分层式移动平台运动控制系统设计

王珂

摘 要：为达到移动机器人可以实现对特殊环境进行高速、高精度稳定可靠的运行目标，基于分层式模式的移动机器人运动控制系统能够充分运用PC端，文章制定了PC+STM32的分层式移动控制机器人的总体设计方案，并完成了该运动控制系统的车体位姿求解算法。此外，文章完成了分层式人机界面操作系统设计，对样机进行了实验系统搭建，为移动、监控、自动化工厂等提供平台。就智能移动机器人系统控制的姿态求解进行实验测试，实验结果表明：所研制的远程操作车体具有控制系统可靠稳定、响应迅速、定位准确的特点。

关键词：移动机器人；分层式；运动控制系统

中图分类号：TP242 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）33-0086-04

Abstract： In order to achieve the goal of high speed， high precision， stability and reliability， the mobile robot can operate in special environment. The motion control system of mobile robot based on hierarchical mode can make full use of PC. In this paper， the overall design scheme of the hierarchical mobile control robot based on PC+STM32 is worked out， and the algorithm for solving the vehicle posture of the motion control system is completed. In addition， the paper completes the design of the layered man-machine interface operating system. The experimental system of the prototype is built， which provides a platform for mobile， monitoring， automation factory and so on. The attitude solution of intelligent mobile robot system is tested experimentally. The experimental results show that the control system is reliable and stable， the response is rapid and the positioning is accurate.

Keywords： mobile robot； hierarchical； motion control system

1 智能移動机器人的控制系统体系架构设计

1.1 简介

移动机器人是一类能够通过传感器感知环境和自身状态，实现在有障碍物的环境中面向目标自主运动，从而完成一定功能的机器人系统[6]，智能机器人所面向的环境是现实世界中复杂的动态环境，如何利用自身受限的感知和行为能力，引导机器人顺利完成复杂的任务，是智能机器人控制系统需要解决的主要问题[10]，但在目前全自主移动机器人还大多处于实验阶段，进入实用的多为半自主移动机器人，通过人的干预在特定环境中执行各种任务，而遥控机器人则完全离不开人的干预[5]，移动机器人是目前科学技术发展最活跃的领域之一。

针对移动机器人的结构特点和运动特性，车体结构采用轮式车体，主要包括车轮车架，传动装置和驱动电机等部分。为达到移动机器人可以实现对特殊环境进行高速、高精度稳定可靠的运行目标[9]，智能移动机器人需要对操作控制系统、位姿反馈算法等展开阐述。本文主要集中于控制系统的设计，提出一套开放式的分布式运动控制系统，开放式机器人运动控制系统因具有可互操作性、可移植性、可替代性、可缩放性和可二次开发性等特点，目前已经成为机器人运动控制系统发展的主流方向[4]。

本文采用三层形式来控制整个系统的运行，下位机包括行为信息层和控制层两个部分，上下位机之间采用RS232串口通信，串口通讯是利用一根传输线传输数据，数据传输的方式是按位传输。下位机与传感器之间采用SPI通信，SPI是串行外设接口（Serial Peripheral Interface）的缩写，是 Motorola 公司推出的一种同步串行接口技术，是一种高速的，全双工，同步的通信总线。本文应用通讯的主要设计思想为：主机先向从机发送地址，若是向从机写入数据，则向从机发送数据，若是读取从机数据，则向从机发送时钟，然后在时钟下降沿读取数据。

1.2 分布式控制系统设计方案

为满足该智能移动机器人的工作要求，本文选择一种分布式的控制结构。整个结构由三个分层组成，分别是上位机层、行为信息层、下位机控制层， 如图1系统三层控制结构图所示。

各分层的主要功能如下：

上位机控制层：通过RS232与行为信息层通信，实时处理行为层获取的各类传感器信息值，同时远程监控智能移动机器人的运动状态，并根据运动状态对智能移动机器人进行自动调整，从而实现整个系统的有效运行。

行为信息层：主要负责各类传感器信息的反馈，该层不仅与上位机进行实时通讯，同时也要实时反馈下位机控制层采取的各种信息。

下位机控制层：主要采用SPI通讯方式，实时采取移动机器人的各类传感器信号、完成上位机指定的控制指令，完成对电机的伺服控制。

2 控制系统的控制平台设计

本文主要选择stm32作为主控芯片，主要设计包括电源系统、通信系统、传感器系统、信号处理系统。硬件控制系统主要包括移动载体控制器、电机驱动器、控制器、編码器、直流伺服电机、I/O模块、通讯模块、人机交互界面[7-8]。各个模块发挥自己特定功能的同时与其他设备配合，共同完成中机器人软件系统下达给移动载体控制系统的任务。控制系统硬件架构如图2（a）和（b）所示。

（a）行为信息层

在实际移动机器人应用中，上位机是基于visual C++的MFC程序，为实现与stm32的串口通讯，编写完成一个MFC界面作为通讯窗口，调用MScomm控件，主要如图3所示。串口调试程序可以选择串口1和串口2，本文选择串口1，设置串口传输参数，周期性自动发送控制命令。串口通讯基本流程如图3所示，实际运行效果如图4所示。

上位机与下位机通讯配置完成后，本文采用分层式人机交互界面，其中人机交互界面的功能模块图如图5所示，移动机器人任务环境的设计目的是合理的去完成一系列任务，并告知机器人完成任务的顺序，同时向其他模块完成状态信息共享等，人机交互界面如图6所示，主要包括移动机器人控制栏、串口配置信息显示、机器人状态信息显示、机器人任务要求、移动轨迹状态显示等信息以及串口配置、传感器信息等子窗口接口。

3 移动机器人实验分析

本实验的数据采集主要通过以下方式：将光电码盘的正交编码信号输入到主控板控制器stm32的正交编码脉冲外设中；利用光电码盘单位时间内检测出机器人的左右轮位移差分信号ΔR、ΔL，由此可以推断出单位时间内机器人位置变化量ΔX、ΔY和Δθ，通过计算位姿公式得到该移动机器人的位姿信息。

我们选择以X方向运动作为误差基准，通过多次测量X方向的数据求取整个误差补偿值作为系统补偿值，通过MATLAB对所测数据进行多项式拟合处理得到如图7图8误差补偿曲线曲线，在曲线上通过观测移动机器人的X方向数据得到置信度为0.95的置信区间，我们选择其均值作为误差补偿值。

从图中我们可以看出随着位移的增加，其误差值增大；在位移范围为0～35m内的误差极大值为1.2m。

我们通过多次测试到达位置为10m、角度为0°处的位姿对上述误差补偿值进行验证。测量13组数据：R、L表示为左右轮的差分位置信号累加值如表1所示。（其中该点的实际位置值为（10m，10m），角度0°，其误差补偿值0.36m）

4 结束语

本文完成了智能移动机器人的控制系统体系架构设计、控制系统的控制平台设计及系统配套软件开发，对样机进行了实验系统搭建，为移动、监控、自动化工厂等提供平台。最后就移动机器人系统控制与姿态求解进行实验测试，实验结果表明：所研制的远程操作车体具有控制系统可靠稳定、响应迅速，定位较为准确的特点。本文虽然对远程操控的移动机器人展开了全面设计，并成功实现了预期的任务目标，但由于时间限制，本课题还需要进一步完善以下问题：控制系统的软硬件功能还需进一步完善，使控制系统的控制性能进一步提升，从而进一步提高系统的可靠性；误差补偿的处理方式还有待进一步解决，主要包括误差补偿方向的确定及误差产生的原因等问题；传感器信息采集系统还需要做进一步的研究，以提高外部感知能力。

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