引言

移動機(jī)器人的研究始于60年代末期斯坦福研究院(spa)的NilsNilssen和CharlesRoesn等人，在1966年至1972年中研制出了自主移動機(jī)器人Shakey。70年代末，移動機(jī)器人研究又出現(xiàn)了新的高潮，特別是在80年代中期以來，設(shè)計和制造機(jī)器人的浪潮席卷全世界。一大批世界著名的公司，如美國通用電氣、日木本田、索尼等開始研制移動機(jī)器人平臺，這些移動機(jī)器人主要作為大學(xué)實驗室及研究機(jī)構(gòu)的移動機(jī)器人實驗平臺，從而促進(jìn)了移動機(jī)器人學(xué)多種研究方向的出現(xiàn)。隨著移動機(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)移動機(jī)器人的理論、設(shè)計、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。移動機(jī)器人的研究將進(jìn)入了一個嶄新的階段。

移動機(jī)器人是一類能夠通過傳感器感知環(huán)境和自身狀態(tài)，實現(xiàn)在有障礙物的環(huán)境中面向目標(biāo)自主運動，從而完成一定功能的機(jī)器人系統(tǒng)。理想的自主移動機(jī)器人可以不需人的干預(yù)在各種環(huán)境中自主完成規(guī)定任務(wù)，具有較高的智能水平，但目前全自主移動機(jī)器人還大多處于實驗階段，進(jìn)入實用的多為半自主移動機(jī)器人，通過人的干預(yù)在特定環(huán)境中執(zhí)行各種任務(wù)，而遙控機(jī)器人則完全離不開人的干預(yù)。

隨著新的智能控制算法的不斷涌現(xiàn)，移動機(jī)器人正向著智能化方向發(fā)展，這就對運動控制系統(tǒng)性能提出了更高的要求。設(shè)計實現(xiàn)智能移動機(jī)器人的控制系統(tǒng)，能夠熟悉移動機(jī)器人硬件和軟件的開發(fā)，掌握移動機(jī)器人的運動控制特性，為后續(xù)的移動機(jī)器人的功能擴(kuò)展搭建一個可行、穩(wěn)定的平臺，而這個平臺則可以作為多種機(jī)器人開發(fā)的公共基礎(chǔ)平臺。實現(xiàn)智能移動機(jī)器人控制系統(tǒng)的開發(fā)具有一定的現(xiàn)實意義，將為以后的移動機(jī)器人開發(fā)奠定堅實的基礎(chǔ)。

1、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能

移動機(jī)器人的控制系統(tǒng)是機(jī)器人系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對系統(tǒng)平穩(wěn)運行起著重要作用，有時也可作為一個簡單的控制器。構(gòu)成機(jī)器人運動控制系統(tǒng)的要素有：計算機(jī)硬件系統(tǒng)及控制軟件、輸入輸出設(shè)備、驅(qū)動器、傳感器系統(tǒng)等。設(shè)計智能移動機(jī)器人控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 移動機(jī)器人控制系統(tǒng)框圖

移動機(jī)器人的控制系統(tǒng)的實現(xiàn)：移動機(jī)器人控制系統(tǒng)的主要內(nèi)容是生成機(jī)器人的運動控制信息，控制機(jī)器人的運動。軌跡跟蹤是移動機(jī)器人需要完成的任務(wù)之一，其典型工作過程為機(jī)器人運動控制器根據(jù)規(guī)劃好的路徑生成機(jī)器人的運動控制信息，控制機(jī)器人完成相應(yīng)的移動，完成規(guī)劃路徑的跟蹤。運動控制過程中用到的輸入信息包括底層超聲波測距模塊提供的障礙物距離信息，電機(jī)碼盤提供的機(jī)器人的位置、速度信息，以及全景攝像機(jī)、單目視覺攝像機(jī)采集并經(jīng)過處理后的視頻信息等。

機(jī)器人本體上安裝有四個驅(qū)動電機(jī)，作為移動機(jī)器人的驅(qū)動機(jī)構(gòu)。每個驅(qū)動電機(jī)都帶有一個光電碼盤，光電碼盤提供正交編碼脈沖信號，可用作驅(qū)動電機(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，可以采用通用計算機(jī)、大容量單片機(jī)、DSP、ARM等嵌入式控制器。

移動機(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)行運算，輸出控制信息到驅(qū)動電機(jī)，控制機(jī)器人的移動。

移動機(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)動電機(jī)控制機(jī)器人完成相應(yīng)動作。

2、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

控制系統(tǒng)硬件主要包含主控板單元、電機(jī)驅(qū)動以及超聲波測距模單元。

2.1主控板單元

主控板主要完成模塊接口管理、數(shù)據(jù)傳輸以及超聲波測距模塊的控制。移動機(jī)器人配備各種傳感器模塊接口不完全一樣，其中全景視覺攝像機(jī)模塊接口一般為USB接口。雙目視覺像機(jī)一般采用RS232接口。主控板主要負(fù)責(zé)與上位機(jī)的通信，電機(jī)驅(qū)動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)動控制器。同時主控板檢測電機(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行時間的讀取都由主控板控制完成。

2.2電機(jī)驅(qū)動單元

移動機(jī)器人有四個定向輪，分別由四個完全相同的驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動。為保證驅(qū)動電機(jī)閉環(huán)調(diào)速的實時、準(zhǔn)確性和運行的穩(wěn)定、獨立性，每個驅(qū)動電機(jī)將由各自電機(jī)驅(qū)動控制器單獨驅(qū)動。每個電機(jī)驅(qū)動模塊由一個帶有通信接口的控制器和電機(jī)驅(qū)動單元組成。電機(jī)驅(qū)動模塊控制芯片接收控制指令，計算出驅(qū)動電機(jī)運行速度和方向，給出驅(qū)動電機(jī)控制電壓，同時通過驅(qū)動電機(jī)同軸光電碼盤檢測電機(jī)運行速度，對驅(qū)動電機(jī)目標(biāo)速度和實際速度差值進(jìn)行一定運算，給出驅(qū)動電機(jī)控制電壓值，完成驅(qū)動電機(jī)的閉環(huán)調(diào)速。

2.3超聲波測距單元

超聲波測距單元用于檢測移動機(jī)器人與周圍障礙物的距離，40KHz方波信號由主控板控制器產(chǎn)生，放大后經(jīng)換能器輸出超聲波信號，超聲波信號在空氣中傳播經(jīng)障礙物反射后由換能器接收，接收到的超聲波信號轉(zhuǎn)換成小幅值電信號，經(jīng)放大、濾波、比較后由主控板控制器檢測，計算傳輸時間即可。因此模塊需要方波信號功率放大器件、超聲波換能器、接收到的超聲波小幅值信號放大、濾波、比較器件。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。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間，從而計算出障礙物距離。超聲波測距單元硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 超聲波測距單元硬件結(jié)構(gòu)圖

3、仿真模型

本文利用MATLAB/Simulink仿真軟件對機(jī)器人的運動學(xué)仿真進(jìn)行研究,提出基于機(jī)構(gòu)仿真工具SimMechanics的運動學(xué)仿真和基于MATLAB的函數(shù)的運動學(xué)仿真。設(shè)計了一個基于SimMechanics的運動學(xué)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)實技術(shù)實時反映智能小車運行過程中的狀態(tài)，可以為電子設(shè)計中掌握小車運動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，小車運動方程如下:

式中，b為左右驅(qū)動輪間橫向距離，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)合實現(xiàn)了可視化交互性操作，能實時觀測智能車運動狀態(tài)的變化。

4、控制器參數(shù)優(yōu)化

常規(guī)PID控制器的調(diào)節(jié)性能取決于參數(shù)Kp，Ki，Kd的整定情況，參數(shù)整定的好，則控制效果就好，否則相反。本設(shè)計通過調(diào)節(jié)KP、KI和KD三個控制參數(shù)，使智能車能更準(zhǔn)確、快速地沿給定路徑前進(jìn)。圖3中基于SimMechanics的運動學(xué)仿真模型，集成了基于圖形界面的系統(tǒng)控制器優(yōu)化設(shè)計和仿真功能，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)化計算。PID控制器輸出經(jīng)過一個驅(qū)動器后去控制被控對象。

圖3 基于SimMechanics的運動學(xué)仿真模型

根據(jù)建立的機(jī)器人SimMechanics仿真模型，在仿真環(huán)境中設(shè)置分析類型，就可以實現(xiàn)機(jī)器人的運動學(xué)(或動力學(xué))仿真分析。用光電編碼盤測得機(jī)器人的末端軌跡如圖4所示。

圖4 機(jī)器人的末端運動軌跡

5、結(jié)論

基于SimMechanics的仿真模型，通過參數(shù)設(shè)置及仿真類型選擇，可以方便地進(jìn)行動力學(xué)仿真。本設(shè)計能夠獨立完成移動機(jī)器人驅(qū)動電機(jī)的閉環(huán)調(diào)速。由上位控制器發(fā)送指令控制機(jī)器人運動，無需參與閉環(huán)調(diào)速過程。使用MATLAB工具箱實現(xiàn)了移動機(jī)器人的路徑跟蹤程序控制，通過機(jī)器人光電編碼盤記錄的機(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)，實現(xiàn)對離散化路徑的跟蹤。

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