自主式移動機器人任意轉角運動研究

翟永君

(天津輕工職業技術學院，天津 300350)

自主式移動機器人任意轉角運動研究

翟永君

(天津輕工職業技術學院，天津 300350)

結合AS-UII型自主移動機器人的結構，針對其任意角實現的困難，給出任意轉角運動的算法思想，并進行實現，通過測試表明本文給出的算法切實可行。

移動機器人;任意角;控制

1 自主式移動機器人結構

本文研究的是AS-UII型自主移動機器人，如圖1所示。該機器人的運動系統有兩只主動輪和兩只從動輪，也可加裝機械手或其他裝置，擴展更多的功能。在運動系統中，兩只主動輪由兩只電機分別驅動，可以實現前進、后退、轉向、劃弧線等各種平面運動。移動機器人的光電編碼器能夠累計機器人主動輪轉動時所反饋的計數值，通過換算得到機器人的實時行進速度，然后傳送到CPU進行計算，并按照程序進行運行。其中，機器人的CPU是一個單片機，其型號為68HC11E。這是一個8位機，安裝在機器人的主板上，用于集中處理程序指令和傳感器返回的信息。

圖1 AS-UII自主機器人側視圖

2 問題的提出

機器人的矩形運動包含實現機器人各種運動軌跡控制的兩個最基本的動作:直線行走與轉彎。在實現機器人矩形運動的控制算法與控制效果中了解到，在機器人原有VJC軟件編程環境的基礎上，要使移動機器人依據指定角度(如90°)實現轉彎，通過軟件設置電機在轉彎時的轉角速度與轉角時間是關鍵。這就要求對控制程序中“直行”“轉向”模塊的參數或JC中drive()與wait()的參數進行反復調試、修改，使其轉角速度與轉角時間能相互協調，以使機器人正好能轉過90°。

但這種實驗試湊的方法，工作量大，一個轉角速度對應一個轉角時間，并且不具備通用性，最終是依據測量得到的經驗值來對機器人進行轉角控制，不能保證轉角的精確度，另外機械性能、地面摩擦也不可避免地對機器人的行走造成影響，所以這種方法并不能完全實現機器人矩形運動的精確控制，更不能實現任意轉角的運動。在從實現機器人的矩形運動出發，下面會用一種應用光電編碼器來實現移動機器人任意轉角運動的算法(圖2)。首先在程序中設定轉彎速度和轉角度數，然后把轉角度數轉換成脈沖值、左右輪脈沖計數清零，啟動電機、累計左右輪脈沖計數，之后通過光碼盤得到的脈沖計數，查看是否達到轉角脈沖計數或超出設定轉角時間，如果沒有，則繼續執行上述的流程，如果是，則轉彎停止，輸出左右輪脈沖累計計數，返回左右輪脈沖計數誤差值。

圖2 任意轉角子程序流程圖

3 機器人任意轉角運動的算法思想

應用光電編碼器來實現機器人走矩形，是因為光電編碼器是靠所獲取的脈沖計數值來完成對規定距離的行走，故用它來實現矩形軌跡的行走受外界地面狀況的影響程度相對較小。

對于轉角函數的設計，關鍵在于確定所要求轉過角度所對應的脈沖個數。機器人轉彎時，令算得的脈沖個數為上限，到達規定脈沖個數上限時停止，這樣，就可以旋轉到本文所期望的角度。應用此函數，不僅可以走直角，還可以轉過任意所設定的角度，對于機器人準確完成行走任務有較好的幫助。

由于移動機器人的左右兩只主動輪分別由兩只直流電機差動驅動，通過分別控制主動輪的轉速和力矩來控制機器人按所要求的方向和速度移動，所以在實現機器人任意轉角運動的方法上，采用單電機控制或者兩電機控制。

4 轉角函數的設計

下面以單電機實現矩形運動為例推導出實現機器人任意轉角運動的控制算法，即轉角與脈沖個數之間的轉換函數。單電機實現矩形運動，即在轉彎過程中，一電機停止運動(這里假設為右電機)，另一電機(左電機)驅動一輪以其為圓心，旋轉90°，這樣可以完成向右轉彎。本文可以根據兩輪之間的距離以及輪子的直徑算出所要旋轉角度的脈沖個數。

利用兩電機實現矩形運動的控制算法，其轉換函數的推導與單電機相同，具體實現將在接下來的程序中具體加以說明。

5 轉角子程序的設計

有了轉角——脈沖轉換函數后，便可以將計算得到的脈沖個數設為上限，到達規定脈沖個數后使電機停止，這樣，就可以旋轉到所期望的角度。測得移動機器人的輪間距為16cm，輪直徑為6cm。

5.1 利用兩電機進行轉彎控制

利用drive()函數對兩電機進行控制，實現轉彎。由于drive()函數為復合語句，同時控制左右兩個電機的轉速，用drive(0，turn_vel)進行控制電機時，兩輪轉速相反，因此脈沖個數只需要以一個輪子為圓心時脈沖個數的一半。

利用motor()函數對兩電機分別進行控制，實現轉彎，如圖3所示。

設轉過90°所需的時間為t，輪直徑為l，輪間距為x，左輪的速度為V1，右輪的速度為V2。因為轉過90°的時間同為t，由:

圖3 轉彎時左右兩輪示意圖

對轉過的脈沖個數進行判斷，達到脈沖數停止。

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5.2 利用單電機進行轉彎控制

該程序的主體與利用drive()函數對兩電機進行控制，實現轉彎的程序大致相同，只是脈沖個數的判定值為 degree/180 ×(16/6)×33。

右輪所需的脈沖個數為:脈沖個數

6 移動機器人實現任意轉角運動的精確控制程序

精確控制是通過機器人控制程序來使得其為了達到某種任務而實現的控制方案，通過控制程序使得機器人能夠按照程序設定的要求來完成某個任務或則運行軌跡，圖4描述了任意轉角運動的精確控制程序流程，在這里通過設定輸入行進速度和轉角數來后，按照某個程序要進行任意轉角運動的控制，最后實現達到輸入初的轉角運動要求。

圖4 實現任意轉角運動的精確控制程序流程圖

7 直線和轉角運動程序的測試及討論

7.1 直線運動實驗測試

實驗環境由兩臺移動機器人組成，一個用作為主機器人，另一個作為從機器人，各自有獨立的處理器、傳感器和執行機構，主機器人的速度為給定的，從機器人根據紅外傳感測得的數據，進行分析并作出決策，驅動執行機構使得從機器人能夠與主機器人保持相對的距離和速度。

主機器人給定期望路徑為直線，速度為20cm/s，給定時間T=10s內運動，兩機器人之間的期望距離為30cm，則主機器人和從機器人的軟件實現流程分別如圖5和圖6所示。

圖5 從機器人軟件實現流程

圖6 主機器人軟件實現流程

從機器人與主機器人不同，一方面它首先要獲取與主機器人直接的相對距離信息，然后通過測得的距離與期望距離進行比較，同時又得實時獲取編碼器數據，測出每一時刻的速度，通過設定的控制程序求出電機的輸入量，去控制電機的輸出，從而達到與主機器人的相對位置不變。從表1中可以看出，兩機器人在直線運行過程中，它們之間相對距離基本保持不變，從而達到了本文的實驗要求。

表1 機器人相對位置信息

7.2 吧轉角測試

在實驗中，我們先利用式(1)對兩電機進行90°轉彎控制的標準脈沖個數計算，應為degree/360×(16/6)×33=22

但實際測試中結果如表2.

表2 轉角實測結果

從上面結果看出轉角運動實際測量值但在實際調試中，本文得出脈沖個數的設定值為12時，機器人就能較好地完成90°的轉彎，而22個脈沖的是轉角為173°。可能存在兩個問題:

(1)在硬件結構上，考慮到輪子的慣性，以及脈沖個數需要取整數值的緣故，角度越小，則誤差越大，當角度小到一個脈沖就可以完成或是不到一個脈沖時，這時轉角函數就基本失效。另外光電編碼器本身在讀取計數時也是存在誤差的;

(2)在程序實現方面，由于受到延時函數的影響，雖然可以滿足所需轉角的要求，但光電編碼器是在轉彎過程中進行計數并且累加，這需要花費相對較長的時間;另外，在測試時，若將任意轉角函數主體部分的延時語句和停止語句去掉，則必須要修改所需脈沖個數值。因為如果沒有stop()語句，在循環體內執行其它語句時，電機仍在運行，故使得脈沖計數器清零后計數與實際存在誤差。

在這種情況下，為了實現移動機器人的精確轉角控制，本文還應該人為地進行調整。在轉角計數方面，本文可以利用一些經驗值來抵消光電編碼器自身檢測精度的影響;通過在實際不同情況下得到相應的修訂值，作為程序中的設定上限值，完成對程序的完善。在硬件方面，本文可以考慮在輪子的上方加上機械旋轉裝置，利用對旋轉裝置的精確控制來完成機器人對規定角度的旋轉。

實際上，移動機器人自主地進行矩形運動，回不到出發點的原因，一方面是機器人在轉彎過程中它多轉過的角度出現誤差，另一個重要原因是，機器人在最初的直線行進時就出現了偏離直線運動的現象，這樣即便機器人能夠實現精確的轉彎，也還是會出現機器人回不到出發點，出現無法完成閉合的矩形運動軌跡的情況。由此可見，直線運動是自主式移動機器人最基本的運動，也是機器人能夠精確實現其它各種動作的保證與基礎。

［1］郝立果，王玉東，邴志剛，等.基于CPLD和MCU網絡的服務機器人研究［J］.微計算機信息，2005，21(10):113－114.

［2］韓大鵬，韋慶.機器人控制器的一種模塊化設計方法［J］.微計算機信息，2005，21(5):211－213.

［3］宗光華，等.機器人的創意設計與實現［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2004.

Research on the Movement of Random Rotating Angle of Autonomous Mobile Robot

ZHAI Yong-jun

(Tianjin Light Industry Vocational Technical College，Tianjin 300350，China)

Combining the structure of AS-UII autonomous mobile robot，aiming at the difficulties of arbitrary angle implementation，this article gives an algorithm thinking of random rotating angle movement，and the implementation shows that the algorithm is feasible.

mobile robot;arbitrary angle;control

TP242.2

A

1009－3907(2012)04－0395－04

2012-03-15

翟永君(1981-)，女，天津人，講師，主要從事數據庫、自動化控制等方面研究。

責任編輯:吳旭云