浙江理工大学
硕士学位论文
基于超声传感器移动机器人路径规划和避障算法的研究
姓名：郑利君
申请学位级别：硕士
专业：机械电子工程
指导教师：胡旭东
20061201
第二章移动机器人模型分析
２．１ＰｉｏｎｅｅｒＨＤＸＥ移动机器人平台介绍
本课题研究的移动机器人ＰｉｏｎｅｅｒＩＩＤＸＥ是美国ＡｃｔｉｖｅＭｅｄｉａＲｏｂｏｔｉｃｓ公司生产的半自主式室内移动机器人，如图２．１所示。通过比较可知，它在同类的移动机器人中具有较好的性价比嘲１。另外，该移动机器人还提供了良好的仿真平台ＳＲＩ如图２．２所示，圆圈代表移动的机器人，在该平台下部有反映当前机器入状态的数据。在这个仿真平台下可以仿真移动机器人的各种运动控制。
图２．１移动机器人示意图２．１．１Ｐｉｏｎｅｅｒ］ＩＤＸＥ移动机器人硬件特性
图２．２系统示意图
ＰｉｏｎｅｅｒＩＩＤＸＥ自主移动机器人在同类型产品中具有较小的体积和较强的功能。其长为４４．５ｃｍ，宽４０ｃｍ，高２４．５ａｍ，。重９Ｋｇ，可载重２３Ｋｇ，最大平移速度１８００ｍｍ／ｓｅｅ，最大旋转速度为３６０ｄｅｇ／ｓｅｃ．它提供了一个内嵌的西门予８８Ｃ１６６微处理器（２０ＭＨＺ），负责底层数据处理和命令执行；另外移动机器人的前端有８个声纳测距装置，以及激光测距仪、摄像头和两个ＲＳ－２３２串行接口等，在装满电池的情况下可连续运行近８个小时。
该移动机器人底盘采用三轮结构：一个万向轮，仅起支撑作用，不起导向作用；两个驱动轮，位于车体两侧，采用直流伺服电机及Ｐ嘲驱动控制转速，达到调速目的。这种结构的显著优点是可以实现最小转弯半径为０，即移动机器人可原地转圈。
ＰｉｏｎｅｅｒＩＩＤＸＥ机器人的外形标称值如图２．３所示。
件，它既支持单线程，也支持多线程，使客户较容易的控制和管理机器人服务器，以及很多其它移动机器人本钵上的传感器。Ｓａｐｈｉｒａ／Ａｒｉａ的体系结构如图２．６所示。由图可见，它对于机器人控制来说是底层的，主要负责串口通信，包的发送，多线程管理，附件控制等。Ｓａｐｈｉｒａ嘲建立在Ａｒｉａ之上，内嵌Ａｒｉａ，并加入Ｃｏｌｂｅｒｔ语言。Ｓａｐｈｉｒａ提供了更友好的界面和效率更高的编程语言。
图２．６Ｓａｐｈｉｒａ／Ａｒｉａ体系结构
总的来说，Ｓａｐｈｉｒａ／Ａｒｉａ与ＰｉｏｎｅｅｒＳｅｖｅｒ的结构提供了自上而下的分层控制结构，给用户的分层结构算法提供了较好的实现基础，在软件层面上（就是从ＰｉｏｎｅｅｒＩＩＤＸｇ串口信息传出之后）可以直接实现对底层的控制，为研究人员充分利用和二次开发软硬件提供了便利。另一方面，ＰｉｏｎｅｅｒＩＩ的手册提供了所有串口信息和命令包的协议规程，这也为用户自行设计独立的应用程序提供了较好的基础。
２．２移动机器人运动学原理
根据移动机器人的车体结构和刚体平动原理可知，移动机器人在任意瞬时都是绕车体瞬心转动。移动机器人的移动大致分为直走或后退，左右转弯及原地半径转弯几种形式，移动机器人通过控制两驱动轮的转速及转向可实现上述各种运动。
２．２．１移动机器人的坐标系
移动机器人在空间行走，要便其能按照一定的规划路线行进，就必须使机器人具有自身定位的能力。目前移动机器人及其本体上都会安装一些测量设备来
速度一致时，机器人沿直线行驶；当两侧轮子线速度不一致时，机器人作一定半径的圆弧运动。所以，通过对移动机器人的移动线速度与方向转角加以控制，便可以达到控制移动机器人的目的。
在推导移动机器人运动方程之前，先作如下假设：
（１）移动机器人的驱动轮在任何情况下都平行于移动机器人；
（２）假设移动机器人的轮胎和地面仅有滚动而无滑动；
（３）移动机器人在作转动时，左右轮的转角与方向始终保持一致。
考虑到ＰｉｏｎｅｅｒＩＩＤＸＥ移动机器人是一个具有二个自由度的移动机器人，其结构模型如图２．１１所示，移动机器人的ＸＯＹ为绝对坐标系，ｘＯＲｙ为相对坐标系，以两轮中心点连线中点ｑ在作为参考点，得到其运动学和动力学嘲㈨渊模型。
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为扰动项，ｑ＝（ｘ，Ｙ，曰），Ａ＝一ｍ（ｘｃｏｓ口＋ｙｓｉｎ力口，Ｔ为马达驱动力矩，口、ｍ、，、Ｄ分别为移动机器人的方向角度、质量、转动惯量和两驱动轮之间的距
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