移動機器人的智能循跡控制系統(tǒng)研究

吳健 任海東 雷志強

【摘要】移動機器人平臺主要用于搭載各類光電設備、靶標設備、機械手臂等任務載荷，并且按照設定的路徑軌跡完成軍警偵察、訓練任務，移動機器人平臺的運動控制可根據(jù)應用環(huán)境選擇采用GPS、圖像、超聲、雷達等多傳感器組合，完成平臺的室內(nèi)外的運動的導航控制。該采用CCD攝像頭作為循跡傳感器，通過兩路CCD攝像頭計算的車輛方向及位置偏差，通過循跡控制算法計算出控制量，控制車輛平臺的兩個驅動輪進行車輛的位置。測試結果表明無軌車輛平臺能夠很好的跟蹤設定路徑行駛，具有較高的控制精度及穩(wěn)定性。

【關鍵詞】移動機器人平臺;曲線循跡控制;圖像識別

Research of control system for Unmanned Target Vehicle

Wu Jian，Ren Haidong，Lei Zhiqiang

（Nanjing Research Institute on Simulation Technology，Nanjing 210016，China）

Abstract：Unmanned target vehicle platform is used to carry kinds of devices，such as optical devices、target device、mechanical paw，and can run in route for different missions.Multiple sensors，such as GPS、CCD sensors、supersonic sensors、and radar etc，are installed for the Unmanned vehicle platform navigation and controlling in indoor or outdoor applications.CCD cameras is used as the route cruiser sensors in the design，the direction and the position error is calculated through two CCD camera，the control value could be calculated by the route cruiser control law and used to adjust the position error.The test result show that the unmanned target vehicle platform has good control accuracy and stability in route cruising and velocity controlling.

Key Words：Unmanned Vehicle Platform;Automatic Tracking;Imagine Recognition

引言

移動機器人平臺主要利用車載傳感器來感知車輛的位置、方向、速度等信息，并且根據(jù)所感知的信息控制車輛的方向、速度，從而使車輛能夠按照預先設定路徑可靠的行駛或運動。

移動機器人智能循跡控制系統(tǒng)要求主要包括：

（1）軌跡控制要求需滿足直線、曲線高精度循跡要求;

（2）速度控制要求需滿足速度閉環(huán)控制要求，實現(xiàn)定速、變速控制;

（3）協(xié)同控制要求需滿足多移動機器人的協(xié)同控制與編隊運動。

本文根據(jù)警用訓練裝備需求設計的履帶式移動車輛，通過兩路CCD導航采集計算車輛的位置和行駛方向，通過航跡跟蹤算法和雙輪差速控制，實施調(diào)節(jié)車輛的行駛方向和位置，通過速度閉環(huán)控制實現(xiàn)機器人的調(diào)速控制;通過無線組網(wǎng)通信控制，可實現(xiàn)多輛機器人可在預設路徑上完成各類協(xié)同智能運動任務。

1.機器人平臺系統(tǒng)設計

移動機器人平臺主要由履帶式車體、電機控制模塊、傳感器模塊、運動控制模塊、通信模塊、電源模塊、照明模塊、以及搭載任務設備等系統(tǒng)組成，系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 移動機器人系統(tǒng)組成圖

1.1 傳感器設計選型

圖2 攝像頭安裝與視場角

機器人主要通過車載CCD傳感器實時測量車輛與預定路徑的航向偏差與側向偏差，由于CCD圖像采集易受環(huán)境光影響，本系統(tǒng)中傳感器的安裝方式主要采用傳感器內(nèi)置結合主動光照明的方式;由于安裝位置限制，傳感器離地面的距離較近（一般為5～10cm），考慮到CCD攝像頭的可視角度，采用廣角鏡頭的方式，將CCD的可視角控制在120度，在10CM的安裝高度，可視寬度范圍約為35CM，滿足移動機器人的視覺檢測要求。

同時考慮到對軍警訓練系統(tǒng)對循跡路面信息的要求可選擇采用普通光源或特殊光譜光源，結合CCD攝像頭上安裝的濾鏡，可實現(xiàn)在特殊地面背景下的視覺導航要求。

1.2 驅動控制系統(tǒng)設計

移動機器人選用兩個24V/150W直流有刷電機作為履帶的驅動機構，驅動模塊采用的H全橋驅動模塊，每路電機采用一片驅動模塊控制;直流電機通過加裝光電編碼器，電機的轉速信息通過控制器采集，并傳輸給運動控制模塊。

圖3 電機驅動與控制結構

1.3 測控通信設計

移動機器人的控制系統(tǒng)采用網(wǎng)絡通信的方式，每臺移動機器人通過WIFI連接用戶控制中心;控制中心通過點對多點的集總控制方式，通過下發(fā)指令的方式控制各移動機器人運動和任務設備;移動機器人通過WIFI網(wǎng)絡上傳機器人運動信息和任務設備信息。

圖4 基于wifi環(huán)境局域網(wǎng)通信控制

2.循跡控制系統(tǒng)設計

移動機器人的循跡控制系統(tǒng)設計主要包括軌跡圖像采集和識別、循跡控制算法設計、差速驅動控制設計等方面。

2.1 軌跡圖像采集算法

（1）移動機器人航向和側偏的測量

機器人的前部和后部分別安裝有CCD攝像頭，地面的軌跡線采用黑底白線的方式，在主動光照明的情況下，通過設定合理的閾值和自適應曝光條件下，兩個攝像頭通過定時20ms采集地面軌跡信息。通過對采集到的數(shù)據(jù)進行二值化處理、動態(tài)閾值計算、中心線提取等算法等計算，中心線提取算法除通常采用的閾值檢測白線邊沿算法外，還采用固定寬度像素峰值檢測的算法對整個采樣值進行循環(huán)計算得出中心線位置，這種算法可避免由于采樣點的噪聲引起的邊緣誤檢測，甚至在不濾波的基礎上直接進行中心線提取。

圖5 移動機器人航向偏差角和側偏距計算

通過前后攝像頭中心線提取，可計算機器人航向偏差角α和橫向偏距d。

2.2 循跡控制算法設計

考慮到移動機器人的運動速度范圍為1m/s ～5m/s的范圍，結合國內(nèi)外循跡控制策略研究方法，在低速且伴有大轉角的場合選用基于預瞄點軌跡控制算法或補償跟蹤控制算法，具有控制系統(tǒng)魯棒性好、轉向超調(diào)小、穩(wěn)態(tài)精度良好等特點。

（1）基于預瞄點的車輛轉向幾何學橫向控制算法

主要利用移動機器人當前位置與預瞄點處軌跡之間的關系計算橫向控制量的方法，該方法通過測量預瞄點處橫向循跡誤差Ep，如圖6所示，由圖可知預瞄點（gx，gy）處的路徑曲率半徑R與預瞄距離Ld、角α的關系為：

此時期望的機器人轉向控制量為：

通過上述兩式可得：

圖6 預瞄點循跡控制算法

其中：

預瞄點距離Ld大小與車速相關，假設：Ld=k*v（k：比例系數(shù)）

可得機器人橫向控制量：

（2）基于補償跟蹤控制的車輛轉向幾何學橫向控制算法

主要利用車輛當前航向角與期望航向角之間的偏差，以及車輛當前位置與跟蹤軌跡之間的偏離量計算車輛橫向循跡控制量的方法。

圖7 補償跟蹤控制循跡算法

機器人當前航向角為θ，期望軌跡航向角為θp，則θe=θ-θp;通過車輛橫向位置偏差與速度的關系，再將橫向偏差換算至航向控制量，可得機器人橫向控制量：

（3）移動機器人速度控制算法

移動機器人的速度控制算法主要采用PID控制算法實現(xiàn)，機器人可接收來自上位機的循跡指令中的速度指令，指令中的速度信息作為給定速度，同時采集電機的速度信息作為反饋速度，通過設定合理的比例系數(shù)和積分系數(shù)計算控制量，同時引入機器人的加速度信息作為系統(tǒng)的阻尼，使系統(tǒng)具有較好的速度調(diào)節(jié)特性。

由于機器人的轉向控制量為量驅動輪的速度差，最終機器人驅動輪的控制量速度等于速度控制量疊加大小相等、方向相反（正負）的差速控制量，采用此種方式計算簡單，轉向控制量對機器人的縱向速度控制性能影響不大。

3.循跡控制精度與分析

通過實驗分析，預瞄點的車輛轉向控制在同一車速下橫向循跡誤差隨調(diào)整系數(shù)k的增大而增大;對于同一調(diào)整系數(shù)，隨著車速的提高，循跡誤差也越來越大。預瞄距離越短，對應的循跡精度越高，預瞄距離越長，循跡的收斂速度變慢，基于預瞄點的循跡控制算法對道路的瞬態(tài)曲率變化較非預瞄算法的魯棒性要強。補償跟蹤控制軌跡跟蹤算法的精度在同一曲率道路情況下，隨著速度的提高增大而降低;隨著系數(shù)k的增大而提高，非預瞄循跡算法適合低速循跡應用場合。

移動機器人分別采用本文所述兩種算法在同一設定的循跡進行了循跡實驗速度為1m/s，3m/s，5m/s，等多個速度下實驗，航跡控制精度可達到±2cm（車身寬度為50cm），直線段速度跟蹤精度為±0.1m/s.存在不足主要在設計的驅動控制未能達到驅動速度要求，未能在更寬的速度范圍內(nèi)測試控制系統(tǒng)性能。

4.結語

本文主要根據(jù)移動機器人對曲線循跡需求，對傳感器選型安裝、電機驅動控制、系統(tǒng)通信控制、循跡算法等進行了系統(tǒng)的設計。針對室內(nèi)移動機器人循跡需求，分析了基于預瞄點的循跡控制算法和基于補償跟蹤控制的循跡算法進行了計算分析，并在實物樣機上進行了實驗，對不同的循跡控制算法的橫向循跡控制精度和速度控制精度進行了分析。實驗結論顯示在低速循跡情況下，兩種控制算法均具有較好的控制性能。

同時針對于此類機器人的室外應用環(huán)境，上述兩種循跡控制算法同樣可應用于采用基于GPS和視覺導航的方式移動機器人或機器人系統(tǒng)中。

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作者簡介：吳?。?979—），男，南京模擬技術研究所工程師。