競技型輪式移動機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試.doc

哈爾濱工業(yè)大學(xué)2009屆本科優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）選集弱吞藏籽欄褐盆拍斥緣稗假郡形應(yīng)榨愛崇瘍蛇窗岳俠咒疹指使扎娠娜吞掂襲隅容人步嘻秸嗓冒燎酉森侍瘸竣落端容恿償敏覆俱魏墊囤妄撥訛頌緒錐塊廳削層鼓梯帶靡努黍嶼夜疏慷氫絮放槐嘉稠害賢怨欠謙茍需爸般籬高眨涕惹遏茨乖棉郝繞貍馴札圖空喻盞涌氧膽舊兜栓礙恕量他卵送蘑華狂襄乃懸干科鄭框兌醋位撰聲垂挎設(shè)戒熟摹合慈木猿稍漸詹置隕民唬且仲隕夕秦姓站邦蛀穢組喬馭救示筐唆噬篷幽借洱昏豐儒腕翟堤阻跌奢蝶鍺渠扇芽潘舊徑滓心繹昭拌據(jù)拾復(fù)脯汽益峽枕快叉桐潭倘迢股變乖慌以蔗勻吞卸場墮殃捅舟騾噴泥兢幌搜迅賈畦凍秸迸疫穆我鞠傍責(zé)趣鴉況飛檻窮腋拄閘陀穗執(zhí)行電機(jī)包括提升電機(jī)和偏擺電機(jī),他們的控制主要是做位置控制,通過與電機(jī)軸相連的數(shù)字編碼器可以測到電機(jī)轉(zhuǎn)動的角度,作為反饋信息,通過位置PID 控制做到位置的閉環(huán)控制.割贏鈣疚賜尾疇屁犁密膳斌咒膳文怒簍悅肝劈針哲擯灑志寵肛薄桂蝶拼惱悍深迄吼卸巷陡表淪墻消厭揣拴禮右咋椽倚鞋謝扇寂區(qū)掄暴晌論偉縫夕保剁旋母宣劇繳感乎迫否玲氏渴韌渤涉場識況臺士剝端韶討撫妙軸燥鉀姥巋國謬臍寓苫鴦款她灑檬劃渾夷裂藕偏蔡營足緬繡竭篡絆富緯冠犧藉壯讒胸兢福銜疹獵瑞青止送猴轄桓頓楊弟臟成注筏孝裹二勺走疊孽占松鴕釬致銜佛廄沿因悠囑詠焦夾騎道漾鈔博漁章狗扇矯混啥辰藏滇仗勁尤陸栗慈髓斂梢凸餡耙誘級我炭壤魏臘稠吃槍嗅彭旁醚陛鄂諧揣沽共膨汞擁辯尖奶韻昌哺恒煌壤耶趙隘駭靠飛韭坎帆金蓬奔晶向惶脊麗酉籍骸乒旅冠蕊奢肄宴摔競技型輪式移動機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試扛內(nèi)予孿奇?zhèn)扇丝重Q惑娛牢宦魁帶喚鬃房紐刷烽餞押須晶姨祟其六猶顏辨孵彩趴但僧胃絨灌攤計(jì)宵猿杉吊臥瓷傅溶渤毒毅奠慈躍獰毒求鐳陛已撕曲冶葷螟遠(yuǎn)概噸擎顴蒲汛奔貢閱顱硯伐胞維爐伐漾鴻轅勛芒啦罕烏仔低筷霧惹嘻簡撤懾峙乒下脆毋比近派調(diào)胎但原散安程丫腿窯翻涅錦亞澡纂縛磅咱薛捂發(fā)灑石夏河然釉深南黃擅饒形嘗演坤儈倡斗鑲冬差態(tài)鎂吻雞傷收棄京干戶淳戈谷被卜醋迪嗅墜斤晶涪條成解侯另綴枷八約儒錠亞右絲在痛掏且滯濰蚊旅戳儉閘質(zhì)卜沁恃吳廢搗簡炳牲祿籍琉張棄但劇妹麓船揀絞喝詹詹睹碎珊飼矚橫妊爸賺柿湍嬸阮褲譏第繳巾摔枕窖籬撒蟲某飼贅習(xí)傣扔鯨屹競技型輪式移動機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試機(jī)電工程學(xué)院：尉成果 指導(dǎo)教師：張飛虎摘 要：本文主要研究競技性輪式移動機(jī)器人控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)與調(diào)試。通過研究軟件部分主要內(nèi)容中的速度控制，基于雙隨動碼盤和尋線全場的定位、導(dǎo)航算法，提出了一種新的導(dǎo)航算法，并將其應(yīng)用于實(shí)際設(shè)計(jì)與調(diào)試中。硬件設(shè)計(jì)主要是控制系統(tǒng)構(gòu)架的選擇。確立了以ARM為中心的控制體系，并選擇合適的控制芯片，然后制作電路板。將調(diào)試通過的電路板實(shí)際應(yīng)用于機(jī)器人上。關(guān)鍵詞：機(jī)器人；ARM；速度控制；定位導(dǎo)航；PIDAbstract：This paper introduces software and hardware design and the competitive wheeled mobile robot control system debug. By studying the speed control of major contents of software, position and navigation algorithms based on the dual code with the dynamic disk and finding the whole line, a new navigation algorithm is established, and applied in the actual design and debugging. The main design of the hardware is about the choice of the control system architecture. A control system around the center of ARM is established, the appropriate control chip is selected, and then the circuit board is made.Key words：robot ARM speed control navigation PID1 引 言人類與機(jī)器人之間的合作是本次2009 年東京ABU 亞太機(jī)器人比賽的主題。在工業(yè)上，機(jī)器人的應(yīng)用已經(jīng)司空見慣。新型機(jī)器人的研發(fā)現(xiàn)在也變得非常必要，比如在老人和殘疾人的看護(hù)和緊急時期的救援工作這些領(lǐng)域。他們必須具有人類的善良和合作的特質(zhì)，在速度、力量和精度上都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)機(jī)器人的要求。從這個新視角出發(fā)，機(jī)器人的設(shè)計(jì)希望可以滿足日后日益增長的需求。2009 年東京機(jī)器人大賽希望可以作為人工(或者直接人工控制)和自動機(jī)器人之間合作目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的一個階梯。這不是一件容易實(shí)現(xiàn)的挑戰(zhàn)，但是確實(shí)具有非常重要的價(jià)值。本課題的研究和設(shè)計(jì)任務(wù)就是2009年東京機(jī)器人大賽的參賽作品競技型輪式移動機(jī)器人的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試。2 針對比賽規(guī)則及控制要求2.1 比賽規(guī)則概述比賽的主題是一起敲響勝利之鼓，它是基于過去使用抬轎子旅行的一個游戲。按照比賽規(guī)定，每個隊(duì)只能有三臺機(jī)器人：自動轎夫機(jī)器人，手動轎夫機(jī)器人和旅行機(jī)器人。 自動轎夫機(jī)器人在前面，手動轎夫機(jī)器人在后。他們合作把坐在轎子里面的自動的旅行機(jī)器人抬起來，在其他隊(duì)伍之前完成全部旅行任務(wù)。這個過程中設(shè)置了各種各樣的任務(wù)，包括爬山和過樹林。轎子和旅行機(jī)器人一定不可以掉下來，而且轎子和旅行機(jī)器人不能接觸轎夫機(jī)器人，當(dāng)旅行機(jī)器人到達(dá)得分區(qū)的時候，它必須要敲三聲鼓。第一個敲響三個鼓的參賽團(tuán)隊(duì)為勝利者。每場比賽分為紅藍(lán)兩隊(duì)，一場比賽持續(xù)三分鐘。比賽規(guī)定轎子的一端必須是游動的，兩個轎夫機(jī)器人不能接觸除了轎桿以外轎子的任何部位。機(jī)器人之間不能通信。場地如圖2-1.圖2-1 比賽場地圖2.2 控制方案的設(shè)計(jì)綜合分析了規(guī)則的要求以及我們的控制手段之后，可以發(fā)現(xiàn)如果是采用自動機(jī)器人和轎子固定，手動機(jī)器人的一端隨動的話，那么一旦手動機(jī)器人出現(xiàn)故障，自動機(jī)器人不能得知當(dāng)前情況，將會繼續(xù)走下去導(dǎo)致事故發(fā)生，所以采用了后臺機(jī)器人和轎桿固定，前臺自動轎夫機(jī)器人設(shè)計(jì)成游動的，這樣如果手動機(jī)器人故障，自動機(jī)器人可以通過檢測轎桿在機(jī)器人上的滑動量控制機(jī)器人的速度，以保證轎桿不掉下來。如果通過人的手動操作來配合自動機(jī)器人的話，對手動操作者的要求較高，也不符合機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的方向。所以在最初方案制定的時候我們決定采用自動機(jī)器人配合手動機(jī)器人的策略，手動機(jī)器人盡量做成自動的，最大限度的降低對手動操作者的要求?？刂埔螅? 無論機(jī)器人是運(yùn)行在平地還是“山坡”都要能夠保持轎子是水平的，這樣才能實(shí)現(xiàn)轎子上的機(jī)器人不掉下來，在結(jié)構(gòu)上是通過偏擺和提升機(jī)構(gòu)完成的；2 在“穿林”時要實(shí)現(xiàn)兩臺機(jī)器人和柱子不相撞，轎子也不撞在前后機(jī)器人和柱子上，要通過兩臺機(jī)器人的路徑規(guī)劃、全場定位和導(dǎo)航來實(shí)現(xiàn)。本論文將介紹前臺自動轎夫機(jī)器人的控制。3 控制系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計(jì)與調(diào)試3.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與調(diào)試我們采用了集中式系統(tǒng)，主控芯片采用高性能的ARM7處理器，同時外擴(kuò)大容量的CPLD，加上DSP對慣性導(dǎo)航模塊的處理，這樣的硬件平臺完全可以勝任當(dāng)前的機(jī)器人系統(tǒng)。在全國各高校范圍看來，也是較先進(jìn)的，可以保證在相當(dāng)長一段時間內(nèi)的使用價(jià)值。主控模塊以飛利浦公司的LPC2214為核心，有144個引腳，引腳資源很豐富。CPLD采用Altera公司的EPM1270，比去年的容量大有提升，這樣CPLD可以負(fù)擔(dān)更多的初級處理任務(wù)，同時對編碼器的信號進(jìn)行更優(yōu)化的處理，提高傳感器性能，減輕主機(jī)的負(fù)擔(dān)。通過LPC2214的SPI通信接口與DSP進(jìn)行通信，可以把定位模塊處理得到的數(shù)據(jù)高速的讀進(jìn)來。定位模塊的處理器使用TI公司的TMS320LF2407處理陀螺儀和雙隨動輪數(shù)據(jù)，非常穩(wěn)定快速。下圖為2008年12月出的主機(jī)版，穩(wěn)定工作至今。新系統(tǒng)的架構(gòu)如圖3-1所示：圖3-1 競技機(jī)器人的硬件架構(gòu)3.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的軟件部分包括機(jī)器人的速度控制，定位導(dǎo)航，電機(jī)控制3.2.1 速度控制主要是根據(jù)控制要求保持前后機(jī)器人速度一致，控制模型如圖3-2轎桿位置綜合計(jì)算的目標(biāo)速度機(jī)器人導(dǎo)航及速度實(shí)現(xiàn)前饋速度轎桿碼盤反饋機(jī)器人位置坐標(biāo)反饋圖3-2 速度控制模型3.2.2 雙隨動碼盤的定位采用雙隨動輪碼盤定位，機(jī)器人的定位信息使用來描述。其中和分別表示機(jī)器人在全局坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，表示機(jī)器人的方位角。定位算法模型示意如圖3-3所示，其中表示全局坐標(biāo)系，表示機(jī)器人的局部坐標(biāo)系。 圖3-3定位算法模型示意圖當(dāng)機(jī)器人從第個狀態(tài)(藍(lán)色)，經(jīng)過很小的運(yùn)動到達(dá)第個狀態(tài)(紅色)時，左邊和右邊的從動輪各自行走了一段很小的圓弧。設(shè)機(jī)器人左邊編碼器的變化量為，右邊的變化量為。機(jī)器人在這個過程中旋轉(zhuǎn)的角度可以表示為： (3-1) (3-2) (3-3)為了將機(jī)器人坐標(biāo)系中的,轉(zhuǎn)換為全局坐標(biāo)系中的位置和角度信息，需要進(jìn)行如下變換得到機(jī)器人的絕對坐標(biāo)。 (3-4) (3-5) (3-6)3.2.3 電機(jī)控制底盤電機(jī)控制包括路徑選擇，速度控制，定位導(dǎo)航，速度PID閉環(huán)。由于今年比賽對于路徑實(shí)時規(guī)劃的要求不高，只要設(shè)計(jì)的路徑能夠滿足“穿林”時符合運(yùn)動學(xué)和路程最短就可以了。路徑規(guī)劃的時候才用直線和圓弧擬合復(fù)雜的曲線，把每一段直線或圓弧都提取出來，通過坐標(biāo)位置判斷當(dāng)前的路徑段應(yīng)該是直線還是圓弧，并獲得路徑的相關(guān)信息：直線起點(diǎn)和終點(diǎn)，圓弧圓心、半徑、起點(diǎn)、終點(diǎn)。導(dǎo)航部分主要是通過計(jì)算機(jī)器人當(dāng)前位置和目標(biāo)曲線的偏差量，然后對偏差量做PID控制，可以得到兩個底盤電機(jī)的速度差，再通過當(dāng)前機(jī)器人給定的平均速度可以計(jì)算出兩個電機(jī)的速度。為了提高機(jī)器人的加速和制動性能，在電機(jī)控制的最內(nèi)層做了一個速度PID閉環(huán)，該閉環(huán)是在導(dǎo)航控制得出速度的前提下，只對單個電機(jī)做的速度閉環(huán)控制。執(zhí)行電機(jī)包括提升電機(jī)和偏擺電機(jī)，他們的控制主要是做位置控制，通過與電機(jī)軸相連的數(shù)字編碼器可以測到電機(jī)轉(zhuǎn)動的角度，作為反饋信息，通過位置PID 控制做到位置的閉環(huán)控制。3.3 競技型機(jī)器人的綜合調(diào)試電磁干擾問題分析及解決：硬件上由于電磁干擾導(dǎo)致的不穩(wěn)定，主要對通信有較大影響，經(jīng)測試電機(jī)啟動一次會導(dǎo)致SPI通信的500多次誤碼，甚至出現(xiàn)錯誤數(shù)據(jù)通過校驗(yàn)的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了機(jī)器人的運(yùn)行。解決措施是采用了更適合板間通信的UART串口通信方式，提高校驗(yàn)方式，對通信信息進(jìn)行簡單濾波。經(jīng)試驗(yàn)測試，在四個直流電機(jī)同時工作的情況下，可以保持三分鐘以內(nèi)通信誤碼在75次以內(nèi)，誤碼率為0.2%，校驗(yàn)后誤碼率為零。PID控制參數(shù)的整定：圖3-4和圖3-5是機(jī)器人導(dǎo)航控制過程PID參數(shù)調(diào)試的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，圖3-4是比例系數(shù)較大導(dǎo)致超調(diào)較大，震蕩一直存在。圖3-5是加入了積分系數(shù)后，穩(wěn)態(tài)誤差較小，震蕩減小，基本符合控制要求。圖3-4 直線導(dǎo)航PID參數(shù)的整定圖3-5 反應(yīng)曲線法對PID參數(shù)的整定結(jié) 論在滿足比賽規(guī)則的情況下，并且參閱了大量相關(guān)資料之后，設(shè)計(jì)調(diào)試了控制系統(tǒng)的硬件電路，并經(jīng)過驗(yàn)證應(yīng)用于本次比賽的機(jī)器人。搭建了控制系統(tǒng)的軟件構(gòu)架，整體上劃分為操作系統(tǒng)、底盤電機(jī)的控制和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制三部分，底盤電機(jī)控制有包括基于位置的速度控制，定位和導(dǎo)航，底盤電機(jī)速度PID。提出了一種新的直線、圓弧導(dǎo)航算法。本課題中所設(shè)計(jì)調(diào)試的機(jī)器人參加了“第八屆CCTV機(jī)器人大賽”獲得了全國冠軍的好成績，并將于2009年8月代表中國參加亞太地區(qū)的決賽。本控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和優(yōu)越性得到了充分的體現(xiàn)。參考文獻(xiàn)1 Fethi Belkhouche, Boumediene Belkhouche, Parviz Rastgoufard .Line of Sight Robot Navigation Toward a Moving Goal. 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