基于北斗系統(tǒng)的履帶移動機器人定位設計與實現

吳子岳,高亞東,王董測,楊帥

(上海海洋大學 工程學院,上海 201306)

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基于北斗系統(tǒng)的履帶移動機器人定位設計與實現

吳子岳,高亞東,王董測,楊帥

(上海海洋大學 工程學院,上海 201306)

針對履帶移動機器人在自主巡航時出現的各種偏差,需查看行駛軌跡需求，設計了一款利用C8051F020型單片機與UM220-3北斗模塊搭建的北斗定位系統(tǒng),并將其與MT-FR型移動機器人結合起來，通過單片機模塊將北斗模塊采集的定位數據傳送給PC機,經存儲與處理后在谷歌地球中顯示出移動機器人的運動軌跡,并分析了其精度。結果表明,在地圖中能夠清晰地看見移動機器人的行駛軌跡且精度較好,為糾正偏差改進履帶移動機器人的結構及控制系統(tǒng)提供參考價值。

北斗定位系統(tǒng);履帶移動機器人;運動軌跡

0 引 言

近年來,隨著科技的進步和社會需求的提高,機器人技術得到迅速而廣泛的發(fā)展,其應用已逐漸滲透到社會的各個領域。履帶移動機器人是機器人技術發(fā)展的一個重要分支,它能夠在室內,室外等各種結構化或非結構化路面上連續(xù)運行,具有很好的環(huán)境適應性,如:優(yōu)越的爬坡、避障、越障功能，對于某些特定的任務,則履帶移動機器人還應具有路徑規(guī)劃、自主導航、遠程遙控、視頻傳輸等能力。

但由于制造工藝或控制系統(tǒng)設計不足以及其他原因導致履帶移動機器人在行駛過程中可能會出現各種偏差,而北斗定位系統(tǒng)的實時位置及路徑軌跡的生成能改進與修復偏差。

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是我國自行研制的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng),是繼GPS,GLONASS之后第三個成熟的衛(wèi)星導航系統(tǒng),由空間段,地面段,用戶端三部分組成[1]。整個系統(tǒng)由35棵衛(wèi)星組成,其中包括5顆靜止軌道衛(wèi)星,目前已成功發(fā)射了16顆導航衛(wèi)星,具備了覆蓋亞太地區(qū)的定位、導航和授時以及短報文通信服務能力。根據總體規(guī)劃部署,到2020年將建成覆蓋全球的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng),屆時可在全球范圍內為各類用戶全天候、全天時提供高精度、高可靠定位、導航與授時服務,以及短報文通信能力[1]。

目前將北斗定位系統(tǒng)應用到工程機械上,進而了解工程機械的位置與運行狀態(tài)的研究主要有:辛德奎等[2]建立了一個北斗與GPS雙模定位系統(tǒng),將其應用在田間作業(yè)機車上,得到作業(yè)機車的實時位置,運行狀態(tài)和作業(yè)狀態(tài);俞巧君[3]等將北斗與藍牙技術應用于物流系統(tǒng),實現用戶實時查詢物流狀態(tài)與位置信息;劉碧貞等[4]將北斗/GPS應用在谷物收割機上,實現對收割機行走路線的測繪,數據的傳輸及調度等;郭琳[5]則將北斗運用在山區(qū)的客運車輛監(jiān)測上,實現對車輛的實時監(jiān)測與控制,上述研究側重點在于對工程機械的實時監(jiān)測,且都是在成熟的系統(tǒng)中運用,而對于正在研究或不成熟的機械系統(tǒng)來說,機械系統(tǒng)運行的歷時軌跡及實時狀態(tài)對于系統(tǒng)的改進研發(fā)具有重要的作用。

基于此,本文結合校企合作開發(fā)的高度集成與智能的MT-FR型履帶移動機器人，該機器人依托各種傳感器、激光器等,可在復雜的環(huán)境中實現自身的閉環(huán)控制運動與越障、避障等功能。為其設計一個精度滿足要求的北斗定位系統(tǒng),實現移動機器人的定位以及運行軌跡的生成,為查看機器人行駛的整體效果以及后期針對機器人行駛的偏差,對控制系統(tǒng)做出的改進提供參考。

1 履帶移動機器人硬件系統(tǒng)

該型移動機器人采用模塊化設計、智能化體系架構設計、獨特的翻轉臂設計和工業(yè)級系統(tǒng)設計等,具有豐富的配件系統(tǒng),具體系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 移動機器人系統(tǒng)結構

機器人控制系統(tǒng)作為機器人系統(tǒng)的核心,它包括對機器人語言、圖像、網絡、運動及其他傳感設備的控制,該移動機器人系統(tǒng)主要由上位機和下位機組成[6]。從控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、通用性、兼容性和可擴展性出發(fā),選擇嵌入式工業(yè)級主板作為上位機控制系統(tǒng)滿足以上各方面需求。底盤模塊采用TI公司2000系列DSP主控卡作為機器人下位機的運動控制系統(tǒng),該主控卡主要是針對電機伺服控制開發(fā)的,集成了電機控制的各種功能,采用40 MHz工作頻率,四級流水線,滿足運動控制實時性要求。傳感器模塊包括超聲波傳感器、激光傳感器、圖像傳感器等,具有良好的越障與避障功能。北斗定位系統(tǒng)則可以協助移動機器人完成地圖的創(chuàng)建、導航、定位以及有效的控制等[7]。臂部模塊可在依托北斗系統(tǒng)的基礎上準確拾取物品。

2 北斗定位系統(tǒng)組成

本次在履帶移動機器人中應用的北斗定位系統(tǒng)主要由通信模塊、北斗定位模塊、單片機模塊和PC機模塊組成,如圖2所示。在移動機器人開機后,履帶移動機器人的上位機即開始向定位模塊下達接收定位數據命令,北斗定位模塊執(zhí)行命令,開始接收來自北斗衛(wèi)星的數據信號,并過濾出＄BDRMC數據文件將其傳送給單片機模塊,由單片機模塊通過程序分離出經緯度、時間和海拔等信息,并通過RS232串口或USB總線傳送給PC機處理及存儲。

圖2 系統(tǒng)框圖

2.1 通信模塊組成

通信模塊是各電路互通的橋梁,本次通信模塊主要包括無線射頻電路、RS232串口電路、PL2303TA及FT245電路。分別完成北斗接收模塊與單片機的通訊以及單片機與PC機間的通訊,無線射頻模塊內部主要由3部分組成,即頻率控制部分、頻率發(fā)生部分及信號接發(fā)部分。PL2303TA電路主要用于接收單片機UART1口的數據,并以USB通信模式傳給PC機;FT245電路則主要將接收到的并行數據以標準USB方式傳給PC機。

2.2 北斗定位模塊電路設計

北斗定位模塊由北斗有源天線、電源、北斗信號處理芯片等組成,采集北斗定位信息,并輸出建議使用的最小定位數據格式,即＄BDRMC格式數據[8]。為了最大限度緩解延遲和提高定位精度,選用北京和芯星通公司生產的UM220-3北斗定位芯片,該芯片是UM220的第三代產品,具有高靈敏度、超低功耗、體積小巧的特點,支持單系統(tǒng)獨立定位和多系統(tǒng)聯合定位,同時兼容GPS模塊,能夠在較為惡劣的環(huán)境中正常運行。

UM220-3芯片引腳及由外圍電路組成的接收電路如圖3所示。當啟動電源后,紅色電源燈常亮,一段時間后LED燈開始閃爍,說明定位模塊供電正常,且芯片已連上衛(wèi)星,開始產生定位數據。芯片的TXD1和RXD1與無線通信模塊相連,通過該模塊實時與單片機相互通信,傳輸定位數據及接受單片機指令。J4是北斗模塊的接收天線部分,在天線的連接電路上設有電感,用于增強抗干擾能力,確保信號傳輸穩(wěn)定。

圖3 北斗芯片外接電路

2.3 單片機控制電路

單片機模塊是定位系統(tǒng)的核心部分,負責接收北斗接收電路輸出的＄BDRMC格式數據并處理。模塊的主控制器選用C8051F020型單片機,該型單片機是完全集成的混合信號系統(tǒng)芯片,單周期指令運行速度是8051的12倍,全指令集運行速度是原來的9.5倍,且具有豐富的內部功能與外部接口,完全滿足北斗信號數據的接收與處理要求[9]。其兩個UART串行接口和P1、P2、P3口為定位數據傳輸接口,負責接收與發(fā)送。為保證程序的快速、準確、穩(wěn)定、有效的運行,采用C8051F020開發(fā)板上的外部晶振,震蕩頻率為22.118 4 MHz,同時將單片機上所有的電源腳與地腳都連接起來,并在各電源附近配置一個0.1 μF的濾波電容,確保電源信號平順,單片機模塊持續(xù)正常穩(wěn)定工作。

3 移動軌跡的生成與精度分析

將已安裝北斗定位系統(tǒng)的履帶移動機器人行至戶外開闊地,打開機器人電源開關,機器人上位機即命令定位系統(tǒng)開始工作,由于定位芯片冷啟動,所以十幾分鐘后顯示器開始顯示經緯度與高度等信息。本次試驗選擇工程學院B樓的側門為起點,正門為終點,持續(xù)時間約20 min,為保證實驗數據的準確性,在相同環(huán)境要素下進行了多次試驗,每次試驗結束后將該次試驗的記錄數據保存。

3.1 谷歌地球中的軌跡生成

將多次實驗存儲的定位數據文件轉成谷歌地球軟件所能識別的KML文件格式,將其中誤差較大的數據剔除,整合數據流信息,最后導入軟件,即可在軟件中自動生成移動軌跡[10-11],如圖4所示。運動軌跡中的每個點代表一個定位信息,點擊即可顯示該點的經度,緯度、海拔等具體數據。

圖4 移動機器人運動軌跡

3.2 定位精度分析

為分析該北斗定位系統(tǒng)的定位精度,在已行駛的軌跡中選擇終點作為分析系統(tǒng)精度的對比點,將系統(tǒng)獲取的終點處定位數據與手機定位軟件數據進行比對,如圖5所示。首先將系統(tǒng)獲得的十進位制數據轉化為度分秒,得緯度為30°53′17.26″,經度為121°53′32.71″,而手機軟件的緯度為30°53′16″,經度為121°53′32″,兩者相比存在一定差異,由于芯片工藝、環(huán)境及數據傳輸等不抗拒因素,試驗定位數據與實際坐標不可避免存在一定的誤差,但已基本滿足履帶移動機器人軌跡生成的精度要求,能夠為移動機器人后期的改進提供一定程度上的參考。

圖5 移動機器人終點定位數據對比 (a) 軟件數據; (b) 系統(tǒng)數據

4 結束語

通過將北斗定位系統(tǒng)與履帶移動機器人結合起來,確保移動機器人在野外或人跡罕至的地方能夠精確的定位與導航,實現精確的無人值守的自主巡航。同時通過對路徑軌跡的生成,更好的研究移動機器人的路徑規(guī)劃,越障和避障的靈敏性,下一步將進一步提高定位精度和實現移動機器人衛(wèi)星與慣導組合定位,保證在北斗信號不穩(wěn)定時也能夠保證一定準確定位。

[1] 金璐. 北斗基帶信號同步技術研究[D].鄭州:鄭州大學,2013.

[2] 辛德奎. 基于北斗和GPS的雙模田間機車定位系統(tǒng)[J].黑龍江八一農墾大學學報,2014(1):85-87.

[3] 俞巧君,梁豐研，潘瑾,等. 基于北斗與藍牙的物流監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].測控技術,2016(1):50-52.

[4] 劉碧貞,黃華,祝詩平，等. 基于北斗/GPS的谷物收割機作業(yè)綜合管理系統(tǒng)[J].農業(yè)工程學報,2015，31(10):204-210.

[5] 郭琳. 基于北斗/GPS雙模的山區(qū)客運車輛監(jiān)測技術開發(fā)[J].計算機技術發(fā)展,2014(7):210-213.

[6] 宋子鳴. 一類移動機器人的視覺感知與控制技術研究[D].南京:南京理工大學,2012:6.

[7] 石偉. 無線傳感網絡機器人定位導航在減災救災中的應用[D].北京:北京郵電大學,2012:73.

[8] 陳賽. 基于單片機的GPS船舶航跡儀的研制[D].洛陽:河南科技大學,2012:4.

[9] 張濤. C8051F020單片機與GPS接收板串行通信的設計[J].計算機與數學工程,2011(8):9-191.

[10] 顏小平,龔曉民,初啟鳳. 基于KML在Google Earth批量標記方法[J].測繪與空間地理信息,2012(4):92-93.

[11] 馬立廣,曹彥榮. Google Earth COM API及KML技術在旅游管理信息系統(tǒng)開發(fā)中的應用[J].地球信息科學學報,2010(6):828-834.

Design and Implementation of a Tracked Mobile Robot Positioning Based on BeiDou Positioning System

WU Ziyue,GAO Yadong,WANG Dongce,YANG Shuai

(SchoolofEngineering,ShanghaiOceanUniversity,Shanghai201306,China)

In view of the various deviations of the tracked mobile robot in the autonomous cruise, it is required to view the demand of traveling trace. A BeiDou Positioning System Based on C8051F020 MCU and UM220-3 BeiDou module was designed, which was combined with the MT-FR type mobile robot. The positioning data collected by the BeiDou module was transmitted to the PC, and the moving track of the mobile robot was displayed on the Google earth after being stored and processed, and the accuracy of the module was analyzed. The results show that the moving trajectory of the mobile robot can be clearly seen in the map, which provides reference value for the improvement of the structure and the control system of the tracked mobile robot.

BeidDou Navigation System; tracked mobile robot; trajectory

10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.05.014

2016-07-12

國家海洋局基金資助項目(編號:SHME2013js01)

TD67

A

1008-9268(2016)05-0071-04

吳子岳 (1963-),男,上海人,副教授,主要從事海洋工程裝備研究。

高亞東 (1990-),男,安徽合肥人,碩士生,研究方向為機構設計與仿真。

王董測 (1992-),男,河北石家莊人,碩士生,研究方向為機構設計與仿真。

楊帥 (1992-),男,江蘇啟東人,碩士生,研究方向為圖像處理。

聯系人： 高亞東E-mail: 975979928@qq.com