輪式機器人定點運動的姿態調整

鄭建生，楊衛*，徐勝

(1.中北大學電子測試技術國家重點實驗室，太原030051; 2.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原030051)

輪式機器人定點運動的姿態調整

鄭建生1，2，楊衛1，2*，徐勝1，2

(1.中北大學電子測試技術國家重點實驗室，太原030051; 2.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原030051)

為解決帶有轉彎半徑的輪式機器人(區別于帶有履帶、可原地自轉的小車)在定點運動過程中的姿態調整。將電子羅盤與機器人移動平臺組合起來，指定系統內某個體坐標系為全局坐標系并初始化電子羅盤，使系統完成車體與電子羅盤的姿態同步。由于車體轉彎半徑的存在以及車體長度的的影響，導致機器人無法正確行駛到指定的距離以及完成相同的車體姿態，所以解決這個問題對于未來智能車輛智能駕駛有十分重要的實用意義。

智能機器人;姿態調整;智能控制;聲定位;智能駕駛

履帶式的移動機器人最大的優點就是其自身姿態調整靈活快速，當要求其運動到指定地點并保持初始姿態時，履帶式機器人首先調節自身姿態使其轉向目的地方向然后直接以直線的方式運動到指定的地點，最后在終點調整其姿態保持與初始姿態一致。而相對于履式機器人，輪式機器人在姿態調整方面就比較復雜了，由于轉彎半徑的存在，輪式機器人無法采用履式機器人的運動方案，而是需要在運動的過程中不斷調整自身姿態，在到達目的地時直接完成姿態調整。雖然輪式機器人定點運動的解決方案復雜繁瑣，但是輪式機器人在運動速度，車身重量，負載能力以及越野能力上都有較大的優勢。這也解釋了為什么目前全球絕大部分的交通車輛采用輪式而不是履式。

輪式機器人定點運動有許多種情況，例如不考慮機器人姿態的定點運動、只考慮終點位置上機器人姿態的定點運動以及起始位置與終點位置具有夾角關系的機器人姿態的定點運動。而本文要闡述的問題屬于第3類里面的特殊情況，實現初始姿態和終點姿態保持一致的定點運動。

1 系統硬件平臺

機器人自定位系統可將目的地的坐標值(x，y)成功存儲下來，根據初始坐標值(x0，y0)來完機器人轉角的確定，然后輪式機器人自主完成定點運動并調整自身姿態。

1.1 移動平臺

機器人采用輪式移動平臺(如圖1所示)，長42 cm，寬32 cm，四輪驅動，采用充氣輪胎附加懸掛彈簧增強了移動平臺的越野能力。由于自定位系統采用點聲源，遮擋對聲音傳播有一定影響，故需將聲信標及傳聲器陣列放置在移動平臺頂端。

圖1 移動平臺示意圖

1.2 聲信標和聲陣列

聲信標選用惠威M3S揚聲器，全頻帶頻率響應，額定功率15W，靈敏度(2.83 V/1 m)為81 dB。同時考慮環境噪聲、聲遮擋、信號采樣率、環境混響干擾等諸多因素，確定信號頻率為1 kHz～2 kHz，脈寬為10 ms～30 ms。將聲信標放置在指定地點上，使其發聲，初始地點上的輪式機器人通過聲陣列對聲信號進行采集，通過AD轉換后由主控模塊完成對目的地的坐標判斷，得到其坐標值(x，y)。

傳聲器采用駐極體自由場1/2英寸傳聲器，開路靈敏度為50 mV/Pa，頻率響應范圍為20 Hz～20 kHz。動態范圍(3%失真)大于146 dB。

1.3 姿態調整模塊

姿態調整模塊選用采用MPU9150芯片，該芯片整合了MPU6050以及AK8975電子羅盤的功能。利用I2C通信協議進行數據傳輸，芯片內置16 bit的AD轉換器，16 bit數據輸出(磁場13 bit)。磁場范圍±1 200μT。

1.4 主控模塊

系統選用微芯公司dspic33f系列高速DSC作為整個系統的運算和控制核心，該芯片不僅具有DSP強大的運算引擎，更是一個出色的微控制器(MCU)。芯片內部集成了10 bit或12 bit ADC。其中10 bit A/D轉換器具有4個獨立的采樣保持電路，可以方便地對外部信號進行采集，同時其外設接口相當完備，包括了目前常用的接口形式I2C、SPI、UART、CAN、 CODEC。作為主控芯片主要進行聲定位、誤差修正、姿態調整及數據傳遞。芯片將采集到的數據進行處理后獲得位置信息，通過自定位算法得出各機器人方位，并控制機器人完成位置姿態調整功能。

2 聲定位

聲定位的基本原理是將傳聲器在空間布置成一定幾何形狀的陣列，以接收目標的聲場信息，通過計算各傳聲器所拾取信號時延來確定目標位置。自定位系統中聲陣列采用結構相對簡單，數據處理方便的四元平面均勻圓陣［3］，孔徑D為40 cm。將傳聲器均勻放置在移動平臺正上方，以平臺形心為圓心，以孔徑D為直徑的圓上，并使坐標系Y軸與移動平臺中軸線重合。示意圖如圖2所示(圖中虛線方框為移動平臺)。

圖2 四元平面均勻圓陣陣型圖及定位示意圖

其中4個陣元s1、s2、s3、s4為傳聲器，坐標位置分別為(D，0)，(0，D)，(-D，0)，(0，-D)(D為孔徑)。設聲信標直角坐標系坐標為(x，y，z)，球面坐標為(γ，Ψ，θ)，則聲信標距原點距離為γ，方位角為Ψ，俯仰角為θ。

假設聲信號以球面波的形式傳播，到達陣元s1、s2、s3、s4的時間分別為t1、t2、t3、t4(從發出無線指令開始計時)，則目標坐標與時間及圓陣孔徑D的關系式可推導如下(c為聲速):

由式(1)可知，要得出目標位置信息，只需要測出t1、t2、t3、t4即可。誤差主要來自時延估計誤差、測距誤差。

3 姿態調整

聲定位系統得到目的地的坐標值A(x，y)和已知初始地點的坐標值O(x0，y0)，可以得到A點相對于O點的夾角α，以及OA的距離S0。若履帶式機器人要從O點運動到A點，而且初始的車身姿態和到達目的地的車身姿態保持一致。只需要在O點處使車身以β這個角度順時針原地轉動，接著直線前進S0距離，就會準確地到達A點，然后再以角度β逆時針轉動車身。使車身姿態與初始姿態相一致。這樣就完成了始末姿態相同的定點運動。

圖3 輪式機器人的姿態調整過程

但是輪式機器人由于轉彎半徑的存在，不可能像履帶式機器人一樣原地自轉，輪式機器人在知道A點的方向時，車體會以轉彎半徑R0順時針運動，當主控模塊接收到電子羅盤正確的轉角信息β后，立即控制小車舵機復位，這時走過的距離為以R1為半徑的圓弧S1(圖中藍色的部分)，緊接著輪式機器人直線運動，走過的路程為S2(圖中黑色部分)時，然后控制舵機逆時針轉動，由于機器人的轉彎半徑不變，機器人轉過的弧度S3與S1一致。這樣使車身的姿態與初始的姿態相同，這時，不難發現由于轉彎半徑和車身長度的影響，小車已經運動到A點的正上方，所以還需要控制小車后退S4這段距離，到達目的地。

問題的關鍵在于，如何控制機器人在第1個圓弧S1結束后，S2的距離到底為多少才能保證恰好與S3圓弧接軌以保證車身姿態能調整為初始姿態。

根據O點和A點坐標，可知夾角α的大小，OA的距離S0，則輪式機器人以R0=R為半徑轉過的角度β

Δl為OA和S2這兩條平行線的距離

根據式(2)、式(3)、式(4)、式(5)可以的到S4和S2的值

4 實驗驗證及結果分析

根據以上分析，在機器人平臺上編寫了聲定位程序和定點姿態調整程序，為了操作上的方便規定機器人的初始地點的坐標O(0，0)，機器人的幾何中心與原點重合，車身與y軸重合。實驗時分別在坐標系的4個象限放置兩個聲信標，利用機器人的聲定位系統來采集目標點的坐標，然后輪式機器人完成自主的相同姿態的定點運動。

表1 姿態調整實驗數據

數據分析:從表1中可以看到機器人在順時針調整時效果較好，姿態的調整和偏移距離都在允許的范圍內，尤其表現在距離比較遠的位置上，但是逆時針的表現還有待提高，而且遠距離始終比近距離的表現要好。分析原因如下:輪式機器人盡管理論上的轉彎半徑是不變的，但是在試驗中表現出來的是逆時針的轉彎半徑要比順時針的轉彎半徑要大，而且轉彎半徑的值也是有不同大小的抖動，這是導致順逆時針出現差異較大的主要原因，同時輪式機器人在機械傳動上也有一定的誤差。還有一些綜合因素也是數據出現不規律變化。

5 結束語

該設計以聲定位作為定位手段，實現了機器人

目標定位。在聲定位系統建立坐標系的基礎上機器人主控模塊自主完成對目標點的運動以及姿態調整，實際輪式機器人定點運動解決方案還有很多而且相對復雜，本文介紹的只是其中一種，而且該方案使用也比較靈活。例如應用在家用車入庫時，可以在車庫內固定好聲信標作為引導，但是由于車庫寬度的限制不能讓汽車行駛到目的點的前方，實際的解決方法是，事先控制汽車后退S4的距離然后完成行駛，順利入庫。

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鄭建生(1987-)，男，黑龍江省北安市人，山西省中北大學碩士研究生，主要研究方向人工智能與智能控制，839926100@qq.com;

楊衛(1957-)，男，山西太原人，研高工，主要研究方向為網域化為微武器系統，yangwei@nuc.edu.cn。

Attitude Adjustment of Wheeled Robot’s Fixed-Point M otion

ZHENG JianSheng1，2，YANGWei1，2*，XU Sheng1，2

(1.North University of China National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，Taiyuan 030051，China; 2.North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement，Taiyuan 030051，China)

To solve the wheeled robotwith a turning radius(different from the car with caterpillar and autorotation) attitude adjustment at point during exercise.The combination of internal electronic compass with a mobile robot platform designates an individual coordinate system for the global coordinate system and initializes electronic compass，allowing the system to complete the body posture of the electronic compass synchronization.Due to the turning radius of the vehicle and the impact of the length of the body，the correct robot can not travel to a specified distance and accomplish the same body posture to solve this problem for the future of smart intelligent drive vehicle，which has a very important practical significance.

smart car;attitude adjustment;intelligent control;sound localization;intelligent driving

C:7230

10.3969/j.issn.1005－9490.2017.01.030

TP242.6

:A

:1005－9490(2017)01－0158－04

2016-01-09修改日期:2016-02-25