二、研究方案
1、 研究目标、研究内容 机器人的研究存在着两条不同的技术路线：一条是日本和瑞典所走的“需求牵引、技术驱动”，结合工业发展的需求，开发出一系列特定应用的机器人；另一条是把机器人作为研究人工智能的载体，即单纯从技术上模拟人和动物的某些功能，研究有关职能的问题和智能机器人。工业检测机器人要想走向实用，必须拥有胜任的运动系统、可靠的导航系统、精确的感知能力和具有即安全友友好地与人一起工作的能力。工业检测机器人的智能指标为自主性、适应性和交互性。本课题为满足工业检测机器人对工作性质和环境的要求，将主要进行机器人精确定位和检测技术方向研究，并朝着智能化和多样化方向发展。目前主要研究内容集中在以下几个方面： 1、机器人检测技术：重点研究开放式，模块化检测系统，人机界面更加友好，语言、图形 编程界面正在研制之中。机器人控制器的标准化和网络化，以及基于 PC 机网络式控制器的研究 。 编程技术除进一步提高在线编程的可操作性之外， 离线编程的实用化也将成为研究重点。 2、多传感系统：为进一步提高机器人的智能和适应性，多种传感器的使用是其问题解决的 关键。其研究热点在于有效可行的多传感器融合算法，特别是在非线性及非平稳 、非正态分布的情形下的多传感器融合算法。另一问题就是传感系统的实用化。 3、为能够实现工业检测机器人的结构灵巧，应使整体工业检测机器人控制系统小型化，并提高其抗干扰能力； 4、机器人遥控及监控技术，机器人半自主和自动巡航技术，机器人和多操作者之间的协调控制，通过网络建立大范围内的机器人遥控系统，在有时延的情况下，建立预先显示进行遥控等； 5、由于机器人的工作环境复杂，一般的定位设备无法精确跟踪，设备是上安装的里程轮等存在误差较大，有时还存在打滑现象，这将为数据分析带来较大误差。因此应对机器人精确定位进行研究。
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2、拟采取的研究方法、技术路线和试验方案 机器人是最典型的机电一体化数字化装备,技术附加值很高，应用范围很广,作为 先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业，将对未来生产和社会发展起越来越重要的作用。但是我国目前在工业检测机器人的研究上还处于比较落后的状态，这对我国的工业现代化生产非常不利，所以工业检测机器人的研究对于工业现代化生产就尤为重要了。本项目主要研究工业检测机器人的控制与相关检测部分，并且通过实验平台，对控制系统的硬件及软件测试，检测其是否满足检测机器人的工作要求。其具体的研究方法与技术路线内容如下： 一、研究方法与技术路线 1、选用多种传感器并将其信息融合到该系统中，利用相关智能算法与数据处理技术得出需求信息； 2、选用更适用于工业检测环境检测定位的惯性导航定位方法，它的特性是自主性、独立性完成导航定位。具体导航策略如下： 当机器人远离目标时，通过捷联导航理论和卡尔曼滤波理论的研究，对工业机器人进行行走控制。捷联惯导系统基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，通过测量线加速度计和陀螺仪输出值，再根据相应的坐标变换，由加速度计和陀螺的输出参数解算得到飞行体姿态信息。由运动学理论可知，要完整的描述一个物体在空间的运动情况，需要至少 6 个独立的参数信息，其中有三个参量用于表示物体质心处的平动信息，另外三个用以表示物体绕质心处的转动情况，在捷联导航系统中，通常由三个加速度计测量载体的平动信息，载体绕质心的转动则由三个陀螺仪来量测。但是通过研究可以得出，如果当载体相对某一参考坐标系的牵连运动形式是转动的情况时，那么在载体非质心处的加速度信息中将涵盖着相关的角速度信息。所以，在运动载体非质心位置合理的放置足够多的线加速度计，根据各只加速度计安装位置和敏感方向便可将加速度计的输出信息中涵盖的角速度信息提取出来，这便是依靠线加速度计获取到角速度信息的理论基础。而载体导航信息的获取是经过各个坐标系之间的特定转动来实现的，因此选取合适的参考坐标系是非常重要的，它将影响到整个导航系统的精度和复杂度。在捷联式惯性导航系统中，较为常用的参考坐标系通常为以下几种： （1）、地心惯性坐标系-----OiXiYiZi 以地球的中心Oi作为坐标系原点构成右手直角坐标系OiXiYiZi,OiZi 轴的选取为地心指向北极的方向，轴OiXi、OiYi在地球赤道平面内且两个轴分别指向两颗恒星与地轴相垂直并符合右手定律。因此，对于在地球表面附近运动的载体选用惯性坐标系作为参考基准是非常合理的。
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通常将地心惯性系记作i?OiXiYiZi，也简称为i系; （2）、地球坐标系------OeXeYeZe 地球系坐标原点Oe与惯性系的原点重合，均在地球中心处，它相对于惯性系以地球自转角速率 15.04107 /h旋转，坐标系中OeXeYe在赤道平面内，OeZe轴与OeZi轴重合，轴OeXe指向格林威治经度线，OeYe轴的指向为东经 90 的方向。将地球系记作e?OeXeYeZe，也简称作 e 系； （3）、地理坐标系-----OeXtYtZt 地理坐标系是根据载体导航的需要建立在载体上的坐标系，其原点O与载体中心重合，通常简称为东、北、天坐标系，其中OtXt指向东，即 E 向；则OtYt指向北，即 N 向；沿垂线方向0OtZt指向天。将地理系记作t?OXtYtZt，也简称为 t 系； （4）、导航坐标系----- OnXnYnZn 导航坐标系是在计算导航参数时而作为导航计算基准的坐标系。通常可将上述介绍的地理系选为导航坐标系，有时在地球极区附近选取轴OnZn与OtZt轴重合，而使OnXn 与OtXt 轴，轴OnXn与OtXt轴存在一个角度?的方位关系。将导航坐标系记为n?OnXnYnZn，也简称为n系，如图所示； （5）、载体坐标系------ObXbYbZb 载体坐标系是建立在运动载体上的坐标系，一般选取载体质心作为该坐标系的原点，其中轴OYb指向运动载体的纵轴方向；轴OZb、OXb轴沿着载体纵轴并且指示载体运动的方向；OXb和OYb之间两两正交构成右手直角坐标系，OZb指向竖轴方向。将载体系记作，可以简称为b?OXbYbZb 系。在研究导航中经常应用载体系与导航系的坐标变换关系。其中e系到b系位置转换矩阵，通常情况下，同一载体以东北天方向为例，此时选取导航系与地理系重合，?为载体所在位置对应的经度，?为载体所在位置对应的纬度。地球系与导航系空间转动关系可以用矩阵Cen，其坐标变化公式为： 8
?C11Cen???C21??C31C12C22C32C13???sin???sin?cos?C23????C33????cos?cos?cos??sin?sin?cos?sin?0?cos??? sin??? b系到n系是按一定顺序经三次旋转而得，转动关系可用捷联矩阵表示，式中?为航向角，?为俯仰角，?为滚转角。 ?T11T12Cen???T21T22??T31T32T13?T23??T33???cos?cos??sin?sin?sin?????cos?sin??sin?sin?cos???cos?sin???sin?cos?cos?cos?sin?sin?cos??cos?sin?sin??sin?sin??cos?sin?sin????cos?cos?? 当接近目标时，利用超声波和图像传感器对机器人进行精确定位控制，利用理论与实验并重的双重研究方法，在可靠性理论及完整性实验的基础上为工业检测导航定位提供可靠性很高的参考价值。 基于超声波技术的精密检测方法，通常需要精确地测量超声波在介质中的传输时间．目前利用超声波的传输时间特性已经实现并完成了许多领域测量方面的任务，人们利用测量超声波的传输时间特性实现了流量、温度等方面的研究．２０世纪７０年代超声波进入工业领域，９０年代中期计算机软硬件和高速数字信号处理技术的快速发展，使得利用超声波传输时间对流量、温度、液位和距离等参数进行精密测量得以迅速推广和应用．对超声波传输时间的测量方法中最常见的测时方法是脉冲计数法，测时的分辨率决定了此方法的测量精度．通常情况下，为了提高测时分辨率，只能不断提高计时脉冲的频率．如果要求测时精度达到ｎｓ级，则相应的计时脉冲频率必须达到ＧＨｚ量级以上．提高计时脉冲的频率就等于增加计数器的位数，从而加大硬件成本的开销超声波在介质中传输时就载上了传输介质的信息，因此通过检测接收到的超声波回波信号就可以间接测量所需介质的信息．例如，时差法超声波流量计中利用超声波传输时间来测量介质流速、流量等信息．超声波在洁净水中的传输速度约为1450m/s，设其顺逆流时间差约为0.38?s，即380ns。要保证测量达到0.5％的测量精度，最大误差为1.9ns，因此对超声波传输时间的测量必须稳定在ns级水平范围内．又例如超声波温度计中传输距离不变时利用不同超声波传输时间精密测量温度，如20℃和21℃时超声波在空气中的速度约为344和344.6m/s，传输距离固定在0.3ｍ，则在20℃和21℃时超声波的传输时间是872.09?s和870.57?s，其时间差为１．５２μｓ．要保证测量达到０．００１℃的测量分辨率，最大误差为１．５ｎｓ，则要求对超声波传输时间的测量要小于１．５ｎｓ．针对上述问题，作者提出了一种精密测量超声波传输时间的 9
方法，并对其中的一些关键技术加以说明．该方法不但有效解决了精密测量超声波传输时间的关键问题，而且保证超声波传输时间的测量达到了ns级，乃至ps级的精度 CMOS 图像传感器的研究始于20 世纪60 年代末，受当时工艺技术的限制，发展和应用有限。直到20世纪90 年代初，随着大规模集成电路设计技术和信号处理技术的提高，CMOS 图像传感器才日益受到重视，成为固体图像传感器的研发热点。近几年来，随着集成电路设计技术和工艺水平的长足进步，CMOS 图像传感器的一些性能指标已接近甚至超过CCD 图像传感器。CMOS 图像传感器的总体结构一般由像素阵列、行选通逻辑、列选通逻辑、定时和控制电路、在片模拟信号处理器（ASP）构成，高级的CMOS 图像传感器还集成有在片模数转换器（ADC）。行选通逻辑和列选通逻辑可以是移位寄存器，也可以是译码器，其中的行选通逻辑单元可以对像素阵列逐行扫描也可隔行扫描。行选通逻辑单元与列选通逻辑单元配合使用可以实现图像的窗口提取功能。定时和控制电路限制信号读出模式、设定积分时间、控制数据输出率等。在片模拟信号处理器是完成相关双取样、信号积分、放大、取样/保持、双Δ 取样等功能，对信号进行放大处理，提高信噪比（SNR）。在片模数转换器是数字成像系统所必需的，CMOS 图像传感器可以是整个成像阵列有一个ADC 或几个ADC（每种颜色一个），也可以是成像阵列每列各一个。外界光照射像素阵列，发生光电效应，在像素单元内产生相应的电荷。行选通逻辑单元根据需要，选通相应的行像素单元。行像素单元内的图像信号通过各自所在列的信号总线传输到对应的模拟信号处理单元以及ADC，转换成数字图像信号输出。与CCD 相比，这种结构提供了随机进入像元、以非常高的帧速率直接开窗口的能力，同时避免了CCD 中大量电荷转移很长距离的情况。 3工业检测移动机器人系统中将各种信号经传感器采集数据后，需要进行相关数据处理。本系统将采用专用采集模块对多路信号进行模数转换，并将所采集数据进行一些必要的滤波降噪后，送给数据处理单元进行数据处理；其该原理框图如下： 4、将模糊控制技术、基于神经网络PID等控制技术应用到工业检测机器人的轨迹跟踪中，并对其控制性能进行研究与比较； 10 传感器 信号采集 信号预处理 信息提取