巡檢機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)研究

庹發(fā)金 張輝軍 魏詳雨

摘要：工業(yè)園區(qū)的環(huán)境十分的特殊，為了讓巡檢機(jī)器人的運(yùn)動控制系統(tǒng)真正的發(fā)揮出作用，實現(xiàn)較為精準(zhǔn)的定位，本次研究中重點探討的是巡檢機(jī)器人的行走方式、引導(dǎo)和定位方式等多個方面的問題，通過借助于科學(xué)的定位手段，使得機(jī)器人本身的姿態(tài)和位置等加以明確，表現(xiàn)出更為可靠地抗干擾能力。

關(guān)鍵詞：巡檢機(jī)器人;運(yùn)動控制系統(tǒng);定位方式

在社會經(jīng)濟(jì)穩(wěn)步發(fā)展的今天，電力需求量呈現(xiàn)出急劇增加的趨勢，因此電力系統(tǒng)本身的自動化水平也受到了關(guān)注^【1】。因工業(yè)園區(qū)的發(fā)展需要，在智能化技術(shù)實現(xiàn)飛速發(fā)展的進(jìn)程中，應(yīng)該積極的轉(zhuǎn)變以往人工巡檢的方式，解決勞動強(qiáng)度大、實時性差等多種多樣的問題。工業(yè)園區(qū)中的智能化巡檢機(jī)器人往往是結(jié)合著機(jī)器人技術(shù)和電力設(shè)備非接觸檢測技術(shù)等實現(xiàn)對工業(yè)園區(qū)的檢測工作，通過對巡檢的數(shù)據(jù)信息展開分析，及時的了解到電網(wǎng)運(yùn)行階段存在的事故隱患，完成對工業(yè)園區(qū)中全天候和全方位的有效監(jiān)控，合理的降低相應(yīng)的運(yùn)維成本，保證巡檢作業(yè)的智能化水平得到有效的提升，給工業(yè)園區(qū)提供較為可靠地保障。

一、巡檢機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)—行走方式

對于行走方式的選擇應(yīng)該十分的慎重，這對于運(yùn)動控制系統(tǒng)的控制策略能夠產(chǎn)生較為直接的影響，只有落實好行走方式的合理選擇，才能保證在工業(yè)園區(qū)實際路況環(huán)境之下完成高精度、高速度的穩(wěn)定運(yùn)行目標(biāo)^【2】。

（一）輪式

巡檢機(jī)器人的行走方式之一就是輪式，這是應(yīng)用較為廣泛的行走方式，因為輪式機(jī)構(gòu)具有十分靈活的移動模式，加之機(jī)械結(jié)構(gòu)較為簡單，還存在著極高的機(jī)械效率，所以受到了廣泛的關(guān)注。在相對于平坦的地面上，輪式機(jī)構(gòu)更易凸顯出自身的優(yōu)勢之處，表現(xiàn)出極高的運(yùn)行速度。輪式移動機(jī)構(gòu)雖然存在著自身的優(yōu)勢之處，但是能夠越過壕溝和臺階的能力較低，特別是其和地面實際接觸到的面積有限，若是在相對于柔軟和光滑的路面上，很容易出現(xiàn)沉陷或者是打滑的問題。

（二）履帶式

履帶式行走方式也具有極為明顯的優(yōu)勢，比如接地比壓較小，即使是在松軟或者是泥濘的場地上作業(yè)都能輕松地通過^【3】。履帶式移動機(jī)器人往往需要運(yùn)用至負(fù)載較重且地面崎嶇的場合，其也存在著自身的缺點，主要是表現(xiàn)為轉(zhuǎn)向不靈活、減振性能較差、運(yùn)動噪聲大等等，還能夠?qū)Φ孛娈a(chǎn)生極大地剪切破壞作用，如果地面的環(huán)境相對于惡劣，履帶會出現(xiàn)磨損問題。經(jīng)過對巡檢機(jī)器人行走方式的合理化研究，結(jié)合工業(yè)園區(qū)的實際情況，發(fā)現(xiàn)輪式結(jié)構(gòu)的行走方式更適合。

二、巡檢機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)—SLAM技術(shù)的應(yīng)用

所謂的SLAM技術(shù)，就是指的借助于傳感器針對于地圖合理的創(chuàng)建并完成自身的定位，同時進(jìn)行同步求解的過程。具體的描述應(yīng)該是在相對于未知的環(huán)境之下，已知運(yùn)動學(xué)模型的移動機(jī)器人在未知初始位置出發(fā)，通過在若干環(huán)境特征的環(huán)境之中完成基本的移動，借助于自身攜帶的傳感器，及時的將周邊的環(huán)境信息加以獲取，由此確定具備著環(huán)境特征的空間坐標(biāo)，同時明確自身的三維坐標(biāo)。想要真正的實現(xiàn)對SLAM技術(shù)的應(yīng)用，應(yīng)該積極的重視卡爾曼濾波（Kalman Filter，KF）這種高效的遞歸濾波器的合理使用，其能夠從一系列的不完全包含噪聲的測量中估計動態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)，這對于巡檢機(jī)器人的運(yùn)動控制來說具有積極的影響，簡單的卡爾曼濾波應(yīng)該合理的運(yùn)用在符合高斯分布的系統(tǒng)中，同時落實相對于科學(xué)的改進(jìn)，擴(kuò)展卡爾曼濾波（Extended Kalman Filter，EKF）可應(yīng)用于時間非線性的動態(tài)系統(tǒng)，EKF-SLAM的實現(xiàn)基礎(chǔ)是建立機(jī)器人的運(yùn)動和觀測模型。

三、巡檢機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

運(yùn)動控制系統(tǒng)在接收到上位機(jī)控制命令之后，還需要完成相應(yīng)的解析與分析，之后才能更加準(zhǔn)確的完成命令的執(zhí)行和反饋^【4】。當(dāng)完成了相應(yīng)的任務(wù)之后，需要積極的等待新的命令到來，依照基本的運(yùn)動控制系統(tǒng)功能要求，完成對軟件模塊的有效劃分。如速度計算模塊重點是指的依照編碼器發(fā)出的信號將電機(jī)的基本方向和實際的速度合理的判斷出來，距離計算模塊則重點是指的依照編碼器信號將指定時刻或者是位置開始的電機(jī)行駛距離加以判斷。在巡檢機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)中，較為重要的就是運(yùn)動控制模塊，這個模塊重點是對機(jī)器人的實際運(yùn)動狀態(tài)展開合理的控制，比如說控制著機(jī)器人的直行、轉(zhuǎn)彎和停止等等。尋磁算法模塊重點是依照磁傳感器信號將機(jī)器人相對磁軌跡發(fā)生的偏離程度合理的計算出來。實時時鐘模塊能夠及時的將日期和時間信息等加以提供，可完成相應(yīng)的軟件校時，避免掉電丟失。多個功能模塊的構(gòu)成使得運(yùn)動控制系統(tǒng)軟件得以完善，通過積極的執(zhí)行相關(guān)的命令，處理相應(yīng)的信息，完成基本的反饋等成為可能。不同的模塊并不屬于獨(dú)立的存在，其存在著極為密切的聯(lián)系，通過科學(xué)的協(xié)作和配合，使得機(jī)器人能夠更好的完成基本的巡檢任務(wù)。

四、巡檢機(jī)器人運(yùn)動控制算法

（一）S曲線加減速算法

在執(zhí)行巡檢任務(wù)的時候，機(jī)器人在檢測點位置上會出現(xiàn)頻繁啟動和停止的情況，若是沒有相對于適宜的加減算法，極易產(chǎn)生劇烈的抖動，對于電機(jī)壽命造成不良的影響，也會威脅到定位的精準(zhǔn)度。此次研究中涉及到的是S曲線加減速算法，以這樣的方式完成對機(jī)器人的合理控制，由此推動著機(jī)器人實現(xiàn)相對于平穩(wěn)的運(yùn)行，同時又能適當(dāng)?shù)慕档土悴考膿p壞程度，保證其更加的可靠。由于系統(tǒng)速度變化曲線能夠呈現(xiàn)出S型，因此被稱作S曲線控制算法，這種算法的使用能夠確保速度和加速度的變化相對于平穩(wěn)。

（二）比例微分尋磁算法

機(jī)器人底盤前方會適當(dāng)?shù)墓潭ò藗€磁傳感器，由此便能構(gòu)成相應(yīng)的陣列。磁傳感器在對磁信號進(jìn)行了有效的接收之后，可以及時的針對于位置進(jìn)行編碼，保證磁算法比例調(diào)速環(huán)節(jié)可以獲得較為可靠的支持。若是相鄰的磁傳感器能夠同時的亮起來，位置編碼便可以及時的進(jìn)行相應(yīng)的加權(quán)計算。依照機(jī)器人相對磁軌跡的偏離趨勢展開較為合理的分析，保證左右輪的速度實現(xiàn)有效的調(diào)整，在每5ms存儲一組磁傳感器偏離數(shù)據(jù)，可以在有限的時間能存儲100組，借助于平滑濾波將相應(yīng)的干擾加以去除^【5】。

（三）分段補(bǔ)償誤差算法

機(jī)器人的定位精準(zhǔn)度往往會受到多種因素的綜合影響，如控制算法存在的誤差和讀卡器讀取RFID標(biāo)簽的位置及速度等等。通過相應(yīng)的測試，機(jī)器人的運(yùn)動誤差能夠及時的隨著速度的增加呈現(xiàn)出逐步放大的趨勢，借助于分段補(bǔ)償誤差的基本舉措，可以促使不同速度情況下定位精度得到有效的提升。

結(jié)語

對于工業(yè)園區(qū)這個特殊的場所來說，巡檢機(jī)器人的合理運(yùn)用影響顯著，能夠?qū)崿F(xiàn)智能化的巡檢和監(jiān)控，打破了傳統(tǒng)人工巡檢的束縛，使得全方位巡檢變?yōu)榭赡堋１疚闹兄攸c分析了巡檢機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)的相關(guān)問題，結(jié)合著機(jī)器人的基本行走方式，闡述了引導(dǎo)和定位的模式，在明確了基本算法的前提下，確保機(jī)器人的運(yùn)行過程更加的穩(wěn)定，促使著工業(yè)園區(qū)巡檢機(jī)器人的應(yīng)用要求得以滿足。

參考文獻(xiàn)

[1]廖雯. 基于FPGA的變電站巡檢機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].湖南工業(yè)大學(xué)，2018.

[2]高明建. 面向巡檢應(yīng)用的全向輪式機(jī)器人的運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].中國科學(xué)院大學(xué)（工程管理與信息技術(shù)學(xué)院），2016.

[3]曾健. 巡檢機(jī)器人UWB無線定位算法和導(dǎo)航控制系統(tǒng)的研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2015.

[4]趙建偉，商德勇，范迅. 仿生關(guān)節(jié)式薄煤層巡檢移動機(jī)器人及學(xué)習(xí)控制[A]. 中國煤炭學(xué)會.中國煤炭學(xué)會首屆煤炭行業(yè)青年科學(xué)家論壇論文摘要集[C].中國煤炭學(xué)會：中國煤炭學(xué)會，2014：1.

[5]聶鴻宇，劉睿，薛志航.磁導(dǎo)航巡檢機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計[J].中國測試，2014，40（S1）：42-44.

第一作者簡介：庹發(fā)金，1976.02，男，漢族，本科，軟件開發(fā)高級工程師。

第二作者簡介：張輝軍，1989.12，男，漢族，本科，機(jī)械自動化工程師。

第三作者簡介：魏詳雨，1979.03，男，漢族，本科，軟件工程。

（作者單位：克拉瑪依油城數(shù)據(jù)有限公司）