动机器人ｓＲ４；美国ＡｃｔｉｖＭｅｄｉａＲ０ｂ甜ｃｓ公司用于教学的Ｐ３．Ｄｘ轮式移动机器人；卡内基梅隆研发的Ｎｏｍａｄ移动机器人；美国国家航空航天局闻名遐迩的火星登陆车“勇气号”等。
图１．１ｓｍａｒｔＲｏｂｏｔｓ的ｓＲ４机器人图１．２Ｐ３．Ｄｘ机器人图１．３Ｎｏｍａｄ轮式移动机器人图１．４“勇气号”火星登陆车我国的机器人学研究起步较晚，但进步较快，己在工业机器人、特种机器人和智能机器人各个方面都取得了显著成绩。
在“七五”期间，完成了示教再现工业机器声成套技术（包括机械手、控制系统、驱动传动单元、测试系统的设计、制造应用和小批量生产的工艺技术等）。
为跟踪国外高技术，８０年代国家高技术计划中安排了智能机器人的研究开发，包括水下无缆机器人、高功能装配机器人和多种特种机器人。
进行了智能机器人体系结构、机构、控制、人工智能、机器视觉，高性能传感器及新材料的应用研究，取得了大量成果【６］。
其中，轮式移动机器人的研究也硕果累累。
堕签堡三墨盔堂堡主堂堡丝塞图１．５ＡＳ．Ｒ轮式移动机器人图１．６ｃＡｓｎ．Ｉ轮式移动机器人图１．７“青青”轮式移动机器人图１．８“小蜘蛛”登月车目前，国内研究轮式移动机器人的科研单位及公司主要有研制能力风暴Ａｓ．Ｒ机器人的上海广茂达伙伴机器人有限公司；研制的ｃＡＳＩＡ．１自主移动机器人的中科院自动化所【『７】；研制“青青”轮式移动机器人的哈尔滨工业大学，研制“小蜘蛛”轮式移动机器人登月车的上海交大等。
当前，移动机器人技术的研究与发展的趋势包括有：机器人机构、导航和定位、路径规划、传感器信息融合技术、智能技术、移动机器人传感器技术等研究嗍。
１．２．１机器人机构对于移动机器人，已经研究出能适应地上、水中、空中和宇宙等作业环境的各种移动机构。
当前，对于足式步行机器人、履带式机器人和特种机器人研究较多，但大多数仍处于实验阶段。
而轮式移动机器人由于其控制简单、４堕叠堡三垦奎堂婴主兰垡丝塞第２章移动机器人系统概述一般来说，轮式移动机器人系统主要包括小车机械结构、伺服驱动系统、电源系统、传感器信息采集系统和控制系统等。
以下将分别作些简要介绍各部分，具体将在后续章节详细介绍。
图２．１移动机器人的底盘及整体外观２．１．１移动机器人机械本体移动机器人机械本体结构较为简单，外观主体采用正１２棱形，四层堆栈结构。
考虑小车的强度和刚度要求必须满足其运行和加速时的要求，同时重量不能太重，因而采用硬铝作为车体的材料，小车底盘厚度为６ｍｍ，各分层盘和保护罩均为３衄。
移动机器人的各电子元器部件固定在分层的铝板上，有利于减少其相互之间的干扰。
为了降低车体的重心，与驱动直接有关或重量较大的部件安装在底盘上下，这有利于抗倾翻。
９堕叠鎏三里查堂堡圭兰焦丝塞电机为ＰｒｒｒＭＡＮＧＭ９４１３—２直流伺服电机，其外观如图２．２所示。
图２．２ＰＩＴＴＭＡＮＧＭ９４１３－２型直流伺服电机ＰＩＴｌＭＡＮＧＭ９４１３－２直流伺服电机系统包括直流电机和装配其上的减速齿轮箱及光电码盘三部分，其主要参数如表２．１所示：表２．１Ｐ１１１ＭＡＮＧＭ９４１３．２直流伺服电机系统主要参数额定电压（伏）２４力矩常数（牛·米，安）０．０３９５电动势常数（伏／弧度，秒）Ｏ．０３９５绕组阻抗（欧）８．３３峰值堵转力矩（牛·米）Ｏ．６４峰值堵转电流（安）２．４４峰值堵转电压（伏）约２４空载转速（转／分）２８４静摩擦力矩（牛·米）三抑．００３５电气时间常数（毫秒）Ｏ．７４机械时间常数（毫秒）１．４７热力时间常数（分）１１．１阻尼常数（牛·米·秒）Ｏ．ＯＯＯｌ９减速箱的效率０．７３减速箱最大允许力矩（牛－米）１．２４减速箱减速比１９．７重量（克）４３２码盘（线）５００堕堑堡三墨查堂堡主堂垡堡塞３．２系统核心模块ＰＣＩ０４控制器及其扩展板３．２．１系统核心模块ＳＰＴ一３００Ｋ盛博电子的系统核心模块是高度集成、自栈结构、ＩＢＭ．ＰＣ／ＡＴ兼容的ＰＣＩ０４ＣＰＵ模块。
其在板不仅包含了一般ＰＣ，ＡＴ机的母板、ｌ－２块扩展板的功能，更为嵌入式控制扩展了很多特有功能。
超小尺寸、单＋５ｖ供电、宽工作温度范围，这都使系统核心模块可独立作为一台Ｐｃ／ＡＴ引擎，或与其它Ｐｃｌ０４模块一起构成嵌入式的理想方案。
故选用其图３．２ＳＰ｜Ｉ’－３００Ｋ一款核心模块ＳＰＴ－３００Ｋ【３”，如图３．２所示。
其特点：ｘ８６兼容的６４位第六代处理器，主频３００瑚№ｃＰｕ，２５６ＭｂＲＡＭＰＣＩ０４＋ＢＵＳ总线，支持１６位ＰＣＩ总线，支持３６０刚７２０Ｋ软驱，１．２Ｍ／１．４４Ｍ格式，采用＋５ｖ土５％电源，具有Ｐｓ／２键盘、Ｐｓ彪鼠标接口，Ｏ．１ｗ扬声器接口，ＵｓＢ接口。
３．２．２扩展板ＡＤＴ７００盛博电子的数据采集模块具有加、Ｄ／Ａ、Ｉ协ｅｒ／Ｉ：ｏｕｎｔｃｒ、Ｄｉｇｉ“Ｉ／０等，选用其中一款ＡＤＴ７００ＰＣＩ０４扩展板如图３．３所示［３２】。
其特点是：１６路单端的１２位精度Ａ／Ｄ，其采样频率为ｌｏｏＫ，具有士５ｖ，士１０ｖ和０．１０Ｖ输入范围：４路Ｄ／Ａ；２４路ＴＴＬ／ｃＭＯｓ兼容数字量Ｉ／０；１６位／３２位可选１ＰＣＩ；过压保护：士３５Ｖ。
图３＿３ＡＤＴ７００３．２．３扩展板ＣＤＴ２０００由于ＡＤＴ７００板上的计数器／定时器被用于码盘脉冲计数，其需要四个计数器分别两两级联构成两个２４位的计数器，所以ＡＤＴ７００上的计数器，定时器不够用，因而还选用另一款数据采集板ＣＤＴ２０００【３３】，如图３．４所示。
图３．４ＣＤＴ２０００其特点是：具有３．１２个独立的１６位计数器／定时器（８ＭＨｚ时钟）；４８通道基于ＴＴＬ／ｃＭＯｓ７１０５５的可编程数字量Ｉ，Ｏ：四个中断源经组合，可产生一至四个ＰＣ总线中断；仅需＋５ＶＤＣ电源供电。
３．３无线远程控制如图３．５所示，为了通过计算机网络遥控机器人，进行人机交互、监控、远程操作和图像与控制命令的网络传输及并发多进程数据通讯等应用，该移动机器人利用ＡＰ与无线网卡实现远程控制机与移动机器人之间的点对点无线连接。
萑争白匡妇图３．５移动机器人无线通讯示意图选用的无线网卡为清华同方ｎ｛ＴＦＴＦｗｌ５００Ａ、矾ｒｅｌｅｓｓｕｓＢｃａｒｄ，如图３．６所示。
其具体特点是：兼容于２．４ＧＨｚ无线局域网络的ＩＥＥＥ８０２．１１ｂ标准：兼容于ＰｃＣａｒｄ标准；支持ＰＣｃａｒｄ热插拔功能；１１Ｍｂｐｓ高速传输率；兼容于Ｗｉｎｄｏｗ９眈０００ｍ伍，ｘＰ。
图３．６ＴＦｗｌ５００Ａ无线网卡２４坏并产生高频干扰脉冲，ｃｕ或ｃＤ端的信号要与一或Ｂ一致的必要条件是所有的Ｑｊ全为高电平或Ｑ。
为高低跳变（当ｆ为奇数时，Ｑ。
为高；当ｆ为偶数时，Ｑ．为低），但由于加入的延时作用。
使得这种情况的可能性得到扼制，大多数干扰脉冲被屏蔽【３５州。
３．４．２电机驱动器设计自行研制的电机驱动器如图３．９所示，Ｈ桥电路如图３．１０所示，其工作原理简述如下：驱动器以单片机ＡＴ８９ｓ５２作为控制器，利用ＡＴ８９ｓ５２的Ｐ０和Ｐ２口的输出信号作为ＰｗＭ发生器ｃＰＬＤ芯片ＥＰＭ７０６４的部分Ｉ／ｏ输入控制其ＰｗＭ信号产生。
ＥＰＭ７０６４编程产生４路ＰｗＭ信号分成两组反相的ＰｗＭ信号，分别输入两片带保护功能的场效应管驱动芯片ＩＲ２１１２Ｓ的Ｈｉ。
和Ｌｉ。
，一片ＩＲ２１１２ｓ的两输出端Ｈｏ和Ｌ０的输出驱动Ｈ桥电流放大电路上一桥臂上的两个ｃＯＭｓ管玎盯５４０Ｎ；同理，另一桥臂上的两个ｃＯＭｓ管口玎５４０Ｎ由经反相的ＰＷＭ信号再通过另一片场效应管驱动芯片ＩＲ２１１２Ｓ来驱动，这样就实现了Ｈ桥上的ｃＯＭｓ管Ⅱ心５４０Ｎ的协同开关，进而形成不同电路回路控制直流伺服电机的正反转，并实现电流放大；另外用ＬＭ３５８作为比较器在模拟电路的基础上实现电流环控制。
该驱动器还实现了具有电机鉴相、速度反馈功能，其功率达到了５０ｗ左右，能很好的满足移动机器人的功率驱动要求。
图３．９直流伺服电机驱动器Ｃ肌０００匝煎圈ＡＤＴ７００：……………．匦因《ｏ—剁趸ｊ鄢嗣；匝｝。
÷爿遁固囹ｉ囫《幸号钽亘里回ｉ圈《寺刊埋鄢丽囵｛囫—等≤壁囹区巫乎牛爿叠圄ｊ医塑丑ｄ—趣亟圃ｉ图３．１ｌ信号采集系统框图图３．１２Ｈｌ伽玛０００电子磁罗盘图３．１３ｚＪｓＤ－ｌ角速度传器为了实时获取移动机器人的车体角速度，采用在东北传感技术研究所定制的刀ｓＤ．１型单轴角速度传感器，如图３．１３。
其测量的范围为±６０９／ｓ，输出为Ｏ．５ｖ的模拟量，响应时间为ｌ片坫，测量精度小于４％。
将鄹ｓＤ一１型单轴角速度传感器输出接入数据采集板ＡＤＴ７００的模拟Ｉ／０即可实现主控机对角速度数据实时采集，完成移动机器人角速度的伺服控制。
制向量为“＝ｂ，国】７，其中ｕ为小车的前进速度，国为车体的转动角速度。
图４．１移动机器人运动学模型下面分别推导两轮差动驱动式非完整移动机器人系统的运动学方程和动力学方程【２３】。
首先，进行两轮差动驱动式移动机器人系统的运动学方程推导：非完整约束使移动机器人只能在与两驱动轮轴线垂直的方向上运动。
必须满足以下纯滚动条件：ｊｃｏｓ矽一二ｓｉｎ口一ｄｓｉｎｐ＝ｏ（４．７）文献【３川对此作了证明。
４（ｇ）＝［＿ｓｉＩｌ口ｃｏｓｐ６】，易知ｒｃｏｓ口一６ｓｉｎ口］Ｐ（ｇ）＝ｋ呱４（ｇ））＝Ｉｓｉｎｐ６ｃｏｓ椤Ｉ（４·８）ｌｏ１ｊ则系统的运动学伍ｉｎｅｍａｔｉｅｓ：形状和机构的机器人运动学）状态方程为：ｇ＝＝降御期㈣，如果以Ｑ为参考点，则两轮差动驱动式移动机器人系统的运动学方程简化如下：序模块、红外传感器信息子程序模块、超声，角速度传感器信息子程序模块等。
４．４．１运动控制系统可视化界面运用ｖｉｓｕａｌｃ＋＋６．Ｏ编程工具实现上述运动控制器，程序启动后，该运动控制系统界面如图４．３所示。
它有程序初始化，参数确认，运动模式，定时器停止和运动停止等按钮。
另外，还有参数设定编辑框和反馈信息显示框。
通过该可视化控制界面，操作者操作步骤是：首先输入ＰＤ参数和移动机器人运动参数，然后点击“程序初始化”按钮，进行移动机器人控制系统软硬件的初始化，之后点击“参数确认”按钮，将输入参数设定编辑框的参数值赋予相关变量，在点击运动模式按钮（“启动直线、圆周运动”和“启动ｓＩＮ曲线运动”）之一，移动机器人则进行相关运动。
同时，该界面可以实时的显示移动机器人运动参数的反馈信息，也可以在线改变移动机器人运动参数和运动方式等。
图４．３基于常规ＰＤ算法的移动机器人运动控制器界面。