基于ARM的全向移動(dòng)平臺智能循跡系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐文麗,劉 丹,黨 興,劉偉靜,李 鵬

(天津航天機(jī)電設(shè)備研究所，天津 300458)

0 引言

隨著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的高速發(fā)展與制造加工業(yè)的迫切需求，工業(yè)移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)越來越受到社會(huì)的關(guān)注。由傳感器、遙控操作器和自動(dòng)控制移動(dòng)載體組成的機(jī)器人系統(tǒng)，得到了迅速的發(fā)展[1-3]。全向移動(dòng)平臺能夠原地橫移、原地零半徑回轉(zhuǎn)，非常適用于工作環(huán)境狹窄、對準(zhǔn)確定位和位置調(diào)整能力要求較高的場合。由于這些場合通常不適合人為操作，因此，迫切需要研制一種擁有自動(dòng)導(dǎo)引和軌跡跟蹤功能的全向移動(dòng)平臺[4-5]。基于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的移動(dòng)平臺，以其強(qiáng)大而靈活的可應(yīng)用性、高度的可靠性以及低成本等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用[6]。本文以麥克納姆輪式全向移動(dòng)機(jī)器人為研究對象。其控制系統(tǒng)使用進(jìn)階精簡指令集處理器(advanced RISC machine,ARM)作為主控制器。該系統(tǒng)利用視覺傳感器，對前方道路環(huán)境進(jìn)行圖像捕捉，通過計(jì)算提取圖像中的道路邊緣信息提供給道路識別程序，判斷自身位置和外部環(huán)境，并根據(jù)識別結(jié)果制定系統(tǒng)的行進(jìn)規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)自主、智能導(dǎo)航[7-9]。

1 系統(tǒng)總體方案

全向移動(dòng)平臺循跡系統(tǒng)主要由ARM控制器、視覺傳感器、避障傳感器、驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)、無線遙控器、無線接收模塊、供電單元以及軌跡等組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。首先，通過無線遙控器向全向移動(dòng)平臺發(fā)送循跡命令；然后，ARM控制系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)信息的初始化，完成循跡控制的準(zhǔn)備工作。視覺傳感器將實(shí)時(shí)采集的路徑信息輸入ARM控制系統(tǒng)。系統(tǒng)根據(jù)循跡控制算法處理結(jié)果得出電機(jī)的轉(zhuǎn)向與速度，進(jìn)而實(shí)時(shí)控制全向移動(dòng)平臺的運(yùn)行[10]。在運(yùn)行過程中，若遇到障礙，移動(dòng)平臺依據(jù)避障傳感器檢測到的障礙物距離信息作出相應(yīng)處理。

圖1 循跡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of tracking system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控制器

控制系統(tǒng)性能的優(yōu)劣，直接決定了整個(gè)移動(dòng)平臺控制系統(tǒng)性能的好壞以及控制系統(tǒng)性能的穩(wěn)定性。主控制器作為循跡系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)完成視覺傳感器輸出信號的采集、路徑信息與當(dāng)前環(huán)境的判斷、移動(dòng)平臺運(yùn)行速度與方向的控制等功能[11]。本設(shè)計(jì)選用ARM系列芯片LM3S9B96作為系統(tǒng)的控制核心，其集成了脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation,PWM)、通用輸入/輸出(general-purpose input/output,GPIO)端口、控制器局域網(wǎng)總線(controller area network,CAN)、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(analog-to-digital converter,ADC)、通用異步收發(fā)傳輸器(universal asynchronous receiver/transmitter,UART)等模塊，具有豐富的I/O接口及寄存器等資源，可進(jìn)行二次開發(fā)，使用方便[6]。

2.2 無線遙控模塊

該系統(tǒng)通過無線遙控器向全向移動(dòng)平臺發(fā)送循跡控制命令。無線遙控模塊采用CC430F6137控制器，其內(nèi)部集成了CC1101射頻收發(fā)模塊，采用通用的ISM頻段(433 MHz)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸[12]。

2.3 路徑識別模塊

該系統(tǒng)采用自主研發(fā)的視覺傳感器作為路徑信息采集傳感器。該傳感器輸出采用RS-485接口，采用“一問一答”的通信方式，可識別二維碼與色帶，并通過對接口發(fā)送選擇命令識別色帶的顏色。該系統(tǒng)軌跡可選用綠色、紅色、藍(lán)色3種顏色的色帶，并將其粘貼在地面上。通過定時(shí)發(fā)送詢問命令，視覺傳感器輸出接口將輸出移動(dòng)平臺相對于色帶的橫向與縱向位置，以及角度的偏差值。

2.4 傳動(dòng)模塊

傳動(dòng)模塊包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊在單片機(jī)控制系統(tǒng)中是必不可少的，它和電機(jī)共同組成移動(dòng)平臺的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)[13]。該系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用雷賽ACM低壓交流伺服電機(jī)，適配ACS系列交流伺服驅(qū)動(dòng)器。

2.5 避障模塊

避障模塊采用“西克”公司的激光掃描器TIM310。其可掃描270°的范圍，最多可設(shè)置16個(gè)保護(hù)區(qū)域，掃描距離可達(dá)到4 m。設(shè)置掃描器的正常、報(bào)警、急停3個(gè)區(qū)域，并通過3個(gè)開關(guān)量輸出來實(shí)現(xiàn)，使得全向移動(dòng)平臺在不同情況下對檢測到的障礙物進(jìn)行不同的反應(yīng)。

2.6 供電模塊

電源模塊采用靈活、方便的單電源供電模式為所有模塊供電?？刂颇K采用5～30 V寬電壓供電。電機(jī)采用60 V磷酸鐵鋰電池供電。各模塊采用36～72 V轉(zhuǎn)24 V DC/DC穩(wěn)壓電源模塊供電。

3 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

軟件系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)決策與導(dǎo)向的功能。該系統(tǒng)軟件采用C語言編寫，以Keil uVision4軟件作為開發(fā)環(huán)境。根據(jù)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，軟件系統(tǒng)使用模塊化的軟件，可以大致分為主程序、循跡模塊程序、電機(jī)的PWM轉(zhuǎn)速與方向控制模塊以及安全防護(hù)模塊。軟件控制系統(tǒng)主程序流程如圖2所示。

圖2 軟件控制系統(tǒng)主程序流程圖Fig.2 Flowchart of main program of software control system

當(dāng)操作人員通過無線遙控器發(fā)送循跡指令時(shí)，全向移動(dòng)平臺控制系統(tǒng)進(jìn)入循跡模式，主程序?qū)σ曈X傳感器、GPIO與PWM口、定時(shí)器以及中斷程序等進(jìn)行初始化。在運(yùn)行過程中，程序?qū)⒉粩嗟貟呙枰曈X傳感器輸出信號與激光掃描器連接的I/O口，對路徑信息進(jìn)行判斷，并進(jìn)入相應(yīng)的處理程序。

3.1 循跡控制算法

循跡控制算法以視覺傳感器輸出的橫向與縱向位置、角度的偏差作為輸入，計(jì)算出移動(dòng)平臺的預(yù)定行車速度，并完成轉(zhuǎn)向和速度控制。

全向移動(dòng)平臺循跡控制算法流程如圖3所示。

圖3 循跡控制算法流程圖Fig.3 Flowchart of tracking control algorithm

程序初始后啟動(dòng)定時(shí)器，定時(shí)向視覺傳感器發(fā)送命令，以詢問當(dāng)前的位置信息。當(dāng)視覺傳感器檢測到色帶時(shí)，程序?qū)①x予移動(dòng)平臺前進(jìn)速度初值VY0，控制其開始向前移動(dòng)。若傳感器輸出的橫向距離偏差為負(fù)值，則色帶位于移動(dòng)平臺中心線右側(cè)，需控制移動(dòng)平臺向右移動(dòng)，即控制量VX為正值；反之，若傳感器輸出為正值，控制量VX為負(fù)值。傳感器檢測的角度偏差以傳感器Y軸方向?yàn)榱泓c(diǎn)，逆時(shí)針方向角度增大。當(dāng)輸出角度偏差在0～90°時(shí)，移動(dòng)平臺相對色帶右旋轉(zhuǎn)了一定角度，需控制移動(dòng)平臺向左旋轉(zhuǎn)，即控制量W為負(fù)值；反之，若輸出角度偏差在270°～360°時(shí)，需增加的控制量W為正值。

為使全向移動(dòng)平臺能夠沿色帶線快速而穩(wěn)定地運(yùn)行，除了合理地控制方向外，還要結(jié)合路徑的各種情況調(diào)整移動(dòng)平臺的前進(jìn)速度，使得移動(dòng)平臺在直道上能以較快速度行駛，在彎道上又不會(huì)因?yàn)樗俣冗^快而偏離色帶。因此，必須根據(jù)實(shí)時(shí)路徑彎曲程度，即偏角的大小，正確地調(diào)整移動(dòng)平臺的當(dāng)前前進(jìn)速度。該系統(tǒng)采用前進(jìn)速度與偏角成反比例的關(guān)系，實(shí)時(shí)調(diào)整前進(jìn)速度，實(shí)現(xiàn)入彎減速、出彎加速的控制方式。

當(dāng)視覺傳感器檢測到二維碼時(shí)，可識別距離與角度偏差值以及二維碼編號。視覺傳感器依據(jù)偏差值進(jìn)行糾偏，依據(jù)二維碼編號來執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作或命令。

3.2 電機(jī)控制子程序

該控制系統(tǒng)通過輸出不同頻率的PWM波與I/O電平，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的有效控制。頻率越大，電機(jī)轉(zhuǎn)速越快。電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，采用0～500 kHz頻率PWM波，正比例控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。

以循跡算法的輸出參數(shù)VX、VY、ω為輸入，根據(jù)全向移動(dòng)的數(shù)學(xué)模型計(jì)算公式，實(shí)時(shí)計(jì)算全向移動(dòng)平臺4個(gè)輪子的當(dāng)前速度與方向。數(shù)學(xué)模型公式如下[14]：

(1)

式中：V1、V2、V3、V4分別為4個(gè)輪子速度矢量；VX、VY、ω分別為全向移動(dòng)平臺在平面X、Y方向上的平移速度和繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速度；W為移動(dòng)平臺輪距；L為移動(dòng)平臺軸距。本文設(shè)計(jì)的移動(dòng)平臺中：R=215 mm，W=804 mm，L=1 022 mm，電機(jī)0、3與電機(jī)1、2采用對稱裝配，V1、V3方向與電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向一致，則V2、V4方向與電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反。當(dāng)速度V>0時(shí)，輪子正轉(zhuǎn)；反之，則為反轉(zhuǎn)。

3.3 安全防護(hù)

激光掃描器TIM310將距離信息轉(zhuǎn)換成開關(guān)量信息輸入到GPIO接口。應(yīng)用程序通過讀取開關(guān)量信號的數(shù)值，即可判斷前后方有無障礙物以及障礙物的距離信息。當(dāng)檢測到障礙物距離小于50 cm時(shí)，移動(dòng)平臺減速；距離小于20 cm時(shí)，移動(dòng)平臺將停止運(yùn)行。

當(dāng)全向移動(dòng)平臺未檢測到色帶與二維碼時(shí)，進(jìn)行丟道處理，移動(dòng)平臺將停止運(yùn)行。此時(shí)，可以通過無線遙控器來控制全向移動(dòng)平臺。若重新檢測到色帶(即回到軌道)，可恢復(fù)正常循跡狀態(tài)。

4 試驗(yàn)測試

試驗(yàn)場地選擇廠房內(nèi)干凈、平整的淺灰色地面，循跡軌道為1 cm寬的綠色與紅色膠帶。軌道分為圓弧形、矩形和S型。環(huán)境光線為一般強(qiáng)度的漫射自然光。視覺傳感器置于全向移動(dòng)平臺的底端，激光掃描器置于全向移動(dòng)平臺上端中央(相對于軌道中間)。

視覺傳感器識別的色帶顏色初始值設(shè)為“紅色”。在循跡過程中，此識別顏色可依據(jù)命令隨時(shí)更改，并經(jīng)反復(fù)調(diào)整視覺傳感器離地面的距離實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)檢測。通過無線遙控器向全向移動(dòng)平臺下達(dá)“前進(jìn)”“后退”“左移”“右移”“轉(zhuǎn)向”等命令，使全向移動(dòng)平臺處于紅色色帶軌道上。此時(shí)，發(fā)送“循跡”命令，全向移動(dòng)平臺可自主循跡。在循跡過程中，全向移動(dòng)平臺可實(shí)時(shí)檢測周圍障礙物的情況。若檢測到全向移動(dòng)平臺與障礙物的距離小于20 cm，即刻停止運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)安全防護(hù)。

多次調(diào)整全向移動(dòng)平臺的前進(jìn)速度并進(jìn)行循跡試驗(yàn)測試。結(jié)果表明，影響全向移動(dòng)平臺循跡效果的關(guān)鍵因素有兩個(gè)：一是視覺傳感器離地面的距離，二是全向移動(dòng)平臺行駛的速度。前者決定了視覺傳感器檢測軌跡的準(zhǔn)確性和靈敏度，后者與全向移動(dòng)平臺循跡的準(zhǔn)確性和成功率有關(guān)。該循跡系統(tǒng)入彎減速出彎加速的循跡方式，提高了轉(zhuǎn)向的靈敏度，同時(shí)有效控制了行駛速度，使全向移動(dòng)平臺在循跡過程中左右搖擺幅度較小、緊貼軌道行駛。該循跡系統(tǒng)經(jīng)過多次試驗(yàn)測試，循跡效果皆較為理想。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的基于ARM控制器的全向移動(dòng)平臺智能循跡系統(tǒng)，具有一定的道路辨認(rèn)適應(yīng)能力和環(huán)境變化適應(yīng)能力。其可在狹小空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)自主巡線、自動(dòng)調(diào)速、安全防護(hù)，并能夠以較快的速度完成循跡運(yùn)動(dòng)。

該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，能滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)和要求，可以應(yīng)用到裝配生產(chǎn)、倉儲物流等領(lǐng)域，具有一定的實(shí)用性。

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