摘要：通過對移動機器人的研究，本文采用單片機實現(xiàn)對輪式移動機器人電機驅(qū)動和閉環(huán)調(diào)速的控制，實現(xiàn)了基于渡越時間法的超聲波測距模塊設(shè)計，為機器人提供簡單方便的障礙物距離檢測。經(jīng)過實驗仿真驗證，論文設(shè)計的移動機器人運行平穩(wěn)，控制簡單。仿真的路徑跟蹤結(jié)果顯示路徑跟蹤控制規(guī)則能夠使機器人較好的跟蹤已知路徑。

關(guān)鍵詞：單片機，移動機器人；運動控制系統(tǒng)；軌跡跟蹤；

中途分類號：TP9文獻標識碼：B

0引言

隨著移動機器人技術(shù)的迅速發(fā)展及其在工業(yè)、軍事等領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，有關(guān)移動機器人的理論、設(shè)計、制造和應(yīng)用的新的技術(shù)科學---機器人學，已逐漸形成，并越來越引起人們廣泛的關(guān)注。移動機器人的研究將進入了一個嶄新的階段。同時，太空資源、海洋資源的開發(fā)與利用為移動機器人的發(fā)展提供了廣闊的空間。目前，智能移動機器人，無人自主車等領(lǐng)域的研究進入了應(yīng)用的階段，隨著研究的深入，對移動機器人的自主導(dǎo)航能力，動態(tài)避障策略，避障時間等方面提出了更高的要求。地面智能機器人路徑規(guī)劃，是行駛在復(fù)雜，動態(tài)自然環(huán)境中的全自主機器人系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，而地面智能機器人全地域全自主技術(shù)的研究，是當今國內(nèi)外學術(shù)界面臨的挑戰(zhàn)性問題。

智能移動機器人是一類能夠通過傳感器感知環(huán)境和自身狀態(tài)，實現(xiàn)在有障礙物的環(huán)境中面向目標自主運動，從而完成一定功能的機器人系統(tǒng)。移動機器人技術(shù)研究綜合了路徑規(guī)劃、導(dǎo)航定位、路徑跟蹤與運動控制等技術(shù)。涉及到包括距離探測、視頻采集、溫濕度以及聲光等多種外部傳感器，作為移動機器人的輸入信息。移動機器人的運動控制主要是完成移動機器人的運動平臺，提供一種移動機器人的控制方式。性能良好的移動機器人運動控制系統(tǒng)是移動機器人運行的基礎(chǔ)，能夠服務(wù)于移動機器人研究的通用開發(fā)平臺。

運動控制器是移動機器人的執(zhí)行機構(gòu)，對機器人的平穩(wěn)運行起著重要作用。隨著新的智能控制算法的不斷涌現(xiàn)，移動機器人正向著智能化方向發(fā)展，這就對運動控制系統(tǒng)性能提出了更高的要求。設(shè)計實現(xiàn)智能移動機器人的控制系統(tǒng)，能夠熟悉移動機器人硬件和軟件的開發(fā)，掌握移動機器人的運動控制特性，為后續(xù)的移動機器人的功能擴展搭建一個可行、穩(wěn)定的平臺，而這個平臺則可以作為多種機器人開發(fā)的公共基礎(chǔ)平臺。實現(xiàn)智能移動機器人控制系統(tǒng)的開發(fā)具有一定的現(xiàn)實意義，將為以后的移動機器人開發(fā)奠定堅實的基礎(chǔ)。

1控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能

移動機器人運動控制系統(tǒng)是整個移動機器人的基礎(chǔ)，．可靠的運動控制系統(tǒng)是移動機器人實驗設(shè)計的前提。設(shè)計智能移動機器人控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1移動機器人控制系統(tǒng)框圖

開發(fā)人員在上位機進行移動機器人的軟件開發(fā)，同時上位機也是整個移動機器人的控制中樞，上位機接收各信息采集模塊提供的環(huán)境信息，給出移動機器人控制指令控制機器人移動。機器人本體上安裝有四個驅(qū)動電機，作為移動機器人的驅(qū)動機構(gòu)。每個驅(qū)動電機都帶有一個光電碼盤，光電碼盤提供正交編碼脈沖信號，可用作驅(qū)動電機閉環(huán)調(diào)速和機器人定位脈沖。車載處理器主要負責超聲波測距模塊控制、模塊管理、機器人定位以及和上位機的通信，可以采用通用計算機、大容量單片機、DSP、ARM等嵌入式控制器。

如果采用通用計算機，那么開發(fā)上位機就不用獨立于車載處理器之外了。移動機器人輸入信息包括視覺輸入和距離檢測。視覺信息包括全景視覺和雙目視覺攝像機。距離信息包括激光測距和超聲波測距模塊。移動機器人根據(jù)開發(fā)人員事先建立好的環(huán)境地圖，移動過程中讀取的環(huán)境信息，在處理器內(nèi)根據(jù)控制規(guī)則進行運算，輸出控制信息到驅(qū)動電機，控制機器人的移動。

移動機器人的車載處理器和上位機作為處理中樞，接收激光、超聲波等測距模塊提供的障礙物距離信息，全景、雙目視覺提供的視覺信息。結(jié)合上位機中的預(yù)設(shè)功能，通過控制驅(qū)動電機控制機器人完成相應(yīng)動作。

2控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)硬件主要包含主控板硬件、電機驅(qū)動以及超聲波測距模塊。

(1)主控板硬件：主控板是移動機器人的硬件控制中心，主要負責各模塊管理協(xié)調(diào)和數(shù)據(jù)通信任務(wù)，主控芯片采用TI公司2000控制型DSP。主控板主要負責與上位機的通信，電機驅(qū)動的控制信息可以由上位機經(jīng)過主控板傳輸?shù)诫姍C驅(qū)動控制器。同時主控板檢測電機碼盤提供的正交編碼脈沖信號用作機器人的定位。距離檢測模塊接口主要由主控板負責。超聲波測距模塊由主控板進行管理，發(fā)射信號的產(chǎn)生，接收信號的檢測處理和超聲波運行時間的讀取都由主控板控制完成。如果激光測距傳感器和雙目相機的接口為RS232串口，那么主控板也可以作為這類距離傳感器的接口芯片，減少上位機的接口負荷，優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

(2)電機驅(qū)動模塊：移動機器人有四個定向輪，分別由四個完全相同的驅(qū)動電機驅(qū)動。為保證驅(qū)動電機閉環(huán)調(diào)速的實時、準確性和運行的穩(wěn)定、獨立性，每個驅(qū)動電機將由各自電機驅(qū)動控制器單獨驅(qū)動。每個電機驅(qū)動模塊由一個帶有通信接口的控制器和電機驅(qū)動單元組成。電機驅(qū)動模塊控制芯片接收控制指令，計算出驅(qū)動電機運行速度和方向，給出驅(qū)動電機控制電壓，同時通過驅(qū)動電機同軸光電碼盤檢測電機運行速度，對驅(qū)動電機目標速度和實際速度差值進行一定運算，給出驅(qū)動電機控制電壓值，完成驅(qū)動電機的閉環(huán)調(diào)速。

(3)超聲波測距模塊：超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機械振蕩，傳播速度僅為光波的百萬分之一，縱向分辨率較高。超聲波對色彩、光照度、外界光線和電磁場不敏感，因此超聲波測距對于被測物處于黑暗、有灰塵或煙霧、強電磁干擾、有毒等惡劣的環(huán)境下有一定的適應(yīng)能力，在液位測量、機器人避障和定位、倒車雷達、物體識別等方面有廣泛應(yīng)用。由于超聲波傳播不易受干擾，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量。超聲波測距模塊為移動機器人提供障礙物距離信息。使用渡越時間法測量距離?？刂破鳟a(chǎn)生方波信號，經(jīng)過功率放大到超聲波換能器輸出，輸出超聲波在空氣中以聲速傳播，經(jīng)障礙物反射回來，由接收超聲波換能器接收。由于超聲波信號在空氣中衰減，接收換能器輸出的電信號極其微弱，大都為毫伏級，并且會摻雜一些噪聲干擾，所以需要對接收信號進行放大和濾波。調(diào)理過的信號再通過檢波和整形即可被控制芯片使用。從控制芯片發(fā)射超聲波信號開始到接收檢測到整形后的信號即為超聲波的傳輸時間，從而計算出障礙物距離。

主控板硬件主要內(nèi)容為主控芯片TMS320LF2407A及其外圍電路，外圍電路包括復(fù)位電路、時鐘、電源模塊、JTAG接口、鎖相環(huán)外接濾波模塊、SRAM、模塊I／O接口、串口傳輸模塊以及電平轉(zhuǎn)換芯片等。主控板主要負責各模塊接口管理和通信任務(wù)，同時主控芯片完成超聲波測距的設(shè)計控制和機器人定位。另外設(shè)計中主控板還可嵌入相關(guān)開發(fā)系統(tǒng)，利于后續(xù)設(shè)計的開發(fā)和升級。主控板硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2主控板硬件結(jié)構(gòu)圖

3仿真模型

本文設(shè)計了一個基于Simulink7的智能小車仿真平臺，能夠根據(jù)系統(tǒng)性能要求確定PID控制器的最優(yōu)參數(shù)，并且利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)實時反映智能小車運行過程中的狀態(tài)，可以為電子設(shè)計中掌握小車運動控制提供很好的演示環(huán)境

假設(shè)車在XOY坐標系的坐標為(X，Y)，運行方向與X軸的夾角為θ，則向量[X，Y，θ]表示車的位姿，小車運動方程如下:

式中，b為左右驅(qū)動輪間橫向距離，vL為左輪線速度，vR為右輪線速度，ω為小車轉(zhuǎn)向速度，v為小車前進速度左右驅(qū)動輪選用同一型號電機，車輪摩擦轉(zhuǎn)矩Tf為反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載。若i為減速比，η為傳動機構(gòu)效率，則負載轉(zhuǎn)矩折算到電機軸上的等效轉(zhuǎn)矩

T=Tf/iη

采用虛擬仿真技術(shù)使得對智能車的測控更加直觀，Simulink優(yōu)化設(shè)計模塊使系統(tǒng)控制器參數(shù)的調(diào)節(jié)更為方便，兩者結(jié)合實現(xiàn)了可視化交互性操作，能實時觀測智能車運動狀態(tài)的變化。

4控制器參數(shù)優(yōu)化

本設(shè)計采用PID控制，通過調(diào)節(jié)KP、KI和KD三個控制參數(shù),使智能車能更準確、快速地沿給定路徑前進。圖3中SimulinkDesignOptimization模塊集中的SimulinkConstraint模塊是Simulink7.0版本更新的優(yōu)化設(shè)計模塊，其集成了基于圖形界面的系統(tǒng)控制器優(yōu)化設(shè)計和仿真功能，能夠根據(jù)設(shè)定的性能指標約束對控制器參數(shù)進行優(yōu)化計算。PID控制器輸出經(jīng)過一個驅(qū)動器后去控制被控對象，考慮電機工作電壓的上、下限，驅(qū)動器近似為一個飽和非線性環(huán)節(jié)，即圖一中的Saturation模塊。

圖3驅(qū)動電機的PI控制模型

5結(jié)論

本設(shè)計實現(xiàn)了基于STCl2C4052AD的電機驅(qū)動模塊，獨立完成移動機器人驅(qū)動電機的閉環(huán)調(diào)速。由上位控制器發(fā)送指令控制機器人運動，無需參與閉環(huán)調(diào)速過程。使用MATLAB模糊工具箱實現(xiàn)了一種機器人的路徑跟蹤程序控制，輸入通過機器人光電碼盤記錄的機器人左右輪位移，轉(zhuǎn)換為機器人的當前位置和姿態(tài)，經(jīng)過路徑跟蹤控制規(guī)則運算并量化輸出控制機器人的線速度和角速度(轉(zhuǎn)換為機器人的左右輪速度)，實現(xiàn)對離散化路徑的跟蹤。