自主移动机器人运动控制系统的设计与实现

2016-12-26江西工程学院李冠湛黄海军

电子世界 2016年21期

江西工程学院李冠湛黄海军

自主移动机器人运动控制系统的设计与实现

江西工程学院李冠湛黄海军

随着现代社会自动化技术不断发展,机器人设备在当前社会各个方面均有着越来越广泛的应用。自主移动机器人是现代机器人设备中比较先进的一种,具有明显的智能化及自动化特点。在自主移动机器人实际应用过程中,为能够使其各项功能得以更好实现,使其作用能够得以更好发展,应当对其运动控制进行进行合理设计,从而使其更好服务于当前社会生产及人们生活。

自主移动机器人;运动控制系统;设计分析

自动移动机器人在当前社会上是具有较高智能化水平的一种机器人设备,对于自主移动机器人而言,运动控制系统属于十分重要的一个组成部分,对其功能的实现及各种作用的有效发挥均能够起到一定决定性作用。因此,对自主移动机器人中的运动控制系统进行科学合理设计具有十分重要的作用及意义。本文就自主移动机器人运动控制系统的设计与实现进行分析。

1.运动控制系统硬件设计分析

1.1 数字罗盘模块设计

在运动控制系统的硬件设计过程中,通过对数字罗盘进行合理运用,可将机器人运动方向随时获取。对于数字罗盘而言,其属于磁敏感器件,所以在安装设计过程中应当与各种相关磁干扰源远离,在本次设计过程,安装数字罗盘所选择的位置为整个机器人系统顶部,通过RS232C电平串行通信接口与微控制器之间进行连接。在本次设计过程中所选择数字罗盘类型为TDC3,该类型罗盘性能比较高,但价格比较低,该数字罗盘可利用串行通信接口将罗盘航向信息输出,其最高输出频率能够达到35次/s。该罗盘选择功耗较低的微处理器,在实际工作过程中其功耗基本上能够忽略。在数字罗盘内部设置自动校准算法,对于周边铁磁物质磁场变化而导致误差可进行改正[1]。

1.2 电机驱动模块

对于电机驱动模块而言,其所选择的为L298N,其属于一种集成电路,该集成电路选择双H桥形式,具有较高电压,并且具有较大电流功率,其主要作用就是驱动电感性负载,主要包括线圈、继电器以及步进电动机与直流电动机。该集成电路选择Multiawatt塑料封装,其内部包括四种推免式驱动器,并且这些驱动器之间是相互独立的,对于这四个驱动器而言,其能够两两进行组合,从而形成双H桥,对于每个H桥而言,其均具备各自使能控制端,对于每个半桥而言,其均具备自身输入控制端,并且控制端信号选择TTL电平,在芯片内部设置逻辑部分电源。在该系统中,为能够使逻辑电流增大,使其输入端各个接口及输出端各个出口进行并联,这样一来能够使其最大驱动电流达到3.5A。在微控制器中,其PWM输出及I/O分别连接L298N中的输入控制端及使能端,从而能够控制直流电机速度以及转向。

1.3 超声测距模块及GPS接收模块

对于该系统系统中所选择GPS接收模块而言,其自身具备控制软件,在通电之后可依据其内部设置工作。在GPS接收模块正常工作之后,系统中微控制器可依据GPS通信协议将定位信息接收或者对GPS工作状态进行控制。在该GPS接收模块中,其通信协议主要包括两种,即CMC二进制及NMEA-0183,在该系统中,比较适合的方式为CMC二进制。

对于超声测距模块而言,其价格相对而言比较高,在该系统中带动超声传感器转动选择步进电机,实施全方位测量。对于这种方法而言,其优点就是可使超声模块数量得以节约,可有效避免多个模块共同使用时所出现的探测交叠,其所存在缺点就是速度比较慢,探测一周所需时间比较长。对于步进电机而言,其步数及转速的决定因素为微控制器所输出脉冲序列个数以及频率,I/O端口高低电平可对其转向进行控制。为能够准确掌握超声传感器和机器人车头方向一致时间,选择红外对管,若二者方向保持一致,则红外对管所输出频率比较高,若二者方向不一致,则输出电平比较低[1-2]。

2.运动控制系统中软件系统结构设计

对于该运动控制系统而言,其所选择操作系统为window0XP,其程序开发系统所选择的为C++,同时其所选择程序设计方法为模块化及windows线程多控制任务处理机制,这样不但使程度调试及修改更加方便,并且还能够准并行分布式处理控制系统。

首先,系统中ADT850运动控制卡能够将开发库函数提供,可封装针对运动控制卡哥哥通道所实施相关操作,从而使其成为针对机器人各轮所实施相关操作,并且形成相关函数,对于这些函数而言,其均属于CAdt-MotorCtrl类型函数。

其次,可对另外一类CRobot-ActionCtrl进行定义,从而将整个机器人相关操作完成,比如对机器人进行控制,使其行直线运动、弧线运动以及纯转动与停止等动作,并且还能够将机器人位姿获取。

通过上述两种类型,基本上能够屏蔽机器人自身及运动控制卡相关硬件参数及硬件操作,这样一来能够使上层开发更加方便、简单,在不了解有关硬件知识情况下便能够将机器人运动控制程序开发完成,可使系统的可扩展性能更加良好,其整体结构可如下图所示:

图1 自主移动机器人运动控制系统程序图

对于位姿状态监测模块而言,其主要作用就是对各传感器输入型号进行采集,从而使监测机器人位置姿态能够得以实现,并且对于这些信号而言,可将其当作控制系统反馈信号;对于路径跟踪控制模块而言,其主要作用就是使机器人路径的跟踪控制算法能够得以实现,可将控制信号提供给驱动系统;传感器云台控制模块的重要作用就是对传感器云台进行控制,使其能够以8°/s角速度进行转动,并且能够以4°/s角速度进行俯仰运动;对于紧急情况处理模块而言,其主要作用就是对各种紧急情况进行处理;对于通信模块而言,其主要作用就是使运动控制系统及上层决策系统两者间可实现通信[2-3]。

3.运动控制系统功能设计

对于自主移动机器人而言,在其工作环境为户外未知动态环境时,则其运动控制系统所具备功能就是对机器人进行合理控制,使其能够依据所设计好轨迹进行平稳行使,从而使预期速度要求以及位姿要求均能够得到满足,并且其抗干扰能力以及鲁棒性均比较强。对于控制功能而言,其得以实现所利用的主要就是系统中三环反馈,即位置环、速度环以及电流环,其具体结构如图2所示:

图2 运动控制系统功能结构图

为能够使系统稳定裕度及频带得以提高,其速度环及位置环选择异步采样方式,其中对于位置环,其采样周期为5ms,对于速度环,其采样周期为128us。在设计电流环方面,实际上就是对L292外部参数进行合理选择。位置环中调解律实际上就是对机器人运动进行控制的相关各种控制算法。对于移动机器人而言,其工作环境存在可变性及多样性特点,具有比较复杂的动力学特性,因而对于运动控制算法的要求相对而言也就比较高。相关研究人员以移动机器人运动学模型为基础提出比较有效的控制算法,其能够使轨迹跟踪特性保持比较稳定,然而在实际运用过程中是将电机输出力矩作为最终控制量的,所以在本次设计过程中将移动机器人动力学特点作为入手点,对机械电子装置部分所起到作用进行考虑,以动力学模型为基础对控制算法进行设计,从而实现比较理想的效果[3]。