自主式移動(dòng)機(jī)器人任意轉(zhuǎn)角運(yùn)動(dòng)研究

翟永君

（天津輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300350）

自主式移動(dòng)機(jī)器人任意轉(zhuǎn)角運(yùn)動(dòng)研究

翟永君

（天津輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300350）

文章結(jié)合AS－UII型自主移動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，針對(duì)其任意角實(shí)現(xiàn)的困難，給出任意轉(zhuǎn)角運(yùn)動(dòng)的算法思想，并進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，通過測(cè)試表明本文給出的算法切實(shí)可行。

移動(dòng)機(jī)器人；任意角；控制

一、自主式移動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)

本文研究的是AS－UII型自主移動(dòng)機(jī)器人，如圖1所示。該機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)有兩只主動(dòng)輪和兩只從動(dòng)輪，也可加裝機(jī)械手或其他裝置，擴(kuò)展更多的功能。在運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中，兩只主動(dòng)輪由兩只電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向、劃弧線等各種平面運(yùn)動(dòng)。移動(dòng)機(jī)器人的光電編碼器能夠累計(jì)機(jī)器人主動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所反饋的計(jì)數(shù)值，通過換算得到機(jī)器人的實(shí)時(shí)行進(jìn)速度，然后傳送到CPU進(jìn)行計(jì)算，并按照程序進(jìn)行運(yùn)行。其中。機(jī)器人的CPU是一個(gè)單片機(jī)，其型號(hào)為68HC11E。這是一個(gè)8位機(jī)，安裝在機(jī)器人的主板上，用于集中處理程序指令和傳感器返回的信息。

圖1 AS－UII自主機(jī)器人側(cè)視圖

二、問題的提出

機(jī)器人的矩形運(yùn)動(dòng)包含實(shí)現(xiàn)機(jī)器人各種運(yùn)動(dòng)軌跡控制的兩個(gè)最基本的動(dòng)作：直線行走與轉(zhuǎn)彎。在實(shí)現(xiàn)機(jī)器人矩形運(yùn)動(dòng)的控制算法與控制效果中了解到，在機(jī)器人原有VJC軟件編程環(huán)境的基礎(chǔ)上，要使移動(dòng)機(jī)器人依據(jù)指定角度（如90°）實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，通過軟件設(shè)置電機(jī)在轉(zhuǎn)彎時(shí)的轉(zhuǎn)角速度與轉(zhuǎn)角時(shí)間是關(guān)鍵。這就要求對(duì)控制程序中“直行”“轉(zhuǎn)向”模塊的參數(shù)或JC中drive（）與wait（）的參數(shù)進(jìn)行反復(fù)調(diào)試、修改，使其轉(zhuǎn)角速度與轉(zhuǎn)角時(shí)間能相互協(xié)調(diào)，以使機(jī)器人正好能轉(zhuǎn)過90°。

但這種實(shí)驗(yàn)試湊的方法，工作量大，一個(gè)轉(zhuǎn)角速度對(duì)應(yīng)一個(gè)轉(zhuǎn)角時(shí)間，并且不具備通用性，最終是依據(jù)測(cè)量得到的經(jīng)驗(yàn)值來對(duì)機(jī)器人進(jìn)行轉(zhuǎn)角控制，不能保證轉(zhuǎn)角的精確度，另外機(jī)械性能、地面摩擦也不可避免地對(duì)機(jī)器人的行走造成影響，所以這種方法并不能完全實(shí)現(xiàn)機(jī)器人矩形運(yùn)動(dòng)的精確控制，更不能實(shí)現(xiàn)任意轉(zhuǎn)角的運(yùn)動(dòng)。在從實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的矩形運(yùn)動(dòng)出發(fā)，下面會(huì)用一種應(yīng)用光電編碼器來實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人任意轉(zhuǎn)角運(yùn)動(dòng)的算法（圖2）。首先在程序中設(shè)定轉(zhuǎn)彎速度和轉(zhuǎn)角度數(shù)，然后把轉(zhuǎn)角度數(shù)轉(zhuǎn)換成脈沖值、左右輪脈沖計(jì)數(shù)清零，啟動(dòng)電機(jī)、累計(jì)左右輪脈沖計(jì)數(shù)，之后通過光碼盤得到的脈沖計(jì)數(shù)，查看是否達(dá)到轉(zhuǎn)角脈沖計(jì)數(shù)或超出設(shè)定轉(zhuǎn)角時(shí)間，如果沒有，則繼續(xù)執(zhí)行上述的流程，如果是，則轉(zhuǎn)彎停止，輸出左右輪脈沖累計(jì)計(jì)數(shù)，返回左右輪脈沖計(jì)數(shù)誤差值。

三、機(jī)器人任意轉(zhuǎn)角運(yùn)動(dòng)的算法思想

應(yīng)用光電編碼器來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人走矩形，是因?yàn)楣怆娋幋a器是靠所獲取的脈沖計(jì)數(shù)值來完成對(duì)規(guī)定距離的行走，故用它來實(shí)現(xiàn)矩形軌跡的行走受外界地面狀況的影響程度相對(duì)較小。對(duì)于轉(zhuǎn)角函數(shù)的設(shè)計(jì)，關(guān)鍵在于確定所要求轉(zhuǎn)過角度所對(duì)應(yīng)的脈沖個(gè)數(shù)。機(jī)器人轉(zhuǎn)彎時(shí)，令算得的脈沖個(gè)數(shù)為上限，到達(dá)規(guī)定脈沖個(gè)數(shù)上限時(shí)停止，這樣，就可以旋轉(zhuǎn)到本文所期望的角度。應(yīng)用此函數(shù)，不僅可以走直角，還可以轉(zhuǎn)過任意所設(shè)定的角度，對(duì)于機(jī)器人準(zhǔn)確完成行走任務(wù)有較好的幫助。由于移動(dòng)機(jī)器人的左右兩只主動(dòng)輪分別由兩只直流電機(jī)差動(dòng)驅(qū)動(dòng)，通過分別控制主動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速和力矩來控制機(jī)器人按所要求的方向和速度移動(dòng)，所以在實(shí)現(xiàn)機(jī)器人任意轉(zhuǎn)角運(yùn)動(dòng)的方法上，采用單電機(jī)控制或者兩電機(jī)控制。

四、轉(zhuǎn)角函數(shù)的設(shè)計(jì)

下面以單電機(jī)實(shí)現(xiàn)矩形運(yùn)動(dòng)為例推導(dǎo)出實(shí)現(xiàn)機(jī)器人任意轉(zhuǎn)角運(yùn)動(dòng)的控制算法，即轉(zhuǎn)角與脈沖個(gè)數(shù)之間的轉(zhuǎn)換函數(shù)。單電機(jī)實(shí)現(xiàn)矩形運(yùn)動(dòng)，即在轉(zhuǎn)彎過程中，一電機(jī)停止運(yùn)動(dòng)（這里假設(shè)為右電機(jī)），另一電機(jī)（左電機(jī)）驅(qū)動(dòng)一輪以其為圓心，旋轉(zhuǎn)90°，這樣可以完成向右轉(zhuǎn)彎。本文可以根據(jù)兩輪之間的距離以及輪子的直徑算出所要旋轉(zhuǎn)角度的脈沖個(gè)數(shù)。

左輪在轉(zhuǎn)彎過程中走過的距離等于以右輪為圓心、輪間距為半徑的圓周值乘以左輪在轉(zhuǎn)彎過程中所掃過角度與360°的比值。而輪子旋轉(zhuǎn)360°共產(chǎn)生33個(gè)脈沖，于是可以得到轉(zhuǎn)角函數(shù)為：脈沖個(gè)數(shù)＝（旋轉(zhuǎn)角度

圖2 任意轉(zhuǎn)角子程序流程圖

利用兩電機(jī)實(shí)現(xiàn)矩形運(yùn)動(dòng)的控制算法，其轉(zhuǎn)換函數(shù)的推導(dǎo)與單電機(jī)相同，具體實(shí)現(xiàn)將在接下來的程序中具體加以說明。

五、轉(zhuǎn)角子程序的設(shè)計(jì)

有了轉(zhuǎn)角——脈沖轉(zhuǎn)換函數(shù)后，便可以將計(jì)算得到的脈沖個(gè)數(shù)設(shè)為上限，到達(dá)規(guī)定脈沖個(gè)數(shù)后使電機(jī)停止，這樣，就可以旋轉(zhuǎn)到所期望的角度。測(cè)得移動(dòng)機(jī)器人的輪間距為16cm，輪直徑為6cm。

1．利用兩電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)彎控制

利用drive（）函數(shù)對(duì)兩電機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。由于drive（）函數(shù)為復(fù)合語(yǔ)句，同時(shí)控制左右兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，用drive（0，turn＿vel）進(jìn)行控制電機(jī)時(shí)，兩輪轉(zhuǎn)速相反，因此脈沖個(gè)數(shù)只需要以一個(gè)輪子為圓心時(shí)脈沖個(gè)數(shù)的一半。

利用motor（）函數(shù)對(duì)兩電機(jī)分別進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，如圖3所示。

設(shè)轉(zhuǎn)過90°所需的時(shí)間為t，輪直徑為l，輪間距為x，左輪的速度為V1，右輪的速度為V2。因?yàn)檗D(zhuǎn)過90°的時(shí)間同為t，由：

圖3 轉(zhuǎn)彎時(shí)左右兩輪示意圖

2．利用單電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)彎控制

該程序的主體與利用drive（）函數(shù)對(duì)兩電機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎的程序大致相同，只是脈沖個(gè)數(shù)的判定值為degree／180×（16／6）×33。

六、移動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)任意轉(zhuǎn)角運(yùn)動(dòng)的精確控制程序

精確控制是通過機(jī)器人控制程序來使得其為了達(dá)到某種任務(wù)而實(shí)現(xiàn)的控制方案，通過控制程序使得機(jī)器人能夠按照程序設(shè)定的要求來完成某個(gè)任務(wù)或則運(yùn)行軌跡，圖4描述了任意轉(zhuǎn)角運(yùn)動(dòng)的精確控制程序流程，在這里通過設(shè)定輸入行進(jìn)速度和轉(zhuǎn)角數(shù)來后，按照某個(gè)程序要進(jìn)行任意轉(zhuǎn)角運(yùn)動(dòng)的控制，最后實(shí)現(xiàn)達(dá)到輸入初的轉(zhuǎn)角運(yùn)動(dòng)要求。

七、直線和轉(zhuǎn)角運(yùn)動(dòng)程序的測(cè)試及討論

1．直線運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試

實(shí)驗(yàn)環(huán)境由兩臺(tái)移動(dòng)機(jī)器人組成，一個(gè)用作為主機(jī)器人，另一個(gè)作為從機(jī)器人，各自有獨(dú)立的處理器、傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主機(jī)器人的速度為給定的，從機(jī)器人根據(jù)紅外傳感測(cè)得的數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析并作出決策，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)使得從機(jī)器人能夠與主機(jī)器人保持相對(duì)的距離和速度。主機(jī)器人給定期望路徑為直線，速度為20cm／s，給定時(shí)間T＝10s內(nèi)運(yùn)動(dòng)，兩機(jī)器人之間的期望距離為30cm，則軟件實(shí)現(xiàn)流程分別如圖5和圖6所示。

圖4 實(shí)現(xiàn)任意轉(zhuǎn)角運(yùn)動(dòng)的精確控制程序流程圖

圖5 從機(jī)器人軟件實(shí)現(xiàn)流程

圖6 主機(jī)器人軟件實(shí)現(xiàn)流程

從機(jī)器人與主機(jī)器人不同，一方面它首先要獲取與主機(jī)器人直接的相對(duì)距離信息，然后通過測(cè)得的距離與期望距離進(jìn)行比較，同時(shí)又得實(shí)時(shí)獲取編碼器數(shù)據(jù)，測(cè)出每一時(shí)刻的速度，通過設(shè)定的控制程序求出電機(jī)的輸入量，去控制電機(jī)的輸出，從而達(dá)到與主機(jī)器人的相對(duì)位置不變。從表1中可以看出，兩機(jī)器人在直線運(yùn)行過程中，它們之間相對(duì)距離基本保持不變，從而達(dá)到了本文的實(shí)驗(yàn)要求。

2．轉(zhuǎn)角測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)中，我們先利用式（1）對(duì)兩電機(jī)進(jìn)行90°轉(zhuǎn)彎控制的標(biāo)準(zhǔn)脈沖個(gè)數(shù)計(jì)算，應(yīng)為degree／360×（16／6）×33＝22。

但實(shí)際測(cè)試中結(jié)果如表2。

從下面結(jié)果看出轉(zhuǎn)角運(yùn)動(dòng)實(shí)際測(cè)量值但在實(shí)際調(diào)試中，本文得出脈沖個(gè)數(shù)的設(shè)定值為12時(shí)，機(jī)器人就能較好地完成90°的轉(zhuǎn)彎，而22個(gè)脈沖的是轉(zhuǎn)角為173°。可能存在兩個(gè)問題：

表1 機(jī)器人相對(duì)位置信息

表2 轉(zhuǎn)角實(shí)測(cè)結(jié)果

（1）在硬件結(jié)構(gòu)上，考慮到輪子的慣性，以及脈沖個(gè)數(shù)需要取整數(shù)值的緣故，角度越小，則誤差越大，當(dāng)角度小到一個(gè)脈沖就可以完成或是不到一個(gè)脈沖時(shí)，這時(shí)轉(zhuǎn)角函數(shù)就基本失效。另外光電編碼器本身在讀取計(jì)數(shù)時(shí)也是存在誤差的；

（2）在程序?qū)崿F(xiàn)方面，由于受到延時(shí)函數(shù)的影響，雖然可以滿足所需轉(zhuǎn)角的要求，但光電編碼器是在轉(zhuǎn)彎過程中進(jìn)行計(jì)數(shù)并且累加，這需要花費(fèi)相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間；另外，在測(cè)試時(shí)，若將任意轉(zhuǎn)角函數(shù)主體部分的延時(shí)語(yǔ)句和停止語(yǔ)句去掉，則必須要修改所需脈沖個(gè)數(shù)值。因?yàn)槿绻麤]有stop（）語(yǔ)句，在循環(huán)體內(nèi)執(zhí)行其它語(yǔ)句時(shí)，電機(jī)仍在運(yùn)行，故使得脈沖計(jì)數(shù)器清零后計(jì)數(shù)與實(shí)際存在誤差。

在這種情況下，為了實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的精確轉(zhuǎn)角控制，本文還應(yīng)該人為地進(jìn)行調(diào)整。在轉(zhuǎn)角計(jì)數(shù)方面，本文可以利用一些經(jīng)驗(yàn)值來抵消光電編碼器自身檢測(cè)精度的影響；通過在實(shí)際不同情況下得到相應(yīng)的修訂值，作為程序中的設(shè)定上限值，完成對(duì)程序的完善。在硬件方面，本文可以考慮在輪子的上方加上機(jī)械旋轉(zhuǎn)裝置，利用對(duì)旋轉(zhuǎn)裝置的精確控制來完成機(jī)器人對(duì)規(guī)定角度的旋轉(zhuǎn)。實(shí)際上，移動(dòng)機(jī)器人自主地進(jìn)行矩形運(yùn)動(dòng)，回不到出發(fā)點(diǎn)的原因，一方面是機(jī)器人在轉(zhuǎn)彎過程中它多轉(zhuǎn)過的角度出現(xiàn)誤差，另一個(gè)重要原因是，機(jī)器人在最初的直線行進(jìn)時(shí)就出現(xiàn)了偏離直線運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象，這樣即便機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)精確的轉(zhuǎn)彎，也還是會(huì)出現(xiàn)機(jī)器人回不到出發(fā)點(diǎn)，出現(xiàn)無法完成閉合的矩形運(yùn)動(dòng)軌跡的情況。由此可見，直線運(yùn)動(dòng)是自主式移動(dòng)機(jī)器人最基本的運(yùn)動(dòng)，也是機(jī)器人能夠精確實(shí)現(xiàn)其它各種動(dòng)作的保證與基礎(chǔ)。

［1］郝立果，王玉東，邴志剛等．基于CPLD和 MCU網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)機(jī)器人研究［J］．微計(jì)算機(jī)信息，2005，（10）．

［2］韓大鵬，韋慶．機(jī)器人控制器的一種模塊化設(shè)計(jì)方法［J］．微計(jì)算機(jī)信息，2005，（05）．

［3］能力風(fēng)暴智能機(jī)器人開發(fā)系統(tǒng)AS－UⅡ使用手冊(cè)［Z］．上海廣茂達(dá)伙伴機(jī)器人有限公司，2010．

Research on Random Rotating Angle of Autonomous Mobile Robot

ZHAI Yong－jun
（Tianjin Light Industry Vocational Technical College，Tianjin，China 300350）

Based on the structure of the autonomous mobile robot of AS－UII and the difficulties in realizing random rotating angle，the algorithm thinking of random rotating angle is given and achieved．The paper shows the algorithm is feasible through the test．

mobile robot；random rotating angle；control

TP242

A

1673－582X（2012）08－0044－04

2012－02－20

翟永君（1981－），女，講師，主要研究方向：數(shù)據(jù)庫(kù)、自動(dòng)化控制等。