引言

移動機器人的研究始于60年代末期斯坦福研究院(spa)的NilsNilssen和CharlesRoesn等人，在1966年至1972年中研制出了自主移動機器人Shakey。70年代末，移動機器人研究又出現了新的高潮，特別是在80年代中期以來，設計和制造機器人的浪潮席卷全世界。一大批世界著名的公司，如美國通用電氣、日木本田、索尼等開始研制移動機器人平臺，這些移動機器人主要作為大學實驗室及研究機構的移動機器人實驗平臺，從而促進了移動機器人學多種研究方向的出現。隨著移動機器人技術的迅速發展及其在工業、軍事等領域中的廣泛應用，有關移動機器人的理論、設計、制造和應用的新的技術科學---機器人學，已逐漸形成，并越來越引起人們廣泛的關注。移動機器人的研究將進入了一個嶄新的階段。

移動機器人是一類能夠通過傳感器感知環境和自身狀態，實現在有障礙物的環境中面向目標自主運動，從而完成一定功能的機器人系統。理想的自主移動機器人可以不需人的干預在各種環境中自主完成規定任務，具有較高的智能水平，但目前全自主移動機器人還大多處于實驗階段，進入實用的多為半自主移動機器人，通過人的干預在特定環境中執行各種任務，而遙控機器人則完全離不開人的干預。

隨著新的智能控制算法的不斷涌現，移動機器人正向著智能化方向發展，這就對運動控制系統性能提出了更高的要求。設計實現智能移動機器人的控制系統，能夠熟悉移動機器人硬件和軟件的開發，掌握移動機器人的運動控制特性，為后續的移動機器人的功能擴展搭建一個可行、穩定的平臺，而這個平臺則可以作為多種機器人開發的公共基礎平臺。實現智能移動機器人控制系統的開發具有一定的現實意義，將為以后的移動機器人開發奠定堅實的基礎。

1、控制系統結構功能

移動機器人的控制系統是機器人系統的執行機構，對系統平穩運行起著重要作用，有時也可作為一個簡單的控制器。構成機器人運動控制系統的要素有：計算機硬件系統及控制軟件、輸入輸出設備、驅動器、傳感器系統等。設計智能移動機器人控制系統框圖如圖1所示。

圖1 移動機器人控制系統框圖

移動機器人的控制系統的實現：移動機器人控制系統的主要內容是生成機器人的運動控制信息，控制機器人的運動。軌跡跟蹤是移動機器人需要完成的任務之一，其典型工作過程為機器人運動控制器根據規劃好的路徑生成機器人的運動控制信息，控制機器人完成相應的移動，完成規劃路徑的跟蹤。運動控制過程中用到的輸入信息包括底層超聲波測距模塊提供的障礙物距離信息，電機碼盤提供的機器人的位置、速度信息，以及全景攝像機、單目視覺攝像機采集并經過處理后的視頻信息等。

機器人本體上安裝有四個驅動電機，作為移動機器人的驅動機構。每個驅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，可用作驅動電機閉環調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。

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。移動機器人根據開發人員事先建立好的環境地圖，移動過程中讀取的環境信息，在處理器內根據控制規則進行運算，輸出控制信息到驅動電機，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。結合上位機中的預設功能，通過控制驅動電機控制機器人完成相應動作。

2、控制系統硬件設計

控制系統硬件主要包含主控板單元、電機驅動以及超聲波測距模單元。

2.1主控板單元

主控板主要完成模塊接口管理、數據傳輸以及超聲波測距模塊的控制。移動機器人配備各種傳感器模塊接口不完全一樣，其中全景視覺攝像機模塊接口一般為USB接口。雙目視覺像機一般采用RS232接口。主控板主要負責與上位機的通信，電機驅動的控制信息可以由上位機經過主控板傳輸到電機驅動控制器。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，發射信號的產生，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。

2.2電機驅動單元

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

2.3超聲波測距單元

超聲波測距單元用于檢測移動機器人與周圍障礙物的距離，40KHz方波信號由主控板控制器產生，放大后經換能器輸出超聲波信號，超聲波信號在空氣中傳播經障礙物反射后由換能器接收，接收到的超聲波信號轉換成小幅值電信號，經放大、濾波、比較后由主控板控制器檢測，計算傳輸時間即可。因此模塊需要方波信號功率放大器件、超聲波換能器、接收到的超聲波小幅值信號放大、濾波、比較器件。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。從控制芯片發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。超聲波測距單元硬件結構圖如圖2所示。

圖2 超聲波測距單元硬件結構圖

3、仿真模型

本文利用MATLAB/Simulink仿真軟件對機器人的運動學仿真進行研究,提出基于機構仿真工具SimMechanics的運動學仿真和基于MATLAB的函數的運動學仿真。設計了一個基于SimMechanics的運動學的智能小車仿真平臺，能夠根據系統性能要求確定PID控制器的最優參數，并且利用虛擬現實技術實時反映智能小車運行過程中的狀態，可以為電子設計中掌握小車運動控制提供很好的演示環境

假設車在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為小車轉向速度，v為小車前進速度左右驅動輪選用同一型號電機，車輪摩擦轉矩Tf為反抗性恒轉矩負載。若i為減速比，η為傳動機構效率，則負載轉矩折算到電機軸上的等效轉矩:

T=Tf/iη

采用虛擬仿真技術使得對智能車的測控更加直觀，Simulink優化設計模塊使系統控制器參數的調節更為方便，兩者結合實現了可視化交互性操作，能實時觀測智能車運動狀態的變化。

4、控制器參數優化

常規PID控制器的調節性能取決于參數Kp，Ki，Kd的整定情況，參數整定的好，則控制效果就好，否則相反。本設計通過調節KP、KI和KD三個控制參數，使智能車能更準確、快速地沿給定路徑前進。圖3中基于SimMechanics的運動學仿真模型，集成了基于圖形界面的系統控制器優化設計和仿真功能，能夠根據設定的性能指標約束對控制器參數進行優化計算。PID控制器輸出經過一個驅動器后去控制被控對象。

圖3 基于SimMechanics的運動學仿真模型

根據建立的機器人SimMechanics仿真模型，在仿真環境中設置分析類型，就可以實現機器人的運動學(或動力學)仿真分析。用光電編碼盤測得機器人的末端軌跡如圖4所示。

圖4 機器人的末端運動軌跡

5、結論

基于SimMechanics的仿真模型，通過參數設置及仿真類型選擇，可以方便地進行動力學仿真。本設計能夠獨立完成移動機器人驅動電機的閉環調速。由上位控制器發送指令控制機器人運動，無需參與閉環調速過程。使用MATLAB工具箱實現了移動機器人的路徑跟蹤程序控制，通過機器人光電編碼盤記錄的機器人左右輪位移，轉換為機器人的當前位置和姿態，實現對離散化路徑的跟蹤。

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