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1、《機器人控制理論與技術》課程論文基于機遇號火星探測器的移動控制系統(tǒng)分析研究摘要：機器人的移動作為機器人學中的一個重要研究部分，它是傳感技術、控制技術、信息處理技術和電子技術等多門技術相結合的成果。隨著相關技術的不斷發(fā)展，移動式機器人正朝著高速度、高精度、智能化、開放化方向發(fā)展。作為機器人實現(xiàn)快速、準確的核心，其控制系統(tǒng)的優(yōu)良對整個機器人的性能方面起到非常重要的作用。本文以美國“機遇號”火星探測器為例，僅對該款機器人的移動控制系統(tǒng)的功能要求分析，基于對移動控制系統(tǒng)的三種工作模式即非尋跡模式、尋跡模式和
2、尋跡避障模式深入研究后，確定了的總體設計方案。關鍵詞：機器人，控制系統(tǒng)，移動控制系統(tǒng)一.引言“機遇號”火星探測器是美國宇航局在火星上執(zhí)行勘測任務的兩個探測器之一。另一個火星探測器為“勇氣號”，“機遇號”于2003年7月7日發(fā)射2004年1月25日安全著陸火星表面?！皺C遇號”通過對火星為期六年多的勘測，取得了很大的成績：發(fā)現(xiàn)了形成于酸性湖泊的巖石，首次在火星發(fā)現(xiàn)隕石，抵達維多利亞隕坑，并對其進行了為期兩年多的勘測，結果顯示，早期火星曾有面積相當于俄克拉荷馬州大小的一片地下水層。該研究為科學家如何研究火
3、星表面提供了清晰觀點，“機遇號”已經連續(xù)有效運作了超過原本設計(90個日子)30倍的任務時間；由于太陽能發(fā)電板被清潔干凈，它因此能夠繼續(xù)執(zhí)行大量對火星巖石的地質分析和地表描繪。任務的重點包括了完成90個火星日的任務，發(fā)現(xiàn)了火星上的第一個隕石、防熱護盾巖(HeatShieldRock)（在子午線高原），以及超過兩年的時間研究維多利亞撞擊坑。機遇號驚險的在2007年的沙塵暴中存活了下來，現(xiàn)在正朝向努力撞擊坑(Endeavourcrater)前進。8《機器人控制理論與技術》課程論文一.機遇號結構“機遇號”
4、是一個六輪、太陽能動力車，高1.5米、寬2.3米以及長1.6米、180公斤重。六個輪子上有鋸齒狀的凸出紋路(rocker-bogie)來適應地形，每個輪子都有自己的馬達，車體本車裝載于前后端來讓本身能夠在30度的傾斜范圍保持安全。最高車速是50公厘/每秒(2英寸/每秒)，雖然平均速度只有最高車速的五分之一?！皺C遇號”和他的姐妹“勇氣號”都載有紐約世貿大樓的金屬殘片，這些殘片重新制成護盾來保護鉆孔機械上的電纜。太陽能板陣列能夠在每個火星日產生約140瓦的電力讓可充電式的鋰離子電池儲存電力并在晚上使用將
5、近4個小時?！皺C遇號”的車體上的電腦使用了一個20MHZ的RAD6000中央處理器、128MB的DRAM、3MB的EEPROM以及256MB的快閃存儲器。它的車體作業(yè)溫度介于?40°C到40°C，車上由電熱器在必要時能支援的放射性同位素熱點機也提供了基本的溫度控制。一個黃金薄膜和一層二氧化硅氣凝膠進行隔熱，如圖1所示。圖1機遇號火星探測器二.機遇號的移動控制系統(tǒng)設計3.1控制系統(tǒng)的總體要求為了簡化設計難度，明確設計的目標，增強系統(tǒng)的通用性和可靠性，可以通過將一個復雜的系統(tǒng)分解成功能獨立的模塊[1]。
6、經過分析，本文機器人即機遇號的移動功能要求可以簡化為以下兒點：1)模式選擇：機器人在開始工作前，可以設定相應的工作模式。2)移動：機器人可以實現(xiàn)直行、轉彎和旋轉運動。8《機器人控制理論與技術》課程論文3)導航：機器人能夠自主運動，實現(xiàn)尋跡導航和非尋跡導航。4)定位：根據傳感器采集到的信息，得到行走的距離和角度，實現(xiàn)定位功能。5)避障：機器人在尋跡的過程中能夠避開障礙物，沿著設定的軌跡繼續(xù)行進。3.2控制系統(tǒng)方案設計3.2.1控制系統(tǒng)整體方案根據機器人需要完成的任務和負荷的功能，對控制系統(tǒng)進行方案分析
7、和設計,確定系統(tǒng)主要括：電源模塊、模式選擇模塊、處理器模塊、傳感器模塊以及驅動控制和執(zhí)行機構，如圖2所示。圖2控制系統(tǒng)整體方案電源模塊為整個系統(tǒng)的動力源泉，是機器人必不可少的一部分，該模塊的好壞直接影響整個系統(tǒng)。需要將供電源電壓正確的轉換為每個模塊所需要的電源電壓，保證每個模塊的正常工作。模式選擇模塊。機器人三種的移動工作模式：非尋跡模式、尋跡模式、尋跡避障模式。非尋跡模式給定起點和目標點，要求機器人能夠平穩(wěn)的從起始點運動到目標點，并保證到達目標點的位姿。尋跡模式中,要求移動機器人能夠按照設定的軌跡
8、線運行。尋跡避障模式實在尋跡模式的運行軌跡上存在障礙物，要求移動機器人能夠避開障礙物，找到軌跡路線，繼續(xù)前進，本系統(tǒng)選用尋跡避障模式。處理器模塊是整個系統(tǒng)的核心，承擔了整個系統(tǒng)的任務分配工作、數據處理和運動控制。對傳感器模塊采集到的數據進行處理和分析，根據處理分析的結果控制執(zhí)行機構。8《機器人控制理論與技術》課程論文傳感器模塊用于同環(huán)境進行交互，感知自身狀態(tài)，是機器人獲取信息的窗口，是系統(tǒng)做出正確決定的重要依據。驅動控制和執(zhí)行機構負責驅動移動機器人向各個方向的移動，驅
