（机械制造及其自动化专业论文）竞速轮式移动机器人系统的开发研究.pdf

r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fr a c i n g w h e e l e dm o b i l er o b o ts y s t e m b y l iy a o b e ( a n h u ia g r i c u l t u r a lu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no f t h e r e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g 1 n m a c h i n e r ym a n u f a c t u r i n ga n d a u t o m a t i o n i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o ry a n gp i n g a p r i l ， 2 0 1 1 ； y 1 厂 得 他 人 由 作者签名： 曩狂 日期：矽。年石月1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中 国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： 喽翘 招耳 日期：砰多月f 日 日期：矽，年厂月1 日 1 3 国内外智能车发展现状5 1 4 研究目标6 1 5 研究内容6 1 6 拟解决的关键性问题6 第二章竞速轮式移动机器人系统设计7 2 1 机械系统7 2 1 1 机械本体7 2 1 2 电源模块9 2 2 控制系统9 2 2 1 信息采集9 2 2 2 信息处理1 0 2 3 本章小结1 2 第三章竞速移动机器人机械系统的设计研究13 3 1 供电系统设计1 3 3 1 1 供电系统方案( 一) 1 4 3 1 2 供电系统方案( 二) 1 4 3 1 3 供电系统方案( 三) 1 5 3 2 底座设计1 6 3 2 1 铰接式底盘模型分析1 6 3 2 2 铰接点位置选择一1 7 3 2 3 重心位置选择2 0 3 3 传感器前瞻长度研究2 2 3 4 动力系统设计2 3 3 4 1 动力学基本原理分析2 3 3 4 2 行进电机选择2 6 3 4 3 电机执行原理2 8 3 4 4 电机差速分析2 9 3 5 其它机械结构研究3 0 3 5 1 轴距对赛车性能的影响：。3 0 3 5 2 轮胎设计3 0 3 6 本章小结3 1 4 1 2 定时器模块一3 4 4 1 3m c u 电源需求一3 6 4 2 路径识别模块3 6 4 2 1 传感器板3 6 4 2 2 检测原理3 7 4 2 3 传感器板电源需求一3 8 4 3 驱动模块3 8 4 3 1 电机驱动一3 9 4 3 2 p w m 调节一4 0 4 3 3 控制策略4 l 4 3 4 程序实现4 4 4 4 反馈模块4 5 4 4 1 反馈原理4 5 4 4 2 测速方案选择4 6 4 4 3 控速方案选择4 7 4 4 4 程序实现4 8 4 5 本章小结4 9 第五章竞速轮式移动机器人系统实验5 0 5 1 比赛赛道介绍5 0 5 1 工作平台5 2 5 2 实验目的5 3 5 3 移动机器人实验5 3 5 3 1 实验流程5 3 5 3 2 程序流程5 4 5 3 3 实验程序5 4 5 4 实验结果分析6 0 5 5 本章小结6 0 总结与展望6 1 参考文献6 3 致谢6 6 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录6 7 附录b 竞速轮式移动机器人设计图6 8 l l 竞速轮式移动机器人系统是移动机器人系统研究领域的一个重要课题。随着 计算机技术、电子技术、自动控制技术、人工智能技术的不断发展与创新，移动 机器人研究进入了一个新的高度。将高级人工智能技术、模式识别技术应用于移 动机器人的研究中，使得移动机器人的设计与开发更具备挑战性。本课题针对竞 速轮式移动机器人系统，进行了移动机器人的系统设计，并对机器人的各项参数 进行分析、实验。 通过对竞速轮式移动机器人系统理论的研究和分析，提出了竟速轮式移动机 器人系统结构体系的基本方案，建立了主要包括机械系统中的机器人本体和电源， 控制系统中的信息采集和信息处理的竞速轮式移动机器人系统结构。 设计开发了竞速轮式移动机器人机械系统。其中主要研究了供电系统方案， 设计了铰接式底座、优化了传感器前瞻长度，分析了机器人的动力学和运动学模 型，确定了动力系统的各项主要参数。 针对已建立的竞速轮式移动机器人机械系统，采用h 8 3 0 4 8 微控制器为核心 控制系统，基于红外传感路器的路径识别为系统输入，直流电机p 删控制信号为 系统输出，并通过p i d 控制原理的运用开发出稳定的竞速轮式移动机器人闭环控 制系统。 以瑞萨m c u 比赛为平台，基于已建立的竞速轮式移动机器人系统，确定了 系统程序的设计，通过实验实现了移动机器人系统稳定、可靠、快速的运行。该 竞速移动机器人系统可达到平均3 m s 的速度，能通过各种直线赛道、弯道、9 0 0 急弯及换道1 。 关键词：竞速机器人；轮式移动机器人；h 8 3 0 4 8 微控制器；光电传感器 t 该竞速轮式移动机器人获得了由教育部主办的2 0 1 0 瑞萨m c u 智能车大赛全 国决赛二等奖。 i i i r o b o ts y s t e m sr e s e a r c h w i t hc o n t i n u o u sd e v e l o p m e n ta n di n n o v a t i o no fc o m p u t e r t e c h n o l o g y ，e l e c t r o n i c s ，a u t o m a t i cc o n t r o lt e c h n o l o g y ，a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c et e c h n o l o g y ， t h er e s e a r c ho fm o b i l er o b o t sc o m e st oan e wl e v e l t h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to ft h e m o b i l er o b o ti sc h a l l e n g e dw i mt h em v a n c e da r t i f i c i a li n t e l l i g e n c et e c h n i q u e sa n d p a t t e r nr e c o g n i t i o nt e c h n o l o g y sa p p l i c a t i o n t h es y s t e md e s i g na n dt h ep a r a m e t e r s a n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a r et a k e nf o rt h er a c i n gw h e e l e d e d m o b i l er o b o ts y s t e m t h ee s t a b l i s h m e n t o fr a c i n gw h e e l e d e dm o b i l er o b o ts y s t e m sb a s i cs t r u c t u r e ， m e c h a n i c a ls y s t e ma n dp o w e r , c o n t r o ls y s t e mi n f o r m a t i o nc o l l e c t i o na n dp r o c e s s i n gi s t a k e nb yt h er e s e a r c ha n da n a l y s i so ft h ew h e e l e d e dm o b i l er o b o tr a c i n gs y s t e m s t h e o r y t h er a c i n gw h e e l e d e dm o b i l er o b o tm e c h a n i c a ls y s t e mh a sb e e nd e s i g n e d , i t i n c l u d e st h ep o w e rs u p p l ys y s t e m ，t h eb a s e ，t h ef o r w a r d - l o o k i n gs e n s o ra n dt h e d y n a m i cs y s t e m t h em a i np a r a m e t e r sa r ed e t e r m i n e db yt h ee s t a b l i s h m e n to ft h e r o b o td y n a m i c sa n dk i n e m a t i c sm o d e l f o rt h ee s t a b l i s h e dr a c i n gw h e e l e d e dm o b i l er o b o tm e c h a n i c a ls y s t e m s ，t h e h 8 3 0 4 8m i c r o c o n t r o l l e ri su s e da st h ec o r ec o n t r o ls y s t e m t h er e c o g n i t i o nb a s e do n i n f r a r e ds e n s i n gp a t hi su s e da st h es y s t e mi n p u t ，t h ed cm o t o rp w mc o n t r o ls i g n a li s u s e df l st h es y s t e mo u t p u ta n dt h ep i dc o n t r o lt h e o r yi su s e dt oe s t a b l i s ht h er a c i n g w h e e l e dm o b i l er o b o t ss t a b l ec l o s e d l o o pc o n t r o ls y s t e m t h em o b i l er o b o ts y s t e m sp r o g r a m i n ga n ds t a b l e ，r e l i a b l ea n df a s to p e r a t i o na r e t a k e nb yt h ep l a t f o r mo fr e n e s a sm c ua n de s t a b l i s h e dr a c i n gw h e e l e dm o b i l er o b o t s y s t e m t h ea v e r a g es p e e do f 3m e t e r sp e rs e c o n dc a nb er e a c h e df o rt h er a c i n gm o b i l e r o b o t , av a r i e t yo fs t r a i g h tt r a c k , c u r v e ，9 0 0s h a r pt u r n sa n dc h a n g el a n e so ft h es y s t e m c a nb ea c h i e v e d ，a n dt h en a t i o n a ls e c o n dp r i z ea r eg o ti nt h e2 010s m a r tc a rc o n t e s t r e n e s a sm c u s p o n s o r e db yt h em i n i s t r yo f e d u c a t i o n k e y w o r d s ：r a c i n gr o b o t ；w h e e l e d e dm o b i l er o b o t ；h 8 3 0 4 8m c u ； p h o t o e l e c t r i cs e n s o r ； 插图索引 图1 1 轮式机器人2 图1 2 履带式机器人2 图1 3 腿式机器人2 图1 4 水下机器人2 图2 1 机器人系统结构7 图2 2 三轮式移动机器人示意图8 图2 3 四轮式移动机器人示意图8 图2 4 信息处理模块框图l l 图3 1 竞速轮式移动机器人模型1 3 图3 2 竞速轮式移动机器系统框图。1 3 图3 - 3 供电系统方案( 一) 1 4 图3 4 供电系统方案( 二) j 1 5 图3 5 供电系统方案( 三) 1 5 图3 6 移动机器人底盘转向系统示意图1 6 图3 7 移动机器人转向系统示意图18 图3 8 移动机器人转向示意图2 2 图3 92 6 0 电机外形图2 8 图3 1 0 基于p w m 的速度控制原理2 9 图3 1 1 电机差速分析图( v b l ) 2 9 图3 12 电机差速分析图( v b r ) 2 9 图3 13 电机差速分析图( v f l ) 一2 9 图3 1 4 电机差速分析图( v f r ) 2 9 图3 15 电机差速分析图3 0 图3 16 移动机器人轮毂设计图3l 图3 1 7 竞速轮式移动机器人结构设计图3 l 图3 18 竞速轮式移动机器人3 2 图4 1 控制系统框图3 3 图4 2r y 3 0 4 8 f o n e 引脚分布图3 3 图4 3i t u 总体结构图3 5 图4 4 检测方法3 6 图4 5 传感器板3 7 图4 6 传感器检测电路3 8 图4 7h 桥式电路原理图。3 9 图4 8p w m 调节示意图4 0 图4 9p i d 控制框图。4 l 图4 1 0 增量式数字p i d 阶跃响应仿真图4 2 图4 1 1 增大比例环节k p 值变化响应图4 2 图4 1 2 增大积分环节k i 值变化响应4 2 v 硕士学位论文 图4 1 3 增大微分环节k d 值变化响应图4 2 图4 1 4 旋转编码器4 7 图4 1 5 旋转编码器安装方法4 7 图5 1 移动机器人比赛规则5 0 图5 2 直线赛道。5 1 图5 3 弯道。5 l 图5 4 直角弯道j 5 l 图5 5 变线区域5 l 图5 6 实验赛道5 l 图5 7 竞速轮式移动机器人开发环境5 2 图5 8 移动机器人实验5 3 图5 9 瑞萨比赛赛道一5 3 图5 1 0 程序运行框图5 4 第 竞速轮式移动机器人( w h e e lm 个集环境感知、动态决策、行为控 传感器技术、机械工程、电子工程、计算机工程、自动化控制工程以及人工智能 等多学科的研究成果。在当今社会，移动机器人的应用非常广泛，几乎渗透到所 有领域。对移动机器人的研究，提出了许多新的、挑战性的理论与工程技术课题， 引起越来越多的专家学者和工程技术人员的兴趣，更由于它在军事侦察、扫雷排 险、防核化污染等危险与恶劣环境以及民用中的物料搬运上具有广阔的应用前景， 使得对它的研究在世界各国飞速发展。 1 1 研究背景 机器人的诞生和机器人学的建立和发展可以说是2 0 世纪自动控制学科最具说 服力的成就，是2 0 世纪人类科学技术进步的重大成果。机器人是以电子技术特别 是微电子技术为主导的多种新兴技术与机械技术交叉、融合而成的一种综合性的 机电一体化技术产生出来的机电一体化产品。它是一种自动执行工作的机器装置， 可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制 定的原则纲领行动。 至今，在工业制造中，机器人学已取得了伟大的成功。在装配线中，把机器 人的臂膀用螺栓固定在特定位置上，机器人的手臂可以极快速度和极高精度移动， 完成重复性任务，如电焊和喷漆等。在电子工业中，机械手以超人的精度安放装 在表面的组件，可制造便携式电话和笔记本计算机。但是对于所有这些成功应用， 机器人存在着一个根本的缺点：缺乏机动性。固定的机械手被插销在固定地方， 其运动范围是有限的。在这种情况下移动机器人才能灵活地出现在最有效的地方 施展它的才能。 目前，移动机器人的研究包含多知识体的集成，处在一个交叉学科领域。为 了解决机器人的运动问题，研究者必须对机器人的机械结构、运动方式、动力来 源、控制方法进行研究。为了建立鲁棒的感知系统，研究者必须沟通信号分析领 域和专门的知识体系，如计算机视觉等，以便适当地使用众多的传感器工艺技术。 定位和导航方面需要计算机算法、信息论、人工智能和概率论知识。而目前关于 移动机器人的研究主要涉及以下方面： ( 1 ) 要考虑移动方式，可以是轮式的、履带式、腿式的，对于水下机器人， 图1 3 腿式机器人图1 4 水下机器人 上诉关于移动机器人的研究已成为机器人学中的一个热点问题，在机器人研 究的前进过程中，移动机器人技术的成熟是机器入学发展的必然趋势，因此对移 动机器人的研究与开发有着重要的意义。 随着移动机器人技术的发展，机器人竞技运动也在世界各地蓬勃兴起，各类 移动机器人比赛的内容和规则虽然不同，但每种参赛的机器人都要从概念设计入 手，经历设计、制作、调试、改进等过程，最终选出最优方案参加比赛。通过此 项实践活动，激发了大学生对于机器人研究的热情，也进一步推进了机器人研究 的发展。 1 2 国内外移动机器人发展现状 长期以来，人类一直渴望并追求一种像人一样的机器，以便将人类从繁杂的 劳动中解脱出来。如古希腊诗人h o m e r o s 的长篇叙事诗伊利亚特中用黄金铸 造的美丽侍女、希腊神话故事阿鲁哥探险船中的青铜巨人泰洛斯、犹太传说 中的泥土巨人等时刻激励着人们一定要把美丽的神话变为现实。 2 人类进入近代以后，出现了第一次工业革命。随着各种自动化武器、动力机 和动力系统的问世，机器人开始由幻想时期转入自动机械时期，许多机械式的机 器人( 主要是各种精巧的机器人玩具和工艺品) 应运而生。这些机器人工艺珍品， 标志着人类在从梦想到现实这一漫长道路上的实质性进步。 现代机器人的研究始于2 0 世纪中期。1 9 5 4 年，美国人乔治德沃尔( g e o g e c d ) 研制出第一台电子可编程的工业机器人可编程关节传送装置，它第一次 使用试教再现的控制方式，并且在2 0 世纪的后几十年中，得到惊人的发展。随后 应运而生的数控技术和机械手，将工业机器人推上舞台，成为现代加工制造业中 的中坚力量。 移动机器人的研究开始于2 0 世纪6 0 年代。斯坦福大学研究所成功地研制一 种典型的自主移动机器人s h a k e y 。它具有在复杂环境下，对象识别，自主推理， 路径规划及控制功能。与此同时，以g e n e r a le l e c t r i cq u a d r u p e d 为代表的步行机 器人也研究成功。它能在不平整，非结构化环境中运动。7 0 年代末，随着计算机 技术的发展和应用及传感器技术的发展，移动机器人的研究又出现新的高潮。特 别是8 0 年代开始，美国国防部d a r p a 的支助下，由c m u ，s t a n d f o r d 大学和m i t 等单位开展的a l v 研究；能源部制定的为期1 0 年的机器人和智能系统计划，以 及后来的空间机器人计划；日本通产省的极限环境下作业机器人计划和人形机器 人计划；欧洲尤里卡中心的机器人计划等。除此之外，很多世界著名公司不惜投 入重金，纷纷开始研究移动机器人。进入9 0 年代后，随着技术的迅猛发展，移动 机器人向实用化、系列化、智能化进军。涌现出许许多多智能移动机器人。如c m u 的n a v l a b 系列移动机器人系统；德国v a m o r s p 和f f c a r a v e l l e 系统；日本本田公 司的p 系列和a s i m o 人型机器人；日本索尼的s d r - 3 x 人型机器人和a i b o 娱乐 型机器人等代表着移动机器人各个方面的先进研究成果。 我国已在“七五”计划中把机器人列入国家重点科研规划内容，在沈阳建立 了全国第一个机器人研究示范工程，全面展开了机器人基础理论与基础元器件研 究。十几年来，北京航空航天大学、中国科学院沈阳自动化研究所、哈尔滨工业 大学、上海交通大学、清华大学等单位在国家“七五”计划和“8 6 3 计划支持下， 相继研制出试教再现的搬运、点焊、弧焊、喷漆、装配等门类齐全的工业机器人 及水下作业、军用和特种机器人。目前，示教再现型机器人技术已基本成熟，并 在工厂中推广应用。我国自行生产的机器人喷漆流水生产线已在长春第一汽车厂 投入运行1 9 8 6 年3 月开始的国家“8 6 3 ”高科技发展规划已列入研究、开发智能 机器人的内容h 一。 而移动机器在我国的研究是从八五期间开始的。同世界主要机器人大国相比， 3 作中，如核废料、爆炸物处理，移动机器人更是具有不可比拟的优势。 此外，移动机器人在人类社会的生活和生产等领域也得到越来越广泛的应用。 在日常生活中，人们相继开发出各种不同用途的移动机器人，比如t b s h i b a 研发的 家用信息机器人a p r i a l p h a ，p a n a s o n i c 研发的医用智慧移动机器人，2 0 0 3 年在日本 机器人展览会上出现的助残机器人，2 0 0 2 年惠普公司提供的导游服务机器人等， 给人类的生活带来极大的便利；在工业生产领域，近年来出现很多从事设备保养、 维修、运输、监控的工业机器人，显著提高了生产效率；在军事领域，各种无人 侦察车、无人排险车、无人扫雷车和无人运输车大大促进了军事斗争手段的变革， 提升了部队的战斗力，增强了维护国家安全的能力。因此，移动机器人的迅速发 展和广泛应用，给人类社会的生活和生产带来深远影响。 值得关注的是，利用移动机器人进行空间探测和开发，己成为2 l 世纪世界各 主要科技发达国家开展空间竞争的主要手段之一。典型的例子是美国的“勇气号 和“机遇号”火星探测车。2 0 0 4 年1 月3 日，美国国家航空航天局的“勇气号 火星车成功登陆火星，开始了探测红色星球的征程。一天之后，其孪生兄弟“机 遇号 也在火星成功着陆。它们在火星表面发掘泥土，开凿岩石并检查样本，并 拍摄了大量的火星立体图片和彩色全景图，向地面控制人员发回许多关于火星岩 石、土壤和大气的重要科学资料，还发现了火星上曾存在液态水并支持生命存在 的证据。在漫步火星的日子里，它们经受住了火星恶劣环境的考验。直到今天， 4 这对火星车依然在完好的工作。它们是迄今为止人类外星探侧历史上最成功的一 次探测。我国也己经制定了“嫦娥工程月球探测计划，根据“绕、落、回一三 部曲，使用月球车进行月面巡视探测。因此，积极研究和发展与月球和星际探侧 相关的移动机器人，对于我国在激烈的国际竞争中取得有利地位具有重要意义， 对包括移动机器人导航控制在内的相关技术的研究也有巨大的促进作用，同时也 可为军事、建筑、交通、工业和服务业等领域的移动机器人导航控制系统的设计 提供新的理论依据和技术指导。 1 3 国内外智能车发展现状 欧洲的一项研究表明：汽车驾驶员只要在有碰撞危险的0 5 s 前得到“预警， 就可以避免至少6 0 的追尾撞车事故、3 0 的迎面撞车事故和5 0 的路面相关事 故；若有1 s 的“预警 时间，则可避免9 0 的事故发生。在汽车的技术开发领 域流行着这样一句话：“技术比人类更可靠 。 美国国家科学委员会曾预言：“2 0 世纪的核心武器是坦克，2 l 世纪的核心武器 是无人作战系统”。为此，从2 0 世纪8 0 年代开始，美国国防高级研究计划局( d a r p a ) 专门立项，制定了地面无人作战平台的战略计划，目标是研制出一台智能移动机 器人，并由该系统组成了机器人装配线，从而取消了传统应用的拖车及叉车等运 输工具。美国宇航局喷气推进实验室开发的d e m o 系列军用侦查车辆主要为军事 应用开发，可以在崎岖山区的地形上沿规则的路线自主导航及躲避障碍，必要时 重新规划其路线。从此在全世界掀起了全面研究智能车辆的序幕。美国的b a r r e t t e 1 e c t r o n i c s 公司开发出世界上第一台引导车辆系统。瑞典的沃尔沃公司与 s c h i o n d e r - d i g i t r o n 公司合作，研制出一种可装载轿车车体的自动引导车辆系统， 并由多种该种系统组成了车辆汽车装配线，从而取消了传统应用的拖车及叉车等 运输工具。美国宇航局喷气推进实验室开发的d e m o 系列军用侦查车辆主要为军 事应用开发。 在我国，吉林大学智能车辆课题组长期从事智能车辆自主导航机理和关键技术 研究。2 0 世纪9 0 年代以来，课题组开展的组态式柔性单元及图像识别自动引导车 的研究，对我国独立自主开发一种自动引导车辆系统，从而为我国生产组织模式 向柔性或半柔性生产组织转化提供了有意义的技术支撑和关键设备，课题组已开 发出j u t i n - 1 ，- 2 ，3 三种型号的自动引导车辆。其中j u t i n 3 实用型视觉导航 a g v 已投入工厂进行中试，并得到吉林省科委“新型视觉引导a g v 及自动物流运 输系统开发”项目，长春市政府科技引导计划星星创业项目，吉林大学科技园高新 技术产品孵化项目的立项资助，并制作出第4 代实验样车。它是以一辆三菱前置 5 针对竞速轮式移动机器人，以机器人学、现代控制理论、现代设计方法、传 感器工程学为理论基础开发出一套竞速轮式移动机器人系统，并对该系统进行优 化，以达到系统响应快，动力性能和转向性能好的特点。 1 5 研究内容 ( 1 ) 以机器人学、现代控制理论、现代设计方法、传感器工程学为基础研究 竞速轮式移动机器人的结构特点和控制原理。 ( 2 ) 开发设计一竞速轮式移动机器人系统，包括本体结构与控制系统及通讯 系统。 ( 3 ) 优化竞速轮式移动机器人的本体及控制系统，以实现高适应性、高鲁棒 性等性能指标。 ( 4 ) 基于瑞萨m c u 平台，进行竞速轮式移动机器人系统实体实验测试，分 析移动机器人的实验结果，提出进一步改进方案。 1 6 拟解决的关键性问题 ( 1 ) 竟速轮式移动机器人系统的高适应性、高鲁棒性； ( 2 ) 竞速轮式移动机器人系统对外界环境数据的精确采集及不稳定数据的模 糊处理。 6 硕士学位论文 第二章竞速轮式移动机器人系统设计 竟速轮式移动机器人是为最大限度的获得高速而设计的机器人系统。其设计 的性能要求如下： ( 1 ) 移动机器人必须是全自主的运行方式。 ( 2 ) 移动机器人必须能适应室内环境光线的不均匀变化。 ( 3 ) 移动机器人必须有较强的起步和刹车性能，以最大限度的提高平均速度。 ( 4 ) 移动机器人必须能适应室内环境的信号干扰，有稳定的控制系统 基于以上竞速轮式移动机器人的性能要求，本设计开发了如图2 1 所示的机器 人系统的结构。 2 1 机械系统 图2 1 机器人系统结构 竞速轮式移动机器人对于外界环境能够做出良好反应的基础是要有一个良好 运动特性的移动平台，也就是移动机器人的机械系统。当控制系统发出指令后， 机械系统需要准确、有效的实现指令的要求，并保证运动的精度、灵活性乃至整 个系统的可靠性。 2 1 1 机械本体 轮式机构的运动实现简单，运动距离能耗小，反应灵敏，在机器人领域的使 用最为广泛。 7 口黝轮一口 图2 2 三轮式移动机器人示意图 ( 4 ) 四轮结构：四轮结构有着较高的稳定性和对地面的适应性，其驱动力和 负载能力远远强于前三种结构。两种常见的四轮形式示意图如图2 3 所示。 随动轮 口一涨一口 口随动轮 图2 3 四轮式移动机器人示意图 8 n u 硕士学位论文 ( 5 ) 多轮结构：多轮结构的轮式的数量多于4 个，一般为6 个。采用多轮结 构的移动机器人系统对地面的适用能力要强于四轮结构，通常适用于野外崎岖地 形环境下运行。但由于其驱动控制等实现的和四轮结构没有本质区别，所以在室 内环境很少采用。故本设计不采用该种方式n 。 2 1 2 电源模块 电源是一个竞速轮式移动机器人系统正常工作的基础，因此电源设计至关重 要。电源模块应该包含多个稳压电路，将电池总电压转换成各个模块所需要的电 压。主要包括： ( 1 ) 5 v 电压。主要为单片机、信号调理电路以及部分接口电路提供电源，要求 电压稳定、噪声小，电流容量大于5 0 0 m a 。 ( 2 ) 6 v 电压。主要为舵机提供电源。实际工作时，舵机所需要得工作电流一般 在几十毫安左右。 ( 3 ) 9 6 v 电压。主要为行进电机提供电源。 2 2 控制系统 由于竞速轮式移动机器人系统的工作是在高速环境下进行的。因此其控制系 统必须有较强的稳定性。控制系统主要完成的工作为对外界环境信息的采集和处 理。 2 2 1 信息采集 针对竞速要求设计的移动机器人系统必须对环境有着较强的适应能力，以实 现其平稳而快速的运行。因此，如何有效、合理实现信息的采集是其它模块运行 的基础。 竞速轮式移动机器人系统信息采集主要包括外界环境的位置信息和其自身的 速度信息。 位置信息的采集在竞速轮式移动机器人系统中主要指其对赛道路径的识别。 目前采用的适合赛道检测的方式总体包括两种。 ( 1 ) 红外传感器 红外传感器检测是通过光波的反射特性来实现。红外传感器包括一个用于发 射红外光波的发光二极管和一个用于接收红外光波的光敏二极管( 或光敏三极管) 。 当反射红外光波强度达到一定值时光敏三极管就会被导通，否则中断。发光二极 9 的点阵信息。 这种检测方式传感器的探测距离较远，获知赛道的信息较多，对移动机器人 行驶的稳定性有利。但也由于摄像头视野较广，会造成在急弯处对赛道引导线容 易丢失的问题n 2 1 引。 为了实现竞速轮式移动机器人的精确控制，在完成外界环境信息采集的同时， 往往也需要采集其自身的速度信息。通过对速度信息的采集，可以使移动机器人 以最稳定的状态运行。信息采集模块一般安装在移动机器人的后部，为减少速度 信息采集模块对移动机器人本体结构的影响，需要采用体积小、重量轻的速度传 感器，如霍尔传感器配合稀土磁钢，光电编码器及速度编码器。 2 2 2 信息处理 信息处理是指以计算机控制技术为核心、机器人为对象的控制系统。它的任 务就是根据移动机器人所要完成的功能，结合移动机器人本体结构和机器人的运 动方式，实现移动机器人的各项动作。 竞速轮式移动机器人的信息处理一般通过微控制器( m c u ) 来实现，其主要功 能包括移动机器人的各项数据处理和处理后的命令输出。信息处理模块可如图2 4 分为三个部分。 1 0 硕士学位论文 图2 4 信息处理模块框图 任务管理是整个竞速轮式移动机器人系统的信息处理模块正常工作最必要的 基础：系统初始化设定各个芯片存储器和程序的初始化状态；i o 口读写为机器人 各功能模块的信息传递提供通道；运动控制实现负责移动机器人动作的控制。实 时监控包括三部分：状态监控负责机器人各项数据的正常显示和存储；故障报警 监控各个模块的运行，出现异常时负责报警；传感器管理完成传感参数的设置、 传感器数据的管理。信息管理提供整个信息服务程序的启动、终止及信息文件管 理，其中通信管理负责各个模块的信息通信n 帕。 信息处理模块的软件控制策略是指竞速轮式移动机器人的核心控制算法，它 直接控制移动机器人的各项动作。经过信息采集模块获得的信息数据经处理后， 通过对得到引导线偏离移动机器人中轴线的偏移量的分析来控制舵机转向和电机 转速。本设计中转向舵机与行进电机的控制均采用p i d 控制算法。 ( 1 ) 舵机控制策略 由于移送机器人的舵机转角与其运行的路线无关，因此可舍弃积分( i ) 控制， 只采用p d 控制，其输入为路径引导线偏离机器人中轴线的距离，输出为对应于相 应舵机转角的p w m 脉宽。但为了更准确地对舵机进行控制，通过比较本次与上一 次偏差的大小，可获得路径引导线的移动趋势，从而对舵机的转角作校正。若引 导线的移动趋势表现为上述偏差值扩大，则移动机器人还未调整到减小偏差的行 使方向上，应在原有转角的基础上加大相应舵机转角；相反，就应在原有转角的 基础上减小相应舵机转角。 ( 2 ) 行进电机控制策略 根据数据采集模块采集到的路径形状信息来确定行进电机的输出量，并且根 据移动机器人偏离路径引导线的偏离量对速度给定值进行反馈，以保证机器人平 1 2 硕士学位论文 第三章竞速移动机器人机械系统的设计研究 机械系统结构是移动机器人系统的载体，通过各个模块的合理布局和组合， 可使机器人结构稳定可靠，适合赛道要求，发挥出良好的性能。任何优秀的机械 人系统都是在优秀的机械系统结构的基础上实现，因此在设计软件系统和控制算 法之前必须先现对机器人的机械系统结构有一定的初步构想，建立如图3 1 的模 型。 图3 1 竟速轮式移动机器人模型 竞速轮式移动机器人机械系统结构组成如图3 2 所示。 竞速轮式移动机器入机械系统 彳弋i l 传感器前瞻长度 供电系统底座动力系统 其它机械机构 3 1 供电系统设计 图3 2 竞速轮式移动机器系统框图 行走机械的动力源主要有内燃机和电池两种。由于内燃机结构复杂、耗油大 且增加机体重量，容易污染赛道，本设计中不做考虑。电池( 如镍氢、镍镉等) 比内燃机有很大的优越性，具有效率高、环境污染低、噪音低、使用方便等优点， 可以说是未来动力源发展的趋势所在。 本设计的移动机器人的所有模块的动力源由8 节a a ( 镍氢) 电池提供。除了 行进电机的电压直接取自电池电源外，其余各工作模块的电压都需要由电池电压 通过稳压获取。如表3 1 ，机器人各个模块通过相应的集成芯片来实现稳压效果。 1 3 伺服电机dc 6v - 4 - 5 l m 3 5 0 如何合理的分配电源电压，使得机器人的各个模块能够工作在最佳状态是研 究的一个基础问题。这里提出三种供电系统方案： 3 1 1 供电系统方案( 一) 如图3 3 ，将8 节a a 电池分成两部分，4 节电池( 4 木1 2 v = 4 8 v ) 给微控制器 ( m c u ) 板供电，另外4 节电池( 4 水1 2 v = 4 8 v ) 给电机驱动电路板供电。传感器板 从微控制器板获得4 8 v 的电压。舵机( 伺服电机) 和左右行进电机通过电机驱动 电路板获得4 8 v 电压。 匝蟹圈 4 8 vi 离 i 器电i i 路板l 也刖 图3 3 供电系统方案( 一) 3 1 2 供电系统方案( 二) 节a a 电池 b v t 电机驱动电踟 哆 止 型 舵右左 机轮轮 输电 电 出机机 如图3 4 ，将8 节电池串联在一起( 8 1 2 - - 9 6 v ) ，将8 节电池的电压全部接入 电机驱动电路板，通过电机驱动电路板把9 6 v 的电压加在行进电机上，通过l m 3 5 0 稳出6 v 电压供给伺服电机( 舵机) 。微控制器( m c u ) 板的通过l m 2 9 4 0 5 从电机 驱动电路板获得5 v 电压，并提供给传感器电路板5 v 电压。 1 4 硕士学位论文 麓 器电 路板 输出 右 轮 电 机 左 轮 电 机 图3 4 供电系统方案( 二) 通过增加驱动系统的电压( 增加电池的数量) 可以有效的增加行进电机转速。 如果6 节电池用于电机的能量供应，电压就是7 2 v ，如果用8 节，就是9 6 v 。在 方案( - - ) 中，行进电机可在9 6 v 下运行。但m c u 的安全运行电压是4 5 v 到 5 5