基于云平臺的全向移動機器人控制系統(tǒng)設(shè)計

李 剛，王李孫

（廣西大學(xué) 電氣工程學(xué)院，廣西 南寧 530004）

0 引 言

移動機器人以其具有靈活性、能夠提高生產(chǎn)效率和改善勞動條件等優(yōu)點而得到廣泛應(yīng)用[1]。常見的移動機器人的移動機構(gòu)有很多種，包括輪式、腿式和復(fù)合式等。其中，由于輪式移動機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計與控制方式相對簡單，被廣泛使用于各種工作環(huán)境[2]。而市場上的輪式移動機器人大多采用差速轉(zhuǎn)向、兩輪驅(qū)動的工作方式[3]，雖然它們可以到達(dá)工作場景下任何方向和位置，但由于它們輪子的非完整約束特性，其運動能力受到限制，需要復(fù)雜的操作和軌跡規(guī)劃[4]。

本文為了提高輪式移動機器人的環(huán)境適應(yīng)性和靈活性，設(shè)計了移動機器人的四輪獨立驅(qū)動轉(zhuǎn)向遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)移動機器人縱向直行、橫向直行、斜向直行、原地旋轉(zhuǎn)和四輪轉(zhuǎn)向等多種行車方式；并在此基礎(chǔ)上使用云服務(wù)器搭建物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

1 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計

全向移動機器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要由手機應(yīng)用程序、云服務(wù)器、底層控制器、電機驅(qū)動系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)組成。工作人員通過操作手機應(yīng)用程序發(fā)送指令，由云服務(wù)器傳達(dá)指令，底層控制器接收并解析指令，最終實現(xiàn)移動機器人的行走、轉(zhuǎn)向等運動。

圖1 總系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計框圖

1.1 云服務(wù)器搭建

遠(yuǎn)程無線通信的核心部分是云服務(wù)器。云服務(wù)器是基于阿里云平臺以及Linux 系統(tǒng)搭建設(shè)計，包括消息轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器和流媒體轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器，能夠確保全天24 h 無間斷穩(wěn)定工作[5]。消息轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器在確認(rèn)客戶端連接成功后，會自動回復(fù)“成功連接”字樣。為方便管理員管理設(shè)備連接，將不同控制系統(tǒng)與上位機進(jìn)行ID 捆綁。在數(shù)據(jù)傳輸時，控制系統(tǒng)將執(zhí)行設(shè)備上的數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器。服務(wù)器根據(jù)ID 號，將數(shù)據(jù)發(fā)至指定上位機實現(xiàn)數(shù)據(jù)指令的遠(yuǎn)程交互。流媒體轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器利用公網(wǎng)IP 把執(zhí)行設(shè)備的實時視頻流封裝成一個公網(wǎng)可訪問的RTSP 流地址。手機上只需要點開APP 內(nèi)的播放器即可實現(xiàn)在線監(jiān)視。

1.2 手機應(yīng)用程序設(shè)計

遠(yuǎn)程控制中的手機應(yīng)用程序是基于安卓系統(tǒng)平臺，以JAVA語言為基礎(chǔ)，使用谷歌公司的Android-Studio集成開發(fā)工具開發(fā)[6]，其主要功能是通過手機終端與云服務(wù)器的連接實現(xiàn)移動機器人的遠(yuǎn)程控制，同時獲取移動機器人的監(jiān)測數(shù)據(jù)。程序界面設(shè)計主要包括兩部分：首先，考慮到四輪獨立驅(qū)動與四輪獨立轉(zhuǎn)向的原因，移動機器人在初次使用時需要校正車輪零位，所以單獨設(shè)計了調(diào)車界面，方便工作人員根據(jù)現(xiàn)場自主設(shè)定初始位置，如圖2（a）所示；其次，工作人員需要根據(jù)周圍環(huán)境實時改變行走路徑，故設(shè)計了RTSP 視頻流地址播放器，如圖2（b）所示，實時轉(zhuǎn)播移動機器人的攝像頭傳輸回來的視頻信號。

圖2 手機APP 設(shè)計頁面

1.3 底層控制器設(shè)計

移動機器人的底層控制器設(shè)計采用模塊化的思想[7-8]，按照功能要求，主要將底層控制電路分為電源部分、通信部分、檢測部分、繼電器隔離部分以及主控制器，這樣不僅便于安裝，也便于后續(xù)升級、維修電路等。同時，考慮到車身過大，單控制器可能出現(xiàn)主程序運行不穩(wěn)定，車身走線繁雜等問題，系統(tǒng)采用雙MCU 結(jié)構(gòu)，設(shè)計成主從式分布結(jié)構(gòu)，主從板同時處理左右側(cè)信號并通過CAN 總線進(jìn)行通信和協(xié)調(diào)工作。底層控制電路結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

以ARM Cortex-M3 內(nèi)核的STM32F103RCT6 控制器作為控制核心，程序存儲器容量為256 KB，具有64 個引腳，支持I2C、SPI 和串口等外設(shè)[9]；電源模塊的60 V 輸入電壓由車載鉛酸蓄電池提供，5 V 和3.3 V 輸出電壓分別由LM2596 和AMS1117-3.3 V 模塊提供，為各類傳感器、控制器以及電機等用電模塊供電；通信模塊設(shè)計包括WiFi 無線通信、CAN 總線通信，WiFi 無線通信電路負(fù)責(zé)與云服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，CAN 總線通信電路負(fù)責(zé)左右兩側(cè)的單片機的數(shù)據(jù)交互；檢測模塊包括絕對值編碼器和增量式編碼器，絕對值編碼器用來檢測各個車輪角度，增量式編碼器用來檢測各個車輪速度；繼電器模塊用來連接主控制器與電機驅(qū)動器，以解決二者電平不匹配的問題。

1.4 控制系統(tǒng)程序設(shè)計

控制系統(tǒng)程序包括上電后各個模塊的初始化、通信模塊的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收、移動機器人動作控制以及數(shù)據(jù)檢測模塊讀取到的數(shù)據(jù)信息的處理分析。

系統(tǒng)的初始化包括主控的定時器、串口、SPI 總線、CAN 總線、GPIO 引腳和ESP8266 的初始化；通信模塊的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收主要包括ESP8266 與云服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳輸和發(fā)送。

系統(tǒng)程序主要包括無線模塊數(shù)據(jù)發(fā)送與接收以及叉車行走過程中的邏輯判斷，包括車輛轉(zhuǎn)向、輪子正位等。為防止系統(tǒng)出現(xiàn)由于信號不穩(wěn)定等特殊情況造成的車輛與服務(wù)器的斷開連接，在初始化階段加入STM32 內(nèi)部的窗口看門狗程序[10]，若超過2 s 沒有來自服務(wù)器的響應(yīng)，系統(tǒng)將會重新發(fā)送連接指令，直到重新與服務(wù)器連接上為止。控制程序流程如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)主程序流程

為了實現(xiàn)移動機器人的動作控制，操作人員只需要點擊相應(yīng)按鈕發(fā)送指令就可以實現(xiàn)移動機器人的行走、停車、轉(zhuǎn)向等操作。其中指令包含狀態(tài)指令、動作指令，狀態(tài)指令旨在將移動機器人狀態(tài)進(jìn)行改變，動作指令旨在控制移動機器人在某一狀態(tài)下的動作方式。另外，在一些網(wǎng)絡(luò)狀況不好的區(qū)域，為保證安全，加入報警模式，使得移動機器人在斷開連接后，操作端能夠及時發(fā)現(xiàn)問題并解決。

2 四輪獨立驅(qū)動轉(zhuǎn)向控制設(shè)計

2.1 四輪獨立轉(zhuǎn)向控制原理

作為轉(zhuǎn)向模型中常用的控制手法，阿克曼原理指在忽略側(cè)向力、傾斜等因素的理想狀態(tài)下，所有車輪的旋轉(zhuǎn)中心線最終交于一點，保證車輛在移動中發(fā)生轉(zhuǎn)向，車輪做純滾動而不發(fā)生側(cè)滑[11]?；诎⒖寺恚疚脑O(shè)計的全向輪式移動機器人具有縱向直行、橫向直行、斜向直行、原地旋轉(zhuǎn)和四輪轉(zhuǎn)向等多種運動狀態(tài)，因此具有更高的靈活性、更小的轉(zhuǎn)彎半徑以及更高的環(huán)境適應(yīng)能力。

目前，四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)的研究主要分為低速轉(zhuǎn)向模型和高速轉(zhuǎn)向模型[12]，二者主要以行駛速度作為區(qū)分。高速行駛時，為防止因出現(xiàn)較大偏側(cè)角而引起側(cè)傾翻，前后輪偏轉(zhuǎn)方向需要保持一致，實現(xiàn)同相位轉(zhuǎn)向。由于本文設(shè)計的全向輪式機器人主要應(yīng)用場景為一些狹窄、不方便人工直接操作的作業(yè)環(huán)境，需要限制機器人的移動速度，故僅考慮低速模型即可。低速時，前后輪偏轉(zhuǎn)角度相等、方向相反，實現(xiàn)逆相位轉(zhuǎn)向[13-15]，以獲得更小的轉(zhuǎn)彎半徑，具體實現(xiàn)方式如圖5 所示。

圖5 低速四輪轉(zhuǎn)向模型

以移動機器人右轉(zhuǎn)為例，依照圖5 中的低速四輪轉(zhuǎn)向模型中的幾何關(guān)系，可以得到移動機器人4 個車輪轉(zhuǎn)向時偏轉(zhuǎn)角關(guān)系滿足式（1）。

式中：θi(i=1, 2, 3, 4)分別為4 個直流電機的轉(zhuǎn)向角大小；W為左右輪輪距大??；L為前后輪輪距大小。

根據(jù)式（1），通過設(shè)置外側(cè)輪的轉(zhuǎn)向角，則可以進(jìn)一步計算出機器人的內(nèi)側(cè)輪轉(zhuǎn)向角。以右轉(zhuǎn)為例，左側(cè)輪為外側(cè)輪，則有：

由于低速四輪轉(zhuǎn)向模型中，同側(cè)車輪轉(zhuǎn)向角方向相反、角度相等，因此可以得到每個控制轉(zhuǎn)向的旋轉(zhuǎn)角度，以及對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)方向。

2.2 四輪獨立驅(qū)動控制原理

在全向移動機器人的轉(zhuǎn)向過程中，理論上是其圍繞ICR（瞬時旋轉(zhuǎn)中心）做圓周運動，內(nèi)外側(cè)輪轉(zhuǎn)向半徑不同，因此轉(zhuǎn)向過程中內(nèi)外側(cè)輪的線速度大小也不相同。由于一般的移動機器人多是采用后輪驅(qū)動的方式，在轉(zhuǎn)向過程中內(nèi)外側(cè)輪的驅(qū)動力矩相同，會產(chǎn)生額外的橫擺力矩，容易導(dǎo)致輪胎發(fā)生相對滑動[16]。

為解決上述問題，全向移動機器人在四輪獨立的基礎(chǔ)上增加了四輪獨立驅(qū)動控制，根據(jù)移動機器人的各個車輪轉(zhuǎn)向角度以及移動機器人質(zhì)心速度大小確定各輪所需實際轉(zhuǎn)速，使其與傳統(tǒng)輪式移動機器人相比具有更大的優(yōu)勢[15,17]。

根據(jù)上文中的低速四輪轉(zhuǎn)向模型，可以得到：

式中：Ri(i=1, 2, 3, 4)為4 個車輪轉(zhuǎn)彎半徑；r為內(nèi)側(cè)輪到ICR（瞬時移動中心）的距離。

由V=ωr可得：

式中：vi(i=1, 2, 3, 4)分別為4 個直流電機的線速度大?。沪貫檗D(zhuǎn)向時移動機器人的向心角速度。

根據(jù)式（4），設(shè)置外側(cè)輪轉(zhuǎn)向時速度大小，結(jié)合內(nèi)外側(cè)輪轉(zhuǎn)向角度，就可以通過計算得到內(nèi)側(cè)輪轉(zhuǎn)向過程中的轉(zhuǎn)速大小。以右轉(zhuǎn)為例，可得：

2.3 四輪獨立驅(qū)動轉(zhuǎn)向控制算法實現(xiàn)

四輪獨立驅(qū)動轉(zhuǎn)向具體控制策略如圖6 所示。圖中γi(i=1, 2, 3, 4)分別表示移動機器人4 個移動輪的給定角度；γif(i=1, 2, 3, 4)分別表示移動機器人4 個移動輪的實時檢測角度；vi(i=1, 2, 3, 4)分別表示移動機器人4 個移動輪的給定速度；vif(i=1, 2, 3, 4)分別表示移動機器人4 個移動輪的實時檢測速度。由式（2）和式（5）可知，控制移動機器人轉(zhuǎn)向操作僅需要輸入某一個移動輪的轉(zhuǎn)向角度和移動速度，控制系統(tǒng)就可以解算出其余3 個移動輪的轉(zhuǎn)向角度和移動速度。程序根據(jù)解算出來的結(jié)果，結(jié)合相應(yīng)的模塊控制器，從而實現(xiàn)移動機器人的四輪獨立驅(qū)動轉(zhuǎn)向的控制。

圖6 四輪獨立驅(qū)動轉(zhuǎn)向具體控制策略

為防止因負(fù)載不一致影響各個驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速，在原有的開環(huán)控制系統(tǒng)中加入PID 控制器進(jìn)行閉環(huán)控制，保證移動機器人穩(wěn)定運動。其中，為獲取無刷減速電機實際轉(zhuǎn)速，在電機上加裝分辨率為2 000 P/R 的增量式旋轉(zhuǎn)編碼器?？刂葡到y(tǒng)獲取移動輪實際轉(zhuǎn)速，將之與設(shè)定值一起送入PID 控制器，通過試驗整定PID 參數(shù)，最后實現(xiàn)無刷電機的穩(wěn)定驅(qū)動。相對于無刷直流電機的控制，步進(jìn)電機僅需保證固定速度轉(zhuǎn)向即可。但為了防止在控制步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動時出現(xiàn)丟步，加裝絕對值編碼器，實時檢測移動輪的角度位置。

3 實物樣式與試驗

3.1 系統(tǒng)搭建與實物樣式

根據(jù)設(shè)計的總體需求，所搭建的全向移動機器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)包括全向的移動機器人、硬件控制板、云服務(wù)器系統(tǒng)以及安卓APP。移動機器人實物如圖7 所示。實物前后移動輪軸距1.315 m，左右輪軸距為1.490 m。

圖7 全向移動機器人實物圖

3.2 控制系統(tǒng)可靠性試驗

控制系統(tǒng)的可靠性試驗主要包括測試系統(tǒng)能否長時間穩(wěn)定運行、測試移動機器人能否完成指令要求、報警模式響應(yīng)時間以及測試控制過程中在線監(jiān)視功能的延遲時間。

在測試系統(tǒng)能否長時間穩(wěn)定運行的試驗中，以電池滿電到完全耗盡電量總計4 h 為標(biāo)準(zhǔn)。在一次完整的電池放電時間內(nèi)，出現(xiàn)系統(tǒng)斷開連接次數(shù)小于等于1 次，且在斷開連接后能夠在4 s 內(nèi)重新恢復(fù)通信。

遠(yuǎn)程控制移動機器人進(jìn)行指令完成度的測試過程中，移動機器人對于各個運動指令均能較好地實現(xiàn)基礎(chǔ)要求，且響應(yīng)時間小于200 ms。

報警模式響應(yīng)時間的測試過程中，為判斷何時網(wǎng)絡(luò)變差，測試中人為斷開網(wǎng)絡(luò)，測量報警模式響應(yīng)時間。響應(yīng)時間見表1 所列。

表1 報警模式響應(yīng)時間

在線監(jiān)視功能的延遲時間的測試主要通過現(xiàn)場測試人員與手機端操作人員進(jìn)行時間上的比對。分別在一次移動機器人行駛的初始時間、運行0.5 h 后、運行1 h 后以及運行2 h后四個時間點進(jìn)行測試。測試結(jié)果見表2 所列。

表2 視頻延時測試結(jié)果

根據(jù)表2 所測量的數(shù)據(jù)，在網(wǎng)絡(luò)信號良好的情況下，視頻延時基本穩(wěn)定在1.2 s 左右，對低速運行的移動機器人的影響不大。

試驗結(jié)果表明，移動機器人能夠長時間地穩(wěn)定運行，且對指令的完成度良好以及其在線監(jiān)視功能的延時性很低。整體而言，控制系統(tǒng)具有較高的可靠性。

3.3 四輪轉(zhuǎn)向試驗

進(jìn)行四輪轉(zhuǎn)向測試實驗時，遠(yuǎn)程控制移動機器人在運動模式下以1 m/s 的固定行駛速度低速行駛。移動機器人四輪轉(zhuǎn)向測試實驗中，加入前輪轉(zhuǎn)向?qū)嶒炦M(jìn)行對比。轉(zhuǎn)向?qū)嶒灥臏y試內(nèi)容為固定移動機器人的內(nèi)側(cè)輪轉(zhuǎn)向角時，測試移動機器人內(nèi)側(cè)輪的實際轉(zhuǎn)彎半徑。測試的6 組數(shù)據(jù)見表3 所列。表中左轉(zhuǎn)為負(fù)，右轉(zhuǎn)為正。

表3 轉(zhuǎn)彎半徑測試結(jié)果 單位：m

實驗結(jié)果表明，與前輪轉(zhuǎn)向相比，四輪轉(zhuǎn)向極大地減小了移動機器人的轉(zhuǎn)彎半徑。

4 結(jié) 語

本文根據(jù)全向移動機器人的運動特點，設(shè)計開發(fā)了一套全向移動機器人的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了遠(yuǎn)程無線控制各個移動輪的行走和轉(zhuǎn)向。實驗結(jié)果表明，本文所設(shè)計的全向移動機器人相對于傳統(tǒng)移動機器人擁有更小的轉(zhuǎn)向半徑，可以在不改變車身方向的同時進(jìn)行斜行，甚至可以實現(xiàn)原地旋轉(zhuǎn)，在不同的工作環(huán)境中有著更好的適應(yīng)能力。遠(yuǎn)程控制時，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定、響應(yīng)速度快，一定程度上降低了人力成本和人工現(xiàn)場作業(yè)的危險系數(shù)；也為下一步在全向移動機器人上繼續(xù)搭載視覺導(dǎo)航等系統(tǒng)，實現(xiàn)路徑規(guī)劃以及無人駕駛等功能奠定了基礎(chǔ)。