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碗士论文 小型地面移动机器人控制系统研究 摘要 随着机器人技术的发展，小型地面移动机器人在城市作战、捧爆、反恐、消防等 领域应用越来越广泛，机器人控制系统的研究已经成为当今科研的热点之一，国内外 许多科研院所都加强了这方面的研究力度。本课题源于实际工程项目“小型多功能地 面移动机器人”，由南京理工大学风险基金提供资金支持。 本课题研究的地面移动机器人，其驱动控制系统是由嵌入式计算机p c m 5 3 3 0 、 电机驱动器、电机系统和电源组成，通过串口和c a n 总线两种通讯方式将遥控和驱 动控制组成一个有机整体。在控制系统硬件的各部分选型时，通过对同类产品的性能 比较，选出了符合本课题的硬件型号。组装完成后进入调试阶段，通过对硬件调试， 获得了电机驱动器的保护参数和p i 控制参数，使电流控制器和速度控制器的动态响 应很好地满足了要求；软件的编写和调试，较好的完成了对机器人的控制。系统调试 完成后，通过对机器人傲各种测试试验，包括架空试验和实际工况试验，依据试验数 据和分析结果，找出机器人在机械零部件上的缺陷，并在软件上给以一定的补偿。经 过反复试验，不断完善控制程序，进一步提高了机器人的可操作性能，并对机器人的 控制提供了重要的参考，在转弯、越障、节能、保护等方面实现了最佳控制策略。 本课题的研究较好地满足了小型地面移动机器人对控制系统的要求，在巡航、原 地转弯、翻身、越障等方面都达到了“小型多功能地面移动机器人”项目的指标要求。 关键词：移动机器人，控制系统，嵌入式计算机，串行通信，c a n 总线 硕士论文小型地面移动机嚣人控制系统研究 a b s t r a c t 啪t h ef a s td e v e l o p m e n to fr o b o t , t h ea p p l i c a t i o no fs m a l l s c a l em u l t i - f u n c t i o n a l g r o u n dm o v i n gr o b o t si n 丘e l d sl i k ef i r ec o n t r o l , e x c l u d i n ge x p l o d e sa n d 觚f i - t e r r o r i s mi s b e c o m i n gm o r ea n dm o r ep o p u l a r 硼地r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tf o ra u t o m a t i o nc o n t r o l s y s t e m sh a sb e c o m et h ef o c ma tp r e s e n ta n dm a n yo 理田n i z a l i o 璐i na n da b o a r da r e s t r e n g t h e n i n gt h e i rr e s e a r c hi nt h i s t h i sp a p e ri so r i g i n a l l yf r o mar e a lp r o j c c tn a m e d 。1 k s m a l l - s c a l em u l t i - f u n c t i o n a lg r o u n dm o v i n gr o b o t ”，w h i c hi ss p o n s o r e db yt h ev e n t u r e f u n do f n a n j i n gu n i v e r s i t yo f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g y 1 1 玲d r i v ec o n l a o ls y s t e mo ft h er o b o ti sm a d eu po fe m b e d d e dc o m p m e rp c m - 5 3 3 0 。 m o t o rs y s t e ma n dp o w c ts e r i a lc o m m u n i c a t i o na n dc a nc o m m u n i c a t i o nc 觚m a k e r e m o t e - c o n t r o la n dd r i v i n gs y s t e ma l lo r g a n i cw h o l e w i 血at h r o u g hc o m p a r i s o no ft h e p e r f o r m a n c eo ft h es i m i l a rp r o d u c t s , w ec h o s ee a c hp a no ft h eh a r d w a r eo ft h ec o n t r o l s y s t e mt h a tm a t c h e do p r o j e c t a f t e rt h ea s s e m b l yw a st h ed e b u g g i n gw o r k w i t h h a r d w a r ed e b u g g i n g , w ea c q u i r e dt h ep r o t e c t i v ep f 嘲e t e 瑙o ft h em o m rd r i v i n ga n dp i c o n t l o ip a r a m e t e r s ，w h i c hh e l pm a l 出培t h ed y n a m i cr e s p o n do f b o t ht h ee l e c t r i c a lc u r r e n t c o n t r o ls y s t e ma n dv e l o c i t yc o n t r o ls y s t e mm e e tt h er e q u i r e m e n tv e r yw e l l 劬岔s o f t w a r e d e b u g g i n g , w ed e b u g g e dt h em a i np r o g r a mi np c m - 5 3 3 0 ，c o m m u n i c a t i o np r o g r a mf o r i n i f i a l i z 蛳o n , i n s t r u c t i o nr e c e i v i n ga n ds e n d i n ga n dd a t ap r o c e s sp r o g r a m ，a n dt h ep r o g r a m w i t h i nt h ed r i v e r , w h i c hm a d et h ec o n t r o lo ft h er o b o tv e r yw e l l a f t e rs u c c c d l i n gi nt h e d e b u g g i n gw o r k , w ed i dd i f f e r e n tk i n do f 把s d n ge x p e r i m e n t so ft h er o b o t , i n c l u d i n g e x p e r i m e n t sw i t ht h ew h e e l so f 也er o b o ti nt h ea i ra n do nt h es i m u l a t i v eg r o u n d w e a n a l y z e dt h ed a t ao ft h ee x p e r i m e n ta n di t sr e s u l t , f o u n dt h ed e f e c to ft h ed e s i g no ft h e r o b o ta n dm a d ei tu pb yi m p r o v i n gi t ss o f t w a r es y s t e m w i l ht h er e p e a t i n ge x p e r i m e n t sa n d i m p r o v e m e n to f t h ep r o g r a m , w el a r g e l yi m p r o v e di t sm a a e n v e r a b i l i l y a l lt h ed a t aa n di t s r e s u l tf r o mt h ee x p e r i m e n t sw a sag o o dm f c r e n c ef o rt h ee v a l u a t i o na n da m e l i o r a t i o no f t h e c o n u o ls y s t e mo ft h er o b o t , a n de d u c ea no p t i m a lc o n t r o ls u _ a t e g yi n 鲫旧吨m o u n 鸱 e n e r g ye c o n o m ya n dp r o m c t i o n t h i sp a p e rm e e t st h er e q u i r e m e n to ft h ec o n t r o ls y s t e mo ft h et h es m a l l - s c a l e m u l t i f u n c t i o n a lg r o u n dm o v i n gr o b o ta n dm a k e si ti nc r u i s e ，s w e r v e , t i | n l i n go v e ra n d s 砸d i n go v e l o b s t a c l e s k e y w o r d s ：s m a l l s c a l eg r o u n d - m o v i n gr o b o t , c o n t r o ls y s t e m , e m b e d d e d c o m p u t e r ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ，c a nb u s n 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名；么堑j 圭! 丑弦。犀厂月刁日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：至堑j ! ! 蜀 弘。侔翻研日 两士论文小型地面移动机器人控制系统研究 l 绪论 1 1 课题研究的背景及意义 本课题源于实际工程项目。小型多功能地面移动机器人”，主要实现消防、排爆、 反恐等特殊功能。针对此项目提出的要求，结合当前机器人技术的发展，根据以往对 机器人设计的实际经验，设计出能防火、防水、防尘，适合于恶劣环境下工作的机器 人，以便在高温、危险以及一些人所不能及的场合派上用场。 目前世界上针对复杂奇异地形环境和作业环境，各种机械结构和控制系统构成层 出不穷，其核心技术是越障和导航技术。对于需要爬越楼梯和其他障碍物的机器人， 主要有轮式、腿式、履带式三种基本机械结构及其组合式结构。根据设计要求和以往 的设计经验，本课题的机器人采用了组合式结构独立旋转复合履带轮式移动机器人 底盘结构方案。这种组合式结构综合了几种结构的优点，是现今机器入系统研究和发 展的方向。在机器人的控制方面，我们采用了嵌入式计算机控制电机驱动器，进而控 制直流有刷电动机的控制方式。通过对电机电流和速度的反馈实施闭环控制，操作人 员通过遥操作系统对机器人发送遥控指令，实现对有刷直流伺服电机的实时控制，以 此来控制机器人的各种运动。 本课题研究的机器人既可以用于军用，也可以用于民用。在军用方面： 未来二 十一世纪的战场，战争的初期极可能是一场无人系统的较量。微小型无入系统是最理 想的士兵，它们已在战争中显示出卓越的作战本领，可以突出他们在未来战场上的重 要地位。微小型地蕊移动机器人由于体积小、隐蔽性好、快速反应、机动性好、生存 能力强、成本低等特点，特别适用于城市和恶劣环境下的局部战争和信息战争，具有 重大意义和军事效益。在民用方面；这种机器人对各种地面的通过能力和运动灵活性 均比普通履带车有较大提高，可以在环境比较恶劣的条件下工作，如应用于消防、排 爆等。可以在很大程度上减少人员的伤亡，减少人民财产损失，甚至完成一些人所不 能完成的特殊任务。 1 2 控制系统研究概况及发展 机器人的控制系统包括硬件和软件两个方面，对机器人的控制系统进行研究是为 了简化结构设计和提高系统的可靠性。目前有关机器人控制系统的研究主要集中在两 类系统上：一是基于性能的或反应式的系统，其特点是紧耦合、最小化计算和实现任 务的性能分解；另一类是异步、同步控制和数据流混合系统，异步处理的特征是松耦 合和事件驱动，而同步处理的特征是紧耦合，严格的实时性要求。 运动控制器是控制系统的底层结构，其产品和研究主要集中在美国和日本，运动 控制器以数字信号处理器d s p 技术为核心，基于p c 的开放式结构。控制系统体系 结构方面的研究已成为热点，其重点是功能模块划分和功能模块之间信息交换的规范 硕士论文小型地面移动机器人控制系统研究 方面。在日本，体系结构以硬件为基础来划分：第一层为关节操作器；第二层是伺服 驱动；第三层是运动控制器；第四层是操作控制；第五层应用程序开发环境。在美国， 美国国家航空和宇航局和国家标准化局标准化制定了一个概念模型n a s r e m 遥控机器人控制系统结构的参考模型，它包括三个概念：一是集成化的结构；二是一 组应用程序集；三是集成配置环境。此外一些新技术也被应用于机器人控制中，如 法国的p r u a u x 等教授和m w a _ t g u i a 等教授采用c a n 总线技术对移动机器人进行控 制。前者采用c a n 网络结构对轮式快速移动机器入r o m e o 进行控制，并提出了一 种“分层结构，分布计算”的概念。后者将c a n 网络应用于移动机器人控制，但采 用了功能完全分散的方式，即每一子功能都采用一片微处理器来完成，通过c a n 总 线将各子系统连接起来。 国内机器人控制系统的研究比国外落后很多、差距比较大。目前，主要集中在机 器人控制算法和策略上，而对控制系统体系结构方面的研究非常少。 机器人在控制方面的研究方向主要有这样几个：开放式控制体系结构的研究， 主要是集中在功能的划分、功能之间的信息交换规范以及实现功能的方法上。在开放 式控制器体系结构研究方面，有两种基本结构：一种是基于硬件层次划分的结构；另 一种是基于功能划分的结构。仅从功能上来考虑，后者是控制器体系结构的研究和发 展方向。目前的研究主要是集中在基于开放式结构体系的功能划分和功能单元的信息 交换规范，而且力图建立一种。完全说明智能系统全部组件的模型”。多算法融合 的研究。机器人控制算法不同于一般的控制系统。典型的自动控制系统的设计是针对 具体的系统，或采用经典控制理论或采用现代控制理论或离散控制理论或模糊控制理 论等，或者几种方法的组合但不同时进行控制。机器人控制算法几乎都是几种控制方 法的融合。通用交互式图形化人机界面的研制。目前，国外对机器人控制器的研究 主要集中在功能方面，也即软件方面的研究和开发，特别是通用交互式图形化人机界 面的开发已越来越受到重视，它是机器人技术实用化关键技术之一。目前的人机交互 界面要么是手持操作器和带操作的示教板，要么是键盘驱动或鼠标驱动的固定式菜单 和弹出式菜单，相对在工业中常用的组态软件如i n t o u e h 、f i x 等图形化操作要落 后的多。通用交互式图形化人机界面开发难度很大，一方面它有赖于开放结构规范的 建立，而目前仍未形成一个统一的、公认的技术规范；另一方面是机器人多样性和复 杂性决定的。如机器人种类不同功能就各异、环境模型难于统一、控制算法复杂多样 等等。但是，对某一类型的机器人，特别是已经开始实用化的机器人，还是比较有益 的。通用交互式图形化人机界面通常是基于实时多任务操作系统，主要包括两个部分： 开发环境和应用环境。开发环境为应用环境提供一个开发平台，用户可以根据自己的 要求，在开发环境下采用交互式图形界面，组合满足要求的应用程序，并可通过应用 环境编译为可直接运行的程序 2 1 。 2 磺士论文小型地面移动机器人控制系统研究 1 , 3 论文主要研究工作 根据“小型多功能地面移动机器人”项目提出的技术指标，我们设计了控制系统 的整体结构方案，并反复论证此方案是可行的。通过同类产品之间的相互比较，最终 选出满足课题要求的型号进行了硬件组装，然后对硬件进行相关调试，标定出驱动器 的有关参数。将软件装载好后，对机器人进行各种试验测试，通过不断测试机器人的 控制系统，找出控制方面的缺点并做出改进，最终满足了机器人对控制系统的要求， 在巡航、越障、爬坡、转弯、翻转等方面都达到了“小型多功能地面移动机器人”项 目的技术指标。 论文的后续章节就是关于以上工作的详细阐述。其中第二章是关于控制系统的硬 件选型，详述了选择的原因和所选型号的优点；第三章是软件系统设计，叙述了控制 系统的各软件模块的编写思想和功能；第四章是硬件调试，由于电机驱动器的有关参 数需要用户自己定义，所以根据我们机器人自己的特性进行了各种参数的整定；第五 章是试验及数据分析，解释了试验的现象和发现数据的内在规律，对控制系统的改进 提供了重要依据。 3 葡士论文小型地面移动机器人控制系统研究 2 控制系统设计 2 1 控制系统总体方案 。小型多功能地面移动机器人”科研项目提出的技术指标如表2 1 1 所示，根据 机器人的机械结构设计和机器人的性能指标要求以及小型地面移动机器人的一些特 点，决定采用嵌入式计算机控制电机驱动器，驱动器控制电机进而控制机器人姿态， 并通过无线遥控模块实现机器人的遥控。 表2 1 1 机器人技术指标 总体结构 2 节可变履带式结构 自重自重 5 公斤 结构尺寸6 0 0 x 4 0 0 x 2 5 0 ( m ) 长宽高 结构摆标 驱动轮直径d 2 0 5 m m 摆长l2 3 0 r a m 平地最大速度 3 m s 最大通过坡度 3 0 度 最大通过障碍 2 5 0 r a m 楼梯通过能力能通过普遥标准楼梯 性能指标 转向能力能原地零半径转向 巡航速度1 5 m s 续航能力5 小时以上 特殊动作可以通过单摆动作完成车体翻转 防护能力能涉水、防沙尘抗冲击 控制系统结构框图如图2 1 1 所示。c a n 口实现的是主控计算机与机器人两侧主驱动 电机驱动器之间的通讯，串口2 实现的是主控计算机与摆臂电机驱动器之问的通讯， 串口1 实现的是主控计算机与无线收发器之间的通讯。 4 碗士论文小型地面移动机器人控制系统研究 图2 1 1 控制系统结构 控制系统是机器人系统的思想和灵魂，也是本课题研究的重点和核心。控制系统 部件主要有遥控系统、嵌入式计算机、驱动器、电动机、控制电源、动力电源。其中， 电机由电机、编码器、减速器组成的，电机、编码器和减速器是由m a x o n 公司生产 的组合产品，它们三者通过机械方法组合成一个整体；嵌入式计算机由微处理器 p c m 5 3 3 0 、c a n 通讯适配卡p c m 3 6 8 0 组成的；驱动控制系统在机器人内部的布局 如图2 1 2 所示。 圈2 1 2 控制系统布局 5 硕士论文 小型地面移动机器人控制系统研究 图中l 是主控计算机；2 是无线收发器；3 是电机驱动器；4 是右侧主驱动电机； 5 是摆臂电机；6 是左侧主驱动电机；7 是摆臂；8 是主履带。下面就各部分的选型进 行了详尽的阐述。 2 2 控制部件选型 2 2 1 电机、编码器和减速器 1 、主驱动电机选择 电机系统由电动机、减速器和编码器等组成。本次课题所设计的地面移动机器人 运动情况非常复杂，要求瞬时功率大，过载能力强，加速性能好，调速范围宽广，包 括恒定转矩区和恒定功率区。在恒转矩区要求低速运行时，具有大转矩，以满足起动 和越障的要求；在恒功率区，要求低转矩时，具有高的速度，以满足车体在平坦的路 面能够高速行驶的要求。本机器人的动力电机采用的是m a x o n 有刷直流电机。 综合平地行走和爬坡的情况，我们以最大爬坡( d = 3 0 0 ) 时的机器人为研究对象， 对此进行受力分析，如图2 2 1 所示，以计算的数据为依据选择电机的型号。 图2 2 1 机器人受力模型 m ：作用于驱动轮的驱动力矩； m = m l + 鸠= 2 5 堙；估算机器人的总质量( m 是负载及坎是自身重量) ： ，；地面对驱动轮的法向反作用力； ，：地面对驱动轮的切向反作用力； r = 1 0 2 5 m m ：驱动轮半径： m ，：驱动轮滚动摩阻力矩 根据理论力学平衡条件，有平衡方程： f = m g s i n ( a ) n = m g c o s a ) m l = f r + m 1 ( 2 2 i ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) 6 硕士论文小型地面移动机器人控翩系统研究 m s = 6 ( 2 2 4 ) 其中：地面履带滚动摩阻系数占= 7 r a m 综合( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 四个公式可以得到： ，鹄= m g r s i n ( a ) + 艿m g c o s ( a ) = g g ( r s i n ( a ) + s c o s ( a ) ) = 1 4 0 4 1 4 8 ( m n m ) 每个主驱动电机在最大坡度情况下需要提供的极限扭矩是 m i l l ：1 4 0 4 1 4 8 2 6 。2 7 0 0 3 m n m ，其中f 为齿轮传动比，根据要求的行驶最大速度 v = 3 m l s ，初步确定电机经过减速后的最大输出转速： j， 7 珥一2 器2 2 7 9 4 8 t a d 7 r a i n 因为电机在规定的温度范围内可以短时间过载，又因为电机功率越大重量越大，在权 衡二者利弊以及运动性能的要求，驱动电机选用的具体型号是：1 4 8 8 6 7 - - r e , 4 0 - - 1 5 0 w 配套g p 4 2 c 减速箱减速比2 6 ：1 ，效率o 7 2 。重量3 6 0 9 ；电机参数如表2 1 1 所示； 表2 1 1 驱动电机参数 项目指标说明 标称功率 1 5 0 最大输出功率 额定电压 2 4 v 空载转速7 5 8 0 r 阳 堵载转矩2 2 9 0 m 堵转条件下的转矩值，即起动转矩 最大允许转速 8 2 0 0 r 阳 最大连续电流( 5 0 0 0 r l ) 6 0 0 最大连续转矩( 5 0 0 0 r p m )1 8 0 m n m电机可以连续工作的转矩 最大效率 9 1 转矩常数 3 0 2 m n m a 转矩与有效电流值之比 重量4 8 0 9 2 、摆臂电机选择 由公式 m = m g l ( 2 2 5 ) 其中上是车体重心到前轮中心距离，= 1 8 0 r a m ，带入式( 2 2 5 ) ，得到： 腻= 4 4 1 0 0 m n m 出于电机通用性的考虑，摆臂电机与驱动电机选取相同型号，但匹配不同减速器， 经过选择，选取g p 5 2 c3 5 3 ：1 减速器，重量9 2 0 9 。 7 硬士论文 小型地面移动机器人控制系统研究 丝：一4 4 1 0 ：1 2 4 9 m n m 5 的组进行合并，结果如上表所示，这里组数k = 8 。未知参数个数r = 2 ， 取显著性水平a = 0 1 0 ，则虎( 七一r 一1 ) = 彳9 ( 5 ) = 9 2 3 6 z 2 ，所以接受h 0 ，即认为号 服从正态分布n ( 2 9 9 4 3 ，1 5 1 7 5 0 0 ) 。根据正态分布的数学期望e ( x ) = 1 1 可知， 磺士论文 小型地面移动机器人控翩系统研究 的数学期望 e ( 手) = = 丘= 2 9 9 4 3 样本方差 d = 占2 = 善2 = 1 5 1 7 5 0 0 同理，可以证明：1 1 号电机的总体变量为1 1 也服从正态分布，即r n 2 9 9 9 0 ，5 3 8 9 1 ) ， 所以，t 1 的数学期望 e ( r 1 ) = 2 9 9 9 0 样本方差 d 仞) = 5 3 8 9 1 比较i 号电机和号电机的数学期望可以发现差别不是很大，都非常接近理论 值3 0 0 0 0 ，但它们的样本方差差别却是比较大的，通过样本方差我们发现i 号电机 的波动性比较大，造成两者差别的原因可能有以下几点： 电机或驱动器本身的性能参数有差另i j ，但这种差别不会很大，因为本课题 选用的电机和驱动器都是性能很高的。 对电机驱动器进行标定的时候，对p i 参数整定和低通滤波器的参数设置 后，得到的系统响应不相同，因为在对两侧电机驱动器进行标定的时候是 分别标定的，两者的p i 参数和低通滤波器的参数与两侧履带在地面上的受 力有很大关系，决定了它们的控制系统的响应也是不相同的。 机器人两侧的机械结构造成的内阻不同。因为机器人在机械设计和零件的 加工精度上的不足，导致两侧的电机受力不同，使电机的速度波动有差别。 5 1 2 力矩模式试验 让机器人在四档位力矩模式控制下运转，进行试验，并取得试验数据，对取得的 数据进行以下分析： 1 、电流数据分析 将i 号、n 号电机在力矩模式控制下的回取电流数据用m a t l a b 绘图处理后， 绘制出电流曲线如图5 1 9 和图5 1 1 0 所示： 硕士论文小型地面移动机器人控制系统研究 图5 1 9i 号电机电流曲线 图5 1 1 0 n 号电机电流曲线 计算两电机电流的总体变量 、1 1 的数学期望和方差，得结果如下： 的数学期望 e ( 毋- - 4 3 1 0 4 样本方差 d ( f ) = 0 2 0 1 8 的数学期望 硕士论文 小型地面移动机器人控制系统研究 e ( 7 ) = 6 9 8 7 7 样本方差 d ( 叩) = o 8 4 9 9 2 、速度数据分析 将i 号、号电机在力矩模式控制下的回取速度数据用m a t i a b 绘图处理后， 绘制出电流曲线如图5 1 1 l 和图5 1 1 2 所示： 图5 1 1 1i 号电机速度益线 图5 1 1 2n 号电机速度曲线 计算两电机速度的总体变量l 、1 1 的数学期望和方差，得结果如下： 硕士论文小型地面移动机器人控制系统研究 号的数学期望 e ( 0 = 2 3 4 1 6 0 。 样本方差 d ( 毋= 2 0 6 9 8 0 0 0 1 1 的数学期望 占( 叩) = 2 1 9 0 3 0 样本方差 。 d ( ，7 ) = 4 8 6 3 3 0 0 0 5 1 3 各档数据比较 将机器人在各档位速度运行下得到的电流和速度数据进行分析，得到如下表格 5 1 2 和表5 1 3 ： 表5 1 21 号电机数据分析表 速度( c n t s )电流( a ) 档位 期望 方差误差 期望 方差 一档3 0 0 0 02 9 9 4 31 5 1 7 5 0 01 9 0 2 9 4 7 33 6 8 0 2 二档1 0 0 0 0 01 0 0 0 5 03 1 1 7 7 0 00 5 0 2 4 7 7 31 0 4 0 3 5 三档1 7 0 0 0 01 6 9 8 6 03 1 3 棚0 9 2 2 0 4 2 21 3 2 3 0 4 四档2 4 0 0 0 02 3 4 1 6 02 0 6 9 8 0 0 02 4 3 3 4 3 1 0 4o 2 0 1 8 表5 1 3n 号电机数据分析表 速度( c n t s )电流( a ) 档位 期望方差误差期望方差 一档3 0 0 0 0 2 9 9 9 0 5 3 8 9 10 3 3 3 5 4 6 01 6 1 3 8 二档1 0 0 0 0 09 9 9 5 43 8 1 8 1 00 0 1 3 5 0 8 82 8 8 0 7 三档1 7 0 0 0 01 7 0 0 2 01 1 6 3 3 0 00 1 2 3 4 9 5 61 6 3 3 5 0 四档2 4 0 0 0 02 1 9 0 3 04 8 6 3 3 0 0 1 08 7 3 8 6 9 8 7 7o 8 4 9 9 对上述的两个表格进行纵向和横向的比较，可以得到如下结论： l 、速度模式下： ( 1 ) 就电机自身的比较而言，随着电机的速度的提高，其数学期望也在增大，同 时方差也在增大；而电流则不同，随着速度的增大，电流的数学期望反而减小， 但它们的方差却是增大的。 ( 2 ) 两电机之间比较，在相同的档位下，i 号电机的速度数学期望均比n 号电机的 数学期望要来的大，速度误差也较大，而电流的数学期望则恰恰相反；l 号电 机的速度方差均比号电机的方差大，而电流则稍有不同。 2 、力矩模式下： 铅 碗士论文小型地面移动机器人控制系统研究 ( 1 ) 就电机自身的比较而言，与速度模式下相比，同样是速度增加7 0 0 0 0 c n f f s ，但 方差在力矩模式下与在速度模式下相比增加的要快，速度误差也较大；而电流 则相反，电流的数学期望是增加了，但与速度模式下相比，其方差却显著减小。 ( 2 ) 两电机之间比较，同样在力矩模式控制下，n 号电机的控制精度比i 号电机要 逊色一些，速度方差也大，电流也如此。 5 2 工况试验及数据分析 为了真实反映机器人在实际工况下的性能，必须将机器人放在路面上进行试验， 为了分析机器人的性能，我们也将机器人在运行时速度和电流数据取回来进行相应的 分折，从中找出一定的规律，作为今后系统改进的重要依据。 5 2 1 前进试验 将机器人放在平坦的路瓦上，控制机器人在每个档位下兹进，工况试验实物图为 图5 2 1 。 图5 2 1 前进试验 同时为每个档位运转下的电机采样速度和电流数据各2 0 0 个，将取得的数据进行 数学期望和方差计算得到如下表5 2 1 和表5 2 2 结果： 表5 2 1i 号电机数据分析表 速度( c n t s )电流( a ) 档位 期望方差误差期望方差 一档3 0 0 0 03 0 0 5 61 8 9 7 5 01 9 7 3 8 7 7 30 8 4 1 4 二档1 0 0 0 0 09 9 8 3 62 4 9 2 8 0 01 6 4 3 8 9 8 93 2 9 7 5 三挡1 7 0 0 0 01 6 9 6 1 0 5 8 8 5 1 0 0 02 2 9 4 7 9 6 0 3 1 5 6 2 四档2 4 0 0 0 01 9 9 3 5 02 1 3 2 4 0 0 01 6 9 - 3 8 8 3 8 7 2 0 2 6 9 5 颈士论文小型地面移动机器人控制系统研究 表5 2 2n 号电机数据分析表 速度( c n t s )电流( a ) 档位 期望 方差 误差 期望 方差 一档3 0 0 0 03 0 0 0 59 9 2 4 60 1 7 6 1 6 3 11 6 2 7 8 二档1 0 0 0 0 01 0 c 0 6 01 5 9 6 1 0 00 6 6 2 8 0 84 2 4 1 1 三档1 7 0 0 0 0 1 6 9 3 0 04 3 2 1 1 0 0 04 1 2 1 0 1 9 2 91 4 9 8 0 2 四档2 4 0 0 0 0 1 9 d 5 2 01 9 3 6 4 0 0 0 2 0 6 1 7 8 3 3 8 4 o 2 1 8 2 对表5 2 1 和表5 2 2 的数据进行纵横比较，可以得到如下结论： 1 、速度模式下： ( 1 ) 就电机自身在不同速度下比较而言，在速度模式控制下，i 号电机和n 号电机的速度期望随档位的变大而变大，方差也如此；电流也有同样的 规律，随档位的变大期望和方差均变大。 ( 2 ) 对i 号电机和n 号电机相互比较可以看出：在相同档位下，i 号电机的速 度期望要比n 号电机的大，速度误差也大，但速度的方差却相反，反面 小；电流变化规律是，i 号电机电流期望和方差都比n 号电机的要大。 2 、力矩模式下： ( 1 ) 就电机自身在速度模式和力矩模式控制下进行比较，在力矩模式控制下， i 号电机和号电机的速度方差都比在三档速度模式控制下的要小，速 度误差却变的很大：从电流看，速度交大的时候，i 号电机在三档速度模 式比在力矩模式控制下的电流期重姜小，号电机则相反，速度变大， 而电流反而减小。而电流的方差在力矩模式下明显减小，比速度模式下 的任何电流方差都要小。 ( 2 ) 对i 号电机和号电机在力矩控制模式下相互比较，i 号电机速度和电流 的期望和方差都比n 号电机的要稍大，而速度误差却变小。 5 2 2 转弯试验 本课韪研究的机器人有原地转弯的功能，转弯的速度大小可以通过控制电机进 而控制机器人。使机器人在一档3 0 0 0 0 c n t s 下原地转弯，实物图如图5 2 2 所示： 硕士论文 小型地面移动机器人控制系统研究 图5 2 2 原地转弯试验 得到电机的速度和电流数据进行相关期望、误差、方差的计算，可以得到表 5 2 3 右转数据表和表5 l 4 左转数据表。 表5 2 3 右转数据表 右转理论速速度 电流 度3 0 0 0 0 期望方差误差期望方差 l 号电机 2 9 9 2 41 8 7 3 1 0 0 2 5 3 8 5 7 4 57 4 7 6 0 玎号电机3 0 0 9 1 25 2 4 8 3 03 0 7 9 6 t 4 87 4 1 5 8 表5 2 4 左转数据表 左转理论速 速度电流 度3 0 0 0 0 期望方差误差期望方差 i 号电机2 9 9 6 52 0 7 5 0 0 01 1 7 8 6 4 5 07 0 3 1 7 n 号电机3 0 1 4 41 9 11 3 0 0 0 4 8 1 1 2 1 6 75 5 7 4 5 通过表5 2 3 和表5 2 4 的相互比较，可以得到如下结论： ( 1 ) 由i 号电机和n 号电机的速度方差可以看出，机器人在右转时比左转 要平稳，速度波动小。 ( 2 ) 由电流期望值可以看出，i 号电机在机器人左右转动时的受力差别不是 很大，由电机功率粗略计算公式幄机v u x 酊可得出，凹- - 2 4 x ( 8 6 4 5 0 - - 8 5 7 4 5 ) = 1 6 9 2 ：号电机在机器人的左右转时受力差别却比较 大，鹋= 2 4 x ( 1 1 2 1 6 7 - - 9 6 1 4 8 ) = 3 8 4 4 5 6 。 5 2 3 翻身试验 将机器人两边的驱动电机锁住，仅仅驱动摆臂电机，使机器人做翻身动作，实 物图为5 2 3 6 1 碗士论文 小型地面移动机器人控制系统研究 图5 2 3 翻身试验 对摆臂电机进行测试，使摆臂电机在1 7 6 5 0 0 c n t j s 速度下转动并取得电机电流 数据，将取得的电流数据绘出电流图像，如图5 2 1 所示： 圈5 2 1 电流曲线 图5 2 1 是将测得的三组电流数据绘制在一张图表内，由图看出在0 4 秒以前 电流呈现递减趋势，主要是因为电机剐启动是电流较大，而后在摆臂着地之前电机 都是无外载荷运转，所以电流会下降；0 4 秒时摆臂开始着地，机器人重量陡然加 在摆臂电机上，所以电机电流斜率很大，大约在0 6 秒时达到峰值；0 6 秒之后， 摆臂电机的外载荷瞬间消失，电机电流由于受p i 控制器的调节逐渐下降，且存在 一定的波动 5 2 4 越障试验 硕士论文小型地面移动机器人控制系统研究 越障是机器人的一个重要的技术指标，它真正能够反映出机器入的工作能力。 关于越障试验我们分两步：一是爬斜坡，二是爬楼梯。因为这两者对于机器人来说 有不同的意义，所以这两个试验都进行了 1 、爬斜坡 将机器人放在倾角为3 0 表面光滑的斜坡上，控制机器人在理论速度为 5 6 1 8 2 c n t s 速度下进行反复爬坡试验，将测得的电机速度和电流数据处理后得到表 5 2 5 ： 表5 2 5 爬斜坡数据表 理论速度速度电流 5 6 1 8 2期望方差误差期望方差 i 号电机 5 5 6 6 97 4 7 5 2 0 09 1 3 9 5 0 3 77 8 1 8 7 n 号电机5 5 6 8 1 7 5 2 1 4 0 08 9 2 1 1 5 5 7 91 6 4 1 6 0 2 、爬楼梯 将机器人放在倾角为3 0 。楼梯上，控制机器人在理论速度为5 6 1 8 2 e n t ，s 速度下 进行反复爬楼梯试验，实物图为图5 2 4 。 图5 2 4 爬楼梯试验 将测得的电机速度和电流数据处理后得到表5 2 6 ： 表5 2 6 爬楼梯数据表 理论速度速度电流 5 6 1 9 2期望 方差 误差期望 方差 i 号电机 5 5 5 2 71 2 1 7 9 0 0 01 1 6 6 1 0 6 9 7 3 1 2 9 5 5 2 n 号电机 5 5 7 9 88 6 5 9 2 0 06 8 3 l o 0 5 6 2 8 7 5 7 2 通过比较上面两个数据表可以看出：爬楼梯的速度数学期望比爬斜坡要大的多，这 硕士论文 小型地面移动机器人控制系统研究 是因为楼梯是一阶阶的，多速度造成较大的脉动，从而速度波动较大。 5 - 3 试验总结 在试验的过程中，可以说对机器人进行了比较全面的测试。首先将机器入放在 平台上，进行架空试验，分别使机器人在四个档位下运行，取回电机的电流和速度 数据，并进行了数据处理和分析得出数据的内在规律。其次，将机器人放在实际工 况下进行测试，包括前进、转弯、爬楼梯，其中在前进时对机器人的四个档位都进 行了测试，转弯时只用一档，爬楼梯只用一档，同样取回两个主驱动电机的电流和 速度数据并进行处理和分析，找出了内在的规律。以上对数据的分析是比较孤立的 没有前后比较，没有将机器人架空的试验数据和实际工况测的试验数据进行比较分 析。在此，将对架空试验数据和实际工况试验数据之间作出对比和分析，根据分析 结果对控制系统的改进提出参考依据。试验总结如下： l 、速度方差分析 由上面的数据表搭可以看出，机器人的实际速度期望值和速度方差是有一定关 系的，但是，随着速度期望的变化方差是如何变化的，我们将速度期望和误差数据 进行最小二乘法二次多项式曲线拟合，得到图5 3 1 ： 图5 3 1 方差曲线 由图看出：i 号电机的速度方差比和号电机速度方差要稍大，而实际工况下时， i 号电机同样比r i 号电机的速度方差大；而在低速时机器人架空和工况下两电机的 方差相差不大，但高速时工况下的误差远比架空时的大，这说明机器人在工况下随 速度增加，运行将越来越不稳定，速度波动变大。产生的原因主要育： ( 1 ) 机器入的机械结构有不合理的地方，包括机械内阻和重心位置，导致同一试 验条件下i 号电机比h 号电机的速度波动大。 颈士论文 小型地面移动机器人控制系统研究 ( 2 ) 在驱动器的p i 参数整定时存在不合理的地方，虽然在p i 参数整定时针对不 同的速度有不同的p i 参数值，但由于电机参数和机械内阻的不同，速度控 制器的速度响应育差别。 2 、速度误差分析 将电机的速度期望和误差数据经最小二乘法二次多项式曲线拟合后，得射图 5 3 2 ： 。 图5 3 2 误差曲线 由图5 3 2 可以看出： ( 1 ) 电机的速度误差在低速和高速时都比较大，而在1 0 0 0 0 0 左右时有一个最低 点。 ( 2 ) 电机在工况下的速度误差要比架空时的误差大。 ( 3 架空试验时，i 号电机要比号电机的速度误差大，面工况条件下试验时， 低速时i 号电机误差大，高速时号电机误差大。 产生上述现象的原因是电机的带负载能力和机器人的机械阻力。当机器入在低 速运行时机械阻力是主要影响因素，可以看出机器人左侧内阻要比右侧大：当速度 达到一定程度对，电机的带负载能力是主要影响因素，高速时i 号电机的带负载能 力更好一些。 3 、对控制的启示 ( 1 ) 要想提高机器人的控制精度，要在二档1 0 0 0 0 0 上运行，因为此时速度误差 最小。 ( 2 ) 要想保护电机驱动器，在机器入运行期间不会因短时间越障而释放电机， 应使机器人在四档力矩模式控制下运行，因为力矩模式下电流的方差最 硕士论文 小型地面移动机器人控制系统研究 小，不会因为电流波动的峰值进入驱动器释放区而释放电机。 ( 3 ) 由于机械内阻和带负载的能力的差别，在软件设计上应该适当加大i 号电 机的理论速度值，这样在没有传感器的支持下能更好的平行前进。 ( 4 ) 机器人在原地转弯时，如果没有要求，应向右转，因为右转时速度方差小， 运转比较平稳。 ( 5 ) 如果要爬的斜坡或楼梯距离较短，机器人应在四档力矩模式控制下运行， 这样可以使机器人在惯性力和电流的稳定控制下越过，驱动器不会释放保 护；如果距离较长，则应在越障速度运行，保证机器人的平稳越过。 ( 6 ) 如果要节约机器人能量，而且运行的路面又比较平坦，机器人应在三档 1 7 0 0 0 0 速度下运行，虽然速度和电流的波动较大，但机器人内阻消耗掉的 能量最小。 碗士论文 小型地面移动机器人控制系统研究 6 系统分析与展望