amigo机器人路径规划研究与实现毕业设计论文(编辑修改稿)

amigo机器人路径规划研究与实现毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

5 二、移动机器人模型介绍 （一） 先锋 3系列机器人平台介绍 先锋 3 系列机器人是 Mobile Robots 生产的自主式室内移动机器人。 先锋 3系列机器人比大多数机器人小，如图 21，但是在 它的内部高度集成了智能移动机器人技术，而它的能力完全可以与那些体积笨重价格昂贵的设备相匹敌。 图 21 先锋 3 系列机器人 Amigo 外形及物理尺寸 1. Amigo 机器人硬件系统 Amigo 机器人体积较小，灵活方便，功能强大，为广大学校用于研究开发。 其长为 33cm，宽为 28cm，高为 13cm，重为 ，可载重 30kg，最大平移速度 750mm/sec，最大旋转速度 300deg/sec。 它提供了内嵌 SH2 微控制器，负责底层数据处理和命令执行，如获取传感器信息，小车位置信息等等，具有更快捷的处理速度 和更强大的扩展能力。 Amigo 机器人具有一个万向轮和两个驱动轮，其中万向轮仅仅起到支撑作用，而驱动功能和导向作用则由驱动轮来完成。 每个驱动轮配有一个电机， 每台电机配备高分辨率光学编码器，可以准确定位，速度测量，以及更先进的计算。 ARCOS 驱动服务器使用一个普通的比例－微分－积分（ PID）控制系统来调节电机驱动器的 PWM 脉冲宽度以平滑电机的运动。 电机运行周期为 50 微秒（ 20KHZ）；脉冲宽度由 0500 表示 0100％的占空比周期。 ARCOS 驱动服务器每 5 毫秒便会根据车轮编码器的反馈再次计算并且 调整机器人的运动轨迹。 此外该机器人还配备有 8 个声呐测距装置，其分布如图 22 所示，在前方不均匀的分布着 6 个声呐装置，用于检测前方、左前方、左方、右前方、右方的障碍物，在后方有两个声呐装置用于检测后方的障碍区。 Amigo 机器人的声呐测量距离的范围为 10cm（ 6 英寸）至 5m，这决定于测量速度。 6 图 22 Amigo 声呐分布 2. Amigo 机器人软件系统 机器人控制器软件系统包括 ARIA 和 ARNL，机器人客户端软件系统包括MobileSim、 MobileEyes、 Mapper3 等等。 Aria 软件功能强大，使用方便，简单，因而具有更强的适应性，可用于先锋系列机器人的运动控制。 Aria 基于 C++编程语言，为面向对象的，是高端软件编写的理想选择， Aria 由 Mobile Robots 开发，作为应用程序接口（ API），非常方便 Amigo 机器人应用程序的开发与研究。 ARNL软件开发包主要是用于 Mobile Robots 机器人平台定位及自主导航。 移动机器人的仿真软件种类较多，各有优缺点， Amigo 机器人使用的是操作简单的 MobileSim仿真软件。 MobileSim工作界面简单，容易上手。 我们在进 行机器人仿真之前首先应打开 MobileSim仿真软件，这样才能和机器人建立连接，由于 MobileSim主要加载工作环境地图和机器人，并实时显示机器人的运动轨迹，因此应先绘制地图。 借助 Mapper3 绘图软件，可以方便地绘制机器人的工作环境地图，需要注意的是，为方便实物仿真，我们在绘制机器人的真实工作环境时，必须做到准确无误，否则实验结果就会出现偏差。 MobileEyes 是更为高级的仿真软件，主要应用于机器人的导航与定位，本文关于移动机器人的路径规划就用到了上述软件，特别是 MobileEyes 仿真软件。 （二） 先锋 3系列机器人工作原理 1. Amigo 机器人的 CS 关系 机器人本体上包括所有的传感器、执行器、电源等附属设备及 SH2 单片机构成下位机，一般我们使用的 PC 作为上位机。 上 /下位机构成 Client/Server 结构。 如图 23 所示。 7 图 23 Amigo 机器人 CS 结构 下位机负责执行底层任务，包括机器人运动指令，获取传感器信息，计算各种位置信息，驱动附件设备以及处理上位机发出的控制指令等等，上位机即主机主要执行应用层次的任务，包括障碍物的检测与避障，传感器耦合，定位、导航等等。 当上位 机和下位机建立连接之后，上位机可以仿真一个网络上的机器人服务器，或者直接利用获得的信息控制机器人。 2. Amigo 机器人的通讯 Amigo 机器人与计算机系统连接方式主要有三种（如图 24）：一是通过串行口建立连接，该方法连接简单，只需要一条串口连接线，即可实现机器人与计算机系统连接，但受到串口线的限制，计算机对机器人控制不方便；二是通过无线网络建立连接，机器人和计算机之间需要借助无线路由器建立连接，进而可实现对机器人的远程控制，该方法应用较多； 第三，车载计算机系统，机器人配备了一个嵌入式计算机主板，主 板上有一个传统的键盘，鼠标，显示器接口， 0/100M自适应网卡， 4 个 COM 口， 2 个 USB 口， PC104/PC104+扩展总线等设备。 图 24 Amigo 机器人连接方式 Aria 帮助用户实现上位机的应用程序与下位机 Firmware 的通讯以及应用程序与下位机 Firmware 的通讯，其中也包含了对下位机附件设备的通讯和管理。 ArRobot 类是 Aria 的核心，管理着 Client 与 Server 的通讯周期、读取机器人平台的运行状态信息、触发通讯周期内的特定任务等工作内容。 机器人的通讯即为建立 ArRobot 实例与机器人平台 OS（也即 Firmware）的 8 连接关系。 这里的机器人平台包含了机器人本体以及从机器人本体上的 AUX 端 口、模拟 /数字 IO 扩展出的附件设备（例如：声呐、抓持器、 PTZ 云台、先锋 手臂、罗盘等）。 ArRobot 实例可以与机器人 Firmware 建立连接，也可以与仿真器建立连接，建立连接的过程由 ArRobotConnector 类实现。 ArRobotConnector 建立 ArRobot 的连接时，首先会尝试通过本地 TCP 端口建立与 MobileSim 的连接，如果不成功则会进一步建立与 Firmware 的本地串口（ COM1）连接。 机器人 Client 与 Server 之间通讯传输的基本单位是符合先锋数据协议的数据包，基本过程： Client 发送指令数据包（ Command Packets ）给机器人，来控制机器人平台。 Server 端则将机器人状态信息数据包（ Server Information Packets ，即 “SIPs”) 发给 Client 端，应用程序解读分析机器人状态信息进行计算。 SIPs 包含了机器人及附件设备的状态信息，每 100ms 由 Server 向 Client 发送一次。 SIPs 包含的具体内容有机器人的当前位置以及预期位置、平移和旋转速度、声呐信息、电池电压、模拟及数字 I/O 状态信息等。 这些数据信息通过 ArRobot的状态映射表来实现存储和使用。 3． Amigo 机器人的任务周期 SIPs 是以一定的周期发送的， Aria 每收到一个 SIP 就会触发一个 ArRobot任务处理周期。 每个任务周期处理的任务有： SIP 数据包解析、传感器数据处理、机器人行为处理、状态映射、用户任务处理。 任务周期如图 25 9 图 25 Amigo 机器人任务周期 （三）移动机器人的坐标系 移动机器人要完成避 障，实现路径规划，首先需对移动机器人有一个准确的定位，这就要用到移动机器人的坐标系问题。 常用的移动机器人坐标系有两种，分绝对坐标系和相对坐标系，一般使用绝对坐标系。 而 Amigo 机器人使用声呐测距，光电编码器确定位置，所测得位置信息多为相对于小车的，为相对坐标，因此需要进行坐标变化。 由光电编码器的值计算得到是移动机器人的内部坐标位置。