野外自主移動(dòng)智能機(jī)器人設(shè)計(jì)

田 鵬，朱志斌，步海明,唐 強(qiáng)

(1.通號(hào)（鄭州）電氣化局有限公司電務(wù)分公司,河南 鄭州 450000; 2.北京中致科技有限公司，北京 118300)

引言

近年來室內(nèi)環(huán)境下送餐機(jī)器人、消毒機(jī)器人、巡檢機(jī)器人等移動(dòng)機(jī)器人發(fā)展十分迅速，與結(jié)構(gòu)化、靜態(tài)的室內(nèi)環(huán)境不同，隨著未知領(lǐng)域探索、執(zhí)行救援危險(xiǎn)任務(wù)等需求出現(xiàn)，移動(dòng)機(jī)器人不斷向野外非結(jié)構(gòu)化環(huán)境拓展，對(duì)機(jī)器人通過性和自主能力的要求也越來越高。無標(biāo)志物條件下，智能移動(dòng)機(jī)器人能夠在野外環(huán)境自主導(dǎo)航定位、自主規(guī)劃控制，具備自主障礙物識(shí)別和規(guī)避，動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃的能力。兩臺(tái)或者多臺(tái)還具備智能編隊(duì)運(yùn)行能力，可以模擬一個(gè)機(jī)器人小組。履帶式底盤能夠適應(yīng)典型非道路野外環(huán)境，具備較強(qiáng)的涉水、越障、爬坡能力。目前大部分野外機(jī)器人為鋪設(shè)軌道或人工遙控的移動(dòng)車[1-2]。野外場(chǎng)景環(huán)境復(fù)雜，范圍大，鋪設(shè)軌道工程量很大，遙控模式又很難達(dá)到預(yù)定的目標(biāo)效果。需要研制新型無依托智能機(jī)器人，文獻(xiàn)[3]針對(duì)傳統(tǒng)軌道式移動(dòng)車運(yùn)動(dòng)方向單一、軌道鋪設(shè)困難且存在跳彈的隱患，利用機(jī)器視覺，研究了一種以普通的色帶或膠條為引導(dǎo)的自循跡移動(dòng)靶車控制系統(tǒng),但是該方法還是要求預(yù)先鋪設(shè)輔助標(biāo)志。文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了履帶式移動(dòng)機(jī)器人，可以有效增強(qiáng)機(jī)器人的通過性。文獻(xiàn)[5]針對(duì)戶外定位問題，提出了激光導(dǎo)航定位方法，可以作為室外定位的有效手段之一[6-7]。針對(duì)野外不規(guī)則地面，通過以上分析可知，雖然在野外機(jī)器人方面已經(jīng)取得了較大的進(jìn)步，目前仍沒有成熟的能夠不依賴輔助標(biāo)志引導(dǎo)、野外通過性強(qiáng)、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)的野外機(jī)器人。綜上，本研究設(shè)計(jì)了一種野外自主移動(dòng)智能機(jī)器人，采用履帶底盤，具有較強(qiáng)的涉水、越野能力，自主導(dǎo)航定位采用GNSS、慣導(dǎo)、里程計(jì)組合方式，能夠?qū)崿F(xiàn)野外環(huán)境動(dòng)態(tài)自主軌跡規(guī)劃，配備了超聲傳感器，具備自主識(shí)別較大障礙物和自主規(guī)避的功能。此外，應(yīng)用星形自組織網(wǎng)絡(luò)，支持多機(jī)器人在同一區(qū)域協(xié)同工作。

1 系統(tǒng)組成

野外自主移動(dòng)智能機(jī)器人由履帶底盤系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和載荷模塊等組成。機(jī)器人結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖

底盤控制系統(tǒng)由電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元、中央控制單元、無線通信單元等組成，見圖2。

圖2 底盤控制系統(tǒng)

機(jī)器人導(dǎo)航感知系統(tǒng)由GNSS 接收機(jī)、三軸陀螺儀、三軸加速度計(jì)、超聲波傳感器組成。為提高局部區(qū)域定位精度，采用RTK(Real Time Kinematic)差分技術(shù)可實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)絕對(duì)定位。三軸陀螺、三軸加速度計(jì)與GNSS 構(gòu)成組合導(dǎo)航單元，獲得機(jī)器人的位置姿態(tài)信息，超聲波傳感器用于2 m 內(nèi)近距離障礙物識(shí)別與躲避。GPS/慣導(dǎo)組合導(dǎo)航示意圖見圖3。

圖3 GNSS/慣導(dǎo)組合導(dǎo)航示意圖

機(jī)器人電控系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，由供電單元、中央控制單元、無線通訊單元、數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)單元、伺服驅(qū)動(dòng)控制單元五部分組成。電控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)見圖4。

圖4 電控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

操作者在遠(yuǎn)程終端設(shè)定目標(biāo)點(diǎn)，而不給出路徑軌跡，機(jī)器人通過無線數(shù)傳模塊接收來自操作者的目標(biāo)位置指令，經(jīng)遙測(cè)遙控單元數(shù)據(jù)接收、初步過濾后傳送給中央控制單元。中央控制單元結(jié)合導(dǎo)航系統(tǒng)解算的當(dāng)前機(jī)器人狀態(tài)和目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)，動(dòng)態(tài)規(guī)劃行駛路徑，給出當(dāng)前有限時(shí)間窗口雙側(cè)履帶控制指令，并下傳給電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元，電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元分別完成左右履帶電機(jī)閉環(huán)控制，在下一時(shí)刻，根據(jù)導(dǎo)航結(jié)果和障礙物檢測(cè)結(jié)果重新規(guī)劃行駛路徑。荷載模塊為機(jī)器人上安裝的標(biāo)靶（如圖1 中的人形模擬件）或其他用戶需要裝載的設(shè)備。

2 外智能機(jī)器人主要指標(biāo)

履帶車運(yùn)行中的阻力FA包括以下幾部分

式中，F(xiàn)t為土壤阻力，F(xiàn)p為坡道阻力，F(xiàn)u為轉(zhuǎn)彎阻力，F(xiàn)n為行走機(jī)構(gòu)內(nèi)阻力。

土壤阻力Ft為履帶對(duì)土壤產(chǎn)生擠壓作用產(chǎn)生的阻力，由下式給出

式中，G 為整機(jī)重力，α 為坡角，ωt為運(yùn)行比阻力系數(shù)，在野外潮濕地面取值比較大，在堅(jiān)硬路面取值?。ū狙芯糠治鲋羞x取0.15）。

坡道阻力Fp為坡道重力分量引起的阻力

轉(zhuǎn)彎阻力Fu是履帶車轉(zhuǎn)彎時(shí)瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心平動(dòng)和繞瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心轉(zhuǎn)動(dòng)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)引起的縱向和橫向阻力作用，轉(zhuǎn)彎阻力的分析比較復(fù)雜，實(shí)際中的主要分力是履帶板與地面摩擦阻力

式中，β 為履帶板側(cè)邊刮土附加阻力系數(shù)，取值為1.15。L 為履帶接地長(zhǎng)度，B 為履帶軌距，μ 轉(zhuǎn)向阻力系數(shù)，可使用如下公式估計(jì)

式中，r 為履帶轉(zhuǎn)彎半徑，μmax為履帶制動(dòng)時(shí)垂直載荷和摩擦阻力比例系數(shù)，實(shí)際計(jì)算的μ 大約為0.4～0.7。

行走機(jī)構(gòu)內(nèi)阻力Fn的組成非常復(fù)雜，包括履帶零件、驅(qū)動(dòng)輪、導(dǎo)向輪、拖帶輪的摩擦，履帶不均勻的阻力等，可引入行走機(jī)構(gòu)效率初步計(jì)算內(nèi)阻力，公式為

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，η 的取值為0.7～0.8。

履帶底盤的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)牽引力F 必須大于總的阻力，即

另外，牽引力還要小于履帶和地面的附著力，即

式中，φ 為附著系數(shù)，可取0.3～0.5，滿足此條件，履帶才不會(huì)打滑。

根據(jù)以上分析，動(dòng)力電機(jī)的總功率P 可以計(jì)算為

式中，v 為行走速度，單位為km/h，F(xiàn)A為總阻力，η 為履帶行走裝置效率，η 為履帶行走裝置傳動(dòng)效率，取0.4～0.75。

通過代入相關(guān)參數(shù)，移動(dòng)智能機(jī)器人的主要指標(biāo)見表1。

表1 機(jī)器人主要指標(biāo)

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

機(jī)器人采用履帶底盤，通過兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪差速實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，屬于差動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人。差動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)依賴兩側(cè)的驅(qū)動(dòng)輪，依靠?jī)蓚€(gè)輪子的速度差來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。運(yùn)動(dòng)學(xué)模型可用下式表示

式中，v 為機(jī)器人中心速度，ω 為轉(zhuǎn)向角速度，(x,y)為中心點(diǎn)的坐標(biāo)， θ為航向角。機(jī)器人的狀態(tài)向量為，機(jī)器人的控制向量為。

3.2 運(yùn)動(dòng)軌跡更新模型

設(shè)定系統(tǒng)采樣周期100 ms，采樣周期內(nèi)認(rèn)為速度恒定。假設(shè)車輛在一個(gè)周期內(nèi)繞圓心O 轉(zhuǎn)過的弧度為β，則可確定一個(gè)周期內(nèi)車輛的運(yùn)動(dòng)軌跡，根據(jù)幾何關(guān)系可求出機(jī)器人本體坐標(biāo)系下更新的坐標(biāo)（x0，y0）。則可以得出

式中，s 為一個(gè)周期內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡的弧長(zhǎng)，可以簡(jiǎn)單認(rèn)為是直線；v 為當(dāng)前速度；Δt為采樣周期；β 為一個(gè)周期內(nèi)軌跡圓弧對(duì)應(yīng)的圓心角；R 為瞬時(shí)轉(zhuǎn)彎半徑。

由圖5 幾何關(guān)系，可得

圖5 機(jī)器人軌跡更新示意圖

3.3 路徑規(guī)劃與軌跡跟蹤控制

野外無輔助路徑標(biāo)志，無鋪設(shè)軌道條件下，路徑規(guī)劃是智能移動(dòng)機(jī)器人面臨的重要問題。對(duì)于巡航狀態(tài)常用的典型軌跡，我們采用描述函數(shù)法表示。用戶可以通過下拉菜單選擇期望的運(yùn)動(dòng)軌跡，不同軌跡函數(shù)的參數(shù)可以修改。目前支持的典型路徑軌跡包括圓形軌跡、橢圓形軌跡、李薩如軌跡、8 字型軌跡等，均可以由一組特征參數(shù)描述。根據(jù)期望軌跡是否與時(shí)間相關(guān)，將軌跡跟蹤控制分為路徑跟隨和軌跡跟蹤兩種控制模式，見圖6，圖7。

圖6 路徑跟隨控制模式

圖7 軌跡跟蹤控制模式

路徑跟隨（Path Following）指從某起點(diǎn)開始，車輛能夠到達(dá)終點(diǎn)并最終以給定的速度跟隨運(yùn)動(dòng)空間中的一條幾何路徑，跟蹤軌跡的位置和速度與時(shí)間無關(guān)。

軌跡跟蹤（Trajectory Tracking）指從某起點(diǎn)開始，能夠到達(dá)并最終以給定的速度跟隨運(yùn)動(dòng)空間中給定的一條與時(shí)間相關(guān)的幾何路徑。同時(shí)，給定的速度即給定的線速度和角速度（也稱為期望速度）同樣也是關(guān)于時(shí)間的函數(shù)。

3.4 自主避障方法

超聲波傳感器在三維空間的感知范圍是一個(gè)錐形，如圖8 所示。當(dāng)超聲傳感器探測(cè)到機(jī)器人前方的障礙物時(shí)，根據(jù)超聲波傳播的時(shí)間可以計(jì)算出障礙物在某個(gè)半徑的圓弧上，但是并不能確定障礙物具體在圓弧的哪個(gè)位置。所以需要在機(jī)器人的不同位置、不同方向安裝多個(gè)超聲波傳感器，通過弧段交叉計(jì)算，從而確定障礙物的具體位置。

圖8 超聲波探測(cè)原理

當(dāng)機(jī)器人檢測(cè)到前方一定距離有障礙物時(shí)，將自動(dòng)修正參考軌跡。此時(shí)，根據(jù)障礙物位置信息和前一時(shí)刻的速度矢量，采用人工勢(shì)場(chǎng)方法，使機(jī)器人繞著障礙物的邊緣向先前速度矢量方向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)機(jī)器人沿著障礙物邊緣運(yùn)動(dòng)到與期望軌跡上的某一點(diǎn)重合或接近時(shí)，再重新切換到參考軌跡跟蹤控制，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主避障。

設(shè)履帶機(jī)器人的前端正中位置為傳感器#3，在履帶機(jī)器人左前60 度、左前30 度、正前方、右前30 度、右前60 度分別安裝#1 至#5 超聲波傳感器，如圖9所示。為避免5 個(gè)超聲波傳感器同時(shí)工作時(shí)信號(hào)互相干擾，采用依次上電采集的方式，逐個(gè)測(cè)量與障礙物的距離。

圖9 多個(gè)超聲波傳感器安裝示意圖

具體實(shí)現(xiàn)方法是，當(dāng)#1、#2 號(hào)超聲波傳感器探測(cè)到障礙物時(shí)，靶車向右轉(zhuǎn)彎進(jìn)行避障；當(dāng)#4、#5 號(hào)超聲波傳感器探測(cè)到障礙物時(shí)，靶車向左轉(zhuǎn)彎進(jìn)行避障；當(dāng)#3 號(hào)超聲波傳感器探測(cè)到障礙物時(shí)，靶車向左向右轉(zhuǎn)彎都可以。

3.5 編隊(duì)運(yùn)動(dòng)控制

式中，ρ 為領(lǐng)航者與跟隨者之間的距離；α 為跟隨者的航向與連線 ρ的夾角(逆時(shí)針為正方向)：? 為領(lǐng)航者的航向與連線 ρ的夾角(逆時(shí)針為正方向)。

該編隊(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)微分方程組為

選取 ρ ,α 為輸出，輸出向量為z=[ ρ α]，ρd為兩車之間的期望距離，α 為期望的相對(duì)角度。希望得到如下形式的線性化系統(tǒng)

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 典型路面行駛試驗(yàn)

野外自主移動(dòng)智能機(jī)器人實(shí)地測(cè)試見圖10。直行速度最快可達(dá)10.8 km/h，最小轉(zhuǎn)彎半徑0.1 m，坡面最大接近角30°，路徑跟蹤控制誤差優(yōu)于0.5 m，GNSS 組合導(dǎo)航定位精度優(yōu)于5 cm，定向精度優(yōu)于0.2°，達(dá)到預(yù)期指標(biāo)。

圖10 機(jī)器人行駛試驗(yàn)

4.2 自主避障試驗(yàn)

野外自主移動(dòng)智能機(jī)器人自主掃描運(yùn)行路徑上的障礙物信息，對(duì)本體參數(shù)和障礙物膨脹后擬合處理，動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)局部路徑規(guī)劃，可保證對(duì)障礙物的無碰撞規(guī)避，經(jīng)多次路面測(cè)試效果良好，未發(fā)生碰撞事故，見圖11。

圖11 機(jī)器人避障試驗(yàn)測(cè)試

5 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)了一種新型野外自主移動(dòng)智能機(jī)器人，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)組成、控制方法、試驗(yàn)結(jié)果等內(nèi)容。該機(jī)器人能夠廣泛應(yīng)用于野外搜救、營(yíng)區(qū)巡邏、演習(xí)靶車，可以多機(jī)編隊(duì)運(yùn)行，結(jié)合GIS 操控臺(tái)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無人化運(yùn)行。