《擂台赛轮式移动机器人控制策略与控制系统设计》文献综述

1.引言

机器人武术擂台赛是中国机器人大赛的一个新项目，也是一个极具对抗性的机器人竞赛。

随着社会发展和科技进步, 机器人在当前生产生活中得到了越来越广泛的应用。 移动机器人是研发较早的一种机器人,移动机构主要有轮式、履带式、腿式、蛇行式、跳跃式和复合式。其中履带式具有接地比压小,在松软的地面附着性能和通过性能好,爬楼梯、越障平稳性高, 良好的自复位能力等特点。但是履带式移动平台的速度较慢、功耗较大、转向时对地面破坏程度大^[1]。 腿式机器人虽能够满足某些特殊的性能要求, 能适应复杂的地形, 但由于其结构自由度太多、机构复杂,导致难于控制、移动速度慢、功耗大^[2]。蛇行式和跳跃式虽然在某些方面, 如复杂环境、特殊环境、机动性等具有其独特的优越性,但也存在一些致命的缺陷,如承载能力、运动平稳性等。复合式机器人虽能适应复杂环境或某些特殊环境, 如管道,有的甚至还可以变形,但其结构及控制都比较复杂。相比之下,轮式移动机器人虽然具有运动稳定性与路面的路况有很大关系、 在复杂地形如何实现精确的轨迹控制等问题, 但是由于其具有自重轻、 承载大、机构简单、驱动和控制相对方便、行走速度快、机动灵活、 工作效率高等优点, 而被大量应用于工业、农业、反恐防爆、家庭、空间探测等领域^[3]。

各国为了提高自己的机器人技术，在全世界范围内掀起了一股机器人竞赛之风。竞赛用机器人的水平高低不仅能够显示一个国家机器人水平的高低，更是一个国家科学技术水平的展示。所以，在各国以及各国内部科研教育机构之间有许多机器人竞赛，这大大促进了机器人的发展，同时也促进了世界范围内的科学技术的发展。

擂台机器人因其激烈的对抗性和多样化的结构设计, 具有极好的竞技性和观赏性, 已成为各大高校研制的热点。针对现有擂台机器人控制系统采集误差较大、数据处理速度缓慢、目标信号应答效率低下等问题, 设计了一套基于STM32的擂台机器人控制系统。系统设计主要包括目标检测模块采集对方机器人信号、STM32处理器对采集的数据进行处理、STM32处理器通过控制驱动器控制直流减速电机输出、人机交互模块将采集的数据进行显示这4部分内容。通过大量比赛和试验验证表明, 该系统整体简洁高效、对目标的识别率较高、能够准确识别对方机器人的位置和距离, 并能够快速作出相应的应答。^[4]

2. 研究的背景及意义

机器人历史的发展: 2015年，国内版工业4.0规划——《中国制造2025》行动纲领出台，其中提到，我国要大力推动优势和战略产业快速发展机器人，包括医疗健康、家庭服务、教育娱乐等服务机器人应用需求。那么机器人发展阶段又如何呢? 20世纪20年代前后，捷克和美国的一些科幻作家创作了一批关于未来机器人与人类共处中可能发生的故事之类的文学作品，使得机器人在人们的思想中成为一种无所不能的“超人”。 1954年，美国的戴沃尔制造了世界第一台机器人实验装置，发表了《适用于重复作业的通用性工业机器人》一文，并获得美国专利。 1960年，美国Unimation公司根据戴沃尔德技术专利研制出第一台机器人样机，并定型生产Unimate（意为“万能自动”）机器人。同时，美国“机床与铸造公司”（AMF）设计制造了另一种圆柱坐标形式的可编程机器人Versatran(意为“多才多艺用途搬运机器人”)。 1967年日本川崎重工公司从美国购买了机器人的生产许可证，日本从此开始了对机器人的制造和开发热潮。 1980年，工业机器人在日本普及， 20世纪80年代，计算机技术推动机器人技术的发展达到了新的水平。 我国机器人研究起步比较晚。先是20世纪70年代的萌芽期，随后是80年代的开发期和90年代的快速发展时期。1972年，中国科学院沈阳自动化研究所开始了机器人的研究工作。1985年12月，我国第一台水下机器人“海人一号”首航成功，开创了机器人研制的新纪元。1997年，南开大学机器人与信息自动化研究所研制出我国第一台用于生物实验的微操作机器人系统。 经过30多年的发展，我国机器人的研究有了很大的发展，有的方面已达到世界先进水平，但与先进的国家相比还是有较大差距，从总体上看，我国机器人研究仍然任重道远。机器人的发明在一定程度上解决了许多我们人类由环境带来所不能解决的困难。在一定程度上，机器人比人类具有更好的机动性、安全性和快速性，在面对恶劣自然环境时，机器人比人类受环境带来的影响小得多，因此能更好的解决问题，也大大保证了人员安全，加快处理事务的进度。全球范围内多个国家均有服务型机器人的发明，这些机器人已经投入使用到生活中，例如家居机器人，送餐机器人和医疗机器人。

1. 选题的目的和意义

机器人的发展趋势不仅在现代工业中起着举足轻重的作用，其在生活中也不可小觑，它已经渗透到我们的方方面面。移动机器人具有自主移动功能，根据移动空间环境规划路径、自动避障是移动机器人需要实现的基本功能，机器人行走过程中需要不断地采集外界环境的信息，由于外界环境的不确定性，从起点到终点可能会遇到障碍物，不可能是简单的直线行驶，机器人需要有效地躲避障碍物。通过传感器实现对外界环境和自身状态的感知，实现复杂环境中的自主运动，以代替人类在恶劣、危险的环境下工作。在机器人竞赛活动中，擂台赛是机器人竞赛项目之一，课题研究的目的就是为擂台赛移动机器人提供技术支持，对移动机器人系统的研发具有一定的实际意义和研究价值。