基于Vision Card的機(jī)器人舵機(jī)高精度數(shù)字控制技術(shù)

(河北地質(zhì)職工大學(xué) 繼續(xù)教育中心，石家莊 050081)

0 引言

舵機(jī)英文翻譯為Servo，由直流電機(jī)、減速齒輪齒、傳感器、控制電路組成，舵機(jī)從實(shí)質(zhì)上講是一套自動(dòng)控制系統(tǒng)，具有穩(wěn)定輸出的性能、利用發(fā)送的信號(hào)制定輸出軸旋轉(zhuǎn)角度，所有的舵機(jī)最大旋轉(zhuǎn)角度都能夠達(dá)到180°。舵機(jī)主要包括5個(gè)部分：舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位器、直流電機(jī)和控制電路。舵機(jī)在機(jī)器人中有廣泛的應(yīng)用，舵機(jī)的自由度控制水平?jīng)Q定著機(jī)械人自由度控制水平，自由度越多，機(jī)械人可以操作的復(fù)雜動(dòng)作就越多，通用性越好，但是越復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，花費(fèi)的成本越高，維修起來也越困難[1]。

舵機(jī)中一般擁有三根引線，分別是電源引線、地引線和控制信號(hào)引線，通過脈沖寬度(以下簡(jiǎn)稱脈寬)控制舵機(jī)的輸出轉(zhuǎn)角，在確定脈寬控制信號(hào)后，機(jī)器人舵機(jī)就會(huì)轉(zhuǎn)到固定的角位置，并且保證在該位置上固定不變，在一定范圍內(nèi)受到外力沖擊，也可以穩(wěn)定在該位置保持不變[2]。每個(gè)舵機(jī)都需要單獨(dú)的PWM信號(hào)來控制，即使是一個(gè)小型關(guān)節(jié)機(jī)器人都需要十幾個(gè)舵機(jī)、多個(gè)芯片共同操控，硬件成分復(fù)雜，軟件編寫十分困難[3]。

Vision Card中文翻譯為視覺卡，通過先進(jìn)的視覺感知技術(shù)，在復(fù)雜背景中或高動(dòng)態(tài)光照條件下提取目標(biāo)圖像，并且完成識(shí)別、分類等一系列工作。Vision Card具有消耗功率低、占地面積小、處理能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，符合智能設(shè)備對(duì)廣域、移動(dòng)、便攜等方面的要求。目前Vision Card已經(jīng)廣泛應(yīng)用在機(jī)器人、安防、自動(dòng)駕駛、無人機(jī)等領(lǐng)域[4]。

綜上所述，本文基于Vision Card研究了一種新的機(jī)器人舵機(jī)高精度數(shù)字控制技術(shù)，介紹了控制原理，針對(duì)舵機(jī)的每一個(gè)組成成分進(jìn)行控制，通過實(shí)驗(yàn)對(duì)控制技術(shù)有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 視覺卡與控制技術(shù)原理

舵機(jī)，作為一種角度伺服的驅(qū)動(dòng)裝置，在對(duì)它進(jìn)行控制時(shí)，需要針對(duì)不同的角度進(jìn)行調(diào)節(jié)，一般通過控制器、直流電機(jī)、減速傳送機(jī)制等多個(gè)模塊構(gòu)成，如圖1所示。

當(dāng)向舵機(jī)傳入信號(hào)后，舵機(jī)會(huì)自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，直到達(dá)到要求的角度，如果舵機(jī)輸出的角度與最后的控制角度存在誤差，則反饋電位器就會(huì)通過反饋信號(hào)將這一誤差上傳到控制器中，控制器在分析誤差大小后，生成誤差信號(hào)。通常生成的誤差信號(hào)強(qiáng)度較小，分析起來相對(duì)困難，因此需要通過驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行放大，最后使用驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)完成旋轉(zhuǎn)操作[5]。如果誤差信號(hào)的電壓為正，則驅(qū)動(dòng)器也會(huì)向直流電動(dòng)機(jī)加入正向電壓，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)檎较?；如果誤差信號(hào)的電壓為負(fù)，則驅(qū)動(dòng)器會(huì)向直流電動(dòng)機(jī)加入負(fù)向電壓，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)榉捶较?。反?fù)調(diào)整，直到確保機(jī)器人舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度與預(yù)計(jì)角度相同，誤差信號(hào)為0為止。機(jī)器人舵機(jī)高精度數(shù)字控制技術(shù)工作原理如圖2所示。

圖2 機(jī)器人舵機(jī)高精度數(shù)字控制技術(shù)工作原理

視覺卡(Vision Card)是嵌入式人工智能感知平臺(tái)的延伸，在機(jī)器人舵機(jī)控制中使用Vision Card后，機(jī)器人可以同時(shí)完成人臉識(shí)別、物體識(shí)別、導(dǎo)航、自動(dòng)故障等多效功能，智能視覺設(shè)備發(fā)揮的效力也更大，提高使用效率。

Vision Card芯片不僅可以提高機(jī)器人舵機(jī)中的自由度，而且可以使算法更快地在計(jì)算平臺(tái)上移植。本文使用的Vision Card芯片時(shí)第二代英偉達(dá)芯片，該芯片的體積僅有一元硬幣大小，是第一代芯片體積的1/10，處理速度高達(dá)20FPS，在0.8～1.5 m的范圍之內(nèi)，Vision Card芯片都可以自動(dòng)避障，具有極強(qiáng)的控制性[6]。

加入Vision Card后的舵機(jī)實(shí)物如圖3所示。

圖3 舵機(jī)實(shí)物圖

2 基于Vision Card的機(jī)器人舵機(jī)高精度數(shù)字控制

針對(duì)機(jī)器人舵機(jī)的三項(xiàng)主要元件：直流電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器和反饋電位器進(jìn)行控制，然后使用Vision Card對(duì)機(jī)器人舵機(jī)進(jìn)行高精度數(shù)字控制，通過調(diào)節(jié)PWM完成數(shù)字控制。

2.1 機(jī)器人舵機(jī)內(nèi)部直流電機(jī)控制

直流電機(jī)在機(jī)器人舵機(jī)占據(jù)著核心地位，能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)換成機(jī)械能，機(jī)器人舵機(jī)中的直流電機(jī)性能越好，舵機(jī)性能越好。一般具有高功率輸出、良好動(dòng)靜態(tài)性能、優(yōu)秀過載能力、穩(wěn)固結(jié)構(gòu)的直流電機(jī)，都能夠安裝在負(fù)載大的控制場(chǎng)合[7]。直流電機(jī)被認(rèn)為是舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件。

由于直流電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以在對(duì)其進(jìn)行控制時(shí)，要考慮多方面因素，如阻尼力矩、摩擦力矩、電機(jī)電壓、電流等等，并將這些因素按照主次來規(guī)劃，先控制主動(dòng)因素，再控制次要因素。測(cè)量直流電機(jī)回路中的電壓、電阻、總電感，從而分析電壓滿足的平衡條件，根據(jù)分析結(jié)果，利用反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)和電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度計(jì)算出反電動(dòng)勢(shì)，再根據(jù)電機(jī)輸出軸承擔(dān)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩和總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量求出電機(jī)轉(zhuǎn)矩平衡方程。

由于機(jī)器人舵機(jī)是小功率隨動(dòng)系統(tǒng)，如果承載過大的負(fù)載，電機(jī)可能難以正常運(yùn)行，甚至?xí)霈F(xiàn)電機(jī)燒壞的情況，所以使用的額定轉(zhuǎn)矩要超過軸的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，因此需要通過拉普拉斯變換得到直流電機(jī)的傳遞函數(shù)，計(jì)算出機(jī)器人舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角，根據(jù)傳遞函數(shù)對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行控制。

2.2 機(jī)器人舵機(jī)內(nèi)部驅(qū)動(dòng)器控制

驅(qū)動(dòng)器在機(jī)器人舵機(jī)中發(fā)揮著重要作用，每一個(gè)控制信號(hào)都要通過驅(qū)動(dòng)器才能完成功率放大，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)。驅(qū)動(dòng)器的存在可以確保控制過程的連續(xù)性和直線性。由于控制信號(hào)不斷變化，所以驅(qū)動(dòng)器若想達(dá)到穩(wěn)定高效的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的同時(shí)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)速，必須要設(shè)定脈寬調(diào)制和功率轉(zhuǎn)換兩部分[8]。

脈寬調(diào)制又稱PWM，指的是在數(shù)字輸出的脈沖信號(hào)中，在一個(gè)脈沖周期中設(shè)定出一個(gè)高電位比例，從而調(diào)節(jié)脈沖寬度，這一比例叫做占空比。通過不斷改變直流電源在固定周期的通斷情況和通電時(shí)長(zhǎng)來調(diào)節(jié)脈寬。作為一種通過改變數(shù)字信號(hào)來提高模擬信號(hào)可控性的方法，PWM在舵機(jī)轉(zhuǎn)向控制和轉(zhuǎn)速控制中都有所應(yīng)用。相較于常規(guī)的驅(qū)動(dòng)方法，PWM這一驅(qū)動(dòng)方法所擁有的優(yōu)點(diǎn)更多，比較典型的優(yōu)點(diǎn)有如下幾條：1)直接驅(qū)動(dòng)由于存在感抗和容抗，所以響應(yīng)速度很慢，PWM能夠快速響應(yīng)點(diǎn)擊要求，完成完美配合，尤其適用于開關(guān)頻率較高的驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合；2)PWM調(diào)控的功率很小，所以消耗電量也很小，機(jī)器人在運(yùn)行時(shí)不會(huì)產(chǎn)生過多損耗，運(yùn)行效率也很高；3)PWM的控制精度很高，能夠滿足機(jī)器人高精度的要求[9]。

在使用PWM進(jìn)行調(diào)制時(shí)，使用的硬件包括電壓轉(zhuǎn)換電路、脈沖轉(zhuǎn)換電路、功率放大電路，根據(jù)預(yù)定邏輯，對(duì)晶體管進(jìn)行依次通斷操作，確保點(diǎn)擊上的電壓能夠不斷交替不斷改變，波動(dòng)范圍為+Us和-Us，PWM波形圖如圖4所示。

圖4 直流電機(jī)上的PWM波形圖

根據(jù)不同的分配條件分配輸出電壓。需要特別指出的是，所有的輸入信號(hào)都必須進(jìn)行功率放大操作，如果未進(jìn)行功率放大操作，則擁有的功率不足，難以作為PWM的輸入電壓使用。為了確?？刂七^程機(jī)器人舵機(jī)工作的穩(wěn)定性，減小對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)的影響，PWM脈沖設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換頻率高高于電機(jī)頻率。

2.3 機(jī)器人舵機(jī)內(nèi)部反饋電位器控制

反饋電位器裝載電動(dòng)舵機(jī)內(nèi)部，主要負(fù)責(zé)將電動(dòng)舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度轉(zhuǎn)換成電壓量，通過反饋的方式控制機(jī)器人舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度。反饋電位器擁有3個(gè)引出端口，通過預(yù)先設(shè)定的規(guī)律調(diào)節(jié)電阻元件，得到與輸入電壓呈一定關(guān)系的輸出電壓。反饋電位器兩端擁有固定的參考電壓，中間擁有信號(hào)端口，能夠連接需要測(cè)定的運(yùn)動(dòng)裝置。當(dāng)機(jī)器人舵機(jī)的運(yùn)動(dòng)裝置開始運(yùn)動(dòng)后，信號(hào)端的兩側(cè)電壓就會(huì)出現(xiàn)變化，利用模數(shù)轉(zhuǎn)換方法將變化的數(shù)值傳遞給控制器和儀表，從而完成對(duì)運(yùn)動(dòng)的反饋。本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人舵機(jī)控制技術(shù)可以將電動(dòng)舵機(jī)轉(zhuǎn)軸與旋轉(zhuǎn)式反饋電位器連接到一起，方便反饋電位器以更加直接的方式測(cè)定舵機(jī)中的電壓變換。

在測(cè)定時(shí)，由于電動(dòng)舵機(jī)的輸出轉(zhuǎn)角與信號(hào)的單位是不同的，所以首先要對(duì)單位進(jìn)行換算，利用反饋電位器上的電壓和總行程得到傳遞函數(shù)，進(jìn)而完成控制。

2.4 基于Vision Card的機(jī)器人舵機(jī)視覺控制

在完成直流電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器和反饋電位器的控制后，引用Vision Card對(duì)機(jī)器人舵機(jī)進(jìn)行高精度數(shù)字控制。Vision Card中文翻譯為視覺卡，是人工智能領(lǐng)域的產(chǎn)物，具有如下優(yōu)點(diǎn)：1)能夠支持前端服務(wù)器模式，即使在非聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)下也可以進(jìn)行移動(dòng)交互；2)抓拍時(shí)間小于100 ms，鎖定目標(biāo)；3)Vision Card能夠與目前的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無縫對(duì)接；4)同時(shí)接入多路攝像機(jī)，即使是普通的攝像機(jī)也可以接入，降低工作成本；5)對(duì)于人臉的識(shí)別準(zhǔn)確率高達(dá)95%；6)內(nèi)部擁有數(shù)據(jù)庫(kù)，可以導(dǎo)入人臉；7)占地面積小，消耗功率低，機(jī)器人可以更叫穩(wěn)定的運(yùn)行。由此可見，Vision Card在控制機(jī)器人舵機(jī)這一領(lǐng)域有著很大的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用效果非常好。

加入Vision Card之后，系統(tǒng)會(huì)使用控制線發(fā)送可變寬度或脈沖寬度調(diào)制(PWM)的電脈沖，利用得到的電脈沖來控制舵機(jī)。在控制時(shí)，需要同時(shí)考慮最小脈沖，最大脈沖和重復(fù)率3個(gè)因素。機(jī)器人舵機(jī)在一個(gè)方向上能夠旋轉(zhuǎn)的最大角度為90°，總轉(zhuǎn)動(dòng)度數(shù)為180°。將舵機(jī)在順時(shí)針或逆時(shí)針方向上具有相同的潛在旋轉(zhuǎn)量的位置設(shè)定成中間位置，該位置也是脈沖寬度調(diào)制的軸位置，在使用控制線發(fā)送脈沖的過程中，轉(zhuǎn)子會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)到事先預(yù)定的位置，每隔20 ms舵機(jī)就會(huì)得到一個(gè)脈沖，引用Vision Card根據(jù)得到的脈沖長(zhǎng)度確定電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)位置。

如果使用1.5 ms脈沖就可以將舵機(jī)轉(zhuǎn)到90°位置，那么所有長(zhǎng)于1.5 ms的脈沖都能夠確保舵機(jī)沿著順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。在收到移動(dòng)命令后，舵機(jī)會(huì)移動(dòng)到預(yù)先設(shè)定的位置，并且穩(wěn)定在這個(gè)位置上保持不動(dòng)，即使受到外界的推力，舵機(jī)也會(huì)穩(wěn)定在原有的位置上，但是推力會(huì)有一個(gè)限度，這一限度被稱為“扭矩額定值”，如果外界推力超過這一額定值，則舵機(jī)難以穩(wěn)定在原來的位置上。

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文基于Vision Card的機(jī)器人舵機(jī)高精度數(shù)字控制技術(shù)的實(shí)際效果，同時(shí)與傳統(tǒng)的開環(huán)控制技術(shù)、PID控制技術(shù)和模糊PID控制技術(shù)進(jìn)行對(duì)比，設(shè)置了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

3.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)與實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)計(jì)

設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)采用機(jī)器人(含舵機(jī))如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)所用機(jī)器人(含舵機(jī))

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，同時(shí)選用傳統(tǒng)的開環(huán)控制技術(shù)、PID控制技術(shù)、模糊PID控制技術(shù)以及本文研究的基于Vision Card的控制技術(shù)對(duì)機(jī)器人舵機(jī)進(jìn)行控制，將單位階躍信號(hào)作為輸入信號(hào)，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

3.3.1 調(diào)控性能測(cè)試

圖6 調(diào)控性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果

整理上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)，將開環(huán)控制技術(shù)、PID控制技術(shù)、模糊PID控制技術(shù)以及Vision Card控制技術(shù)進(jìn)行對(duì)比，得到結(jié)果如表2所示。

表2 調(diào)控性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)照表

根據(jù)表2可知，在經(jīng)過一段上升時(shí)間后，開環(huán)控制技術(shù)、PID控制技術(shù)、模糊PID控制技術(shù)以及Vision Card控制技術(shù)的控制效果都趨于穩(wěn)定，但是相較于其它控制技術(shù)，Vision Card控制技術(shù)的穩(wěn)定性更強(qiáng)，超調(diào)量更小。同時(shí)分析4個(gè)技術(shù)的上升時(shí)間、穩(wěn)定時(shí)間和超調(diào)量可知，Vision Card控制技術(shù)在增加控制技術(shù)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，能夠?qū)崟r(shí)整定各項(xiàng)參數(shù)，從而提高調(diào)節(jié)速度，優(yōu)化調(diào)節(jié)性能。

3.3.2 調(diào)控穩(wěn)定性測(cè)試

分析圖7的傳遞函數(shù)幅頻特性可知，在相位裕度為28.7°，幅值裕度為11.2dB的環(huán)境下， Vision Card控制技術(shù)可以將機(jī)器人舵機(jī)是一個(gè)開放性的穩(wěn)定系統(tǒng)，幫助機(jī)器人舵機(jī)內(nèi)部的反饋繼電器進(jìn)行自我校正，但是舵機(jī)自身的調(diào)控功能是有效的，因此需要通過測(cè)試輸出轉(zhuǎn)角等因素完成進(jìn)一步的調(diào)整。相較于傳統(tǒng)系統(tǒng)，Vision Card控制技術(shù)通過數(shù)字化測(cè)量方式測(cè)試輸出轉(zhuǎn)角，對(duì)內(nèi)部含有控制算法的程序進(jìn)行不斷調(diào)整，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)多種校正控制，加強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

通過比較各項(xiàng)參數(shù)以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)定的控制技術(shù)能夠結(jié)合其它控制技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高精度控制，速度快、穩(wěn)定性強(qiáng)、調(diào)控性能好，更加適用于機(jī)器人舵機(jī)控制技術(shù)。

4 結(jié)束語

隨著人們對(duì)機(jī)器人研究的深入，機(jī)器人控制技術(shù)在市場(chǎng)上的應(yīng)用價(jià)值越來越高。Vision Card作為機(jī)器視覺技術(shù)的延展產(chǎn)物，在機(jī)器人控制領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用。本文引入Vision Card針對(duì)機(jī)器人舵機(jī)研究了一種高精度數(shù)字控制技術(shù)，針對(duì)舵機(jī)中的主要元件進(jìn)行控制，通過與開環(huán)控制、PID控制、模糊PID控制三項(xiàng)技術(shù)對(duì)比，驗(yàn)證本文設(shè)定技術(shù)的有效性。結(jié)果表明，該技術(shù)不僅能夠增強(qiáng)穩(wěn)定性，而且能夠加快控制速度。

本文研究的高精度數(shù)字控制技術(shù)雖然具備上述優(yōu)點(diǎn)，但是缺少對(duì)動(dòng)力學(xué)模型對(duì)運(yùn)動(dòng)精度的影響，未來需要在此方面進(jìn)行更加深入的探討。