一種雙足機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計

余有明，莫浩明，余澤煌

（廣東工業(yè)大學(xué)華立學(xué)院 廣東 廣州 511325）

一種雙足機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計

余有明，莫浩明，余澤煌

（廣東工業(yè)大學(xué)華立學(xué)院 廣東 廣州 511325）

研究基于嵌入式的雙足機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計，以Cortex-M3內(nèi)核的STM32F013ZET6控制芯片作為系統(tǒng)微控制器，設(shè)計出控制系統(tǒng)的總體架構(gòu)方案。該控制系統(tǒng)結(jié)合無線傳輸、傳感器技術(shù)與嵌入式技術(shù)，以模塊化設(shè)計實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和指令執(zhí)行。采用無線射頻模塊CC1101負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程操作控制，運用多軸運動處理組件MPU6050監(jiān)測機(jī)器人姿態(tài)并實時反饋，并處理數(shù)據(jù)使得機(jī)器人快速調(diào)整相應(yīng)姿態(tài)，通過PC終端操作系統(tǒng)及顯示結(jié)果。經(jīng)過多次的實驗測試，系統(tǒng)各個模塊配合良好，實時性好、性能穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)自由行走。

機(jī)器人；雙足行走；自動控制；數(shù)據(jù)采集

隨著科學(xué)技術(shù)和生活水平的不斷提高，以及機(jī)器人技術(shù)的深入研究，機(jī)器人技術(shù)因其高效、精準(zhǔn)的優(yōu)點，為人類帶來便利。近年來，關(guān)于利用機(jī)器人技術(shù)幫助行動不便人士的研究逐步深入，例如幫助患者步行、上樓梯、跨越障礙物，達(dá)到模仿人的動作效果［1］。為行走不便人士帶來福音，仿生直立雙足機(jī)器人有重要的研究價值和意義［2］。但這對機(jī)器人控制系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性、實時性提出了更加高的要求。因此，以Cortex-M3內(nèi)核的STM32F013ZET6微處理器為核心，設(shè)計出一種實時性好、性能穩(wěn)定、方便操控的雙足機(jī)器人控制系統(tǒng)。

1　系統(tǒng)設(shè)計

機(jī)器人控制系統(tǒng)是由機(jī)載控制系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)、PC上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)組成，其中機(jī)載控制系統(tǒng)是本系統(tǒng)設(shè)計核心部分。圖1為機(jī)器人控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖。PC上位機(jī)通過采用CC1101無線模塊將控制指令傳送到機(jī)載控制系統(tǒng)，機(jī)載控制系統(tǒng)收到控制指令后執(zhí)行指令并通過自定義協(xié)議加密成數(shù)據(jù)包后反饋到監(jiān)控上位機(jī)顯示，通過實時信息反饋能夠了解機(jī)器人狀態(tài)參數(shù)，并能完成監(jiān)控機(jī)器人數(shù)據(jù)采集—數(shù)據(jù)傳輸—指令執(zhí)行的實施，實現(xiàn)智能化監(jiān)控。

圖1　控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1系統(tǒng)硬件設(shè)計

機(jī)載控制系統(tǒng)的主控制器選用具有高性能、低功耗的Cortex-M3內(nèi)核STM32F013ZET632位處理器，工作頻率最高可達(dá)到72MHz，擁有16個外部中斷，可以滿足多路中斷處理數(shù)據(jù)，以及內(nèi)部多達(dá)16個定時器，每個定時器可以4個脈沖計數(shù)器，可以完成多路PWM的控制，并且該芯片自帶2個I2C通信接口、5個USART接口、3個SPI接口等，通過這些通信接口可以快速地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)交換，提高機(jī)器人控制系統(tǒng)實時性。

控制系統(tǒng)圍繞著STM32F013ZET6搭建起主控制處理信息接收以及信息輸出的功能，形成機(jī)載控制系統(tǒng)。它由電源模塊、陀螺儀模塊、無線模塊、主控模塊、加速度計模塊、舵機(jī)組模塊組成，電源部分采用TI的穩(wěn)壓芯片LM2596S，該芯片可以滿足多個舵機(jī)聯(lián)合啟動以及芯片電源供給，系統(tǒng)并且采用MPU6050模塊和角度傳感器MMA7361實時采集機(jī)器人直立狀態(tài)通過采用無線模塊CC1101進(jìn)行數(shù)據(jù)包反饋到監(jiān)控上位機(jī)。機(jī)器人通過搭載MPU6050模塊、超聲波模塊、角度傳感器等模塊可以實現(xiàn)對不同環(huán)境下精確數(shù)據(jù)采集和改變機(jī)器人狀態(tài)等功能［3］。

1.2角度檢測設(shè)計

采用MPU6050模塊和MMA7361角度傳感器作為姿態(tài)數(shù)據(jù)采集的傳感器，MPU6050模塊整合了3軸陀螺儀、3軸加速器，可以通過高達(dá)400 kHz快速模式的I2C，最高至20MHz的SPI串行主機(jī)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，模塊通過PID算法和卡爾曼濾波算法將角速度和加速計融合計算出角度，該模塊用于機(jī)器人檢測重心方向。并采用具有MMA7361角度傳感器頻率及解析度高，提供精確的墜落、傾斜、移動、放置、震動和搖擺自我檢測等特點。主控芯片通過A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換并采取歸一算法減小零點溫漂。該模塊采集精度高，用于檢測機(jī)器人腿部角度，通過腿部角度估算出機(jī)器人步伐大小，這樣能夠更好的控制機(jī)器人，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性［4］。

1.3超聲波模塊壁障設(shè)計

為了更好的保護(hù)機(jī)器人機(jī)身，防止其與物體發(fā)生碰撞，系統(tǒng)采用超聲波模塊HC-05，它具有指向性強(qiáng)，功耗低，采集距離遠(yuǎn)等優(yōu)點。主控制器通過使用推挽形式將脈沖信號加到超聲波換能器兩端，這樣可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度，使機(jī)器人感知距離更遠(yuǎn)，同時機(jī)器人通過控制安裝在超聲波上的舵機(jī)轉(zhuǎn)動，通過不同角度采集回來的距離進(jìn)行比較，選擇合適路徑進(jìn)行直立行走，實現(xiàn)自動壁障功能。使用超聲波模塊可以使機(jī)器人更好利用活動空間完成任務(wù)，機(jī)器人捕捉到距離通過無線將距離實時發(fā)送到上位機(jī)反饋顯示。

1.4數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計

無線通信系統(tǒng)通過使用主控芯片的USART接口器完成數(shù)據(jù)發(fā)送以及數(shù)據(jù)接收，將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解幀得到真正的數(shù)據(jù)，使得數(shù)據(jù)傳輸簡單。機(jī)器人通信和PC上位機(jī)通信采用一致的幀格式協(xié)議進(jìn)行加密，即使用8位數(shù)據(jù)，一個起始位和一個停止位的形式［5］，為了保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和有效性，機(jī)器人將采集到數(shù)據(jù)通過采取加工帶有校驗功能。為了有利于系統(tǒng)后期的功能拓展和硬件維護(hù)，程序和硬件均采用模塊化的設(shè)計，同時使系統(tǒng)具有規(guī)范性和可靠性。系統(tǒng)采用CC1101無線模塊作為該電路的數(shù)據(jù)傳輸模塊，該無線傳輸模塊與微控制器的電路接口采用串行通信原理，硬件連接示意圖如圖2所示。數(shù)據(jù)間通信使用標(biāo)準(zhǔn)的RS-232接口，并設(shè)計高速光耦隔離PC817模塊以及接入頻率更高的外部晶振，以提高芯片運行速度和增強(qiáng)EMC電磁兼容性能［6］，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。通過接收PC上位機(jī)的控制指令，完成機(jī)器人的控制、數(shù)據(jù)采集和發(fā)送等功能。

圖2　CC1101連接示意圖

1.5監(jiān)控上位機(jī)設(shè)計

監(jiān)控上位機(jī)用于觀察機(jī)器人實時狀態(tài)以及實現(xiàn)控制機(jī)器人的行走、靜態(tài)轉(zhuǎn)彎及上下樓梯等操作，PC上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)對機(jī)器人要求有多種監(jiān)控方式［7］，有PC監(jiān)控上位機(jī)手動控制、遙控指令控制、預(yù)先脫機(jī)程序智能控制等。控制系統(tǒng)要求能判斷中斷優(yōu)先級、而且能夠同時實現(xiàn)多任務(wù)實施和數(shù)據(jù)采集，形成動作控制—動作完成—信息反饋，完成機(jī)器人的信息接收、信息處理、信息輸出等功能，實現(xiàn)人性化、智能化［8］。在目前的嵌入式操作系統(tǒng)中有Linux、UC/OS、UC/GUI等多種，都具備各自的優(yōu)勢［9］。機(jī)器人系統(tǒng)要求軟件的編寫可靠、簡單易操作。因此，本系統(tǒng)的采用VB開發(fā)一款功能全面的監(jiān)控上位機(jī)。

圖3　測試程序界面圖

2　控制算法設(shè)計

本系統(tǒng)以意法半導(dǎo)體MCU為控制核心，采用C語言對主控制器進(jìn)行編程算法控制，機(jī)器人系統(tǒng)要求程序運行可靠穩(wěn)定。因此，本系統(tǒng)的程序模塊化設(shè)計，實現(xiàn)對機(jī)器人控制并通過采用經(jīng)典PID算法進(jìn)行優(yōu)化控制。PID算法簡單可靠，理論體系完備，而且在長期的應(yīng)用過程中積攢了大量的使用經(jīng)驗，具有良好的控制效果和較強(qiáng)的魯棒性，能提供控制量的較優(yōu)解，實現(xiàn)位置回路控制和姿態(tài)回路控制，控制回路包含了X、Y和Z變量，所以需要3個PID獨立的算法對回路形成控制，設(shè)Kp、Ki、Kd分別為比例項和微分項系數(shù)，有式（1）

其中Xρ、Yρ、Zρ是加速度計采集數(shù)據(jù)積分到的位移量。

在PID控制器在控制的過程中，通過各個獨立環(huán)節(jié)不同的控制作用相互配合，最終輸出整個控制器的控制作用，其中：

比例環(huán)節(jié)：對控制系統(tǒng)的偏差信號會通過放大或縮小一定的比例反應(yīng)出來，在控制過程中一旦有偏差產(chǎn)生，控制器能迅速抑制偏差對控制效果產(chǎn)生不良影響，對系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度和相應(yīng)速度都有很大改善。

積分環(huán)節(jié)：對于系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的消除和誤差度的提高有很大作用。同時采集時間常數(shù)的大小決定了積分能力的強(qiáng)弱，它們越小，積分能力越強(qiáng)，反之則弱。

微分環(huán)節(jié)：調(diào)節(jié)誤差的微分輸出，誤差突變時，能及時控制，反應(yīng)偏差信號的變

化趨勢，并提前引入一個修正信號來抑制偏差信號變得太大。因此其改善系統(tǒng)的動態(tài)特性［10］。

通過擴(kuò)充比例度法整定數(shù)字PID控制器參數(shù)，擴(kuò)充比例度法適用于有自平衡特性的受控對象，是對連續(xù)-時間PID控制器參數(shù)整定的臨界比例度法的擴(kuò)充。通過選取合適的采樣周期。采樣周期TS的長短會影響采樣-數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)的品質(zhì)，同樣是最佳整定，采樣數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)要低于連續(xù)-時間控制系統(tǒng)。因而，控制度總是大于1的，而且控制度越大，相應(yīng)的采樣—數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)的品質(zhì)越差。控制度的選擇要從所設(shè)計的系統(tǒng)的控制品質(zhì)要求出發(fā)。實行閉環(huán)控制，觀察控制效果差異，并作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整以獲得比較滿意的效果。以下是下位機(jī)操作系統(tǒng)的部分代碼。

3　系統(tǒng)測試

機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)也是該控制系統(tǒng)的重要組成部分，PC上位機(jī)要求不僅能夠給機(jī)器人發(fā)送控制指令到機(jī)器人，并且能接收機(jī)器人上的傳感器單元（MPU6050模塊、超聲波模塊、角度傳感器等）采集到的數(shù)據(jù)采用數(shù)據(jù)包的形式進(jìn)行反饋顯示，能夠?qū)崿F(xiàn)上位機(jī)和無人機(jī)控制程序之間雙向通信，完成機(jī)器人所需的任務(wù)。這次測試機(jī)器人控制系統(tǒng)的行走狀態(tài)，通過實驗結(jié)果表明機(jī)器人成功實現(xiàn)原地踏步、直線行走、靜態(tài)轉(zhuǎn)彎等動作，系統(tǒng)能夠及時響應(yīng)。

4　結(jié)　論

文中設(shè)計了基于嵌入式的仿生直立雙足機(jī)器人控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的硬件和軟件均采用模塊化的設(shè)計方法，有利于系統(tǒng)后期的功能拓展和硬件維護(hù)，并對MPU6050模塊采集回來的角度通過運用PID控制算法和卡爾曼濾波算法解算合成，采用超聲波模塊檢測安全距離實現(xiàn)機(jī)器人自我保護(hù)的功能，通過各模塊相互協(xié)助成功地實現(xiàn)了機(jī)器人實現(xiàn)原地踏步、直線行走、靜態(tài)轉(zhuǎn)彎及上下樓梯等運動。系統(tǒng)整體繞著ARM構(gòu)成的微控制器運轉(zhuǎn)，具有行走穩(wěn)定、運動迅速、接收信號靈敏等特點。仿生直立機(jī)器人涉及到仿生學(xué)、運動學(xué)、動力學(xué)及自動控制理論的綜合運用，在臨床醫(yī)學(xué)、義肢設(shè)計等領(lǐng)域得到更好的發(fā)展與應(yīng)用。

［1］張彤.仿人機(jī)器人步行控制及路徑規(guī)劃方法研究［D］.廣東：華南理工大學(xué)，2010.

［2］史耀強(qiáng).雙足機(jī)器人步行仿真與實驗研究［D］.上海：上海交通大學(xué)，2008.

［3］劉丞.自主移動機(jī)器人測控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究［D］.西安：西安電子科技大學(xué)，2009.

［4］朱雅光.基于阻抗控制的多足步行機(jī)器人腿部柔順控制研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2014.

［5］姚建偉.基于STM32的服務(wù)機(jī)器人的集成通信系統(tǒng)研制［D］.武漢：武漢工程大學(xué)，2014.

［6］丁敏.電磁干擾及其抑制措施的分析 ［J］.科技傳播，2014，16:67-68.

［7］伍延祿.基于嵌入式的移動機(jī)器人無線遠(yuǎn)程控制［D］.北京：北京化工大學(xué)，2011.

［8］袁明.多自由度多傳感器機(jī)器人控制系統(tǒng)研究［D］.西安:長安大學(xué)，2013.

［9］郝玉勝.uC/OS-Ⅱ嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核移植研究及其實現(xiàn)［D］.蘭州：蘭州交通大學(xué)，2014.

［10］魏建新.足球機(jī)器人模糊PID控制算法的應(yīng)用研究［D］.重慶：重慶理工大學(xué)，2012.

Design of biped walking robot controlling system

YU You-ming，MO Hao-ming，YU Ze-huang
（HualiCollege Guangdong University of Technology，Guangzhou 511325，China）

Research of the robot controlsystembased on embedded technology，using Cortex-M3 core STM32F013ZET6chip as the system microcontroller to design the overall system architecture.The system combines wireless transmission，sensor technology and embedded technology to realize data acquisition，data transmission and instruction execution function in modular design.The RF modules CC1101 as responsible for remote control operation，using MPU6050 Multi axis motion processor for acquisition and processing the attitude data，control the robotand display the results through PC terminal.After many times of experiment test，the biped walking robot controlling system has a good real-time performance，high precision and stable performance，isable to achievedon biped walking robotcontrolling.

robot；biped walking；automatic control；data acquisition

TN99

A

1674-6236（2016）19-0092-03

2015-09-30稿件編號：201509194

“攀登計劃”廣東大學(xué)生科技創(chuàng)新培育專項資金資助一般項目（PDJH2015b0944）；“攀登計劃”廣東大學(xué)生科技創(chuàng)新培育專項資金資助重點項目（PDJH2015a09335）；大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（201513656048）

余有明（1994—），男，廣東佛山人。研究方向:機(jī)器人控制技術(shù)。