摘要：通過對移動(dòng)機(jī)器人的研究，本文采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對輪式移動(dòng)機(jī)器人電機(jī)驅(qū)動(dòng)和閉環(huán)調(diào)速的控制，實(shí)現(xiàn)了基于渡越時(shí)間法的超聲波測距模塊設(shè)計(jì)，為機(jī)器人提供簡單方便的障礙物距離檢測。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)仿真驗(yàn)證，論文設(shè)計(jì)的移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)行平穩(wěn)，控制簡單。仿真的路徑跟蹤結(jié)果顯示路徑跟蹤控制規(guī)則能夠使機(jī)器人較好的跟蹤已知路徑。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)，移動(dòng)機(jī)器人；運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)；軌跡跟蹤；

中途分類號：TP9文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

0引言

隨著移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的迅速發(fā)展及其在工業(yè)、軍事等領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，有關(guān)移動(dòng)機(jī)器人的理論、設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用的新的技術(shù)科學(xué)---機(jī)器人學(xué)，已逐漸形成，并越來越引起人們廣泛的關(guān)注。移動(dòng)機(jī)器人的研究將進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段。同時(shí)，太空資源、海洋資源的開發(fā)與利用為移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展提供了廣闊的空間。目前，智能移動(dòng)機(jī)器人，無人自主車等領(lǐng)域的研究進(jìn)入了應(yīng)用的階段，隨著研究的深入，對移動(dòng)機(jī)器人的自主導(dǎo)航能力，動(dòng)態(tài)避障策略，避障時(shí)間等方面提出了更高的要求。地面智能機(jī)器人路徑規(guī)劃，是行駛在復(fù)雜，動(dòng)態(tài)自然環(huán)境中的全自主機(jī)器人系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，而地面智能機(jī)器人全地域全自主技術(shù)的研究，是當(dāng)今國內(nèi)外學(xué)術(shù)界面臨的挑戰(zhàn)性問題。

智能移動(dòng)機(jī)器人是一類能夠通過傳感器感知環(huán)境和自身狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)在有障礙物的環(huán)境中面向目標(biāo)自主運(yùn)動(dòng)，從而完成一定功能的機(jī)器人系統(tǒng)。移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)研究綜合了路徑規(guī)劃、導(dǎo)航定位、路徑跟蹤與運(yùn)動(dòng)控制等技術(shù)。涉及到包括距離探測、視頻采集、溫濕度以及聲光等多種外部傳感器，作為移動(dòng)機(jī)器人的輸入信息。移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制主要是完成移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)平臺，提供一種移動(dòng)機(jī)器人的控制方式。性能良好的移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)行的基礎(chǔ)，能夠服務(wù)于移動(dòng)機(jī)器人研究的通用開發(fā)平臺。

運(yùn)動(dòng)控制器是移動(dòng)機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對機(jī)器人的平穩(wěn)運(yùn)行起著重要作用。隨著新的智能控制算法的不斷涌現(xiàn)，移動(dòng)機(jī)器人正向著智能化方向發(fā)展，這就對運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)性能提出了更高的要求。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)智能移動(dòng)機(jī)器人的控制系統(tǒng)，能夠熟悉移動(dòng)機(jī)器人硬件和軟件的開發(fā)，掌握移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制特性，為后續(xù)的移動(dòng)機(jī)器人的功能擴(kuò)展搭建一個(gè)可行、穩(wěn)定的平臺，而這個(gè)平臺則可以作為多種機(jī)器人開發(fā)的公共基礎(chǔ)平臺。實(shí)現(xiàn)智能移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)的開發(fā)具有一定的現(xiàn)實(shí)意義，將為以后的移動(dòng)機(jī)器人開發(fā)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能

移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是整個(gè)移動(dòng)機(jī)器人的基礎(chǔ)，．可靠的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是移動(dòng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的前提。設(shè)計(jì)智能移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)框圖

開發(fā)人員在上位機(jī)進(jìn)行移動(dòng)機(jī)器人的軟件開發(fā)，同時(shí)上位機(jī)也是整個(gè)移動(dòng)機(jī)器人的控制中樞，上位機(jī)接收各信息采集模塊提供的環(huán)境信息，給出移動(dòng)機(jī)器人控制指令控制機(jī)器人移動(dòng)。機(jī)器人本體上安裝有四個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，作為移動(dòng)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。每個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)都帶有一個(gè)光電碼盤，光電碼盤提供正交編碼脈沖信號，可用作驅(qū)動(dòng)電機(jī)閉環(huán)調(diào)速和機(jī)器人定位脈沖。車載處理器主要負(fù)責(zé)超聲波測距模塊控制、模塊管理、機(jī)器人定位以及和上位機(jī)的通信，可以采用通用計(jì)算機(jī)、大容量單片機(jī)、DSP、ARM等嵌入式控制器。

如果采用通用計(jì)算機(jī)，那么開發(fā)上位機(jī)就不用獨(dú)立于車載處理器之外了。移動(dòng)機(jī)器人輸入信息包括視覺輸入和距離檢測。視覺信息包括全景視覺和雙目視覺攝像機(jī)。距離信息包括激光測距和超聲波測距模塊。移動(dòng)機(jī)器人根據(jù)開發(fā)人員事先建立好的環(huán)境地圖，移動(dòng)過程中讀取的環(huán)境信息，在處理器內(nèi)根據(jù)控制規(guī)則進(jìn)行運(yùn)算，輸出控制信息到驅(qū)動(dòng)電機(jī)，控制機(jī)器人的移動(dòng)。

移動(dòng)機(jī)器人的車載處理器和上位機(jī)作為處理中樞，接收激光、超聲波等測距模塊提供的障礙物距離信息，全景、雙目視覺提供的視覺信息。結(jié)合上位機(jī)中的預(yù)設(shè)功能，通過控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制機(jī)器人完成相應(yīng)動(dòng)作。

2控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)硬件主要包含主控板硬件、電機(jī)驅(qū)動(dòng)以及超聲波測距模塊。

(1)主控板硬件：主控板是移動(dòng)機(jī)器人的硬件控制中心，主要負(fù)責(zé)各模塊管理協(xié)調(diào)和數(shù)據(jù)通信任務(wù)，主控芯片采用TI公司2000控制型DSP。主控板主要負(fù)責(zé)與上位機(jī)的通信，電機(jī)驅(qū)動(dòng)的控制信息可以由上位機(jī)經(jīng)過主控板傳輸?shù)诫姍C(jī)驅(qū)動(dòng)控制器。同時(shí)主控板檢測電機(jī)碼盤提供的正交編碼脈沖信號用作機(jī)器人的定位。距離檢測模塊接口主要由主控板負(fù)責(zé)。超聲波測距模塊由主控板進(jìn)行管理，發(fā)射信號的產(chǎn)生，接收信號的檢測處理和超聲波運(yùn)行時(shí)間的讀取都由主控板控制完成。如果激光測距傳感器和雙目相機(jī)的接口為RS232串口，那么主控板也可以作為這類距離傳感器的接口芯片，減少上位機(jī)的接口負(fù)荷，優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

(2)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊：移動(dòng)機(jī)器人有四個(gè)定向輪，分別由四個(gè)完全相同的驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。為保證驅(qū)動(dòng)電機(jī)閉環(huán)調(diào)速的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確性和運(yùn)行的穩(wěn)定、獨(dú)立性，每個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)將由各自電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。每個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊由一個(gè)帶有通信接口的控制器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元組成。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制芯片接收控制指令，計(jì)算出驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行速度和方向，給出驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制電壓，同時(shí)通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)同軸光電碼盤檢測電機(jī)運(yùn)行速度，對驅(qū)動(dòng)電機(jī)目標(biāo)速度和實(shí)際速度差值進(jìn)行一定運(yùn)算，給出驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制電壓值，完成驅(qū)動(dòng)電機(jī)的閉環(huán)調(diào)速。

(3)超聲波測距模塊：超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機(jī)械振蕩，傳播速度僅為光波的百萬分之一，縱向分辨率較高。超聲波對色彩、光照度、外界光線和電磁場不敏感，因此超聲波測距對于被測物處于黑暗、有灰塵或煙霧、強(qiáng)電磁干擾、有毒等惡劣的環(huán)境下有一定的適應(yīng)能力，在液位測量、機(jī)器人避障和定位、倒車?yán)走_(dá)、物體識別等方面有廣泛應(yīng)用。由于超聲波傳播不易受干擾，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量。超聲波測距模塊為移動(dòng)機(jī)器人提供障礙物距離信息。使用渡越時(shí)間法測量距離?？刂破鳟a(chǎn)生方波信號，經(jīng)過功率放大到超聲波換能器輸出，輸出超聲波在空氣中以聲速傳播，經(jīng)障礙物反射回來，由接收超聲波換能器接收。由于超聲波信號在空氣中衰減，接收換能器輸出的電信號極其微弱，大都為毫伏級，并且會(huì)摻雜一些噪聲干擾，所以需要對接收信號進(jìn)行放大和濾波。調(diào)理過的信號再通過檢波和整形即可被控制芯片使用。從控制芯片發(fā)射超聲波信號開始到接收檢測到整形后的信號即為超聲波的傳輸時(shí)間，從而計(jì)算出障礙物距離。

主控板硬件主要內(nèi)容為主控芯片TMS320LF2407A及其外圍電路，外圍電路包括復(fù)位電路、時(shí)鐘、電源模塊、JTAG接口、鎖相環(huán)外接濾波模塊、SRAM、模塊I／O接口、串口傳輸模塊以及電平轉(zhuǎn)換芯片等。主控板主要負(fù)責(zé)各模塊接口管理和通信任務(wù)，同時(shí)主控芯片完成超聲波測距的設(shè)計(jì)控制和機(jī)器人定位。另外設(shè)計(jì)中主控板還可嵌入相關(guān)開發(fā)系統(tǒng)，利于后續(xù)設(shè)計(jì)的開發(fā)和升級。主控板硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2主控板硬件結(jié)構(gòu)圖

3仿真模型

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于Simulink7的智能小車仿真平臺，能夠根據(jù)系統(tǒng)性能要求確定PID控制器的最優(yōu)參數(shù)，并且利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)時(shí)反映智能小車運(yùn)行過程中的狀態(tài)，可以為電子設(shè)計(jì)中掌握小車運(yùn)動(dòng)控制提供很好的演示環(huán)境

假設(shè)車在XOY坐標(biāo)系的坐標(biāo)為(X，Y)，運(yùn)行方向與X軸的夾角為θ，則向量[X，Y，θ]表示車的位姿，小車運(yùn)動(dòng)方程如下:

式中，b為左右驅(qū)動(dòng)輪間橫向距離，vL為左輪線速度，vR為右輪線速度，ω為小車轉(zhuǎn)向速度，v為小車前進(jìn)速度左右驅(qū)動(dòng)輪選用同一型號電機(jī)，車輪摩擦轉(zhuǎn)矩Tf為反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。若i為減速比，η為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)效率，則負(fù)載轉(zhuǎn)矩折算到電機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)矩

T=Tf/iη

采用虛擬仿真技術(shù)使得對智能車的測控更加直觀，Simulink優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊使系統(tǒng)控制器參數(shù)的調(diào)節(jié)更為方便，兩者結(jié)合實(shí)現(xiàn)了可視化交互性操作，能實(shí)時(shí)觀測智能車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化。

4控制器參數(shù)優(yōu)化

本設(shè)計(jì)采用PID控制，通過調(diào)節(jié)KP、KI和KD三個(gè)控制參數(shù),使智能車能更準(zhǔn)確、快速地沿給定路徑前進(jìn)。圖3中SimulinkDesignOptimization模塊集中的SimulinkConstraint模塊是Simulink7.0版本更新的優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊，其集成了基于圖形界面的系統(tǒng)控制器優(yōu)化設(shè)計(jì)和仿真功能，能夠根據(jù)設(shè)定的性能指標(biāo)約束對控制器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。PID控制器輸出經(jīng)過一個(gè)驅(qū)動(dòng)器后去控制被控對象，考慮電機(jī)工作電壓的上、下限，驅(qū)動(dòng)器近似為一個(gè)飽和非線性環(huán)節(jié)，即圖一中的Saturation模塊。

圖3驅(qū)動(dòng)電機(jī)的PI控制模型

5結(jié)論

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于STCl2C4052AD的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，獨(dú)立完成移動(dòng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)電機(jī)的閉環(huán)調(diào)速。由上位控制器發(fā)送指令控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，無需參與閉環(huán)調(diào)速過程。使用MATLAB模糊工具箱實(shí)現(xiàn)了一種機(jī)器人的路徑跟蹤程序控制，輸入通過機(jī)器人光電碼盤記錄的機(jī)器人左右輪位移，轉(zhuǎn)換為機(jī)器人的當(dāng)前位置和姿態(tài)，經(jīng)過路徑跟蹤控制規(guī)則運(yùn)算并量化輸出控制機(jī)器人的線速度和角速度(轉(zhuǎn)換為機(jī)器人的左右輪速度)，實(shí)現(xiàn)對離散化路徑的跟蹤。