自主移動機器人運動控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

江西工程學(xué)院 李冠湛 黃海軍

自主移動機器人運動控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

江西工程學(xué)院 李冠湛 黃海軍

隨著現(xiàn)代社會自動化技術(shù)不斷發(fā)展,機器人設(shè)備在當(dāng)前社會各個方面均有著越來越廣泛的應(yīng)用。自主移動機器人是現(xiàn)代機器人設(shè)備中比較先進的一種,具有明顯的智能化及自動化特點。在自主移動機器人實際應(yīng)用過程中,為能夠使其各項功能得以更好實現(xiàn),使其作用能夠得以更好發(fā)展,應(yīng)當(dāng)對其運動控制進行進行合理設(shè)計,從而使其更好服務(wù)于當(dāng)前社會生產(chǎn)及人們生活。

自主移動機器人;運動控制系統(tǒng);設(shè)計分析

自動移動機器人在當(dāng)前社會上是具有較高智能化水平的一種機器人設(shè)備,對于自主移動機器人而言,運動控制系統(tǒng)屬于十分重要的一個組成部分,對其功能的實現(xiàn)及各種作用的有效發(fā)揮均能夠起到一定決定性作用。因此,對自主移動機器人中的運動控制系統(tǒng)進行科學(xué)合理設(shè)計具有十分重要的作用及意義。本文就自主移動機器人運動控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)進行分析。

1.運動控制系統(tǒng)硬件設(shè)計分析

1.1 數(shù)字羅盤模塊設(shè)計

在運動控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計過程中,通過對數(shù)字羅盤進行合理運用,可將機器人運動方向隨時獲取。對于數(shù)字羅盤而言,其屬于磁敏感器件,所以在安裝設(shè)計過程中應(yīng)當(dāng)與各種相關(guān)磁干擾源遠離,在本次設(shè)計過程,安裝數(shù)字羅盤所選擇的位置為整個機器人系統(tǒng)頂部,通過RS232C電平串行通信接口與微控制器之間進行連接。在本次設(shè)計過程中所選擇數(shù)字羅盤類型為TDC3,該類型羅盤性能比較高,但價格比較低,該數(shù)字羅盤可利用串行通信接口將羅盤航向信息輸出,其最高輸出頻率能夠達到35次/s。該羅盤選擇功耗較低的微處理器,在實際工作過程中其功耗基本上能夠忽略。在數(shù)字羅盤內(nèi)部設(shè)置自動校準(zhǔn)算法,對于周邊鐵磁物質(zhì)磁場變化而導(dǎo)致誤差可進行改正[1]。

1.2 電機驅(qū)動模塊

對于電機驅(qū)動模塊而言,其所選擇的為L298N,其屬于一種集成電路,該集成電路選擇雙H橋形式,具有較高電壓,并且具有較大電流功率,其主要作用就是驅(qū)動電感性負(fù)載,主要包括線圈、繼電器以及步進電動機與直流電動機。該集成電路選擇Multiawatt塑料封裝,其內(nèi)部包括四種推免式驅(qū)動器,并且這些驅(qū)動器之間是相互獨立的,對于這四個驅(qū)動器而言,其能夠兩兩進行組合,從而形成雙H橋,對于每個H橋而言,其均具備各自使能控制端,對于每個半橋而言,其均具備自身輸入控制端,并且控制端信號選擇TTL電平,在芯片內(nèi)部設(shè)置邏輯部分電源。在該系統(tǒng)中,為能夠使邏輯電流增大,使其輸入端各個接口及輸出端各個出口進行并聯(lián),這樣一來能夠使其最大驅(qū)動電流達到3.5A。在微控制器中,其PWM輸出及I/O分別連接L298N中的輸入控制端及使能端,從而能夠控制直流電機速度以及轉(zhuǎn)向。

1.3 超聲測距模塊及GPS接收模塊

對于該系統(tǒng)系統(tǒng)中所選擇GPS接收模塊而言,其自身具備控制軟件,在通電之后可依據(jù)其內(nèi)部設(shè)置工作。在GPS接收模塊正常工作之后,系統(tǒng)中微控制器可依據(jù)GPS通信協(xié)議將定位信息接收或者對GPS工作狀態(tài)進行控制。在該GPS接收模塊中,其通信協(xié)議主要包括兩種,即CMC二進制及NMEA-0183,在該系統(tǒng)中,比較適合的方式為CMC二進制。

對于超聲測距模塊而言,其價格相對而言比較高,在該系統(tǒng)中帶動超聲傳感器轉(zhuǎn)動選擇步進電機,實施全方位測量。對于這種方法而言,其優(yōu)點就是可使超聲模塊數(shù)量得以節(jié)約,可有效避免多個模塊共同使用時所出現(xiàn)的探測交疊,其所存在缺點就是速度比較慢,探測一周所需時間比較長。對于步進電機而言,其步數(shù)及轉(zhuǎn)速的決定因素為微控制器所輸出脈沖序列個數(shù)以及頻率,I/O端口高低電平可對其轉(zhuǎn)向進行控制。為能夠準(zhǔn)確掌握超聲傳感器和機器人車頭方向一致時間,選擇紅外對管,若二者方向保持一致,則紅外對管所輸出頻率比較高,若二者方向不一致,則輸出電平比較低[1-2]。

2.運動控制系統(tǒng)中軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

對于該運動控制系統(tǒng)而言,其所選擇操作系統(tǒng)為window0XP,其程序開發(fā)系統(tǒng)所選擇的為C++,同時其所選擇程序設(shè)計方法為模塊化及windows線程多控制任務(wù)處理機制,這樣不但使程度調(diào)試及修改更加方便,并且還能夠準(zhǔn)并行分布式處理控制系統(tǒng)。

首先,系統(tǒng)中ADT850運動控制卡能夠?qū)㈤_發(fā)庫函數(shù)提供,可封裝針對運動控制卡哥哥通道所實施相關(guān)操作,從而使其成為針對機器人各輪所實施相關(guān)操作,并且形成相關(guān)函數(shù),對于這些函數(shù)而言,其均屬于CAdt-MotorCtrl類型函數(shù)。

其次,可對另外一類CRobot-ActionCtrl進行定義,從而將整個機器人相關(guān)操作完成,比如對機器人進行控制,使其行直線運動、弧線運動以及純轉(zhuǎn)動與停止等動作,并且還能夠?qū)C器人位姿獲取。

通過上述兩種類型,基本上能夠屏蔽機器人自身及運動控制卡相關(guān)硬件參數(shù)及硬件操作,這樣一來能夠使上層開發(fā)更加方便、簡單,在不了解有關(guān)硬件知識情況下便能夠?qū)C器人運動控制程序開發(fā)完成,可使系統(tǒng)的可擴展性能更加良好,其整體結(jié)構(gòu)可如下圖所示:

圖1 自主移動機器人運動控制系統(tǒng)程序圖

對于位姿狀態(tài)監(jiān)測模塊而言,其主要作用就是對各傳感器輸入型號進行采集,從而使監(jiān)測機器人位置姿態(tài)能夠得以實現(xiàn),并且對于這些信號而言,可將其當(dāng)作控制系統(tǒng)反饋信號;對于路徑跟蹤控制模塊而言,其主要作用就是使機器人路徑的跟蹤控制算法能夠得以實現(xiàn),可將控制信號提供給驅(qū)動系統(tǒng);傳感器云臺控制模塊的重要作用就是對傳感器云臺進行控制,使其能夠以8°/s角速度進行轉(zhuǎn)動,并且能夠以4°/s角速度進行俯仰運動;對于緊急情況處理模塊而言,其主要作用就是對各種緊急情況進行處理;對于通信模塊而言,其主要作用就是使運動控制系統(tǒng)及上層決策系統(tǒng)兩者間可實現(xiàn)通信[2-3]。

3.運動控制系統(tǒng)功能設(shè)計

對于自主移動機器人而言,在其工作環(huán)境為戶外未知動態(tài)環(huán)境時,則其運動控制系統(tǒng)所具備功能就是對機器人進行合理控制,使其能夠依據(jù)所設(shè)計好軌跡進行平穩(wěn)行使,從而使預(yù)期速度要求以及位姿要求均能夠得到滿足,并且其抗干擾能力以及魯棒性均比較強。對于控制功能而言,其得以實現(xiàn)所利用的主要就是系統(tǒng)中三環(huán)反饋,即位置環(huán)、速度環(huán)以及電流環(huán),其具體結(jié)構(gòu)如圖2所示:

圖2 運動控制系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

為能夠使系統(tǒng)穩(wěn)定裕度及頻帶得以提高,其速度環(huán)及位置環(huán)選擇異步采樣方式,其中對于位置環(huán),其采樣周期為5ms,對于速度環(huán),其采樣周期為128us。在設(shè)計電流環(huán)方面,實際上就是對L292外部參數(shù)進行合理選擇。位置環(huán)中調(diào)解律實際上就是對機器人運動進行控制的相關(guān)各種控制算法。對于移動機器人而言,其工作環(huán)境存在可變性及多樣性特點,具有比較復(fù)雜的動力學(xué)特性,因而對于運動控制算法的要求相對而言也就比較高。相關(guān)研究人員以移動機器人運動學(xué)模型為基礎(chǔ)提出比較有效的控制算法,其能夠使軌跡跟蹤特性保持比較穩(wěn)定,然而在實際運用過程中是將電機輸出力矩作為最終控制量的,所以在本次設(shè)計過程中將移動機器人動力學(xué)特點作為入手點,對機械電子裝置部分所起到作用進行考慮,以動力學(xué)模型為基礎(chǔ)對控制算法進行設(shè)計,從而實現(xiàn)比較理想的效果[3]。

4.結(jié)語

自主移動機器人在當(dāng)前社會上的各個方面均有著越來越廣泛的應(yīng)用,為能夠使其發(fā)揮更好作用,使其各項功能得以更好實現(xiàn),應(yīng)當(dāng)對運控控制系統(tǒng)進行合理設(shè)計,通過對系統(tǒng)硬件與軟件合理設(shè)計,使系統(tǒng)功能得以更好實現(xiàn),使系統(tǒng)設(shè)計能夠得到更加理想的效果,進而使移動機器人能夠得到更好應(yīng)用及發(fā)展。

[1]陳劍斌,田聯(lián)房,王孝洪?；贏RM的自主移動機器人控制系統(tǒng)設(shè)計[J]。機械設(shè)計與制造,2011(6)。

[2]紀(jì)浩,吳友強,鄒力涵。一種輪式移動機器人運動控制系統(tǒng)的實現(xiàn)[J]。自動化儀表,2013(11)。

[3]周卓洋,占頌。 三足全向移動機器人運動控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J]。電子測試,2015(7)。