具有視覺識別能力的雙輪機器人設(shè)計

錢春陽 許鵬

摘 要：為達到使雙輪機器人身體平衡的目的，本文基于模糊理論，設(shè)計出一款具有視覺識別能力的雙輪機器人。其間利用PDA通過網(wǎng)絡(luò)方式監(jiān)控機器人，以便任意控制二輪機器人前進、后退及左右轉(zhuǎn)向，同時依靠主動式自我平衡控制器的作用，使機器人保持身體平衡而不倒。

關(guān)鍵詞：視覺識別;機器人;系統(tǒng)設(shè)計;雙輪機器人

中圖分類號：TP242文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2020）29-0052-03

Abstract： In order to achieve the purpose of balancing the body of the two-wheeled robot， this paper designed a two-wheeled robot with visual identity ability based on fuzzy theory. In the meantime， the PDA is used to monitor the robot through the network， so as to control the two-wheeled robot to move forward， backward， and turn left and right， at the same time， relying on the function of the active self-balancing controller， the robot can maintain the balance of the body without falling.

Keywords： visual identity;robot;system design;two-wheeled robot

近年來，半導(dǎo)體行業(yè)高速發(fā)展，加快了機器人時代的來臨，為了滿足人們的多樣需求，各種不同功能的機器人應(yīng)運而生;無論是生產(chǎn)制造、家庭娛樂，還是環(huán)境安全維護、外層空間探險等，機器人都扮演著舉足輕重的角色[1-3]。因此，世界各國對機器人的研發(fā)可以說是不遺余力[4-5]，比如，日本SONY的機器狗AIBO、HONDA人形機器人以及美國著名大學(xué)Massachusetts Institute of Technology（MIT）所發(fā)展的各類仿生物行走機器人等，都一再打破了技術(shù)上的限制與眾人的想象，展現(xiàn)了人類的智慧與巧思。鑒于此，筆者便產(chǎn)生了自行研發(fā)一個機器人的構(gòu)想。

本研究采用的原始動機來自國外發(fā)名家Kamen所發(fā)明的Segway雙輪電動滑板車，其具有模仿人體平衡感的功能，可以自動平衡并保持直立。因此，筆者便利用此概念來達到使雙輪機器人身體平衡的目的。為達此目的，本研究必須設(shè)計一個主動式平衡控制器，利用傳統(tǒng)倒單擺控制的概念，并考慮身體與輪子的相對角度與角速度關(guān)系，將其當(dāng)作控制變量，主動控制兩輪的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向，使身體保持直立并且能自由轉(zhuǎn)向、前進、后退[6-7]。其間利用模糊平衡控制器，有效地達成多項復(fù)雜任務(wù)，如兩輪機器人平衡控制、人機接口的親和力提升、無線影像傳輸系統(tǒng)構(gòu)建。同時，由于設(shè)計了視覺傳感器，因此其也具有初步的感測外界能力。

1 設(shè)計方法

下面首先說明整個控制平臺的運動模式。機器人身體部分以輪軸為中心做前后擺動，若以車身垂直地面為0°，則車身可擺動的范圍為-90°～+90°，如圖1所示。

了解受控平臺的運動模式、行動決策后，在要求系統(tǒng)的反應(yīng)速度快及控制方法簡單的前提下，為了達到兩輪機器人能行動自如的目的，本研究設(shè)計出三個控制器，其分別為平衡控制器、定位控制器及兩輪同步控制器。平衡控制器是以車身傾斜的角度（eab）及角速度（evb）為輸入，計算出適當(dāng)?shù)鸟R達出力值（ub）來追回車身的重心。定位控制器用來克服車身為了保持直立而偏離定位點的情況，其輸入是輪子轉(zhuǎn)動的位置（epp）及速度（evp），輸出為偏向角（[θset]）。兩輪同步控制器則用于修正兩輪因馬達特性不一致而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動量誤差，兩個輸入分別為左右輪位置差值（epw）及差值變化量（evw），輸出為馬達出力補償值（uw），為了使得雙輪車能前進后退及左右轉(zhuǎn)向，本研究設(shè)計了前進后退控制器及左右轉(zhuǎn)向控制器，分別通過更改車身定位點參數(shù)（Vp）及兩輪位置差值參數(shù)（Tp）來影響雙輪車的行為。雙輪機器人控制系統(tǒng)的電路如圖2所示。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

一般而言，自走車可歸為機器人一類。機器人可以說是最佳系統(tǒng)整合的象征，也是本研究最終所要達成的目標(biāo)。而以移動方式來說，機器人除了以車輪帶動外，還有其他許多不同的形式，例如，以“足”為移動機構(gòu)的步行機器人，常見有六足機器人、四足機器人，另外甚至有雙足機器人。整體來說，步行機器人的行進速度較慢，但可以應(yīng)用在較復(fù)雜的地形，如凹凸不平的路面或是跨越階梯。至于車形機器人則有移動靈活的優(yōu)勢，但通常只適用于平坦的路面。另外，尚有配備各種大小吸盤及飛行機構(gòu)的攀墻機器人。

本研究以模糊理論為基礎(chǔ)，設(shè)計出一款具有視覺識別能力的雙輪機器人。其間利用PDA通過網(wǎng)絡(luò)方式監(jiān)控機器人，任意控制二輪機器人前進、后退及左右轉(zhuǎn)向，同時依靠主動式自我平衡控制器的作用，使機器人保持身體平衡而不倒。主要目標(biāo)是設(shè)計一個具有自我維持平衡能力的雙輪機器人，使其可行駛在傾斜不水平的地形上。最后可將車上之?dāng)?shù)字影像數(shù)據(jù)及車子的速度、角速度等數(shù)據(jù)經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)傳送，將其數(shù)據(jù)用響應(yīng)圖表現(xiàn)出來，而通過人機接口，人們可以任意控制二輪機器人前進、后退及左右轉(zhuǎn)向。

3 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計主要包括直流馬達、TA8429H電機驅(qū)動電路、光耦合保護電路PC817、PWM產(chǎn)生電路8254、8255可編程并行I/O接口芯片、主控制芯片W78E58B、擴充32K SDRAM、信號電壓轉(zhuǎn)換接口、外圍信號處理芯片W78E58B、串行服務(wù)器GW-21、譯碼電路HCTL2020、取樣電路ADC0804、光編碼器、濾波電路OPA2340、傾角傳感器、角速度陀螺儀、RF接收電路NT-R03A以及單片機AT89 C2051，如圖3所示。

人們可以通過無線局域網(wǎng)或有線通信介質(zhì)將雙輪機器人產(chǎn)生的數(shù)據(jù)傳送到遠程監(jiān)控平臺，遠程監(jiān)控平臺可實時監(jiān)控機器人的運動狀態(tài)，也可以向機器人發(fā)送指令使機器人按照要求執(zhí)行任務(wù)。同時，可以通過遙控器命令雙輪機器人執(zhí)行相應(yīng)操作，遙控裝置及供電系統(tǒng)設(shè)計如圖4所示。

為使雙輪機器人具有視覺識別功能，本研究設(shè)計了實時視覺服務(wù)追蹤系統(tǒng)。該系統(tǒng)由影像處理單元和軌跡運算單元組成。影像處理單元的主要功能是對攝影機拍攝的連續(xù)影像進行移動目標(biāo)物的分割，也就是將移動目標(biāo)物快速偵測出來。本研究采用背景相減法偵測移動目標(biāo)物，此方法的運算量較小，可做到即時移動目標(biāo)物偵測。而軌跡運算單元的主要功能是明確影像處理單元中找出的目標(biāo)物的部分運動軌跡，將目標(biāo)物的運動軌跡數(shù)據(jù)代入基于模糊理論的類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的動態(tài)方程式中，利用類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)本身具有的數(shù)據(jù)擬合特性來估測目標(biāo)對象的運動軌跡，作為機器人即時響應(yīng)動作的依據(jù)。

4 結(jié)論

為達到使雙輪機器人身體平衡的目的，本文利用PDA通過網(wǎng)絡(luò)方式監(jiān)控機器人，任意控制二輪機器人前進、后退及左右轉(zhuǎn)向，同時依靠主動式自我平衡控制器的作用，使機器保持身體平衡而不倒。為使雙輪機器人具有視覺識別功能，本研究設(shè)計了實時視覺服務(wù)追蹤系統(tǒng)。

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