劉開創(chuàng)，施家棟，王建中，李 彬，曹赫

( 北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081 )

?

移動(dòng)機(jī)器人自主返航控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

( 北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081 )

針對(duì)遙控移動(dòng)機(jī)器人在通信信號(hào)中斷后，無法對(duì)其進(jìn)行控制的問題，設(shè)計(jì)了移動(dòng)機(jī)器人自主返航控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)中斷后移動(dòng)機(jī)器人按原路徑自主返航直至恢復(fù)控制信號(hào)或返回初始位置；提出了基于控制意圖融合里程計(jì)和光纖陀螺儀的定位算法，對(duì)移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了校正，大幅度提高了移動(dòng)機(jī)器人定位精度；基于嵌入式Linux平臺(tái)設(shè)計(jì)了返航控制軟件系統(tǒng)，在信號(hào)正常的情況下，啟動(dòng)遙控模式，遙控機(jī)器人移動(dòng)并記錄路徑坐標(biāo)點(diǎn)，信號(hào)中斷則開啟返航模式，采用線性控制率和PID控制率實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人路徑跟蹤控制；基于實(shí)際應(yīng)用環(huán)境開展自主返航實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該控制系統(tǒng)能夠在通信信號(hào)中斷后以較高的精度控制移動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自主返航；該系統(tǒng)能夠解決移動(dòng)機(jī)器人在應(yīng)用中的實(shí)際問題，且代碼可移植性高、通用性強(qiáng)。

移動(dòng)機(jī)器人;自主返航; 融合定位; 路徑跟蹤

0 引言

移動(dòng)機(jī)器人具有移動(dòng)功能，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、服務(wù)和國防等行業(yè)。目前無人駕駛汽車和無人戰(zhàn)車已經(jīng)基本能夠?qū)崿F(xiàn)城市化道路和野外環(huán)境中A點(diǎn)到B點(diǎn)的自主機(jī)動(dòng)，并開始朝著更高智能的方向發(fā)展。然而，小型移動(dòng)機(jī)器人由于其體積和重量的限制，無法攜帶足夠的高精度傳感器和高性能的處理器，尤其是在無GPS信號(hào)的復(fù)雜非結(jié)構(gòu)化未知?jiǎng)討B(tài)環(huán)境中，難以實(shí)現(xiàn)長時(shí)間、高精度的自主導(dǎo)航。因此，目前小型移動(dòng)機(jī)器人基本上都采用遙控方式進(jìn)行控制，其智能水平低下，應(yīng)用有限。由于需要反饋視頻、音頻、數(shù)據(jù)等信息，一旦通信信號(hào)中斷，移動(dòng)機(jī)器人將處于失控狀態(tài)。如果在完成任務(wù)后或通信信號(hào)中斷時(shí)，移動(dòng)機(jī)器人能夠自主返回指定地點(diǎn)，將極大提高機(jī)器人的生存能力和操作效率。

文獻(xiàn)[1]介紹了移動(dòng)機(jī)器人基于GPS和航跡推算(DR)組合定位的方法，根據(jù)航跡推算短時(shí)間定位精度高、長時(shí)間誤差發(fā)散，使用差分GPS無遮擋定位精度高、信號(hào)受遮擋定位精度差的特點(diǎn)，提出了使用改進(jìn)比例無跡卡爾曼濾波組合定位技術(shù)，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該組合定位技術(shù)能夠提高移動(dòng)機(jī)器人的定位精度。文獻(xiàn)[2]是以GPS定位為核心的導(dǎo)航系統(tǒng)，同時(shí)融合了方位傳感器和光電碼盤的數(shù)據(jù)信息，提高了移動(dòng)機(jī)器人的定位精度，初步完成移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航任務(wù)。文獻(xiàn)[3]針對(duì)移動(dòng)機(jī)器人室內(nèi)未知環(huán)境下導(dǎo)航問題，使用基于貝葉斯規(guī)則的柵格地圖表達(dá)環(huán)境信息，并改進(jìn)建模精度；使用粒子濾波實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自定位；通過仿真和實(shí)驗(yàn)證明方法的可行性。

本文根據(jù)移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)了一套基于嵌入式Linux平臺(tái)的自主返航控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了遙控過程中的定位和路徑記錄；通信信號(hào)中斷后自主啟動(dòng)返航模式，利用機(jī)器人的定位和路徑跟蹤返回初始位置。

1 自主返航控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)工作原理

操作人員通過遙控方式控制移動(dòng)機(jī)器人從起始位置出發(fā)，到達(dá)目標(biāo)區(qū)域并執(zhí)行任務(wù)，在此過程中移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)處于遙控模式，實(shí)時(shí)地采集編碼器和陀螺儀數(shù)據(jù)，基于運(yùn)動(dòng)學(xué)模型進(jìn)行定位，并每隔一定距離記錄路徑的相對(duì)坐標(biāo)點(diǎn)P0、P1、P2…Pn。

當(dāng)移動(dòng)機(jī)器人行駛或執(zhí)行任務(wù)過程中，通信信號(hào)中斷，控制系統(tǒng)通過判斷有無通信數(shù)據(jù)自主啟動(dòng)返航模式，移動(dòng)機(jī)器人同樣通過編碼器和陀螺儀的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，并跟蹤記錄的路徑點(diǎn)坐標(biāo)Pn、Pn-1、Pn-2…P0，沿原路徑返回直至恢復(fù)通信信號(hào)或回到初始位置。

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

移動(dòng)機(jī)器人采用遙控和自主相結(jié)合的控制方式，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

自主返航控制系統(tǒng)主要由控制單元、陀螺儀、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等組成，如圖2所示?？刂茊卧钦麄€(gè)硬件系統(tǒng)的核心，將接收的控制指令轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)器對(duì)應(yīng)指令形式，發(fā)送給兩側(cè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；遙控信號(hào)正常時(shí)，控制單元接收里程計(jì)和光纖陀螺儀數(shù)據(jù)，同時(shí)根據(jù)定位算法，并記錄路徑坐標(biāo)點(diǎn)；控制信號(hào)丟失，開啟自主返航模式，控制單元接收傳感器數(shù)據(jù)得出機(jī)器人當(dāng)前位姿，并根據(jù)路徑跟蹤控制算法計(jì)算出其所需速度并發(fā)送，使機(jī)器人趨向于目的坐標(biāo)點(diǎn)。

圖2 控制單元和光纖陀螺儀

電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，連接電機(jī)光電編碼器，電機(jī)工作時(shí)，光電編碼器感知電機(jī)轉(zhuǎn)速信息，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送到控制單元上，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器同時(shí)接收控制單元發(fā)送出來的控制指令，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；光纖陀螺儀感知移動(dòng)機(jī)器人轉(zhuǎn)彎角速度，并且實(shí)時(shí)發(fā)送到控制單元。

控制單元選用以PowerPC架構(gòu)為主芯片的嵌入式Linux控制板，該控制板具有運(yùn)算速度塊、存儲(chǔ)空間大、接口豐富、實(shí)時(shí)性好的優(yōu)點(diǎn)，使用Linux C對(duì)控制單元實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人自主返航控制系統(tǒng)軟件開發(fā)。使用里程計(jì)計(jì)算航向角偏差較大，所以引入光纖陀螺儀來計(jì)算移動(dòng)機(jī)器人的航向角。本文中光纖陀螺儀選用Fizoptika VG095M光纖陀螺，該陀螺儀輸出模擬信號(hào)，所以使用數(shù)據(jù)采集板將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并通過RS232接口和控制單元相連接。由于體積限制，本文中選用Elmo Whistle袖珍型數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器作為直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器和控制單元之間通過CAN總線連接。

1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)在通信信號(hào)正常的情況下，需要接收遙控終端發(fā)送過來的控制信號(hào)，控制左右兩側(cè)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，控制單元采集陀螺儀和編碼器信號(hào)，基于控制意圖實(shí)現(xiàn)融合定位，并每隔一定距離記錄路徑的相對(duì)坐標(biāo)點(diǎn)。處理移動(dòng)機(jī)器人當(dāng)前的位姿信息并記錄路徑坐標(biāo)點(diǎn)。當(dāng)系統(tǒng)判斷在一定時(shí)間范圍內(nèi)無通信數(shù)據(jù)，將自動(dòng)切換到自主返航模式，系統(tǒng)將實(shí)時(shí)計(jì)算當(dāng)前的位姿信息，跟蹤記錄的路徑，沿原路徑返回直至恢復(fù)通信或回到初始位置。

系統(tǒng)軟件流程如圖3所示，系統(tǒng)啟動(dòng)后，對(duì)接口進(jìn)行初始化設(shè)置，接收傳里程計(jì)和光纖陀螺儀的信息，隨后判斷遠(yuǎn)程遙控信號(hào)是否正常，如果正常，則開始路徑記錄模式，將傳感器的數(shù)據(jù)代入運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，計(jì)算出機(jī)器人當(dāng)前的位姿， 記錄移動(dòng)機(jī)器人所走過的路徑坐標(biāo)點(diǎn)，反之，開啟路徑跟蹤模式，控制移動(dòng)機(jī)器人返航。之后，程序需要掛起一段時(shí)間，以匹配控制信號(hào)，防止程序執(zhí)行出錯(cuò)。

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖

2 基于控制意圖的融合定位方法

2.1 移動(dòng)機(jī)器人定位方法

移動(dòng)機(jī)器人常用的定位方法有相對(duì)定位、絕對(duì)定位和組合定位。相對(duì)定位一般采用航跡推算，通過測(cè)量機(jī)器人相對(duì)于初始位置的距離和角度來確定機(jī)器人的當(dāng)前位姿，該方法常用本體傳感器，如里程計(jì)、慣性傳感器。絕對(duì)定位，主要采用導(dǎo)航信標(biāo)、主動(dòng)或被動(dòng)標(biāo)識(shí)、地圖匹配或全球定位系統(tǒng)進(jìn)行定位，該方法通常采用外部傳感器，如激光雷達(dá)、GPS。組合定位，基于航跡推測(cè)與絕對(duì)信息較正相結(jié)合的方法[4-5]。

本文采用相對(duì)定位方法，使用里程計(jì)和光纖陀螺儀作為定位傳感器。里程計(jì)具有價(jià)格低廉、采樣速率高、在短距離內(nèi)的定位精度高的優(yōu)勢(shì)，但是依靠里程計(jì)進(jìn)行航跡推算定位，長距離運(yùn)行后累積誤差較大，特別是轉(zhuǎn)向角度。因此，引入單軸光纖陀螺儀對(duì)轉(zhuǎn)向角度誤差進(jìn)行校正。光纖陀螺儀，具有結(jié)構(gòu)緊湊、精確度高、抗干擾能力強(qiáng)、啟動(dòng)時(shí)間短、壽命長等優(yōu)勢(shì)。

移動(dòng)機(jī)器人定位原理如圖4所示，可以看出在移動(dòng)機(jī)器人在工作時(shí)，融合里程計(jì)和光纖陀螺儀得到的移動(dòng)機(jī)器人速度，代入運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，計(jì)算出移動(dòng)機(jī)器人相對(duì)于初始位置的坐標(biāo)。

圖4 移動(dòng)機(jī)器人定位原理框圖

2.2 差分運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型來描述機(jī)器人平臺(tái)的物理學(xué)運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律，是對(duì)移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算和運(yùn)動(dòng)控制的主要依據(jù)。本文采用的是航跡推算的定位方法，計(jì)算移動(dòng)機(jī)器人相對(duì)于初始位置的位姿。移動(dòng)機(jī)器人采用驅(qū)動(dòng)方式為差分驅(qū)動(dòng)，如圖5所示。

圖5 差分移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)示意圖

在δt的時(shí)間內(nèi)，移動(dòng)機(jī)器人由AB運(yùn)動(dòng)到A′B′，在AB處移動(dòng)機(jī)器人位姿為(x0,y0,θ0)，則A′B′處移動(dòng)機(jī)器人的位姿(x,y,θ)，結(jié)果為：

(1)

在式(1)中，v、ω為移動(dòng)機(jī)器人直線速度和角速度，如下所示：

(2)

采用里程計(jì)進(jìn)行航跡推算，由于兩側(cè)輪徑不相等、軸距不精確和平均輪徑不精確，這些因素會(huì)造成定位過程中的誤差。文獻(xiàn)[6]提出了UMBmark實(shí)驗(yàn)，通過該實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛐Ｕ苿?dòng)機(jī)器人系統(tǒng)參數(shù)，文獻(xiàn)[7]在UMBmark實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了校正和補(bǔ)償系統(tǒng)誤差的方法，引入了系統(tǒng)誤差來源的3個(gè)方面：平均輪半徑不確定性Es、有效軸距不確定性Eb、左右輪直徑不相等Ed，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)校正之后，移動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：

(3)

其中：rL、rR是校正后左右輪半徑，ra是左右兩側(cè)輪實(shí)際平均半徑，rn為公稱半徑，ba為校正后的軸距，bn為公稱軸距。

2.3 基于里程計(jì)和光纖陀螺儀混合定位算法

里程計(jì)和光纖陀螺儀的數(shù)據(jù)代入運(yùn)動(dòng)學(xué)模型之前，需要對(duì)兩者的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。根據(jù)轉(zhuǎn)彎半徑的大小，選擇里程計(jì)或陀螺儀的數(shù)據(jù)代入運(yùn)動(dòng)學(xué)模型進(jìn)行航向角的計(jì)算，如圖6所示。

根據(jù)當(dāng)前的控制指令求出移動(dòng)機(jī)器人期望轉(zhuǎn)彎半徑，計(jì)算公式如下：

(4)

式中，vE表示期望移動(dòng)機(jī)器人的直線速度， ωE表示期望移動(dòng)機(jī)器人的角速度，RE表示期望轉(zhuǎn)彎半徑。

圖6 里程計(jì)與陀螺儀數(shù)據(jù)融合流程圖

根據(jù)控制指令計(jì)算出移動(dòng)機(jī)器人轉(zhuǎn)彎半徑，當(dāng)該轉(zhuǎn)彎半徑大于設(shè)定的半徑閾值Rth，使用里程計(jì)的數(shù)據(jù)計(jì)算得到角度值，反之，使用光纖陀螺儀采集的角速率進(jìn)行轉(zhuǎn)向角度計(jì)算。

3 路徑跟蹤控制方法

路徑跟蹤控制的目的是使機(jī)器人可以穩(wěn)定、高效的跟蹤幾何路徑，達(dá)到指定地點(diǎn)[8]。本文根據(jù)控制率計(jì)算出合適的直線速度、角速度，使移動(dòng)機(jī)器人按照記錄的路徑坐標(biāo)點(diǎn)穩(wěn)定、高效到達(dá)目標(biāo)位置，并且能夠穩(wěn)定在該位置點(diǎn)。

路徑跟蹤控制流程如圖7所示，控制信號(hào)的中斷后，移動(dòng)機(jī)器人啟動(dòng)自主返航模式，控制單元接收傳感器的數(shù)據(jù)，代入運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，計(jì)算出機(jī)器人當(dāng)前位姿。在路徑記錄過程中，記錄的最后一個(gè)路徑坐標(biāo)點(diǎn)為路徑跟蹤的第一個(gè)點(diǎn)。機(jī)器人同時(shí)不斷接收傳感器數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)器人當(dāng)前位置，判斷目標(biāo)點(diǎn)是否到達(dá)，并繼續(xù)追蹤下一個(gè)點(diǎn)，直至恢復(fù)通信或返回到初始位置。

圖7 路徑跟蹤控制流程圖

路徑跟蹤控制的關(guān)鍵是控制率的設(shè)計(jì)，本文要求移動(dòng)機(jī)器人在返航過程中能夠穩(wěn)定、高效。對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人的直線速度，|Δθ|較小時(shí)，直線速度快，|Δθ|較大時(shí)，直線速度慢甚至為零，同時(shí)要求遠(yuǎn)離目標(biāo)點(diǎn)時(shí)速度要快，接近目標(biāo)點(diǎn)時(shí)速度要慢。航向角是控制移動(dòng)機(jī)器人趨向目標(biāo)點(diǎn)的關(guān)鍵，要求能夠準(zhǔn)確可靠的轉(zhuǎn)過計(jì)算出來的角度，所以對(duì)機(jī)器人的航向角控制采用PID控制算法。

移動(dòng)機(jī)器人路徑跟蹤如圖8所示，通過對(duì)機(jī)器人的直線速度和角速度控制，從當(dāng)前點(diǎn)M行進(jìn)到目標(biāo)點(diǎn)Maim。

圖8 移動(dòng)機(jī)器人路徑跟蹤示意圖

移動(dòng)機(jī)器人直線速度和角速度采用的路徑跟蹤控制的控制率為：

(5)

式中，vaim、ωaim分別表示期望達(dá)到的機(jī)器人直線速度和角速度，vmax表示返航過程中機(jī)器人的最大速度，|Δθ|為目標(biāo)角與航向角之差的絕對(duì)值，λ表示航向角偏差絕對(duì)值的放大系數(shù)， η是一個(gè)變量，和Maim與M之間的距離差Δs為線性關(guān)系，η=k×Δs-a，且k<1，a為常數(shù)[9]。kP、kI、kD為角速度PID控制的比例系數(shù)、積分時(shí)間常數(shù)、微分時(shí)間常數(shù)，Ts為采樣時(shí)間， Δθ(k)表示k時(shí)刻航向角與目標(biāo)角的偏差，Δθ(k-1)表示 k-1時(shí)刻航向角與目標(biāo)角的偏差。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)簡(jiǎn)介

本文的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為履帶式移動(dòng)機(jī)器人，采用差速驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方式，能夠通過遠(yuǎn)程終端對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控，電機(jī)為MAXON有刷直流電機(jī)，公稱軸間距為Dn=330 mm，履帶輪的公稱半徑為rn=82.5 mm。

基于圖2所示的控制系統(tǒng)，使用嵌入式Linux C進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)整個(gè)自主返航控制系統(tǒng)的定位和控制算法。

4.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)校正與定位實(shí)驗(yàn)

在進(jìn)行返航實(shí)驗(yàn)之前，需要對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行校正。在此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，參照文獻(xiàn)[7]進(jìn)行參數(shù)校正實(shí)驗(yàn)，可以求出：

代入式(3)，可以求出校正后的左右輪半徑和軸距：

在進(jìn)行定位實(shí)驗(yàn)之前，還需要設(shè)定合適轉(zhuǎn)彎半徑閾值，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，設(shè)置轉(zhuǎn)彎半徑的閾值Rth=1.5 m。

定位實(shí)驗(yàn)中，控制移動(dòng)機(jī)器人行走4×4 m的正方形，獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖9所示，圖中粗實(shí)線表示融合里程計(jì)和光纖陀螺儀的定位軌跡，細(xì)實(shí)線表示只使用里程計(jì)進(jìn)行移動(dòng)機(jī)器人定位的軌跡，實(shí)驗(yàn)結(jié)果，融合里程計(jì)和光纖陀螺儀的定位方法，可以明顯提高移動(dòng)機(jī)器人的定位精度。

圖9 兩種定位方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.3 自主返航實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的自主返航系統(tǒng)的有效性，開展了自主返航實(shí)驗(yàn)。首先通過遙控方式控制移動(dòng)機(jī)器人直行4.5米后，原地轉(zhuǎn)彎90度后繼續(xù)直行4.5米，然后中斷遙控信號(hào)，移動(dòng)機(jī)器人自主啟動(dòng)返航模式，自主返回起始位置，如圖10所示。

圖10 移動(dòng)機(jī)器人自主返航實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)之前，對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，PID參數(shù)如下：

kI=10 000，kP=0.8，kD=0.05

進(jìn)行了6組自主返航實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖11所示，并對(duì)6個(gè)返航終點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行處理，得到平均中心點(diǎn)坐標(biāo)為(-0.182 9, -0.228 4)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的自主返航控制系統(tǒng)能夠有效地實(shí)現(xiàn)較為精確的返航功能。

5 總結(jié)

針對(duì)移動(dòng)機(jī)器人在控制信號(hào)丟失后會(huì)出現(xiàn)失控狀態(tài)，設(shè)計(jì)了移動(dòng)機(jī)器人自主返航控制系統(tǒng)。移動(dòng)機(jī)器人定位采用融合光纖陀螺儀和里程計(jì)的方法，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的精確定位?？刂菩盘?hào)丟失后，采用線性控制和PID控制實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人對(duì)路徑坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行跟蹤控制。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證移動(dòng)機(jī)器人

自主返航控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)短路程的精確返航。

[1] 林 武.基于GPS/DR的移動(dòng)機(jī)器人組合定位技術(shù)研究[D]. 南京：南京理工大學(xué), 2011.

[2] 孟祥荔.基于GPS定位的移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)的研究[D]. 天津：天津理工大學(xué), 2007.

[3] 吳月華.室內(nèi)未知環(huán)境下移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航關(guān)鍵問題研究[D]. 天津：天津大學(xué), 2007.

[4] 于金霞,王 璐,蔡自興. 未知環(huán)境中移動(dòng)機(jī)器人自定位技術(shù)[M]. 北京:電子工業(yè)出版社, 2011.

[5] 徐 德,鄒 偉. 室內(nèi)移動(dòng)式服務(wù)機(jī)器人的感知、定位與控制[M]. 北京：科學(xué)出版社，2008.

[6] Borenstein J, Feng L. UMBmark: A benchmark test for measuring odometry errors in mobile robots[A], SPIE Conference on Mobile Robots[C]. 1995,2591:113-124.

[7] Shi J D, Liu J, Wang J Z. Novel method to calibrate kinematic parameters for mobile robots[J]. Journal of Beijing Institute of Technology, 2015, 24(1), 91-96.

[8] 高 健. 小型履帶式移動(dòng)機(jī)器人遙自主導(dǎo)航控制技術(shù)研究[D]. 北京:北京理工大學(xué), 2015.

[9] 聶 鑫,王耀南,余洪山. 基于行為控制的移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航方法[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制, 2011,19(11): 2699-2701.

Design and Experiment of Autonomous Returning System for Mobile Robots

Liu Kaichuang, Shi Jiadong, Wang Jianzhong, Li Bin, Cao Minghe

(State Key Laboratory of Explosion Science and Technology, Beijing Institute of Technology,Beijing 100081, China)

This paper introduces a control system of autonomous return mode for the mobile robot out of control when the control signal is interrupted. The system can enable the mobile robot to autonomous return follow the original path until the signal is re-connected or returned to the starting position after the interruption of the control signal. A fusion location algorithm based on control intention using odometer and fiber optic gyroscope is proposed. The structural parameters of the positioning algorithm are corrected, and more precise positioning is achieved. The return control system based on the embedded Linux platform is carried out. Remote control mode is activated when the control signal is normal. While mobile robot is moving and records the coordinate points. When the control signal is lost the autonomous return mode will be started, the mobile robot path-following control is achieved by linear control rate and PID control rate. Based on the actual application environment the autonomous return experimental verifications are launched, and the results show that the system is able to control the mobile robot to autonomous return with higher precision after interruption of control signal. This system can solve the practical problems in the application of the mobile robot, and the code is highly portable and general.

mobile robots; autonomous return; fusion location; path-following

2015-09-25；

2015-11-12。

北京理工大學(xué)基礎(chǔ)研究基金(20130242015)。

劉開創(chuàng)(1989-)，河北邯鄲人，碩士研究生，主要從事移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航、控制方向的研究。

1671-4598(2016)03-0071-05DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp

TP

A