基于ATmega8515L的舞蹈机器人控制系统设计与研究(1)_甜梦文库
基于ATmega8515L的舞蹈机器人控制系统设计与研究(1)
西北工业大学 硕士学位论文基于ATmega8515L的舞蹈机器人控制系统 姓名：林海华 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：马锡琪
西北 Ｔ业 人学硕士 学位 论文摘要摘要娱乐机器人作为机器人的一个重要分 　　　　 支， 已 经发展为一种产业。 舞蹈机器人 是娱乐机器人的一 种， 它集软件和硬件于 一身， 而 控制系统是机器人的核心， 在机器人 中发 挥着重要的 作用。本文 　　　　 针对舞蹈机器人 控制系统的设计 过程， 主要研究其硬件电路设计、 软件程序设计和 关键算法 。在分析了机器人性能要求和相关控制方法的 　　　　 基础上， 提出了 基于上下位机的控制结构 ，通 过无线通信 方式传输数据和指令 ，从 而实现机器 人的遥控 。 硬 件设计 过程 中，以提高集成度 、减小体积、提 高性价 比为设计原 则，将各 　　　　 部分 电路按照 功能划分 。利用无线通讯模块 ， 实现 上下位机之 间的远程通 信；通 过端 口扩展 ，解决 Ｉ ／ ０资源紧 张问题 ：采用 Ｃ Ｐ Ｌ Ｄ 对机 器人驱 动轮 的脉冲进 行反馈检测， 并加上四倍频环节，提高了检测精度； 通过 工 ２ Ｃ 总线扩展存储器， 满足存放大量舞 蹈动作数据 的要求 。 软件设计过程 中 ，采用模块化 的设计方法 。在上位机 设计友好 的人机界面 ， 　　　　 以方便用 户设置控制参 数和指令 ， 实现 舞蹈动作的可视化 编辑 。 机 器人行走过程 中，采取数字 Ｐ Ｉ Ｄ 算法 ，通过 闭环反馈控制 ，实现机 器人行走 路径的准 确定位， 并结合 同步补偿 算法，可 较好 的解决机器人的直线行 走 问题 。 为了使机 器人 的舞蹈动作 更好地表现音乐 的内涵 ， 　　　　 提 出一种基干音 乐特征 识 别的策略 ， 在音乐 特征 识别的基础上结合专 家系统 、模糊控制 等智 能手 段，通过舞 蹈动作与音乐的自 动匹配、 同步演示等方法， 从而最终实现舞蹈动作与音乐协调 一致 。关键 词：舞蹈机 器人，Ａ Ｖ Ｒ 单 片机 ，舵机调速 ，Ｃ Ｐ Ｌ Ｄ ，　 Ｐ Ｉ Ｄ 控制 ，音乐特征 识别两北 １ 业人学硕 卜 学位 论文Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔＡ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ Ａ 　　　　 ｓ　 ａ ｎ　 ｉ ｍ ｐ ｏ ｒ ｔ ａ ｎ ｔ　 ｂ ｒ ａ ｎ ｃ ｈ　 ｏ ｆ　 ｒ ｏ ｂ ｏ ｔ ，　 Ｅ ｎ ｔ ｅ ｒ ｔ ａ ｉ ｎ ｍ ｅ ｎ ｔ　 ｒ ｏ ｂ ｏ ｔ　 ｈ ａ ｓ　 ｂ ｅ ｃ ｏ ｍ ｅ　 ａ ｎ ｉ ｎ ｄ ｕ ｓ ｔ ｒ ｙ．Ｄ ａ ｎ ｃ ｅ　 ｒ ｏ ｂ ｏ ｔ　 ｉ ｓ　 ｏ ｎ ｅ　 ｏ ｆ　 Ｅ ｎ ｔ ｅ ｒ ｔ ａ ｉ ｎ ｍ ｅ ｎ ｔ　 ｒ ｏ ｂ ｏ ｔ ，　 ｉ ｎ ｃ ｌ ｕ ｄ ｉ ｎ ｇ　 ｈ ａ ｒ ｄ ｗ ａ ｒ ｅ ａ ｎ ｄ　 ｓ ｏ ｆ ｔ ｗ ａ ｒ ｅ ． Ｔ ｈ ｅ　 ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ　 ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ　 ｉ ｓ　 ｔ ｈ ｅ　 ｃ ｏ ｒ ｅ　 ｏ ｆ　 ｔ ｈ ｅ　 ｒ ｏ ｂ ｏ ｔ　 ａ ｎ ｄ　 ｐ ｌ ａ ｙ ｓ　 ａ ｎ ｉ ｍ ｐ ｏ ｒ ｔ ａ ｎ ｔ ．　 ｒ ｏ ｌ ｅ　 ｉ ｎ　 ｔ ｈ ｅ　 ｒ ｏ ｂ ｏ ｔ　 ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ． Ｔ 　　　　 ｈ ｉ ｓ　 ｔ ｈ ｅ ｓ ｉ ｓ　 ａ ｉ ｍ ｓ　 ａ ｔ　 ｔ ｈ ｅ　 ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ　 ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ　 ｏ ｆ　 ｔ ｈ ｅ　 ｄ ａ ｎ ｃ ｅ　 ｒ ｏ ｂ ｏ ｔ ＇　 ｓ　 ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ，　 ｍ ａ ｉ ｎ ｌ ｙ　 ｓ ｔ ｕ ｄ ｙ　 ｈ ａ ｒ ｄ ｗ ａ ｒ ｅ　 ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ，　 ｓ ｏ ｆ ｔ ｗ ａ ｒ ｅ　 ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ　 ａ ｎ ｄ　 ｋ ｅ ｙ　 ａ ｒ ｉ ｔ ｈ ｍ ｅ ｔ ｉ ｃ ． Ｏ 　　　　 ｎ　 ｔ ｈ ｅ　 ｂ ａ ｓ ｅ　 ｏ ｆ　 ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｚ ｉ ｎ ｇ　 ｔ ｈ ｅ　 ｐ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｎ ｃ ｅ　 ｒ ｅ ｑ ｕ ｉ ｒ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ　 ａ ｎ ｄ　 ｒ ｅ ｌ ａ ｔ ｅ ｄ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ　 ｍ ｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｓ ，　 ｗ ｅ　 ｐ ｕ ｔ　 ｆ ｏ ｒ ｗ ａ ｒ ｄ　 ａ　 ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ　 ｂ ａ ｓ ｅ ｄ　 ｏ ｎ　 ｍ ａ ｓ ｔ ｅ ｒ － ｓ ｌ ａ ｖ ｅ ｒ　 ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｍ ｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ，　 ｕ ｓ ｉ ｎ ｇ　 ｗ ｉ ｒ ｅ ｌ ｅ ｓ ｓ　 ｃ ｏ ｍ ｍ ｕ ｎ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ　 ｔ ｏ　 ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｆ ｅ ｒ　 ｄ ａ ｔ ａ　 ａ ｎ ｄ　 ｉ ｎ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｂ ｅ ｔ ｗ ｅ ｅ ｎ　 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ｅ　 ｇ ｏ ａ ｌ　 ｏ ｆ　 ｈ ａ ｒ ｍ ｏ ｎ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ　 ｂ ｅ ｔ ｗ ｅ ｅ ｎｔ ｈｅ　 ｄａ ｎ ｃ ｅ　 ａ ｃｔ ｉ ｏｎ　 ａ ｎ ｄ　 ｍｕ ｓ ｉ ｃ　 ｉ ｎ　 ｔ ｈ ｅ　 ｅ ｎ ｄＫ ｅ ｙ　 Ｗ ｏ ｒ ｄ ｓ ：　 Ｄ ａ ｎ ｃ ｅ　 ｒ ｏ ｂ ｏ ｔ ，　 Ａ Ｖ Ｒ　 Ｓ ｉ ｎ ｇ ｌ ｅ　 Ｃ ｈ ｉ ｐ　 Ｍ ｉ ｃ ｒ ｏ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｌ ｅ ｒ ，　 Ｓ ｔ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ　 ｍ ｏ ｔ ｏ ｒ ｔ ｉ ｍ ｉ ｎ ｇ ，　 Ｃ Ｐ Ｌ Ｄ ，　 　Ｐ Ｉ Ｄ　 ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ，　 Ｍ ｕ ｓ ｉ ｃ　 ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ　 ｉ ｄ ｅ ｎ ｔ ｉ ｆ ｙ西北 下业人学ｇ ； ！ 学位 论文第一章 绪 论第一章互 １ ． １引 言绪论　　　　 从 １ ９ ２ ０ 年捷克斯洛伐克作家卡佩克在他的一 本科幻小说― 《 罗萨 姆的 机 器人万能公司》 中构思和幻想了第一 个名字叫罗伯特 （ Ｒ ｏ ｂ ｏ ｔ ） 的机器人， 到１ ９ ４ ７ 年美国橡树岭国家实验室研制 成功第一台主从遥控机器人，再到 ２ ０ ０ ４ 年３ 月９ Ｎ 索尼公司的 人形机器人 “ Ｑ Ｒ Ｉ Ｏ ” 在东京市 举行的 节目 彩排中 登台亮相， 担任乐队指挥 ， 机器人 的研 制取得 了巨大的发展。机器人 己经 发展成为 一种产业 ， 方兴 未艾 。机器人技术是多门学科和技术的集成， 　　　　 涉及到机器人学、 机电控制、 人工智 能、 通讯、计算机、 传感器技术等多个领域的前沿研究图 。一般来说， 机器人主要 可分为两类 ：一类 是用 于制造 环境下的工业机器人 如焊接 、 搬运、 喷漆机器人 等 ；另一类是 用于非制造 坏境下的特种机器人 如服 务、医疗 、娱乐机 器人等。随 着计 算机、控制 、 传 感等技 术和人 工智能理论 的发展 ， 机 器人技 术正得到突 飞猛 进 的发展 。 机 器人 已被广泛 应用于工业领域 的各行各 业，从事 如焊接 、搬运、装 配等工作 ：同时其 也被逐渐应用 于军事 、医疗和其它 一些服务行业 。 机器人 主要 由执行机构 和控 制系统组成， 　　　　 如 果将执 行机构 比作 为人的肌体，则 控制系统就可比作人的大 脑和神经中枢， 因而机器人的先进程度与功能强弱通 常都直接与其控制系统的性能密切相关。 机器人控制系统是根据指令及传感信息 控制机器人完成一定的动作 或作业 任务的装置， 它是 机器人的心脏， 决定了 机器 人性能的 优劣［ ｓ ） 。 作为机器人的核心部分， 机器人控制系统是影响机器人性能的关键部分之 一，它从一定程度 上影响着机器人的发展 。 目前 ， 　　　　 由于人工 智能、 计算机科学、 传感器技术及其 它相关学 科的长足进 步， 使得 机器人 的研 究在高水平上进 行， 同时也为机 器人控 制系统 的性 能提 出更高的 要求 。因此 ，提 高机 器人控制系统 的开放 性，建立开放 式、模块化 先进机器人控 制 平台， 提 出先进机 器人的控制理论与 方法，为长远 的多机器人 协调与控制的发 展 奠定基础 ，将 会是今后机器 人研 究的一个重要课题 。＇ １ ． ２研究背景机器 　　　　 人是 ２ ０ 世纪人类最伟大的发明之一。 从某种意 义上讲，一个国家机器人技 术水平的 高低 反映 了这个 国家综合技术实力 的高低。 机器人 已在工业领域得 到 了广泛 的应用 ，而且 正以惊人的速度不断 向军事、医疗 、服务 、娱乐等非工业 领域扩 展。毋庸质 疑，２ １世纪机器人技 术必将得到更 大的发展 ，成 为各国必争 之 知识经济制高点 。西北 下业人学ｇ ； ！ 学位 论文第一章 绪 论第一章互 １ ． １引 言绪论　　　　 从 １ ９ ２ ０ 年捷克斯洛伐克作家卡佩克在他的一 本科幻小说― 《 罗萨 姆的 机 器人万能公司》 中构思和幻想了第一 个名字叫罗伯特 （ Ｒ ｏ ｂ ｏ ｔ ） 的机器人， 到１ ９ ４ ７ 年美国橡树岭国家实验室研制 成功第一台主从遥控机器人，再到 ２ ０ ０ ４ 年３ 月９ Ｎ 索尼公司的 人形机器人 “ Ｑ Ｒ Ｉ Ｏ ” 在东京市 举行的 节目 彩排中 登台亮相， 担任乐队指挥 ， 机器人 的研 制取得 了巨大的发展。机器人 己经 发展成为 一种产业 ， 方兴 未艾 。机器人技术是多门学科和技术的集成， 　　　　 涉及到机器人学、 机电控制、 人工智 能、 通讯、计算机、 传感器技术等多个领域的前沿研究图 。一般来说， 机器人主要 可分为两类 ：一类 是用 于制造 环境下的工业机器人 如焊接 、 搬运、 喷漆机器人 等 ；另一类是 用于非制造 坏境下的特种机器人 如服 务、医疗 、娱乐机 器人等。随 着计 算机、控制 、 传 感等技 术和人 工智能理论 的发展 ， 机 器人技 术正得到突 飞猛 进 的发展 。 机 器人 已被广泛 应用于工业领域 的各行各 业，从事 如焊接 、搬运、装 配等工作 ：同时其 也被逐渐应用 于军事 、医疗和其它 一些服务行业 。 机器人 主要 由执行机构 和控 制系统组成， 　　　　 如 果将执 行机构 比作 为人的肌体，则 控制系统就可比作人的大 脑和神经中枢， 因而机器人的先进程度与功能强弱通 常都直接与其控制系统的性能密切相关。 机器人控制系统是根据指令及传感信息 控制机器人完成一定的动作 或作业 任务的装置， 它是 机器人的心脏， 决定了 机器 人性能的 优劣［ ｓ ） 。 作为机器人的核心部分， 机器人控制系统是影响机器人性能的关键部分之 一，它从一定程度 上影响着机器人的发展 。 目前 ， 　　　　 由于人工 智能、 计算机科学、 传感器技术及其 它相关学 科的长足进 步， 使得 机器人 的研 究在高水平上进 行， 同时也为机 器人控 制系统 的性 能提 出更高的 要求 。因此 ，提 高机 器人控制系统 的开放 性，建立开放 式、模块化 先进机器人控 制 平台， 提 出先进机 器人的控制理论与 方法，为长远 的多机器人 协调与控制的发 展 奠定基础 ，将 会是今后机器 人研 究的一个重要课题 。＇ １ ． ２研究背景机器 　　　　 人是 ２ ０ 世纪人类最伟大的发明之一。 从某种意 义上讲，一个国家机器人技 术水平的 高低 反映 了这个 国家综合技术实力 的高低。 机器人 已在工业领域得 到 了广泛 的应用 ，而且 正以惊人的速度不断 向军事、医疗 、服务 、娱乐等非工业 领域扩 展。毋庸质 疑，２ １世纪机器人技 术必将得到更 大的发展 ，成 为各国必争 之 知识经济制高点 。丙北 １业人 转 　 ４ ４ ！ ｝ 学位 论文第一章 绪 论为 了推动 机器人及 智能控制技 术的发展， 　　　　 国际上推 出了不 同类型 的机 器人比 赛 ，如机 器 人足球 、机 器人灭火、机器人相扑、机器 人投篮球 等，其中尤以机器 人足球 比赛最 为引人注 目。 机器人 比赛是具有很强观赏性和趣 味性的 高技 术对抗赛， 涉及人工智能、 机器人学、 通讯、 传感、 精密机构和仿生材料等领域的前沿研究和技术集 成。机器人竞 赛是科普活动的一个 良好载 体，同时也是基础研 究的 一个大舞 台。随着机器人技术的发展， 　　　　 一些供学生比 赛和动手制作的机器人相继问世， 为了让更 多的学生对机 器人感兴趣 ，中央电视台、教育部 、中国科协等 都支持 了一 此机器 人比赛 ， 日前 各种形式的机 器人比赛己有几十种 ，参 加的学生越来越 多， 机器人课也 己列入学 生的选修课程 ，事 实上，一个新的 素质 教育平 台正在形成 。 为 了更好 的普及现代科 学知 识， 为我 国的机器人事业 培养更 多的优 秀人才 ， 推动 自动化 与机器 人技 术的发 展与创 新，为我 国的快速持续 发展贡 献力 量，国 内于 ２ ０ ０ １ 年 ６月成立 了机 器人竞赛工作委 员会 ，负责统一协 调、组织全 国的机器人竞赛活动包括机器人足球比 赛、 机器人舞蹈比 赛等。 该委员 会的成立标志 着我国机器人竟 赛事业进入 一个崭新阶段 。目 　　　　 前， 机器人竞赛正 在我国如火如茶的 发展， 中 央电视台一年一度的电视机机器人竞赛 、中国 自动化 协会举办 的全 国机器人大 赛、国 内的一些高校 如中国科 技大学、中 国矿业 大学等 开展的机器人活动周 ， 正吸 引着越 来越多的大学 生参 与 到机器人 的开发与研 究中来 。＇　 １ ． ３国内外研究现状＇ １ ． ３ ． １ 国外研 究现状作为机器人的一个分支， 　　　　 娱乐机器人Ｄ ） 将会是 ２ １ 世 纪机器人主 要民用 用途之 一，如音乐 机器人 和跳舞机器人等 。机器人吹奏乐器 在国外 己有成功 的报道 ， 包括 日木政法 大学研 制的萨克斯 自 动演 奏机器人和小号 自 动 演奏机器人 、 日 本早 稻Ｆ ｌ ｌ 大学 开发的 Ｗ Ｆ系列长笛 自 动演奏 机器人、 日本 电气通 信大学的大 、小提琴 演奏机器人 等。娱乐机器人 可以为人们缓解精神上 的疲劳 。 很 多当前最流行 的娱 乐型机器人其 实就是玩 具，但是这样 的机 器人玩具无疑 是市场上最吸 引人 眼球的。近年来，全球商业性娱乐机器人正以每年 ３ ５ ％的惊人 速度递增。在娱乐机 器人方 面，有 “ 　　　　 机器 人王国 ”之称的 日本走 在 了研发 的前沿 ，它是 宠物机器 人的发源地 ，也是世 界 上第一台类人娱乐机 器人的产地 。日 　　　　 本万代公司 试制出的家用娱乐机器人 “ Ｂ Ｎ － ７ ＂『 钊 ，能识 别出 谈话对象是谁，并能借助 各种手势 和语音方式 与人交谈。 ＂ Ｂ Ｎ －７ ”还具有 “ 感情表达 ”功 能，高兴 时，它 的而烦 会变 红 ， 不 知所措时 ， 它 的脸色会变 蓝。在声音 识别功能丙北 １业人 转 　 ４ ４ ！ ｝ 学位 论文第一章 绪 论为 了推动 机器人及 智能控制技 术的发展， 　　　　 国际上推 出了不 同类型 的机 器人比 赛 ，如机 器 人足球 、机 器人灭火、机器人相扑、机器 人投篮球 等，其中尤以机器 人足球 比赛最 为引人注 目。 机器人 比赛是具有很强观赏性和趣 味性的 高技 术对抗赛， 涉及人工智能、 机器人学、 通讯、 传感、 精密机构和仿生材料等领域的前沿研究和技术集 成。机器人竞 赛是科普活动的一个 良好载 体，同时也是基础研 究的 一个大舞 台。随着机器人技术的发展， 　　　　 一些供学生比 赛和动手制作的机器人相继问世， 为了让更 多的学生对机 器人感兴趣 ，中央电视台、教育部 、中国科协等 都支持 了一 此机器 人比赛 ， 日前 各种形式的机 器人比赛己有几十种 ，参 加的学生越来越 多， 机器人课也 己列入学 生的选修课程 ，事 实上，一个新的 素质 教育平 台正在形成 。 为 了更好 的普及现代科 学知 识， 为我 国的机器人事业 培养更 多的优 秀人才 ， 推动 自动化 与机器 人技 术的发 展与创 新，为我 国的快速持续 发展贡 献力 量，国 内于 ２ ０ ０ １ 年 ６月成立 了机 器人竞赛工作委 员会 ，负责统一协 调、组织全 国的机器人竞赛活动包括机器人足球比 赛、 机器人舞蹈比 赛等。 该委员 会的成立标志 着我国机器人竟 赛事业进入 一个崭新阶段 。目 　　　　 前， 机器人竞赛正 在我国如火如茶的 发展， 中 央电视台一年一度的电视机机器人竞赛 、中国 自动化 协会举办 的全 国机器人大 赛、国 内的一些高校 如中国科 技大学、中 国矿业 大学等 开展的机器人活动周 ， 正吸 引着越 来越多的大学 生参 与 到机器人 的开发与研 究中来 。＇　 １ ． ３国内外研究现状＇ １ ． ３ ． １ 国外研 究现状作为机器人的一个分支， 　　　　 娱乐机器人Ｄ ） 将会是 ２ １ 世 纪机器人主 要民用 用途之 一，如音乐 机器人 和跳舞机器人等 。机器人吹奏乐器 在国外 己有成功 的报道 ， 包括 日木政法 大学研 制的萨克斯 自 动演 奏机器人和小号 自 动 演奏机器人 、 日 本早 稻Ｆ ｌ ｌ 大学 开发的 Ｗ Ｆ系列长笛 自 动演奏 机器人、 日本 电气通 信大学的大 、小提琴 演奏机器人 等。娱乐机器人 可以为人们缓解精神上 的疲劳 。 很 多当前最流行 的娱 乐型机器人其 实就是玩 具，但是这样 的机 器人玩具无疑 是市场上最吸 引人 眼球的。近年来，全球商业性娱乐机器人正以每年 ３ ５ ％的惊人 速度递增。在娱乐机 器人方 面，有 “ 　　　　 机器 人王国 ”之称的 日本走 在 了研发 的前沿 ，它是 宠物机器 人的发源地 ，也是世 界 上第一台类人娱乐机 器人的产地 。日 　　　　 本万代公司 试制出的家用娱乐机器人 “ Ｂ Ｎ － ７ ＂『 钊 ，能识 别出 谈话对象是谁，并能借助 各种手势 和语音方式 与人交谈。 ＂ Ｂ Ｎ －７ ”还具有 “ 感情表达 ”功 能，高兴 时，它 的而烦 会变 红 ， 不 知所措时 ， 它 的脸色会变 蓝。在声音 识别功能丙北 １业人 转 　 ４ ４ ！ ｝ 学位 论文第一章 绪 论为 了推动 机器人及 智能控制技 术的发展， 　　　　 国际上推 出了不 同类型 的机 器人比 赛 ，如机 器 人足球 、机 器人灭火、机器人相扑、机器 人投篮球 等，其中尤以机器 人足球 比赛最 为引人注 目。 机器人 比赛是具有很强观赏性和趣 味性的 高技 术对抗赛， 涉及人工智能、 机器人学、 通讯、 传感、 精密机构和仿生材料等领域的前沿研究和技术集 成。机器人竞 赛是科普活动的一个 良好载 体，同时也是基础研 究的 一个大舞 台。随着机器人技术的发展， 　　　　 一些供学生比 赛和动手制作的机器人相继问世， 为了让更 多的学生对机 器人感兴趣 ，中央电视台、教育部 、中国科协等 都支持 了一 此机器 人比赛 ， 日前 各种形式的机 器人比赛己有几十种 ，参 加的学生越来越 多， 机器人课也 己列入学 生的选修课程 ，事 实上，一个新的 素质 教育平 台正在形成 。 为 了更好 的普及现代科 学知 识， 为我 国的机器人事业 培养更 多的优 秀人才 ， 推动 自动化 与机器 人技 术的发 展与创 新，为我 国的快速持续 发展贡 献力 量，国 内于 ２ ０ ０ １ 年 ６月成立 了机 器人竞赛工作委 员会 ，负责统一协 调、组织全 国的机器人竞赛活动包括机器人足球比 赛、 机器人舞蹈比 赛等。 该委员 会的成立标志 着我国机器人竟 赛事业进入 一个崭新阶段 。目 　　　　 前， 机器人竞赛正 在我国如火如茶的 发展， 中 央电视台一年一度的电视机机器人竞赛 、中国 自动化 协会举办 的全 国机器人大 赛、国 内的一些高校 如中国科 技大学、中 国矿业 大学等 开展的机器人活动周 ， 正吸 引着越 来越多的大学 生参 与 到机器人 的开发与研 究中来 。＇　 １ ． ３国内外研究现状＇ １ ． ３ ． １ 国外研 究现状作为机器人的一个分支， 　　　　 娱乐机器人Ｄ ） 将会是 ２ １ 世 纪机器人主 要民用 用途之 一，如音乐 机器人 和跳舞机器人等 。机器人吹奏乐器 在国外 己有成功 的报道 ， 包括 日木政法 大学研 制的萨克斯 自 动演 奏机器人和小号 自 动 演奏机器人 、 日 本早 稻Ｆ ｌ ｌ 大学 开发的 Ｗ Ｆ系列长笛 自 动演奏 机器人、 日本 电气通 信大学的大 、小提琴 演奏机器人 等。娱乐机器人 可以为人们缓解精神上 的疲劳 。 很 多当前最流行 的娱 乐型机器人其 实就是玩 具，但是这样 的机 器人玩具无疑 是市场上最吸 引人 眼球的。近年来，全球商业性娱乐机器人正以每年 ３ ５ ％的惊人 速度递增。在娱乐机 器人方 面，有 “ 　　　　 机器 人王国 ”之称的 日本走 在 了研发 的前沿 ，它是 宠物机器 人的发源地 ，也是世 界 上第一台类人娱乐机 器人的产地 。日 　　　　 本万代公司 试制出的家用娱乐机器人 “ Ｂ Ｎ － ７ ＂『 钊 ，能识 别出 谈话对象是谁，并能借助 各种手势 和语音方式 与人交谈。 ＂ Ｂ Ｎ －７ ”还具有 “ 感情表达 ”功 能，高兴 时，它 的而烦 会变 红 ， 不 知所措时 ， 它 的脸色会变 蓝。在声音 识别功能西北 Ｔ业 大学硕 卜 学位论 文第 一章 绣 论方面，＂ Ｂ Ｎ －７ ” 能听 懂Ｉ ０ ０ 个单词， 与预先输入的 １ ０ ０ ０ 个单词组合， 它最多能 用６ ５ ０ ０ （ ） 种词句回 答问题。丰田公司 也开发了一种娱乐 机器人 ， 　　　　 吹奏喇叭是它 的特 长 ， 它 的人造 嘴唇能 够 改变 与喇叭的接触 位置 ， 模拟人吹 喇叭的气 流 。 由金属和塑 料制成 的手 则按动 着 喇叭的音栓 ，一边演奏 曲子 ，它闪闪发亮的身体 还一边随着 音乐摆动 。当一曲 终 了，机器人还 会向听众鞠 躬并挥手致意 。１ 　　　　 ９ ９ ９ 年 ６月，日 本索 尼公司宣布， 将在日 本和美国限 量销售该公司 研制的娱乐机器人― 机 器小狗 “ Ａ Ｉ Ｂ Ｏ ＂。 ＂ Ａ 工 Ｂ Ｏ ”首 次在 公开场合露 面是在 １ ９ ９ ７年日 本举行的国际机器人展览会上，当时就引 起了观众极大的兴趣。 ＂ Ａ 工 Ｂ Ｏ ” 有６ 种不同的情感状态： 喜、 怒、 哀、 惊、 Ａ和怨， 从而呈现给人一个丰富多彩的感情 世界。 ＂ Ａ Ｉ Ｂ Ｏ ”像 幼童一样 有学习期 、 成长期和 成就期 。 在 学习期它可 以经过人的 辅导培养本领和性格； 在成长期可以了 解周围 世界，观察和倾听各种事 情，积 累经验 ；在成年 期则具有 丰富的情感 、自主的本 能和 与主人进 行交流 。继推出第一代、 第二代“ Ａ Ｉ Ｂ Ｏ “ 后， 索尼公司又于 ２ ０ ０ １ 年９ 月２ ２ 日 发布了 第三代 Ａ Ｉ Ｂ Ｏ ． Ａ Ｉ Ｂ Ｏ　 ｉ ｉ ｉ 采用全新的６ ４ 位Ｒ Ｉ Ｓ Ｃ 架构 Ｃ Ｐ Ｕ ，可以记 录和识别 ７ ５ 个语音，而且还 能自 动模仿人类讲话的 声音， 会 根据不同的心情而唱出不同调子的歌曲， 更可爱的是它们之 间还 可 以相互交 流信 息 。 ２ 　　　　 ０ ０ ０年 １ １ 月２ ０日本 田技研 工业推出新型双脚步 行机器人 Ａ Ｓ Ｉ Ｍ Ｏ ， 该机 器人配备了被称为 “ ｉ － Ｗ Ａ Ｌ Ｋ ”的步行控制技术， 使其更接近于人类的 步行方式， 除了 可以实现自由 步行如前 进、 后退、 斜向步行、原地转身等动作外， Ａ Ｓ Ｉ Ｍ Ｏ 还可以 执行诸如握手、 鞠躬等事先登记的身 体动作， 并能实现踢球和舞蹈。 在本田 推出 Ａ Ｓ Ｉ Ｍ Ｏ 的第二天， 索尼公司也 推出人型娱乐 机器人 Ｓ Ｄ Ｒ － ３ Ｘ ， 该 机器人可以实 现左右 转身、单腿 站立 、踢球 、按照音乐节拍翩翩起舞 等 ７ 种动作 ，另外它还 配备声音识别和图 像识别功能，能够识别 ２ ０ 种声音， 可以讲由声 音合成的 ２ ０ 种语言。２ 　　　　 ０ ０ ２ 年 ，索 尼公 司又 “ 成功地制造 出了能歌善舞 的娱乐机 器人 ”Ｓ Ｄ Ｒ － ４ Ｘ ．除了具备 影象识别、声音识别和声音合成系统， Ｓ Ｄ Ｒ － ４ Ｘ身上还装置了 带有 记 忆功能的交 流和运 动控 制系统 ，这 使得它能够 与人进 行更加丰 富 的交 流。此外 ， Ｓ Ｄ Ｒ － ４ Ｘ的娱 乐服 务质量 也得到提升 ，它可 以存储对人 体及物体 位置 的信 息，处 理 更加复杂的动 作，例如 ，如果将音乐和 歌词输 入它的身体 ，它就可 以唱 歌。２ 　　　　 ０ ０ ３ 年７ 月１ ５日，日 本Ｔ ｏ ｈ ｏ ｋ ｕ 大学设计开发出可以 在人的带领下跳华 尔 兹舞 蹈的机器人洲， 该机器人能 够根据舞者的动作预测其下一 个动作， 从而可以随 着音 乐 节奏来代 替人类跳 舞。２ 　　　　 ０ ０ ３ 年１ ２ 月， 索尼公司开发出世界上第一个会跑的机器人 Ｑ ｒ ｉ ｏ， 其跑步 速度达到每分钟约 １ ３ ．　 ７ 米并能够做流畅的 舞蹈动作娱乐观众：在手指的控制能力上，Ｑ ｒ ｉ ｏ能够象 棒球 手一样将棒球抛 出约 ３ － ４米的距 离，并且能在跳舞 的时 候手中握有扇 了。 除了能够行 走、 跳 舞， 它还 能完成 以往机 器人无法实现 的动 作，西北 Ｔ业 人学顿 ｝ 学位论 文第 一章 绪论比如指挥一场 小型交响 音乐会 。Ｑ ｒ ｉ 。 的重大技术突破 在于 能够双脚 同时 离地 稳 定 前进 ， 而 目前其他 的所有 仿人机器人 都必须 随时有 一只脚 与地 面接触才 能稳 定 移动 ，无疑 ，Ｑ ｒ ｉ ｏ的研制成 功将是机器人发展 史上的一 大步。２ 　　　　 ０ ０ ５ 年１ 月，日 本产业 技术研究所开发的名 为Ｈ Ｒ Ｐ － ２ 双足拟人机器人亮相东京 。其研究 人 员利用特殊摄 像机将艺术家跳 舞的画面输 入电脑 ， 并对头 、 手等３ ２个部位的 动作进行解析，然后将解析后的数据输入给机器人，利 用这些数据控制机器人 手的动作和脚 步， 从 而使 Ｈ Ｒ Ｐ － ２ 的动作可 以和 人一样连贯 ， 实现机器 人的翩翩起舞 。 除了 日本 以外 ， 　　　　 欧美等 主要国家很 多公司和研 究所也对 娱乐机器人进行 了大量的研究工 作，并已 经制造出相应的娱乐机器人产品投放市场。 美国Ｗ 　　　　 ｏ ｗ Ｗ ｅ ｅ 公司开发的 机器人Ｒ ｏ ｂ ｏ ｓ ａ ｐ ｉ ｅ ｎ ＂ ｌ ， 是美国市场上最畅 销的娱乐机器人。它身 高 １ ４英寸 ，全 身有多个高度灵活 的关节，手指可 以开合抓 取物品， 通过预先 设定好 的程序 ，能够 做出 ６ ７ 种 复杂 的动作 ，包括投掷 、武术 、舞蹈、闲逛等等。加拿大Ｄ Ｒ ．　 Ｒ ｏ ｂ ｏ ｔ 公司开发的 Ｄ Ｒ ．　 Ｒ ｏ ｂ ｏ ｔ ＇ ＂ 人型 机器人，身高６ ０ ｃ ｍ ， 既 可 以用于娱乐目的也可以作为家庭服务机器人。 美国 Ｕ ｔ ａ ｈ 州Ｓ ａ ｒ ｃ ｏ ｓ 公司月 ： 发了一款真人 大小 的娱乐 型类人机 器人 。韩国 的 Ｓ Ｅ Ｇ Ａ 公司 制造 出一对老 鼠形状 的“ 数字机器人川 ”， 这种机器人能生长并具有个性， 甚至可以与异性约会。 人们可以从网上下载 有关软件 来调动机器人的行 为， 如 让它唱歌 、 玩游 戏、与主人 表 示友好等。 几年前 ， 　　　　 美 国特 种机器人协会 曾举办了一场别开 生面的音乐会 ， 演唱者是 美国依阿华州州立大学研制的 机器人歌手 “ 帕瓦罗蒂”１ ｓ １ 。 其研制者事先成功地获 得了帕瓦罗蒂演唱时胸腔、 颅腔和腹腔内 空气振动的频率、 波长、 压力及空气的流量等数据 ，再用先进 的电脑 系统进行 “ 最逼 真的模 拟 ”， 然后 再进行仿制 ， 从而使机器人歌手的表演可跟帕瓦罗蒂相媲美， 甚至它的 语调声音、 用词造句也与帕瓦罗蒂如 出一人 ，以致 于特 种机器人协会 的专家阿姆斯特 朗评价道 ： “ 目前世 界上娱乐机器人 的水平仅 能仿制人的体型外貌 ， 能在手脚的动作及 面部表情 上有 ‘ 　　 拙 劣的模仿 就不错 了 ’ ，而眼 前的 ‘帕瓦罗蒂 ’能取得如此优异的成绩 ，确 实是向前迈进 了一大步 ，因此依阿华大学 的这次成 功意义深远 。 ” ＇　 １ ． ３ ． ２国 内研 究现状 随着世界机器 人技术 的发展和市场的形成 ， 　　　　 我 国在机器人科 学研 究、 技术开 发和应 用工程等 方面取得 了可喜的进步 。我 国的机 器人 研究开始于 ７ ０年代 ，但 由于募 础条件薄弱 、关键技 术与部件不配套 、 市场应 用不足等种种原 因，未能形成 真正的产品。 ８ ０年代中期， 在国 家科技 攻关项目的支持下，我国机器人研究开发进 入了一 个新 阶段 ， 形成 了机 器人发展的一次高潮 。 从８ ０ 年代末到 ９ ０年代 ，西北 Ｔ业 人学顿 ｝ 学位论 文第 一章 绪论比如指挥一场 小型交响 音乐会 。Ｑ ｒ ｉ 。 的重大技术突破 在于 能够双脚 同时 离地 稳 定 前进 ， 而 目前其他 的所有 仿人机器人 都必须 随时有 一只脚 与地 面接触才 能稳 定 移动 ，无疑 ，Ｑ ｒ ｉ ｏ的研制成 功将是机器人发展 史上的一 大步。２ 　　　　 ０ ０ ５ 年１ 月，日 本产业 技术研究所开发的名 为Ｈ Ｒ Ｐ － ２ 双足拟人机器人亮相东京 。其研究 人 员利用特殊摄 像机将艺术家跳 舞的画面输 入电脑 ， 并对头 、 手等３ ２个部位的 动作进行解析，然后将解析后的数据输入给机器人，利 用这些数据控制机器人 手的动作和脚 步， 从 而使 Ｈ Ｒ Ｐ － ２ 的动作可 以和 人一样连贯 ， 实现机器 人的翩翩起舞 。 除了 日本 以外 ， 　　　　 欧美等 主要国家很 多公司和研 究所也对 娱乐机器人进行 了大量的研究工 作，并已 经制造出相应的娱乐机器人产品投放市场。 美国Ｗ 　　　　 ｏ ｗ Ｗ ｅ ｅ 公司开发的 机器人Ｒ ｏ ｂ ｏ ｓ ａ ｐ ｉ ｅ ｎ ＂ ｌ ， 是美国市场上最畅 销的娱乐机器人。它身 高 １ ４英寸 ，全 身有多个高度灵活 的关节，手指可 以开合抓 取物品， 通过预先 设定好 的程序 ，能够 做出 ６ ７ 种 复杂 的动作 ，包括投掷 、武术 、舞蹈、闲逛等等。加拿大Ｄ Ｒ ．　 Ｒ ｏ ｂ ｏ ｔ 公司开发的 Ｄ Ｒ ．　 Ｒ ｏ ｂ ｏ ｔ ＇ ＂ 人型 机器人，身高６ ０ ｃ ｍ ， 既 可 以用于娱乐目的也可以作为家庭服务机器人。 美国 Ｕ ｔ ａ ｈ 州Ｓ ａ ｒ ｃ ｏ ｓ 公司月 ： 发了一款真人 大小 的娱乐 型类人机 器人 。韩国 的 Ｓ Ｅ Ｇ Ａ 公司 制造 出一对老 鼠形状 的“ 数字机器人川 ”， 这种机器人能生长并具有个性， 甚至可以与异性约会。 人们可以从网上下载 有关软件 来调动机器人的行 为， 如 让它唱歌 、 玩游 戏、与主人 表 示友好等。 几年前 ， 　　　　 美 国特 种机器人协会 曾举办了一场别开 生面的音乐会 ， 演唱者是 美国依阿华州州立大学研制的 机器人歌手 “ 帕瓦罗蒂”１ ｓ １ 。 其研制者事先成功地获 得了帕瓦罗蒂演唱时胸腔、 颅腔和腹腔内 空气振动的频率、 波长、 压力及空气的流量等数据 ，再用先进 的电脑 系统进行 “ 最逼 真的模 拟 ”， 然后 再进行仿制 ， 从而使机器人歌手的表演可跟帕瓦罗蒂相媲美， 甚至它的 语调声音、 用词造句也与帕瓦罗蒂如 出一人 ，以致 于特 种机器人协会 的专家阿姆斯特 朗评价道 ： “ 目前世 界上娱乐机器人 的水平仅 能仿制人的体型外貌 ， 能在手脚的动作及 面部表情 上有 ‘ 　　 拙 劣的模仿 就不错 了 ’ ，而眼 前的 ‘帕瓦罗蒂 ’能取得如此优异的成绩 ，确 实是向前迈进 了一大步 ，因此依阿华大学 的这次成 功意义深远 。 ” ＇　 １ ． ３ ． ２国 内研 究现状 随着世界机器 人技术 的发展和市场的形成 ， 　　　　 我 国在机器人科 学研 究、 技术开 发和应 用工程等 方面取得 了可喜的进步 。我 国的机 器人 研究开始于 ７ ０年代 ，但 由于募 础条件薄弱 、关键技 术与部件不配套 、 市场应 用不足等种种原 因，未能形成 真正的产品。 ８ ０年代中期， 在国 家科技 攻关项目的支持下，我国机器人研究开发进 入了一 个新 阶段 ， 形成 了机 器人发展的一次高潮 。 从８ ０ 年代末到 ９ ０年代 ，西北工业大学硕 士学位 论文第一章 绪 论国家８ ６ ３ 计划把机器人列为自 动化领域的重要研究课题， 系统地开展了 机器人基础科学 、 关键 技术与机 器人元部件 、目标产品 、 先进机 器人系统集 成技术 的研 究 及机器人在 自动化工程 上 的应用 。 目前像中科院沈 阳 自动化所 、北京 自 动化所 、哈尔滨工业大学、 北京航空航天大学、 清华大学等一些单位都做了非常重要的 研究工作 ， 也取 得 了很 多的成果 ， 比较有代表性的研 究有工业机器 人 、 水下机器 人、 空间机 器人 ，都在国际上 处于领先水 平。然而 ，总体 上我国与发达 国家相 比， 还 存在很 大的差距 ，主要表现 在，在机器人的产业化 方面，目前还 没有固定 的成 熟 的产品 。当 前， 我 国机器人 面对 两大任务 ： ①机器人研 究与开 发如何更好地 为国民 经济服务 ， 并在实践中不断提高； ②机器人如何走向产业化并参与国际竞争。 在２ 　　　　 ０ ０ ４ 年东北亚高新技术及产品博览会上，中科院自 动化所研制的具 有自 主 知识产权的 “ 科普娱乐机器人” 〔 ５ ， 亮相， 该机器人凝练了 语音识别和人机交互 技术， 综合集成了机器人表情控制技术、 机械设计技术、 电气和电子技术、 计算 机软件技术和人工智能技术。 该 机器人最大的魅力在于它拥有自己的 情感， 通过自然 的语音交 互方 式控制 ，可做出包括喜、怒 、哀 、乐等 ３ ０多个 可爱 、滑稽 的 表情 。上海交通大学机器人所 　　　　 研制的机器人 “ 长笛演奏家” ［ ５ Ｊ ， 可用 １ ０个金属手指灵活地按动 发音孔 ， 吹出一 曲悠扬 的 《 春江花月夜》 ， 除 了模拟 手指， 这位 “ 演 奏家 ”还有一 个人工肺 ，吸气、吐气都受过 “ 专 门训练 ”，音域 圆润而 宽广 。 海尔机 器人 公司推 出的娱乐 机器 狗，可 以摇头 摆尾，眼睛发光 ， “ 　　　　 唱 ”几 首 流行歌 曲。该公司开 发的娱乐类宠物机器人包 括机 器猫 、机器狗 、机器龙 、 机器 鸟等 多种中 国传 统吉祥类 动物形象 ，此类产 品更加 贴近真 实的生活，充满趣 味、灵性，亲切向上。可以 预料，我国 企业自 行生产的更可爱的 机器宠物如狗、 猫、鱼、鸟 ，能开 能闭、能变 色、有香味的花 ，将 可能成为人们生 活中的 “ 伴侣 ”。妇． ４论文主要研究内容本论文以全国大学生舞蹈机器人大赛作为实 　　　　 验和应用背景， 主要研究舞蹈机器人 的控制系统 结构及其 运动控制机制 。 论文 以工控机和 Ａ Ｖ Ｒ单片机作为机器人 的控制 核心 ， 在现 有舞蹈 机器人 的基础上 ， 加 上相应 的结 构和 功能扩展 ， 通过 建 立控 制系统的软 、硬件结 构，实现机器 人的运 动控制和 上下位机 通信 ， 从 而完成 整个机器 人控 制系统的研 究。 论文 主要章节 安排如 下： 　　　　 第 一章 绪 论 　　　　 介绍 论文研 究背景 、国内外机器人 的发展 与研究现状 。 　　　　第二章 机器人控制系统总体方案设计 　　　　分 析机器 人的本体结 构和功能技术要求 ，并阐述 了机 器人的相关控制技 术， 　　　　西北工业大学硕 士学位 论文第一章 绪 论国家８ ６ ３ 计划把机器人列为自 动化领域的重要研究课题， 系统地开展了 机器人基础科学 、 关键 技术与机 器人元部件 、目标产品 、 先进机 器人系统集 成技术 的研 究 及机器人在 自动化工程 上 的应用 。 目前像中科院沈 阳 自动化所 、北京 自 动化所 、哈尔滨工业大学、 北京航空航天大学、 清华大学等一些单位都做了非常重要的 研究工作 ， 也取 得 了很 多的成果 ， 比较有代表性的研 究有工业机器 人 、 水下机器 人、 空间机 器人 ，都在国际上 处于领先水 平。然而 ，总体 上我国与发达 国家相 比， 还 存在很 大的差距 ，主要表现 在，在机器人的产业化 方面，目前还 没有固定 的成 熟 的产品 。当 前， 我 国机器人 面对 两大任务 ： ①机器人研 究与开 发如何更好地 为国民 经济服务 ， 并在实践中不断提高； ②机器人如何走向产业化并参与国际竞争。 在２ 　　　　 ０ ０ ４ 年东北亚高新技术及产品博览会上，中科院自 动化所研制的具 有自 主 知识产权的 “ 科普娱乐机器人” 〔 ５ ， 亮相， 该机器人凝练了 语音识别和人机交互 技术， 综合集成了机器人表情控制技术、 机械设计技术、 电气和电子技术、 计算 机软件技术和人工智能技术。 该 机器人最大的魅力在于它拥有自己的 情感， 通过自然 的语音交 互方 式控制 ，可做出包括喜、怒 、哀 、乐等 ３ ０多个 可爱 、滑稽 的 表情 。上海交通大学机器人所 　　　　 研制的机器人 “ 长笛演奏家” ［ ５ Ｊ ， 可用 １ ０个金属手指灵活地按动 发音孔 ， 吹出一 曲悠扬 的 《 春江花月夜》 ， 除 了模拟 手指， 这位 “ 演 奏家 ”还有一 个人工肺 ，吸气、吐气都受过 “ 专 门训练 ”，音域 圆润而 宽广 。 海尔机 器人 公司推 出的娱乐 机器 狗，可 以摇头 摆尾，眼睛发光 ， “ 　　　　 唱 ”几 首 流行歌 曲。该公司开 发的娱乐类宠物机器人包 括机 器猫 、机器狗 、机器龙 、 机器 鸟等 多种中 国传 统吉祥类 动物形象 ，此类产 品更加 贴近真 实的生活，充满趣 味、灵性，亲切向上。可以 预料，我国 企业自 行生产的更可爱的 机器宠物如狗、 猫、鱼、鸟 ，能开 能闭、能变 色、有香味的花 ，将 可能成为人们生 活中的 “ 伴侣 ”。妇． ４论文主要研究内容本论文以全国大学生舞蹈机器人大赛作为实 　　　　 验和应用背景， 主要研究舞蹈机器人 的控制系统 结构及其 运动控制机制 。 论文 以工控机和 Ａ Ｖ Ｒ单片机作为机器人 的控制 核心 ， 在现 有舞蹈 机器人 的基础上 ， 加 上相应 的结 构和 功能扩展 ， 通过 建 立控 制系统的软 、硬件结 构，实现机器 人的运 动控制和 上下位机 通信 ， 从 而完成 整个机器 人控 制系统的研 究。 论文 主要章节 安排如 下： 　　　　 第 一章 绪 论 　　　　 介绍 论文研 究背景 、国内外机器人 的发展 与研究现状 。 　　　　第二章 机器人控制系统总体方案设计 　　　　分 析机器 人的本体结 构和功能技术要求 ，并阐述 了机 器人的相关控制技 术， 　　　　西北 下业人学ｌ ｉ ｙ ； ｝ 学位 论文第 一章 绪论建立 了机 器人的运动 学方程 ，最后提 出机器人 的整体 控制方 案。　　　　 第三章 机器人控制系统硬件设计 论述机器人控制系统的硬件设计方案， 　　　　 对组成该机器人的微控制器、电 源、电机驱 动 、 反馈检 测、 无线通 信、 数据存储 、 避障等硬件 电路进行 了全面 的描述。提出了基于工控机和 Ａ Ｖ Ｒ 单片机的上下 位机式控制结构，以工控机作为上位机，以Ａ Ｖ Ｒ单片机作为机器 人本体的控制核心 ， 实现上 下位机 的无线通信和对 ２个直 流 电机 的伺服控制 以及 １ ６ 个舵机 的调速控制 。 第四章 机 器人控 制系统软件设 计 　　　　论 　　　　 述机器人控制系统软件程序的设计与开发， 深入讨论了 Ａ Ｖ Ｒ单片机端和 Ｐ Ｃ 端、 Ｃ Ｐ Ｌ Ｄ 端控制程序的设计思想，开 发了可 视化的机器人上位 机控制界面， 提出了 采用插值法对舵机进行调速的 控制方法， 较好的解决了 机器人舞蹈动作与 音乐节拍的 协调一致问 题， 对于 机器人底盘电 机 采取了Ｐ Ｉ Ｄ 控制算法， 控制机器人的行走路径 ，并结合 同步补偿算法 ，用来解决机器人 的直线行走 问题。 第 五章 机器人舞蹈 动作与音乐协 调问题 的研究 　　　　针对机器人舞蹈动作与音乐的协调问 　　　　 题， 提出基于音乐特征识别的控制策略， 在音 乐特征 识别 的基础上 利用 专家系统对舞蹈动作 与音 乐进行 自动适 配， 并 通过同步演示 方法 ，使 机器人动作与音乐协调一致 。 第六 章 总结 与 　　　　 展望总结了 　　　　 本论文的主要工作， 分 析了本机器人的特点， 并结合当前国内外在机器人控制方面新 技术的 发展 状况，提 出今后的改进方 案和技 术发展 方向。两北 丁业 人学 映 ｝ 学位论 文第二章 机 器人控制 系统总休方案 设计第二章机器人控制系统总体方案设计互 ２ ． 机器 人本 体 结构 分析 和功 能要 求一、机 器人本体结 构分析 机 器人 的机械 结构 以及传动结 构对整个机 器人 的灵活 性起着 不可 忽视 的作 　　　　 用，合理的机械布局 和灵活 的传动 结构 都是设计时必须 仔细考虑 的。 本 机器人主要 由两大部 分组成 ：机 器人本体和机器 人底盘 。 　　　　 （ 　　 １ ）机器人本体 分别具有上肢 、下肢 、头部、腰部 、翅膀等 关节 ，能够 模仿人 类的基本动 　　　　　　 作 ，各关 节运动情况描 述如下 ： 　　 令 头部 ：具有 ２ 　　　　　　 个 自由度，分别 实现 头部的左右转动 和前后移 动，模仿人类的点头、摇头动作，分别由 １ 　　　　　　　　 个舵机控制。令 上肢 ：每只手 各具 有小臂 、 　　　　　　 胳膊 关节，小 臂具有 １ 个 自由度 ，由 １ 个舵机控制， 　　　　　　　　 实现小臂的摆动； 胳膊分别由 ２ 个舵机并联控制， 实现胳膊在空间 中的运 动 ，可以模仿 人类 胳膊的各种动作 ，例如肩 部的左右摆动 、 　　　　　　　　 肩部的 前后 摆动、手臂 的转动 等，双手共需要 ６个舵机 。 　　　　　　　　 令 腰部：具 有 ２ 　　　　　　 个 自由度 ，其 中 １ 个 自由度 实现腰部 的转动 ，需要 １ 个舵 机控制 ； 　　　　　　　　 至于腰 部的俯仰动作 ，由于大部分 电机 都集 中在机 器人上身部 分，为 了保 证电机有足够 的力量承载上身的俯仰 ，故该关 节用 了 ２ 　　　　　　　　 个大 力矩舵机控 制，分别置 于腰 部的两侧 。 　　　　　　　　 　　　　　　 令 翅膀 ：具有 １ 个 自由度 ，由 １ 个舵机控制 ，实现翅膀的 展开和收回 。 令 下肢 ：每 条 “ 　　　　　　 腿 ”分别 具有 ２ 个 自由度 ，分别实现大腿 和小腿的摆动 ， 两条 “ 　　　　　　　　 腿 ”共需要 ４ 个 舵机控制 。 （ 　　 ２ ）机器人 底盘对于机器人底盘运动部件的选择， 　　　　 有轮式和履带式可以 考虑。 为了获得较好的机动性和灵 活性 ， 选 用轮式结构 ， 采用 两台电机分别 驱动两个 主动 轮，除 了两 个 主动轮外 ， 还 安排 了两个 自由转动的支撑轮起稳 定作用 。 四轮的平 面布置为两 ｋ 动轮分置 于底 盘的左右 两侧，两从动轮置于底盘 前后方 向， 这样 的布 置结构使机器人很容易实现以自 身为圆心的旋转运动， 同时也易于建模和控制， 平滑性能好。 机 器人在平面 空间的移动 由两个主动轮和两个 从动轮来 实现 ， 两个 主动轮分 别由 一 个带光 电编码器的 直流电机驱动 ， 从动轮采用 万 向轮结构 ， 不必 使用 驱动，通过 控制两个驱动轮的转向和转速， 从而实现机器人的直线行走、 转弯 等基本动作。 二、机 器人功能和 技术要求两北 丁业 人学 映 ｝ 学位论 文第二章 机 器人控制 系统总休方案 设计第二章机器人控制系统总体方案设计互 ２ ． 机器 人本 体 结构 分析 和功 能要 求一、机 器人本体结 构分析 机 器人 的机械 结构 以及传动结 构对整个机 器人 的灵活 性起着 不可 忽视 的作 　　　　 用，合理的机械布局 和灵活 的传动 结构 都是设计时必须 仔细考虑 的。 本 机器人主要 由两大部 分组成 ：机 器人本体和机器 人底盘 。 　　　　 （ 　　 １ ）机器人本体 分别具有上肢 、下肢 、头部、腰部 、翅膀等 关节 ，能够 模仿人 类的基本动 　　　　　　 作 ，各关 节运动情况描 述如下 ： 　　 令 头部 ：具有 ２ 　　　　　　 个 自由度，分别 实现 头部的左右转动 和前后移 动，模仿人类的点头、摇头动作，分别由 １ 　　　　　　　　 个舵机控制。令 上肢 ：每只手 各具 有小臂 、 　　　　　　 胳膊 关节，小 臂具有 １ 个 自由度 ，由 １ 个舵机控制， 　　　　　　　　 实现小臂的摆动； 胳膊分别由 ２ 个舵机并联控制， 实现胳膊在空间 中的运 动 ，可以模仿 人类 胳膊的各种动作 ，例如肩 部的左右摆动 、 　　　　　　　　 肩部的 前后 摆动、手臂 的转动 等，双手共需要 ６个舵机 。 　　　　　　　　 令 腰部：具 有 ２ 　　　　　　 个 自由度 ，其 中 １ 个 自由度 实现腰部 的转动 ，需要 １ 个舵 机控制 ； 　　　　　　　　 至于腰 部的俯仰动作 ，由于大部分 电机 都集 中在机 器人上身部 分，为 了保 证电机有足够 的力量承载上身的俯仰 ，故该关 节用 了 ２ 　　　　　　　　 个大 力矩舵机控 制，分别置 于腰 部的两侧 。 　　　　　　　　 　　　　　　 令 翅膀 ：具有 １ 个 自由度 ，由 １ 个舵机控制 ，实现翅膀的 展开和收回 。 令 下肢 ：每 条 “ 　　　　　　 腿 ”分别 具有 ２ 个 自由度 ，分别实现大腿 和小腿的摆动 ， 两条 “ 　　　　　　　　 腿 ”共需要 ４ 个 舵机控制 。 （ 　　 ２ ）机器人 底盘对于机器人底盘运动部件的选择， 　　　　 有轮式和履带式可以 考虑。 为了获得较好的机动性和灵 活性 ， 选 用轮式结构 ， 采用 两台电机分别 驱动两个 主动 轮，除 了两 个 主动轮外 ， 还 安排 了两个 自由转动的支撑轮起稳 定作用 。 四轮的平 面布置为两 ｋ 动轮分置 于底 盘的左右 两侧，两从动轮置于底盘 前后方 向， 这样 的布 置结构使机器人很容易实现以自 身为圆心的旋转运动， 同时也易于建模和控制， 平滑性能好。 机 器人在平面 空间的移动 由两个主动轮和两个 从动轮来 实现 ， 两个 主动轮分 别由 一 个带光 电编码器的 直流电机驱动 ， 从动轮采用 万 向轮结构 ， 不必 使用 驱动，通过 控制两个驱动轮的转向和转速， 从而实现机器人的直线行走、 转弯 等基本动作。 二、机 器人功能和 技术要求西Ｉ 匕「 业 人学硕 ｝爹位论文第＿ ＿ 章 机器人控 制系统总休方案 设计比赛规则 　　　　 规定， 机器人的重量不超过 ３ 公斤， 体积小于５ ０ ｃ ｍ　 Ｘ　 Ｏ ｃ ｍ　 Ｘ　 ５ ０ ｃ ｍ （ 包括手臂展 开） ：比赛 时间不少 于两分钟但不能超过五分钟 ； 比赛场 地为半个 乒乓球台子大小即 １ ．　 ３ ７ ｍ　 Ｘ　 １ ．　 ５ ２ ｍ ，周围有 ５ ｃ ｍ高 的围 墙，舞蹈机器人必须在该范围内运动 ，地 面固定为绿色地 毯或棉布 。根据比 　　　　 赛规则， 并结合实际 应用情况， 我们对本机器人提出了以下的功能 和技术要求 。 （ 幼 功能要求 令 娱乐功能 ： 　　　　　　 机 器人随着音乐 节奏翩翩起舞 ，其舞蹈动作应该 能够 与音乐 节拍 协调 一致，根据音乐 的节奏快慢 、风格特征来 改变 自身的动作。 　　　　　　　　 令 智能化感知 功能：机器人应 该具有 基本 的感知功能 ， 　　　　　　 能够检测 障碍 物并 能根据环境 的改变来调节 自身的行为。 　　　　　　　　 令 无线 通信功 能：通过无线通信方式 ， 　　　　　　 实现机器 人与上位机之 间较远距 离 的通 信 ，以便 在两者之间传送动作 数据和 控制指令 ， 　　　　　　　　 方便 机器人的测试 和控 制 。 　　　　　　　　令电 　　　　 机驱动和反馈检测功能： 机器人应该能够控制电 机的转向 和转速， 并具有 反馈检测 环节 ， 　　　　　　　　 实现 电机 的闭环控制 ， 以便控制机器 人的行走路径 。Ｃ ２ ）技术要求令 运动 性能 ： 　　　　　　 机 器人应 该具有较好 的机 动性和灵活性 ，能够平 稳快速的完成前进、 　　　　　　　　 后退、 转向 等动作， 此外要确保机器人运动的平稳性， 避免出现翻 倒的情 况。 　　　　　　　　令 坚固性： 　　　　 在机械设计上， 应使机器人具有较好的坚固性， 在机器人做舞蹈动 作或行进 过程中 ，各种接插件 不能松动 、脱落 。 　　　　　　　　 令 可靠 性 ：山于机器人控制 系统元器件众多 ，有来 自各方 面的干扰 ，这些 　　　　　　干 　　　　　　　　 扰对机器人控制系统硬件线路和软件程序设 计都提出了一定的要求。 　　　　 令 可维护性： 对于一个装置而言， 可维护性是十分重要的。 维护应该包 括硬件 维护和 软件 维护 。 　　　　　　　　 因此在硬件 结构设计时要考虑便 于安装拆卸、调 试检 测：软件 ＿ 　　　　　　　　 Ｌ 采用模块 化结构设计， 以便于测试 、升级。个 经济性： 　　　　 选用合适的 控制方案， 选用性价比高的功能器件， 既满足系统的功 能要求 ，又可 以节约成本 。 　　　　　　　　 从 以上分析 可以看出 ， 　　　　 在机器人 的体积和重量受 限的前提下 ， 要设计具有上述功能的机器人，其关键在于 采用高集成度、 微型 化技术和解决结构 优化问 题。互 ２ ．　 ２机器人控制系统结构机器人控制系统是以计算机控制 　　　　 技术为核心的 实时 控制系统， 它的 任务就是根据机器 人所要 完成 的功能 ， 结合机 器人 的本体结构和机器 人的运动方式 ， 实现西Ｉ 匕「 业 人学硕 ｝爹位论文第＿ ＿ 章 机器人控 制系统总休方案 设计比赛规则 　　　　 规定， 机器人的重量不超过 ３ 公斤， 体积小于５ ０ ｃ ｍ　 Ｘ　 Ｏ ｃ ｍ　 Ｘ　 ５ ０ ｃ ｍ （ 包括手臂展 开） ：比赛 时间不少 于两分钟但不能超过五分钟 ； 比赛场 地为半个 乒乓球台子大小即 １ ．　 ３ ７ ｍ　 Ｘ　 １ ．　 ５ ２ ｍ ，周围有 ５ ｃ ｍ高 的围 墙，舞蹈机器人必须在该范围内运动 ，地 面固定为绿色地 毯或棉布 。根据比 　　　　 赛规则， 并结合实际 应用情况， 我们对本机器人提出了以下的功能 和技术要求 。 （ 幼 功能要求 令 娱乐功能 ： 　　　　　　 机 器人随着音乐 节奏翩翩起舞 ，其舞蹈动作应该 能够 与音乐 节拍 协调 一致，根据音乐 的节奏快慢 、风格特征来 改变 自身的动作。 　　　　　　　　 令 智能化感知 功能：机器人应 该具有 基本 的感知功能 ， 　　　　　　 能够检测 障碍 物并 能根据环境 的改变来调节 自身的行为。 　　　　　　　　 令 无线 通信功 能：通过无线通信方式 ， 　　　　　　 实现机器 人与上位机之 间较远距 离 的通 信 ，以便 在两者之间传送动作 数据和 控制指令 ， 　　　　　　　　 方便 机器人的测试 和控 制 。 　　　　　　　　令电 　　　　 机驱动和反馈检测功能： 机器人应该能够控制电 机的转向 和转速， 并具有 反馈检测 环节 ， 　　　　　　　　 实现 电机 的闭环控制 ， 以便控制机器 人的行走路径 。Ｃ ２ ）技术要求令 运动 性能 ： 　　　　　　 机 器人应 该具有较好 的机 动性和灵活性 ，能够平 稳快速的完成前进、 　　　　　　　　 后退、 转向 等动作， 此外要确保机器人运动的平稳性， 避免出现翻 倒的情 况。 　　　　　　　　令 坚固性： 　　　　 在机械设计上， 应使机器人具有较好的坚固性， 在机器人做舞蹈动 作或行进 过程中 ，各种接插件 不能松动 、脱落 。 　　　　　　　　 令 可靠 性 ：山于机器人控制 系统元器件众多 ，有来 自各方 面的干扰 ，这些 　　　　　　干 　　　　　　　　 扰对机器人控制系统硬件线路和软件程序设 计都提出了一定的要求。 　　　　 令 可维护性： 对于一个装置而言， 可维护性是十分重要的。 维护应该包 括硬件 维护和 软件 维护 。 　　　　　　　　 因此在硬件 结构设计时要考虑便 于安装拆卸、调 试检 测：软件 ＿ 　　　　　　　　 Ｌ 采用模块 化结构设计， 以便于测试 、升级。个 经济性： 　　　　 选用合适的 控制方案， 选用性价比高的功能器件， 既满足系统的功 能要求 ，又可 以节约成本 。 　　　　　　　　 从 以上分析 可以看出 ， 　　　　 在机器人 的体积和重量受 限的前提下 ， 要设计具有上述功能的机器人，其关键在于 采用高集成度、 微型 化技术和解决结构 优化问 题。互 ２ ．　 ２机器人控制系统结构机器人控制系统是以计算机控制 　　　　 技术为核心的 实时 控制系统， 它的 任务就是根据机器 人所要 完成 的功能 ， 结合机 器人 的本体结构和机器 人的运动方式 ， 实现西北 「 业大学硕 卜 学 位论文第 二章 机器人控 制系统总体方 案设计机器人的上作 目标 。控制 系统是机器 人的心脏， 它的优 劣决定 了机 器人 的智能水平、工作柔性以及灵巧性，也决定了 机器 人使用的方便程度和系统的开 放性‘ 川 。机器人 控制系统结 构是 由机器人 的功 能、 　　　　 机 器人的本体 结构和机器 人的控制 方式来确 定的。从机 器人控制算法 的处 理方式来看 ，可分为 串行 、并行 两种结构 类型〔 ， ３ 。（ 　　 １ ）串行处理结构所 谓的 串行处理 结构是指机器 人的控制算法是 由串行 机来 处理 。对 于这 种 　　　　　　 类 型的控制器 ，从计 算机 结构 、控制方式来划分 ，又可分为 以下几种 ： 　　４单Ｃ 　　　　　　 Ｐ Ｕ 结构、 集中控制方式： 用一台 功能较强的计算机实现全部 控制功能 ，但控 制过程 中需 要许多计 算，因此这种控制 结构速度较 慢 。 　　　　　　　　　　　　　　　　 令 二级 Ｃ Ｐ Ｕ 结构、主从式控制方式： 一级 Ｃ Ｐ Ｕ 为主机，担当 系统管 理、 人机接口功能，同时也利用它的 　　　　　　　　 运算能力完成坐标变换、轨迹插补，并定时地把运 算结果送到 公用 内存，供 二级 Ｃ 　　　　　　　　 Ｐ Ｕ读 取；二级 Ｃ Ｐ Ｕ完成 全部关节位置 数字控制 。 　　　　　　　　　　 这类系统 的两个 Ｃ Ｐ Ｕ 总线之 间基本没有 联系， 仅 通过公用 内存交换数据 ，对采用更 多的 Ｃ 　　　　　　　　　　 Ｐ Ｕ进 一 步分散功 能是很 困难的。 　　　　　　　　　　　　　　　　 ４ 多Ｃ Ｐ Ｕ结构 、分 布式控制方式 ：目前 ，普 遍采用这种 上、下位机 二级 分布式结构 ，上位机负责整个系统管理 以及运动学 计算、轨迹规划等 。 　　　　　　　　　　 下位 机 由多 Ｃ 　　　　　　　　　　 Ｐ Ｕ组成，每个 Ｃ Ｐ Ｕ控制一个关节运动 ，这些 Ｃ Ｐ Ｕ 和主控 机 联系 是通 过总线 形式的紧祸合 。这种 结构 的控 制器工 作速度和控 制 　　　　　　　　　　 性能明 显提 高 ，但这些 多 Ｃ 　　　　　　　　　　 Ｐ Ｕ系统共有 的特征都 是针 对具体 问题而采 　　　　　　　　 用的 功能分布式 结构 。目前世 界上大多数商 品化机器 人控制器 都是 这 种结构 。 　　　　　　　　　　 （ 　　 ２ ）并行 处理结构 山于机 器人控制算法 的复杂性 以及机器人控制 性能的 吸待 提高 ， 　　　　 许 多学者从 建模 、算法等 多方面进行 了减少 计算量的努力， 但 仍难 以在 串行结构控制器 上满 足实时计算 的要求 。因此 ，必须从控制器本身 寻求解决办法 。方法之一是选用 高 档次微机或 小型机 ； 另一种方法就 是采用多处理器作 并行 计算 ， 提高控制器 的计 算能力 。构造 并行处理结 构的机器人控制器 的计算 机系统一般采 用 以下方式 ：４ 开发机器人控制专用 Ｖ 　　　　 Ｌ Ｓ Ｉ ： 设计专用 Ｖ Ｌ Ｓ Ｉ 能充分利用机器人控制算法的并行性， 　　　　　　　　 依 靠芯片 内的并行体系 结构能大大提 高运动学 、动力学方程的 　　　　　　　　 计算速度。 但由于芯片是根据具 体的算法来设计的， 因此采用这种方式构造 的控制 器不通用 ，更不利 于系统的维护与 开发。 　　　　　　　　令 利用有并行处理能力的芯片式计算机构成并行处理网络：随着数字信号 　　　　芯 片速度 的不断提 高，高速数 字信 号处理器 （ 　　　　　　　　 Ｄ Ｓ Ｐ ）在信 息处理的各个 方面得到广泛应用 。Ｄ 　　　　　　　　 Ｓ Ｐ以极快 的数字运 算速度见长 ，并 易于构成并行两北工业大 学硕 卜 学位论 文第二章 机器人控制 系统总休方案 设计处理 网络 。利 用 Ｏ 　　　　　　　　 Ｓ Ｐ作 为机 器人的控 制器 ，采用 并行／ 流水线 的设计方 案，可有效提 高控制器性 能。 　　　　　　　　 令 利用通用 的微处理器 ： 　　　　 利 用通 用微处理器构成 并行处理结构 ， 支持计算 ， 实现 复杂控制 策略在线实 时计算 。 　　　　　　　　随着现代科学技术的飞 　　　　 速发展和社会的 进步， 对机器人的性能提出更高的要求。 智能机器人 技术的研 究 己 成 为机器人领域 的主要 发展方 向，相应 的， 对机器 人控制器 的性 能也提 出了更高的要求 。荟 ２ ． ３机器人的运动控制方法互 ２ ． ３ ． １移动机 器人的基 本运动 方程 本机器人采用 固定轮子 的双驱动轮式结构 ，如 图 ２ － １ 所 示。图２ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 － １ 双轮式机器 人运动示意 图 则机 器人的运动公式 为：闷／Ｖ ＝ 工 （ Ｖ ， ＋ Ｖ ｏ ） ２ 　　　　 Ｒ ＝ －　 ｓ ｒ Ｌ　 （ Ｖ 土 Ｖ Ｉ ）２（ 　　　　 从 一Ｖ ， ）（ ２ － １ ）（ ２ － ２ ）其中，从和Ｖ 　　　　 ｝ 分别为机器人左右两个Ｗ动轮的线 速度， ｖ是机器人运动的线 速度 ，１ ． 为机器 人两驱 动轮之间 的距离 ，Ｒ为机 器人的回转半径 。从公式（ 　　　　 ２ － ２ ）可以 看出，当Ｖ Ｒ － Ｖ Ｌ 时， Ｒ 趋向无穷大， 机器人作直线运动；Ｒ ＝ 士 三 ， 当Ｖ Ｒ ＝ 一Ｖ ， 时， Ｒ ＝ Ｏ ， 机器人围绕底盘的中心转动； 当从或又为零时， ２则 机器人以 其中的一 个轮为圆心作旋转运动； 当Ｖ Ｒ 与Ｖ Ｌ 既 不相等又不为零时， 机 器人以公式 （ ２ － １ ） 和（ ２ － ２ ） 计 算得 出的速度和 半径做 曲线运动 。ＦＸ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　＇ ２ ． ３ ． ２机器人运动路径控制〔 １ ５ １般来 说，轮式 移动 机器人其运动路 径的控制 方法 主要有 ：连续路径运动两北工业大 学硕 卜 学位论 文第二章 机器人控制 系统总休方案 设计处理 网络 。利 用 Ｏ 　　　　　　　　 Ｓ Ｐ作 为机 器人的控 制器 ，采用 并行／ 流水线 的设计方 案，可有效提 高控制器性 能。 　　　　　　　　 令 利用通用 的微处理器 ： 　　　　 利 用通 用微处理器构成 并行处理结构 ， 支持计算 ， 实现 复杂控制 策略在线实 时计算 。 　　　　　　　　随着现代科学技术的飞 　　　　 速发展和社会的 进步， 对机器人的性能提出更高的要求。 智能机器人 技术的研 究 己 成 为机器人领域 的主要 发展方 向，相应 的， 对机器 人控制器 的性 能也提 出了更高的要求 。荟 ２ ． ３机器人的运动控制方法互 ２ ． ３ ． １移动机 器人的基 本运动 方程 本机器人采用 固定轮子 的双驱动轮式结构 ，如 图 ２ － １ 所 示。图２ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 － １ 双轮式机器 人运动示意 图 则机 器人的运动公式 为：闷／Ｖ ＝ 工 （ Ｖ ， ＋ Ｖ ｏ ） ２ 　　　　 Ｒ ＝ －　 ｓ ｒ Ｌ　 （ Ｖ 土 Ｖ Ｉ ）２（ 　　　　 从 一Ｖ ， ）（ ２ － １ ）（ ２ － ２ ）其中，从和Ｖ 　　　　 ｝ 分别为机器人左右两个Ｗ动轮的线 速度， ｖ是机器人运动的线 速度 ，１ ． 为机器 人两驱 动轮之间 的距离 ，Ｒ为机 器人的回转半径 。从公式（ 　　　　 ２ － ２ ）可以 看出，当Ｖ Ｒ － Ｖ Ｌ 时， Ｒ 趋向无穷大， 机器人作直线运动；Ｒ ＝ 士 三 ， 当Ｖ Ｒ ＝ 一Ｖ ， 时， Ｒ ＝ Ｏ ， 机器人围绕底盘的中心转动； 当从或又为零时， ２则 机器人以 其中的一 个轮为圆心作旋转运动； 当Ｖ Ｒ 与Ｖ Ｌ 既 不相等又不为零时， 机 器人以公式 （ ２ － １ ） 和（ ２ － ２ ） 计 算得 出的速度和 半径做 曲线运动 。ＦＸ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　＇ ２ ． ３ ． ２机器人运动路径控制〔 １ ５ １般来 说，轮式 移动 机器人其运动路 径的控制 方法 主要有 ：连续路径运动两北工业大 学硕 卜 学位论 文第二章 机器人控制 系统总休方案 设计处理 网络 。利 用 Ｏ 　　　　　　　　 Ｓ Ｐ作 为机 器人的控 制器 ，采用 并行／ 流水线 的设计方 案，可有效提 高控制器性 能。 　　　　　　　　 令 利用通用 的微处理器 ： 　　　　 利 用通 用微处理器构成 并行处理结构 ， 支持计算 ， 实现 复杂控制 策略在线实 时计算 。 　　　　　　　　随着现代科学技术的飞 　　　　 速发展和社会的 进步， 对机器人的性能提出更高的要求。 智能机器人 技术的研 究 己 成 为机器人领域 的主要 发展方 向，相应 的， 对机器 人控制器 的性 能也提 出了更高的要求 。荟 ２ ． ３机器人的运动控制方法互 ２ ． ３ ． １移动机 器人的基 本运动 方程 本机器人采用 固定轮子 的双驱动轮式结构 ，如 图 ２ － １ 所 示。图２ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 － １ 双轮式机器 人运动示意 图 则机 器人的运动公式 为：闷／Ｖ ＝ 工 （ Ｖ ， ＋ Ｖ ｏ ） ２ 　　　　 Ｒ ＝ －　 ｓ ｒ Ｌ　 （ Ｖ 土 Ｖ Ｉ ）２（ 　　　　 从 一Ｖ ， ）（ ２ － １ ）（ ２ － ２ ）其中，从和Ｖ 　　　　 ｝ 分别为机器人左右两个Ｗ动轮的线 速度， ｖ是机器人运动的线 速度 ，１ ． 为机器 人两驱 动轮之间 的距离 ，Ｒ为机 器人的回转半径 。从公式（ 　　　　 ２ － ２ ）可以 看出，当Ｖ Ｒ － Ｖ Ｌ 时， Ｒ 趋向无穷大， 机器人作直线运动；Ｒ ＝ 士 三 ， 当Ｖ Ｒ ＝ 一Ｖ ， 时， Ｒ ＝ Ｏ ， 机器人围绕底盘的中心转动； 当从或又为零时， ２则 机器人以 其中的一 个轮为圆心作旋转运动； 当Ｖ Ｒ 与Ｖ Ｌ 既 不相等又不为零时， 机 器人以公式 （ ２ － １ ） 和（ ２ － ２ ） 计 算得 出的速度和 半径做 曲线运动 。ＦＸ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　＇ ２ ． ３ ． ２机器人运动路径控制〔 １ ５ １般来 说，轮式 移动 机器人其运动路 径的控制 方法 主要有 ：连续路径运动西北 下 业 大 学 Ｇ ４ ：卜学 位 论 文第 二章 机器人控 制系统总 体方案设计Ｃ Ｐ （ Ｃ ｏ ｎ ｔ ｉ ｎ ｕ ｏ ｕ ｓ　 Ｐ ａ ｔ ｈ ） 、 点位运动 Ｐ Ｔ Ｐ　 （ Ｐ ｏ ｉ ｎ ｔ　 Ｔ ｏ　 Ｐ ｏ ｉ ｎ ｔ ） 、 接点插补运动 Ｊ Ｉ （ ｊ ｏ ｉ ｎ ｔ 土 ｎ ｔ ｅ ｒ ｐ ｏ ｌ ａ ｔ ｅ ） 、 可控路径运动Ｃ Ｔ Ｐ　 （ Ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｌ ａ ｂ ｌ ｅ　 Ｐ ａ ｔ ｈ ） 。 本文主要研究机器人 从一个 现行位置运行到新位置的运动控制方式，即 Ｐ Ｔ ？ 方式。 假设机器人的初始位置为 Ｐ 　　　　 Ｏ　 （ Ｘ ， ，Ｙ ｏ，民） ，要求运动到一个新位置 Ｐ １ （ 　　 ｘ ， ，ｙ ， ，０ １ ） ，如图２ － ２ 所示。Ｙ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图２ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 － ２ 机器人运动路径控制示意图可按照如下方法运行 ：第一步： 　　　　 机器人绕其中点 转动角度Ｂ ｒ ，其中Ｂ ｒ ＝　 ６ ０ －　 ０　 ｏ第二步：机器人沿直线运动距离 Ｄ 　　　　 ，其中点在 〔 ｘ ，　 ，ｙ ， ） 。 第三步：机器人围绕其中 　　　　 点转动角度Ｂ，其中９ ｓ ＝Ｂ ， －０　 ａ必 ＝ ａ ｒ ｃ ｔ ａ ｎＹ。 一ＹＯ ｘ ， 一ｘ ｏ（ ２ － ３ ）Ｄ＝ 　　　　　　　　 Ｖ （ Ｙ ， 一 Ｙ ． ） ，　 ＋ （ ｘ ， 一 ｘ ｐ ） ｚ　（ ２ － ４ ）其中，必 　　　　 为向 量Ｐ ０ ．　 Ｐ １ 与Ｘ 轴的 夹角， Ｄ 为Ｐ ０ ，　 Ｐ １ 之间的距离。我们 把这种方法 定位 “ 　　　　 Ｔ ｕ ｒ ｎ －Ｒ ｕ ｎ －Ｔ ｕ ｒ ｎ ＂ ， 如此在任 意两个给 定的位置之间运动都可以 使用这种方法。 其实这种方法仅 用到两种运动： 一种是直线 运动， 两 个轮子以 相同的方向 和角速度运转； 另一种是转动， 两个轮子以 相同的角速度分别 向相反 的方 向转动 。这种方法 具有以下特点：（ １　 ）控制任 务简单化 ，因为只需 要保持相 同的角速度 即可；（ ２ ） 两个轮 子同时转动或 者同时停止 ，于是可 以避免 一 个轮转动 而另一个轮子 不转而 引起严 重打滑 的情况发 尘： （ ３ ） 机器 人的运动路 径总是可 以预测 的；（ ４ ）机器人总 是通过 可能是最短 的距离 运动 。 对于 Ｐ 　　　　 Ｔ Ｐ 控制 方式 ，另外还有一种基 于模糊 控制的控制 方法，把轮子速度 的控制分为两部分： 基本速度和相对速度， 其中， 基本速度由 距离目 标点远近产生， 而相对速度则根据角度误差调整大小。 机器人运动时是依靠两个驱动轮速度存在 一 定的偏差来改变方向 的，当距离目 标点 较远时，机器人的 运动速度要比 较快；当距离 目标点较近 时 ， 速度 减小 ， 逐 渐逼近 目标 点；当到达 目标 点时，角度偏差 和距离偏差均 为零，所 以左 右轮子速度也 为零 。这种方法是在基础 速度上 ， 控制西北工业 大学硕十 学位论文第二 章 机器 人控制系 统总休方案设 计机器人底盘左右 两个轮子 的相对速度 的。实际使用 中，由于参数难 以精确确定 ，因此可以 采用模糊的方法。 利用这 种方法的优点 是可以不必建立系统精确的数学模型而采用模糊方 法实现对 系统 的控制。＇ ２ ． ４机器人的速度控制方法对于 电机速 度的控制 ，其调节 器可采 用 Ｐ 　　　　 Ｉ Ｄ 控制方法 。众所 周知 ，Ｐ Ｉ Ｄ 控制 是应用最广泛 的一种 控制规律 。 这 种控制使用方便 ， 运用 灵活 。当需 要获得较好的稳态精度时， 则采用 Ｐ Ｉ 控制； 对于惯性较大的系统， 可以 采用 Ｐ Ｉ Ｄ 控制。 Ｐ Ｉ Ｄ控 制系统可 以方便 的进行参数整 定 （ 例如 比例系数 、积分 常数 、微分常数等 ） 。＇ ２ ． ４ ． １数字 Ｐ Ｉ Ｄ 控制方法 　　　　 数字 Ｐ Ｉ Ｄ 控制可以分为位置式 Ｐ Ｉ Ｄ 、 增量式 Ｐ Ｉ Ｄ 和速度 Ｐ Ｉ Ｄ 控制（ ａ ｄ ］ 。 位置式 Ｐ Ｉ Ｄ 数字调节器的 输出 ｕ　 （ ｋ ） 是全量输出， 是执行机构当前所要到达的位置， 数字调节器的输出 ｕ　 （ ｋ ） 跟 过去的状态有关 ，为了得出 ｕ　 （ ｋ ） ，必须将系统偏 差的过去值 ｅ　 （ ｊ ）（ Ｊ ＝１ ，　 ２ ，……， ｋ ） 都存储起来，从而导致 Ｃ Ｐ Ｕ 的运算工作量 加大，需 要对 ｅ　 （ ｋ ） 作 累加 ，而且 ，Ｃ Ｐ Ｕ的故障又可能使 ｕ　 （ ｋ ） 作大 幅度的变化 。 ｋ 艺 ｊ－０ｕ （ ｋ ） ＝ Ｋ Ｐ （ ｅ （ ｋ ） ＋相对于位置式 Ｐ 　　　　 Ｉ Ｄ 而言， 增量式 Ｐ Ｉ Ｄ 是采用控制量的增量去控制受控对象的， 采用该 算法，只要存储最近的 三个误差 采样值 ｅ　 （ ｋ ）　 ，　 ｅ　 （ ｋ － １ ） 、 和 ｅ　 （ ｋ － １ ） 即可，其公式如 下；Ａ ｕ （ ｋ ） 一 ｕ （ ｋ ） － ｕ （ ｋ － １ ） 一 Ｋ ， ｛ ｅ （ ｋ ） － “ 一 ” 十 会 ｅ （ ｋ ） 十 会 ［ ｅ （ ｋ ） － ２ ｅ （ ｋ － １ ） 十 ｅ （ ｋ － ２ ） １ ｝　 　　 （ ２ － ６ ）将式 〔 ２ － ６ ）进 行 归并后 ，得到 Ａ 　　　　　　　　 ｕ （ ｋ ） “ ｑｅ （ ｋ ）　 ＋　 ｑ ， ｅ （ ｋ 一 １ ） ＋ ｑ ， ｅ （ ｋ 一 ２ ）＿ 一一 ， ， Ｔ ， ．　 　 Ｔ ＿ ，， ＿Ｔ ， ． ， ，Ｔ共｀ Ｎ， ｑ ｏ ＝入］ （ ｉ ＋＝ ＋－ ） ， ｑ ｉ ＝一 人Ｉ （ Ｉ ＋Ｇ Ｔ　 ） ， ｑ ， ＝Ｋ ｒ　 ｍ　 １ １Ｔ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 Ｉ　 　　　 Ｔ Ｓ　 Ｔ Ｓ　 　　　　　　　　　　　　　 １ Ｓ增量式算法 虽然只 是对位置式 Ｐ Ｉ Ｄ 在 算法上的一点改动 ，却带来了不少 的优令 数字调节器只输出 增量， 计算机误动作时造成的 影响比 较小；令 手动 一 一自动 切换冲击 小； 令 算式 中不需 要累加 ，增量只跟最近 的几次采样值有 关，容易获得较好的 控 制效果 ，由于式中无 累加 ，消除 了当偏差存在 时发生饱和的危险 。 　　几一 工＿ ， ： 、Ｔ ｏ ： ＿ ， 二 、－ Ｉ ＪｌＴ －ｌ －ｈ ）一 ‘ ｈ 一－ ） １ ｉ　 －　 ．ｏ（ ２ － ５ ）ｉ 　　　　　　　　 ｓ（ ２ － ７ ）（ ２ － ８ ）西北工业 大学硕十 学位论文第二 章 机器 人控制系 统总休方案设 计机器人底盘左右 两个轮子 的相对速度 的。实际使用 中，由于参数难 以精确确定 ，因此可以 采用模糊的方法。 利用这 种方法的优点 是可以不必建立系统精确的数学模型而采用模糊方 法实现对 系统 的控制。＇ ２ ． ４机器人的速度控制方法对于 电机速 度的控制 ，其调节 器可采 用 Ｐ 　　　　 Ｉ Ｄ 控制方法 。众所 周知 ，Ｐ Ｉ Ｄ 控制 是应用最广泛 的一种 控制规律 。 这 种控制使用方便 ， 运用 灵活 。当需 要获得较好的稳态精度时， 则采用 Ｐ Ｉ 控制； 对于惯性较大的系统， 可以 采用 Ｐ Ｉ Ｄ 控制。 Ｐ Ｉ Ｄ控 制系统可 以方便 的进行参数整 定 （ 例如 比例系数 、积分 常数 、微分常数等 ） 。＇ ２ ． ４ ． １数字 Ｐ Ｉ Ｄ 控制方法 　　　　 数字 Ｐ Ｉ Ｄ 控制可以分为位置式 Ｐ Ｉ Ｄ 、 增量式 Ｐ Ｉ Ｄ 和速度 Ｐ Ｉ Ｄ 控制（ ａ ｄ ］ 。 位置式 Ｐ Ｉ Ｄ 数字调节器的 输出 ｕ　 （ ｋ ） 是全量输出， 是执行机构当前所要到达的位置， 数字调节器的输出 ｕ　 （ ｋ ） 跟 过去的状态有关 ，为了得出 ｕ　 （ ｋ ） ，必须将系统偏 差的过去值 ｅ　 （ ｊ ）（ Ｊ ＝１ ，　 ２ ，……， ｋ ） 都存储起来，从而导致 Ｃ Ｐ Ｕ 的运算工作量 加大，需 要对 ｅ　 （ ｋ ） 作 累加 ，而且 ，Ｃ Ｐ Ｕ的故障又可能使 ｕ　 （ ｋ ） 作大 幅度的变化 。 ｋ 艺 ｊ－０ｕ （ ｋ ） ＝ Ｋ Ｐ （ ｅ （ ｋ ） ＋相对于位置式 Ｐ 　　　　 Ｉ Ｄ 而言， 增量式 Ｐ Ｉ Ｄ 是采用控制量的增量去控制受控对象的， 采用该 算法，只要存储最近的 三个误差 采样值 ｅ　 （ ｋ ）　 ，　 ｅ　 （ ｋ － １ ） 、 和 ｅ　 （ ｋ － １ ） 即可，其公式如 下；Ａ ｕ （ ｋ ） 一 ｕ （ ｋ ） － ｕ （ ｋ － １ ） 一 Ｋ ， ｛ ｅ （ ｋ ） － “ 一 ” 十 会 ｅ （ ｋ ） 十 会 ［ ｅ （ ｋ ） － ２ ｅ （ ｋ － １ ） 十 ｅ （ ｋ － ２ ） １ ｝　 　　 （ ２ － ６ ）将式 〔 ２ － ６ ）进 行 归并后 ，得到 Ａ 　　　　　　　　 ｕ （ ｋ ） “ ｑｅ （ ｋ ）　 ＋　 ｑ ， ｅ （ ｋ 一 １ ） ＋ ｑ ， ｅ （ ｋ 一 ２ ）＿ 一一 ， ， Ｔ ， ．　 　 Ｔ ＿ ，， ＿Ｔ ， ． ， ，Ｔ共｀ Ｎ， ｑ ｏ ＝入］ （ ｉ ＋＝ ＋－ ） ， ｑ ｉ ＝一 人Ｉ （ Ｉ ＋Ｇ Ｔ　 ） ， ｑ ， ＝Ｋ ｒ　 ｍ　 １ １Ｔ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 Ｉ　 　　　 Ｔ Ｓ　 Ｔ Ｓ　 　　　　　　　　　　　　　 １ Ｓ增量式算法 虽然只 是对位置式 Ｐ Ｉ Ｄ 在 算法上的一点改动 ，却带来了不少 的优令 数字调节器只输出 增量， 计算机误动作时造成的 影响比 较小；令 手动 一 一自动 切换冲击 小； 令 算式 中不需 要累加 ，增量只跟最近 的几次采样值有 关，容易获得较好的 控 制效果 ，由于式中无 累加 ，消除 了当偏差存在 时发生饱和的危险 。 　　几一 工＿ ， ： 、Ｔ ｏ ： ＿ ， 二 、－ Ｉ ＪｌＴ －ｌ －ｈ ）一 ‘ ｈ 一－ ） １ ｉ　 －　 ．ｏ（ ２ － ５ ）ｉ 　　　　　　　　 ｓ（ ２ － ７ ）（ ２ － ８ ）西北工业 大学硕十 学位论文第二 章 机器 人控制系 统总休方案设 计机器人底盘左右 两个轮子 的相对速度 的。实际使用 中，由于参数难 以精确确定 ，因此可以 采用模糊的方法。 利用这 种方法的优点 是可以不必建立系统精确的数学模型而采用模糊方 法实现对 系统 的控制。＇ ２ ． ４机器人的速度控制方法对于 电机速 度的控制 ，其调节 器可采 用 Ｐ 　　　　 Ｉ Ｄ 控制方法 。众所 周知 ，Ｐ Ｉ Ｄ 控制 是应用最广泛 的一种 控制规律 。 这 种控制使用方便 ， 运用 灵活 。当需 要获得较好的稳态精度时， 则采用 Ｐ Ｉ 控制； 对于惯性较大的系统， 可以 采用 Ｐ Ｉ Ｄ 控制。 Ｐ Ｉ Ｄ控 制系统可 以方便 的进行参数整 定 （ 例如 比例系数 、积分 常数 、微分常数等 ） 。＇ ２ ． ４ ． １数字 Ｐ Ｉ Ｄ 控制方法 　　　　 数字 Ｐ Ｉ Ｄ 控制可以分为位置式 Ｐ Ｉ Ｄ 、 增量式 Ｐ Ｉ Ｄ 和速度 Ｐ Ｉ Ｄ 控制（ ａ ｄ ］ 。 位置式 Ｐ Ｉ Ｄ 数字调节器的 输出 ｕ　 （ ｋ ） 是全量输出， 是执行机构当前所要到达的位置， 数字调节器的输出 ｕ　 （ ｋ ） 跟 过去的状态有关 ，为了得出 ｕ　 （ ｋ ） ，必须将系统偏 差的过去值 ｅ　 （ ｊ ）（ Ｊ ＝１ ，　 ２ ，……， ｋ ） 都存储起来，从而导致 Ｃ Ｐ Ｕ 的运算工作量 加大，需 要对 ｅ　 （ ｋ ） 作 累加 ，而且 ，Ｃ Ｐ Ｕ的故障又可能使 ｕ　 （ ｋ ） 作大 幅度的变化 。 ｋ 艺 ｊ－０ｕ （ ｋ ） ＝ Ｋ Ｐ （ ｅ （ ｋ ） ＋相对于位置式 Ｐ 　　　　 Ｉ Ｄ 而言， 增量式 Ｐ Ｉ Ｄ 是采用控制量的增量去控制受控对象的， 采用该 算法，只要存储最近的 三个误差 采样值 ｅ　 （ ｋ ）　 ，　 ｅ　 （ ｋ － １ ） 、 和 ｅ　 （ ｋ － １ ） 即可，其公式如 下；Ａ ｕ （ ｋ ） 一 ｕ （ ｋ ） － ｕ （ ｋ － １ ） 一 Ｋ ， ｛ ｅ （ ｋ ） － “ 一 ” 十 会 ｅ （ ｋ ） 十 会 ［ ｅ （ ｋ ） － ２ ｅ （ ｋ － １ ） 十 ｅ （ ｋ － ２ ） １ ｝　 　　 （ ２ － ６ ）将式 〔 ２ － ６ ）进 行 归并后 ，得到 Ａ 　　　　　　　　 ｕ （ ｋ ） “ ｑｅ （ ｋ ）　 ＋　 ｑ ， ｅ （ ｋ 一 １ ） ＋ ｑ ， ｅ （ ｋ 一 ２ ）＿ 一一 ， ， Ｔ ， ．　 　 Ｔ ＿ ，， ＿Ｔ ， ． ， ，Ｔ共｀ Ｎ， ｑ ｏ ＝入］ （ ｉ ＋＝ ＋－ ） ， ｑ ｉ ＝一 人Ｉ （ Ｉ ＋Ｇ Ｔ　 ） ， ｑ ， ＝Ｋ ｒ　 ｍ　 １ １Ｔ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 Ｉ　 　　　 Ｔ Ｓ　 Ｔ Ｓ　 　　　　　　　　　　　　　 １ Ｓ增量式算法 虽然只 是对位置式 Ｐ Ｉ Ｄ 在 算法上的一点改动 ，却带来了不少 的优令 数字调节器只输出 增量， 计算机误动作时造成的 影响比 较小；令 手动 一 一自动 切换冲击 小； 令 算式 中不需 要累加 ，增量只跟最近 的几次采样值有 关，容易获得较好的 控 制效果 ，由于式中无 累加 ，消除 了当偏差存在 时发生饱和的危险 。 　　几一 工＿ ， ： 、Ｔ ｏ ： ＿ ， 二 、－ Ｉ ＪｌＴ －ｌ －ｈ ）一 ‘ ｈ 一－ ） １ ｉ　 －　 ．ｏ（ ２ － ５ ）ｉ 　　　　　　　　 ｓ（ ２ － ７ ）（ ２ － ８ ）西北 「 业大学硕 卜 学位 论 文第＿章 机； ４人控 制系统总 体方案设计在Ｐ 　　　　 Ｉ Ｄ 控制系统中， 引 入了积分环节后， 会产生过大的 超调量， 引 起积分饱和， 使 系统进入 积分饱和 区，导致其输 出量不再随控制增量而 增长 ，这对 于系统 是不利 的 ，因此 必须采 取必要的措施克服 “ 积 分饱和 ” 。为此可引入积 分分离法 ，既保 持了 积分环节， 又限 制了 其作用， 使积分积累不能 过大， 从而减小了超调量，使 系统 控制性 能得到较大 的改善。 积 分分 离算法主要通过 设置积分分离 阀值 ‘ 　　　　 来 实现 ，其算法 可表示 为：ｕ （ ｋ ） ＝ Ｋ ， ｅ （ ｋ ）　 ＋　 Ｋ ， 艺ｅ ，　 ＋　 Ｋ ｏ ［ ｅ （ ｋ ） 一 ｅ （ ｋ 一 １ ） ］（ ２ － ９ ）其 中 ，当 Ｉ ｅ （ ｋ ） 卜。 时 ，Ｋ ，　 ＝ ０ ；当 Ｉ ｅ （ ｋ ） 卜。 时 ，Ｋ ， ＝ ｌ ｏ当 误差 值 较小 在没 定 的阀 值 范 围 内 秒（ ｋ ） Ｉ “时 ， 加 入 积 分 环 节 ， 采 用 Ｐ Ｉ Ｄ 控 制 ， 可 保 证 系 统 的 控 制 精度 ； 当 误 差 值 较 大 超串 了 所 设 定 的 阀 值 范 围 ， 即 ｝ ｅ （ ｋ ） Ｉ ＞ 二 时 ， 不 进 行 积 分 ， 只 采用Ｐ Ｄ 控 制 ，可使 超调量 大幅度 降低 。＇ ２ ． ４ ． ２　 Ｐ Ｉ Ｄ 调节器参数对系统性能的影响‘ Ｍ ． ． ‘ ７ ７ ］ 　　 （ １ ）比 例控制 Ｋ ｐ 对控制性能的影响 在稳态特性上，加 　　　　 大比 例控制 Ｋ ｐ ，在系统稳定的前提下，可以 减小稳态误差，提 高控制精 度 ，但加 大 Ｋ ｐ只是减小稳 态误差 ，却不能完 全消除稳态 误差；在系统动态特性方面， 加大 Ｋ ｐ ， 可以使系统动作灵敏， 速度加快， 但若 Ｋ ｐ 偏大， 则振荡次数加多，调节时间加长， Ｋ ｐ 太大时，系 统将趋于不 稳定， 若Ｋ ｐ 太小，又会使 系统动作 缓慢 。 （ 　　 ２ ）积 分控制 Ｔ ｉ 对控制性 能的影响 积 分控制通 常与 比例控制或 微分控制联合作用 ，从而构成 Ｐ 　　　　 Ｉ 控制 或 Ｐ Ｉ Ｄ 控制， 在稳态特性上， Ｔ ｉ能消除系统的稳态误差， 提高 控制系统的控制精度， 但若Ｔ ｉ太大 ，积 分作用太 弱，以致不 能减小稳态 误差；在动态特 性上面 ，积 分控制Ｔ ｉ 通常使系统的稳定性下降， Ｔ ｉ 太大， 对系统的 性能影响减小， Ｔ ｉ 偏小， 振 荡次 数会比较多， Ｔ ｉ 太小系统将不稳 定， 只有 Ｔ ｉ 合适时， 过渡 特性才比 较理想。 （ 　　 ３ ） 微分控制 Ｔ ｄ 对控制性能的影响微 分控制经 常与 比例控制或积 分控制联合作用 ，构成 Ｐ 　　　　 Ｄ或 Ｐ Ｉ Ｄ控制 ，微分 控 制可 以改善系统动 态特性 ， 如超 调量减小 、 调节时间缩 短、 允许 加大 比例控制 ，使 系 统 稳态 误 差 减小 ； 提 高 控 制 精度 ； 但若Ｔ ｄ 偏 大， 则 超调 量。 。 较 大， 导 致 调节 时间变长，若Ｔ ｄ 偏小，超调量。 Ｐ 较大， 调节时间 也较长， 只有Ｔ ｄ 选择合适时 ，刁 一 可以得到 比较满意的过渡 过程。（ ４ ） 采样周期对控制性能的影响 对于数字 Ｐ 　　　　 Ｉ Ｄ 控制器来说，除了 Ｋ ｐ ，　 Ｔ ｉ 和Ｔ ｄ 三个参数以 外， 采样周期 Ｔ西北 「 业大学硕 卜 学位 论 文第＿章 机； ４人控 制系统总 体方案设计在Ｐ 　　　　 Ｉ Ｄ 控制系统中， 引 入了积分环节后， 会产生过大的 超调量， 引 起积分饱和， 使 系统进入 积分饱和 区，导致其输 出量不再随控制增量而 增长 ，这对 于系统 是不利 的 ，因此 必须采 取必要的措施克服 “ 积 分饱和 ” 。为此可引入积 分分离法 ，既保 持了 积分环节， 又限 制了 其作用， 使积分积累不能 过大， 从而减小了超调量，使 系统 控制性 能得到较大 的改善。 积 分分 离算法主要通过 设置积分分离 阀值 ‘ 　　　　 来 实现 ，其算法 可表示 为：ｕ （ ｋ ） ＝ Ｋ ， ｅ （ ｋ ）　 ＋　 Ｋ ， 艺ｅ ，　 ＋　 Ｋ ｏ ［ ｅ （ ｋ ） 一 ｅ （ ｋ 一 １ ） ］（ ２ － ９ ）其 中 ，当 Ｉ ｅ （ ｋ ） 卜。 时 ，Ｋ ，　 ＝ ０ ；当 Ｉ ｅ （ ｋ ） 卜。 时 ，Ｋ ， ＝ ｌ ｏ当 误差 值 较小 在没 定 的阀 值 范 围 内 秒（ ｋ ） Ｉ “时 ， 加 入 积 分 环 节 ， 采 用 Ｐ Ｉ Ｄ 控 制 ， 可 保 证 系 统 的 控 制 精度 ； 当 误 差 值 较 大 超串 了 所 设 定 的 阀 值 范 围 ， 即 ｝ ｅ （ ｋ ） Ｉ ＞ 二 时 ， 不 进 行 积 分 ， 只 采用Ｐ Ｄ 控 制 ，可使 超调量 大幅度 降低 。＇ ２ ． ４ ． ２　 Ｐ Ｉ Ｄ 调节器参数对系统性能的影响‘ Ｍ ． ． ‘ ７ ７ ］ 　　 （ １ ）比 例控制 Ｋ ｐ 对控制性能的影响 在稳态特性上，加 　　　　 大比 例控制 Ｋ ｐ ，在系统稳定的前}