移動機器人控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真

隨著科學(xué)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，機器人技術(shù)不斷滲透到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，同時這些領(lǐng)域?qū)τ谧詣踊椭悄芑募夹g(shù)需求日趨增長，而移動機器人技術(shù)則成為當前智能機器人研究的熱點之一。由于移動機器人的路徑規(guī)劃、自定位、導(dǎo)航等算法以及視覺技術(shù)的研究都需要平臺來進行成果驗證，所以移動機器人平臺已成為熱點研究中最基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)。目前，市場上已有一些應(yīng)用于科研的移動機器人平臺，例如ActivMedia公司的Pioneer，WillowGarage公司的PR2等。

1、機器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能

移動式機器人的執(zhí)行機構(gòu)是機器人的運動控制系統(tǒng)，它對機器人的平穩(wěn)運行起著至關(guān)重要的作用，同時它也是一個結(jié)構(gòu)簡單的控制器。如圖1所示為本文設(shè)計的移動機器人的運動控制系統(tǒng)框圖。移動式機器人運動控制系統(tǒng)主要包括四大部分：I/O設(shè)備、PC機控制軟件及硬件、執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動器和各類傳感器等。

圖1移動機器人運動控制系統(tǒng)框圖

1.1移動式機器人的控制系統(tǒng)

移動式機器人的控制系統(tǒng)的作用是生成控制信息，控制機器人的執(zhí)行機構(gòu)進行運動。跟蹤設(shè)定軌跡是設(shè)計移動機器人的一項重要任務(wù)，其工作過程根據(jù)設(shè)定好的路線轉(zhuǎn)為運動控制信號傳輸給機器人，移動機器人根據(jù)控制器信號完成相應(yīng)的動作，最終達到設(shè)定的目標位置。在機器人的運動控制過程中需輸入給機器人的信息包含伺服電機編碼器轉(zhuǎn)換出來的機器人移動位置和速度的信息，超聲波傳感器檢測出來的障礙物位置的信息，以及單目視覺攝像機、全景攝像機所采集到的視頻信息。

1.2移動式機器人的驅(qū)動機構(gòu)

移動式機器人底座上裝有四個伺服電機，以此作為機器人的運動執(zhí)行機構(gòu)。每個電機都裝有一個編碼器，通過采集編碼器A和B相的正交編碼脈沖信號，可以實現(xiàn)電機的閉環(huán)調(diào)速和完成機器人的定位。移動式機器人身上安裝的中央處理器則主要用于負責(zé)傳感器模塊的控制和管理、定位信息的采集，以及與PC機的通信等，本文所設(shè)計控制系統(tǒng)采用了嵌入式大容量單片機控制器。

1.3移動式機器人的信息處理

輸入信息包含視覺信號和距離測量。視覺信號由單目視覺攝像機和全景視覺攝像機提供。距離測量由超聲波和激光測距完成。機器人程序開發(fā)人員應(yīng)事先根據(jù)運行環(huán)境建立良好的運行環(huán)境地圖，在機器人的移動過程中實時讀取位置信息，在中央控制器中根據(jù)程序設(shè)計的控制算法進行運算，將輸出信號發(fā)生給伺服電機控制器到驅(qū)動電機，從而控制移動機器人的移動。

機器人以中央處理器和上位機作為神經(jīng)中樞，接收來自超聲波和激光模塊檢測的障礙物信息，單目和全景攝像機提供視覺信息。根據(jù)上位機設(shè)定的參數(shù)和一些其他功能，通過控制器處理輸出給電機控制機器人執(zhí)行機構(gòu)完成相應(yīng)動作。

1.4基于環(huán)境模型的規(guī)劃方法

該方法首先需要建立一個關(guān)于機器人運動環(huán)境的環(huán)境模型。在很多時候由于移動機器人的工作環(huán)境具有不確定性（包括非結(jié)構(gòu)性、動態(tài)性等），使得移動機器人無法建立全局環(huán)境模型，而只能根據(jù)傳感器信息實時地建立局部環(huán)境模型，因此局部模型的實時性、可靠性成為影響移動機器人是否可以安全、連續(xù)、平穩(wěn)運動的關(guān)鍵。環(huán)境建模的方法基本上可以分為兩類：網(wǎng)絡(luò)／圖建模方法、基于網(wǎng)格的建模方法。前者主要包括自由空間法、頂點圖像法、廣義錐法等，利用它們在進行路徑規(guī)劃時可得到比較精確的解，但所耗費的計算量相當大，不適合于實際的應(yīng)用。而后者在實現(xiàn)上要簡單許多，所以應(yīng)用比較廣泛，其典型代表就是四叉樹建模法及其擴展算法（如基于位置碼四叉樹建模法、Framed-quadtrees建模法等）。

基于環(huán)境模型的規(guī)劃方法根據(jù)掌握環(huán)境信息的完整程度可以細分為環(huán)境信息完全已知的全局路徑規(guī)劃和環(huán)境信息完全未知或部分未知的局部路徑規(guī)劃。由于環(huán)境模型是已知的，全局路徑規(guī)劃的設(shè)計標準是盡量使規(guī)劃的效果達到最優(yōu)。在此領(lǐng)域已經(jīng)有了許多成熟的方法，包括可視圖法、切線圖法、Voronoi圖法、拓撲法、懲罰函數(shù)法、柵格法等。先前方法多采用基于圖論的思想，將目標、機器人及其工作空間用一個連接圖表示，如此一來，路徑規(guī)劃問題就轉(zhuǎn)化為在圖上尋找一條從起始節(jié)點到目標節(jié)點的路線。懲罰函數(shù)法將路徑規(guī)劃這個有約束的問題（受到障礙物的限制）轉(zhuǎn)化為一個無約束最優(yōu)化問題，再求解就可得出解答。柵格法用網(wǎng)格描述機器人的工作環(huán)境，根據(jù)柵格的可信度值可確定出障礙物的分布，此時通過避障規(guī)劃就可得到無碰路徑。

2、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

移動式機器人的運動控制系統(tǒng)硬件設(shè)計主要包括三部分：主控板設(shè)計、驅(qū)動機構(gòu)設(shè)計和傳感器單元。

2.1主控板設(shè)計

主控板的主要作用是完成控制器與模塊接口之間的數(shù)據(jù)管理、傳輸和控制功能。因移動式機器人上不同種類的傳感器模塊接口可能不相同，如：雙目攝像機為RS232接口；全景視覺攝像機為USB接口。主控板可完成與PC機的通信，驅(qū)動機構(gòu)的的控制信號由上位機經(jīng)主控板發(fā)送給電機控制器。主控板可采集電機編碼器的正交編碼脈沖信號經(jīng)過處理作為作位置信號。主控板也對距離測量模塊接口進行管理，傳感器接收信號的采集處理和發(fā)射信號的產(chǎn)生以及超聲波傳感器運行時間的設(shè)置都是由主控板來完成的。

2.2驅(qū)動機構(gòu)

移動式機器人采用四輪運動模式，四個輪分別由通過電機驅(qū)動。每個電機都是由各自的電機控制器單獨進行驅(qū)動，保證了電機閉環(huán)調(diào)速的獨立性、實時性、穩(wěn)定性和準確性。每個電機單元模塊都由控制器和電機組成。電機控制器模塊的控制芯片接收上位機的控制指令，經(jīng)處理器計算后將運行速度和方向輸出給執(zhí)行電機，控制器能夠輸出控制電機電壓，同時通過編碼器實時檢測電機的運行速度，對電機測量速度和設(shè)定速度差值進行比較運算，輸出電機的控制電壓，從而完成電機的閉環(huán)調(diào)速。

2.3傳感器單元

超聲波傳感器用于測量附近障礙物與機器人的實際距離，傳感器所需的40KHz方波源信號由中央控制器產(chǎn)生，經(jīng)放大器轉(zhuǎn)換后輸出給超聲波傳感器信號，當超聲波信號在傳播過程中遇到障礙物會反射回來，超聲波接收器接收到超聲波信號后經(jīng)轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)換成小幅值的電信號，然后在經(jīng)放大和濾波后傳輸給中央控制器，由中央控制器換算成位置信號。由于超聲波傳感器發(fā)出的信號隨的距離的增加而衰弱，因此接收器接收的信號也極其微弱，一般都為毫伏級的，并有干擾噪聲，所以需對傳感器接收到的信號進行放大和濾波處理。從超聲波控制芯片發(fā)出信號開始到接收器接收到信號后之間的時差即就是波傳輸時間，通過傳輸時間和速度就可計算出距離。如圖2所示為超聲波測距硬件結(jié)構(gòu)圖。

圖2超聲波測距單元硬件結(jié)構(gòu)圖

3、仿真模型

本文利用MATLAB/SimMechanics仿真平臺對移動式機器人的運動控制進行仿真研究，構(gòu)造了基于仿真平臺SimMechanics的運動學(xué)仿真模型和基于MATLAB函數(shù)的運動學(xué)仿真模型。并設(shè)計了一個智能小車仿真平臺來模仿移動式機器人，本文根據(jù)控制系統(tǒng)的性能參數(shù)要求確定了PID控制器的各項參數(shù)，并且采用傳感器技術(shù)實時了智能小車在運行過程中的實時狀態(tài)。

假設(shè)智能小車所處的環(huán)境在一個二維坐標系中的坐標為（X，Y），小車的運行方向與X軸之間的夾角用θ表示，因此就可用向量［X，Y，θ］表示智能小車的位置姿態(tài)，小車的運動方程可用下式表示：

式中，v為小車前進速度，b為小車左右輪之間的橫向距離，vL為小車左輪的速度，ω為小車的轉(zhuǎn)向速度，vR為小車右輪的速度，Tf為車輪摩擦?xí)r產(chǎn)生的反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載。假設(shè)i為傳動機構(gòu)的減速比，η為傳動機械效率，則電機軸上負載轉(zhuǎn)矩的等效轉(zhuǎn)矩可表示為：

T=Tf/iη

為使智能小車測控更加直觀本文采用了虛擬仿真技術(shù)，SimMechanics的優(yōu)化設(shè)計模塊使運動控制系統(tǒng)的參數(shù)調(diào)整更加方便，虛擬仿真技術(shù)與SimMechanics相結(jié)合可實現(xiàn)交互性操作，并能實時顯現(xiàn)出智能小車的運動狀態(tài)。

4、控制器參數(shù)優(yōu)化

因普通的PID控制器性能的好壞實際上能取決于比例，積分和微分參數(shù)的整定，若設(shè)定的參數(shù)越符合該控制系統(tǒng)，則控制效果就越好，否則相反。本文設(shè)計的仿真控制系統(tǒng)通過調(diào)整比例、積分和微分三項控制參數(shù)，使小車能夠更加快速、準確的沿設(shè)定路徑前進到達目的地。圖3中基于SimMechanics平臺建立的小車運動學(xué)仿真模型，本模型中具有圖形界面的控制器優(yōu)化設(shè)計功能和仿真的功能，可根據(jù)上位機設(shè)定的參數(shù)對電機控制器中的參數(shù)進行優(yōu)化計算。PID控制器輸出的信號經(jīng)電機控制器后去控制執(zhí)行電機。

圖3SimMechanics平臺的運動學(xué)仿真模型

根據(jù)所建立的SimMechanics運動學(xué)仿真模型，在仿真軟件環(huán)境中設(shè)置仿真的分析類型，就可以實現(xiàn)移動式機器人的運動學(xué)仿真分析。通過安裝的編碼器可以測得移動機器人的末端軌跡如圖4所示。

圖4機器人的末端運動軌跡

5、結(jié)論

本文設(shè)計了可獨立完成電機的閉環(huán)調(diào)速的移動機器人控制系統(tǒng)。由上位機直接發(fā)送指令給機器人控制器控制運動，無需再參與閉環(huán)調(diào)速的運算中。使用MATLAB/SimMechanics仿真平臺實現(xiàn)了移動式機器人的運動學(xué)仿真，通過移動式機器人上的編碼器記錄的機器人移動的位移，通過控制器將位置信號轉(zhuǎn)換為機器人當前的位置姿態(tài)，從而實現(xiàn)對機器人路徑的跟蹤控制。