智能移動(dòng)收球機(jī)器人的控制系統(tǒng)及路徑規(guī)劃研究.pdf

1、智能移動(dòng)機(jī)器人是當(dāng)今最熱的研究領(lǐng)域之一。它能夠完美地替代工廠里辛勞的工人進(jìn)行正常工作。它能夠抵達(dá)那遙遠(yuǎn)的月球、還能進(jìn)入那灼熱的火山里來幫助人們解鎖大自然的秘密。在復(fù)雜的水下環(huán)境里，它可以替代工作潛到水里甚至是深水里進(jìn)行水下作業(yè)。地震、山洪等災(zāi)害過后的災(zāi)區(qū)里，經(jīng)常有人因得不到救援而喪失生命，在這種情況下，機(jī)器人進(jìn)行搜尋、物資運(yùn)送等緊急救災(zāi)的功能?，F(xiàn)在在各大城市，機(jī)器人餐廳也相繼涌現(xiàn)，機(jī)器人服務(wù)員們能為客人端茶送水、點(diǎn)菜下單。在農(nóng)田里，機(jī)器

2、人的出現(xiàn)提高了農(nóng)作物的生產(chǎn)率和質(zhì)量，解放了勞動(dòng)力，讓農(nóng)民們避免了來自農(nóng)藥的危害;它們還可以唱歌跳舞、表演雜技，作為表演者的它們可以說是既新穎又時(shí)尚。當(dāng)然它也可以成為代步工具，如自駕模式的汽車、載人平衡車。作為無人機(jī)甚至可以滿足軍事領(lǐng)域的應(yīng)用。智能移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用還很廣泛，這里就不一一列舉了。智能移動(dòng)機(jī)器人功能的多種多樣，也決定了它不同的設(shè)計(jì)要求，以及滿足設(shè)計(jì)要求相對(duì)應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)和程序算法。一個(gè)好的機(jī)器人，首先它的機(jī)械機(jī)構(gòu)必須非

3、常穩(wěn)定，也必須非常合理，這樣才能給機(jī)器人一個(gè)穩(wěn)定的工作環(huán)境并減少許多不確定因素帶給參數(shù)調(diào)試的不便。其次，機(jī)器人必須擁有屬于自己的感官，也就是傳感器，才能知道自己下一步該干什么，或者說借助傳感器的采樣信息提供給程序算法，眚知機(jī)器人下一步?jīng)Q策。最后，也是賦予機(jī)器人“智能”的一步，一個(gè)良好的算法就好比一個(gè)聰明的頭腦，決策的正確性，反應(yīng)的速率，都是機(jī)器人好壞的重要評(píng)價(jià)標(biāo)注。
　　本文針對(duì)智能移動(dòng)機(jī)器人的一個(gè)分支，服務(wù)類機(jī)器人展開了分析和研

4、究，經(jīng)過多方面的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，隨著國(guó)民生活水平的日益增長(zhǎng)，高爾夫球、乒乓球、網(wǎng)球等活動(dòng)已經(jīng)與日常生活融為一體，在二線城市都隨處可見各類的訓(xùn)練場(chǎng)和訓(xùn)練館。每周末都是人滿為患，而現(xiàn)階段的球場(chǎng)已經(jīng)漸漸的引入發(fā)球機(jī)等智能裝置，雖然還不能稱之為機(jī)器人，但是也是智能設(shè)備進(jìn)入傳統(tǒng)體育運(yùn)動(dòng)的標(biāo)識(shí)。本文首先概括地闡述了本課題的研究背景和研究意義、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和智能移動(dòng)機(jī)器人的技術(shù)方向。其次簡(jiǎn)單介紹了本文機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求。然后基于簡(jiǎn)單的濾波方法，對(duì)傳感器的采

5、樣值進(jìn)行了簡(jiǎn)單的處理，并利用這些采樣值完成了基于GPS的定位算法和基于PID的移動(dòng)控制算法。最后簡(jiǎn)單介紹了路徑規(guī)劃，然后給出了動(dòng)態(tài)規(guī)劃的一些基本案例，最后利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃，提出了一種以效率值為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的路徑規(guī)劃算法，此算法能顯著地提高智能移動(dòng)收球機(jī)器人的工作效率。
　　本文主要的工作有以下幾點(diǎn):
　　1.首先需要解決的問題便是機(jī)器人的定位問題，有了準(zhǔn)確的定位，才能讓智能移動(dòng)收球機(jī)器人進(jìn)行精確地導(dǎo)航。本文中選擇了GPS模塊NEO-

6、6M作為機(jī)器人的定位傳感器。但是在實(shí)驗(yàn)過程中，GPS信號(hào)的噪聲帶給智能移動(dòng)收球機(jī)器人的誤差嚴(yán)重地影響了智能移動(dòng)收球機(jī)器人的定位算法。為了解決噪聲帶來的干擾，隨后分析了幾種常見的簡(jiǎn)單濾波法和復(fù)合濾波法，經(jīng)過調(diào)研和實(shí)驗(yàn)，選取算術(shù)平均濾波對(duì)GPS的采樣值進(jìn)行濾波分析，并融合GPS的反饋給出了計(jì)算兩點(diǎn)間距離的算法，最后利用上述實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的定位功能。
　　2.雖然智能移動(dòng)收球機(jī)器人已經(jīng)知道了兩點(diǎn)之間的距離，我們可以直接通過算法使智能移動(dòng)收

7、球機(jī)器人不斷的減小這個(gè)距離以達(dá)到導(dǎo)航的功能。但是這會(huì)大大的降低智能移動(dòng)收球機(jī)器人的效率。為了解決這個(gè)問題，必須添加傳感器，使得智能移動(dòng)收球機(jī)器人能快速并準(zhǔn)確地得知當(dāng)前的行進(jìn)方向，讓智能移動(dòng)收球機(jī)器人的工作高效率化。在本文中選取電子羅盤GY-26作為智能移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航工具，為了消除導(dǎo)航偏差，首先通過一階滯后濾波對(duì)電子羅盤的采樣值進(jìn)行處理，其次引入了系統(tǒng)調(diào)節(jié)控制算法，分析了PID控制和模糊控制算法的優(yōu)缺點(diǎn)和實(shí)用性，最后選定了PD控制器作為

8、機(jī)器人的調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)并給出了整定方案。
　　3.定位和導(dǎo)航的問題對(duì)本文的智能移動(dòng)收球機(jī)器人來說已經(jīng)被解決了。但是如果沒有一個(gè)好的路徑規(guī)劃，機(jī)器人只能茫然的在球場(chǎng)中工作，這使得智能移動(dòng)收球機(jī)器人的工作效率大大降低。作者經(jīng)過調(diào)研，分析了智能移動(dòng)收球機(jī)器人在球場(chǎng)中工作的特殊性，調(diào)研的結(jié)果表明在球場(chǎng)中障礙物通常來講都是固定的。經(jīng)過詳細(xì)的分析，為了高效率的提高智能移動(dòng)收球機(jī)器人的工作效率，作者放棄了傳統(tǒng)的路徑規(guī)劃算法，然后利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃的兩個(gè)