分層式移動平臺運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計

王珂

摘 要：為達(dá)到移動機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)對特殊環(huán)境進(jìn)行高速、高精度穩(wěn)定可靠的運(yùn)行目標(biāo)，基于分層式模式的移動機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)能夠充分運(yùn)用PC端，文章制定了PC+STM32的分層式移動控制機(jī)器人的總體設(shè)計方案，并完成了該運(yùn)動控制系統(tǒng)的車體位姿求解算法。此外，文章完成了分層式人機(jī)界面操作系統(tǒng)設(shè)計，對樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗系統(tǒng)搭建，為移動、監(jiān)控、自動化工廠等提供平臺。就智能移動機(jī)器人系統(tǒng)控制的姿態(tài)求解進(jìn)行實(shí)驗測試，實(shí)驗結(jié)果表明：所研制的遠(yuǎn)程操作車體具有控制系統(tǒng)可靠穩(wěn)定、響應(yīng)迅速、定位準(zhǔn)確的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：移動機(jī)器人；分層式；運(yùn)動控制系統(tǒng)

中圖分類號：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）33-0086-04

Abstract： In order to achieve the goal of high speed， high precision， stability and reliability， the mobile robot can operate in special environment. The motion control system of mobile robot based on hierarchical mode can make full use of PC. In this paper， the overall design scheme of the hierarchical mobile control robot based on PC+STM32 is worked out， and the algorithm for solving the vehicle posture of the motion control system is completed. In addition， the paper completes the design of the layered man-machine interface operating system. The experimental system of the prototype is built， which provides a platform for mobile， monitoring， automation factory and so on. The attitude solution of intelligent mobile robot system is tested experimentally. The experimental results show that the control system is reliable and stable， the response is rapid and the positioning is accurate.

Keywords： mobile robot； hierarchical； motion control system

1 智能移動機(jī)器人的控制系統(tǒng)體系架構(gòu)設(shè)計

1.1 簡介

移動機(jī)器人是一類能夠通過傳感器感知環(huán)境和自身狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)在有障礙物的環(huán)境中面向目標(biāo)自主運(yùn)動，從而完成一定功能的機(jī)器人系統(tǒng)[6]，智能機(jī)器人所面向的環(huán)境是現(xiàn)實(shí)世界中復(fù)雜的動態(tài)環(huán)境，如何利用自身受限的感知和行為能力，引導(dǎo)機(jī)器人順利完成復(fù)雜的任務(wù)，是智能機(jī)器人控制系統(tǒng)需要解決的主要問題[10]，但在目前全自主移動機(jī)器人還大多處于實(shí)驗階段，進(jìn)入實(shí)用的多為半自主移動機(jī)器人，通過人的干預(yù)在特定環(huán)境中執(zhí)行各種任務(wù)，而遙控機(jī)器人則完全離不開人的干預(yù)[5]，移動機(jī)器人是目前科學(xué)技術(shù)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一。

針對移動機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)動特性，車體結(jié)構(gòu)采用輪式車體，主要包括車輪車架，傳動裝置和驅(qū)動電機(jī)等部分。為達(dá)到移動機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)對特殊環(huán)境進(jìn)行高速、高精度穩(wěn)定可靠的運(yùn)行目標(biāo)[9]，智能移動機(jī)器人需要對操作控制系統(tǒng)、位姿反饋算法等展開闡述。本文主要集中于控制系統(tǒng)的設(shè)計，提出一套開放式的分布式運(yùn)動控制系統(tǒng)，開放式機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)因具有可互操作性、可移植性、可替代性、可縮放性和可二次開發(fā)性等特點(diǎn)，目前已經(jīng)成為機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)發(fā)展的主流方向[4]。

本文采用三層形式來控制整個系統(tǒng)的運(yùn)行，下位機(jī)包括行為信息層和控制層兩個部分，上下位機(jī)之間采用RS232串口通信，串口通訊是利用一根傳輸線傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞绞前次粋鬏?。下位機(jī)與傳感器之間采用SPI通信，SPI是串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface）的縮寫，是 Motorola 公司推出的一種同步串行接口技術(shù)，是一種高速的，全雙工，同步的通信總線。本文應(yīng)用通訊的主要設(shè)計思想為：主機(jī)先向從機(jī)發(fā)送地址，若是向從機(jī)寫入數(shù)據(jù)，則向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，若是讀取從機(jī)數(shù)據(jù)，則向從機(jī)發(fā)送時鐘，然后在時鐘下降沿讀取數(shù)據(jù)。

1.2 分布式控制系統(tǒng)設(shè)計方案

為滿足該智能移動機(jī)器人的工作要求，本文選擇一種分布式的控制結(jié)構(gòu)。整個結(jié)構(gòu)由三個分層組成，分別是上位機(jī)層、行為信息層、下位機(jī)控制層， 如圖1系統(tǒng)三層控制結(jié)構(gòu)圖所示。

各分層的主要功能如下：

上位機(jī)控制層：通過RS232與行為信息層通信，實(shí)時處理行為層獲取的各類傳感器信息值，同時遠(yuǎn)程監(jiān)控智能移動機(jī)器人的運(yùn)動狀態(tài)，并根據(jù)運(yùn)動狀態(tài)對智能移動機(jī)器人進(jìn)行自動調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的有效運(yùn)行。

行為信息層：主要負(fù)責(zé)各類傳感器信息的反饋，該層不僅與上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時通訊，同時也要實(shí)時反饋下位機(jī)控制層采取的各種信息。

下位機(jī)控制層：主要采用SPI通訊方式，實(shí)時采取移動機(jī)器人的各類傳感器信號、完成上位機(jī)指定的控制指令，完成對電機(jī)的伺服控制。

2 控制系統(tǒng)的控制平臺設(shè)計

本文主要選擇stm32作為主控芯片，主要設(shè)計包括電源系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)。硬件控制系統(tǒng)主要包括移動載體控制器、電機(jī)驅(qū)動器、控制器、編碼器、直流伺服電機(jī)、I/O模塊、通訊模塊、人機(jī)交互界面[7-8]。各個模塊發(fā)揮自己特定功能的同時與其他設(shè)備配合，共同完成中機(jī)器人軟件系統(tǒng)下達(dá)給移動載體控制系統(tǒng)的任務(wù)?？刂葡到y(tǒng)硬件架構(gòu)如圖2（a）和（b）所示。

（a）行為信息層

在實(shí)際移動機(jī)器人應(yīng)用中，上位機(jī)是基于visual C++的MFC程序，為實(shí)現(xiàn)與stm32的串口通訊，編寫完成一個MFC界面作為通訊窗口，調(diào)用MScomm控件，主要如圖3所示。串口調(diào)試程序可以選擇串口1和串口2，本文選擇串口1，設(shè)置串口傳輸參數(shù)，周期性自動發(fā)送控制命令。串口通訊基本流程如圖3所示，實(shí)際運(yùn)行效果如圖4所示。

上位機(jī)與下位機(jī)通訊配置完成后，本文采用分層式人機(jī)交互界面，其中人機(jī)交互界面的功能模塊圖如圖5所示，移動機(jī)器人任務(wù)環(huán)境的設(shè)計目的是合理的去完成一系列任務(wù)，并告知機(jī)器人完成任務(wù)的順序，同時向其他模塊完成狀態(tài)信息共享等，人機(jī)交互界面如圖6所示，主要包括移動機(jī)器人控制欄、串口配置信息顯示、機(jī)器人狀態(tài)信息顯示、機(jī)器人任務(wù)要求、移動軌跡狀態(tài)顯示等信息以及串口配置、傳感器信息等子窗口接口。

3 移動機(jī)器人實(shí)驗分析

本實(shí)驗的數(shù)據(jù)采集主要通過以下方式：將光電碼盤的正交編碼信號輸入到主控板控制器stm32的正交編碼脈沖外設(shè)中；利用光電碼盤單位時間內(nèi)檢測出機(jī)器人的左右輪位移差分信號ΔR、ΔL，由此可以推斷出單位時間內(nèi)機(jī)器人位置變化量ΔX、ΔY和Δθ，通過計算位姿公式得到該移動機(jī)器人的位姿信息。

我們選擇以X方向運(yùn)動作為誤差基準(zhǔn)，通過多次測量X方向的數(shù)據(jù)求取整個誤差補(bǔ)償值作為系統(tǒng)補(bǔ)償值，通過MATLAB對所測數(shù)據(jù)進(jìn)行多項式擬合處理得到如圖7圖8誤差補(bǔ)償曲線曲線，在曲線上通過觀測移動機(jī)器人的X方向數(shù)據(jù)得到置信度為0.95的置信區(qū)間，我們選擇其均值作為誤差補(bǔ)償值。

從圖中我們可以看出隨著位移的增加，其誤差值增大；在位移范圍為0～35m內(nèi)的誤差極大值為1.2m。

我們通過多次測試到達(dá)位置為10m、角度為0°處的位姿對上述誤差補(bǔ)償值進(jìn)行驗證。測量13組數(shù)據(jù)：R、L表示為左右輪的差分位置信號累加值如表1所示。（其中該點(diǎn)的實(shí)際位置值為（10m，10m），角度0°，其誤差補(bǔ)償值0.36m）

4 結(jié)束語

本文完成了智能移動機(jī)器人的控制系統(tǒng)體系架構(gòu)設(shè)計、控制系統(tǒng)的控制平臺設(shè)計及系統(tǒng)配套軟件開發(fā)，對樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗系統(tǒng)搭建，為移動、監(jiān)控、自動化工廠等提供平臺。最后就移動機(jī)器人系統(tǒng)控制與姿態(tài)求解進(jìn)行實(shí)驗測試，實(shí)驗結(jié)果表明：所研制的遠(yuǎn)程操作車體具有控制系統(tǒng)可靠穩(wěn)定、響應(yīng)迅速，定位較為準(zhǔn)確的特點(diǎn)。本文雖然對遠(yuǎn)程操控的移動機(jī)器人展開了全面設(shè)計，并成功實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的任務(wù)目標(biāo)，但由于時間限制，本課題還需要進(jìn)一步完善以下問題：控制系統(tǒng)的軟硬件功能還需進(jìn)一步完善，使控制系統(tǒng)的控制性能進(jìn)一步提升，從而進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性；誤差補(bǔ)償?shù)奶幚矸绞竭€有待進(jìn)一步解決，主要包括誤差補(bǔ)償方向的確定及誤差產(chǎn)生的原因等問題；傳感器信息采集系統(tǒng)還需要做進(jìn)一步的研究，以提高外部感知能力。

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