變形輪偵察機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳科山，王志騰，閆 碩，王 玉，劉瀟偉

（1.北京交通大學(xué) 北京 100044；2.電子科技大學(xué) 四川 成都 611731；3.北京鐵路局 豐臺(tái)機(jī)務(wù)段，北京 100000）

機(jī)器人是一種綜合了多種科學(xué)技術(shù)的產(chǎn)品，是目前科學(xué)技術(shù)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域[1]，根據(jù)移動(dòng)方式，可分為輪式、步行、履帶、爬行和蠕動(dòng)機(jī)器人等，目前已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于軍事偵察和搶險(xiǎn)救災(zāi)等復(fù)雜環(huán)境中。此類現(xiàn)場通常非?；靵y，充滿危險(xiǎn)，道路遭到破壞，人員無法短時(shí)間內(nèi)通過障礙，此時(shí)可通過操控偵察機(jī)器人進(jìn)入現(xiàn)場，考察情況。根據(jù)實(shí)際需求，機(jī)器人應(yīng)具備以下功能：

1）移動(dòng)穩(wěn)定、靈活。在平整路面上具有較快的行駛速度，且轉(zhuǎn)向靈活。

2）較強(qiáng)的越障能力。當(dāng)遇到障礙物時(shí)，可以順利通過。

3）具備可靠的通信手段。在合適的通信距離內(nèi)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)分離的遙控狀態(tài)，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

傳統(tǒng)的輪式機(jī)器人機(jī)構(gòu)簡單，控制方便靈活，能夠在平坦路面高速穩(wěn)定行駛，然而在面對(duì)廢墟、溝壑、砂石等非結(jié)構(gòu)化路面時(shí)顯得有些無能為力[2]，機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)的好壞直接決定了機(jī)器人能否進(jìn)入現(xiàn)場完成偵察任務(wù)。

1 機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)上文提出的3個(gè)功能要求，設(shè)計(jì)了如圖1所示的變形輪機(jī)器人。該機(jī)器人由車體平臺(tái)和車輪兩部分構(gòu)成。車輪是該機(jī)器人的重要部分，通過其變形機(jī)器人具有兩種步態(tài)：輪式移動(dòng)和爪式爬行。當(dāng)面對(duì)非結(jié)構(gòu)化路面時(shí)，車輪打開，采用爪式爬行的方式適應(yīng)環(huán)境；當(dāng)面對(duì)平坦路面時(shí)車輪復(fù)位，以輪式移動(dòng)的方式高速機(jī)動(dòng)。

2 機(jī)器人控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)器人功能需求分析

針對(duì)本文提出的應(yīng)用背景，控制系統(tǒng)總體上采用上下兩級(jí)的控制方案，圖2為變形輪偵察機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，包括監(jiān)視操作系統(tǒng)和車載控制系統(tǒng)。監(jiān)視操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的遠(yuǎn)程遙控，監(jiān)視現(xiàn)場環(huán)境、電池電量、機(jī)器人方位等參數(shù)，提供操控者和機(jī)器人之間人機(jī)交互接口。車載控制系統(tǒng)從功能上劃分為3個(gè)子系統(tǒng)：1）主控子系統(tǒng)：接收遠(yuǎn)程指令，規(guī)劃機(jī)器人步態(tài)，將數(shù)據(jù)打包發(fā)送，實(shí)時(shí)診斷機(jī)器人安全狀況，處理緊急情況和異常狀態(tài)。2）協(xié)控子系統(tǒng)：該機(jī)器人4個(gè)車輪具有相同的結(jié)構(gòu)、相同的功能，以每個(gè)車輪為一個(gè)協(xié)控子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)控制算法，執(zhí)行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)步態(tài)。3）傳感子系統(tǒng)：感知現(xiàn)場環(huán)境，為操作人員提供決策依據(jù)。

2.2 控制系統(tǒng)主要硬件構(gòu)成

1）監(jiān)視操作系統(tǒng)：利用功能強(qiáng)大的PC機(jī)進(jìn)行人機(jī)交互界面的開發(fā)；為縮短開發(fā)周期，使用現(xiàn)有的北通游戲手柄作為機(jī)器人操作桿，利用其16個(gè)按鍵和兩個(gè)搖桿，實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)、急停、轉(zhuǎn)向、調(diào)速和步態(tài)切換等任務(wù)。

圖1 機(jī)器人與車輪結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the robot and the wheelstructure

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Control system block diagram

2）主控子系統(tǒng)：由于外設(shè)較多，需要有豐富的I/O和接口資源，同時(shí)程序執(zhí)行速度要滿足實(shí)時(shí)性的要求，選擇STM32F103微控制器作為車載主控制器，通過其RS232接口、RS-485和IIC總線接口方便的與外設(shè)和子系統(tǒng)相連。

3）協(xié)控子系統(tǒng)：其主要完成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)步態(tài)的執(zhí)行，采用MSP430高性能單片機(jī)作為協(xié)控制器，應(yīng)用RS-485總線與主控子系統(tǒng)構(gòu)成車載分布式控制系統(tǒng)，接收主控制器的報(bào)文，軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)字PID算法，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換模塊、光耦隔離模塊和功率放大模塊后驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)；車輪變形和運(yùn)動(dòng)分別由兩臺(tái)電機(jī)實(shí)現(xiàn)，變形用電機(jī)安裝于車輪中心，由于尺寸限制，選用大力矩的小型直流減速電機(jī)，額定轉(zhuǎn)速5 r/min，力矩可以達(dá)到15 Kgf·cm。運(yùn)動(dòng)用電機(jī)采用結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)速性能良好的普通直流調(diào)速電機(jī)，通過編碼器形成閉環(huán)控制。

4）無線通信和無線視頻模塊：遠(yuǎn)程操控人員與機(jī)器人的通信采用大功率、低功耗的無線射頻模塊，以GFSK調(diào)制方式進(jìn)行收發(fā)，尺寸小，靈敏度高，可靠傳輸距離在1 000 m以上，使操作人員能夠在安全的后方對(duì)機(jī)器人進(jìn)行操作，滿足復(fù)雜環(huán)境遠(yuǎn)程通信的要求；視頻的采集和接收采用的是頻率1.2 GHz的無線視頻模塊實(shí)現(xiàn)，保證在1 200 m的距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)清晰視頻的傳輸。

2.3 控制系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

2.3.1 人機(jī)交互界面開發(fā)

人機(jī)交互是機(jī)器人研究的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，基于人機(jī)交互的控制系統(tǒng)能夠輔助機(jī)器人完成任務(wù)，是提高機(jī)器人效率的有效途徑[3]。LabVIEW是美國國家儀器公司開發(fā)的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)軟件，功能強(qiáng)大靈活，廣泛應(yīng)用于測試測量系統(tǒng)、過程控制、工業(yè)自動(dòng)化、實(shí)驗(yàn)室研究和仿真等各個(gè)領(lǐng)域。其提供了各種按鈕和顯示控件，并且提供了鍵盤、手柄信息采集函數(shù)庫，利用其圖形化的編程語言可以方便的進(jìn)行人機(jī)交互界面開發(fā)[4]，本系統(tǒng)主要用到了使用IMAQ USB模塊和VISA模塊。監(jiān)控操作界面設(shè)計(jì)如圖3所示。主要程序設(shè)計(jì)包括視頻監(jiān)控、手柄讀取和串口收發(fā)。如圖4所示。

圖3 監(jiān)視操作界面Fig.3 Monitor and operation interface

圖4 人機(jī)交互界面主要程序設(shè)計(jì)Fig.4 Main program design of man-machine interface

2.3.2 車載控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

車載控制系統(tǒng)的軟件總體流程如圖5所示，主要分為三步，首先是設(shè)備上電，完成設(shè)備初始化工作，進(jìn)行自檢。第二步是建立起通信連接，實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)鏈路，保證數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠，第三步則是進(jìn)行具體的數(shù)據(jù)采集、打包發(fā)送、步態(tài)規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)該控制系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，其中協(xié)控子系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)數(shù)字PID算法，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主控制器與協(xié)控制器之間的報(bào)文格式設(shè)計(jì)如表1所示。

圖5 軟件流程圖Fig.5 Software flow chart

表1 報(bào)文格式Tab.1 Message format

數(shù)字PID控制器是基于連續(xù)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)數(shù)字模擬設(shè)計(jì)技術(shù)，將輸入離散化后，用差分方程代替連續(xù)系統(tǒng)里的微分方程[5-6]，采用比例（P）、積分（I）和微分（D）的方式進(jìn)行控制，PID控制算法的微分方程表達(dá)式為：

式中：u（t）為調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)；e（t）為調(diào)節(jié)器的偏差信號(hào)；Kp為調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；τ0為調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù)；τd為調(diào)節(jié)器的微分時(shí)間常數(shù)。

離散化后的差分方程為：

式中：Ts為采樣周期；n 以為采樣序號(hào)，n=0，1，2，…；u（n）為第n次采樣時(shí)計(jì)的輸出；e（n）為第n次采樣時(shí)的偏差值。

通過MSP430單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化PID閉環(huán)控制后，可以方便的對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，可靠性高，能夠?qū)崿F(xiàn)無靜差調(diào)速。

3 系統(tǒng)性能指標(biāo)與測試實(shí)驗(yàn)

變形輪機(jī)器人巧妙地結(jié)合了輪式移動(dòng)方式速度快效率高和爪式爬行方式越障能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。可基于任務(wù)需求和操縱者偏好安裝機(jī)械臂、攝像機(jī)等功能模塊，代替人員在危險(xiǎn)環(huán)境中執(zhí)行偵察、排險(xiǎn)等任務(wù)，大幅降低人員傷亡與工作強(qiáng)度，還可視情況加掛拖曳擔(dān)架模塊執(zhí)行運(yùn)送傷員任務(wù)。主要設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

注：電池續(xù)航能力及續(xù)航里程，為機(jī)器人攜帶兩塊標(biāo)配鋰電池，速度5 km/h時(shí)參數(shù)。

實(shí)驗(yàn)環(huán)境為野外空曠場地，模擬各種型態(tài)的路面，驗(yàn)證控制系統(tǒng)的可行性與有效性，圖6所示為機(jī)器人跨越臺(tái)階和通過廢墟。試驗(yàn)中，機(jī)器人每隔1 s，回傳一次信息，實(shí)現(xiàn)了周圍環(huán)境感知，變形輪偵察機(jī)器人能夠執(zhí)行控制規(guī)劃指令，監(jiān)控畫面清晰穩(wěn)定，在500 m的有效距離內(nèi)順利實(shí)現(xiàn)偵察救援任務(wù)。

4 結(jié)束語

本文以現(xiàn)場偵察為背景，分析了機(jī)器人的功能需求，在確定機(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上完成了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)運(yùn)行安全穩(wěn)定，可實(shí)時(shí)回傳視頻，具備多通道的感知能力，遙控終端顯示界面簡潔直觀，操作簡便，為機(jī)器人執(zhí)行復(fù)雜環(huán)境下的偵察任務(wù)提供了保證。

表2 技術(shù)指標(biāo)Tab.2 Technical specifications

圖6 測試實(shí)驗(yàn)Fig.6 The experiment

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