湖面清扫智能机器人的控制系统设计.doc

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1、湖面清扫智能机器人的控制系统设计1、引言机器人是上个世纪中叶迅速发展起来的高新技术密集的机电一体化产品，它作为人类的新型生产工具，在减轻劳动强度、提高生产率、改变生产模式，把人从危险、恶劣的环境下解放出来等方面，显示出极大的优越性。在发达国家，工业机器人已经得到广泛应用。随着科学技术的发展，机器人的应用范围也日益扩大，遍及工业、国防、宇宙空间、海洋开发、紧急救援、危险及恶劣环境作业、医疗康复等领域。进入21世纪，人们已经越来越切身地感受到机器人深入生产、深入生活、深入社会的坚实步伐。机器人按其智能程度可分为一般机器人和智能机器人。一般机器人是指不具

2、有智能，只具有一般编程能力和操作功能的机器人；智能机器人是具有感知、思维和动作的机器人。所谓感知即指发现、认识和描述外部环境和自身状态的能力，如装配机器人需要在非结构化的环境中认识障碍物并实现避障移动，这依赖于智能机器人的感觉系统，即各种各样的传感器；所谓思维是指机器人自身具有解决问题的能力，比如，装配机器人可以根据设计要求为一部复杂机器找到零件的装配办法及顺序，指挥执行机构，即指挥动作部分完成这部机器的装配；动作是指机器人具有可以完成作业的机构和驱动装置。由此可见，智能机器人是一个复杂的软件、硬件综合体。机器人的核心是控制系统。机器人的先进性和功

3、能的强弱通常都直接与其控制系统的性能有关。机器人控制是一项跨多学科的综合性技术，涉及自动控制、计算机、传感器、人工智能、电子技术和机械工程等多种学科的内容。近年来，随着工业和其它服务行业的蓬勃发展，人们在重视其经济效益的同时却往往忽略了他们对环境的污染，人类赖以生存的水资源也不例外。水面污染对人类的水源构成很大的威胁，湖泊尤其是旅游胜地和市内人工湖泊，更是无法逃避漂浮物污染的厄运，举目可见各种日常消费品的包装物在湖面上漂浮。污染的加剧根治水污染。但是，水面污染的治理是一项艰难的长期任务，是全人类必须面对的共同问题。用人工清理水面漂浮物只是权益之计，

4、有些危险水域人无法工作。很多发达国家致力于水面污染治理设备的研究，如石油清理设备，但只是用于大量泄露石油的清理。目前，我国研制的清理水面漂浮物的设备还未见报道，国外研制的也不多，并且价格昂贵，实现的功能也不尽人意。因此，开发一种性能优良，价格便宜，操作简单，使用安全的自主式智能湖面清扫机器人已成为一种必要，而且有较好的市场前景。也唤醒了人们的环境保护意识，因此为了人类的健康发展，人们强烈要求根治水污染。但是，水面污染的治理是一项艰难的长期任务，是全人类必须面对的共同问题。用人工清理水面漂浮物只是权益之计，有些危险水域人无法工作。很多发达国家致力于水

5、面污染治理设备的研究，如石油清理设备，但只是用于大量泄露石油的清理。目前，我国研制的清理水面漂浮物的设备还未见报道，国外研制的也不多，并且价格昂贵，实现的功能也不尽人意。因此，开发一种性能优良，价格便宜，操作简单，使用安全的自主式智能湖面清扫机器人已成为一种必要，而且有较好的市场前景。2、机器人的运动控制对于自由运动机器人来说，其控制器设计可以按是否考虑机器人的动力学特性而分为两类。一类是完全不考虑机器人的动力学特性，只是按照机器人实际轨迹与期望轨迹间的偏差进行负反馈控制。这类方法通常被称为“运动控制（KinematicControl）”，控制器常

6、采用PD或PID控制。运动控制的主要优点是控制律简单，易于实现。但对于控制高速度高精度机器人来说，这类方法有两个缺点：一是难于保证受控机器人具有良好的动态和静态品质；二是需要较大的控制能量。另一类控制器设计方法通常被称为“动态控制（DynamicControl）”。这类方法是根据机器人动力学模型的性质设计出更精细的非线性控制率，所以又常称为“以模型为基础的控制（Model-baseControl）”。用动态控制方法设计的控制器可使被控机器人具有良好的动态和静态品质，然而由于各种动态控制方案中都无一例外地需要实时进行某些机器人动力学计算，而机器人又是

7、一个复杂的多变量强耦合的非线性系统，这就需要较大的在线计算量，给实时控制带来困难。3、湖面清洗智能机器人的系统概述湖面清扫智能机器人大体可以分为七个部分：船体，控制系统，动力驱动系统，视觉系统，语音控制系统，垃圾仓，各种传感器。现将各部分功能综述如下：(1)船体：主体由双体船构成，船体中间有网状垃圾仓，仓后有一个电机来控制吸力装置，使两船体中间水流速度相对向后，漂浮垃圾随水流由船的前方经由两船体中间进入后方垃圾仓，完成垃圾的收集；(2)控制系统：以可编程DSP控制器为核心构成控制系统，接收视觉系统、语音控制系统、各种传感器等设备的输入信号，计算和输

8、出多路控制信号，协调各驱动电机，并对系统状态进行监控；(3)动力驱动系统：湖面清扫智能机器人的动力源为蓄电池，由左右电机的