竞技型轮式移动机器人控制系统的设计与调试.doc

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1、哈尔滨工业大学2009届本科优秀毕业设计（论文）选集 摘 要：本文主要研究竞技性轮式移动机器人控制系统的软硬件设计与调试。通过研究软件部分主要内容中的速度控制，基于双随动码盘和寻线全场的定位、导航算法，提出了一种新的导航算法，并将其应用于实际设计与调试中。硬件设计主要是控制系统构架的选择。确立了以ARM为中心的控制体系，并选择合适的控制芯片，然后制作电路板。将调试通过的电路板实际应用于机器人上。关键词：机器人；ARM；速度控制；定位导航；PIDAbstract：This paper introduces software and hardware design and the competit

2、ive 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 debu

3、gging. 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 言人类与机器人之间的合作是本次200

4、9 年东京ABU 亚太机器人比赛的主题。在工业上，机器人的应用已经司空见惯。新型机器人的研发现在也变得非常必要，比如在老人和残疾人的看护和紧急时期的救援工作这些领域。他们必须具有人类的善良和合作的特质，在速度、力量和精度上都远远高于传统机器人的要求。从这个新视角出发，机器人的设计希望可以满足日后日益增长的需求。2009 年东京机器人大赛希望可以作为人工(或者直接人工控制)和自动机器人之间合作目标实现的一个阶梯。这不是一件容易实现的挑战，但是确实具有非常重要的价值。本课题的研究和设计任务就是2009年东京机器人大赛的参赛作品竞技型轮式移动机器人的控制系统的设计与调试。2 针对比赛规则及控制要求2

5、.1 比赛规则概述比赛的主题是一起敲响胜利之鼓，它是基于过去使用抬轿子旅行的一个游戏。按照比赛规定，每个队只能有三台机器人：自动轿夫机器人，手动轿夫机器人和旅行机器人。 自动轿夫机器人在前面，手动轿夫机器人在后。他们合作把坐在轿子里面的自动的旅行机器人抬起来，在其他队伍之前完成全部旅行任务。这个过程中设置了各种各样的任务，包括爬山和过树林。轿子和旅行机器人一定不可以掉下来，而且轿子和旅行机器人不能接触轿夫机器人，当旅行机器人到达得分区的时候，它必须要敲三声鼓。第一个敲响三个鼓的参赛团队为胜利者。每场比赛分为红蓝两队，一场比赛持续三分钟。比赛规定轿子的一端必须是游动的，两个轿夫机器人不能接触除了

6、轿杆以外轿子的任何部位。机器人之间不能通信。场地如图2-1.图2-1 比赛场地图2.2 控制方案的设计综合分析了规则的要求以及我们的控制手段之后，可以发现如果是采用自动机器人和轿子固定，手动机器人的一端随动的话，那么一旦手动机器人出现故障，自动机器人不能得知当前情况，将会继续走下去导致事故发生，所以采用了后台机器人和轿杆固定，前台自动轿夫机器人设计成游动的，这样如果手动机器人故障，自动机器人可以通过检测轿杆在机器人上的滑动量控制机器人的速度，以保证轿杆不掉下来。如果通过人的手动操作来配合自动机器人的话，对手动操作者的要求较高，也不符合机器人技术发展的方向。所以在最初方案制定的时候我们决定采用自

7、动机器人配合手动机器人的策略，手动机器人尽量做成自动的，最大限度的降低对手动操作者的要求。控制要求：1 无论机器人是运行在平地还是“山坡”都要能够保持轿子是水平的，这样才能实现轿子上的机器人不掉下来，在结构上是通过偏摆和提升机构完成的；2 在“穿林”时要实现两台机器人和柱子不相撞，轿子也不撞在前后机器人和柱子上，要通过两台机器人的路径规划、全场定位和导航来实现。本论文将介绍前台自动轿夫机器人的控制。3 控制系统硬件及软件设计与调试3.1 控制系统硬件设计与调试我们采用了集中式系统，主控芯片采用高性能的ARM7处理器，同时外扩大容量的CPLD，加上DSP对惯性导航模块的处理，这样的硬件平台完全可

8、以胜任当前的机器人系统。在全国各高校范围看来，也是较先进的，可以保证在相当长一段时间内的使用价值。主控模块以飞利浦公司的LPC2214为核心，有144个引脚，引脚资源很丰富。CPLD采用Altera公司的EPM1270，比去年的容量大有提升，这样CPLD可以负担更多的初级处理任务，同时对编码器的信号进行更优化的处理，提高传感器性能，减轻主机的负担。通过LPC2214的SPI通信接口与DSP进行通信，可以把定位模块处理得到的数据高速的读进来。定位模块的处理器使用TI公司的TMS320LF2407处理陀螺仪和双随动轮数据，非常稳定快速。下图为2008年12月出的主机版，稳定工作至今。新系统的架构如

9、图3-1所示：图3-1 竞技机器人的硬件架构3.2 控制系统软件设计控制系统的软件部分包括机器人的速度控制，定位导航，电机控制3.2.1 速度控制主要是根据控制要求保持前后机器人速度一致，控制模型如图3-2轿杆位置综合计算的目标速度机器人导航及速度实现前馈速度轿杆码盘反馈机器人位置坐标反馈图3-2 速度控制模型3.2.2 双随动码盘的定位采用双随动轮码盘定位，机器人的定位信息使用来描述。其中和分别表示机器人在全局坐标系下的坐标，表示机器人的方位角。定位算法模型示意如图3-3所示，其中表示全局坐标系，表示机器人的局部坐标系。 图3-3定位算法模型示意图当机器人从第个状态(蓝色)，经过很小的运动到

10、达第个状态(红色)时，左边和右边的从动轮各自行走了一段很小的圆弧。设机器人左边编码器的变化量为，右边的变化量为。机器人在这个过程中旋转的角度可以表示为： (3-1) (3-2) (3-3)为了将机器人坐标系中的,转换为全局坐标系中的位置和角度信息，需要进行如下变换得到机器人的绝对坐标。 (3-4) (3-5) (3-6)3.2.3 电机控制底盘电机控制包括路径选择，速度控制，定位导航，速度PID闭环。由于今年比赛对于路径实时规划的要求不高，只要设计的路径能够满足“穿林”时符合运动学和路程最短就可以了。路径规划的时候才用直线和圆弧拟合复杂的曲线，把每一段直线或圆弧都提取出来，通过坐标位置判断当前

11、的路径段应该是直线还是圆弧，并获得路径的相关信息：直线起点和终点，圆弧圆心、半径、起点、终点。导航部分主要是通过计算机器人当前位置和目标曲线的偏差量，然后对偏差量做PID控制，可以得到两个底盘电机的速度差，再通过当前机器人给定的平均速度可以计算出两个电机的速度。为了提高机器人的加速和制动性能，在电机控制的最内层做了一个速度PID闭环，该闭环是在导航控制得出速度的前提下，只对单个电机做的速度闭环控制。执行电机包括提升电机和偏摆电机，他们的控制主要是做位置控制，通过与电机轴相连的数字编码器可以测到电机转动的角度，作为反馈信息，通过位置PID 控制做到位置的闭环控制。3.3 竞技型机器人的综合调试电

12、磁干扰问题分析及解决：硬件上由于电磁干扰导致的不稳定，主要对通信有较大影响，经测试电机启动一次会导致SPI通信的500多次误码，甚至出现错误数据通过校验的现象，严重影响了机器人的运行。解决措施是采用了更适合板间通信的UART串口通信方式，提高校验方式，对通信信息进行简单滤波。经试验测试，在四个直流电机同时工作的情况下，可以保持三分钟以内通信误码在75次以内，误码率为0.2%，校验后误码率为零。PID控制参数的整定：图3-4和图3-5是机器人导航控制过程PID参数调试的实验结果，图3-4是比例系数较大导致超调较大，震荡一直存在。图3-5是加入了积分系数后，稳态误差较小，震荡减小，基本符合控制要求

13、。图3-4 直线导航PID参数的整定图3-5 反应曲线法对PID参数的整定结 论在满足比赛规则的情况下，并且参阅了大量相关资料之后，设计调试了控制系统的硬件电路，并经过验证应用于本次比赛的机器人。搭建了控制系统的软件构架，整体上划分为操作系统、底盘电机的控制和执行机构的控制三部分，底盘电机控制有包括基于位置的速度控制，定位和导航，底盘电机速度PID。提出了一种新的直线、圆弧导航算法。本课题中所设计调试的机器人参加了“第八届CCTV机器人大赛”获得了全国冠军的好成绩，并将于2009年8月代表中国参加亚太地区的决赛。本控制系统的稳定性和优越性得到了充分的体现。参考文献1 Fethi Belkhouche, Boumediene Belkhouche, Parviz Rastgoufard .Line of Sight Robot Navigation Toward a Moving Goal. IEEE Transactions on System, Man, and Cybernetics-Part B. 2006,36 (2)2 李引魁. 轮式移动机器人控制系统设计. 西安理工大学硕士论文. 20073 毛建. 轮式机器人控制问题的研究. 南京理工大学硕士论文. 2002183- -