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移动机器人控制系统设计

作者：贾丽仕日期：2015-11-18 10:23 来源：未知

0 引言
随着机器人技术的高速发展，对机器人的需求急剧增大。根据机器人工作环境的不同分为工业机器人和特种机器人。工业机器人是面向工业领域的多自由度机器人，而特种机器人是服务型机器人。其中移动机器人是特种机器人的一种，具有体积小、可靠性高、适应能力强的特点。移动机器人行走有轮式、履带式、腿式三种形式。
轮式机器人移动速度快、控制比较灵活，但是越障能力有限，在冰雪、泥地性能不足；履带式移动机器人抓地性能好，但是无法保障高通过能力；腿式机器人控制复杂，不适于对灵活性、快速性高的场合。
1 自主移动机器人规划路径
自主移动机器人能根据指令及环境进行自主路径规划，不断采集局部环境信息，做出决策实现安全到达目标地点。移动机器人采用上下位机控制方式，通过调整左右驱动轮实现运动，机器人载体通过无线通讯发送数据给上位机，机器人通过摄像头测距避障系统完成侦察观测。光靠图像识别摄像头，角度和转动是有限制的，辅以超声红外动态测距避障系统，可以对摄像头侦察范围外的障碍物进行测距和定位。由于摄像头在微弱的光线下无法观察，借助红外动态测距可以弥补不足。通过对障碍物进行测距，无线传输到电脑上显示出来，方便定位目标路径。移动机器人可以在光线差的环境中自主寻找光源完成相应任务。系统软件启动后进行系统自检和初始化，然后进行路径的规划。若发现光源，机器人停止运动，等待命令；没有发现光源，发现光源机器人停止运动，发出出错信息。当超声波系统发现前方有障碍物时，将产生外部中断，终止程序运行，重新规划路径，实现机器人的自主移动。
机器人的轨迹包括位移、速度和加速度。轨迹的生成是先给定轨迹上若干点，将其景运动学映射到关节空间，建立相应点运动方程，对关节进行插值，实现空间的运动要求。机器人的规划指机器人根据自身任务，解决方案的过程。
机器人运动规划是对手部位姿的描述，控制轨迹是按时控制手部或工具中心的空间路径。机器人的运动描述为工具坐标系和工件坐标系的相对运动。这种运动需把机器人、手爪、工具分离开，抽象出模型的描述方法。通常用点来表示机器人的状态或表示工具坐标系的位姿。不仅要规定机器人的起点和终点，还要规定中间点。运动轨迹除了位姿约束外，还存在各路径点之间的时间分配。机器人运动应当平稳，否则会造成机械部件的磨损。
机器人的轨迹规划一般是三步：第一步对机器人的任务进行运动路径的设计。第二步根据轨迹参数，模拟路径。第三步是对轨迹进行计算，算出位置、速度和加速度，生成运动轨迹。轨迹规划可以在关节空间进行，也可以在直角坐标空间进行。在关节空间进行的轨迹规划是将所有关节变量表示为时间的函数，用一阶、二阶导数描述机器人预期运动。在直角坐标空间规划轨迹是将手爪位姿、速度、加速度表示为时间函数，相应的关节位置、速度、加速度由手爪信息导出。
2 移动机器人进化控制系统
基于功能集成的移动机器人系统是由进化规划模块和基于行为的控制模块组成的。这种综合体系的优点是具有实时性，保持了目标可控性，具有自学习功能，不断调行为，以达到适应环境、完成任务的目的。机器人的避障、平衡、前进和后退是基于行为的模块来提供。进化规划模块负责高智能任务，包括路径规划及任务生成、协调工作。为了完成特定任务，进化规划模块需将目标驱动状态激活，设置协调参数。移动机器人进化控制系统储存了经验库指导进化规划。为了缓和系统各种行为模块的竞争，需要进化规划模块统筹安排。这种柔性协调策略根据机器人所处环境和执行任务不同而调整，在原有的基础上加以完善。
移动机器人进行控制系统的实现需要进行逻辑设计和物理实现。逻辑设计以进化规划模块与反射行为的实现为中心。离线进化算法模块根据经验知识对机器人运动路线做出离线规划，机器人的运动由运动规划模块控制。当遇到障碍时，启动反射行为，机器人有效避开障碍物。机器人启动在线进化规划，计算新路径，保持路径跟踪的有效。
3 机器人控制系统组态
机器人控制系统软件分为上位机软件和下位机软件。上位机有系统编程软件，下位机提供伺服软件。系统软件提供系统定义、命令、语言、编译。系统软件针对运动形式，进行轨迹的规划、坐标变化。下位机是直接控制设备的计算机，一般是PLC或单片机。上位机发出的命令首先发给下位机，下位机根据命令解释成时序信号直接控制外部设备。下位机不时读取设备状态数据，转化成数字信号反馈给上位机。下位机控制系统是检测机器人系统的核心，其性能的优劣直接影响机器人的执行能力。
下位机主要由 CPU214 模块、3 个数字量输出模块 EM232、1 个模拟量扩展模块 EM231，3 个变频器、传感器、采样控制模块、电源组成。控制系统使用的电源取决于控制系统的需求。由于机器人不断移动，系统采用充电电池供电。机器人硬件平台由两台IPC、一个伺服器、三个PWM放大器组成。传感器是机器人的五官，是机器人具有自主能力的重要前提。机器人系统共有超声、激光、增量编码器。超声传感器用来探测周围2米内的障碍物信息。激光传感器结合路标用来提供机器人在工作环境中的位置。超声和激光传感器的信号通过计算机实时处理形成位置和障碍物的信息，通过并行口将信息发给控制器。每个电机装有增量式编码器，实现轴空间的位置闭环控制。CPU214作为下位机的控制核心，存储和运行控制程序，与上位机及扩展模块之间的通讯和控制驱动轮的速度。将变频器的参数设定为高速、中速、低速，并且具有正反转、启动和停车功能，防止在鞋面上失控和频繁紧急启动和停车对系统的损坏。依据下位机主程序的流程，下位机控制分为四部分：初始化模块、解析模块、控制模块、通信模块。各部分负责各自的任务，当主程序运行到某一部分时，只要将相应的子程序调用即可。
(1) 初始化模块
系统初始化是指系统启动后调用的首个程序模块，在PLC上电后清空存在的机器人信息。为了防止各个模块在刚执行程序或首次调用模块参数时由于前一次参数未清除引起电机转动错误等问题，应该上电后就将每个程序模块参数清零。还要将定时器的计数寄存器清零，定义串口的波特率。
(2) 解析模块
系统解析模块是对上位机发送到下位机的命令进行解析，得到上位机发送的控制指令。程序初始化完成后，定时器开始工作，等待上位机的控制命令字数据帧，程序函数进行控制命令字解析，用于系统的控制。
(3) 控制模块
控制模块是下位机控制系统的核心。机器人的运动依赖于电机控制，机器人各种动作时利用控制器的电机控制程序实现。操作人员通过上位机监控机器人，无线接收模块将控制命令字发送给CPU，CPU按照指定的命令确定电机的转速，将电机控制命令转换为PWM信号传送给电机驱动芯片，电机驱动芯片驱动电机进行转动。
机器人控制器的设计是基于模块化体系出发的。将机器人的控制器、传感器、驱动器进行分解，形成标准的模块化功能构建。每个功能构件具有各自的功能，具有统一的总线接口，各功能构件之间按照机器人标准通信协议，通过总线通信；利用机器人对各个构件进行封装，形成一个抽象实体，向上层应用程序提供统一的访问接口。最后将构件组态成一个完整的机器人。机器人的软件和硬件被中间件隔离，形成相对独立的硬件和软件系统。硬件系统是传感器、执行器等组成。软件是控制算法和程序。
典型的机器人构件是由硬件、控制驱动接口、网络与总线通信接口、操作系统、软件中间件组成。软件中间件屏蔽了底层硬件和应用软件信息，实现不同功能构件的软件连接支持。系统的整个软件系统都是运行在机器人控制器上的，包括操作系统、中间件、应用程序等。机器人控制器不一定是一个独立的功能构件，有的机器人控制器可以连接许多外设。
(4) 通信模块
通信模块负责下位机数据信息收发。设计移动机器人通信系统考虑几个因素：可靠性、实时性、能量效率、带宽。移动机器人的软件操作平台是基于Linux。面向机器人的控制编程软件是用C++语言编写，源代码是开放的。机器人本体是服务器端，客户端与服务器端的连接实现使用的是基于 TCP 的 socket 编程。机器人本体不断将客户所需要的数据发送到客户端，客户根据编写的算法分析接收的数据，将移动机器人的运动控制指令送到机器人本体。移动机器人根据定义好的命令协议解析控制指令，让移动机器人按照控制指令运动。在实际的数据传输中，数据量较大，除了机器人的速度、角度、位置以外，还需要传送声呐传感器数据，为了保证数据传送的实时性，服务器端使用多线程编程。主线程实现服务器端的打开、监听、建立连接，以及命令帧的接收、解析、数据包的发送。设计的windows通信控制平台通过网卡接收移动机器人的速度、角度、位置、声呐信息等。机器人本体是一个两层结构：底层是嵌入式控制器，上层是Linux操作平台。移动机器人的数据由底层的嵌入式操作系统通过串行口每100毫秒向机器人的 Linux 平台传送一次。
5 结语
移动机器人关键技术的研究有两条技术路线：一条是按需牵引，技术驱动，结合工业发展的需求，开发柔性机器人。一条是从技术上模仿动物的功能，研究智能机器人。移动机器人走向实用和大众，必须解决运动系统、导航系统、精确感知能力。移动机器人的智能目标是自主性、适应性、交互性。自主性指机器人根据工作任务和环境变化，自己制定工作规划。适应性指机器人能适应复杂工作环境，不断识别和测量周围物体，理解索要执行的任务，做出正确判断及动作的能力。交互性是指机器人和环境、机器人和人、机器人和机器人之间信息的获取、处理和理解。
移动机器人涉及机械、自动控制原理、计算机、通信领域，是一个综合性研究课题。移动机器人一起独特的特点，在军事、工业、农业中获得广泛应用。随着科技进步，对移动机器人的运动轨迹的快速、精确、抗干扰能力要求越来越高。根据移动机器人能否在空间实现自由度，分为全方位和非全方位移动机器人。全方位移动机器人适合在工作空间有限的，对机器人机动性要求高的场合。
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