外文翻译一种室内境导航条件下自主智能移动机器人系统的研究.doc

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1、中国地质大学长城学院本科毕业设计外文资料翻译系 别： 工程技术系 专 业： 机械设计制造及其自动化 姓 名： 学 号： 2011年 12 月 31 日外文资料翻译译文一种室内境导航条件下自主智能移动机器人系统的研究摘 要这种为室内境导航条件下设计生产的自主移动机器人系统是一个不完整的差速传动系统，它有两个安装在同一轴上通过两个PID控制的电机驱动的驱动轮和两个分别安装在前部和后部的脚轮。它装备了大量的传感器，比如红外探测器，超声波传感器，激光线发生器和数码相机，通过这些传感器来感知它的周围循环境。它的计算源是由多任务多程序处理功能的多处理器组成的同步运行系统。为了实现复杂的任务，这种移动机器人

2、采用了混合的控制结构。它在智能设计中心设计完成，在香港城市大学制造调试。关键字：移动机器人；智能控制；传感器；导航1 简介随着自主移动机器人在工厂和服务业中的应用越来越广泛。一些在设计，感觉，控制和导航等领域的投资已经实施。对真实世界的反应，探测循环境，没有冲突的执行已经设计好的计划以及完成想要其完成的任务是智能移动机器人的主要要求。作为人类，我们能够很简单的完成这些动作，但是对于机器人来说，将是非常的困难。一个自主移动机器人应该运用不同的传感器来感知外部循环境以及转换和认识感知信息以在执行任务时能够通过适当的算法制定安全的移动路径。许多不同的传感器被安装在移动机器人上用来避障，位置确定，移动

3、感知，导航和内部控制方面，这些传感器有射程传感器，光传感器，力传感器，声传感器，轴编码器，陀螺仪。许多人用红外和超声波传感器搜寻在都达目的地的障碍。激光距离探测器也在移动机器人混乱空间中的部长方式中得到应用。数码相机在移动机器人视觉系统中也得到了应用。尽管有很多不同种类的传感器可以利用，但是传感器并不意味着就是获得。传感器从外界循环境获得的信息必须认真地处理认识才能够被完全地利用到指导移动机器人对真实世界不断变化的动作中。国内或者国外，引导移动机器人的方向以便让它最终到达目的地和接近的过程中避障是对移动机器人最基本的基本要求。一些实现这些任务流行的方法包括边缘检测，网格分析和潜在范围法。由于这

4、些方法的局限性，模糊逻辑和人工神经网络已经被应用到移动机器人定位和导航的信息整合中，以及移动机器人的运动控制中。应用模糊逻辑我们避免了一些传统人工智能控制系统中规划阶段与工作模式方法相关的计算瓶颈。虽然模糊控制方法是强大的，但是它不能适应随着时间改变参数的情况。这样神经网络的学习功能被应用定义模糊控制输入输出的数据框架。神经网络中潜入模糊规则和知识库以便通过一种反向传播算法进行训练，卡尔曼滤波技术对多传感器信息集成和本地化增量跟踪是很有效的方法。为了控制移动机器人有大量的动作，布鲁克斯提出了包容结构，它可以描述任务实现行为层的机械判别。这种判别是一种可以决定那个动作应该在大量的行为同时冲突作用

5、时应该进行的方法。阿金提出的模式基础反应控制思想是将动作分解成叫做电机模式的并发步骤。每一种模式代表一种基本行为；这样模式的集合提供了潜在的移动机器人控制动作知识库。每一个基本的动作行为产生一个基于传感器数据的速度向量，结果被传送到机器人的控制中。朗应用基本的机器结构实现基本动作之间的转换，基于这种结构的机械装置，基本动作就和理论上的一样，推理和研究可以被协调完成一些复杂的任务。这篇文章介绍了我们自主移动机器人的实现。以上提到的方面在这篇文章中得到了各方面的讨论。2 移动机器人系统的综述一个自主移动机器人基本的应该有探测它周围循环境，处理数据，以及判断和移动其自身的的能力。我们的移动机器人集合

6、了多种子系统：机械和驱动子系统，感知子系统，计算源子系统制作决定子系统以及电源供给供给系统。这种机械形状和驱动方式可以说是在移动机器人的设计中尚属首创。一个机器人的外观可以决定它有多么的抗冲击，直流伺服电机或者步进电机是两种常用的制动器。机器人的外形将影响到组建的配置，美观，甚至机器人的移动方式。一种失败的外形将使机器人在杂乱的屋子里更容易掉到陷阱里或者不能在路窄的地方发现他需要的路径。我们选择了八面体的外形，这让他有矩形和圆形的双重优点，并且克服了它们的缺点。这种八面体外形的机器人容易制造，内部的组件容易布局，容易通过窄的路径，在角落和有物体的地方旋转，并且外表看起来美观。这种子系统的概念可

7、以实现从外部循环境得到多种数据的任务，包括机器人到障碍物的距离，地标等等。红外和超声波距离传感器，激光距离探测器和数码相机被利用装载在这种移动机器人中以对周围循环境产生感知。这些传感器被一些同时工作可以计划分配任务的微处理器独立控制，而且被当前利用的程序进程调度。目前，红外和超声波距离传感器，激光距离探测器被用来发现障碍物并且测量循环境中障碍物到机器人的距离，数码相机被用作定位和导航。判断子系统是智能移动机器人在识别利用感知子系统获得的信息中最重要的部分。他通过一些智能控制算法获得合理的结果，并且引导移动机器人的动作。在我们的移动机器人系统中，智能的实现是基于行为主义和古典规划原则。判断系统由

8、两个层面组成：基于智慧苦的大量任务规划和工作循环境图活动的控制以对应动态的真实世界。判断系统的动作任务被分解成机器人建立要动作级别实现的任务。模糊理论在一些基本的动作中得到了应用。动态机的机械理念被应用以协调不同的动作。因为大量的电子器件，如距离传感器，数码相机，画面撷取器，激光直线发生器，微处理器，直流电机和编码器在移动机器人中得到应用，所以电源必须提供不同的幅值的稳定电压以及足够的电能。和普通的移动机器人电源解决方案一样，在我们的移动机器人中应用了两个密封的24V输出电池组用来给电机驱动组件和电子器件提供24V,15V,+-12V, +-9V, +-5V的电源。为了转换和调节电压，应用DC

9、DC转换器，因为它们的高效率，低输出纹波和噪声，以及全电压范围。三个主要的处理器是一些大程序和判断程序可以运行的摩托罗拉MC68040单板计算机。这种MC68040板并列运行用VME总线共用同一内存。三个摩托罗拉MC68HC11的处理器用作红外和超声波距离传感器的低端控制器，它和主处理器通过一定的端口进行通信。这种大量处理器系统被分解成一个分层的和分布式结构以建立快速的信息采集和快速反应。一个实时的控制的多处理器多任务处理操作系统在主处理器上和谐的运行以解决多处理多任务的程序。和谐就是只有当运行循环境时程序被下载到交叉编译的可执行映像执行。表一是移动机器人的硬件结构。 3 机器人的控制对于机

10、器人三个最基本的驱动系统是轮子，轨道和肢体。轮子驱动的机器人在机械结构上比需要复杂硬件的肢体和轨道机器人要简单，所以我们的机器人设计成轮子驱动的机器人。对于轮子驱动的机器人，合理的驱动布局和方向盘应当从差分，同步，三轮和汽车方式的驱动装置中选择。差分驱动应用两个脚轮和两个安装在普通轴上的的单独驱动轮，这样就可以让机器人直线运动，走弧线，和转弯。在同步驱动中所有的轮子同时旋转，三轮驱动包括两个驱动轮和一个方向轮；汽车方式驱动前边的两个轮子就像汽车一样旋转。很明显差分驱动在程序和建造方面都是最容易实现的。然而，移动机器人差分驱动的一个难题就是如何保证机器人走直线，尤其是当机器人的两个轮子得到不同的

11、驱动的时候。为了得到一个理想的路线，电机的向量必须是动态的控制。在我们的移动机器人系统中，一个装备了PID控制的伺服电机控制器被用到。电源扩大器从每个伺服控制器上扩大信号驱动电机，轮子上的轴编码器提供反馈。电机控制和电子器件的结构框图如表二所示。在图表三种展示了给予PID原则的两轮速度控制方案。顶循环用来引导左电机向量到目标位置，低循环用来引导右电机向量；积分循环用来保证机器人按照期望走直线以及控制机器人的方向盘。这是一个简单的积分控制，它能够满足一般的需求。 4 传感子系统传感器方案是利用传感器信息反应周围实时的动态环境，和传统的方案相比，他考虑了所有的环境变化因素的知识。感知子系统集成了视

12、觉和临近觉传感器以使机器人快速反应，它在机器人行为判断处理和移动处理中扮演了重要角色。感知子系统的视觉范围首次在感知系统的设计中被考虑到。视觉范围应该视野足够广泛已很好的了解机器人的周围环境。多传感器可以提供单一的传感器很难取得的信息。大量的传感器彼此之间形成互补，提供更好的工作环境信息。全方位的感官能力被装载到我们的移动机器人中。当试图利用大量的传感器时，必须从经济性和精确性上考虑需要多少种类的传感器就可以实现期望的移动任务。超声波移动检测是移动机器人非常有吸引力的检测方式，因为它相对简单就可以装备和控制，价格实惠以及能耗小。另外，高频率可以被用来减小外部环境的干扰。一种特殊的目标使得红外距

13、离系统有和声纳一样的功能，即感知障碍物的有无以及到物体距离的大小。对于发现小的障碍物，激光探距器可以被应用，它可以被标向下面的地面以发现里机器人比较近的物体。断定机器人自己的位置和方向是一个高难度行为实现需要的基本行为。为了定位，一种采用轴编码结果的航位推算法被应用到。这种方法可累加在位置和方向上已经犯过的错误。很多外部传感器可以被应用到位置和方向的确定中。数码相机在实现这个功能中也得到了广泛的应用，因为一个屋子里面的自然特征就可以当做路标，比如空调，电灯等。必须考虑到每一种传感器都有其内在的缺点。对于红外波段传感器，如果目标和不同的物体有一个模糊的界限，颜色等，传感器将不能准确的计算出距离。

14、这些问题中的一些可以通过装备和升级传感器来得到改善。串扰和反射现象是两个主要的超声波传感器问题。超声波传感器的发射率，消隐间隔，发射顺序以及时滞可以被重置以提高其性能。激光测距系统可能无法检测到透明材料或者反光性差的材料物件。在这项工作中，我们用距离和图像传感器作为信息的基本来源。测距传感器包括超声波传感器和上面提到特征的短和长距离红外传感器。图像传感器包括灰度视频数码摄像机和激光测距器。在我们的移动机器人上24个超声波传感器被以每十五度角分配安装成环形用来360度视野内发现物体。这将是机器人在混乱的环境中完成导航，通过周围环境中的物体建立声纳地图。利用声纳地图，我们可以发现最大10M最小15

15、CM的障碍物。红外测距传感器采用三角测量，从一个红外线发射器的位置发光，并用PSD测量图像点的位置。由于这些装置采用三角测量，物体的颜色，方向和环境光对敏感度而不是精度有更大的影响。由于信号的传输方式用光代替了声音，我们希望用一个动态更短的时间周期来获取所有红外传感器的采集信息。一组16个短距和十六个长距红外传感器在机器人上绕了两圈安装着。长距传感器的视野长度从60CM到3M,短距的从10CM到80CM。一个MC68HC11控制器控制每组传感器。主处理器的一个任务就是通过一系列接口接受数字距离数据。四个有352288分辨率和6550的视角的EIA B/W数码相机，和两个机器人顶部的激光直线发生

16、器。在670MM处的电源输出功率是2.6MW。机器人顶部中心的四部数码相机中的两部环顾房间四周以发现路标用来定位，以及建立地图。另外的两个数码相机都和一个激光发生器组合用作激光测距器以发现目标物。激光探测器被安置在顶部平台的边缘用来扫描地面。5 控制结构和并列计算一个可以判定策略的控制结构被嵌入用以决定一个机器人如何整合不同的资源以实现一个期望的任务。目前两种截然不同的应用结构的行为和功能都良好。行为结构能够快速的反应快速变化的环境。功能结构利用人工智能技术如搜索和推理功能来发现目标，然而，相对来说对环境的变化反映比较迟缓。为了能够组合两种结构的优点，我们利用了混合结构在我们的机器人上。它包括

17、三个层面：功能层面，行为层面和任务层面。功能层面由一些和大量的控制传感器，传感器数据译码器以及电机闭环反馈控制有关的模块组成。这个层面的模块让机器人有一些基本功能。感知和行动的的映射完成是在行为和任务层。行为层是一个行为操作者，它操作从任务层接收到的行为任务；这个层面保证了对变化的外部环境的快速反应。任务层包括任务的制定者和全局的制定者。任务层的使命就是制定一些任务并将其实施。一些直接指导行为层，另外的一些首先被全局规划者过滤然后送往执行层。基于一个大地图全局策划者应用一些经典的算法搜索，为了提高机器人对外界环境的的反应速度，任务策划者和全局策划者在主机上运行，功能层和行为层在被植入到机器人上

18、的处理器中运行。总的来讲，包括感知，制定和动作的机器人移动闭环控制应该花费很少的循环时间，所以一个一位处理器为基础的平行的计算装置被植入到我们的移动机器人中。通常我们的事件就在并行的微处理器或者多个微处理器上运行进行多任务多程序处理。广为人知的多任务OS向微软的win95和可以通过给一定的时间实现行为循环的多任务并行运行的UNIX的OS。事实上，多任务机制只是模拟所有的事件同时运行产生的影响。在多处理器上运行所有的事件可以实现真正的并行处理。在我们的移动机器人中，应用的和谐OS多任务和多处理程序被装备到微处理器中，通过VME总线共享彼此的内存和信息。和谐可以和期望的一样将任务分配到不同的微处理

19、器中进行多任务并行工作。另外，运行MC68H040写在C上的任务可以集合控制红外和遥感传感器的MC68H11 SBC上的编码来得到距离数据 。这些SBC和MC68H040处理器保持一致。图五是实事的一个数据结构的实例。一些实例，如下所述，在机器人系统上的避免障碍物和一些展开的数据填充已经被证明它对工作环境和形同性能良好的实时反映。6 总结我们已经描述了一种被测试用作室内自主导航的移动机器人装置和一些相关的智能系统理论和技术研究。这种机器人装备了距离传感器，激光探测传感器和视觉系统以察觉周围环境。在移动机器人中植入微处理器进行数据的并行计算，用以提高它的合理性和快速性能。底层的处理和传感器控制由

20、低成本的微处理器完成。一个基于实时的任务操作系统可以支持很多不同的控制结构，这可以让我们用不同的方法进行试验。这些实验证明了这种移动机器人系统的有效性。这个平台被用作试验和研究传感器的数据融合，区域填充，反馈控制以及人工智能。外文原文The investigation of an autonomous intelligent mobile robot system for indoor environment navigationAbstractThe autonomous mobile robotics system designed and implemented for indoor e

21、nvironment navigation is a nonholonomic differential drive system with two driving wheels mounted on the same axis driven by two PID controlled motors and two caster wheels mounted in the front and back respectively. It is furnished with multiple kinds of sensors such as IR detectors ,ultrasonic sen

22、sors ,laser line generators and cameras,constituting a perceiving system for exploring its surroundings. Its computation source is a simultaneously running system composed of multiprocessor with multitask and multiprocessing programming. Hybrid control architecture is employed on the rmbile robot to

23、 perform complex tasks. The mobile robot system is implemented at the Center for Intelligent Design , Automation and Manufacturfing of City University of Hong Kong.Key words:mobile robot ; intelligent control ; sensors ; navigationIntroduction With increasing interest in application of autonomous mo

24、bile robots in the factory and in service environments，many investigations have been done in areas such as design，sensing，control and navigation，etc. Autonomousreaction to the real wand，exploring the environment，follownng the planned path wnthout collisions and carrying out desired tasks are the mai

25、n requirements of intelligent mobile robots. As humans，we can conduct these actions easily. For robots however，it is tremendously difficult. An autonomous mobile robot should make use of various sensors to sense the environment and interpret and organize the sensed information to plan a safe motion

26、path using some appropriate algorithms while executing its tasks. Many different kinds of senors have been utilized on mobile robots，such as range sensors，light sensors，force sensors，sound sensors，shaft encoders，gyro scope s，for obstacle awidance，localizatio n，rmtion sensing，navigation and internal

27、rmnitoring respectively. Many people use infrared and ultrasonic range sensors to detect obstacles in its reaching domain.Laser range finders are also employed in obstacle awidance behavior of mobile robots in cluttered space.Cameras are often introduced into the vision system for mobile robot navig

28、ation. Although many kinds of sensors are available，sensing doesnt mean perceiving. Information obtained by sensors from the environment must be carefully processed and organized in order that it can be fully utilized for the mobile robots reaction to the dynamically changing real world. Localizing

29、locally or globally，orienting the direction of mobile robot in order to eventually reach the destination and awiding obstacles in the proximity normally are the fundamental elementary capabilities expected of rmbile robots. Some of the more popular methods for achieving these tasks include edge-dete

30、ction，certainty grids and potential fields. Due to the shortcoming of these methodologies (for example，high burden of computation，local minima，etc.)fuzzy logic and artificial neural networks have been introduced into integrating the sensed information for mobile robot localization and navigation，and

31、 rmtion control of mobile robots. Using fuzzy logic we avid some of computational bottlenecks associated wrath the planning phase of the methods based on the model of warkspace employed in traditional artificial intelligence systems.Although the fuzzy control method is robust，it cannot adapt to chan

32、ging parameters over time.Learning of neural network is then used for defining mapping between input and ouput data of fuzzy control. Surender embeds fuzzy rules and membership knowledge into a neural network for training via a back propagation algorithm. Kalman filter techniques are also efficient

33、approaches for integrating multi-sensor information and tracking in incremental localization. For the control of mobile robots having multiple behaviors，Brooks proposed the subsumption architecture，which describes the mechanism of arbitration between the layered task-achieving behaviors. Arbitration

34、 is a process of deciding which behavior should take precedence over other behaviors when conflicting behaviors aretriggered. Arkin presented the schema-based reactive control idea that decomposes actions into a set of multiple concurrent processes called motor schemas. Each schema represents a gene

35、ral behavior;a collection of such schemas provides the potential family of actions for control of a mobile robot. Fach of basic active behaviors generates a velocity vector based on sensory data，and the result is transmitted to the robot for execution. Lang used state machine architecture to realize

36、 the transition armng basic behaviors. In the mechanism based on this architecture，basic behaviors as well as reasoning，inference and search procedures can be integrated to achieve complex tasks. This paper reports the implementation of our autonomous intelligent mobile robot. The aspects menboned a

37、bove are discussed in the paper，respectively.A verview of the mobile robot system An intelligent autonomous rmbile robot basically should have the abilities to exploring its surrounding area，processing data，make decisions as well as move itself. Our rmbile robot system is grouped into several subsys

38、terns:mechanics and driving subsystem，sensing subsystern，computing sources subsystem，decision-making subsystem and power supplingng subsystem. The mechanical shape and driving type are commonly first taken into consideration while implementing a rmbile robot. A robots shape can have a strong impact

39、on how robust it is，and DC serve rmtors or stepOper motors are often the two choices to employ as actuators. The shape of a robot may affect its configurations of components，ae sthetics，and even the movement behaviors of the robot. An improper shape can make robot run a greater risk of being trapped

40、 in a cluttered room or of failing to find its way through a narrow space. We choose an octahedral shape that has both advantages of rectangular and circular shapes，and overcomes their drawbacks. The framework of the octahedral shaped robot is easy to make，components inside are easily arrange and ca

41、n pass through narrow places and rotate wrath corners and nearby objects，and is more aesthetic in appearance. The perception subsystem accomplishes the task of getting various data from the surroundings，including distance of the robot from obstacles，landmarks，etc.Infrared and ultrasonic range senrs，

42、laser rangefinders and cameras are utilized and mounted on the rmbile robot to achieve perception of the environment. These sensors are controlled independently by some synchronously running microprocessors that are arranged wrath distributive manner，and activated by the main processor on which a su

43、pervising program runs. At present，infrared and ultranic sensors，laser rangefinders are programmed to detect obstacles and measure distance of the robot from objects in the environment，and cameras are programmed for the purpose of localization and navigation. The decision-making subsystem is the mos

44、t important part of an intelligent mobile robot that organizes and utilizes the information obtained from the perception subsystem. It obtains reasonable results by some intelligent control algorithm and guides the rmbile robot. On our mobile robotic system intelligence is realized based on behaviou

45、rism and classical planning principles. The decision-making system is composed of twa levels global task planning based on knowledge base and map of working enviro nment，reactive control to deal with the dynamic real world. Reaction tasks in the decision-making system are decomposed into classes of

46、behaviors that the robot exhibits to accomplish the task. Fuzzy logic is used to implement some basic behaviors. A state machine mechanism is applied to coordinate different behaviors.Because many kinds of electronic components such as range sensors，cameras，frame grabbers，laser line generators，micro

47、processors，DC motors，encoders，are employed on the mobile robot，a power source must supply various voltage levels which should are stable and have sufficient power. As the most common solution to power source of mobile robots，two sealed lead acid batteries in series writh 24 V output are employed in

48、our mobile robot for the rmtor drive components and electronic components which require 24 V，15V，士12V，+9V，士5V，variously. For the conversion and regulation of the voltage，swritching DC DC converters are used because of their high efficiency，low output ripple and noise，and wride input voltage range.Three main processors are Motorola MC68040 based single board computers on which some supervisory programs and decision-making programs run. These MC68040 boards run in parallel and share memory using a VMEbus. Three motorola MC68HC11 based contro