智能移動收球機器人的控制系統(tǒng)及路徑規(guī)劃研究.pdf

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

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尚。當然它也可以成為代步工具，如自駕模式的汽車、載人平衡車。作為無人機甚至可以滿足軍事領(lǐng)域的應(yīng)用。智能移動機器人的應(yīng)用還很廣泛，這里就不一一列舉了。智能移動機器人功能的多種多樣，也決定了它不同的設(shè)計要求，以及滿足設(shè)計要求相對應(yīng)的機械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)和程序算法。一個好的機器人，首先它的機械機構(gòu)必須非

3、常穩(wěn)定，也必須非常合理，這樣才能給機器人一個穩(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，眚知機器人下一步?jīng)Q策。最后，也是賦予機器人“智能”的一步，一個良好的算法就好比一個聰明的頭腦，決策的正確性，反應(yīng)的速率，都是機器人好壞的重要評價標注。
　　本文針對智能移動機器人的一個分支，服務(wù)類機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)，隨著國民生活水平的日益增長，高爾夫球、乒乓球、網(wǎng)球等活動已經(jīng)與日常生活融為一體，在二線城市都隨處可見各類的訓練場和訓練館。每周末都是人滿為患，而現(xiàn)階段的球場已經(jīng)漸漸的引入發(fā)球機等智能裝置，雖然還不能稱之為機器人，但是也是智能設(shè)備進入傳統(tǒng)體育運動的標識。本文首先概括地闡述了本課題的研究背景和研究意義、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和智能移動機器人的技術(shù)方向。其次簡單介紹了本文機器人的設(shè)計要求。然后基于簡單的濾波方法，對傳感器的采

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

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

7、球機器人不斷的減小這個距離以達到導航的功能。但是這會大大的降低智能移動收球機器人的效率。為了解決這個問題，必須添加傳感器，使得智能移動收球機器人能快速并準確地得知當前的行進方向，讓智能移動收球機器人的工作高效率化。在本文中選取電子羅盤GY-26作為智能移動機器人的導航工具，為了消除導航偏差，首先通過一階滯后濾波對電子羅盤的采樣值進行處理，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)缺點和實用性，最后選定了PD控制器作為

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