基于光学运动传感器的履带相扑机器人牵引控制系统研究

Dawid Woroch Pawel Stojaczyk 宋子由 危银涛

（清华大学汽车安全与节能国家重点实验室，北京，100084）

基于光学运动传感器的履带相扑机器人牵引控制系统研究

Dawid Woroch Pawel Stojaczyk 宋子由 危银涛

（清华大学汽车安全与节能国家重点实验室，北京，100084）

本文介绍一种用于估计相扑机器人摔跤比赛场地表面摩擦极限的技术，并基于此开发了该移动式相扑机器人的牵引控制系统。该测量估计基于机器人的激光光学传感器。在比赛开始之前，机器人需要完成一系列半自动的测试，以确定在不同情形下用最大的牵引力加速，从而达到以最高的动量撞击对手的目的。

相扑机器人，牵引控制系统，光学位移传感器，位移测量

0 引言

相扑机器人是一种移动机器人[1-2]，目前在日本和欧洲受到广泛欢迎。相扑机器人的牵引力控制技术、稳定性控制技术和电机转矩转速控制技术，对电动车技术等也有借鉴意义。本文结合自主研发的两代履带相扑机器人，介绍基于光学传感器的相扑机器人牵引力控制技术。

典型的竞赛用履带相扑机器人如图1所示，竞赛要求机器人必须是小于20 cm的正方形，并且重量小于3kg（±5%）。实际上，机器人的重量一般不会超过竞赛要求。

图1 履带相扑机器人

按照竞赛规定，将对手机器人推到规定的圆环区域外即为胜利。因此，竞赛时有效的方法就是向对方机器人快速直冲，将对手撞出边线。在大多数情况下，质量大的机器人会赢得胜利，而增加机器人冲撞时的速度也是取得胜利的关键因素，因为物体的动量决定于其质量和速度的乘积。

由于实际竞赛中机器人的质量一般是确定的，因此，如何使得机器人获得尽可能大的速度成为其取得比赛胜利的关键。这是具有挑战性的，因为两个机器人间的距离只有几十厘米，并且竞赛时间是有严格规定的。在同等质量情况下，如果：

显然

因此

另一个需要研究的问题是关于机器人动力学和方向性的稳定性。由于机器人采用履带式运动机构，因此其转向运动需要通过增加非转向侧履带的运动速度来实现。

一些左右履带独立驱动，并且履带具有较大牵引功率的履带车辆同样要考虑转向问题。当车辆突然加速时，两边的履带会同时打滑，直到某一时刻，一边的履带停止打滑并“抓住地面”，该侧地面便会通过履带为车辆提供很大的驱动力。但是，另一边的履带可能仍处于滑移率很大的打滑状态，这时，车辆便会开始转圈，这种状态持续的越久，车辆前进的方向便会被改变得越大。

本研究目的在于用简单的牵引控制系统模型提高履带相扑机器人的性能，通过使用该牵引力控制算法，履带同地面间的附着系数可以被精确估计，通过合理的控制输出转矩，便可以保证履带同地面间良好接触，不打滑。该控制算法稳定地提高了机器人在撞击前的速度。

1 系统描述

这里简要介绍一下实验所用相扑机器人的结构。研究中用到的相扑机器人是装有两个130W直流无刷电机的履带车，小车有较高的传动比，能够轻松启动，履带是两条2cm宽的同步齿带(见图2)。

地面位移测量是由激光位移传感器实现的。本次研究采用了安华高科技的ADNS-7700传感器[3]。该传感器主要应用于现代高端电脑鼠标中（见图3）。

位移传感器将测量数据送入微控制器中。本次实验采用意法半导体生产的拥有浮点运算单元的STM32F407VG DSP微控制器。实验程序是由C语言程序和由Simulink模型转换为C代码共同组成的。

图2 研究用履带相扑机器人

图3 PCB电路板中的ADNS-7700

2 控制方法

在纵向轴进行牵引控制，可以实现多种控制目标[4]，例如：

1）调节车轮打滑，实现在任何选定初值的情况下，实现最高速的纵向轴牵引力（防滑控制）。

2）保持最大稳定加速度（最短时间控制）。

3）获得抗自旋加速度。

表1： 测试结果

4）在防止打滑的前提下，保持恒定的牵引力。

本文着重研究最后一项控制目标。在实际的相扑机器人比赛中，首先会进行一系列的半自动测试，针对比赛场地表面，实现最佳加速度模式的选定。测试时，需要测量机器人相对于地面的位移，从而实现牵引控制系统算法的反馈控制。同时，需要对机器人进行多种模式下的测量，从而得到最终的数据反馈测量列表。所有的测试实验时间间隔相同，均为700ms（见图4）。

每一个加速度应至少测量一次，多次测量求平均值可以得到更准确的结果。最后通过比较最终的平均值或者极值的位移量，从而选定在不同情况下的最优加速模式。整个算法的流程图如图5所示。

3 实验结果

图 4 不同加速度模式下的测试结果

图 5 控制算法

为了验证控制算法的有效性，这里进行了一系列的验证试验，图4中所示的4种不同的加速模式被转换为不同的转矩输入模式，并分别加载于电机控制器中。每种加速模式进行3次测试，共进行15次试验，每次实验的运行距离都被光学传感器测量并记录下来。

实验结果归纳在表1中，图6给出了5种加速模式的实验结果对比，其中包括每一次实验的结果。实验结果表明，第三种模式是最高效的。当然，评判标准是多样化的，可以看到第4、5种加速模式可以获得最陡峭的加速曲线，但是它们不能保证机器人运行距离最远。值得一提的是，对于大多数实验来说，本算法可以实现履带车直行方向控制。该系统采用反馈控制的方式，通过从陀螺仪传感器收集到的数据，根据方向角实时纠正两个履带的牵引力大小，从而实现完整的牵引力控制系统，达到稳定有效的控制。

图6 表1中所示实验结果的图形表示

4 难点与讨论

电机产生的电磁干扰往往会给实验带来困难。在相扑机器人中，这对于相隔较近的电子元件是一个很大的问题。位移传感器采用USB与微控制器之间的通信对电磁干扰高度敏感。

大多数的光学位移传感器的设计都为了适应计算机鼠标，很少能测量大于1m/s的速度。机器人能够达到大约1.7m/s的速度，因此，要得到合适的传感器是非常困难的。

速度非常恒定时，位移的测量值将会是高度波动的。对这个信号进行滤波处理将导致明显的延迟，使得最终不能够将信息反馈给牵引力控制系统以保持所需的滑移率（防滑控制）。该问题的解决方案是对两个轨道进行独立的控制，因为它们的速度可以分别由陀螺仪和纵向位移测出。

本文提出的牵引力控制系统是提高相扑机器人和其他运动型机器人性能的简易解决方案。但是，对于实际更高速行驶系统如汽车的TCS，这样的解决方案还是不够的。

值得一提的是，除了提高机器人的运行速度，还有一个较为常用的方法就是改变机器人材料和涂层，针对这个方法，已经有很多文献可供参考。

笔者相信，随着视觉传感器的发展，将来可能会有为机器人运动的反馈控制系统提供的、价格低廉的方案。

引入第二个光学传感器将获得如文献[5-6]所述的有益结果。进一步地，设计一个运行于噪声反馈测量的卡曼滤波器也可能改善系统性能。

5 结论

本文介绍的牵引力控制系统可以使机器人在任何表面均能探测到最有效的加速方案，设计的过程为半自动化，只需操作者稍微调整一下机器人的位置，便可以使机器人实现最好的加速性能。

所设计的方法可以快速简单的适应不同的接触表面，在相扑机器人比赛时，每个机器人表面采用不同的涂层，比赛组织者只需要关注机器人的颜色即可，不需要过多关心相关的材料质地[1]。

所述的方案主要应用于机器人有较强的电机，且轮子或履带和表面之间的附着系数低，容易使机器人失去控制的情况。当然，这种算法也适用于轮式机器人。所提出的方法另外一个显著的优点是，在直转向路径上机器人更容易选择可以预见的模式，这提高了机器人的导航性能，并且保持直线运动。

[1] RoboGames. [EB/OL] [ 2013-11-15]. http：//robogames.net/rules/all-sumo.php.

[2] Tamiya. [EB/OL] [ 2013-11-15]. http：//www.tamiya.com/japan/robocon/robot_sumo/robot_sumo.htm.

[3] Avago Technologies. ADNS-7700 One chip USB Laser Stream™ Mouse Sensors [R], Singapore： Avago Technologies, 2012.

[4] Lee H , Tomizuka M. Adaptive Traction Control [M]. Berkley： California PATH Program, Institute of Transportation Studies, University of California at Berkeley, 1995.

[5] Sekimori D, Miyazaki F. Precise Dead-reckoning For Mobile Robots Using Multiple optical Mouse Sensors[M]//Joaquim Filipe, Jean-Louis Ferrier, and Juan A. Cetto. Informatics in Control, Automation and Robotics II. Dordrecht： Springer, 2007：145-151.

[6] Mudrova L, Faigl J, Halgasik J, et al. Estimation of Mobile Robot Pose from Optical Mouses[C]// Research and Education in Robotics - EUROBOT 2010. Rapperswil-Jona, Switzerland, 2010：93-107.

本项目是国家自然科学基金资助项目，项目编号：51275265, 51175286。