1、第 1 页 共 44 页履带式移动机器人及其无线视频控制的探索与研究摘 要：目前机器人的应用越来越广泛，几乎渗透到所有领域。移动机器人是机器人学中的一个重要分支。更由于它在星球探测、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。移动机器人在与外部的通信方式选择上，由于其具有广阔的运动空间，无线通信成为移动机器人所必须具备的通信方式。以一种履带式移动机器人作为控制平台，首先根据履带式移动机器人的运动特性给出了运动学方程的正、反解，并对其作了动力学分析。并利用无线收发一体数传MODEM模块（PTR2000芯片抗干扰能力
2、较强的FSK调制/解调） ，通过移动机器人身上单片机对机器人各个关节步进电机和驱动电机的控制，实现了移动机器人与遥控计算机之间数据的无线传输。无线视频模块选用CMOS图像传感器OV9620进行视频采集，在外部CPLD控制模块的作用下将采集到的数字视频信号存储到图像存储器中，并通知DSP TMS320DM642进行MPEG-4编码压缩，然后由无线收发模块发射出去；在接收端，由USB控制器CY7C68013建立USB2.0传输通道将接收模块接收到的视频数据上传给主机进行解码、显示后续处理。其控制系统的软件编制包括遥控计算机界面的编制、主单片机控制系统及从单片机控制系统的编制。在软件设计方面，描述了
3、模块化的设计思想及过程，给出了各部分模块的流程图。无线视频采集系统实现了数字化采集、数字化处理和数字化传输。可以实现对履带式移动机器人的无线控制，以及对远程机器人的实时监控，完成爬坡、上楼梯等主要行走动作。另外还借助于外部超声波等传感器实现了履带式移动机器人简单的避障工作，具有一定的自主性。关键词：履带式移动机器人；单片机；PTR2000；无线视频；数字化；超声波传感器第 2 页 共 44 页Tracked Mobile Robot and Its Wireless Video Control Research and StudyABSTRACT：Currently the robot has
4、 been widely applied into almost all areas.Mobile robot is the robot in an important branch of science.More because of its planet detection, military reconnaissance, mine scheduling risk, anti-nuclear and chemical pollution, and hazardous and harsh environments in the material handling of civil appl
5、ication that has broad prospects, making it of widespread concern in the world.Mobile robot in communication with the outside choice, because of its broad movement space, wireless communications for mobile robots must have the means of communication.In a track-type mobile robot as the control platfo
6、rm, the first track-type mobile robot according to the movement characteristics of the kinematics equations are given positive and negative solution, and its kinetic analysis were made.And data transmission using wireless transceiver module MODEM(PTR2000s FSK strong anti-interference modulation / de
7、modulation), the mobile robot microcontroller on the robot and drive stepping motor of each joint motor control, to achieve a mobile robot and remote control computerthe wireless transmission of data between.Wireless video module use CMOS image sensor OV9620 video capture, external CPLD control modu
8、le under the action of the collected digital video signals stored in image memory, and inform the DSP TMS320DM642 be MPEG-4 encoding, and then by the wireless transceiver module launch out; at the receiving end, the CY7C68013 USB controller to establish USB2.0 transmission channels will receive the
9、module receives video data is uploaded to the host to decode, display the follow-up treatment.The control system software development, including the establishment of remote computer interface, the main microcomputer control system and control system from a single chip preparation.In software design,
10、 describes the modular design and process, given the flow chart of each part of the module.Wireless video acquisition system of digital capture, digital processing and digital transmission.第 3 页 共 44 页Can be achieved on the track-type mobile robot wireless control, and real-time monitoring of the re
11、mote robot to complete the climbing, walking on stairs and other major actions.Also by means of an external ultrasonic sensors to achieve the track-type mobile robot obstacle avoidance for simple work, with some autonomy.Keyword: Track mobile robot;SMC;PTR2000;Digital;Wireless Video;Ultrasonic soren
12、ss1 绪论1.1 引言“机器人”这个词起源于捷克作家卡雷尔卡佩克(Karel Capek)在1920年发表的科幻剧本罗萨姆的万能机器人(Rossums Universal Robots)。在剧本中，卡佩克把捷克语“Rvobota”翻译成机器人。其实“机器人”：不全是像人一样的机器，是一种可以运动的机械电子装置。虽然是卡佩克将“Robot”这个词代表的一种机械电子装置的概念推向了世界，但是“Robotics”(机器人学)这个词是由美国科幻小说家伊赛尔阿西莫夫首次提出来的。因此，可以说机器人起源于1920年。对于机器人，国内外学者对机器人有不同的定义。一般来说，机器人是一种具有感知、决策、行动功
13、能的机械电子装置。然而，随着微电子、信息技术、材料、生物等技术和机器人技术的飞速发展，机器人所涵盖的内容越来越丰富，机器人的定义也不断充实和创新 【1】 。目前机器人的应用越来越广泛，几乎渗透到所有领域。移动机器人是机器人学中的一个重要分支。所谓移动机器人，是一类能够通过传感器感知环境和自身状态，实现在有障碍物的环境中面向目标的主运动，从而完成一定作业功能的机器人系统。早在60年代，就开始了移动机器人的研究。对移动机器人的研究，涉及了多种学科和理论。在研究过程中，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，更由于它在星球探测、军事侦察、扫雷排险、防核
14、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。第 4 页 共 44 页1.2 移动机器人的研究现状机器人尤其是移动机器人越来越多地应用在星球表面探测、地震或事故救灾现场、爆炸物处理、战场侦察救援等非结构环境中。其特点是机器人面临的环境复杂、未知、多变。对这些环境进行不断的探索和研究，寻求一条解决问题的可行途径成为科学技术发展和人类社会进步的需要。不规则和不平坦的地形是这些环境的共同特点，这种地形使轮式移动机器人的应用受到限制。虽然腿式移动机器人能够满足某些性能要求，但是由于其结构自由度太多，控制比较复杂，应用也受到一定的限制。综合比较履带
15、式移动机器人能够很好的适应地面的变化，因此履带式移动机器人的研究得以蓬勃发展。近年来对移动机器人的研究属于智能机器人范畴，它集人工智能、智能控制、信息处理、图像处理、检测与转化等专业技术为一体，跨计算机、自动控制、机械、电子等学科。移动机器人从工作环境来分，可分为室内移动机器人和室外移动机器人：按移动方式来分，可分为轮式移动机器人、步行移动机器人、蛇行机器人、履带式移动机器人、爬行机器人等：按控制体系结构分，可分为功能式结构机器人、行为式结构机器人和混合式机器人；按功能和用途来分，可分为医疗机器人、军用机器人、助残机器人、清洁机器人等：按作业空间来分，可分为陆地移动机器人、水下机器人、无人飞机
16、和空间机器人。本文将研究的是履带式移动机器人。移动机器人的研究在世界各国受到普遍关注。移动机器人的研究始于20世纪60年代末期。斯坦福研究院(SRI)的Nils Nilssen和Charles Rosen等人，在1966年至1972年中研制出了取名为Shakey的自主移动机器人。其目的是研究应用人工智能技术，在复杂环境下机器人系统的自主推理、规划和控制，与此同时，最早的操作式步行机器人也研制成功，从而开始了机器人步行机构方面的研究，以解决机器人在不平整地域内的运动问题，设计研制了多足步行机器人。其中最著名是名为General Electric Quadruped的步行机器人。20世纪70年代末
17、随着计算机的应用和传感技术的发展，移动机器人研究又出现了新的高潮，特别是80年代中期，设计和制造机器人的浪潮席卷全世界。一大批世界著名的公司开始研制移动机器人平台，这些移动机器人主要作为大学实验室及研究机构的移动机器人实验平台，从而促进机器入学多种研究方向的出现。20世纪90年代以来，以研制高水平的环境信息传感器和信息处理技术，高适应性的移动机器人技术、真实环境下的规划技术为标志，开展了移动机器人更高层次的研究。例如1996年，美国航空航天局NASA研制的火星探测移动机器人Sojourner首次登上火星执行科学考察任务，利用移动机器人技第 5 页 共 44 页术进行空间探测和开发成为2l世纪全
18、球各主要国家发展科技和空间资源竞争的主要目标。为了在火星上进行长距离探险，又开始了新一代的样机的研制，命名为Rocky7 并在Lavic湖的岩溶流上和干枯的湖床上进行了成功的试验。2003年7月7日美国的“机遇”号火星探测机器人成功升空，开始踏上去火星找寻水和生命存在踪迹的漫漫旅途。我国也针对这一趋势制定了以月球为近期目标的空间探测计划。研究和发展我国的月球探测移动机器人技术，不但对于我国在激烈的空间技术和资源竞争中取得有利地位具有关键意义，同时也包括移动机器人导航控制在内的相关技术有巨大的促进作用。1.2.1 履带式移动机器人发展现状履带式移动机器人具有以下特点 【2】 ：第一，履带式移动机
19、器人支撑面积大，接地比压小，适合于松软或泥泞场地作业，下陷度小，滚动阻力小，通过性能好；越野机动性能好，爬坡，越沟等性能均优于轮式移动机器人。第二，履带式移动机器人转向半径极小，可以实现原地转向，其转向原理是靠两条履带之间的速度差即一侧履带减速或刹死而另一侧履带保持较高的速度来实现转向。第三，履带支撑面上有履齿，不易打滑牵引附着性能好，有利于发挥较大的牵引力。第四，履带式移动机器人具有良好的自复位和越障能力，带有履带臂的机器人可以像腿式机器人一样实现行走。第五，履带机器人转向时，为了实现转大弯，往往要采用较大的牵引力，在转弯时会产生侧滑现象，所以在转向时对地面有较大的剪切破坏作用。从20世纪8
20、0年代国外就对小型履带式移动机器人展开了系统的研究，经过多年的技术积累和经验总结，已经取得了可喜的研究成果。比较有影响的是美国的Packbot【2】 机器人、URBOT、NUGV和talon 【3】 机器人。它们应用在伊拉克战争和阿富汗战争中，取得了巨大的成功。此外，英国研制的Supper Wheelbarrow排爆机器人、加拿大谢布鲁克大学研制的AZIMUT机器人 【4】 ，同本的 Helios VII机器人 【5】 都属于履带式机器人。我国对履带式机器人的研究起步较晚，但是近期也取得了一定的成果，如沈阳自动化研究所研制的CLIMBER机器人 【6】 ，北京理工大学研制的四履带机器人第 6
21、页 共 44 页【7】 ，北京航空航天大学研制的可重构履带机器人等。图1.1 PackBot机器人 图1.2 URBOT便携式履带式移动机器人1.3 移动机器人的发展趋势目前影响智能移动机器人技术研究的因素主要有导航与定位、通讯、传感技术和运动控制策略等。步入21世纪，随着电子技术的飞速发展，机器人用传感器的不断研制、计算机运算速度显著提高和机器人应用领域的进一步扩大，移动机器人技术将逐渐地得到完善和发展。移动机器人技术的研究与发展的趋势包括：1.3.1 导航与定位无论是单个移动机器人还是多个移动机器人系统，导航与定位始终是一项难题。在完全未知部分环境下，基于自然路标与定位技术以及视觉导航中路
22、标的识别和图像处理的快速计算的研究，并通过专用数字信号处理器(DSP)的开发与研制，可以为导航与定位提供突破性进展。1.3.2 仿生学和类人机器人机构与能源方面的研究日本本田公司的Hondap3步行机器人虽然代表着当今世界类人机器人的最高水平，但仍存在供能时间短、行走缓慢和语音功能不完善等方面的问题。P3机器人目前采用的镍锌电池只能供给25min的电能，电池的体积重量与其蓄电容量相比，庞大而笨重，远不能满足未来服务步行机器人的工作时间要求。需要研制用适用于移动机器人携带的蓄电容量大且体积小，重量轻的蓄电池，以解决可携带能源问题。类人机器人的语音功能远未达到未来同人类共存与合作所具备的语音功能，
23、需要在语音信号特征提取和模式匹配，抗噪声以及语音识别器的词汇量扩充方面，进行探讨。类人机器人的行走速度同人类的行走乃至奔跑速度还有较大差距。需要研制体积小、重量轻驱动力大的驱动系统和完善行走机构来近似人类的肌肉和骨骼。同时，研究自然界各种生物的觅食、定位及路径跟踪等生态策略，将人类所不及的生物特长赋予机器人，研制如机第 7 页 共 44 页器蛇、机器狗和机器鱼等各种仿生机器人 【8】 。1.3.3 多传感器信息的集成融合多传感器信息融合的算法很多，但多数算法都是基于线性正态分布的平稳随机过程前提下，解决非线性和非稳定非正态分布的现实信息还有待深入地研究。1.3.4 网络机器人随着计算机网络的扩
24、展延伸，网络技术的发展完善，通过计算机网络遥控机器人，为人机交互技术、监控技术、远程操作技术和图像与控制命令的网络传输及并发多进程数据通信技术提出更高的挑战。1.3.5 多机器人系统目前多机器人系统的研究尚处于理论研究阶段，对于多机器人系统体系机构与协作机制、信息交互以及冲突消除等方面将是多机器人系统的迸一步研究方向。1.3.6 特种机器人移动机器人在各个领域中的应用刺激了特种机器人的研究与开发。战场上，为保护士兵的生命，刺激了无人战车、扫雷机器人和侦察机器人等军用机器人的不断研究；人民生活水平的提高促进了娱乐机器人、外科手术机器人和助残机器人等民用服务机器人的开发。1.4 课题的背景和意义在
25、机器人技术日新月异的今天，为了更好的跟踪世界移动机器人研究和发展方向，进一步进行工业机器人与移动机器人的多机器人协调控制的研究。通过这个履带式移动机器人的研究，希望能够在图像数据采集、图像识别、多传感器信息融合、电机控制、跟踪控制、智能机器人的体系结构等方面开辟更广阔的研究空间，并为移动机器人的路径规划、机器视觉、物体识别和跟踪、多机器人的协调控制、遥控操作等方向提供一个良好的试验平台。1.5 课题论文的主要内容论文第一章绪论介绍了国内外移动机器人研究和应用的现状以及移动机器人的几个关键技术；阐明课题的研究背景和意义以及主要研究内容。论文第二章介绍了履带式移动机器人的总体结构，并对机器人进行了
26、运动学原理分析，研究了机器人的驱动系统。论文第三章介绍了履带式移动机器人体系的总体结构，并分别介绍了各组成模块第 8 页 共 44 页的硬件设计。论文第四章介绍了履带式移动机器人无线控制系统、无线模块和无线视频传输模块的软件设计。论文第五章总结与展望，对论文所作的工作进行了总结并对今后的工作作出了展望。2 履带式移动机器人总体结构及驱动系统2.1 履带式移动机器人的运动机构如图2.1所示为单节履带式移动机器人履带行走装置的结构示意图。由图可知，该结构简单，驱动控制方便；但是由于机构总体相对较小，在越障爬梯中不能发挥较大的优势。国内外开发的此种结构的小型履带式移动机器人已经很多，而且有的已经应用
27、到战争中。图2.1 单节履带式移动机器人结构示意图如图2.2所示是美国福斯特米勒公司和奎蒂克公司(QinetiQ)共同研制的用于武器观测、侦察和目标捕获的特种机器人系统“剑”移动机器人，该机器人就是典型的单节式小型履带式移动机器人。该机器人身高为0.9米，配备有5.56毫米口径的第 9 页 共 44 页M249机枪，或者7.62毫米口径的M240机枪，外加M16系列突击步枪与M202-A 16毫米火箭发射器，它能够连续不中断向敌方发射数百发枪弹及火箭弹。此外，每个“剑”还拥有4台摄像机、夜视镜、变焦设备等光学侦察或瞄准设备。鉴于“剑”的这种特殊装备能力，美国军方对它寄以厚望，认为它们能一个抵上
28、几个甚至是十几个人类士兵的作用。试验表明，已经研制成功的2个手擎步枪的机器人狙击手，它们的电脑控制步枪的命中率几乎可达到100。 图2.2 “剑”机器人 图2.3 ROCOMP机动平台具有代表性的单节式小型履带式移动机器人还有如下几种:如图2.3所示是由美国白特尔公司(Battelle Corporation，US)开发研制的ROCOMP机动平台。它主要用于运输军用物资，根据需要，该机动平台还能用于核电站、化工厂和易起火的建筑物处担任警戒以及执行某些战斗任务。该机动平台长1.36米、宽0.71米、高0.46米、重113千克，为履带式底盘，可上下楼梯和斜坡，能通过窄小房间和过道，采用无线电进行控
29、制或者沿计算机预编程路线进行行驶，行驶中能自动避开障碍。图2.4 手推车MK8 图2.5 德国MV4系列机器人如图2.4所示是英国皇家武器装备研究与发展院研制的手推车MK8遥控车是世界上有名的排爆机器人。其中MK7型在上个世纪70年代装备英国陆军，现在已为MK8型代替。目前已有约30辆出口至西欧、中东和西非一些国家。MK8型车采用模块化设计，每个部件都不超过两个人的重量，便于运输和维修。该车装有4个电动机，并配备有双第 10 页 共 44 页速机械变速箱，高效变速箱使该车连续执行任务的时间延长了50，运输行驶速度可达8km/h。可越过矮墙、壕沟等障碍物，涉水深200mm。该车通过100m 长的
30、电线或用无线电通信线路进行控制。为了更准确的控制车辆的有效负荷，该合作开发公司科努尔公司正在研制一种采用电子控制的微调设备。此外，德国驻黑的维和部队装备的Telerob公司的MV4系列机器人也是单节履带式，如图2.5所示。北京京金吾高科技公司开发的JW902(第五代)排爆机器人是国家科技部863计划项目。该机器人可广泛应用于搜索、排爆、放射性物质的排除、代替人去完成有危险的工作等。JW902机器人的主要功能是抓取，它优于国内外同类的各种机器人，此款机器人是唯一能把爆炸装置放入车载罐并从车载罐中取出的器材。因此它能确保排爆员的生命安全，且物美价廉，性能价格比最优，应为排爆人员的首选器材之一。履带
31、机器人的运动机构出履带式移动机构和五自由度机械臂两部分组成。履带式移动机构由两台步进电机分别驱动两条履带，以相同脉冲驱动时，实现直线前进或后退，以不同脉冲驱动时可实现曲线运动。当以相反脉冲驱动时，可以看成是绕固定轴的旋转运动。该轴过主从动轴所确定平面的几何中心。五自由度机械臂由大臂、小臂及手腕构成，所有关节都由步进电机经谐波减速器进行驱动。整个机械臂可绕垂直轴Z轴旋转360 。 ；肩关节可绕Y轴旋转70 。 ；肘关节可绕Y 轴旋转90 。 ；腕关节可绕Y 轴旋转90。 ，绕X轴旋转360 。 对于空间预设的位置和姿态，先驱动履带车到达可作业空间，再通过五自由度机械臂和履带车的一个旋转自由度共六个自由度来实现。因此五自由度机械臂安装在二自由度履带车上，机械臂共有七个自由度，可完成任何类型的手臂作业。两自由度云台安装在机械臂上，云台上的摄像机可完成全方位图像采集作业。图2.6为履带式移动机器人的运动机构简图，图2.7为机器人履带结构形状示意图。
