自主移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

江西工程學(xué)院 李冠湛 黃海軍

自主移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

江西工程學(xué)院 李冠湛 黃海軍

隨著現(xiàn)代社會(huì)自動(dòng)化技術(shù)不斷發(fā)展,機(jī)器人設(shè)備在當(dāng)前社會(huì)各個(gè)方面均有著越來越廣泛的應(yīng)用。自主移動(dòng)機(jī)器人是現(xiàn)代機(jī)器人設(shè)備中比較先進(jìn)的一種,具有明顯的智能化及自動(dòng)化特點(diǎn)。在自主移動(dòng)機(jī)器人實(shí)際應(yīng)用過程中,為能夠使其各項(xiàng)功能得以更好實(shí)現(xiàn),使其作用能夠得以更好發(fā)展,應(yīng)當(dāng)對(duì)其運(yùn)動(dòng)控制進(jìn)行進(jìn)行合理設(shè)計(jì),從而使其更好服務(wù)于當(dāng)前社會(huì)生產(chǎn)及人們生活。

自主移動(dòng)機(jī)器人;運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng);設(shè)計(jì)分析

自動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人在當(dāng)前社會(huì)上是具有較高智能化水平的一種機(jī)器人設(shè)備,對(duì)于自主移動(dòng)機(jī)器人而言,運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)屬于十分重要的一個(gè)組成部分,對(duì)其功能的實(shí)現(xiàn)及各種作用的有效發(fā)揮均能夠起到一定決定性作用。因此,對(duì)自主移動(dòng)機(jī)器人中的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)合理設(shè)計(jì)具有十分重要的作用及意義。本文就自主移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行分析。

1.運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)分析

1.1 數(shù)字羅盤模塊設(shè)計(jì)

在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)過程中,通過對(duì)數(shù)字羅盤進(jìn)行合理運(yùn)用,可將機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向隨時(shí)獲取。對(duì)于數(shù)字羅盤而言,其屬于磁敏感器件,所以在安裝設(shè)計(jì)過程中應(yīng)當(dāng)與各種相關(guān)磁干擾源遠(yuǎn)離,在本次設(shè)計(jì)過程,安裝數(shù)字羅盤所選擇的位置為整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)頂部,通過RS232C電平串行通信接口與微控制器之間進(jìn)行連接。在本次設(shè)計(jì)過程中所選擇數(shù)字羅盤類型為TDC3,該類型羅盤性能比較高,但價(jià)格比較低,該數(shù)字羅盤可利用串行通信接口將羅盤航向信息輸出,其最高輸出頻率能夠達(dá)到35次/s。該羅盤選擇功耗較低的微處理器,在實(shí)際工作過程中其功耗基本上能夠忽略。在數(shù)字羅盤內(nèi)部設(shè)置自動(dòng)校準(zhǔn)算法,對(duì)于周邊鐵磁物質(zhì)磁場(chǎng)變化而導(dǎo)致誤差可進(jìn)行改正[1]。

1.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊而言,其所選擇的為L298N,其屬于一種集成電路,該集成電路選擇雙H橋形式,具有較高電壓,并且具有較大電流功率,其主要作用就是驅(qū)動(dòng)電感性負(fù)載,主要包括線圈、繼電器以及步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)。該集成電路選擇Multiawatt塑料封裝,其內(nèi)部包括四種推免式驅(qū)動(dòng)器,并且這些驅(qū)動(dòng)器之間是相互獨(dú)立的,對(duì)于這四個(gè)驅(qū)動(dòng)器而言,其能夠兩兩進(jìn)行組合,從而形成雙H橋,對(duì)于每個(gè)H橋而言,其均具備各自使能控制端,對(duì)于每個(gè)半橋而言,其均具備自身輸入控制端,并且控制端信號(hào)選擇TTL電平,在芯片內(nèi)部設(shè)置邏輯部分電源。在該系統(tǒng)中,為能夠使邏輯電流增大,使其輸入端各個(gè)接口及輸出端各個(gè)出口進(jìn)行并聯(lián),這樣一來能夠使其最大驅(qū)動(dòng)電流達(dá)到3.5A。在微控制器中,其PWM輸出及I/O分別連接L298N中的輸入控制端及使能端,從而能夠控制直流電機(jī)速度以及轉(zhuǎn)向。

1.3 超聲測(cè)距模塊及GPS接收模塊

對(duì)于該系統(tǒng)系統(tǒng)中所選擇GPS接收模塊而言,其自身具備控制軟件,在通電之后可依據(jù)其內(nèi)部設(shè)置工作。在GPS接收模塊正常工作之后,系統(tǒng)中微控制器可依據(jù)GPS通信協(xié)議將定位信息接收或者對(duì)GPS工作狀態(tài)進(jìn)行控制。在該GPS接收模塊中,其通信協(xié)議主要包括兩種,即CMC二進(jìn)制及NMEA-0183,在該系統(tǒng)中,比較適合的方式為CMC二進(jìn)制。

對(duì)于超聲測(cè)距模塊而言,其價(jià)格相對(duì)而言比較高,在該系統(tǒng)中帶動(dòng)超聲傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)選擇步進(jìn)電機(jī),實(shí)施全方位測(cè)量。對(duì)于這種方法而言,其優(yōu)點(diǎn)就是可使超聲模塊數(shù)量得以節(jié)約,可有效避免多個(gè)模塊共同使用時(shí)所出現(xiàn)的探測(cè)交疊,其所存在缺點(diǎn)就是速度比較慢,探測(cè)一周所需時(shí)間比較長。對(duì)于步進(jìn)電機(jī)而言,其步數(shù)及轉(zhuǎn)速的決定因素為微控制器所輸出脈沖序列個(gè)數(shù)以及頻率,I/O端口高低電平可對(duì)其轉(zhuǎn)向進(jìn)行控制。為能夠準(zhǔn)確掌握超聲傳感器和機(jī)器人車頭方向一致時(shí)間,選擇紅外對(duì)管,若二者方向保持一致,則紅外對(duì)管所輸出頻率比較高,若二者方向不一致,則輸出電平比較低[1-2]。

2.運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于該運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)而言,其所選擇操作系統(tǒng)為window0XP,其程序開發(fā)系統(tǒng)所選擇的為C++,同時(shí)其所選擇程序設(shè)計(jì)方法為模塊化及windows線程多控制任務(wù)處理機(jī)制,這樣不但使程度調(diào)試及修改更加方便,并且還能夠準(zhǔn)并行分布式處理控制系統(tǒng)。

首先,系統(tǒng)中ADT850運(yùn)動(dòng)控制卡能夠?qū)㈤_發(fā)庫函數(shù)提供,可封裝針對(duì)運(yùn)動(dòng)控制卡哥哥通道所實(shí)施相關(guān)操作,從而使其成為針對(duì)機(jī)器人各輪所實(shí)施相關(guān)操作,并且形成相關(guān)函數(shù),對(duì)于這些函數(shù)而言,其均屬于CAdt-MotorCtrl類型函數(shù)。

其次,可對(duì)另外一類CRobot-ActionCtrl進(jìn)行定義,從而將整個(gè)機(jī)器人相關(guān)操作完成,比如對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制,使其行直線運(yùn)動(dòng)、弧線運(yùn)動(dòng)以及純轉(zhuǎn)動(dòng)與停止等動(dòng)作,并且還能夠?qū)C(jī)器人位姿獲取。

通過上述兩種類型,基本上能夠屏蔽機(jī)器人自身及運(yùn)動(dòng)控制卡相關(guān)硬件參數(shù)及硬件操作,這樣一來能夠使上層開發(fā)更加方便、簡單,在不了解有關(guān)硬件知識(shí)情況下便能夠?qū)C(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制程序開發(fā)完成,可使系統(tǒng)的可擴(kuò)展性能更加良好,其整體結(jié)構(gòu)可如下圖所示:

圖1 自主移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)程序圖

對(duì)于位姿狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊而言,其主要作用就是對(duì)各傳感器輸入型號(hào)進(jìn)行采集,從而使監(jiān)測(cè)機(jī)器人位置姿態(tài)能夠得以實(shí)現(xiàn),并且對(duì)于這些信號(hào)而言,可將其當(dāng)作控制系統(tǒng)反饋信號(hào);對(duì)于路徑跟蹤控制模塊而言,其主要作用就是使機(jī)器人路徑的跟蹤控制算法能夠得以實(shí)現(xiàn),可將控制信號(hào)提供給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng);傳感器云臺(tái)控制模塊的重要作用就是對(duì)傳感器云臺(tái)進(jìn)行控制,使其能夠以8°/s角速度進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng),并且能夠以4°/s角速度進(jìn)行俯仰運(yùn)動(dòng);對(duì)于緊急情況處理模塊而言,其主要作用就是對(duì)各種緊急情況進(jìn)行處理;對(duì)于通信模塊而言,其主要作用就是使運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及上層決策系統(tǒng)兩者間可實(shí)現(xiàn)通信[2-3]。

3.運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

對(duì)于自主移動(dòng)機(jī)器人而言,在其工作環(huán)境為戶外未知?jiǎng)討B(tài)環(huán)境時(shí),則其運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)所具備功能就是對(duì)機(jī)器人進(jìn)行合理控制,使其能夠依據(jù)所設(shè)計(jì)好軌跡進(jìn)行平穩(wěn)行使,從而使預(yù)期速度要求以及位姿要求均能夠得到滿足,并且其抗干擾能力以及魯棒性均比較強(qiáng)。對(duì)于控制功能而言,其得以實(shí)現(xiàn)所利用的主要就是系統(tǒng)中三環(huán)反饋,即位置環(huán)、速度環(huán)以及電流環(huán),其具體結(jié)構(gòu)如圖2所示:

圖2 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

為能夠使系統(tǒng)穩(wěn)定裕度及頻帶得以提高,其速度環(huán)及位置環(huán)選擇異步采樣方式,其中對(duì)于位置環(huán),其采樣周期為5ms,對(duì)于速度環(huán),其采樣周期為128us。在設(shè)計(jì)電流環(huán)方面,實(shí)際上就是對(duì)L292外部參數(shù)進(jìn)行合理選擇。位置環(huán)中調(diào)解律實(shí)際上就是對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制的相關(guān)各種控制算法。對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人而言,其工作環(huán)境存在可變性及多樣性特點(diǎn),具有比較復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)特性,因而對(duì)于運(yùn)動(dòng)控制算法的要求相對(duì)而言也就比較高。相關(guān)研究人員以移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型為基礎(chǔ)提出比較有效的控制算法,其能夠使軌跡跟蹤特性保持比較穩(wěn)定,然而在實(shí)際運(yùn)用過程中是將電機(jī)輸出力矩作為最終控制量的,所以在本次設(shè)計(jì)過程中將移動(dòng)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)作為入手點(diǎn),對(duì)機(jī)械電子裝置部分所起到作用進(jìn)行考慮,以動(dòng)力學(xué)模型為基礎(chǔ)對(duì)控制算法進(jìn)行設(shè)計(jì),從而實(shí)現(xiàn)比較理想的效果[3]。

4.結(jié)語

自主移動(dòng)機(jī)器人在當(dāng)前社會(huì)上的各個(gè)方面均有著越來越廣泛的應(yīng)用,為能夠使其發(fā)揮更好作用,使其各項(xiàng)功能得以更好實(shí)現(xiàn),應(yīng)當(dāng)對(duì)運(yùn)控控制系統(tǒng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì),通過對(duì)系統(tǒng)硬件與軟件合理設(shè)計(jì),使系統(tǒng)功能得以更好實(shí)現(xiàn),使系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠得到更加理想的效果,進(jìn)而使移動(dòng)機(jī)器人能夠得到更好應(yīng)用及發(fā)展。

[1]陳劍斌,田聯(lián)房,王孝洪。基于ARM的自主移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]。機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2011(6)。

[2]紀(jì)浩,吳友強(qiáng),鄒力涵。一種輪式移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J]。自動(dòng)化儀表,2013(11)。

[3]周卓洋,占頌。 三足全向移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]。電子測(cè)試,2015(7)。