基于無線網(wǎng)絡(luò)通信的機(jī)器人自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 鑫

（四川長江職業(yè)學(xué)院，成都 610106）

服務(wù)機(jī)器人作為一種半自動(dòng)化或全自動(dòng)的機(jī)器人[1]，能夠完成人類服務(wù)工作[2]，是未來服務(wù)業(yè)應(yīng)用的主要趨勢。高精度的定位導(dǎo)航應(yīng)用是服務(wù)機(jī)器人應(yīng)用的基礎(chǔ)與保障[3]。

文獻(xiàn)[4]在研究機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)過程中，以STM32芯片為核心，基于超聲波三邊定位算法定位目標(biāo)，選取人工勢場算法規(guī)劃機(jī)器人導(dǎo)航路徑，通過PWW 波控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)；文獻(xiàn)[5]通過圖像處理算法獲取機(jī)器人周邊環(huán)境圖像特征值，采用極限學(xué)習(xí)機(jī)獲取機(jī)器人最優(yōu)導(dǎo)航路徑；文獻(xiàn)[6]在設(shè)定機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)過程中引入人工勢場法算法，并在有障礙與無障礙兩種條件下測試系統(tǒng)性能。本文考慮服務(wù)機(jī)器人應(yīng)用過程中的數(shù)據(jù)通信性能，設(shè)計(jì)基于無線網(wǎng)絡(luò)通信的機(jī)器人自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)化導(dǎo)航。

1 機(jī)器人自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)

1.1 機(jī)器人自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于開放性模塊化設(shè)計(jì)理念[7]，設(shè)計(jì)基于無線網(wǎng)絡(luò)通信的機(jī)器人自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包含兩個(gè)組成部分，分別是移動(dòng)控制單元與移動(dòng)機(jī)器人單元，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 基于無線網(wǎng)絡(luò)通信的機(jī)器人自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)Fig.1 Robot automatic navigation system based on wireless network communication

移動(dòng)機(jī)器人單元利用環(huán)境信息感知模塊中的無線傳感器等設(shè)備采集周邊環(huán)境信息，所采集信息基于USB 總線輸入至該單元的機(jī)器人信息交換及處理平臺(tái)中進(jìn)行集成與存儲(chǔ)，信息集成結(jié)果通過無線網(wǎng)絡(luò)通信模塊傳輸至移動(dòng)控制單元的機(jī)器人信息交換及處理平臺(tái)中，通過語音輸出模塊與文字及圖像輸出模塊向用戶提供機(jī)器人當(dāng)前所處區(qū)域信息、環(huán)境視頻圖像以及距離信息，用戶依照實(shí)際需求通過按鈕輸入模塊設(shè)定目的地，移動(dòng)控制單元中的機(jī)器人信息交換及處理平臺(tái)依照機(jī)器人當(dāng)前所處區(qū)域信息與用戶設(shè)定目的地信息進(jìn)行路徑規(guī)劃生成導(dǎo)航信息，導(dǎo)航信息通過無線網(wǎng)絡(luò)通信模塊傳輸至移動(dòng)機(jī)器人單元的機(jī)器人信息交換及處理平臺(tái)中，通過USB 總線驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制模塊內(nèi)的電機(jī)令機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，依照導(dǎo)航信息移動(dòng)至目的地。

1.2 環(huán)境信息感知模塊設(shè)計(jì)

環(huán)境信息感知模塊利用聲納傳感器、位置敏感傳感器（PSD）以及CCD 攝像頭、激光雷達(dá)等采集周邊環(huán)境信息。環(huán)境信息感知模塊內(nèi)的激光雷達(dá)能夠?qū)崿F(xiàn)水平面的全角度掃描功能[8]，水平分辨率與掃描頻率分別為0.158°和26 Hz，能夠高效獲取室內(nèi)外環(huán)境信息；數(shù)字羅盤能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人自身位姿信息的實(shí)時(shí)反饋[9]。所采集的環(huán)境信息與位姿信息通過串行接口傳輸至機(jī)器人信息采集及處理平臺(tái)中。聲納與CCD 攝像頭可提供聲納信息與清晰圖像，基于多通信圖像信息融合準(zhǔn)確判定導(dǎo)航目的地或目標(biāo)。環(huán)境信息感知模塊結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 環(huán)境信息感知模塊結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of environmental information perception module

各傳感器與攝像頭采用無線組網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行設(shè)置與通信。無線組網(wǎng)技術(shù)的主要優(yōu)勢為具有高度靈活性與流動(dòng)性。作為一種全新的無線組網(wǎng)技術(shù)，ZigBee 技術(shù)在原有技術(shù)優(yōu)勢上，更添加成本小、交互性強(qiáng)、安全性高、功耗低等優(yōu)勢[10]，并且其能夠應(yīng)用于不同類別的設(shè)備中，能夠?qū)崿F(xiàn)定位功能。環(huán)境信息感知模塊采用ZigBee 技術(shù)搭建機(jī)器人環(huán)境信息感知網(wǎng)絡(luò)。科學(xué)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是無線網(wǎng)絡(luò)通信的基礎(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)對其自身的搭建成本、運(yùn)行速度與特征等功能產(chǎn)生決定性影響。當(dāng)前普遍使用的ZigBee 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要包括星形、網(wǎng)狀形與樹形等結(jié)構(gòu)。而考慮機(jī)器人導(dǎo)航過程的特征，環(huán)境信息感知模塊中ZigBee 網(wǎng)絡(luò)搭建主要采用樹形結(jié)構(gòu)，具體如圖3 所示。

圖3 樹形結(jié)構(gòu)ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of ZigBee wireless network with tree structure

1.3 無線網(wǎng)絡(luò)通信模塊

無線網(wǎng)絡(luò)通信模塊是機(jī)器人自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)內(nèi)的核心模塊之一，其性能設(shè)計(jì)直接影響機(jī)器人的應(yīng)用性能。無線網(wǎng)絡(luò)通信模塊以nRF905 單片機(jī)為核心，其整體結(jié)構(gòu)如圖4 所示。機(jī)器人自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)內(nèi)，無線網(wǎng)絡(luò)通信模塊以nRF905 單片機(jī)為核心，該單片機(jī)具有收發(fā)一體的特征，其中包含頻率合成器、功率放大器以及調(diào)制器等功能性器件。該單片機(jī)主要工作于433 MHz，868 MHz 和915 MHz 的ISM 頻段，運(yùn)行過程中采用半雙工運(yùn)行模式[11]，利用該信息能夠有效實(shí)現(xiàn)高效的機(jī)器人運(yùn)行數(shù)據(jù)傳輸，且傳輸過程中無須微控制單元處理數(shù)據(jù)，具有軟件開發(fā)效率快、價(jià)格較低等優(yōu)勢。

圖4 無線網(wǎng)絡(luò)通信模塊結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure diagram of wireless network communication module

機(jī)器人自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)內(nèi)的無線網(wǎng)絡(luò)通信模塊工頻達(dá)到455 MHz，其能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離條件下的數(shù)據(jù)交互，在天線與水平地面距離為1.6±0.2 m 的條件下，移動(dòng)機(jī)器人單元與移動(dòng)控制單元間的通信有效距離可達(dá)800 m 以上，同時(shí)隨著天線與水平地面距離的提升以及通信距離間障礙物數(shù)量的減少，有效通信距離可提升至3000 m 左右。以nRF905 單片機(jī)為核心的無線網(wǎng)絡(luò)通信模塊功耗較低，正常工作條件下的功耗上限與工作電流上限分別為375 mW 和85 mA。無線網(wǎng)絡(luò)通信模塊的信號(hào)發(fā)射性能與接收性能均較為靈敏，信號(hào)發(fā)射功率上限與接收功率下限分別為26 dBm 和-95 dBm，數(shù)據(jù)傳輸速率上限達(dá)到100 Kb/s。無線網(wǎng)絡(luò)通信模塊具有高度穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸模式[12]，能夠準(zhǔn)確檢驗(yàn)地址間的匹配，自主重發(fā)數(shù)據(jù)等。

1.4 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制算法

移動(dòng)機(jī)器人單元接收到移動(dòng)控制單元傳輸?shù)膶?dǎo)航信息后，驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制模塊，通過PID 控制算法實(shí)現(xiàn)機(jī)器人移動(dòng)控制[13]，令機(jī)器人到達(dá)導(dǎo)航目的地。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制過程中采用PID 控制算法后，可通過調(diào)節(jié)比例、比例微分、積分與比例微積分實(shí)現(xiàn)高精度機(jī)器人導(dǎo)航控制。比例調(diào)節(jié)的傳遞函數(shù)為

式中：BP表示比例調(diào)節(jié)系數(shù)。

比例調(diào)節(jié)影響下，機(jī)器人的導(dǎo)航運(yùn)動(dòng)控制特征方程為

式中：A0（s）和H（S）分別表示傳遞函數(shù)與調(diào)節(jié)函數(shù)。

在調(diào)節(jié)Bp過程中，運(yùn)動(dòng)控制模塊的響應(yīng)速度將變化，可根據(jù)此方式提升運(yùn)動(dòng)控制模塊的響應(yīng)速度。但在運(yùn)動(dòng)控制模塊相應(yīng)速度提升的條件下，其自身的穩(wěn)定性將呈現(xiàn)不同程度的下降趨勢，因此為確保運(yùn)動(dòng)控制模塊運(yùn)行的穩(wěn)定性，需通過微分調(diào)節(jié)校正模塊。比例微分調(diào)節(jié)的控制方程為

式中：BD表示微分調(diào)節(jié)系數(shù)。

由此可得到PID 運(yùn)動(dòng)控制器的信號(hào)為

運(yùn)動(dòng)控制模塊的開環(huán)傳遞函數(shù)為

式中：wn和ξ 分別表示運(yùn)動(dòng)控制模塊頻率和阻尼。

結(jié)合PD 控制器后，運(yùn)動(dòng)控制模塊的開環(huán)傳遞函數(shù)有所變化，通過PD 控制將一個(gè)零點(diǎn)引入傳遞函數(shù)內(nèi)，s=-BP/BD表示負(fù)實(shí)軸上該零點(diǎn)的表達(dá)式，積分函數(shù)為

式中：BI表示積分系數(shù)。

結(jié)合比例控制的條件下傳遞函數(shù)為

分析式（7）得到，PI 控制就是將一個(gè)零點(diǎn)引入傳遞函數(shù)內(nèi)，疊加比例、積分與微分等一序列調(diào)節(jié)，能夠得到：

由此得到運(yùn)動(dòng)控制模塊內(nèi)的傳遞函數(shù)表達(dá)式為

機(jī)器人導(dǎo)航運(yùn)動(dòng)控制過程中，PID 運(yùn)動(dòng)控制器接收到脈沖信號(hào)后，需依照實(shí)際應(yīng)用目的，根據(jù)秒沖周期劃分積分與微分時(shí)間，獲取科學(xué)的脈沖周期，機(jī)器人導(dǎo)航運(yùn)動(dòng)控制流程如圖5 所示。

圖5 機(jī)器人導(dǎo)航運(yùn)動(dòng)控制流程Fig.5 Robot navigation motion control flow chart

機(jī)器人自動(dòng)導(dǎo)航過程中，環(huán)境信息感知模塊采集周邊路徑信息，路徑信息通過無線網(wǎng)絡(luò)通信傳輸至移動(dòng)控制單元中進(jìn)行導(dǎo)航路徑規(guī)劃，規(guī)劃信息反饋至移動(dòng)機(jī)器人單元中。在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)條件下機(jī)器人依照規(guī)劃路徑開始移動(dòng)；基于PID 運(yùn)動(dòng)控制器輸出脈沖控制信號(hào)實(shí)施反饋調(diào)節(jié)，基于移動(dòng)誤差的反饋提升機(jī)器人依照規(guī)劃路徑移動(dòng)的精度，令機(jī)器人有效達(dá)到目的地。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的基于無線網(wǎng)絡(luò)通信的機(jī)器人自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)在實(shí)際機(jī)器人導(dǎo)航中的應(yīng)用效果，以某型號(hào)機(jī)器人為研究對象，在某1000 m×800 m 的實(shí)驗(yàn)大廳內(nèi)進(jìn)行測試，測試結(jié)果如下。

2.1 導(dǎo)航結(jié)果與性能分析

本文系統(tǒng)的導(dǎo)航結(jié)果如圖6 所示。黑色框與灰色框分別為出發(fā)點(diǎn)與目的點(diǎn)，白色框?yàn)樽?，也可將其定義為障礙物。分析圖6 能夠得到，本文系統(tǒng)在導(dǎo)航過程中規(guī)劃出3 條移動(dòng)路徑，這3 條路徑全部有效避開了所有障礙物，通過這3 條路徑均能夠有效由出發(fā)點(diǎn)到達(dá)目的點(diǎn)。路徑2 為本文系統(tǒng)實(shí)際移動(dòng)過程中所選的導(dǎo)航路徑，與其他兩條路徑相比，路徑2 在有效避開所有障礙物的基礎(chǔ)上，還是最短的路徑。以上結(jié)果充分說明本文系統(tǒng)不僅能夠有效實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航目的，躲避全部障礙物，而且能夠在全部導(dǎo)航路徑中獲取最優(yōu)路徑。

圖6 導(dǎo)航結(jié)果Fig.6 Navigation results

2.2 無線通信距離測試

本文系統(tǒng)中采用無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，無線網(wǎng)絡(luò)通信性能對于機(jī)器人導(dǎo)航性能產(chǎn)生直接影響。測試實(shí)驗(yàn)大廳內(nèi)有無障礙物條件下，本文系統(tǒng)的信息傳輸性能，所得結(jié)果如圖7 所示。

圖7 無線網(wǎng)絡(luò)通信距離測試結(jié)果Fig.7 Wireless network communication distance test results

分析圖7 得到，在無障礙物條件下，本文系統(tǒng)在870 m 以內(nèi)均可確保機(jī)器人周邊環(huán)境信息傳輸?shù)姆€(wěn)定性，在信息傳輸距離達(dá)到870 m 以上的條件下，信息傳輸過程中信號(hào)幅度產(chǎn)生相應(yīng)波動(dòng)，波動(dòng)幅度范圍在2 dbm 以內(nèi)。當(dāng)傳輸距離達(dá)到1000 m 以上后，信息傳輸過程變得極為不穩(wěn)定，有較大概率產(chǎn)生信息傳輸中斷問題。在有障礙物條件下，本文系統(tǒng)在790 m 范圍內(nèi)可確保機(jī)器人周邊環(huán)境信息傳輸?shù)姆€(wěn)定性，當(dāng)超過這一距離后，本文系統(tǒng)的信息傳輸波動(dòng)范圍達(dá)到4 dbm 左右，且信息傳輸中斷概率顯著提升。以上數(shù)據(jù)充分說明本文系統(tǒng)能夠有效實(shí)現(xiàn)機(jī)器人導(dǎo)航過程中的信息傳輸。

2.3 信息傳輸誤差分析

為測試本文系統(tǒng)中無線網(wǎng)絡(luò)通信模塊的信息傳輸性能，分析有障礙與無障礙兩種不同條件下本文系統(tǒng)中無線網(wǎng)絡(luò)通信模塊的數(shù)據(jù)收發(fā)性能，所得結(jié)果如圖8 所示。

圖8 數(shù)據(jù)傳輸性能測試結(jié)果Fig.8 Data transmission performance test results

分析圖8 得到，隨著無線網(wǎng)絡(luò)通信距離的提升，本文系統(tǒng)信息接收功率損耗與誤碼率分別呈現(xiàn)逐漸下降與逐漸提升的趨勢。本文系統(tǒng)無線通信傳輸過程在無障礙條件下的信息接收功率損耗上限與誤碼率上限分別為-27.5 dBm 和0.9%左右；在有障礙條件下的信息接收功率損耗上限與誤碼率上限則分別為47.8 dBm 和1.4%左右。以上數(shù)據(jù)中充分說明本文系統(tǒng)的無線通信傳輸性能可滿足研究對象在導(dǎo)航應(yīng)用需求。

3 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)基于無線網(wǎng)絡(luò)通信的機(jī)器人自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)，通過無線網(wǎng)絡(luò)通信模塊實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人單元與移動(dòng)控制單元間的無線通信。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，本文系統(tǒng)能夠有效實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自動(dòng)導(dǎo)航。由于研究時(shí)間、資金與實(shí)驗(yàn)場地所限，本文系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用過程中還具有較大改進(jìn)空間，在后續(xù)優(yōu)化過程中，將進(jìn)一步針對本文系統(tǒng)的環(huán)境信息感知模塊與導(dǎo)航路徑規(guī)劃性能進(jìn)行深入研究，進(jìn)一步提升本文系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用性能。