基于嵌入式的新型爬行機器人控制系統的研究

丁亞峰 王洪宇 江瀟

1.1機器人控制系統的研究熱點和發展現狀

機器人的機械結構和控制系統是相輔相成、密不可分的整體。如果把機器人的機械結構看作是“身體”，那么其“神經系統”就是機器人的整個控制系統。歸納總結，良好的機器人控制系統需要具備以下幾個特點：

第一，對多個關節的自由度協調控制。

第二，模塊化設計。采用模塊化的設計方法，只需要在原有控制系統的基礎上對軟件功能模塊進行添加、修改、升級。

第三，具有很強的實時性。

第四，良好的人機界面。作為控制系統的重要組成部分，人機界面主要用于系統和用戶之間的信息交換，充當它們對話的接口和媒介。

目前，市面上系統有許多缺點：一是系統開放性較低，很難再添加一些組件，實現機器人功能擴展；二是系統的改造成本很高甚至無法改造。

1.2模塊化設計及軟件模塊化

對產品進行模塊化設計，需要依次完成以下步驟：

第一、模塊的劃分。根據產品的功用，將其合理得劃分多個獨立的模塊；

第二、模塊的創建。根據每個模塊的功能要求進行結構設計；

第三、模塊組合。合理的對各個功能模塊進行重組，最終實現產品的功用。

1.3 控制系統的功能模塊劃分及三層結構模型

這三個工作層分別有如下特點：

（1）人機接口層作為系統和用戶之間的交互接口，是控制系統的最頂層。

（2）通訊層作為控制系統的中間層，主要是用于充當其他兩層信息交換的橋梁。其次它還預留了許多通用接口，提高了控制系統的擴展性。

（3）功能層主要在管道外爬行機器人的本體上。

1.4 爬行機器人控制系統設計的關鍵點

在對控制系統進行設計時，我們要綜合考慮各方面的因素，包括控制系統各個模塊之間的協作、通信以及整個系統的成本、穩定性、實用性和擴展性等。經過以上一系列的綜合分析，本設計主要包括以下幾個關鍵技術：

（1）主控制器的選用以及其外圍電路設計

作為整個控制系統的控制“中樞”，主控板的設計質量對系統整體性能的好壞有著極其重要的影響。其外圍電路的設計，則必須兼顧各個模塊的工作特點和整個系統的擴展性。

（2）自平衡策略設計

機器人在管道上行走，主要靠行走滾輪的驅動力平衡重力產生的阻力矩。在水平管道行走時，無可避免的會出現重心的偏移，導致機器人姿態傾斜。所以，針對這一特點設計了一套自動平衡策略，以保證管道機器人的穩定行走。

（3）各個工作層的主程序設計

各個工作層之間的通訊、協作和各種運動控制策略的實現都需要通過程序設計來實現。