一种轮式移动机器人控制系统设计与实现.doc
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xx大学xx届毕业论文
一、绪论
（一）移动机器人技术概述
机器人是一自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能操作机。
机器人技术涉及计算机技术、控制技术、传感器技术、通讯技术、人工智能、材料科学和仿生学等多类学科[7]。
作为机器人学的重要分支，移动机器人能够运动到特定位置，执行相应任务，具备环境感知、实时决策和行为控制等功能，拥有很高的军事、商业价值[1-5]。
移动机器人按运动方式分为轮式移动机器人步行移动机器人、履带式移动机器人、爬行机器人等；按功能和用途分为医疗机器人、军用机器人、清沽机器人等；按作业空间分为陆地移动机器人、水下机器人、无人飞机和空间机器人。
（二）移动机器人控制技术动态
1.移动机器人控制技术发展概况
步入2I世纪，随着电子技术的飞速发展，机器人用传感器的不断研制、计算机运算速度的显著提高，移动机器人控制技术逐步得到完善和发展。
移动机器人从最初的示教模仿型向具备环境信息感知、在线决策等功能的自治型智能化方向发展。
移动机器人控制系统性能不断提高，各类新型移动机器人也纷纷面世。
步行式机器人是指按照迈步方式前进的移动机器人，由于符合动物的行进模式，可很好的在自然环境中运动，具有较强的越野性能。
如美国NASA资助研制的丹蒂行走机器人，主要用于远程机器人探险，其控制系统涉及环境感知、障碍物监测、机械臂控制和超远程遥操作等多方面技术。
丹蒂计划的最终目标是，为实现在充满碎片的月球或其它星球的表面进行探险提供一种运动机器人解决方案。
轮椅机器人是指使用了移动机器人技术的电动轮椅[8]。
德国乌尔姆大学开发一种智能轮椅机器人，使丧失行动能力的人也能外出“走动”。
该轮椅机器人，能够自动识别和判断出行驶的前方是否有行人挡路，或是否可能出现行驶不通的情况，自动采取绕行动作，并能够提醒挡路的行人让开道路。
该机器人的控制系统，综合运用了多传感器信息融合、模式识别、避障、电机控制和人机接口等技术。
消防机器人是指能在高温、强热辐射、浓烟、地形复杂、障碍物多、化学腐蚀、易燃易爆等恶劣条件下进行灭火和救援工作的移动机器人。
其控制系统的设计重点包括障碍物检测、爆等恶劣条件下进行灭火和救援工作的移动机器人。
其控制系统的设计重点包括障碍物检测、火焰检测和系统可靠性设计等多项技术。
日本投入应用的消防机器人最多，美、英等国已研制出能依靠感觉信息控制的救灾智能机器人。
我国上海交大机器人研究所也在国家“863”计划和公安部联合投资下，与上海消防所合作开发消防机器人的产品样机。
另外，随着社会老龄化程度的不断加剧，仿人机器人将弥补年轻劳动力的不足，解决老龄化社会家庭服务和医疗看护等社会问题[9]。
此类服务型机器人的控制系统则综合运用了环境感知、路径规划、地图遍历、避障，防跌落等技术，以适合在家中使用。
如韩国Yujin机器人科技公司制造的家用机器人iRobot，日本欧姆龙公司开发的电子守卫恐龙，以及三菱重工推出的可协助家庭保健和看家的机器人，都为家用机器人的市场化进程发挥了重要的作用。
2.移动机器人控制系统关键技术
目前，移动机器人控制技术的研究热点和发展趋势主要包括[1-4]:
（1）运动控制中的路径规划技术。
路径规划是移动机器人导航的基本环节之一，定义是按照某一性能指标搜索一条从起始状态到目标状态的最优或近似最优的无碰路径。
根据机器人对环境信息感知的程度，路径规划可分为环境信息完全可知的全局路径规划；环境信息部分未知甚至完全未知，移动机器人通过传感器实时地对的工作环境进行探测，以获取障碍物的位置、形状和尺寸等信息进行的局部路径规划。
（2）控制系统中的传感技术。
移动机器人传感技术主要是对机器人自身内部的位置和方向信息以及外部环境信息的检测和处理。
获取真实有效的环境信息，是控制系统进行决策的保证。
通常采用的传感器包括分为内部传感器和外部传感器。
内部传感器主要包括：
编码器、线加速度计、陀螺仪、磁罗盘等。
外部传感器主要包括：
视觉传感器、超声波传感器、红外传感器、接触和接近传感器等。
（3）控制系统的多传感器信息融合技术。
多传感器信息融合是把分却在不同位置的传感器所提供的局部环境的不完整信息加以综合，消除多传感器之间可能存在的冗余和矛盾，以降低其不确定性，形成对系统环境的相对完整一致的感知描述，从而提高智能系统决策、规划的快速性和正确性，同时降低决策风险。
（4）控制系统的开发技术。
重点研究开放式、模块化控制系统。
机器人控制器结构的标准化，以及网络式控制器成为研究热点。
编程技术进一步提高在线编程的可操作性，离线编程的人机界面更加友好、自然语言化编程和图形化编程的迸一步推广也是今后研究的重点。
（5）控制系统的智能化技术。
控制系统的智能特征包括知识理解、归纳、推断、反应和问题求解等内容。
涉及领域包括图像理解、语音和文字符号的处理与理解、知识的表达和获取等方面。
智能控制方法常使用神经网络和模糊控制方法，但前者往往伴随着对存储容量、运算速度的较高要求，这与移动机器人高速高精度运动控制的要求存在一定差距，故模糊控制方法在机器人控制方面有着较大的优势。
（三）本课题的意义
本课题讨论的移动机器人控制系统，具有很高的系统集成度和广泛的功能扩展空间，很好的兼顾了控制系统的通用性和实用性要求。
该控制系统，适用于多种移动机器人平台，如家用娱乐机器人、展览用导游机器人等。
并可通过控制单元的扩充和升级，增加语音识别、人脸识别、视觉追踪等交互性更强的功能。
同时，该控制系统的设计完成，对于降低上述各类型机器人的开发难度，缩短从客户提出需求到完成最终产品的开发周期，具有很强的指导意义。
另外，本课题设计的移动机器人控制系统，由于集成有通用微控制器开发平台、避障模块、电机驱动模块等多种功能单元，因此，可作为数字电子技术、自动控制技术、传感器技术、路径规划及人工智能等多学科多领域的通用实验平台。
二、移动机器人的机械结构和运动学模型
（一）移动机器人机械结构
移动机器人运动方式有很多种，主要分为车轮式和步行式两类。
车轮移动方式的技术相对成熟，控制也较为容易实现；步行式控制难度较大，但随着传感器技术和微控制器技术的快速发展，该种移动方式也得到了较大的发展。
本文研究的移动机器人采用车轮式移动机构。
移动机器人总体结构相对简介，主体部分是基于圆形底座的车架。
这种圆形车体结构在运动过程能够有效降低机器人与外界障碍发生碰撞的概率，从而获得更大的相对运动空问。
机器人的驱动车轮安装于车架底部。
避障传感器分布于车体周围。
车身内部自下至上依次固定有系统电源和控制电路。
图2.1移动机器人机械结构示意图
移动机器人机械部分主要包括车架、车轮、直流减速电机和相关连接部件。
如图2.1移动机器人机械结构示意图所示。
车架底座选用5mm厚的PVC板，能够承受系统所需要的重量和强度，它是整个机器人的基础部分。
车架底座由安装于车体底部的三个车轮支撑，三个车轮构成三角平面，符合架构稳定要求。
在移动机器人车架底部安装有三个车轮，其中自U轮为从动轮，选用直径为30mm的万向塑胶轮；两后轮为相互独立的驱动轮，为固定式不可转向轮，选用直径为45mm硬橡胶轮。
为增大摩擦，防止驱动轮打滑，两后轮分别粘贴有2mm厚的软海绵。
两个后轮分别配有独立的电机驱动模块和减速机构，减速机构采用与驱动电机集成的减速传动装置。
三个车轮于车架底板成等边三角形分布。
这种车轮安装的几何对称性有利于实现车体的前后左右便捷的零半径转向，也简化了车体姿念的计算和控制。
为测量驱动电机的转速，其输出转轴内侧底板上装有与驱动电机同轴的增量式光电编码器。
该编码器与驱动轮同速旋转，车轮每旋转一周，编码器即输出500个脉冲信号。
车身的前进方向和速度依靠调节两个驱动轮的转速来实现。
（二）移动机器人运动学模型[10-14]
移动机器人采用独立双轮驱动模式，通过控制左右驱动轮的转速差实现前进、后退、转向等各种基本的动作，现建立坐标系说明移动机器人的运动学模型，具体坐标系和运动参量见图2.2移动机器人的运动示意图。
图2.2移动机器人的运动示意图
图2.2中，V代表机器人质心的线速度：
VL和VR分别是左右轮的线速度；R为左右轮的半径；L为两轮的间距；X,Y代表机器人质心的二维平面坐标。
则移动机器人满足刚体运动规律，运动方程（2-1）和（2-2）成立。
（2-1）
（2-2）
式（2-1）和式（2-2）中，ωL和ωR分别代表左右轮的角速度，ω为质心的角速度，1，v为质心的线速度。
由式（2-2）可知，当VL=VR时，质心的角速度ω为0，即机器人沿直线运动;当VL=VR时，质心的线速度为0，则机器人可实现原地转身，即此时机器人将以零半径转弯。
按照公式（2-2）计算得到VL和VR即可实现移动机器人的运动控制。
若将式（2-1）代入式（2-2），可得
（2-3）
而机器人的质心运动方程为
（2-4）
将式（2-3）代入式（2-4），得
（2-5）
方程（2-5）中各变量相互关联，设计控制器时比较复杂，为此，先进行解耦处理。
因为θ只与质心的角速度有关，X、Y只与质心的线速度有关，故可将控制变量转为质心的线速度和角速度。
方程如下：
（2-6）
再将左右轮角速度表示成质心的角速度和线速度，即
（2-7）
由上式可知，根据移动机器人（质心）设定的目标线速度和角速度即可分别求得左右轮的实时角速度，从而通过电机驱动机构完成速度调节，实现移动机器人运动方向和速度的实时控制。
然而，在实际应用中，由于编码器检测车轮的旋转的分辨误差、负载使车轮的等效半径产生变化、加速度及旋转产生的离心力使车轮的等效半径变化以及路面的凹凸和倾斜等因素的影响，使上述公并非严格成立。
通常采用多种方法综合采用的方案来完成移动机器人的运动控制。
三、移动机器人控制系统设计
（一）移动机器人控制系统方案
在移动机器人系统的总体设计中，控制系统的设计尤为重要。
控制系统是整个机器人系统的灵魂。
控制系统的先进与否，直接决定了整个机器人系统智能化水平的高低。
移动机器人的各种功能都在控制系统的统一协调下实现；控制系统设计策略也决定了整个机器人系统的功能特点和可扩展性[15-21]．
本课题设计的移动机器人控制系统，具备障碍物检测避碰、速度检测和调节、原地零半径转向、电源低电压监测和充电等功能并可工作于实时手动遥控、预编程路径运动及自动沿墙跟踪等多种模式。
图3.1移动机器人控制系统框图
根据移动机器人的功能要求，本课题研究的控制系统主要包括：
微控制器模块、避障模块、电机驱动模块、测速模块、遥操作模块、串行通信模块及电源模块等部分。
控制系统的总体框图如图3.1所示。
具体设计过程中，上述各个模块力求相对独立，以便系统日常的维护和今后的升级。
其中：
·微控制器模块作为控制系统的核心，主要进行各种信息、数
据的处理，协调系统中各功能模块完成预定任务；
·避障模块由超声波测距传感器和对射式红外传感器组成，主要
负责移动机器人运动过程的障碍物的检测，超声波传感器用于
远距离障碍物检测，红外传感器用于近距离障碍物检测；
·电机驱动模块负责机器人左右轮的独立驱动，主要由功率转换
模块和微控制器内置的PWM单元组成，实现左右轮的差速控制；
·测速模块由增量式光电编码器组成，用于左右轮转速、转向的
实时测量，以实现移动机器人的运动控制；编解码和无线收发
部分，用于移动机器人遥控模式；
·电源模块负责整个控制系统各部分的电源供给，并实现锂电池
的电量检测和充电。
·串行通信模块包括异步通信、同步通信两部分，异步通信用于
预编成路径的下载，同步通信用于预编成路径数据的存储和现
场温度的采集以实现超声波测距的修正；
本章将从各模块的设计原理和功能出发，阐述各模块的设计要点。
（二）微控制器模块
在本课题中，采用微控制器（MicroControllerUnit，MCU）作为移动机器人控制系统的核心。
微控制器在整个系统中扮演的角色类似于人的大脑，主要完成各种信息的运算和决策。
微控制器是一种嵌入式微处理器，顾名思义，就是将整个计算机系统集成到一块芯片中。
微控制器一般以某一种CPU内核为核心，芯片内部集成ROM、EPROM、EEPROM、FLASH、RAM、A/D、D/A、定时器/计数器、看门狗、I/O、串行接口、脉宽调制器等功能单元。
与CPU相比，MCU的最大特点是使PC机单片化，体积大大减小，功耗和成本下降，可靠性提高。
因此微控制器逐渐成为嵌入式PC系统的主流核心器件。
1.微控制器的选用依据
微控制器是整个控制系统的核心部件，直接影响到控制系统的功能和性能。
因此，合理选用控制系统的核心控制器，对系统的设计至关重要[18-19]。
在硬件平台的设计过程中，对微控制器的选型往往需要考虑诸多因素，本课题的微控制器选用依据主要包括以下几个方面：
（1）对于微控制器类型，目前国内外移动机器人平台采用的微控制器有多种，如飞思卡尔微控制器、东芝微控制器，甚至有的设计采用更高档16位、32位微控制器。
考虑到本文设计的移动机器人结构特点和功能要求，须在高性能计算与低功耗之间得到很好的平衡。
并且该种微控制器的片内资源应当较为丰富，以减小电路板面积并提高整机稳定性。
（2）从功能需求上，考虑到移动机器人的运动和动作大多采用直流电机驱动，因此选用的微控制器应具有高精度（分辨率8位以上）PWM功能，以方便实现直流电机的调速控制。
此外，为便于日后扩展移动机器人的功能，微控制器应具有较强的T/O能力。
（3）从控制软件开发支持上，应便于开发和调试应用程序，需要较大的存储空间和更高的运行速度。
同时，为实现电路完成后的程序升级，微控制器需支持代码在系统下载功能。
基于上述需求分析，经过全面调研、反复比较，最终选用了ATMEL公司的ATMEGAl6型微控制器作为本系统的控制核心。
ATmegal6是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。
由于其先进的指令集和单时钟周期指令执行时间，ATmegal6的数掘吞吐率高达1MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾．
AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。
所有的寄存器都直接与算术逻辑单元（ALU）相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。
这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的数掘吞吐率。
通过将8位RISCCPU与系统内可编程的Flash集成在一个芯片内，ATmegal6成为一个功能强大的微控制器，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。
2.ATMEGAI6微控制器特点
1997年，ATMEL挪威设计中心出于市场考虑，充分发挥其Flash技术优势，推出全新的精简指令集（RISC）微控制器，简称AVR微控制器。
ATMEGAl6微控制器主要有以下特点：
（1）先进的RISC结构，工作于16MHz时性能高达16MIPS；
（2）四通道PWM；
（3）8路10位ADC；片内模拟比较器；
（4）面向字节的两线接口；两个串行USART；可工作于主机/从机模
式的SPI串行接口；
（5）具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器；
（三）避障模块
移动机器人运行的过程中，可能在运动路径上遇到移动或静止的障碍物。
此时，若机器人无法检测到该障碍物并及时调整行进路线，就很有可能与之发生碰撞，进而造成机器人本体的损伤或被碰撞物（人）的损害。
因此，移动机器人控制系统必须配有能够实时检测环境障碍物的传感器。
当前，国内外研制的移动机器人，多采用红外避障传感器和超声波测距传感器实现障碍物检测嘲[22.23.24]。
红外传感器探测视角小、方向性强，但对障碍物的颜色（亮度）较为敏感，其探测敏感度随着障碍物的颜色不同而有较大差异，一般只用作近距离探测。
超声波测距是近年来发展起来的一种测距方法，但由于超声波传播速度较慢、发射角度较大等特性，使其探测方向性较差，故只用以获得前方障碍物的距离信息，不能提供障碍物的严格边界信息。
综上分析，考虑到单一传感器探测的局限性，在实际应用中，往往通过综合运用多种传感器以进行信息补偿。
本课题中，将红外探测与超声波探测相结合，利用红外传感器探测近距离障碍物的有无，超声波传感器探测较远障碍物的距离信息。
本课题所设计的移动机器人，于车体周围安装有4个红外避障传感器，分别用于前方避障和侧面寻墙；于车体内部，分左右安装有2个超声波测距传感器，用于测量机器人距前方障碍物的距离信息。
具体的安装位置如图3.2所示。
图3.2避障传感器安装位置示意图
（四）电机驱动模块
移动机器人采用左右两轮独立驱动，采用差速转向机构，每个车轮分别由一个直流电机单独控制。
机器人的运动控制主要通过对这两个电机的驱动实现，包括速度和转向的控制。
本设计选用直流力矩电机驱动车轮。
该直流电机具有优良的速度控制性能，具体来说，它有下列优点：
（1）具有较大的转矩，以克服传动装置的摩擦转矩和负载转矩；
（2）调速范围宽，且运行速度平稳；
（3）具有快速响应能力，可以适应复杂的速度变化；
（4）电机的负载特性硬，有较大的过载能力，确保运行速度不受负载
冲击的影响。
本设计选用的电机为宁波三佳公司的12V直流电机JS-30VZJ，转速为3000r/m，配有减速比为l：
30的减速器。
（五）光电编码器测速模块
测速元件是速度闭环控制系统的关键元件。
本设计中，采用增量式光电编码器测量移动机器人左右两轮的实时转速，进而通过特定算法得到实时电机驱动模块的PWM控制量，实现运动机器人运动的闭环控制。
1.增量式光电编码器
光电编码器俗称码盘，是一种通过光电转换将轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，主要用于机械转角位置和旋转速度的检测和控制。
光电编码器的基本结构由旋转轴上的编码圆盘以及装在圆盘两侧的发光元件和光敏元件组成。
圆盘上规则地刻有透光和不透光的线条或孔，当圆盘随着转轴旋转时，光敏元件接收的光通量强弱随着光线条同步变化，光敏元件波形经过整形输出变为脉冲输出。
一般圆盘上还设有定相标志，产生零信号，每转一圈产生一个，又称基准脉冲。
本设计选用ZKX-6-50BM7型增量式光电编码器是一款高精度角位移传感器，主轴每旋转一周分两路输出500个电压脉冲信号Out_A和Out_B。
其中，Out_A和Out_B两路信号相位差为90度，可通过Out_A和Out_B的相位关系，判断主轴的转动方向。
2.移动机器人驱动轮线速度的测量
通常，根掘脉冲计数来测量转速的方法有三种，分别介绍如下[25-27]。
（1）M法测速：
在规定的时间间隔内，测量所产生的脉冲数M，来获得被测速度值，这种方法称为M法，适合于高速测量场合。
（2）T法测速：
测量相邻两个脉冲的时间间隔来确定被测速度的方法叫做T法测速，适合于低速时测量。
（3）M/T法测速：
M/T法是同时测量检测时间和在此检测时问内脉冲发生器发送的脉冲
数束确定被测转速，兼有M法和T法的优点。
本设计中基于T法测量移动机器人驱动电机的实时转速。
将光电编码器输出接至微控制器的外部中断INT2，则转动引起的每一个电压脉冲都会触发微控制器外部中断。
通过编制中断子函数，就可以实现对光电编码器输出脉冲个数的准确计算，经换算后即得转动轴转过的精确角位移。
因此，根据光电编码器转动单位角位移所需的时间，就可求得转动轴的角速率，结合光电编码器同轴驱动轮的半径，就可算得移动机器人驱动轮的实时线速度。
实际编程中，使用微控制器定时器0产生的IKHz时基中断产生固定时间段。
设V为t时间内的平均速度，由于计算速度所需的时间段足够小，所以可将平均速度V近似为实时速度，则实时速度
（3-1）
式中，S为驱动轮转动产生的位移，n为所经历的固定时间段的记数，l为光电编码器驱动轮的周长，N为光电编码器旋转一周输出的脉冲数，此处N=500.
3.光电编码器测速的误差分析
影响光电编码器计数精度的原因在于，编码器的主码盘被激振而附加了瞬间的随机高频振动，从而引起在透光窗边沿附近发生小幅度晃动，振动的响应和频率与主码盘本身及激振的频率有关。
．
在瞬间高频振动的时刻，原来一个方波周期内可能包含几个高频方波脉冲，如果计数电
路中不加措施就会导致计数结果偏离实际值，引起误计数。
（六）遥操作模块
本课题的移动机器人具备多种工作模式，既可以按照预先编程的路径运动，也可以根据遥控指令，实时调整自身运动状态，完成前进、后退、停止、转向等基本动作。
图3.3遥操作模块工作原理图
移动机器人遥操作模块的工作原理如图3.3所示。
按键的键值被编码模块编译为特定串行码，此串行码输入至发射电路，作为发射电路的控制信号。
串行码由发射电路调制到高频载波，通过天线向外发射。
接收部分经天线收到调制信号，该调制信号由接收电路处理为特定串行码，此串行码包含了操作者的按键信息。
通过和编码模块配套使用的解码模块，即可从串行码中分离出相应键值。
从而移动机器人根掘操作者的按键值，做出相应动作[28,31,32]．
其中，发射和接收电路采用模块化的315MHz超再生式RF收发模块。
RF收发模块的引脚分别为DATAOUT/IN、VCC和GND三线接口。
只需将编码器的数据输出端与RF发射模块的DATAIN引脚连接，RF接收模块的DATAOUT引脚与解码器的数据输入端14连接，系统即可正常工作。
编解码电路选用台湾普城公司生产的PT2262／2272专用编解码芯片。
PT2262/2272是一种CMOS工艺制造的低功耗低价位通用编解码电路，PT2262/2272最多可有12位（AO-A11）三态地址端管脚（悬空、接高电平、接低电平），任意组合可提供531441地址码。
PT2262最多可有6位（DO-D5）数据端管脚，设定的地址码和数据码从17脚串行输出，主要用于无线遥控发射电路[29,30]。
编码芯片PT2262发出的编码信号由：
地址码、数掘码、同步码组成一个完整的码字，解码芯片PT2272接收到信号后，其地址码经过两次比较核对后，VT脚才输出高电平，与此同时相应的数掘脚也输出高电平。
因此，微控制器读取PT2272的数据输出端电平即可获得操作者的按键键值。
如果发送端一直按住按键，编码芯片也会连续发射。
当发射机没有按键按下时，PT2262不接通电源，其17脚为低电平，所以315MHz的高频发射电路不工作，当有按键按下时，PT2262得电工作，其第
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