智能移動機器人控制與感知系統(tǒng)

1、摘要隨著機器人的應用范圍的不斷拓寬，機器人所面臨的工作環(huán)境也 越來越復雜，往往是 未知的、動態(tài)的、非結(jié)構(gòu)化的，所以，要在這 種環(huán)境下實時地完成各種任務，就對機器人的控制提出了新的挑戰(zhàn)。本文的主要工作和創(chuàng)新點包括：對移動機器人的硬件模塊進行了 分析。詳細研究了移動機器人的感知系統(tǒng)，包括超聲波傳感器和視覺 傳感器兩大模塊。移動機器人采用了兩款超聲波傳感器組合使用，用 于探測更為全面的障礙物特征信息。通過對基于行為控制技術(shù)的論 述，設(shè)計了一種用于移動機器人完成多目標任務的基于行為控制系 統(tǒng)。另外機器人采用了 Sony EVI-D31 PTZ 攝像頭，成功地實現(xiàn)了計 算機串口控制，大大的擴展了機器人的

2、視覺功能，可以更多的獲取外 界信息。關(guān)鍵詞：移動機器人、硬件模塊、行為控制。AbstractWith the development of applied range, the work condition faced by robot is more complex, which always is unknown, dynamic and unstructured. So the control of robot t o fulfill a mission in real time under this environment has a new challenge. The ma in

3、work and innovative ideas rmationThe structure of RIRA-Mobile robot is introduced. Furthermore, the driving model and power model are analyzed. The perception system of RIRA-Mobile robot is demonstrated particularly, which includes two models of vision and ultrasonic sensor. RIRA-Mobile

4、robot uses two type s ultrasonic sensors so as to detect the general obstacles addition, Sony EVI-D31 PTZ camera is also used, which can de controlled by computer serials that the vision function of robot is extended greatly to get more environment information. Through exploring the behavior-based c

5、ontrol technology, a behavior-based control system has been designed for mobile robot fulfilling multiple objective missions.KEYWORDS: mobile robot; hardware modules; behavior control.目錄 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark2 o Current Document 第一章 緒論 1 HYPERLINK l bookmark4 o Current Document （一）移動機器人

6、研究現(xiàn)狀1 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 1、移動機器人的控制系統(tǒng)1 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 2、導航方式5 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 3、傳感器及多傳感器融合技術(shù)6（二）移動機器人的關(guān)鍵技術(shù)7 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 基于行為的控制技術(shù)7 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 移動機器人的主動視覺技8（三）研究意義和主要

7、內(nèi)容10 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 章移動機器人的硬件結(jié)構(gòu) 11（一）移動機器人驅(qū)動模塊11 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 1、驅(qū)動模塊的硬件選取 11 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 2、驅(qū)動模塊的控制12（二）移動機器人無線通訊模塊13 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 1、計算機與機器人間的圖像無線通信14 HYPERLINK l bookmark26 o Current Do

8、cument 2、計算機與機器人間的無線數(shù)據(jù)通信14 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document （三）移動機器人控制系統(tǒng)的設(shè)計15 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 1、反應式控制結(jié)構(gòu)15 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 2、移動機器人基于行為的控制系統(tǒng)的原則17 HYPERLINK l bookmark52 o Current Document 3、基于行為的控制系統(tǒng)的行為選擇機制18 HYPERLINK l bookmark54 o Current

9、 Document 第三章移動機器人感知系統(tǒng)研究 19（一）移動機器人的超聲波傳感器感知模塊19 HYPERLINK l bookmark56 o Current Document 1、超聲波傳感器19 HYPERLINK l bookmark58 o Current Document 2、超聲波傳感器的基本原理20 HYPERLINK l bookmark60 o Current Document 3、移動機器人超聲波傳感器的應用20（二）移動機器人的視覺感知模塊23 HYPERLINK l bookmark62 o Current Document 1、視覺系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)24 HYPERL

10、INK l bookmark64 o Current Document 2、視覺系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)27結(jié) 論 32致 謝 34第一章 緒論(一) 移動機器人研究現(xiàn)狀移動機器人的研究始于 20世紀 60 年代末期，目的是研究人工智能技術(shù) 及在復雜環(huán)境下機器人系統(tǒng) 的自主推理和規(guī)劃能力。70 年代末，隨著計算機 技術(shù)和傳感技術(shù)的發(fā)展，世界上一批著名公司開始研究移動機器人平臺，這些移 動機器人平臺主要作為大學實驗室及研究機構(gòu)的移動機器人實驗平臺。近年 來， 自主式移動機器人(Autonomous Mobile Robot)技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學及社 會服務業(yè)等領(lǐng)域顯示了越來越廣泛的應用前景，因而成為國際

11、機器人學術(shù)界研究 的熱點問題。國外移動機器人的發(fā)展比較迅速， 80 年代，美國國防高級研究計劃局(DARPA)，制定了地面天人作戰(zhàn)平臺的戰(zhàn)略計劃。從此，在全世界掀開了全面 研究室外移動機器人的序幕，如DARPA的“戰(zhàn)略 計算機”計劃中的自主地面車 輛(ALV)計劃(1983 1990),能源部制訂的為期10年的機器人和智能系統(tǒng) 計劃(RIPS 19861995),以及后來的空間機器人計劃，日本通產(chǎn)省組織的極 限環(huán)境下作業(yè)的機器 人計劃，歐洲尤里卡中的機器人計劃，還有由美國NASA資 助研制的“丹蒂”八足行走機器人，美 國NASA研制的火星探測機器人索杰 那等。國內(nèi)在移動機器人的研究起步較晚,大

12、多數(shù)研究尚處于某個單項研究階段, 主要的研究工作有：清華大學智能移動機器人于 1994 年通過鑒定；香港城市大 學智能設(shè)計、自動化及制造研究中心的自動導。1、移動機器人的控制系統(tǒng)對于移動機器人的智能控制來講有兩種不同的觀點：一是基于“環(huán)境建模 規(guī)劃控制”的縱向體系觀點,即基于模型的智能控制模擬了人的深思熟慮的行 為；二是基于“感知行動”的橫向體系觀點, 模擬了一種反射行為以及對復 雜環(huán)境的迅速反應和適應能力。移動機器人的控制結(jié)構(gòu)通常有下面幾種：.分級遞階結(jié)構(gòu)：圖1.1所示的分級遞階結(jié)構(gòu)是由Albus提出的1-4, 把各種模塊分成若干層,位于高層的模塊負責復雜的推理、判決,較低的層次用 于與外界

13、的交互。這種體系結(jié)構(gòu)遵循“感知思維行動”的基本規(guī)律,層次向 上智能增加,精度降低,層次向下,智能降低,精度增加,較好地解決了智能和 控制精度的問題。其缺點是反應性差,雖然低層有一定的實時處理能力,但僅限 于局部的非智能 反應,失去了高度智能性的實時反應能力, 另外,由于各模塊 串行連接,其中任何一個模塊的故障直接影響整個系統(tǒng)的功能。圖 1.1 分級遞階結(jié)構(gòu).包容結(jié)構(gòu)：包容式體系結(jié)構(gòu)是美國 MIT 的 R.Brooks 提出的5，采用 “感知動作”結(jié)構(gòu)（圖 1.2），也稱基于行為的結(jié)構(gòu)。包容式體系結(jié)構(gòu)在處理 動態(tài)環(huán)境中不確定和模仿動物的低級反射行為方面具有很多優(yōu)點，適合快速的反 射性行為，如移動

14、機器人的目標識別與路徑規(guī)劃，漫游與避障等。但是它 強調(diào) 單元的獨立、并行工作，缺少全局的指導和協(xié)調(diào)。圖 1.2 包容結(jié)構(gòu)3. 組織協(xié)調(diào)執(zhí)行結(jié)構(gòu)：這種結(jié)構(gòu)是由 Saridis 等人提出來的 （圖 1.3）圖 1.3 組織協(xié)調(diào)執(zhí)行結(jié)構(gòu)4.反應式結(jié)構(gòu)：即根據(jù)移動機器人的行為功能構(gòu)造控制體系結(jié)構(gòu)(圖 1.4)。圖 1.4 反應式機器人控制結(jié)構(gòu)它將機器人行為的感知、規(guī)劃、任務執(zhí)行等過程封裝成一個行為模塊，例如 將機器人的行為分為停車、跟蹤、漫游、避障等行為功能模塊，每一行為實現(xiàn)傳 感器信息與機器人動作間的一種映射。某一時刻，只有一種行為控制車體。反應 式從下向上的方法改變了機器人的控制策略，它是在小狀態(tài)

15、下搜索一系列的可編 程的條件動作對。純粹的反應式系統(tǒng)不使用任何的環(huán)境信息內(nèi)部描述，不執(zhí) 行任何的規(guī)劃，機器人只是對傳感器的信息直接進行反應，從而產(chǎn)生動作。這種 控制方法是基于“刺激-反應 (stimulus-response)的原理。這樣就使機器 人能夠快速地對時變的、非人為構(gòu)造的環(huán)境進行反應。5.混合式結(jié)構(gòu)可分為：漫游層、趨向總目標層、規(guī)劃層或趨向子目標層、 應急避障層和解死鎖層，從下到上的各層中，越是高層，優(yōu)先級越高，各層具體 功能如下：漫游層：低優(yōu)先級層，在無任務情況下，機器人根據(jù)傳感器選擇無障礙物方 向隨機動作。目的是在多機器人環(huán)境下，暫時無任務的機器人同樣需要保持清醒 的意識和一定的

16、機動性，避免沖突。趨向總目標層：機器人通過通訊方式得到任務，比如一個最終目的地，機器 人在本層內(nèi)不斷比較當前位置和目標位置，產(chǎn)生并輸出一個指向目標位置的下一 步動作。如果本層有輸出，則表明機器人有新 的任務，停止漫游活動，開始趨 向目標運動。規(guī)劃層：本層又叫子目標層，主要任務是機器人利用超聲波傳感器、已有地 圖及通訊方式得到較遠處的環(huán)境信息，使機器人有足夠的時間對環(huán)境做出推理判 斷，對路徑做出階段性規(guī)劃。規(guī)劃結(jié)果以子目標的形式輸出。應急避障層：機器人在運動過程中，如果紅外線傳感器測得避障區(qū)有障礙物 存在，則機器人暫時停止趨向子目標運動，實施應急避障行為，之后重新規(guī)劃子 目標。解死鎖層：沒有一種

17、算法既具有良好的避障行為，又可以排除所有的死鎖行 為，本算法也不例外。 因此，本層的作用是判斷機器人是否進入死鎖狀態(tài)，如 果是，采用 Follow-wall 行為，逃離死鎖狀態(tài)。系統(tǒng)死鎖判斷方法：一是系統(tǒng) 在 Time 時間段內(nèi)速度為 0，二是機器人運動方向與機器人當前目標（總目標或 子目標）方向夾角大于 906。遞階結(jié)構(gòu)，美國國家標準局小85）制造工程中心自動制造研究實驗室提出的NBS 分級感覺與控制結(jié)構(gòu)和融合控制結(jié)構(gòu)。隨著機器人控制技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)“具有開放式結(jié)構(gòu)的模塊化、標準化機器 人控制結(jié)構(gòu)”是當前機 器人控制結(jié)構(gòu)的一個發(fā)展方向。近幾年，日本、美國和 歐洲一些國家都在開發(fā)具有開放式結(jié)構(gòu)

18、的機器人 控制器，如日本安川公司基于 PC開發(fā)的具有開放式結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡功能的機器人控制結(jié)構(gòu)。我國863計劃智能機 器人主題也已對這方面的研究立項。新型的機器人控制器應有以下特色：（1）開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用開放式軟 件、硬件結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)需要方便的擴充功能，使其適用于不同類型機器人或機 器人化自動生產(chǎn)線。（2）合理的模塊化設(shè)計對硬件來說，根據(jù)系統(tǒng)要求和電氣 特性，按模塊化設(shè)計，這不僅方便安裝和維護，而且提高了系統(tǒng)的可靠性， 系 統(tǒng)結(jié)構(gòu)也更為緊湊。（3）有效的任務劃分，不同的子任務由不同的功能模塊實 現(xiàn)，以利于修改、添加、配置功能。（4）實時性、多任務，要求機器人控制器 必須能在確定的時間內(nèi)完成對外

19、部中斷的處理，并且可以使多個任務同時進行。（5）網(wǎng)絡通訊功能，利用網(wǎng)絡通訊的功能，以便于實現(xiàn)資源共享或多臺機器人 協(xié)同工作。（6）形象直觀的人機接口。2、導航方式移動機器人的導航方式可分為：基于環(huán)境信息的地圖模型匹配導航、基于各 種導航信號- 5 -的陸標導航、 視覺導航和味覺導航等。環(huán)境地圖模型匹配導航7是機器人通過自身的各種傳感器，探測周圍環(huán)境， 利用感知到的局部環(huán)境信息進行局部地圖構(gòu)造，并與其內(nèi)部事先存儲的完整地圖 進行匹配。如兩模型相互匹配，機器人可確定自身的位置，并根據(jù)預先規(guī)劃的一 條全局路線，采用路徑跟蹤和避障技術(shù)，實現(xiàn)導航。它涉及環(huán)境地圖模型建造和 模型匹配兩大問題。陸標導航是事

20、先將環(huán)境中的一些特殊景物作為陸標，機器人在知道這些陸標 在環(huán)境中的坐標、形狀等特征的前提下，通過對陸標的探測來確定自身的位置。 同時將全局路線分解成為陸標與陸標間的片段，不斷地對陸標探測來完成導航。 根據(jù)陸標的不同，可分為人工陸標導航和自然陸標導航。人工陸標導航是機器人 通過對人為放置的特殊標志的識別實現(xiàn)導航，雖然比較容易實現(xiàn)，但它人為地改 變了機器人工作的環(huán)境。自然陸標導航不改變工作環(huán)境，是機器人通過對工作環(huán) 境中的自然特征的識別完成導航，但陸標探測的穩(wěn)定性和魯棒性是研究的主要問 題8。視覺導航主要完成障礙物和陸標的探測及識別。Trahanias9利用視覺探測陸 標來完成機器人導航。其中陸標

21、不是事先定義的人工陸標，而是在學習階段自動 抽取的自然陸標。視覺導航中邊緣銳化、特征提取等圖像處理方法計算量大，實時性差始終是一個瓶頸問題。解決該問題 的關(guān)鍵在于設(shè)計一種快速的圖像處理方法。Stanley10提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡的 機器人視覺導航技術(shù)。該技術(shù)中估算逆雅可比矩陣是 基于視覺導航的一個關(guān)鍵 問題。它將圖像特征的變化與機器人的位置變化對應起來，通過神經(jīng)網(wǎng)絡訓練 來 近似特征雅可比矩陣的逆陣。該技術(shù)，通過提取幾何特征、平均壓縮、向量量化 和主成分提取來簡化圖像處理，實現(xiàn)實時視覺導航。味覺導航11,12。是通過機器人配備的化學傳感器感知氣味的濃度，根據(jù) 氣味的濃度和氣流的方向來控制機器人的

22、運動。由于氣味傳感器具有靈敏度高、 機器視覺技術(shù)的優(yōu)越性響應速度快以及魯棒性好等優(yōu)點，近年來許多研究人員在 氣味導航技術(shù)上做了許多研究工作。但該項技術(shù)能夠真正應用到實際環(huán)境中的卻 很少，仍處于試驗研究階段。Figaro Engineering lnc.公司研制的氧化錫氣味 傳感器，被廣泛用于氣味導航試驗。石英晶體微平衡氣味傳感器、導電聚合物氣 味傳感器和一種模仿哺乳動物鼻子功能的電子鼻等用于移動機器人味覺導航的 傳感器都處于試驗階段。目前的味覺導航試驗多采用將機器人起始點和目標點之 間用特殊的化學藥品，如酒精和樟腦九等，引導出一條無碰氣味路徑，機器人根 據(jù)不同的道路跟蹤算法，用氣味傳感器感知氣

23、味的濃談和氣味源的方向進行機器 人導航試驗。味覺導航的研究具有很好的研究價值，該種移動機器人可用來尋找 化學藥品泄露源。3、傳感器及多傳感器融合技術(shù)傳感技術(shù)自 80 年代以來獲得了迅猛的發(fā)展，它已經(jīng)越來越多的被應用于各 種監(jiān)測系統(tǒng)。移動機器人的傳感技術(shù)用于對車體自身及外部環(huán)境信息的檢測和處 理。移動機器人所用傳感器主要分為兩類內(nèi)傳感器和外傳感器。（1）內(nèi)傳 感器：用于測定機器人自身的參數(shù)位置和方向。常用的有計程儀、差分計程儀、 磁羅盤和陀螺羅盤等。（2）外傳感器：用于檢測和處理外部環(huán)境信息。其中， 用于移動機器人測距的外傳感器通常為非接觸型傳感器，包括聲學、 光學和電 磁波三類。目前常采用超聲

24、、激光、視覺等傳感器。超聲傳感器的優(yōu)點是硬件結(jié) 構(gòu)簡單，價格低廉，容易操作；缺點是速度慢，存在較大的波束角，且對光滑表 面存在鏡面反射。激光傳感器的優(yōu)點是發(fā)散小或沒有發(fā)散，并對大多數(shù)物體無鏡 面反射現(xiàn)象，缺點是存在潛在的安全問題（首先是人眼安全 問題），且不適用 于透明物質(zhì)。視覺傳感器通常采用 CCD 敏感元件，優(yōu)點是獲取信息量大，缺點 是計算 復雜，對環(huán)境光線有一定要求。另外，移動機器人上還有觸覺、壓覺、 滑覺等接觸型傳感器。移動機器人所用傳感器主要分為兩類內(nèi)傳感器和外傳感器。（1）內(nèi)傳 感器：用于測定機器人自身的參數(shù)位置和方向。常用的有計程儀、差分計程 儀、磁羅盤和陀螺羅盤等。（2）外傳感

25、器：用于檢測和處理外部環(huán)境信息。其 中，用于移動機器人測距的外傳感器通常為非接觸型傳感器，包括聲學、 光學 和電磁波三類。目前常采用超聲、激光、視覺等傳感器。超聲傳感器的優(yōu)點是硬 件結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，容易操作；缺點是速度慢，存在較大的波束角，且對光 滑表面存在鏡面反射。激光傳感器的優(yōu)點是發(fā)散小或沒有發(fā)散，并對大多數(shù)物體 無鏡面反射現(xiàn)象，缺點是存在潛在的安全問題（首先是人眼安全問題），且不適 用于透明物質(zhì)。視覺傳感器通常采用 CCD 敏感元件，優(yōu)點是獲取信息量大，缺 點是計算復雜，對環(huán)境光線有一定要求。另外，移動機器人上還有觸覺、壓覺、 滑覺等接觸型傳感器。多傳感器信息融合技術(shù)是指將經(jīng)過集成處

26、理的多傳感器信息進行合成，形成 對外部環(huán)境某一特征的一種表達方式。在未知環(huán)境中，信息的表現(xiàn)形式是多種多 樣的，信息容量以及對處理速度的要求已大大超出人腦的信息綜合處理能力，信 息融合這一嶄新的數(shù)據(jù)處理技術(shù)便應運而生。經(jīng)過融合的信息具有冗余性、互補 性、實時性和低成本性。多傳感器信息融合基本原理和出發(fā)點就是充分利用多個 傳感器的資源，通過對這些傳感器及其觀測信息的合理支配和使用，把多個傳感 器在空間和時間上的冗余或互補信息，依據(jù)某種準則進行組合，以獲得被測對象 的一致性解釋或描述，使該系統(tǒng)由此獲得比它的各組成部分更優(yōu)異的性能和更可 靠的決策?？梢宰C明：應用優(yōu)理論融合來自多個傳感器的信息總能得到比

27、單個傳 感器信息更好的對象狀態(tài)估計。用于移動機器人的多傳感器信息融合方法的研究 從本世紀 80 年代中期開始起步，至今已有 10 余年的歷史。由于移動機器人應 用領(lǐng)域很廣，因此確定多傳感器信息融合的通用方法很難。融合的常用方法 有： 加權(quán)平均法、貝葉斯估計、卡爾曼濾波、統(tǒng)計決策理論、DS證據(jù)推理、神經(jīng) 網(wǎng)絡和模糊推理法以及帶置信因子的產(chǎn)生式規(guī)則。其中加權(quán)平均法是最簡單也最 直觀的方法，一般用于對動態(tài)低水平的數(shù)據(jù)進行處理，但結(jié)果不是統(tǒng)計上的最優(yōu) 估計；貝葉斯估計是融合靜態(tài)環(huán)境中多傳感器低層數(shù)據(jù)的常用方法，適用于具有 高斯白噪聲的不確定性傳感信息融合；對于系統(tǒng)噪聲和觀測噪聲為高斯白噪聲的 線性系統(tǒng)

28、模型用卡爾曼濾波（KF）來融合動態(tài)低層次冗余傳感信息，對于非線性系 統(tǒng)模型采用擴展卡爾曼濾波（EKF）或者分散卡爾曼濾波（DKF）；統(tǒng)計決策理論用 于融合多個傳感器的同一種數(shù)據(jù)，常用于圖像觀測數(shù)據(jù)；DS證據(jù)推理是貝葉 斯估計法的擴展，它將局部成立的前提與全局成立的前提分離開來，以處理前提 條件不完整的信息融合；基于神經(jīng)網(wǎng)絡法根據(jù)系統(tǒng)要求和融合形式，選擇網(wǎng)絡拓 撲結(jié)構(gòu)，通過網(wǎng)絡學習確定網(wǎng)絡連接權(quán)值，對各傳感器的輸入信息進行融合。系 統(tǒng)具有很強的容錯性和魯棒性；模糊推理法首先對多傳感器輸出進行模糊化，將 所測得的距離等信息分級，表示成相應的模糊子集，并確定模 糊子集的隸屬度 函數(shù)，通過融合算法對隸

29、屬度函數(shù)綜合處理，再將模糊融合結(jié)果清晰化，求出融 合值；帶置信因子的產(chǎn)生式規(guī)則主要用于符號水平層表達傳感器信息，結(jié)合專家 系統(tǒng)對多傳感信息進行融合。迄今為止,許多研究人員對信息融合技術(shù)的研究做 出了很大的貢獻。鄔永革13等對多傳感器信息融合的概念、方法及實現(xiàn)等問題 作了探討。SHouzelle和G Giraudon14提出了要從多傳感器融合信息中獲取 更多潛在的優(yōu)勢，必須對增長的數(shù)據(jù)流、知識模型和推理決策進行控制，同時通 過使用香農(nóng)（Shannon）信息理論提出了各種傳感器之間的冗余性及互補性的定 量測量。J K Hackett和M Shah15將多傳感器信息融合的應用分為六大類， 即場景分割

30、、表達、3-D形狀、傳感器建模、自主機器人和目標識別。袁軍等也 對多傳感器信息融合的方法進行了歸納，同時也回顧了融合中的控制結(jié)構(gòu)、傳感 器選擇及環(huán)境建模等問題。多傳感器融合技術(shù)在自主車導航中的作用越來越受到重視。如 Hilare 移動 機器人將觸覺、聽覺、 兩維視覺、激光測距等傳感器結(jié)合起來，使之能在未知 環(huán)境中操作。Stanford移動機器人將觸覺、立體視覺和超聲波傳感器用于非結(jié) 構(gòu)化人為環(huán)境中的機器人導航。Carnegie-Mellon機器人中心研制的CMU自主 陸地車具有彩色 TV 攝像機、激光測距儀和聲納傳感器。（二） 移動機器人的關(guān)鍵技術(shù)1、基于行為的控制技術(shù)基于行為控制方法是反應式

31、系統(tǒng)的擴展，它介于純粹的反應式和極端的慎 思型之間。在文獻中基于行為方法和反應式方法常常被混淆，盡管兩者在內(nèi)部狀 態(tài)上沒有本質(zhì)的不同，但是基于行為策略要比純粹的反應式方法優(yōu)越的多.“基于行為機器人（BBR）建立了人工智能、工程和認知科學之間的橋梁。 基于行為的方法是設(shè)計自主智能體和機器人的方法論，是智能體結(jié)構(gòu)的一種形 式。正是這種結(jié)構(gòu)提供了框架并且施加了某些約束，從而使機器人的控制問題得 以解決?；谛袨榈姆椒ㄕ摾昧艘环N普遍的、生物學上的靈感，從下而上的哲 學體系，并且允許了在解釋、描述上的一定的自由?；谛袨榈姆椒ㄕ摰哪繕司?是發(fā)展控制智能系統(tǒng)（通常是指機器人系統(tǒng)，也包括一些仿真機器人和其

32、他的自 主的軟件智能體）的方法，使用機器人來構(gòu)造模型從而更好的理解生物系統(tǒng)（通常是指動物，從昆蟲到人類)?！爆F(xiàn)有的移動機器人存在的主要問題是缺乏靈活性和自主性，大多數(shù)機器人只 能在預先定義的地圖中或者是高度結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中執(zhí)行預先規(guī)定的動作。在陌生 的環(huán)境下，機器人不能很好的完成任務，主要原因在于對環(huán)境情況的預先知識的 了解是不全面的、不確定的和近似的；由于傳感器自身的限制， 感知信息存在 不同程度的不確定性，直接使用感知信息很難得到準確的環(huán)境模型；控制作用并 非完全可靠，如出現(xiàn)打滑等，基于行為的控制結(jié)構(gòu)解決了這些問題，使機器人能 夠克服環(huán)境的不確定性，可靠的完成復雜任務，且效率高、魯棒性好。對

33、于移動機器人的自主導航來說，所具備的行為包括緊急行為、避障行為、 任務行為(包括障礙物 識別及環(huán)境探索)，每種行為有不同的優(yōu)先級，其中緊 急行為優(yōu)先級最高，避障行為次之，任務行為優(yōu)先級最低，整個體系結(jié)構(gòu)如圖 1.6 所示圖 1.6 基于行為的控制結(jié)構(gòu)2、 移動機器人的主動視覺技主動視覺的定義:主動視覺(Active Vision)是當今計算機視覺和機器視覺 研究領(lǐng)域中的一個熱門課題。主動視覺強調(diào)的是視覺系統(tǒng)與其所處環(huán)境之間的交 互作用能力。具體地說，主動視覺系統(tǒng)應具有根據(jù)自己在當前環(huán)境中所處的狀態(tài), 如幾何位置、姿態(tài)，攝像機的成像光學條件等,調(diào)整自身各部分的狀態(tài)參數(shù),使其 能夠達到一個佳成像狀

34、態(tài)，從而使系統(tǒng)能夠方便地完成特定的視覺任務,如動態(tài) 地跟蹤 物體的運動。由此可見，主動視覺系統(tǒng)就是能夠支持主動視覺功能的實 驗演示系統(tǒng)，又稱為圖像采集平臺(multi-DOF image grab platform)。通過視覺 信息進行導航控制是隨著計算設(shè)備運算速度和存儲容量 的快速發(fā)展、圖像技術(shù) 的進步而提出來的。視覺系統(tǒng)在導航中主要起到環(huán)境探測和辨識的作用。環(huán)境的 探測包括障礙探測和陸標探測，而辨識主要是路標和目標物體的識別。其目的是 為移動機器人提供相關(guān) 的環(huán)境信息如障礙物相對機器人的位置信息，機器人在 全局坐標下的位置信息，甚至運動物體的速度、 方向、距離信息，以及目標的 分類等。視覺

35、導航的優(yōu)點在于其探測的范圍廣，取得的信息豐富，其難點 在于 機器人導航使用的視頻圖像信號數(shù)據(jù)量很大，要求較高的實時數(shù)據(jù)處理能力，同 時從圖像中提取對導航有價值的信息也是一個富有挑戰(zhàn)性的工作。視覺系統(tǒng)的組成機器人視覺系統(tǒng)從功能上看可分成圖1.7所示三部分。其中攝像頭的作用是 攝取環(huán)境中的情況，產(chǎn)生連續(xù)幀(或場)的視頻圖像。這些視頻圖像通過A/D轉(zhuǎn)換， 生成相應的數(shù)字圖像，然后再由圖像識別算法對這些數(shù)字圖像進行辨識，得到所 需數(shù)據(jù)。機器人視覺系統(tǒng)就其實現(xiàn)方案而言，可分為三類27：第一類是所謂的軟件 法，該法是指圖中的A/D功能由專門的圖像采集卡實現(xiàn)，而圖像識別算法則由裝 入主計算機的程序完成。因為

36、單純實現(xiàn)A/D功能的圖像采集卡結(jié)構(gòu)簡單，通用性 強，在市場上較普遍，而在PC機上開發(fā)軟件算法也較方便，因此軟件法是比較容 易實現(xiàn)的方法。但是由于主機要完成大量的數(shù)字圖像信息的處理，工作量很大， 所以實時處理的速度是此類方法的開發(fā)重點和難點；第二類是硬件法，它將圖中 A/D和圖像識別算法固化在一塊數(shù)據(jù)采集處理板上，圖像采集板完成圖像的數(shù)字 化轉(zhuǎn)換、圖像壓縮、分析和處理的功能，向主機傳送圖像處理后的結(jié)果。由于大 量的圖像處理、分析動作都由圖像采集板完成，減輕了主機的負擔，是提高系統(tǒng) 的實時處理速度的有利手段。由于問題的具體性,采用此法需獨立開發(fā)出一塊數(shù) 據(jù)采集板，所以通用性不強，設(shè)計周期長，成本高

37、；第三類是軟、硬件結(jié)合法， 在這種方法中，數(shù)據(jù)采集處理板可實現(xiàn)A/D功能和部分簡單但量大的圖像辨識任 務，然后將中間辨識結(jié)果傳給計算機，在計算機上完成剩余的量小但復雜的辨識 計算任務。這種方式下，圖像的通用性強，開發(fā)周期短。顯然采用軟硬件結(jié)合法， 要比采用硬件法開發(fā)數(shù)據(jù)采集處理板的難度小，但是該方法所需的采集卡價格 貴，費用也較高。視覺系統(tǒng)的工作原理：無論采用哪種方式，機器人視覺子系統(tǒng)一般都具 有如下的功能模塊：圖像采集、圖像分割、目標識別和目標跟蹤。(a)圖像采集、通過攝像頭將環(huán)境中的現(xiàn)實情況采集到計算機內(nèi)存，供視覺處理軟件分析。 主要用攝像頭、圖像采集卡等硬件設(shè)備來完成。(b)圖像分割也就

38、是圖像的二值化，是將彩色圖像中各像素區(qū)分成不同對象的子類。經(jīng)過 像素分類處理后，彩色圖像變?yōu)槎祱D像(感興趣的目標點為1或255，背景點為 0，也可以根據(jù)算法實現(xiàn)的需要設(shè)置其它值)。在二值圖中，分離出各個獨立的 目標區(qū)域。圖像分割是在顏色分割的基礎(chǔ)上進行的，對圖像進行顏色分割后，就 可以獲得多個二值化圖像結(jié)果，這些二值化圖像實際上是從同一幅圖像中獲得 的。因此，對于多目標圖像處理需要獲得多重二值化圖像結(jié)果。這樣就完成了多 目標的分割。(c)目標識別此模塊是通過獨立目標區(qū)域的特征量來確定目標特性，如通過目標矩心、目 標周長、面積和方向等，最終確定出目標的中心位置和運動方向，為決策子系統(tǒng) 提供信息

39、。目標識別的過程是計算機認識圖像的過程。就機器人視覺系統(tǒng)來說， 它對機器人視覺系統(tǒng)的實時性影響最大，是系統(tǒng)的研究重點和難點，同時也是目 前廣大學者研究的熱點，提出了許多算法。(d)目標跟蹤在機器人小車運動的同時，視覺子系統(tǒng)連續(xù)攝取環(huán)境中的一幀一幀的彩色圖像， 及時處理幀圖像，使機器人小車能夠進行連續(xù)的運動。在機器人視覺系統(tǒng)中搜索 目標的方法有兩種：一種實現(xiàn)方法是對所采集的每一幀圖像進行全幀識別處理； 另一實現(xiàn)方法是利用上幀所識別出來的目標信息，根據(jù)它的速度及運動方向，對 它在下幀中的大致位置進行預測估計，從而只需在一幀圖像的局部區(qū)域進行搜索 和識別。處理，這一方法便是實際的目標跟蹤。目標跟蹤大

40、大地減少了系統(tǒng)處理 的數(shù)據(jù)量，從而很容易實現(xiàn)實時性要求，也可以提供較多的時間進行其它處理。(三)研究意義和主要內(nèi)容近幾十年來，機器人技術(shù)不斷得到發(fā)展，其應用領(lǐng)域也越來越廣泛，尤其是 在軍事、月球探索、服務等領(lǐng)域愈發(fā)得到了更加重要的應用。但是在不斷提高機 器人智能化的同時，它所面臨的環(huán)境也開始變得越來越復雜，往往是未知的、動 態(tài)變化的，機器人要完成的任務也越來越復雜。所以就要求機器人必須有一個更 好的體系結(jié)構(gòu)，從而能更好的代替人類的勞動、工作。本文對移動機器人的行為控制較為系統(tǒng)的研究，提出了基于行為的模糊控制 技術(shù)方法。本文的主要工作和創(chuàng)新點包括：第一部分詳細論述了移動機器人及其控制技術(shù)的現(xiàn)狀，

41、對當前的國內(nèi)外移動 機器人的發(fā)展進行了分析和展望。第二部分對自行研制開發(fā)的RIRA移動機器人進行了闡述，并對RIRA移 動機器人的硬件模塊進行了詳細分析。第三部分進行了 RIRA型移動機器人的感知系統(tǒng)的設(shè)計，包括超聲波傳感 器和視覺傳感器兩大部分。RIRA移動機器人采用了多路超聲波傳感器組合，還 使用了兩款可測距超聲波傳感器，用于探測不同距離的障礙物，保證對外界環(huán)境 的盡可能多的檢測。另外RIRA移動機器人采用了 Sony EVI D3-PTZ攝像頭， 成功地實現(xiàn)了計算機串口控制，大大的擴展了機器人的視覺功能，可以更多的獲 取外界信息。第二章 移動機器人的硬件結(jié)構(gòu)（一） 移動機器人驅(qū)動模塊（1

42、）調(diào)速范圍寬廣，伺服電機的轉(zhuǎn)速隨著控制電壓改變，能在寬廣的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)；1、驅(qū)動模塊的硬件選取硬件的選取根據(jù)實際環(huán)境的需要，RIRAII移動機器人的驅(qū)動部件選取的是交流伺服電 機，交流伺服電機選用日本松下電機，它的額定功率為 0.75kW，額定轉(zhuǎn)矩為 2.4Nm，最高轉(zhuǎn)速為4500rpm，額定轉(zhuǎn)速為3000rpm，選用的編碼器是增量式編 碼器。這種電機有三種控制模式：位置控制模式、速度控制模式和轉(zhuǎn)矩控制模 式。 運動控制的原理：由運動控制模塊發(fā)出控制信號，如脈沖信號和模擬電壓量等， 這兩種控制信號分別對應位置控制模式和速度控制模式，伺服電機在相應的模式 下接收到控制信號，于是便能按照預定的方

43、式運動。在位置控制模式下，根據(jù)輸 入電機的脈沖頻率，控制驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速，隨著控制頻率的增大，位置控制模式的 線性度略有下降，這是由于累積誤差引起的。因此，移動機器人的運動控制，一 般不采用位置控制方式，而選用速度控制模式。交流伺服電機工作原理伺服電機在控制系統(tǒng)中用作執(zhí)行元件，將電信號轉(zhuǎn)換為軸上的轉(zhuǎn)角或轉(zhuǎn)速， 以驅(qū)動控制對象。伺服電機有交流和直流兩種，它們的最大特點是可控。在有控 制信號輸入時，伺服電機就轉(zhuǎn)動；沒有控制信 號輸入時，則停止轉(zhuǎn)動；改變控 制電壓的大小和相位（或極性）就可以改變伺服電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，它是控制系 統(tǒng)中的原動機。伺服電機控制方法有三種：幅值控制；相位控制；幅值- 相位控制。

44、生產(chǎn)中多用幅值控制。交流伺服電機與普通電機相比具有如下特點： （1） 調(diào)速范圍寬廣，伺服電機的轉(zhuǎn)速隨著控制電壓改變，能在寬廣的范圍內(nèi)連 續(xù)調(diào)；轉(zhuǎn)子的慣性小，能實現(xiàn)迅速的啟動，轉(zhuǎn)動；控制功率小，過載能力強，可靠性好。由于伺服電機的特點，它的應用非常廣泛。例如，雷達系統(tǒng)中掃描天線的旋 轉(zhuǎn)，流量和溫度控制中閥門的開啟。另外，數(shù)控機床中刀具運動、艦船方向舵和 機器人的驅(qū)動都是采用伺服電機來完成的。2、驅(qū)動模塊的控制本研究主要采用單片機來控制驅(qū)動模塊，單片機以其體積小、價格低、抗干 擾性好等特點，在現(xiàn)代控制系統(tǒng)中常用在操作現(xiàn)場進行數(shù)據(jù)采集，以及實現(xiàn)現(xiàn)場 控制。其程序流程圖如圖 2.1所示。圖 2.1 電

45、機動作流程圖單片機輸入的脈沖信號通過 D/A 轉(zhuǎn)換，把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，電機 的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向主要是通過電壓的變化來控制的，電機需要的電壓范圍為-10V +10V,其速度控制圖，如圖2.2示，陰影的部分表示斜率可以變化的范圍，通 過調(diào)節(jié)伺服控制器的參數(shù)可以調(diào)節(jié)斜率，速度的正軸代表正轉(zhuǎn)，負軸代表負轉(zhuǎn)。 交流伺服電機控制器有五種模式選項，包括：監(jiān)視器模式、參數(shù)設(shè)定模式、EEPROM 寫入模式、自動增益調(diào)整模式、輔助模式。在交流伺服電機運轉(zhuǎn)之前，還需要對 控制器的參數(shù)進行設(shè)置，選擇控制器的參數(shù)設(shè)定模式，對其參數(shù)進行設(shè)置，其參 數(shù)設(shè)置如表 2.2所示，調(diào)節(jié)表 2.1 參數(shù)也可以改變電機的轉(zhuǎn)速和方向。

46、在交流伺服電機運行的時候，選擇控制器的監(jiān)視器模式以監(jiān)視電機的轉(zhuǎn)速，確保電機的 轉(zhuǎn)速與指令給定的一致。移動機器人運動方式為履帶式車輛運動方式，即左邊兩個輪子的轉(zhuǎn)速一致， 右邊兩個輪子的轉(zhuǎn)速一致。因此該移動機器人可簡化成以前后輪中心線為軸線的 兩輪移動平臺?？梢酝ㄟ^控制左右輪的速度來控制移動機器人作相應的動作。移 動機器人的動作主要包括前進、后退、前進左拐、前進右拐、后退左拐、后退右 拐、停止等動作。圖 2.2 速度控制示意圖表2.1伺服電機參數(shù)設(shè)置參數(shù)號參數(shù)描述值Pr02控制方式選擇1Pr04驅(qū)動禁止輸入無效1Pr06零速箱位輸入選擇1Pr50速度指令輸入增益按需要設(shè)定Pr51速度指令輸入取反P

47、r58加速度時間設(shè)定Pr59減速度時間設(shè)定Pr5AS形加速，減速時間設(shè)定（二）移動機器人無線通訊模塊如何提高自主式移動機器人對各種傳感器信息的處理能力是一個關(guān)鍵技術(shù) 問題。在移動機器人自身負重能力有限的情況下，通過無線通信方式，借助外部 計算機處理傳感器信息成為一種可行方案在輪式移動機器人控制平臺上，成功地 實現(xiàn)了自主式移動機器人的無線控制。無線通訊模塊的功能主要有：圖像的無線傳輸和數(shù)據(jù)的無線傳輸。1、計算機與機器人間的圖像無線通信圖像的無線傳輸采用了 1K1200SR 無線影音發(fā)射器和接受器。攝像頭連接 發(fā)射器，位于移動機器人的車體之上；接收器放位于上位機(圖像處理計算機) 處，和彩色數(shù)字圖

48、像采集卡連接，傳輸距離可達百米。2、計算機與機器人間的無線數(shù)據(jù)通信考慮到移動機器人的特點，無線通信是較為理想的通信方式。試驗中，無線 收發(fā)模塊采用TX315A全晶振式射頻無線收發(fā)模塊，模塊由TX315A T01發(fā)射 組件和TX315A-R01接受組件兩部分組成。該無線收發(fā)模塊主要有以下特性： (1)體積小，發(fā)射和接受模塊均為12*22*32mm0(2)其頻率絕對一致，故在 使用的時候可隨意增加發(fā)射和接受組件，以組成所需要的功能系統(tǒng)。(3)發(fā)射 模塊的輸入信號可以使用 VD5026，PT2262，HT12E 等等編碼器，或是 PIC16， Z80, 51系列的單片機，電路含有一只47KQ的限流電

49、阻，信號可以直接由芯片 輸出，傳輸速率為0.6K-4.8K, 10K0(4)接受模塊內(nèi)含有一整 套超外差晶振 接受和數(shù)據(jù)處理電路，輸出可直接傳給 VD5027，PT2272，HT12D 譯碼器或 PIV16，Z80， 51 單片機。發(fā)射模塊與主機的連接見圖 2.3，接收模塊與單片機 的連接見圖 2.6。圖 2.3 發(fā)射模塊與計算機的連接圖計算機與單片機 8951 間的無線通信試驗中,發(fā)射和接受兩個模塊用于計算 機串口與單片機 8951 之間進行無線通信。單片機 8951 支持串口通信功能, 性價比高,是計算機控制機器人的理想中介。TX315-T01模塊與計算機串口的連 接中,由于模塊不支持 T

50、TL 電平,計算機串口的 TXD 線需要經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換后與 發(fā)射模塊的信號輸入端相連。接受模塊與單片機 8951 的連接如圖 2.4 所示, 無線接受模塊的信號端與單片機的 RXD 連接。單片機 8951 可直接通過一個引 腳的高低電平將無線收發(fā)模塊置于始終發(fā)射或接收狀態(tài)。由于試驗中計算機采用 的是Visual Basic 6.0的開發(fā)環(huán)境，可通過設(shè)置Mscomm控件的屬性來實現(xiàn)計 算機串口對無線收發(fā)模塊收發(fā)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的控制。計算機與單片機的通信速率約定 為9600bs，為了獲得精確的波特率,8951選用11.0592MHz的晶振。所對應的單 片機接受程序，部分如下：GET:CLR RINOPNO

51、PG1：JBCRI,G10AGMP GIG10：MOVA,SBUFMOV 30HALCALL DISPLAYSJMP GET單RXD無線片接受機模塊+ 5VT-L GND圖 2.4 接收模塊與單片機的連接圖機器人無線控制是基于上述計算機與單片機之間的無線通信而實現(xiàn)的，設(shè)計 機器人無線通訊的總體框架如圖 2.5所示。圖 2.5 機器人的無線通訊模塊示意圖（三） 移動機器人控制系統(tǒng)的設(shè)計1、反應式控制結(jié)構(gòu)隨著人們對于移動機器人的性能的要求不斷提高，例如要求其能夠在復雜的 區(qū)域中（如在真實環(huán)境 中）進行有目的的自主移動，這樣就需要在它們的控制 系統(tǒng)中具有一定的實時反應能力，針對這種情況， MIT 的

52、 Brooks 等人提出了 一種被稱為包容系統(tǒng)(Subsumption)的反應控制結(jié)構(gòu)，反應結(jié)構(gòu)目前已經(jīng) 得到 了很大的發(fā)展，各國研究人員提出了各種控制系統(tǒng)，反應結(jié)構(gòu)目前已經(jīng)廣泛的應 用于機器人控制系統(tǒng)。反應式控制結(jié)構(gòu)是把復雜的任務分解成很多簡單的可以并發(fā)執(zhí)行的行為，這 些行為直接將傳感器和 驅(qū)動器耦合在一起，對傳感器的輸入實時的做出反應， 給驅(qū)動器發(fā)出控制命令，從而實現(xiàn)了實時控制， 因此這種結(jié)構(gòu)也被稱為基于行 為的控制結(jié)構(gòu)(Behavior-Based Control Architecture)。多個行為相互松耦合構(gòu)成 層次模型，它們通過相互競爭與仲裁，產(chǎn)生抑制和激活信息來協(xié)調(diào)彼此的行為，

53、因此外部觀察者看來具有一種有序的動作方式，表現(xiàn)出某種形式的智能行為，如 避障、跟蹤等。這種方法的優(yōu)點主要在于每個行為的功能比較簡單，因而可以通 過簡單的傳感器及其快速信息處理過程獲得比較好的運行效果。高層行為建立在 底層行為之上，但下層可以單獨運行，由上而下具有功能繼承性，且實時性好。反應系統(tǒng)中的一個關(guān)鍵問題是如何協(xié)調(diào)各種不同的行為，目前的行為協(xié)調(diào)一 般分成兩種模式：合作(cooperative)模式和競爭(competitive)模式。合作模式(如圖 2.6 所示)提供了同時使用一個或者多個行為的輸出的能 力，因為這些行為是通過一組權(quán)值組合在一起，所以它的輸出可以平滑傳感器的 噪聲。然而，因

54、為在不同的行為之間可能存在沖突，因此這種模式可能會產(chǎn)生小 陷阱或者死循環(huán)的情況，合作模式中比較典型的代表是，Arkin提出的Motor 規(guī)則控制結(jié)構(gòu)。圖 2.6 合作模式在競爭模式(如圖 2.7 所示)中，將不同的行為分成不同的等級，當有多 個行為同時發(fā)生時，只是選擇其中優(yōu)先級高的行為來作為后的輸出，它以不能平 滑傳感器噪聲為代價避開了小陷阱問題，但是也存在極限環(huán)問題，Brooks的包 含控制系統(tǒng)所采用的就是競爭模式。2、移動機器人基于行為的控制系統(tǒng)的原則本課題基于 Brooks 提出的包容體系結(jié)構(gòu)實現(xiàn)移動機器人的基本運動控制， 通過采用分布決策模式 來取代傳統(tǒng)的中心決策模式設(shè)計控制器，采用基

55、于感知 的反應式行為模式，大大提高了移動機器人的機動能力、魯棒性以及快速響應能 力，簡化了控制系統(tǒng)的設(shè)計，進而保證了代碼的易實現(xiàn)性和最小的擴展代價。為了使自主機器人系統(tǒng)能夠適應環(huán)境的變化，研究人員一直在追求更好的硬 件、更復雜的程序、更精確的傳感器等等，以求得到更高級的機器人行為。但是， 我們總會受到某些條件的制約。實踐經(jīng)驗表明：在多數(shù)情況下，越精確、越高級 的機器人系統(tǒng)就越難控制。因此在實際應用中要遵循一定的設(shè)計原則，使自主機 器人系統(tǒng)的設(shè)計切實可靠。目前，已有許多基于行為模式設(shè)計的機器人系統(tǒng)能夠 滿足人類的許多方面的要求，這些系統(tǒng)的成功主要歸功于三個原則：簡單性原則、 無殘留狀態(tài)原則和高冗

56、余性原則。簡單化設(shè)計原則能夠帶來使調(diào)試和改進更容易、更快捷，執(zhí)行系統(tǒng)的效率更 高、適應性更強的優(yōu)點，因此它越來越多地被采用。Donald等人給出了關(guān)于簡單 化設(shè)計方法的總的觀點；無須理解的靈巧操作、無須靜態(tài)穩(wěn)定性的行走、無須傳 感器或激勵器的運動和基于行為主義的控制系統(tǒng)。無殘留狀態(tài)被定義為一個系統(tǒng)的大量反應的部分規(guī)則，是對系統(tǒng)內(nèi)部所保留 狀態(tài)的一種度量。我們設(shè)計時必須使系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)與外在環(huán)境保持同步，這就 要求所保留的狀態(tài)不能在系統(tǒng)內(nèi)部長時間的起作用。無殘留狀態(tài)特性是一種感覺 的消退，即在一短暫時段內(nèi)保留感覺到的某種信息部分數(shù)據(jù)，這有點類似于視網(wǎng) 膜對殘留影像的保留過程。感覺消退的設(shè)計允許將

57、所得的信號直接加入到系統(tǒng)中 而無須改變先前的方法或代碼：允許在實際的環(huán)境下對智能系統(tǒng)進行訓練和調(diào) 試。高冗余性是能使系統(tǒng)與不確定因素共存，而不是去消除不確定因素。它的實 現(xiàn)是通過盡量減少對精確度的需求來達到實際的要求。高冗余性原則已經(jīng)在上述 的簡單性原則、無殘留狀態(tài)原則中被充分運用，例如，運用快速反饋取代精確計 算。但在利用高冗余性原則時，研究人員必須要確保獲得完成任務所需的最低限 度信息量。3、基于行為的控制系統(tǒng)的行為選擇機制基于行為的包容式框架結(jié)構(gòu)，如圖2.7和2.8所示，將機器人的任務分成幾個 獨立模塊，每個模塊響 應一個非常有限的行為；模塊的作用是固定的，這些模 塊并行完成各自的工作。

58、由于此結(jié)構(gòu)可以任意添加不同優(yōu)先級的模塊，因此，采 用這種結(jié)構(gòu)構(gòu)造一個相對復雜的系統(tǒng)成為了可能。但是在這么多無限增 加的行 為模塊中，哪一個或幾個模塊的行為被執(zhí)行，是同步執(zhí)行還是異步執(zhí)行，這些問 題就涉及到了層與層之間的行為協(xié)調(diào)。圖 2.8 包容關(guān)系示意圖圖2.10給出了包容結(jié)構(gòu)模塊關(guān)系示意圖，圖中X1是優(yōu)先級低的行為的輸出， X2是優(yōu)先級高的行為的輸出，Xout是實際輸出到執(zhí)行機構(gòu)的值。當X2存在有意義 的輸出，即優(yōu)先級高的行為處于激活狀態(tài)時，即使X1也處于激活狀態(tài)，它也將抑 制X1的輸出，此時的實際輸出值等于X2, X1不起作用。只有當優(yōu)先級高的行為不 在激活狀態(tài)時，優(yōu)先級低的行為才取得控制

59、權(quán)，實際輸出才等于XI。第三章 移動機器人感知系統(tǒng)研究（一）移動機器人的超聲波傳感器感知模塊1、超聲波傳感器超聲波是指頻率在2000Hz以上，不能引起正常人聽覺反應的機械振動波。其 波長很短，可以集成狹小的發(fā)射線束，呈束狀直線傳播，傳播具有一定的方向性。 同時超聲波作為一種非接觸的檢測方式，和紅外、激光及無線電測距相比，不受 光線、被測對象的顏色等的影響，在惡劣的環(huán)境中（如含粉塵時）具有一定的適 應能力，比激光測距更容易獲得近距離信息，并且具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)點。 為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計和制成了許多超聲波發(fā)生器?？傮w上講， 超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波

60、，一類是用機械方 式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機械方式有加爾 統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不 相 同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。壓電式超聲波發(fā)生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波發(fā)生器 內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.1所示，它有兩個壓電晶片和一個共振板。當它的兩極外加脈沖 信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動 共振板振動，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當共振板接收到 超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超聲 波接收器了。常見的