzzy methods, neural
networks ant colony algorithm. This paper proposes a method to solve the problem of mobile
robot path planning based on genetic algorithms. The research and experimental results show
that the genetic algorithm can be applied to the mobile robot path planning, which improves
a new path optimization me
什
lods
Key words:
Mobile robot; Path planning; Genetic algorithm
K
智能移动机器人
1.1
智能移动机器人概述
机器人的应用越来越广泛,儿乎渗透到所有领域。智能移动机器人⑴⑵是机 器人
学中的一个重要分支。早在 60 年代,就已经开始了关于智能移动机器人 的研究。关
于智能移动机器人的研究涉及许多方面,智能移动机器人是一个集 环境感知、动态决
策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合系统。对 智能移动机器人的研究,
提出了许多新的或挑战性的理论与工程技术课题,引 起越来越多的专家学者和工程技
术人员的兴趣,更山于它在军事侦察、扫雷排险、 防核化污染等危险与恶劣环境以及
民用中的物料搬运上具有广阔的应用前景, 使得对它的研究在世界各国受到普遍关注。
自 1961 年美国 Unimat ion 公司研制出世界上第一台往复式工业机器人以来, 机
器人的发展经历了三个阶段:第一代示教/再现(Teaching/Playback)机器人, 笫—代
传感控制(Sensorycontrolled)机器人,第三代智能仃 nteligent)机器人。 机器人以其具有
灵活性、提高生产率、改进产品质量、改善劳动条件等优点而得 到广泛应用。但是,
LI 前绝大多数机器人的灵活性,只是就其能够〃反复编程〃而言, 工作环境相对来说
是固定的,所以一般人们称之为操作手(Manipulator) <>正如人 类活动范围和探索的空
间是人类进步的标志一样,机器人的智能同样体现在运动 空间的大小上。为了获得更
大的独立性,人们也对机器人的灵活性及智能提出更 高的要求,要求机器人能够在一
定范围内安全运动,完成特定的任务,增强机器人 对环境的适应能力。因此,近年来,
智能移动机器人特别是自主式智能移动机器人 成为机器人研究领域的中心之一。
1.2
智能移动机器人的研究现状
1. 体系结构自主式智能移动机器人的复杂性以及当前计算技术的局限性等 决定
了体系结构是影响机器人性能的主要因素。自主式智能移动机器人的智能体 现为具有
感知(Sensing)、决策(Decision-making)和行为(Acting)等基本功能。 根据实现这些基本
功能的过程的不同,常见的体系结构有三类:分层递阶结构、行 为系统和黑板系统。
2. 信息感知信息感知来源于传感器。对传感器来说,最主要的两个品质是可 靠性
和带宽(实时性)。U 前自主式智能移动机器人普遍使用的传感器有:声纳、 红外、激
光扫描、摄像机和陀螺等。每种传感器各有利弊,于是人们自然想到了〃 取长补短",
也即多传感器集成和融合,其优点在于提供了信息冗余、互补和适时
(Timeliness),从而提高了信息的可黑性。
3. 智能移动机器人控制
(1) 建模根据所受约束的不同,可以将控制系统分为完整(Holonomic)系统和 非完
整(Nonholonomic)系统。约束条件能够以位形变量显式代数方程描述的系统, 即为完整
系统;约速条件为不完全可积的微分方程则为非完整系统。智能移动机 器人是典型的
非完整系统。口前,智能移动机器人普遍使用的运动学模型为基于 机器人儿何中心或
轮轴线中心的时间微分方程,该模型物理意义明确。为避免繁 琐的时间微分 ,E. T.
Baumgartner 选择了独立变量,建立独立于时间变量的运动 学模型,并曲此实现了对
速度的独立调节。最近,链式(Chained form)方程和幕式 (Power form)方程用于描述一
类非完整系统。该模型虽然描述的是非线性系统, 但具有良好的线性结构,基于此可
开环类解耦控制、闭环反馈稳定控制,特别适用 于带有拖车的智能移动机器人。
(2) 定位(Localization)定位是智能移动机器人控制中的关键问题,其准确 性和精
度直接影响规划的实现,从而影响整个系统的性能。定位有静态定位和动 态定位之分。
静态定位每次将传感器得到的环境信息和环境的先验模型相匹配来 定位,计算量大,
很难满足实时性要求。为了克服以上缺点,人们采用动态定位, 即将外部传感器获得
的信息与推算航行法的信息进行融合,以获取高精度定位。 融合方法多用 Kalman 滤
波进行最小方差估计和基于模糊逻辑进行模糊推理。
(3) 控制及其稳定性智能移动机器人的控制困难在于机器人平面运动具有三 个自
山度,即平面位置和方位,而控制只有二个自山度,即两个驱动轮的速度或机 器人的
平移速度和转动速度。Samson 指出,智能移动机器人开环可控。但不存在 光滑的时不
变稳定状态反馈。由于开环控制容易受不确定因素的影响,为了获得 较强的鲁棒性和
对规划出的路径具有良好的跟踪性能,反馈控制方案才是研究者 所寻求的。曲于智能
移动机器人不存在光滑的时不变稳定状态反馈控制,所以一 般釆用不连续控制或分段
光滑控制实现稳定反馈,控制 LI 的是减少运动自山度或 增加控制自山度。各种反馈
控制方案虽然解决了作为系统工作必要条件的稳定性 问题,但系统要获取良好的性能,
还取决于控制律中参数的确定,而所有控制律的 参数均很难确定。利用神经网络的学
习和容错能力对智能移动机器人控制和基于 规则的模糊控制,避免了控制参数的确定,
并增强了系统对参数扰动的鲁棒性。
4. 路径规划自主式智能移动机器人
它能够按照预先给定的任务指令,根据已知的地图信息作出全局的路径规划, 并
在行进过程中不断感知周围的局部环境信息,自主地作出各种决策,引导自身 安全
行驶,并执行要求的动作和操作。由此可以看出,全局路径规划和局部避障是 智能
移动机器人自主性的核心体现。路径规划为在给定起始点和 LI 标点之间寻求 满足一
定条件的无碰撞路径。路径规划根据规划时所利用的信息不同可分为基于 模型
(Model-based)的规划和基于悄形(Case-based)的规划。前者根据已知的环 境模型或感
知的地图知识作出规划,是 LI 前普遍使用的规划方法;而后者则根据 已有的规划知
识利用匹配法解决新的规划问题。基于情形的规划适用于较为复杂 但相对固定的环
境,因为,悄形的增加对存储容量提出了更高的要求,并且匹配时 计算量大,需要
不断地更新情形库,使系统复杂化。基于模型的规划从规划所利用 地图知识范围的角
度乂有全局规划和局部规划之分。全局规划需要完整的环境模 型,而局部规划只需要
机器人周围的局部信息,主要完成避障任务。基于模型的规 划方法主要有物理模
拟、拓扑、统讣决策、启发式、模糊和神经网络以及遗传算 法等。上述的规划方法
大多认为机器人具有完备的环境知识,并且假设能对机器 人进行精确控制,但实际上
这些条件是不能够满足的,因此有必要在规划中考虑 不确定因素的影响。Miura 对定
位误差、控制误差和传感器误差建立分布,运用 统计决策理论规划。SUF 通过规划
路径减小环境、传感器对定位的影响。
2
、机械手的发展现状与趋势
机器手首先是从美国开始研制的。1958 年美国联合控制公司研制出第一台 机器。
它的结构是:机体上安装一个回转长臂,顶部装有电磁块的工件抓放机构, 控制系统
是示教形的。1962 年,美国联合控制公司在上述方案的基础上乂试制 成一台数控示教
再现型机器手。商名为 Unimate (即万能自动)。运动系统仿照 坦克炮塔,臂可以回转、
俯仰、伸缩、用液圧驱动;控制系统用磁鼓作为存储装 置。不少球坐标通用机器手就
是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼 公司合并成立万能自动公司,专门
生产工业机器手。
1962 年美国机械制造公司也实验成功一种叫 Vewrsatran 机器手。该机器手 的中
央立柱可以回转、升降釆用液压驱动控制系统也是示教再现型。虽然这两种 机器手出
现在六十年代初,但都是国外工业机器手发展的基础。1978 年美国 Uni mate 公司和斯
坦福大学,麻省理工学院联合研制一种 Uni mate-Vic arm 型工 业机器手,装有小型电
子计算机进行控制,用于装配作业,定位误差小于±1 毫 米。联邦德国机械制造业是从
1970 年开始应用机器手,主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。日本是工
业机器手发展最快、应用最多的国家。自 1969 年从美国引进两种机器手后大力从事机
器手的研究。
LI 前,随着单片机等控制器的发展,工业机器手在自动控制和定位精度上有 了
很大提高。机器手是近儿十年发展起来的一种高科技自动化的生产设备。机器 手是机
器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务, 在构造和
性能上兼有人和机器的优点。尤其体现了人的智能和适应性。机器手作 业的准确性和
各种环境中完成作业的能力,在全国经济各领域有着广阔的发展前 景,随着工业自动
化的发展,出现了数控加工中心,它在减轻工人的劳动强度的 同时,大大提高了劳动
生产率,但是数控加工中心加工中常见的上下料工序,通 常乃采用人丄操作或传统继
电器控制的半自动化装置。前者费时费工,效力低; 后者因设计复杂,需要较多继电
器,接线复朵。容易车体震动干扰,而存在可靠 性差,故障多,维修困难等问题。可
编程控制器单片机控制的上下料机器手控制 系统动作简便,线路设计合理,具有较强
的抗干扰能力。保证了系统运行的可靠 性,降低了维修率。提高了工作效率。机器手
技术涉及到力学,单片机,自动控 制技术,传感器技术计算机技术等科学领域,是一
门跨学科综合技术。机器手是 一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能
机器,他乂多个自山度, 可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。在工资水平
较低的中国,分拣行 业尽管仍属于劳动密集型,机器手的使用已经越来越普及,那些
电子和汽车业的 奥美跨国公司很早就在它们设在中国的工厂中引进了自动化生产。但
现在的变化 时那些分布在工业密集的华南,华东沿海地区也开始对机器手表现出越来
越浓用 的兴趣,因为他们要面对工人流失率高,以及交带来的挑战。随我国工业生产
的 E 跃发展,自动化程度的迅速提高,实现工件的装卸,转向,输送或分拣流程越来
越节约劳动力,可见机器手的大力发展有着很重要的意义。
3
、系统结构
3.1
控制系统
基于上述分析,本课题的六自由度工业机器人采用基于 DSP 和 FPGA 的架构模
式。DSP 是一种独特的可编程处理器、,可是实时、快速地实现各种复杂的数自 信号
处理。除了具备通用微处理器的高速运算和控制功能外,针对高速数据传输、 密集数
据运算、实时数据处理等需求,在处理器结构、指记系统的指令流程等都 有专门的设
计,为六自山度工业机器人复杂的运动控制算法捉供了可行的硬件保 障。本课题所使
用的 DSP 芯片是 IT 公司的 TMS320F2812 芯片,这款芯片一直是运 动控制的首选芯
片,既具备数字信号处理器强大的数据处理能力,乂像单片机一 样带有丰富的外设资
源和扩展接口,其外部扩展接口 XINTF 可以与 FPGA 很好地是 实现并行通信。
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