人机研究论文

机器人是由计算机控制的通过编程具有可以变更的多功能的自动机械，下面是我整理的机器人技术论文，希望你能从中得到感悟!

刍议智能机器人及其关键技术

【摘 要】文章介绍了机器人的定义，阐述了智能机器人研究领域的关键技术，最后展望了智能机器人今后的发展趋势。

【关键词】智能机器人;信息融合;智能控制

一、机器人的定义

自机器人问世以来，人们就很难对机器人下一个准确的定义，欧美国家认为机器人应该是“由计算机控制的通过编程具有可以变更的多功能的自动机械”;日本学者认为“机器人就是任何高级的自动机械”，我国科学家对机器人的定义是：“机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。”目前国际上对机器人的概念已经渐趋一致，联合国标准化组织采纳了美国机器人协会(RIA：Robot Institute of America)于1979 年给机器人下的定义：“一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机;或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。”概括说来，机器人是靠自身动和控制能力来实现各种功能的一种机器。

二、智能机器人关键技术

随着社会发展的需要和机器人应用领域的扩大，人们对智能机器人的要求也越来越高。智能机器人所处的环境往往是未知的、难以预测的，在研究这类机器人的过程中，主要涉及到以下关键技术：

(1)多传感器信息融合。多传感器信息融合技术是近年来十分热门的研究课题，它与控制理论、信号处理、人工智能、概率和统计相结合，为机器人在各种复杂、动态、不确定和未知的环境中执行任务提供了一种技术解决途径。机器人所用的传感器有很多种，根据不同用途分为内部测量传感器和外部测量传感器两大类。内部测量传感器用来检测机器人组成部件的内部状态，包括：特定位置、角度传感器;任意位置、角度传感器;速度、角度传感器;加速度传感器;倾斜角传感器;方位角传感器等。外部传感器包括：视觉(测量、认识传感器)、触觉(接触、压觉、滑动觉传感器)、力觉(力、力矩传感器)、接近觉(接近觉、距离传感器)以及角度传感器(倾斜、方向、姿式传感器)。多传感器信息融合就是指综合来自多个传感器的感知数据，以产生更可靠、更准确或更全面的信息。经过融合的多传感器系统能够更加完善、精确地反映检测对象的特性，消除信息的不确定性，提高信息的可靠性。融合后的多传感器信息具有以下特性：冗余性、互补性、实时性和低成本性。目前多传感器信息融合方法主要有贝叶斯估计、卡尔曼滤波、神经网络、小波变换等。

(2)导航与定位。在机器人系统中，自主导航是一项核心技术，是机器人研究领域的重点和难点问题。导航的基本任务有3点：一是基于环境理解的全局定位：通过环境中景物的理解，识别人为路标或具体的实物，以完成对机器人的定位，为路径规划提供素材;二是目标识别和障碍物检测：实时对障碍物或特定目标进行检测和识别，提高控制系统的稳定性;三是安全保护：能对机器人工作环境中出现的障碍和移动物体作出分析并避免对机器人造成的损伤。机器人有多种导航方式，根据环境信息的完整程度、导航指示信号类型等因素的不同，可以分为基于地图的导航、基于创建地图的导航和无地图的导航3类。根据导航采用的硬件的不同，可将导航系统分为视觉导航和非视觉传感器组合导航。视觉导航是利用摄像头进行环境探测和辨识，以获取场景中绝大部分信息。目前视觉导航信息处理的内容主要包括：视觉信息的压缩和滤波、路面检测和障碍物检测、环境特定标志的识别、三维信息感知与处理。非视觉传感器导航是指采用多种传感器共同工作，如探针式、电容式、电感式、力学传感器、雷达传感器、光电传感器等，用来探测环境，对机器人的位置、姿态、速度和系统内部状态等进行监控，感知机器人所处工作环境的静态和动态信息，使得机器人相应的工作顺序和操作内容能自然地适应工作环境的变化，有效地获取内外部信息。

(3)路径规划。路径规划技术是机器人研究领域的一个重要分支。最优路径规划就是依据某个或某些优化准则(如工作代价最小、行走路线最短、行走时间最短等)，在机器人工作空间中找到一条从起始状态到目标状态、可以避开障碍物的最优路径。路径规划方法大致可以分为传统方法和智能方法两种。传统路径规划方法主要有以下几种：自由空间法、图搜索法、栅格解耦法、人工势场法。大部分机器人路径规划中的全局规划都是基于上述几种方法进行的，但这些方法在路径搜索效率及路径优化方面有待于进一步改善。人工势场法是传统算法中较成熟且高效的规划方法，它通过环境势场模型进行路径规划，但是没有考察路径是否最优。智能路径规划方法是将遗传算法、模糊逻辑以及神经网络等人工智能方法应用到路径规划中，来提高机器人路径规划的避障精度，加快规划速度，满足实际应用的需要。其中应用较多的算法主要有模糊方法、神经网络、遗传算法、Q学习及混合算法等，这些方法在障碍物环境已知或未知情况下均已取得一定的研究成果。

(4)机器人视觉。视觉系统是自主机器人的重要组成部分，一般由摄像机、图像采集卡和计算机组成。机器人视觉系统的工作包括图像的获取、图像的处理和分析、输出和显示，核心任务是特征提取、图像分割和图像辨识。而如何精确高效的处理视觉信息是视觉系统的关键问题。目前视觉信息处理逐步细化，包括视觉信息的压缩和滤波、环境和障碍物检测、特定环境标志的识别、三维信息感知与处理等。其中环境和障碍物检测是视觉信息处理中最重要、也是最困难的过程。机器人视觉是其智能化最重要的标志之一，对机器人智能及控制都具有非常重要的意义。目前国内外都在大力研究，并且已经有一些系统投入使用。

(5)智能控制。随着机器人技术的发展，对于无法精确解析建模的物理对象以及信息不足的病态过程，传统控制理论暴露出缺点，近年来许多学者提出了各种不同的机器人智能控制系统。机器人的智能控制方法有模糊控制、神经网络控制、智能控制技术的融合(模糊控制和变结构控制的融合;神经网络和变结构控制的融合;模糊控制和神经网络控制的融合;智能融合技术还包括基于遗传算法的模糊控制方法)等。近几年，机器人智能控制在理论和应用方面都有较大的进展。在模糊控制方面，J.J.Buckley等人论证了模糊系统的逼近特性，E.H.Mamdan首次将模糊理论用于一台实际机器人。模糊系统在机器人的建模控制、对柔性臂的控制、模糊补偿控制以及移动机器人路径规划等各个领域都得到了广泛的应用。在机器人神经网络控制方面，CMCA(Cere-bella Model Controller Articulation)应用较早的一种控制方法，其最大特点是实时性强，尤其适用于多自由度操作臂的控制。

(6)人机接口技术。智能机器人的研究目标并不是完全取代人，复杂的智能机器人系统仅仅依靠计算机来控制目前是有一定困难的，即使可以做到，也由于缺乏对环境的适应能力而并不实用。智能机器人系统还不能完全排斥人的作用，而是需要借助人机协调来实现系统控制。因此，设计良好的人机接口就成为智能机器人研究的重点问题之一。人机接口技术是研究如何使人方便自然地与计算机交流。为了实现这一目标，除了最基本的要求机器人控制器有1个友好的、灵活方便的人机界面之外，还要求计算机能够看懂文字、听懂语言、说话表达，甚至能够进行不同语言之间的翻译，而这些功能的实现又依赖于知识表示方法的研究。因此，研究人机接口技术既有巨大的应用价值，又有基础理论意义。目前，人机接口技术已经取得了显著成果，文字识别、语音合成与识别、图像识别与处理、机器翻译等技术已经开始实用化。另外，人机接口装置和交互技术、监控技术、远程操作技术、通讯技术等也是人机接口技术的重要组成部分，其中远程操作技术是一个重要的研究方向。

三、总结与展望

机器人是自动化领域的主题之一，人们几十年来对机器人的开发和研究，使机器人技术取得了巨大的进步。随着人工智能、智能控制和计算机技术的发展，机器人的应用领域必将不断扩大，性能不断提高，在未来的生产、生活、科研当中会发挥更重要的作用。

参 考 文 献

[1]孙华，陈俊风，吴林.多传感器信息融合技术及其在机器人中的应用[J].传感器技术.2003，22(9)：1～4

[2]王灏，毛宗源.机器人的智能控制方法[M].北京：国防工业出版社，2002

[3]金周英.关于我国智能机器人发展的几点思考[J].机器人技术与应用.2001(4)：5～7

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基于嵌入式技术楼宇智能化控制系统*摘要:为了解决智能楼宇控制点种类和数量多的问题,设计了基于嵌入式技术的智能楼宇控制系统,系统采用MODBUS通讯协议,485/232总线结构,最大通讯距离达1200m,通过区域控制器与控制模块数目自由组合组成控制网络的方法成功解决这个问题,效果良好。关键词:智能楼宇 MODBUS协议 485/232总线 区域控制器0 引 言智能楼宇最早出现在美国,我国的智能楼宇起源于20世纪90年代,楼宇智能化是现代工业高科技的结晶,是未来“信息高速公路”的主节点,是进入“数字时代”新兴的产物。所谓楼宇自动化系统是对中央空调系统、通风系统、给排水系统、照明系统、变配电系统、电梯系统进行监控。随着高新信息技术和计算机网络技术的高速发展,对建筑物的结构、系统、服务及管理的最优化组合的要求越来越高[4]。系统控制的方式由过去的中央集中监控,转而由高处理能力的现场控制器所取代的集散控制系统,本文设计的楼宇自动化智能控制系统是专门为楼宇智能化所设计,同霍尼韦尔、西门子等楼宇控制产品相比结构灵活,控制简便,并且易于针对个体需求进行软件的二次开发。1 网络结构控制系统结构如图1所示,分为三个控制层。上层为PC远程集中监控,下层为控制模块,中间层为现场区域控制器。层与层之间通过RS232/485总线联网。远程集中监控平台主要功能为提供即时的数据显示、历史数据的保存维护和查询显示、故障报警和故障历史查询、参数修改和查询。PC远程监控平台为主要人机界面,所以上位机软件设计体现了如下三个优点:一是将控制网络WEB化,可以将不同来源、不同格式的信息转变为统一的格式,供具有统一界面的客户机浏览器浏览,以更好地适应信息化社会的使用需要;二是建立了基于SQL SERV-ER数据库的管理信息系统,提高了信息管理的功能;三是采用开放式设计的网络结构,可以更方便地与其他系统(如安保系统、消防系统)进行集成。软件基于delphi平台开发,加载大量图形操作,简单方便。控制模块包括四种,即数字量输入模块(Digital In-put)、数字量输出模块(DigitalOutput)、模拟量输入模块(Analog Input)、模拟量输出模块(AnalogOutput)。控制模块是控制系统的主要执行机构,即采集数字量信号和模拟量信号,也输出数字量信号和模拟量信号。因此每种模块各自拥有单独的控制芯片,既接受现场区域控制器的控制命令,又需要根据控制命令完成模块的输入输出功能。中间层现场区域控制器既与PC远程监控平台进行通讯,接受控制命令并上传实时数据,又通过控制模块采集数据、执行控制命令。显然,现场区域控制器是整个控制系统的核心枢纽,其重要性不言而喻,因此整个区域控制器的软硬件设计无疑成为整个系统的重点和难点。2 区域控制器2.1硬件电路区域控制器硬件电路主要由CPU、上下位机通讯接口、EEPROM和时钟、键盘和触摸屏、液晶以及数字量/模拟量输入输出单元组成。硬件结构如图2所示。区域控制器CPU选用STC89C516RD2,这是一款新一代抗干扰/高速/低功耗的单片机,指令代码完全兼容传统8051单片机[1-3]。区域控制器自身带有一定数目的数字量/模拟量输入输出单元,可以在智能楼宇控制系统中作为控制模块的补充,同时也可以使区域控制器单独作为产品配套控制器使用,灵活多变。时钟和EEPROM通过I2C总线与区域控制器CPU连接。I2C总线用两条线(SDA和SCL)在芯片和模块间传递信息。SDA为串行数据线, SCL为串行时钟线,这两条线必须用一个上拉电阻与正电源相连,其数据只有在总线不忙时才可传送。CPU是主设备,时钟和EEPROM是从设备[9]。上位机通讯接口由控制器CPU通过SPI总线访问异步通讯芯片MAX3100来实现。SPI总线采用三线同步接口。主要特点是可以同时发出和接收串行数据;可以当作主机或从机工作;提供频率可编程时钟;发送结束中断标志;写冲突保护;总线竞争保护等;下位机通讯接口以串行口中断的方式实现半双工通讯。为了满足多种输入方式,控制器同时带有键盘和触摸屏,即可以以按键方式键入控制命令,也可以直接点击触摸屏实现。键盘采用独立式键盘;触摸屏选用电阻式触摸屏,电阻式触摸屏屏幕主要由两个导电层组成,当手指触摸屏幕时,两层导电层在触摸点位置就有了接触,电阻发生变化,在X和Y两个方向上产生信号,然后由触摸屏控制器侦测到这一接触点并计算出(X,Y)的位置。2.2软件流程智能楼宇控制系统所控制的点位种类多样,如温度、湿度、流量、开关等。硬件电路依据数字量、模拟量以及输入、输出提供了通用的接口,因此具体识别控制每个点位则完全由软件完成。现场区域控制器作为整个系统的控制核心,既要检测自身输入输出单元,完成显示,报警等功能,又要根据上位机(PC)、控制模块提供信息发出控制决策。因此软件流程包括初始化、故障检测与处理、控制算法实现、上下位机通讯等(图3),初始化包括数值初始化、中断初始化,通讯初始化,显示初始化;故障检测包括通讯故障,反馈故障,逻辑故障等;控制部分主要是程序算法的实现,对输入输出的智能控制,包括键盘/触摸屏输入及液晶输出,上位机通讯即远程PC与区域控制器通讯,而下位机通讯则是区域控制器与控制模块之间通讯[5-6]。楼宇自动化控制系统故障种类多样,故障处理方法又各有不同,因此故障的检测和处理就成为程序设计的一个难点,针对这种情况,程序采用了查表法(表1),成功的解决了这一难题。楼宇自动化控制系统故障种类多样,故障处理方法又各有不同,因此故障的检测和处理就成为程序设计的一个难点,针对这种情况,程序采用了查表法(表1),成功的解决了这一难题。表中分5列,第一列为故障号;第二列为故障处理方法,如1(停机),2(关机), 3(重启)···;第三列判断是否联动,如0(否), 1(是),主要判断一些相互有关联的部分出现故障是否需要同步处理;第四列所谓的报警延时主要指某一现象视为故障的重复出现时间,目的是为了消除抖动引起的误报;第五列延迟寄存器则存放报警延时,如1(0.1秒级延时寄存器), 2(秒级延时), 3(分级延时)。每条故障都要对应于表中的一条,实际应用中只需填写表格,快捷方便。上下位机通讯程序都采用MODBUS通讯协议[7-8],Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议,控制器相互之间、控制器经由网络(例如以太网)和其它设备之间可以通信。它已经成为一通用工业标准。通信时,此协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地址,识别按地址发来的消息,决定要产生何种行动。如果需要回应,控制器将生成反馈信息并用Modbus协议发出。控制器通信使用主—从技术,即仅一设备(主设备)能初始化传输(查询)。其它设备(从设备)根据主设备查询提供的数据作出相应反应。此系统中当主设备为上位PC机时,现场区域控制器为从设备,当现场区域控制器为主设备时,控制模块为从设备。Modbus协议建立了主设备查询的格式:设备(或广播)地址、功能代码、所有要发送的数据、一错误检测域。从设备回应消息也由Mod-bus协议构成,包括确认要行动的域、任何要返回的数据、和一错误检测域。如果在消息接收过程中发生一错误,或从设备不能执行其命令,从设备将建立一错误消息并把它作为回应发送出去。例如:当主设备(现场区域控制器)发送如表2请求时,此控制器连接的所有控制模块都接受这请求,但是只有地址为1的控制模块对此请求应答,其他地址的控制模块自动丢弃这帧数据,经CRC检验数据正确后,根据功能码来处理此帧数据,此例中功能码为06,即向此寄存器地址写寄存器数据,完成后从设备需回应与主机请求相同的信息。置区域控制器和各种控制模块数量,结构灵活多变,可以适应多种输入输出信号,根据用户的实际需求开发控制软件,真正达到量身定做成为一大特色。本智能控制系统已经在多个楼宇智能化控制中使用,控制准确,运行稳定;另外,区域控制器也可单独使用,作为产品配套控制器,成功应用于除湿机、冷干机、Vocs气体清除装置等。参考文献1于洪洲·51系列单片机软件抗干扰设计[J]·集成电路通讯·2007,25卷,2期:16-182汪文,陈林·单片机原理及应用[M]·华中科技大学出版社3Yu ShouqianWang Jianhua Kou Jinqiao. Embedded Integrated Servo-controllers for IntelligentModularActuators[J]·HIGH TECHNOLOGYLETTERS.2006,12,1:37-41.4 B. Surrogate·Developmentofan IntelligentEnergyManagementNetworkforBuilding Automation, PROGRAMMABLE CONTROLLER FAC-TORY AUTOMATION(PLC FA)·2005,3:28-305黄鑫,宋洋·软件抗干扰技术及其在单片机上的应用·现代电子技术,2007年9期:90-926朱国飞·单片机在工业控制上的应用[J]·中国科技信息, 2005年18A期:77-797田拥军,赵光强,曾健平·基于RS485总线技术的PC机与单片机多机通讯设计[J]·湖南工程学院学报:自然科学版, 2007年17卷2期:19-238肖凯,张贤斌·Modbus协议在串口通讯中的研究及应用[J]·长江工程职业技术学院学报,2007年1期:30-329赵学军·RS485总线测控模块的MODBUS扩展协议设计[J]·自动化与仪表,2007年2期:37-40