移動機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真

隨著科學(xué)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)不斷滲透到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，同時這些領(lǐng)域?qū)τ谧詣踊椭悄芑募夹g(shù)需求日趨增長，而移動機(jī)器人技術(shù)則成為當(dāng)前智能機(jī)器人研究的熱點之一。由于移動機(jī)器人的路徑規(guī)劃、自定位、導(dǎo)航等算法以及視覺技術(shù)的研究都需要平臺來進(jìn)行成果驗證，所以移動機(jī)器人平臺已成為熱點研究中最基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)。目前，市場上已有一些應(yīng)用于科研的移動機(jī)器人平臺，例如ActivMedia公司的Pioneer，WillowGarage公司的PR2等。

1、機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能

移動式機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是機(jī)器人的運動控制系統(tǒng)，它對機(jī)器人的平穩(wěn)運行起著至關(guān)重要的作用，同時它也是一個結(jié)構(gòu)簡單的控制器。如圖1所示為本文設(shè)計的移動機(jī)器人的運動控制系統(tǒng)框圖。移動式機(jī)器人運動控制系統(tǒng)主要包括四大部分：I/O設(shè)備、PC機(jī)控制軟件及硬件、執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動器和各類傳感器等。

圖1移動機(jī)器人運動控制系統(tǒng)框圖

1.1移動式機(jī)器人的控制系統(tǒng)

移動式機(jī)器人的控制系統(tǒng)的作用是生成控制信息，控制機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行運動。跟蹤設(shè)定軌跡是設(shè)計移動機(jī)器人的一項重要任務(wù)，其工作過程根據(jù)設(shè)定好的路線轉(zhuǎn)為運動控制信號傳輸給機(jī)器人，移動機(jī)器人根據(jù)控制器信號完成相應(yīng)的動作，最終達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)位置。在機(jī)器人的運動控制過程中需輸入給機(jī)器人的信息包含伺服電機(jī)編碼器轉(zhuǎn)換出來的機(jī)器人移動位置和速度的信息，超聲波傳感器檢測出來的障礙物位置的信息，以及單目視覺攝像機(jī)、全景攝像機(jī)所采集到的視頻信息。

1.2移動式機(jī)器人的驅(qū)動機(jī)構(gòu)

移動式機(jī)器人底座上裝有四個伺服電機(jī)，以此作為機(jī)器人的運動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。每個電機(jī)都裝有一個編碼器，通過采集編碼器A和B相的正交編碼脈沖信號，可以實現(xiàn)電機(jī)的閉環(huán)調(diào)速和完成機(jī)器人的定位。移動式機(jī)器人身上安裝的中央處理器則主要用于負(fù)責(zé)傳感器模塊的控制和管理、定位信息的采集，以及與PC機(jī)的通信等，本文所設(shè)計控制系統(tǒng)采用了嵌入式大容量單片機(jī)控制器。

1.3移動式機(jī)器人的信息處理

輸入信息包含視覺信號和距離測量。視覺信號由單目視覺攝像機(jī)和全景視覺攝像機(jī)提供。距離測量由超聲波和激光測距完成。機(jī)器人程序開發(fā)人員應(yīng)事先根據(jù)運行環(huán)境建立良好的運行環(huán)境地圖，在機(jī)器人的移動過程中實時讀取位置信息，在中央控制器中根據(jù)程序設(shè)計的控制算法進(jìn)行運算，將輸出信號發(fā)生給伺服電機(jī)控制器到驅(qū)動電機(jī)，從而控制移動機(jī)器人的移動。

機(jī)器人以中央處理器和上位機(jī)作為神經(jīng)中樞，接收來自超聲波和激光模塊檢測的障礙物信息，單目和全景攝像機(jī)提供視覺信息。根據(jù)上位機(jī)設(shè)定的參數(shù)和一些其他功能，通過控制器處理輸出給電機(jī)控制機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成相應(yīng)動作。

1.4基于環(huán)境模型的規(guī)劃方法

該方法首先需要建立一個關(guān)于機(jī)器人運動環(huán)境的環(huán)境模型。在很多時候由于移動機(jī)器人的工作環(huán)境具有不確定性（包括非結(jié)構(gòu)性、動態(tài)性等），使得移動機(jī)器人無法建立全局環(huán)境模型，而只能根據(jù)傳感器信息實時地建立局部環(huán)境模型，因此局部模型的實時性、可靠性成為影響移動機(jī)器人是否可以安全、連續(xù)、平穩(wěn)運動的關(guān)鍵。環(huán)境建模的方法基本上可以分為兩類：網(wǎng)絡(luò)／圖建模方法、基于網(wǎng)格的建模方法。前者主要包括自由空間法、頂點圖像法、廣義錐法等，利用它們在進(jìn)行路徑規(guī)劃時可得到比較精確的解，但所耗費的計算量相當(dāng)大，不適合于實際的應(yīng)用。而后者在實現(xiàn)上要簡單許多，所以應(yīng)用比較廣泛，其典型代表就是四叉樹建模法及其擴(kuò)展算法（如基于位置碼四叉樹建模法、Framed-quadtrees建模法等）。

基于環(huán)境模型的規(guī)劃方法根據(jù)掌握環(huán)境信息的完整程度可以細(xì)分為環(huán)境信息完全已知的全局路徑規(guī)劃和環(huán)境信息完全未知或部分未知的局部路徑規(guī)劃。由于環(huán)境模型是已知的，全局路徑規(guī)劃的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)是盡量使規(guī)劃的效果達(dá)到最優(yōu)。在此領(lǐng)域已經(jīng)有了許多成熟的方法，包括可視圖法、切線圖法、Voronoi圖法、拓?fù)浞?、懲罰函數(shù)法、柵格法等。先前方法多采用基于圖論的思想，將目標(biāo)、機(jī)器人及其工作空間用一個連接圖表示，如此一來，路徑規(guī)劃問題就轉(zhuǎn)化為在圖上尋找一條從起始節(jié)點到目標(biāo)節(jié)點的路線。懲罰函數(shù)法將路徑規(guī)劃這個有約束的問題（受到障礙物的限制）轉(zhuǎn)化為一個無約束最優(yōu)化問題，再求解就可得出解答。柵格法用網(wǎng)格描述機(jī)器人的工作環(huán)境，根據(jù)柵格的可信度值可確定出障礙物的分布，此時通過避障規(guī)劃就可得到無碰路徑。

2、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

移動式機(jī)器人的運動控制系統(tǒng)硬件設(shè)計主要包括三部分：主控板設(shè)計、驅(qū)動機(jī)構(gòu)設(shè)計和傳感器單元。

2.1主控板設(shè)計

主控板的主要作用是完成控制器與模塊接口之間的數(shù)據(jù)管理、傳輸和控制功能。因移動式機(jī)器人上不同種類的傳感器模塊接口可能不相同，如：雙目攝像機(jī)為RS232接口；全景視覺攝像機(jī)為USB接口。主控板可完成與PC機(jī)的通信，驅(qū)動機(jī)構(gòu)的的控制信號由上位機(jī)經(jīng)主控板發(fā)送給電機(jī)控制器。主控板可采集電機(jī)編碼器的正交編碼脈沖信號經(jīng)過處理作為作位置信號。主控板也對距離測量模塊接口進(jìn)行管理，傳感器接收信號的采集處理和發(fā)射信號的產(chǎn)生以及超聲波傳感器運行時間的設(shè)置都是由主控板來完成的。

2.2驅(qū)動機(jī)構(gòu)

移動式機(jī)器人采用四輪運動模式，四個輪分別由通過電機(jī)驅(qū)動。每個電機(jī)都是由各自的電機(jī)控制器單獨進(jìn)行驅(qū)動，保證了電機(jī)閉環(huán)調(diào)速的獨立性、實時性、穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。每個電機(jī)單元模塊都由控制器和電機(jī)組成。電機(jī)控制器模塊的控制芯片接收上位機(jī)的控制指令，經(jīng)處理器計算后將運行速度和方向輸出給執(zhí)行電機(jī)，控制器能夠輸出控制電機(jī)電壓，同時通過編碼器實時檢測電機(jī)的運行速度，對電機(jī)測量速度和設(shè)定速度差值進(jìn)行比較運算，輸出電機(jī)的控制電壓，從而完成電機(jī)的閉環(huán)調(diào)速。

2.3傳感器單元

超聲波傳感器用于測量附近障礙物與機(jī)器人的實際距離，傳感器所需的40KHz方波源信號由中央控制器產(chǎn)生，經(jīng)放大器轉(zhuǎn)換后輸出給超聲波傳感器信號，當(dāng)超聲波信號在傳播過程中遇到障礙物會反射回來，超聲波接收器接收到超聲波信號后經(jīng)轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)換成小幅值的電信號，然后在經(jīng)放大和濾波后傳輸給中央控制器，由中央控制器換算成位置信號。由于超聲波傳感器發(fā)出的信號隨的距離的增加而衰弱，因此接收器接收的信號也極其微弱，一般都為毫伏級的，并有干擾噪聲，所以需對傳感器接收到的信號進(jìn)行放大和濾波處理。從超聲波控制芯片發(fā)出信號開始到接收器接收到信號后之間的時差即就是波傳輸時間，通過傳輸時間和速度就可計算出距離。如圖2所示為超聲波測距硬件結(jié)構(gòu)圖。

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/SimMechanics仿真平臺對移動式機(jī)器人的運動控制進(jìn)行仿真研究，構(gòu)造了基于仿真平臺SimMechanics的運動學(xué)仿真模型和基于MATLAB函數(shù)的運動學(xué)仿真模型。并設(shè)計了一個智能小車仿真平臺來模仿移動式機(jī)器人，本文根據(jù)控制系統(tǒng)的性能參數(shù)要求確定了PID控制器的各項參數(shù)，并且采用傳感器技術(shù)實時了智能小車在運行過程中的實時狀態(tài)。

假設(shè)智能小車所處的環(huán)境在一個二維坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為（X，Y），小車的運行方向與X軸之間的夾角用θ表示，因此就可用向量［X，Y，θ］表示智能小車的位置姿態(tài)，小車的運動方程可用下式表示：

式中，v為小車前進(jìn)速度，b為小車左右輪之間的橫向距離，vL為小車左輪的速度，ω為小車的轉(zhuǎn)向速度，vR為小車右輪的速度，Tf為車輪摩擦?xí)r產(chǎn)生的反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。假設(shè)i為傳動機(jī)構(gòu)的減速比，η為傳動機(jī)械效率，則電機(jī)軸上負(fù)載轉(zhuǎn)矩的等效轉(zhuǎn)矩可表示為：

T=Tf/iη

為使智能小車測控更加直觀本文采用了虛擬仿真技術(shù)，SimMechanics的優(yōu)化設(shè)計模塊使運動控制系統(tǒng)的參數(shù)調(diào)整更加方便，虛擬仿真技術(shù)與SimMechanics相結(jié)合可實現(xiàn)交互性操作，并能實時顯現(xiàn)出智能小車的運動狀態(tài)。

4、控制器參數(shù)優(yōu)化

因普通的PID控制器性能的好壞實際上能取決于比例，積分和微分參數(shù)的整定，若設(shè)定的參數(shù)越符合該控制系統(tǒng)，則控制效果就越好，否則相反。本文設(shè)計的仿真控制系統(tǒng)通過調(diào)整比例、積分和微分三項控制參數(shù)，使小車能夠更加快速、準(zhǔn)確的沿設(shè)定路徑前進(jìn)到達(dá)目的地。圖3中基于SimMechanics平臺建立的小車運動學(xué)仿真模型，本模型中具有圖形界面的控制器優(yōu)化設(shè)計功能和仿真的功能，可根據(jù)上位機(jī)設(shè)定的參數(shù)對電機(jī)控制器中的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計算。PID控制器輸出的信號經(jīng)電機(jī)控制器后去控制執(zhí)行電機(jī)。

圖3SimMechanics平臺的運動學(xué)仿真模型

根據(jù)所建立的SimMechanics運動學(xué)仿真模型，在仿真軟件環(huán)境中設(shè)置仿真的分析類型，就可以實現(xiàn)移動式機(jī)器人的運動學(xué)仿真分析。通過安裝的編碼器可以測得移動機(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

本文設(shè)計了可獨立完成電機(jī)的閉環(huán)調(diào)速的移動機(jī)器人控制系統(tǒng)。由上位機(jī)直接發(fā)送指令給機(jī)器人控制器控制運動，無需再參與閉環(huán)調(diào)速的運算中。使用MATLAB/SimMechanics仿真平臺實現(xiàn)了移動式機(jī)器人的運動學(xué)仿真，通過移動式機(jī)器人上的編碼器記錄的機(jī)器人移動的位移，通過控制器將位置信號轉(zhuǎn)換為機(jī)器人當(dāng)前的位置姿態(tài)，從而實現(xiàn)對機(jī)器人路徑的跟蹤控制。