人工智能四川省重點實驗室項目申報書黃丹平

1、人工智能四川省重點實驗室開放基金項目申報書項目類別一般項目基礎(chǔ)研究項目應(yīng)用研究項目重點項目基礎(chǔ)研究項目應(yīng)用研究項目項目名稱：工業(yè)檢測機器人的運動控制與數(shù)據(jù)傳輸研究起止時間：2013年10月至2015年10月承擔單位：四川理工學院機械工程學院項目負責人：黃丹平聯(lián)系電話（手機）科門類：測控技術(shù)與儀器學科情況：校級重點建設(shè)學科填報日期：2013年5月16日人工智能四川省重點實驗室 制填報說明1、申報書適用于人工智能四川省重點實驗室資助自然科學研究項目；2、封面“項目類別”只能選填一種，在該項目類別前中畫“”；3、申報書填寫要求用A4紙計算機打印。一式三份統(tǒng)一報送人工智能四川

2、省重點實驗室；4、未盡事宜，可另附材料說明。一、目的意義和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析自從1959 年誕生第一臺機器人以來，機器人技術(shù)得到了長足的進步和發(fā)展。智能機器人是具有感知、思維和行動功能的機器，它可獲取、處理和識別多種信息，自主地完成較為復(fù)雜的操作任務(wù)。隨著移動機器人的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，人們希望機器人能夠在未知環(huán)境中自動實現(xiàn)路徑規(guī)劃,并且能夠通過無線傳輸將數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)缴衔粰C中,從而大大提高其對環(huán)境的適應(yīng)能力和實際應(yīng)用效率。工業(yè)智能移動機器人具有感知工作環(huán)境，任務(wù)規(guī)劃能力和決策控制能力，避障是工業(yè)機器人路徑規(guī)劃中的難點和研究熱點。根據(jù)機器人對環(huán)境信息知道的程度不同，可分為2 種類型：環(huán)境信息完全

3、知道的全局路徑規(guī)劃和環(huán)境信息完全未知或部分未知的局部路徑規(guī)劃。對于已知環(huán)境下的避碰問題，已經(jīng)提出了許多有效的解決方法。其中，khatib提出的人工勢場法，結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，得到了廣泛應(yīng)用。與在已知環(huán)境中相比，機器人在環(huán)境完全未知或部分未知情況下實現(xiàn)避障更加困難。針對環(huán)境信息不確定情況下的避障問題，得到避障系統(tǒng)中應(yīng)用的系統(tǒng)模型，根據(jù)攝像機透視影射原理，進行逆換算，得到控制系統(tǒng)算法，實現(xiàn)單攝像機獲取環(huán)境深度信息，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上提出了一種基于視覺的局部路徑規(guī)劃的算法，實現(xiàn)了移動智能機器人在不確定環(huán)境中利用視覺傳感器實時獲取外部信息進行路徑規(guī)劃，仿真與實驗結(jié)果表明，減少了計算規(guī)模，提高

4、了實時性，簡化了機器人避障的步驟，使機器人能快速地跟蹤規(guī)劃路徑，實現(xiàn)避障。未知路徑規(guī)劃技術(shù)是工業(yè)機器人控制技術(shù)研究中的一個重要問題, 嵌入式實時系統(tǒng)具有功耗低、體積小、集成度高等無可比擬的優(yōu)勢, 可以滿足系統(tǒng)實時性的同時簡化控制軟件的開發(fā)。機器人的發(fā)展經(jīng)歷了一個從低級到高級的發(fā)展過程。當前機器人的發(fā)展進入智能機器人階段, 機器人通過各種傳感器獲取環(huán)境信息, 利用人工智能進行識別、理解、推理并做出判斷和決策來完成一定的任務(wù)。這就要求智能機器人除了具有感知環(huán)境和簡單的適應(yīng)環(huán)境能力外, 還具有較強的識別理解功能和決策規(guī)劃功能。工業(yè)智能機器人路徑規(guī)劃是指在有障礙物的工作環(huán)境中, 如何尋找一條從給定起點

5、到終點適當?shù)倪\動路徑, 使機器人在運動過程中能安全、無碰地繞過所有障礙物。隨著計算機、傳感器及控制技術(shù)的發(fā)展, 特別是各種新算法不斷涌現(xiàn), 智能機器人路徑規(guī)劃技術(shù)已經(jīng)取得了豐碩研究成果。特別是周圍環(huán)境已知的全局路徑規(guī)劃, 其理論研究已比較完善, 目前比較活躍的領(lǐng)域是研究在環(huán)境未知情況下的局部規(guī)劃。從目前國內(nèi)外研究成果看, 有以下趨勢:（1）智能化的算法將會不斷涌現(xiàn)。模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法以及它們的相互結(jié)合也是研究熱點之一。（2）多智能機器人系統(tǒng)的路徑規(guī)劃。隨著智能機器人工作環(huán)境復(fù)雜度和任務(wù)的加重, 對其要求不再局限于單臺智能機器人, 在動態(tài)環(huán)境中多智能機器。人的合作與單個機器人路徑規(guī)劃要

6、很好地統(tǒng)一。（3） 多傳感器信息融合用于路徑規(guī)劃。單傳感器難以保證輸入信息準確與可靠。多傳感器所獲得信息具有冗余性、互補性、實時性和低代價性, 且可以快速并行分析現(xiàn)場環(huán)境。（4）基于功能/行為的智能機器人路徑規(guī)劃。基于模型自頂向下的感知- 建模- 規(guī)劃- 動作是一種典型慎思結(jié)構(gòu), 稱為基于功能的控制體系結(jié)構(gòu)?；谛袨榈姆椒ㄊ且环N自底向上的構(gòu)建系統(tǒng)方法, 并在與環(huán)境交互作用中最終達到目標。基于功能/行為的機器人控制結(jié)構(gòu)融合了兩者優(yōu)點, 這是研究的新動向之一。機器人路徑規(guī)劃問題可以建模為一個有約束的優(yōu)化問題, 完成路徑規(guī)劃、定位和避障等任務(wù)。根據(jù)機器人對環(huán)境信息掌握的程度不同將智能機器人路徑規(guī)劃分

7、為基于模型的全局路徑規(guī)劃和基于傳感器的局部路徑規(guī)劃。前者是指作業(yè)環(huán)境的全部信息已知, 主要包括構(gòu)型空間法、拓撲法、柵格解耦法、自由空間法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等; 后者是指作業(yè)環(huán)境信息全部未知或部分未知, 主要包括人工勢場法、模糊邏輯控制法、混合法、滾動窗口法等。智能機器人路徑規(guī)劃存在以下特點:復(fù)雜性: 在復(fù)雜環(huán)境中, 機器人路徑規(guī)劃非常復(fù)雜, 且需要很大的計算量。隨機性: 復(fù)雜環(huán)境的變化往往存在很多隨機性和不確定因素。多約束: 機器人的形狀、速度和加速度等對機器人的運動存在約束。 工業(yè)機器人的信息傳遞是機器人能否正常工作的關(guān)鍵技術(shù)之一，在當今無線傳遞信息技術(shù)中，ZigBee無線傳輸技術(shù)是一種新興的低速

8、率、短距離的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，該技術(shù)是在藍牙技術(shù)和無線標記技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，與其他的無線通信技術(shù)一樣，其技術(shù)標準也是采用的IEEE802制訂的相關(guān)標準。ZigBee作為一種個人網(wǎng)絡(luò)的短程無線通信協(xié)議，已經(jīng)越來越為大家所熟知，它最大的特點就是可組網(wǎng)，特別是帶有路由的可組網(wǎng)功能，這一功能在理論上可以實現(xiàn)ZigBee覆蓋通訊面積的無限擴展。總之，ZigBee無線傳輸技術(shù)以其低速率、低功耗、短距離、低時延以及低成本等優(yōu)點有效克服了無線通信技術(shù)的各種缺陷，也在很大程度上實現(xiàn)了由自組織網(wǎng)絡(luò)和傳感器所構(gòu)成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的各項功能需求。 Zigbee無線傳輸?shù)奶攸c: 1）成本低。目前，ZigBee 芯

9、片的成本在25 元人民幣左右，而且尺寸小。2.4GHz頻段可以免費申請使用。 2）功耗低。其發(fā)射功率為03.6dBm，一個ZigBee節(jié)點設(shè)備在低耗電待機模式下，采用兩節(jié)普通5號的干電池做電源的話可使用半年以上。 3）速率低?；舅俾适?50kb/s，當降低到28kb/s時，傳輸范圍可擴大到134m，并獲得更高的可靠性。但對存儲信息量不大RFID系統(tǒng)，足以滿足其需求。 4）容量高?；赯igBee無線傳輸技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)可采用星型、樹型等網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。其中星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)中的主節(jié)點可以管理254個以內(nèi)的子節(jié)點，而每一層的主節(jié)點還可由上一層網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)主節(jié)點進行管理，這種分層管理機制，大大提高了基于Zi

10、gBee無線傳輸技術(shù)網(wǎng)絡(luò)的通信容量。 5）安全性和可靠性強?；赯igBee無線傳輸技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)采用的是三級安全模式，三級安全模式的應(yīng)用大大提高了網(wǎng)絡(luò)通信的安全性。同時在通信上，ZigBee無線傳輸技術(shù)采用的是免沖突多載波信道接入方式，有效避免了無線電載波之間的沖突，從而保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。在國際上, 直到目前工業(yè)檢測機器人技術(shù)還屬于壟斷技術(shù), 美、英、法、德、日、挪威等國研制的檢測機器人處于世界領(lǐng)先地位, 他們的產(chǎn)品已實用化、商品化。但他們的技術(shù)嚴密封鎖, 處于絕對保密狀態(tài)。一般不出售產(chǎn)品和技術(shù), 只提供在線檢測服務(wù), 收取高昂的服務(wù)費用。在國內(nèi),檢測機器人的研究還處于起步階段, 雖然有一

11、些成果, 但還有許多問題沒有解決, 離工程應(yīng)用還有不小的距離。因此, 必須下大力進行研究, 以開發(fā)新型的擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的管道檢測裝備, 提升檢測技術(shù)及手段, 使檢測及管理規(guī)范化, 并逐步實現(xiàn)由被動維護向主動維護的轉(zhuǎn)化。參考文獻：1走向產(chǎn)業(yè)化得先進機器人技術(shù). 中國制造信息化J,2005, 10:24-25.2 楊宜民, 黃明偉. 能源自給式管道機器人的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計J. 機器人,2008, 28(3):326-330.3 Fox D, Burgard W, Thrun S. Markov localization for mobile robots in dynamic environment

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16、rack-wheel articulations J. Autonomous Robots, 2005( 18): 137- 156.14 GRUARN IERIM, DEBENEST P, INOH T, et a .l Development of helios VII: an arm-equipped tracked vehicle research an search and rescue operations C. Proceedings of 2004 IEEE /RSJ International Conference on intelligent Robots and Syst

17、ems, Sendai Japan, 2004: 39- 45.15 王 挺, 王超越, 趙憶文. 多機構(gòu)復(fù)合智能移動機器人的研制J, 機器人, 2004, 26(4): 289-294.16 段星光, 黃 強, 李科杰. 小型輪履腿復(fù)合式機器人設(shè)計及運動特性分析 J. 機械工程學報, 2005, 41( 8): 108- 113.17 陳慧寶, 李 婷, 徐解民. 關(guān)節(jié)式履帶機器人的爬梯性能研究 J.電子機械工程, 2006,22( 2): 60-63.17 PAUL J L, N ICHOLAS F, TORRIEM R, et a .l Chaos an intelligent ultr

18、a-mobile SUGV: cambining the mobility of wheel tracks, and legs C . Proceedings of SPIE, 2005(5804): 427- 438.18 FRANCO ISM. Multimodal locomotion robotic platform using leg-track-wheel articulations J. Autonomous Robots, 2005( 18) : 137-156. 19 鄒凌云. 模塊化可重組機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計及自動對接的初步研究 D. 長沙: 國防科技大學, 2003.20 樊炳

19、輝,曾慶良,車翠蓮,等.基于ADAM S的移動機器人仿真J. 中國制造業(yè)信息化, 2006,35(9): 39-46.21 PACK D J, KAK A C. A simplified forward gait control for a quadruped walking robot C. Proceedings o f the 1994 IEEE /RSJ /G I In2ternational Conference on Intelligent Robots and System s. USA: IEEE, 1994. 1011- 1018.22 趙海峰,李小凡,姚 辰,等.新型輪-

20、腿- 履帶復(fù)合移動機構(gòu)及穩(wěn)定性分析J. 機器人,2006,28(6):576-581.二、研究方案1、 研究目標、研究內(nèi)容 機器人的研究存在著兩條不同的技術(shù)路線：一條是日本和瑞典所走的“需求牽引、技術(shù)驅(qū)動”，結(jié)合工業(yè)發(fā)展的需求，開發(fā)出一系列特定應(yīng)用的機器人；另一條是把機器人作為研究人工智能的載體，即單純從技術(shù)上模擬人和動物的某些功能，研究有關(guān)職能的問題和智能機器人。工業(yè)檢測機器人要想走向?qū)嵱茫仨殦碛袆偃蔚倪\動系統(tǒng)、可靠的導(dǎo)航系統(tǒng)、精確的感知能力和具有即安全友友好地與人一起工作的能力。工業(yè)檢測機器人的智能指標為自主性、適應(yīng)性和交互性。本課題為滿足工業(yè)檢測機器人對工作性質(zhì)和環(huán)境的要求，將主要進行

21、機器人精確定位和運動控制研究，并朝著智能化和多樣化方向發(fā)展。目前主要研究內(nèi)容集中在以下幾個方面： 1、機器人檢測技術(shù)：重點研究開放式，模塊化檢測系統(tǒng)，人機界面更加友好，語言、圖形 編程界面正在研制之中。機器人控制器的標準化和網(wǎng)絡(luò)化，以及基于PC機網(wǎng)絡(luò)式控制器的研究 。 編程技術(shù)除進一步提高在線編程的可操作性之外， 離線編程的實用化也將成為研究重點； 2、多傳感系統(tǒng)：為進一步提高機器人的智能和適應(yīng)性，多種傳感器的使用是其問題解決的 關(guān)鍵。其研究熱點在于有效可行的多傳感器融合算法，特別是在非線性及非平穩(wěn) 、非正態(tài)分布的情形下的多傳感器融合算法。另一問題就是傳感系統(tǒng)的實用化； 3、為能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)檢測

22、機器人的結(jié)構(gòu)靈巧，應(yīng)使整體工業(yè)檢測機器人控制系統(tǒng)小型化，并提高其抗干擾能力；4、機器人遙控及監(jiān)控技術(shù)，機器人半自主和自動巡航技術(shù)，機器人和多操作者之間的協(xié)調(diào)控制，通過網(wǎng)絡(luò)建立大范圍內(nèi)的機器人遙控系統(tǒng)，在有時延的情況下，建立預(yù)先顯示進行遙控等；5、由于機器人的工作環(huán)境復(fù)雜，一般的定位設(shè)備無法精確跟蹤，設(shè)備是上安裝的里程輪等存在誤差較大，有時還存在打滑現(xiàn)象，這將為數(shù)據(jù)分析帶來較大誤差。因此應(yīng)對機器人精確定位進行研究，實現(xiàn)精確位置控制，控制精度在 3 個脈沖之內(nèi)；6、支持位置控制模式和速度控制模式；7. 支持梯形曲線、速度跟蹤、電子齒輪和直接輸出等軌跡控制方式。2、 擬采取的研究方法、技術(shù)路線和試驗

23、方案機器人是最典型的機電一體化數(shù)字化裝備,技術(shù)附加值很高，應(yīng)用范圍很廣,作為 先進制造業(yè)的支撐技術(shù)和信息化社會的新興產(chǎn)業(yè)，將對未來生產(chǎn)和社會發(fā)展起越來越重要的作用。但是我國目前在工業(yè)檢測機器人的研究上還處于比較落后的狀態(tài)，這對我國的工業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)非常不利，所以工業(yè)檢測機器人的研究對于工業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)就尤為重要了。本項目主要研究工業(yè)檢測機器人的控制與相關(guān)檢測部分，并且通過實驗平臺，對控制系統(tǒng)的硬件及軟件測試，檢測其是否滿足檢測機器人的工作要求。其具體的研究方法與技術(shù)路線內(nèi)容如下：一、研究方法與技術(shù)路線1、選用多種傳感器并將其信息融合到該系統(tǒng)中，利用相關(guān)智能算法與數(shù)據(jù)處理技術(shù)得出需求信息；2、移動機

24、器人的總體設(shè)計結(jié)構(gòu)車體運動控制系統(tǒng)云臺運動控制系統(tǒng)車體左側(cè)電機驅(qū)動器車體右側(cè)電機驅(qū)動器主 控芯 片云臺俯仰電機驅(qū)動器云臺方位電機驅(qū)動器主 控芯 片機器人 主控系統(tǒng)車體左側(cè)電機車體右側(cè)電機左側(cè)電機速度傳感器右側(cè)電機速度傳感器云臺俯仰電機云臺方位電機俯仰電機速度傳感器方位電機速度傳感器CAN HCAN L方位位置傳感器俯仰位置傳感器車體負載右側(cè)變速箱左側(cè)變速箱減速器減速器云臺負載工業(yè)移動機器人以ARM主控單元為核心控制單元，作用是:處理通信數(shù)據(jù)、作出控制決策、發(fā)出控制指令。在其下面包括運動控制、電源管理、通信、網(wǎng)絡(luò)等各自功能子系統(tǒng)，其中，運動控制系統(tǒng)主要功能是:接收運動控制指令、解算指令信息、電機

25、伺服驅(qū)動并實時監(jiān)測反饋，核心控制單元與運動控制系統(tǒng)之間通過CAN2.0總線進行相互通信，其過程遵守CAN2.OB協(xié)議。具體的運動控制系統(tǒng)組成如圖1所示：圖1運動控制系統(tǒng)共包含兩個部分:車體運動控制單元和云臺運動控制單元。其中:(l)車體運動控制單元主要通過CAN總線接收來自ARM主控單元的車體運動指令，并根據(jù)接收到的左右履帶輪轉(zhuǎn)動速度指令和來自左右電機傳感器的速度反饋信號，對車體的運動速度實現(xiàn)閉環(huán)控制。該控制單元由以下模塊組成:車體運動控制板:以TI公司的TMs320F2812DSP作為核心處理器，通過CAN總線接收來自ARM主控單元的左右電機的速度和換檔指令，并利用來自左、右電機傳感器信號，

26、得到控制變量，通過CAN通信接口分別輸出給左、右電機的驅(qū)動器，由驅(qū)動器控制電機轉(zhuǎn)動速度，或?qū)ψ兯傧錂n位進行控制。左、右側(cè)電機驅(qū)動模塊:主要通過CAN通信接口接收來自車體運動控制板的控制變量，并產(chǎn)生相應(yīng)電機控制輸出，實現(xiàn)對電機的速度控制。左、右側(cè)電機(含左、右側(cè)電機減速箱和傳感器):主要接收來自電機驅(qū)動模塊的控制輸出，并將利用傳感器得到的速度反饋信號反饋給相應(yīng)的電機驅(qū)動模塊和車體運動控制板。(2)云臺控制單元主要通過CAN總線接收來自ARM主控單元的云臺運動控制指令，并根據(jù)接收到的云臺俯仰和方位轉(zhuǎn)動速度指令和來自俯仰和方位電機傳感器的速度反饋信號，對云臺的俯仰轉(zhuǎn)動、方位轉(zhuǎn)動實現(xiàn)速度和位置閉環(huán)控制

27、，并將來自方位位置傳感器和俯仰位置傳感器的信號通過CAN通信接口發(fā)送給ARM主控單元。該控制單元由以下模塊組成:云臺運動控制板:以TI公司的TMS320F2812DSP作為核心處理器，通過CAN總線接收來自ARM主控單元的云臺俯仰和方位電機的速度指令，并利用來自俯仰和方位電機的傳感器信號，得到控制變量，通過CAN通信接口分別輸出給俯仰和方位電機的驅(qū)動器，由俯仰、方位電機驅(qū)動器控制電機轉(zhuǎn)動速度，并接收來自方位位置傳感器和俯仰位置傳感器的信號，通過CAN通信接口將其發(fā)送給ARM主控單元。俯仰、方位電機驅(qū)動模塊:主要通過CAN通信接口接收來自云臺運動控制板的控制變量，并產(chǎn)生相應(yīng)電機控制輸出，實現(xiàn)對俯

28、仰、方位電機的速度控制。俯仰、方位電機(含俯仰、方位電機傳感器):主要接收來自俯仰、方位電機驅(qū)動模塊的控制輸出，并將利用傳感器得到的速度反饋信號反饋給相應(yīng)得電機驅(qū)動模塊。俯仰、方位位置傳感器:主要輸出方位、俯仰位置傳感器的位置信號，經(jīng)過軸角轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字量位置信號，傳輸給DSP。3、選用更適用于工業(yè)檢測環(huán)境檢測定位的慣性導(dǎo)航定位方法，它的特性是自主性、獨立性完成導(dǎo)航定位。具體導(dǎo)航策略如下：當機器人遠離目標時，通過捷聯(lián)導(dǎo)航理論和卡爾曼濾波理論的研究，對工業(yè)機器人進行行走控制。捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)基本工作原理是以牛頓力學定律為基礎(chǔ)，通過測量線加速度計和陀螺儀輸出值，再根據(jù)相應(yīng)的坐標變換，由加速度計和陀

29、螺的輸出參數(shù)解算得到飛行體姿態(tài)信息。由運動學理論可知，要完整的描述一個物體在空間的運動情況，需要至少 6 個獨立的參數(shù)信息，其中有三個參量用于表示物體質(zhì)心處的平動信息，另外三個用以表示物體繞質(zhì)心處的轉(zhuǎn)動情況，在捷聯(lián)導(dǎo)航系統(tǒng)中，通常由三個加速度計測量載體的平動信息，載體繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動則由三個陀螺儀來量測。但是通過研究可以得出，如果當載體相對某一參考坐標系的牽連運動形式是轉(zhuǎn)動的情況時，那么在載體非質(zhì)心處的加速度信息中將涵蓋著相關(guān)的角速度信息。所以，在運動載體非質(zhì)心位置合理的放置足夠多的線加速度計，根據(jù)各只加速度計安裝位置和敏感方向便可將加速度計的輸出信息中涵蓋的角速度信息提取出來，這便是依靠線加速度

30、計獲取到角速度信息的理論基礎(chǔ)。而載體導(dǎo)航信息的獲取是經(jīng)過各個坐標系之間的特定轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)的，因此選取合適的參考坐標系是非常重要的，它將影響到整個導(dǎo)航系統(tǒng)的精度和復(fù)雜度當接近目標時，利用超聲波和圖像傳感器對機器人進行精確定位控制，利用理論與實驗并重的雙重研究方法，在可靠性理論及完整性實驗的基礎(chǔ)上為工業(yè)檢測導(dǎo)航定位提供可靠性很高的參考價值。攝像頭是目標標識物的獲取以及路徑信息的獲取，超聲波傳感器主要是感知移動機器人周圍障礙物的情況信息，為移動機器人運動安全提供保障?；诔暡夹g(shù)的精密檢測方法，通常需要精確地測量超聲波在介質(zhì)中的傳輸時間目前利用超聲波的傳輸時間特性已經(jīng)實現(xiàn)并完成了許多領(lǐng)域測量方面的任

31、務(wù)，人們利用測量超聲波的傳輸時間特性實現(xiàn)了流量、溫度等方面的研究20世紀70年代超聲波進入工業(yè)領(lǐng)域，90年代中期計算機軟硬件和高速數(shù)字信號處理技術(shù)的快速發(fā)展，使得利用超聲波傳輸時間對流量、溫度、液位和距離等參數(shù)進行精密測量得以迅速推廣和應(yīng)用對超聲波傳輸時間的測量方法中最常見的測時方法是脈沖計數(shù)法，測時的分辨率決定了此方法的測量精度通常情況下，為了提高測時分辨率，只能不斷提高計時脈沖的頻率如果要求測時精度達到ns級，則相應(yīng)的計時脈沖頻率必須達到GHz量級以上提高計時脈沖的頻率就等于增加計數(shù)器的位數(shù)，從而加大硬件成本的開銷超聲波在介質(zhì)中傳輸時就載上了傳輸介質(zhì)的信息，因此通過檢測接收到的超聲波回波信

32、號就可以間接測量所需介質(zhì)的信息例如，時差法超聲波流量計中利用超聲波傳輸時間來測量介質(zhì)流速、流速、流量等信息超聲波在潔凈水中的傳輸速度約為1450m/s，設(shè)其順逆流時間差約為0.38，即380ns。要保證測量達到0.5的測量精度，最大誤差為1.9ns，因此對超聲波傳輸時間的測量必須穩(wěn)定在ns級水平范圍內(nèi)又例如超聲波溫度計中傳輸距離不變時利用不同超聲波傳輸時間精密測量溫度，如20和21時超聲波在空氣中的速度約為344和344.6m/s，傳輸距離固定在0.3，則在20和21時超聲波的傳輸時間是872.09和870.57，則要求對超聲波傳輸時間的測量要小于1.5ns。針對上述問題，作者提出了一種精密測

33、量超聲波傳輸時間的方法，并對其中的一些關(guān)鍵技術(shù)加以說明該方法不但有效解決了精密測量超聲波傳輸時間的關(guān)鍵問題，而且保證超聲波傳輸時間的測量達到了ns級，乃至ps級的精度。CMOS 圖像傳感器的研究始于20 世紀60 年代末，受當時工藝技術(shù)的限制，發(fā)展和應(yīng)用有限。直到20世紀90 年代初，隨著大規(guī)模集成電路設(shè)計技術(shù)和信號處理技術(shù)的提高，CMOS 圖像傳感器才日益受到重視，成為固體圖像傳感器的研發(fā)熱點。近幾年來，隨著集成電路設(shè)計技術(shù)和工藝水平的長足進步，CMOS 圖像傳感器的一些性能指標已接近甚至超過CCD 圖像傳感器。CMOS 圖像傳感器的總體結(jié)構(gòu)一般由像素陣列、行選通邏輯、列選通邏輯、定時和控制

34、電路、在片模擬信號處理器（ASP）構(gòu)成，高級的CMOS 圖像傳感器還集成有在片模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。行選通邏輯和列選通邏輯可以是移位寄存器，也可以是譯碼器，其中的行選通邏輯單元可以對像素陣列逐行掃描也可隔行掃描。行選通邏輯單元與列選通邏輯單元配合使用可以實現(xiàn)圖像的窗口提取功能。定時和控制電路限制信號讀出模式、設(shè)定積分時間、控制數(shù)據(jù)輸出率等。在片模擬信號處理器是完成相關(guān)雙取樣、信號積分、放大、取樣/保持、雙 取樣等功能，對信號進行放大處理，提高信噪比（SNR）。在片模數(shù)轉(zhuǎn)換器是數(shù)字成像系統(tǒng)所必需的，CMOS 圖像傳感器可以是整個成像陣列有一個ADC 或幾個ADC（每種顏色一個），也可以是成像陣列

35、每列各一個。外界光照射像素陣列，發(fā)生光電效應(yīng)，在像素單元內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的電荷。行選通邏輯單元根據(jù)需要，選通相應(yīng)的行像素單元。行像素單元內(nèi)的圖像信號通過各自所在列的信號總線傳輸?shù)綄?yīng)的模擬信號處理單元以及ADC，轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號輸出。與CCD 相比，這種結(jié)構(gòu)提供了隨機進入像元、以非常高的幀速率直接開窗口的能力，同時避免了CCD 中大量電荷轉(zhuǎn)移很長距離的情況。對三維場景定性或定量分析都離不開參考坐標系。三維場景分析中一般要用到5種坐標系，而對于標定來說，通常用到3種坐標系:圖像坐標系、攝像機坐標系以及世界坐標系。a.圖像坐標系圖像坐標系(u,v)是定義在二維圖像上的直角坐標系，如圖2所示，每一像素的

36、坐標(u，uO0O1X(u0, v0)Yv圖2v)分別是該像素在數(shù)組中的列數(shù)與行數(shù)，由于只表示像素位于數(shù)組中的列數(shù)和行數(shù)，并沒有用物理單位表示出該像素在圖像中的位置。因此，需要再建立以物理單位(如毫米)表示的圖像坐標系。該坐標系以圖像內(nèi)某一點O，為原點，X軸與Y軸分別與u、v軸平行，其中(u，v)表示以像素為單位的圖像坐標系的坐標，(X，Y)表示以毫米為單位的圖像坐標系的坐標。在不Y坐標系中，原點O1定義在攝像機光軸與圖像平面的交點，該點一般位于圖像中心處，但由于某些原因，也會有些偏差，若O1在u、v坐標系中坐標為(,)，每一個像素在x軸與Y軸方向上的物理尺寸為dX、dY，則圖像中任意一個像素

37、在兩個坐標系下的坐標有如下關(guān)系:用齊次坐標與矩陣形式表示為：b.攝像機坐標系攝像機成像幾何關(guān)系如圖4所示，其中點稱為攝像機光心，x軸和y軸與圖像的X軸和Y平行，z軸為攝像機光軸，它與圖像平面垂直。光軸與圖像平面的交點，即為圖像坐標系的原圖3點，由點與x、y、z軸組成的直角坐標系稱為攝像機坐標系。為攝像機焦距。c.世界坐標系世界坐標系(X， y，z)是在環(huán)境中選取的一個基準坐標系，用來描述攝像機的位置，可以根據(jù)描述和計算的方便等原則來自由選取，有時選取適當?shù)氖澜缱鴺讼悼梢源蟠蟮睾喕Ｐ偷臄?shù)學表達式。由于攝像機可安放在環(huán)境中的任意位置，在環(huán)境中選擇一個基準坐標系來描述攝像機的位置，并用它描述環(huán)境中

38、任何物體的位置，該坐標系成為世界坐標系。它由Xw、Yw、Zw軸組成。攝像機坐標系與世界坐標系之間的關(guān)系可以用旋轉(zhuǎn)矩陣R與平移向量T來描述。因此，空間中某一點在世界坐標系與攝像機坐標系下的齊次坐標為:其中(x，y，z)為在攝像機坐標系下的坐標，(x,y，z)為在世界坐標系下的坐標。 攝像頭的透視投影實際是一個非線性映射，在實際求解時可能需要大的計算量，而如果透視效果并不明顯，直接使用非線性模型可能會使求解變?yōu)椴B(tài)。本課題采用針孔成像模型，又稱為線性攝像機模型。針孔模型是根據(jù)小孔成像原理推導(dǎo)出來的，它是線性的，是在簡單的中心射影(又叫透視投影)基礎(chǔ)上加上剛體變換(剛體的旋轉(zhuǎn)與平移)得到的攝像機模型

39、。它不考慮各種鏡頭的畸變，然而它卻能給實際攝像機一個很好的近似，是其它模型和標定方法的基礎(chǔ)。設(shè)是空間某點，(x，y，z)在攝像機坐標系下的坐標;q是圖像上的對應(yīng)點，(x，y)是圖像上對應(yīng)點的坐標，設(shè)f為攝像機焦距，則根據(jù)透視投影的比例關(guān)系為:攝像頭標定是機器人精確定位的基礎(chǔ)，攝像頭標定是指建立攝像機圖像像素位置與場景點位置之間的關(guān)系，其途徑是根據(jù)攝像機模型，由已知特征點的圖像坐標和世界坐標求解攝像機的模型參數(shù)。傳統(tǒng)攝像機標定方法有基于單幀圖像的基本方法和基于多幀己知對應(yīng)關(guān)系的立體視覺方法。當前對攝像頭標定技術(shù)的研究集中在如何有效合理地確定非線性畸變校正模型的參數(shù)。 從查閱的文獻可知，大致有三種

40、方法：1）線性模型的攝像頭標定；2）非線性模型的攝像頭標定；3）Roger Tsai兩步法。通過對標定方法的比較，最后選用了RogerTsai兩步法來進行移動機器人的自動導(dǎo)航的攝像機標定實驗。在基于視覺的自主導(dǎo)航系統(tǒng)中，運動路徑邊緣檢測是一項關(guān)鍵技術(shù)，它可以用來確定移動機器人、目標標識物之間的相對位置，以及分析移動機器人的航向角。圖像圖像采集系統(tǒng)圖像處理系統(tǒng)圖像信號輸出系統(tǒng)圖4如圖4所示，計算機圖像處理系統(tǒng)由計算機軟硬件系統(tǒng)組成。計算機圖像處理的軟件系統(tǒng)是基于數(shù)字圖像處理的理論和算法而設(shè)計的一系列程序，實現(xiàn)對圖像的處理工作。在移動機器人視覺導(dǎo)航控制中，需要首先對圖像進行一定的變換，使圖像上的特

41、征更加突出，然后對圖像進行分析，獲取需要的圖像信息。在移動機器人視覺導(dǎo)航控制系統(tǒng)中，圖像處理是一個十分重要的組成部分。針對移動機器人的技術(shù)要求與視覺導(dǎo)航的特點，圖像處理主要包括圖像預(yù)處理、圖像分割與特征提取等，如圖5所示。最終得到移動機器人的視覺導(dǎo)航系統(tǒng)中所需要的視覺圖像信息。圖像直方圖增強處理直線邊緣檢測圖像預(yù)處理圖像分割圖像輸入特征提取圖像灰度變換圖像噪聲消除邊緣檢測二值化圖54、工業(yè)檢測移動機器人系統(tǒng)中將各種信號經(jīng)傳感器采集數(shù)據(jù)后，需要進行相關(guān)數(shù)據(jù)處理。本系統(tǒng)將采用專用采集模塊對多路信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將所采集數(shù)據(jù)進行一些必要的濾波降噪后，送給數(shù)據(jù)處理單元進行數(shù)據(jù)處理；其該原理框圖如圖6

42、所示：傳感器信號采集信號預(yù)處理信息提取圖65、將模糊控制技術(shù)、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID等控制技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)檢測機器人的軌跡跟蹤中，并對其控制性能進行研究與比較；本課題以工業(yè)機器人為研究對象，研究相關(guān)工業(yè)機器人的動力學參數(shù)辨識、建模分析及模糊控制等問題。結(jié)合工業(yè)機器人工作過程中運動狀態(tài)下的相關(guān)參數(shù)動態(tài)變化、參數(shù)不確定、建模誤差、未知干擾擾動影響、控制器的脆弱性和輸入時滯問題等實際情況，通過理論推導(dǎo)和實驗驗證相結(jié)合，得出可以解決這些問題的參數(shù)辨識和控制方法，為工業(yè)機器人的辨識和控制提供了可供借鑒的結(jié)論和結(jié)果，本課題的主要研究控制工作如下：1）、對機器人執(zhí)行機構(gòu)的控制，機器人的執(zhí)行機構(gòu)是一個復(fù)雜、非線性、

43、并且對實時性要求很高的控制系統(tǒng)，因為模糊控制有對控制過程不要求有精確的數(shù)學模型、強魯棒性等特點，常被用于機器人執(zhí)行機構(gòu)控制，本課題采用自校正模糊控制的方法來提高模糊控制器性能。其控制方案圖如圖7所示：圖7由于本課題所研究的工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)特點，其建立其精確的控制模型幾乎是不可能的，也無法應(yīng)用基于精確數(shù)學模型的各種控制方法。如果在實現(xiàn)穩(wěn)定抓取過程中，對抓握力只采用常規(guī)模糊控制，由于系統(tǒng)受到隨機干擾以及模糊控制規(guī)則不準確及不完善的影響，其控制效果不太好。為了解決這個問題，本課題將采用對常規(guī)模糊控制方案進行了改進，采用自校正模糊控制方法如圖3所示，在控制過程中自動地調(diào)整、修正和優(yōu)化模糊控制參數(shù)和規(guī)則

44、，來獲得良好的控制效果。圖3中的數(shù)據(jù)存儲單元用于存儲評價控制系統(tǒng)性能的各種參數(shù)，性能評價環(huán)節(jié)根據(jù)系統(tǒng)提供的信息對控制效果進行評價，其結(jié)果送入帶有自調(diào)整因子的模糊控制器和參數(shù)修正環(huán)節(jié)，分別作為修正控制規(guī)則和校正參數(shù)的依據(jù)。6、本課題將采用嵌入式控制系統(tǒng)對各種數(shù)據(jù)進行采集與處理，并用其控制器工業(yè)檢測機器人的運動軌跡。該系統(tǒng)將采用Kinetis K60作為主控制器，并將DSP應(yīng)用到該機器人測控系統(tǒng)中用于數(shù)據(jù)處理。 7、將測控系統(tǒng)將數(shù)據(jù)無線通訊、遠程圖像傳輸?shù)燃夹g(shù)運用到工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)中，以便實現(xiàn)遠距離通訊與控制；8、針對工業(yè)機器人所采集的數(shù)據(jù)與環(huán)境特征，利用matlab來進行數(shù)據(jù)在分析和處理，以

45、便得到優(yōu)化的程序與智能算法，為后續(xù)數(shù)據(jù)處理打下基礎(chǔ)。在實際運用中可將下位機發(fā)送來的數(shù)據(jù)，通過VC和matlab混合編程的程序來完成上位機的數(shù)據(jù)處理，以便減輕下位機的運算量。二、本課題實驗主要測試以下內(nèi)容：1、分別測試控制系統(tǒng)的硬件及軟件工作情況；2、測試檢測機器人控制系統(tǒng)能否滿足檢測要求。三、實驗方法1、分別檢測控制系統(tǒng)的硬件及軟件工作情況； 2、測試檢測機器人的遠程遙控及數(shù)據(jù)采集工作； 3、對檢測機器人是否能夠按正確路線行走進行測試及調(diào)試； 4、對檢測機器人的硬件穩(wěn)定性和抗干擾能力進行測試； 5、模擬現(xiàn)場環(huán)境及檢測要求對檢測機器人性能進行實驗分析。3、項目實施進度安排及預(yù)期目標項目實施進度:

46、2013年10月至2014年3月，進行理論上的研究和技術(shù)準備；2014年4月至2014年12月，進行實物研發(fā)及制作；2015年1月至2015年5月，對原理樣機進行測試與改進；2015年6月至2015年10月，結(jié)題準備，申請鑒定。預(yù)期目標：使得研發(fā)出的工業(yè)檢測機器人技術(shù)達到國內(nèi)先進水平，并且有良好的可操作性、穩(wěn)定性、和易用性、并且爭取到達抗擊各種工業(yè)干擾的水平。4、本項目的特色與創(chuàng)新之處項目涉及到機械、電子、控制、計算機、人工智能、傳感器、通訊與網(wǎng)絡(luò)等多個學科和領(lǐng)域，是多種高新技術(shù)發(fā)展成果的綜合集成。其標準化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的程度高，功能強。本項目包含了無線遠程控制技術(shù)，機器視覺，現(xiàn)代人

47、工智能控制技術(shù)等創(chuàng)新與特色之處，填補了國內(nèi)工業(yè)檢測機器人技術(shù)的空白，能夠使得自主檢測機器人技術(shù)能夠運用到我國工業(yè)生產(chǎn)缺陷檢測中來。三、最終成果形式及成果預(yù)期水平最終成果形式：（1） 、公開的中文核心期刊上發(fā)表2-3篇學術(shù)論文；（2） 、指導(dǎo)碩士研究生2名，本科畢業(yè)生6名；（3） 、提供具有國內(nèi)先進水平檢測機器人原理樣機系統(tǒng)一套，可滿足試驗研究要求；（4） 、確定適宜的設(shè)計資料及實物；（5） 、在條件成熟時，申報國家級專利；（6）、成果預(yù)期水平：達到國內(nèi)先進。四、成果轉(zhuǎn)化措施及社會、經(jīng)濟效益分析（限應(yīng)用型項目填寫）我國近幾年與機器人技術(shù)有關(guān)的產(chǎn)品已經(jīng)不斷出現(xiàn)，并給用戶帶來顯著效益。隨著我國工業(yè)企業(yè)自動化水平的不斷提高，應(yīng)用到機器人技術(shù)的市場也會越來越大，并且逐漸成為自動化生產(chǎn)的主要方式。我國機器人自動化生產(chǎn)裝備的市場剛剛起步，而國內(nèi)裝備制造業(yè)正處于由傳統(tǒng)裝備向先進制造裝備轉(zhuǎn)型的時期，這就給機器人自動化生產(chǎn)技術(shù)研究開發(fā)者帶來巨大商機。據(jù)預(yù)測，目前我國僅汽車行業(yè)、電子和家電行業(yè)、煙草