基于嵌入式的新型爬行機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究

丁亞峰 王洪宇 江瀟

1.1機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)和發(fā)展現(xiàn)狀

機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)是相輔相成、密不可分的整體。如果把機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)看作是“身體”，那么其“神經(jīng)系統(tǒng)”就是機(jī)器人的整個(gè)控制系統(tǒng)。歸納總結(jié)，良好的機(jī)器人控制系統(tǒng)需要具備以下幾個(gè)特點(diǎn)：

第一，對(duì)多個(gè)關(guān)節(jié)的自由度協(xié)調(diào)控制。

第二，模塊化設(shè)計(jì)。采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，只需要在原有控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上對(duì)軟件功能模塊進(jìn)行添加、修改、升級(jí)。

第三，具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性。

第四，良好的人機(jī)界面。作為控制系統(tǒng)的重要組成部分，人機(jī)界面主要用于系統(tǒng)和用戶之間的信息交換，充當(dāng)它們對(duì)話的接口和媒介。

目前，市面上系統(tǒng)有許多缺點(diǎn)：一是系統(tǒng)開(kāi)放性較低，很難再添加一些組件，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人功能擴(kuò)展；二是系統(tǒng)的改造成本很高甚至無(wú)法改造。

1.2模塊化設(shè)計(jì)及軟件模塊化

對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，需要依次完成以下步驟：

第一、模塊的劃分。根據(jù)產(chǎn)品的功用，將其合理得劃分多個(gè)獨(dú)立的模塊；

第二、模塊的創(chuàng)建。根據(jù)每個(gè)模塊的功能要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；

第三、模塊組合。合理的對(duì)各個(gè)功能模塊進(jìn)行重組，最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的功用。

1.3 控制系統(tǒng)的功能模塊劃分及三層結(jié)構(gòu)模型

這三個(gè)工作層分別有如下特點(diǎn)：

（1）人機(jī)接口層作為系統(tǒng)和用戶之間的交互接口，是控制系統(tǒng)的最頂層。

（2）通訊層作為控制系統(tǒng)的中間層，主要是用于充當(dāng)其他兩層信息交換的橋梁。其次它還預(yù)留了許多通用接口，提高了控制系統(tǒng)的擴(kuò)展性。

（3）功能層主要在管道外爬行機(jī)器人的本體上。

1.4 爬行機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)

在對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，我們要綜合考慮各方面的因素，包括控制系統(tǒng)各個(gè)模塊之間的協(xié)作、通信以及整個(gè)系統(tǒng)的成本、穩(wěn)定性、實(shí)用性和擴(kuò)展性等。經(jīng)過(guò)以上一系列的綜合分析，本設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：

（1）主控制器的選用以及其外圍電路設(shè)計(jì)

作為整個(gè)控制系統(tǒng)的控制“中樞”，主控板的設(shè)計(jì)質(zhì)量對(duì)系統(tǒng)整體性能的好壞有著極其重要的影響。其外圍電路的設(shè)計(jì)，則必須兼顧各個(gè)模塊的工作特點(diǎn)和整個(gè)系統(tǒng)的擴(kuò)展性。

（2）自平衡策略設(shè)計(jì)

機(jī)器人在管道上行走，主要靠行走滾輪的驅(qū)動(dòng)力平衡重力產(chǎn)生的阻力矩。在水平管道行走時(shí)，無(wú)可避免的會(huì)出現(xiàn)重心的偏移，導(dǎo)致機(jī)器人姿態(tài)傾斜。所以，針對(duì)這一特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)平衡策略，以保證管道機(jī)器人的穩(wěn)定行走。

（3）各個(gè)工作層的主程序設(shè)計(jì)

各個(gè)工作層之間的通訊、協(xié)作和各種運(yùn)動(dòng)控制策略的實(shí)現(xiàn)都需要通過(guò)程序設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。