前言

工業(yè)機器人的運動學控制對系統(tǒng)的實時性具有很高的要求，目前主流的工業(yè)機器人都是采用專門定制的運動控制卡，加上實時操作系統(tǒng)，這樣既保證了數(shù)據(jù)的實時傳輸又能保證運動控制的精確執(zhí)行，大大提升了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從而提升機器人的性能。另外的一些機器人產品是采用工業(yè)PC搭載高速總線的伺服控制系統(tǒng)，其控制PC采用的是實時操作系統(tǒng)，如vxworks或者windows+RTX實時擴展平臺保證軟件運行環(huán)境的實時性，通過運動規(guī)劃和運動控制單元可以實現(xiàn)對總線式伺服驅動器的控制，從而達到對機器人的精確控制。采用實時操作系統(tǒng)來搭建機器人控制系統(tǒng)是一個很好的解決方案，然而，其代價也是昂貴的，由于實時操作系統(tǒng)的成本高，這很大程度上限制了國內工業(yè)機器人產業(yè)化發(fā)展。采用通用的操作系統(tǒng)消息處理機制的缺陷是不能滿足工業(yè)機器人在運行過程中高穩(wěn)定性和響應快速性的要求，控制系統(tǒng)的上下位機之間進行頻繁地通信，實時性必然會跟不上運動控制的要求，從而大大地降低了工業(yè)機器人產業(yè)化的可能。此外，模塊化、可重構的工業(yè)機器人新型機構設計、基于實時系統(tǒng)和高速通信總線的高性能開放式控制系統(tǒng)、在高速、負載工作環(huán)境下的工業(yè)機器人優(yōu)化設計、高精度工業(yè)機器人的運動規(guī)劃和伺服控制、基于三維虛擬仿真和工業(yè)機器人生產線集成技術、復雜環(huán)境下機器人動力學控制和工業(yè)機器人故障遠程診斷與修復技術等也是機器人關鍵功能部件中重點解決的核心問題。

多信息融合的機器人智能感知與人機交互智能感知與人機交互是機器人與環(huán)境、機器人與人進行融合、交互的基礎。機器人感知識別技術在高效計算與精確識別方面有著巨大的發(fā)展空間，未來智能感知與認知主要是在傳感器技術發(fā)展的基礎上，進行大量數(shù)據(jù)有效分類、歸納，并提取可靠有效信息，凝聚成反映人—機—環(huán)境交互關系的特征數(shù)據(jù)網(wǎng)，并結合人工智能的發(fā)展及高效能計算能力的實現(xiàn)，為機器人的智能化發(fā)展提供基礎保障。

運動控制器是智能機器人的執(zhí)行機構，對機器人的平穩(wěn)運行起著重要作用。隨著新的智能控制算法的不斷涌現(xiàn)，智能機器人正向著智能化方向發(fā)展，MATLAB提供了一個高性能的數(shù)值計算和圖形顯示的數(shù)學和工程計算軟件環(huán)境。這種易于使用的MATLAB環(huán)境，是由數(shù)值分析、矩陣計算、信號處理和圖形繪制等組成。在這種環(huán)境下，問題的解答表達方式幾乎和他們的數(shù)學表達方式完全一樣，不像傳統(tǒng)的編程那么復雜。

1、控制系統(tǒng)結構概述

智能機器人運動控制系統(tǒng)是整個智能機器人的基礎，可靠的運動控制系統(tǒng)是智能機器人實驗設計的前提。設計智能智能機器人控制系統(tǒng)構成圖如圖1所示。

圖1 智能機器人控制系統(tǒng)構成圖

移動機器人控制系統(tǒng)的主要內容是生成機器人的運動控制信息，控制機器人的運動。軌跡跟蹤是移動機器人需要完成的任務之一，其典型工作過程為機器人運動控制器根據(jù)規(guī)劃好的路徑生成機器人的運動控制信息，控制機器人完成相應的移動，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，電機碼盤提供的機器人的位置、速度信息，以及全景攝像機、單目視覺攝像機采集并經(jīng)過處理后的視頻信息等。

智能機器人的車載處理器和上位機作為處理中樞，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。結合上位機中的預設功能，通過控制驅動電機控制機器人完成相應動作。

2、主控板軟件設計

主控板硬件完成模塊管理、設備通訊及機器人定位脈沖檢測等內容。在實際應用中，主控板硬件還負責超聲波測距的軟件管理，因為功能為超聲波測距軟件設計。

主控板硬件中只有主控板控制器需要進行軟件設計。主控板控制器TMS320LF2407A的主要任務是超聲波測距的軟件設計管理，余下基本都是一些基本設置內容，包括電機碼盤的正交編碼脈沖檢測。初始選定TMS320LF2407A作為主控板控制器是考慮到此控制系統(tǒng)可以作為以后機器人應用的平臺，可以在TMS320LF2407A里嵌入實時系統(tǒng)，提升系統(tǒng)性能，方便接口開發(fā)。

主控板控制器的軟件設計內容包括模塊初始化、串口通訊、正交編碼脈沖檢測和超聲波測距軟件。這里介紹模塊初始化串口通訊和正交編碼脈沖檢測等內容。

圖2 主板控制器程序流程圖

程序流程圖如圖2所示，復位向量地址為程序入口。然后程序進行初始化。初始化內容包括擴展方式、溢出方式、DARAM、倍頻、JTAG等基本配置。另外還有使用的相關I／0121的設置、程序使用相關定時器的設置、程序使用相關中斷的設置和串口通訊的相關設置。這些配置都是控制器使用的基本配置流程。初始化之后會開啟相關的中斷程序，隨后進入超聲波測距程序，并一直循環(huán)。中斷服務程序處于就緒狀態(tài)，一旦有中斷發(fā)生，中斷服務程序立即執(zhí)行。

在TMS320LF2407A的所有程序中，需要對其串口的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收程序做說明。異步通信使用三條線(地線、發(fā)送線、接收線)連接采用RS232格式的終端。發(fā)送各位依次為一個起始位、1～8個數(shù)據(jù)位、可選的一個奇偶校驗位、1~2個停止位。因此串口通訊能夠傳輸?shù)淖畲蟮臄?shù)據(jù)單位為8位，即一個字節(jié)。在設計中控制器和各終端會有各種類型的數(shù)據(jù)交流，如整形數(shù)據(jù)和浮點數(shù)據(jù)，因此需要對串口發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)轉換。

考慮四個字節(jié)的單精度浮點數(shù)的數(shù)據(jù)傳輸，因為串口每次最多只能傳輸一個字節(jié)，所以只需要把每個四字節(jié)浮點數(shù)的存儲數(shù)據(jù)轉換成字節(jié)形式發(fā)送即可，設計中采用強制轉換的方式完成。需要注意的地方在于TMS320LF2407A是16位芯片，因此，在TMS320LF2407A中，數(shù)據(jù)存儲均是以16位整形的數(shù)據(jù)形式存儲的，用戶對于數(shù)據(jù)的處理應該都是以16位整形數(shù)據(jù)為基礎的，所以不能將浮點數(shù)強制轉換成字節(jié)數(shù)組進行處理。例如對4字節(jié)浮點數(shù)的發(fā)送來說，首先應該將浮點數(shù)強制轉換為2個整形數(shù)。2個整形數(shù)的處理方式完全一樣，只不過在存儲地址上是字節(jié)數(shù)組的高低位不同。

對于正交編碼脈沖的檢測，TMS320LF2407A具有獨立的正交編碼脈沖單元，只要對單元寄存器進行簡單設置即可得到機器人驅動輪的運行方向和距離參數(shù)。TMS320LF2407A將這些數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到上位機，由上位機建模，對數(shù)據(jù)加以處理后得到機器人的位姿信息。

3、電機驅動軟件設計

電機驅動軟件完成電機的驅動控制和閉環(huán)調速。驅動控制使用的是電機驅動主控芯片STCl2C4052AD的片內PWM外設單元，生成的PWM信號經(jīng)過電機驅動芯片驅動電機，可以通過調節(jié)PWM占空比來調節(jié)加載在電機上24VDC電壓的占空比，從而調節(jié)電機轉速。PWM占空比由片內8位的PWM控制寄存器進行控制，該寄存器取值范圍為0,--255，分別代表PWM信號占空比從l到0的連續(xù)變化。同時STCl2C4052AD接收電機光電碼盤的脈沖信號，利用片內時鐘計算出電機運行速度，通過速度控制算法完成電機的閉環(huán)調速。

電機驅動及閉環(huán)調速軟件算法流程圖如圖3所示。

圖3 電機驅動控制器程序流程圖

4、結論

智能機器人運動控制系統(tǒng)設計，重點在于運動控制模塊的設計，包括軟件設計和電機驅動程序的編寫。運動控制系統(tǒng)的軟件設計主要是對機器人速度和位置的控制，核心是對電機的控制，本論文中選取改進的PID控制算法為了讓雙電機同步，加入了同步的PID算法，并做了相應的改進，為驗證改進效果，又做了改進PID控制算法的仿真與簡單PID算法的比較。實驗結果表明改進的PID算法能夠滿足運動控制需求。

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