自動跑位和數(shù)據(jù)采集機器人

葉忠民

本文介紹了一種可以自動跑位并進行數(shù)據(jù)采集的運動機器人，該運動機器人可以根據(jù)輸入的場地信息自動生成定位圖，然后應用姿態(tài)檢測模塊和光流傳感器模塊實現(xiàn)機器人自動跑位到定位圖中指定的位置并完成指定的任務。為了保障機器人跑位的靈活性和準確性，機器人采用麥克納姆輪，其作用可以保證機器人可以靈活地向四個方向自由地運動。經過實驗研究和檢測，該機器人達到了研制的要求和目的。

【關鍵詞】運動機器人 麥克納姆輪 姿態(tài)檢測 光流傳感器 陀螺儀

在需要針對某些大型場地的某些參數(shù)進行檢測的環(huán)節(jié)，往往需要在大量的指定位置進行測量，如果利用人工方式進行檢測，工作效率低下，還難以保證檢測數(shù)據(jù)的準確性，因此考慮采用機器人自動跑位，自動在這些點位上對某些參數(shù)進行檢測。如果結合數(shù)據(jù)自動處理、上傳，就能夠實現(xiàn)全自動的檢測。本文僅針對該機器人的設計、制作進行闡述。

1 詳細設計

1.1 總體方案

該運動機器人的實物圖如圖1和圖2所示。

為了實現(xiàn)機器人行駛速度和行駛距離的閉環(huán)控制，在四個車輪均安裝了測速碼盤，采用PID控制算法，以實現(xiàn)機器人的速度閉環(huán)和位移閉環(huán)控制。

PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。其輸入e （t）與輸出u （t）的關系為

u（t）=kp[e（t）+1/TI∫e（t）dt+TD*de（t）/dt]

式中積分的上下限分別是0和t

因此它的傳遞函數(shù)為：G（s）=U（s）/E（s）=kp[1+1/（TI*s）+TD*s]

其中kp為比例系數(shù)；TI為積分時間常數(shù)；TD為微分時間常數(shù)。

本系統(tǒng)運動機器人的位移和速度閉環(huán)PID控制原理如圖3所示。

圖3中，控制給定值為行駛速度/位移，編碼器測得的速度和位移值作為反饋，經過PID計算后得到控制輸入量，控制輸入量作用于控制對象，進而使機器人按照設定的速度/位移行駛。

1.2 定位導航系統(tǒng)

定位導航系統(tǒng)是運動機器人的“眼睛”，用于機器人運動定位，以達到是機器人可以在場內自動行駛的目的。本系統(tǒng)中要求定位導航系統(tǒng)能夠：

（1）感知機器人方位。

（2）檢測機器人運動位移。

為此，本系統(tǒng)中開發(fā)了姿態(tài)檢測模塊和光流傳感器模塊，以實現(xiàn)機器人的方向和位移監(jiān)測，為下一步進行機器人路徑規(guī)劃提供反饋信息。

1.2.1 姿態(tài)檢測模塊

為了控制運動機器人在移動過程中的行駛方向，需要加入姿態(tài)檢測模塊，以實現(xiàn)運動方向的閉環(huán)控制。

慣性測量元件是能夠測量重力方向或姿態(tài)角變化快慢的傳感器，可用于檢測轉軸不固定或無固定轉軸物體的角位移或角速度。因此，慣性測量元件常用于機器人系統(tǒng)、船舶、導彈、人造衛(wèi)星、飛機等的姿態(tài)測量。常見的慣性測量元件包括傾角儀、電子羅盤、加速度計、陀螺儀等。

加速度計用于測量與慣性有關的加速度，一個典型的例子就是重力加速度，可以由輸出的加速度值測量傾角，包括俯仰角和橫滾角?；镜墓ぷ髟硎羌铀俣扔嬱o止時，加速度計輸出作用于靈敏軸上的重力加速度值，即重力加速度在此方向上的分量。具體關系如圖4所示。

加速度計輸出與重力加速度的關系可表示為：

ax=g sinφ

ay=g cosφ

陀螺儀用于檢測剛體轉動產生的角速度或角位移的傳感器，即使沒有裝在轉動軸上，也能檢測剛體的角速度或角位移。陀螺儀輸出為繞靈敏軸的角速度，對其積分就可以得到姿態(tài)角，可用于測量俯仰角、橫滾角和偏航角。陀螺儀的動態(tài)響應好，但是存在漂移和噪聲，導致累積誤差隨著時間的推移而逐漸增大。

為了結合兩種傳感器的優(yōu)點，通過將二者數(shù)據(jù)進行卡爾曼濾波，再經過四元數(shù)姿態(tài)結算，就可得到準確、實時的姿態(tài)角度信息。

（1）姿態(tài)檢測傳感器。姿態(tài)檢測傳感器采用MPU-6000（6050）芯片。MPU-6000（6050）為全球首例整合性6軸運動處理組件，相較于多組件方案，免除了組合陀螺儀與加速器時之軸間差的問題，減少了大量的封裝空間。

MPU-60X0 對陀螺儀和加速度計分別用了三個16位的ADC，將其測量的模擬量轉化為可輸出的數(shù)字量。為了精確跟蹤快速和慢速的運動，傳感器的測量范圍都是用戶可控的，陀螺儀可測范圍為±250，±500，±1000，±2000°/秒（dps），加速度計可測范圍為±2，±4，±8，±16g。一個片上1024字節(jié)的FIFO，有助于降低系統(tǒng)功耗。和所有設備寄存器之間的通信采用400kHz的I2C接口或1MHz的SPI接口（SPI僅MPU-6000可用）。對于需要高速傳輸?shù)膽茫瑢拇嫫鞯淖x取和中斷可用20MHz的SPI。另外，片上還內嵌了一個溫度傳感器和在工作環(huán)境下僅有±1%變動的振蕩器。芯片尺寸4×4×0.9mm，采用QFN封裝（無引線方形封裝），可承受最大10000g的沖擊，并有可編程的低通濾波器。

關于電源，MPU-60X0可支持VDD范圍2.5V±5%，3.0V±5%，或3.3V±5%。另外MPU-6050還有一個VLOGIC引腳，用來為I2C輸出提供邏輯電平。VLOGIC電壓可取1.8±5%或者VDD。

（2）主控制器。主控制芯片選用了STM32F103T8，ARM 32-bit Cortex?-M3 內核，它有64KB的閃存存儲器，和20KB的運行內存。7通道的DMA，7個定時器，通過板子上的8M晶體和STM32內部的PLL，控制器可以運行在72M的主頻上，對于姿態(tài)解算這種需要大量數(shù)學運行的程序，更快的處理速度可以做更多的解算優(yōu)化。STM32F1系列屬于中低端的32位ARM微控制器，該系列芯片是意法半導體（ST）公司出品，其內核是Cortex-M3。該系列芯片按片內Flash的大小可分為三大類：小容量（16K和32K）、中容量（64K和128K）、大容量（256K、384K和512K）。芯片集成定時器，CAN，ADC，SPI，I2C，USB，UART，等多種功能。

控制板上的傳感器通過I2C接口與STM32連接，同時傳感器的數(shù)據(jù)中斷引腳與STM32的IO相連。使得傳感器在完成ADC輪換后，STM32在第一時間讀取最新的數(shù)據(jù)，快速響應姿態(tài)的變化。這樣的連接使得控制器擁有最大的主動權，最快地獲取各傳感器的狀態(tài)和轉換結果。

1.2.2 運動位移檢測模塊

機器人在運動過程中，需要是是測量其在水平面的移動距離，以便于控制其移動到設定光照采樣點上，目前常用的測位移方法有編碼器，激光測距等。編碼器測距對場地平整度、摩擦力要求較高，當輪子出現(xiàn)打滑后，測量值將出現(xiàn)誤差。激光測距測量精度高，但是對環(huán)境要求高，需要有反射物，無法測量水平位移。ADNS3080傳感器是一種高性能的光學鼠標測量元件，其可以感知鼠標等在水平和豎直方向的移動速度，對速度進行積分，即可得到物體在水平和豎直方向的移動距離，即

s=s+v*t.

ADNS3080傳感器的另一大優(yōu)點是無需接觸地面，即可實現(xiàn)距離測量，因此使用該傳感器既可以測量籃球場、網球場等地面平整的場地，也可以測量足球場等地表有附著物的場地，滿足了多種場地的測量需求。

將傳感器安裝在運動機器人底盤底部，傳感器鏡頭對準地面，水平前后移動機器人，測得機器人在水平方向的運動位移如圖6所示。

2 試驗運行結果

如圖7所示，在計算機中輸入被檢測的籃球場基本信息后，計算機便可以自動在軟件中形成該場地需要的檢測點位圖（計算機屏幕左下角即為該點位圖）。生成點位圖后，便可以通過無線控制方式指揮機器人跑到指定的點位。

圖8所示，試驗人員按照計算機自動生成的點位圖，在實際場地上黏貼紙張進行了標注，啟動計算機的運行程序后，機器人自動跑到了標注的位置，由于跑位準確性要求不高，故并未進行定位準確性測量。

3 結束語

該機器人可以應用于定位精度不高，但需要在很多點位進行數(shù)據(jù)自動采集的場合，其優(yōu)點是自動化程度高、跑位靈活快速、應用方便。

參考文獻

[1]金奇，鄧志杰.PID控制原理及參數(shù)整定方法[J].重慶工學院學報（自然科學版），2008（05）：91-94.

[2]侯文生，戴加滿，鄭小林，楊琴，吳小鷹，許蓉.基于加速度傳感器的前臂運動姿態(tài)檢測[J].傳感器與微系統(tǒng)，2009（01）：106-108.

[3]梁閣亭，惠俊軍，李玉平.陀螺儀的發(fā)展及應用[J].飛航導彈，2006（04）：38-40.

[4]王鐵流，李宗方，陳東升.基于STM32的USB數(shù)據(jù)采集模塊的設計與實現(xiàn)[J].測控技術，2009（08）：37-40.

[5]孔維榮.基于運動模糊圖像的位移檢測技術研究[D].江西理工大學，2015.

作者單位

1.浙江省質量檢測科學研究院 浙江省杭州市 310013

2.浙江方圓檢測集團股份有限公司 浙江省杭州市 310013