（机械电子工程专业论文）自主移动机器人控制技术研究.pdf

哈尔滨l j 犟人学硕十学侮论文 摘要 机器人的研究涉及到自动控制、机械工程、电子技术、计算机技术等 许多学科，是一门多学科的综合科学。这一领域的研究，大多集中在机器 人结构设计、路径规划、控制方法、各种模型的建立、智能技术应用等方 面。 移动机器人车体结构和运动控制系统决定了它的运动能力。本文中以 a t m e g a l 6 l 为核心的运动控制部分，包括了避障传感器模块、电子罗盘模 块、电源模块、语音系统模块、l e d 显示模块等。利用a t m e g a l 6 l 的定时 器溢出功能产生的控制脉冲，方便地实现了步进电机的转速控制。并通过 标准串u j 导航系统进行通信，接收运动指令，提供给导航系统方位信息。 移动机器人的位置和姿态识别是移动机器人导航控制中的一个最基本 的问题。本文根据差速驱动机器人的微运动方程，以电子罗盘模块提供的 信息为基础，推导了一种简洁实用的导航推算方法。 作为智能控制技术中的一种，模糊控制技术可以对那些数学模型难以 求取或无法求取的对象进行控制。用普通微控制器实现模糊控制，关键在 于软件的编制和的期处理，因此必须充分考虑内存容量以及执行速度。本 文中对模糊规则进行了有效的存储，并且优化了模糊推导过程，这样既节 约了系统资源，又减少了模糊处理所消耗的时间。 关键词：移动机器人：电子罗盘；导航算法：模糊控制 哈尔滨一i = j 鼙人学硕十学位论文 a b s t r a c t t h er e s e a r c ho fr o b o t w h i c hi n c l u d e sa u t o m a t i cc o n t r o l l e r , m e c h a n i c a l e n g i n e e r i n g ， e l e c t r o n i c s t e c h n o l o g y a n d c o m p u t e rt e c h n o l o g y , i s a c o m p r e h e n s i v es u b j c o t t h er e s e a r c hw o r ko ft h i sf i e l dm m n yf o c u s e so nt h e s t r u c t u r ed e s i g n ，p l a n n i n g ，c o n t r o l l i n gm e t h o d ，m o d e l i n ga n dt h ea p p l i c a t i o no f i n t e l l i g e n tt e c h n o l o g y t h em o t i o na b i l i t yo fa u t o n o m i cm o b i l er o b o ti sd e t e r m i n e db yi t sb o d y s t r u c t u r ea n di t sm o t i o nc o n t r o l l e rs y s t e m i no u rd e s i g n ，t h ec o n t r o l l e rs y s t e m i n c l u d e sm o d u l e ss u c ha so b s t a c l es e n s o r , d i g i t a lc o m p a s s ，p o w e rs u p p l y , s o u n d s y s t e m ，l e dd i s p l a ya n ds oo n t h em o t o rc a nb ec o n t r o l l e db ya t m e g a l 6 l w i t hi t sp u l s eo u t p u tm o d u l e b yc o m m u n i c a t i o nw i t hn a v i g a t i o ns y s t e m t h r o l l g hs t a n d a r du a r t , t h em o t i o nc o n t r o l l e rs y s t e mc a nb o t hr e c e i v em o t i o n i n s t r u c t i o na n ds e n do r i e n t a t i o ni n f o r m a t i o n t h ei d e n t i t yo fl o c a t i o na n dp o s i t i o ni saf u n d a m e n t a lp r o b l e mo ft h e n a v i g a t i o no fm o b i l er o b o t i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h er e s e a r c ho fd i f f e r e n t i a l d r i v i n gm o b i l e s m o t i v ee q u a t f o na n dt h ei n f o r m a t i o np r o v i d e db yd i g i t a l c o m p a s s ，ac o m p a c ta n dp r a c t i c a b l ye q u a t i o nw a si n d u c e d a so n ek i n do fi n t e l l i g e n c ec o n t r o lt e c h n o l o g y ，f u z z yt e c h n o l o g yc a nd o w e l lo nt h eo b j e c t sw h i c hm a t h e m a t i cm o d e lw a sh a r do re v e n t u a l l yi m p o s s i b l e t os e tu p t h ek e y st ou s ef u z z yt e c h n o l o g yi nan o r m a ld i g i t a lm i c r o c o n t r o l l e r a r ep r o g r a m m i n ga n dp r e p r o c e s s i n g ，s ot h ev o l u m eo fr a ma n dt h ee x e c u t i v e s p e e dm u s tb ec o n s i d e r e di nt h ed e s i g n k e yw o r d s ：m o b i l er o b o t ；d i g i t a lc o m p a s s ；n a v i g a t i o nc a l c u l a t i o n ；f u z z yc o n t r o l 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的 指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、 数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对 应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人 承担。 作者( 签字) ：至迭迕 日期：工文年上月2 【日 哈尔滨i ：科人学预十学似论文 i i i i i l l l 第1 章绪论 机器人的研究涉及到自动控制、机械工程、电子技术、计算机技术等 许多学科，是一门多学科的综合科学。这一领域的研究，大多集中在机器 人结构没计、路径规划、控制方法、各种模型的建立、智能技术应用等方 面 i i 。 幽外机器人的研究在经过了8 0 年代的低潮之后，呈现出复苏和继续发 展的彤势。我国的机器人研究在国家“七五”、“八血”、及“8 6 3 ”计划的 推动下也取得了很大进展口l 。与7 0 年代的机器入浪潮桶比，现在的机器人 研究有两个特点：一是对机器人智能的定位有了更加符合实际的标准，也 就是不要求机器人具有像人类一样的高智能，而只是要求机器人在某种程 度j 二具有自主处理问题的能力；另个特点是许多新技术及控制方法( 神 经网络、传感器融合、虚拟现实、高速度并行处理机等) 被引入到机器人 研究中。研究重点的转变使机器人研究走向了健康丽半稳的发展道路，并 4 i 断取得了新的研究成果。 移动机器人是机器人学的一个重要分支，其研究r 作门：始于2 0 世纪6 0 年代。埘移动机器人的研究首先要考虑机器人的移动方式它可以是轮式 的、劂惜的、腿式的，水f 机器人则是推进式的；其次要考虑移动机器 人的驱动控制。以使机器人达到预期的行为；最后还要考虑机器人的避障 导航或路径规划，这要涉及到渚如传感数据融合、图像处理、模式_ 【 别、 神经j 叫络、耶境映射等知识。所以，移动机器人是一个集环境感知、动态 决策j 规划、仃为控制与执 j ：等多种功能于一体的综合系统。 l i 二j i 机器人应用从制造业向非制造! i k 的扩展，以及自主移动机器人在 晦o , i l 野外作j 世、深海探测以及一些人类本身所i i 能进入的有毒或高温环境 的作业。h ，仃营极其广泛的应用前景，因此近年来机器人研究在这些方面 部已以褂了很人的进展，研究的成果必将成为各行各业提高生j “力的强有 力j 垃”4 1 。 哈尔滨i ：群人学硕十学位论文 1 1 移动机器人研究的基本内容 移动机器人要想走向实用，必须捌有能胜任各种运动的系统、可靠的 导航系统、精确的感知能力，并具有既安全而又友好地与人一起工作的能 力。移动机器入的职能指标为自主、适应性和交互性。自主性是指机器人 能根据j l 作任务和周围环境情况，自己确定：【作步骤和工作方式；适应性 是指机器人具有适应复杂工作环境的能力，不但能识另u 和测量周围的物体， 还育删解周围环境和所要执行任务的能力，并做出正确的判断及操作和移 动的能力：交互性是智能产，l 的基础，交互包括机器人1 j 环境、机器人与 人以及机器人之浏三种，主要涉及信息的获取、处理和理解。因此，在移 动帆器人研究中，关键在于以下几个方面： 1 11 导航定位 柏移动桃器人的应用中，精确的位置知以是一个基本问题。有关位置 的洲鞋，t ，_ 分为两丈类：相对和绝对位筲测量。使用的方法可分为7 利r ： 艰程计、。帧性导航、磁罗盘、主动灯塔、全球定位系统、路标导航和地图 模，鲤匹配。其 ，河两种属- 相对位置测量，也称为航迹推算。在导航与定 位力1 _ f i ，有两个甄要的发展方向：个是关于如何构造完整性的导航系统； 另一个足砖卜l i 动环境问题，也称之为机器人与环境交或融合问题。机 器人通过。i 珥境， r 存在的一己动装置的变7 1 ，充成导航耵啶位任务h “。 移动帆器人有多种导航方式，根掘环境信息的完整程度、导航指示信 号类型、导肌地域因素的不问，可以分为基j 二地剧导航，基于路标导航， 摈于视觉导航，丛二f 感知导航等i7 。8 9 i 。根据导航方式的1 ；| 司，各种方法所 采用的技术和要达到的1 1 标也不同。 1 1 2 机器人结构 机器人机械结构的选择和设计，是根据实际需要进行的。在机器人机 构方m i ，结合机器人在各个领域以及各种场合的应用，研究人员丌展了二仁 2 哈；滨i 群人学颂一l 学俜i 文 宙而富有创造性的工作。轮式机器人由于控制简单、运动稳定和能源利用 牢高等特点，n i 向实用化迅速发展。目前出现的轮式机器人主要有单轮， 四轮，血轮，六轮和八轮这几种机器人。移动机器人是一个结构、电气和 软件的综合系统，它的任何一个部分都不是孤立的。机构的问题影响到控 制和算法。近年来由于应用背景的扩大和智能机器人的研究力u 快，国内外 对于轮式机器人的移动载体的研究也越来越多。按照机器人运动的约束方 程可以将其为两类：完整性约束( h o l o n o m i c ) 和非完整性约束 ( n o n h 0 1 ( ) n o m i c ) 的移动机器人l ” 。 对于一个非完整约束的轮子来说，它只能在与轮子轴垂直的方向f ；i 进 或者历退，在刁i 孑r 滑的情况下不具有侧向移动的能力。在移动机器人平台 中，如果它的约束方程中有非完整性的约束方程，或者说如果它的某个轮 0 1 不具有侧向滑动的能力，那么它就是一个非完整约束的移动机器人。非 完整约束在现实世界中是随处可见的，像传统的车轮都属于非完整约束的 轮于，北l 是列它的研究却较晚。非完整约束的移动机器人，虽然在玎阔的 i ：作空问巾经过姿态的调整可以达到任意的方向和位置，但是由于不具有 侧向移动的能力，这样在紧凑的工作空间中就不再适用。非完整约束的移 动机器人的运动能力和限制使得这类系统的轨迹规划、轨迹跟踪等问题中 k 增加了个约柬条件而变得困难了。另外，在非完整约束条件下的移动 机器人的运动学山 - “- 1 动力学方程是非线性两数，用常规的线性控制理论 进行控制是很l 木1 难的，而且也刁i 能化成简单的线性系统”。”l 。可见，对于 1 # 完整约束的移动机器人的控制也存在一定的难度，但由于它的普遍性， = l6 “很多学者致力于非完整约束条件移动机器人的运动控制的研究。由完 整约束轮_ f 构成的移动机器人能够在保持机体姿念才：变的d h 提_ f 沿任意方 | i _ l j 移动，j ：! | j 令方位移动的功能。这种能力使得移动机器人的路径规划、轨 逊跟踪等n q 题受绀相对简单，并且它可以往狭小的丁作夸l h j 很好的完成任 务。为了谴移动机器人具有全方位移动的能力，不断有人进行完祭性约束 轮f 的删究，于是出现了儿类有代表性的全方位移动轮。其。p 较具有影响 力的匙币交轮( o f t h o g o n a 一w h e e 】s ) 伞方位移动机器人( 如【割1 1 ) 。由这种 结构细成旧移动机器人相对f 驸边的陌种结构具有数学模型简单、控制容 易、仝方f 迂移动等优点。现在仍然有许多 、彳l 二致，j 于拿疗位移动轮的研究 3 哈尔滨上程大学硕十学何论文 并且不断有各种特色的新型装置推出。在实际的系统中采用何种结构的车 轮以及轮子的数量取决于地面的性质、车辆的承载要求、移动机器人的任 务等多种因素。 图1 1 全方位移动机器人 图1 2 比利时蝙蝠机器人 当前，对其它非轮式移动机器人，例如足式步行移动机器人、履带式 和特种机器人( 如图1 2 ) 的研究较多，但大多数仍处于实验阶段。 1 1 3 路径规划技术 移动机器人的路径规划就是给定机器人及其工作环境信息，按照某种 优化指标，寻求有界输入使系统在规定的时自j 内从起始点转移到目标点。 其主要研究内容按机器人工作环境不同可分为静态结构化环境、动态已知 环境和动态不确定环境，按机器人获取信息的方式不同可分为基于模型的 路径规划和基于传感器的路径规划。机器人路径规划的研究始于2 0 世纪7 0 年代，目前对这一问题的研究仍十分活跃，许多学者做了大量的工作【i “。 运动规划是移动机器人的一个重要问题，对于自由移动的机器人，即 机器人的运动不受约束，运动规划问题可以通过在自由位形空间内计算一 条路径加以解决，这样的一条路径与工作空间内的一条可行的自由路径相 对应。但是移动机器人运动受到非完整性约束，并不是任意路径都一定是 可行的。在复杂动态的环境中，还要考虑运动中的避障问题，因此，移动 机器入的运动规划是一个比较复杂的问题。尚有许多的问题有待研究。 哈尔滨i ：烈人学颂+ 学位沦文 1 1 4 跟踪控制 跟踪控制是移动机器人运动控制的一个重要问题，也是一个非常实际 的问题。分为轨逊跟踪控制和路径跟踪控制两种。在轨迹跟踪控制中， 移动机器人要求跟踪的期望轨迹是以时问关系肋线图给出的，而在路径跟 踪控制中；5 i j 望轨迹是由方便的几何参数来描述的。当要求机器人必须在 一个特定的时川到达一个特定点时，必须采用轨迹跟踪控带4 ；当要求机器 人以一个期望的速度跟踪条由几何参数给出的路径时，q 以采用路径跟 踪控制。已有的轨迹跟踪方法在数学上很完美盼m l ，并且得到许多有意义 的结果，但对于设计实际的跟踪控制器来说，还有许多实现上的问题。关 j 二这方丽的：作，主要集中在早期。近媚的研究主要集q l 在考虑非完整约 束的力学的情况下，如何实现有效跟踪7 “龇。 1 1 5 反馈镇定 运动控制是机器人控制的一个重要方面。移动机器人的运动控制可分 为两种策略：，1 ：环策略和闭环策略。丌环策略就是试图0 找一个有界的控 制输入序则柬操纵系统，使其从一个初始位形至0 任意的划望位形。这种策 略往往和机器人的运动规划联系在一起。闭环策略，就匙反馈镇定。考虑 到非完按约束的移动机器人系统，是一个欠驱动的非完整系统，也是个 无漂移的零动力学系统，此类系统不满足纯状念光涮镇定的必要条件【1 9 1 ， 也就足说，这类系统不能用连续可微的时不变的纯状念反馈律来予以镇定。 因此，：- 1 1 ：连续控制、时变控制律以及结合二者的混合控制律就是必然的选 择。救设计个反馈镇定律，是一个具有很火挑战性的：j ：作，也是目前一 个非常活跃的研究领域。 1 1 6 多传感器系统与信息融合 于现有传感器普遍存在蔫有效探测范围小，数据可靠性低等缺点， 在实际应用中往往使用多传感器共同工作，并采用多传感器融合技术对检 测数据进行分析、综合和平衡，利用数据洲的冗余和互补特性进行容错处 5 哈尔滨工程人学硕十学位论文 理，以求得到所需要的环境特性。所谓多传感器融合，是指将多个传感器 采集的信息进行合成，形成对环境某一特征的综合描述的一种方法。采用 多个传感器的优点是很明显的：多个传感器可提供同一个环境信息的冗余 信息；可提供出现在环境中有关特征的互补信息；多个传感器可以并行快 速地分析当前的场景；多个传感器虽然成本较高，但具有商鲁棒性，可改 昔竞础特定上作的指怕i ；住柴传感器发生故障的情形f ，很快u j 以重组， 重新投入工作。多传感器数据集成与融合是一项内容广泛的技术，涉及到 传感器、信号处理、机器入学、控制理论、系统分析、概率统计、计算机 科学以及仿生学等很多方面的知识。 事实上，采用多传感器融合技术，如不做出一定的限制，将会大大增 船仉：3 ，、的：f 算工作量。为减小数据训算量，在贝体问题巾，往，土不足对 所有的传感器信息进行融合，而是采用传感器分组方法，针对不同的行动 激活不同的分组，或者对不同复杂程度的地形激活不同数量的传感器来探 测，这样可以减少融合过程中的计算量。 1 1 7 分布式机器人系统 分布式机器人系统是由多个机器人，传感器或者智能体组成，它们在物 理上是分开的，必须通过一种媒质，例如以太网，来进行通讯。多个移动 机器人交换信息踢足球的机器人系统( 如图1 3 ) 就是一个实例。在制造业中 图1 3 日本踢足球机器人系统 底座固定的机械手也常常作为分布式机器人系统，因为通常有一个监 6 喻尔滨i 。科人学坝十学他论文 控系统通过通讯总线束控制和监视各个单个的机器人。 有关分卸式机器人的研究，大部分是关于自主机器人和软件智能体。 这些系统被称之为d a r s ( 分布式自主机器人系统) 。大多数的应用都是关 于多个自主移动机器人的协作和控制以及机器人的分布式摔制系统，也有 砦是基丁二机械手的。因为在定义一卜这些系统是自主的，所以不用考虑与 人的互搡作。它们基本上是一个本地的分币i 式系统，时延和丢包率都不是 大问题。 1 ，18 智能技术 机器人的智能行为包括知识理解、推测、感觉、认识、推理、归纳、 推断、计划、反应、学习和问题求解等。涉及的领域包括图像理解、语音 稿l 问题符号的处理和理解、知识的表达和获圾、学习、智能运动。对于移 z 山机器人术况，天键的智能技术是自动规划技术和基丁二传感器的智能。近 年来，神经i 捌络以及模糊技术被不断地应用到移动机器人的智能技术中末。 1 2 移动机器人发展状况的分析 自主移动机器人的研究虽然取得了很大的进展，但是对于复杂的应用， 然彳：能令人满意。随着系统的f = l 益复杂和运算量的f 1 益增加，对计算设备 能力的要求也r 1 益提高，而多数轻便灵活型的机器人难以携带大量的计算 设备。l 司此，将计算机和机器人分丌，机器人把观察到的视觉信号和传感 器信寸，按照制定的标准合成，然后传剑远方的计算机上，由功能强大的 远方汁锋机进行分解和处理，并发出控制信号给机器人的传动机构以控制 机器人 j 二为，或者由机器人完成一些避障类的底层操作，i 而高层操作由远 方高性能桃器、或人工在虚拟期：境中遥控完成。将v r 技术应f _ ；l 到移动机器 人导航研究中将是一种可行的方法l z “i 。 存个智能系统中，使用单一的智能控制方法，往往习i 能取得满意的 效果。一个好的智能系统，应该包括执行、协渊、管理3 个层次。在每个 层次卜，都应该综合采用常规控制方法和智能控制方法，爿能够取得良好 效果。神经网络和模糊推理是自主导航研究，i 的两个重璎l 具，但是神经 7 哈尔滨i ：科人学坝十宁位论文 网络样本集的完接性研究尚未取得突破，将事件空州的每一点都作为网络 的学刿样本显然足不可取的：模糊推理则侧重于模糊舰则的选取，但有些 规则 艇难形式化描述，或者必须用大量的规则捕述而增大运算量，这样就 背离丁模糊逻辑应用的初衷以此近年来将神经网络与模糊逻辑结合起柬， 应剑自己导航研究中就成了机器人研究的热门课题。 传感器融合技术在近年来被引入到了机器人导航研究巾，并以取得了 令人振奇的成果，采用常规传感器导航的移动机器人将成为机器人产、业的 主要发腱疗i 自。当然，在一些复杂的地理条件下，非视觉传感器的探测范 围就小如视觉系统那么完整，目阿对于一些高精度的导航还难以胜任，因 而，1 ：发新，型传感器或按照一定融合策略构造传感器阵列以弥补单个传感器 的缺陷，以及提高新的融合方法来完善探测的结果，都将是重要的研究方 l 柚。 视觉导航研究由于受到现有的计算机设备运算速度和存储容量的限制 而发展较慢，但随着计算机图像处理能力和技术的提i 每，加之视觉导航具 珲f 倩号探测范围宽、目标信息完整等优势，在图像处理速度得到解决以后， 视觉导航仍然是主要导航方式。 在移动机构的研究上，尽管国内外已经研制出了轮式、腿式、轮腿式、 履带，和其他特殊形式的移动机器人，但到f = ! 前为止，无沦国内还是国外， 同时具备以下陛能的移动机器人还没有出现阻23 | ：( 1 ) 能跨越大f 轮子直径 的壕沟和商一j ：轮子半径的台阶：( 2 ) 机器入陷入软土壤j ，时，能自动脱离软 ：壤l k ，恢复j i i 常的行驶能力：( 3 ) 整机的一，1 密封型和l ，j 压缩性良好；( 4 ) 克 服倾翻剥机器人行驶能力的不良影响；( 5 ) 行驶的高速商设性；【6 ) 容积可进 行扩充。具备性能( 1 ) ( 5 ) 是行星探测等领域移动机器人运动系统所应具备 的重要性能。因此，研制出新型的、综合性能更好的机器人是机器人移动 系统研究特别足行星探测机器人研究中宵待解决的问题之 2 4 1 0 1 3 论文的主要研究工作 本沦文酋先对国内外移动机器人的研究现状进行了总结，分析了移动 机器人研究的j ：要内容。在此基础上，设汁了轮式缝速移动机器人的运动 8 哈尔滨i ：科人学倾十学位沦文 控制系统。浚系统通过串口和机器人的导航系统进行通信，完成运动指令。 根据机器人的微运动方程，推导了一种简洁的导航推算公式。并将模糊控 制技术应i 【 i 于本系统中。有效的解决了移动机器人的控制。 本机器人充分体现了轮式移动机器人的特征，具备了一些智能化的控 制功能。而且山于和导航系统的设计相互独立，仅通过串i i 进行通信，因 此可以方便地进行功能上的完善。机器人小车及运动控制系统作为机器人 的移动平台，随着其功能卜的完善，将来可以应用到更多的领域。 论文的毛要内容如下： l 、设计了机器人的本体结构并给出了以a l m e v r 嵌入式微控制器为 核心的运动控制系统的硬件l i _ ! - 路，以及各组成模块； 2 、根据羞速驱动机器人的特点，结合微运动方程，给出自主移动机器 人的方位推算方法； 3 、从本移动机器人实际出发，采用模糊技术，对机器人的速度和方位 进行控制。实现模糊技术在微控制器中的具体应用： 4 、根据硬件电路并结合控制算法，编制控制系统的软件。详细分析了 a v rl = f l 片机与【i 予罗盘的通信，自制光电转速传感器的测速和测距以及7 路避障光电传感器等多传感器信息融合的软件设计。 9 哈尔滨t 程火学硕十学位论文 第2 章自主移动机器人的总体控制平台设计 2 1 机器人的车体结构 机器人车体由车架、开关电源、步进电机、减速器、车轮等所组成， 它是机器人的基础部分。 2 1 1 方案选择 机器人的运动方式有轮式、履带式、腿式以及上述几种方式的结合， 以适应不同的路况。本文中机器人的设计思想是作为在路面较好的场合中 工作的机器人使用，所以采用轮式1 2 5 1 。轮式移动机器人一般有三轮、四轮 或六轮，其转向装置的驱动结构通常有两种方式： 1 、轴转向式：转向轮装在转向铰轴上，转向电机通过减速器和机械连 秆机构控制铰轴从而控制转向轮的方向。 2 、差速转向式：在小车的左右轮上分别装上两个独立的驱动电机，通 过控制左右轮的速度比来实现车体的转向。在这种情况下，非驱动轮应为 自由轮。 三轮移动机构是目前应用最多的基本移动机构，主要包括以下三种方 式： ( 1 ) 用两酊轮独立驱动，通过两轮的速度差实现转弯，后轮为辅助轮。 这种机构的特点是机构组成简单，而且旋转半径可从0 到无限大，任意设 定。但是它的旋转中心是在连接两驱动轴的直线上，所以旋转半径即使是o ， 旋转中心也与车体的中心不一致。如图2 1 ( a ) 所示： ( 2 ) 自u 轮出操舵机构和驱动机构合并而成。与图2 1 ( a ) 相比，操舵和驱 动的驱动器都集中在前轮部分，所以结构复杂。在这种场合，旋转半径可 以从0 到无限大连续变化。如图2 1 ( b ) 所示 ( 3 ) 为避免图2 1 ( b ) 机构的缺点。通过差动齿轮进行驱动的方式。近来 1 ；再用差z 力齿轮，而采用左右轮分别独立驱动的方法。如图2 1 ( c ) 所示： l o 哈尔浜i ：群人学硕十学位沦文 四轮车的驱动机构和运动，基本上与三轮车相同。图2 2 ( a ) 是两轮独立 驱动，前后带有辅助轮的方式。与图2 1 ( a ) 相比，当旋转半径为0 的时候， 由于能绕车体中心旋转，所以有利于在狭窄场所改变方向。图2 , 2 ( b ) 是所 谓於汽车方式，适合于高速行走，但用于低速的运输或搬运时，出于费用 不合算，所以小型移动机器人不常采用。 图2 1 三轮移动机构原理示意图 还有依据使用目的，使用六轮驱动车和车轮直径不同的轮胎车。六轮 车与四轮车相比结构相似，只不过有更大的承载能力和稳定性。 在本谍题中，小车的总重量不是很大，大约只有1 5 公斤，工作条件也 哈尔滨i ：程人学硕十学位论文 不是太恶劣，所以采用三轮机构就能满足要求，转向方式采用两前轮分别 驱动，后轮随动的方式。 2 1 2 各部分组成 ( b ) - 图2 2 四轮移动机构原理示意图 差动齿轮 根据上面所确定的方案。机器人小车驱动装置由以下几部分构成。 1 、车架要求在保证足够刚度的条件下，应尽量减轻车架的重量，以提 高有效承载重量。其次，车架的外廓不应有突出部分，以防止碰撞其他物 体。本课题采用硬铝作为车架的材料，底板为4 5 0 m m x 4 0 0 m m x 6 a m l 的硬铝 板，板下空间装有与驱动直接有关或熏量较大的部件，以利于机械结构设 计和降低车体重心，重心越低越有利于抗倾翻。 2 、电机和车轮之间采用蜗轮蜗杆传动，减速比为3 0 。电机与蜗杆之间 通过联轴器相联，蜗轮与车轮装在同一个轴上，它们的转速相同。蜗杆类 型为阿基米德圆柱蜗杆，材料为4 5 号钢，蜗轮材料选用铝青铜，这有利于 抗磨损。 3 、车轮采用铸铁橡胶面驱动轮，其优点在于不仅承载能力大、而且橡 胶与地面的附着系数大，保证了足够的驱动能力。 4 、随动轮不产生驱动力矩，它只起支撑作用，在小车转向时它可以自 由转动。为了使小车转向灵活，车轮与转向轴中心线之问有2 0 n _ 】u - n 的偏心 距。 1 2 呛尔滨j ：程人学硕十学位论文 2 2 硬件框图 2 2 1 微控制器a l ：m e g a l 6 l 简介 a t m e g a l 6 l 是a t m e l 公司生产的一种8 位通用微控制器，它是一种基于 a v r 增强性能、r i s c 结构、低功耗、c m o s 技术等优点的单片机，随着a v r 单 片机系列的流行、集成水平的不断提高，以及在利用这些技术丌发产品时 对“协调思想”的需求，使这种嵌入式微控制器逐步趋于主导地位。它的 主要特性为2 72 8 1 ： l 、在l6 m h z 频率下速度为1 6 m i p s 的8 位r i s c 结构单片机，内含硬件乘法 器。 2 、支持j t a g 端口仿真和编程，仿真效果比传统仿真更真实有效。 3 、通道l o 位a d 转换器，支持单端和双端差分信号输入，内带增益可编 程运算放大器。 4 、1 6 k 字节的f l a s h 存贮器，支持i s p 、i a p 编程，使系统丌发、生产、 维护更容易。 5 、多达1 k 字节的s r a m ，3 2 个通用寄存器，三个数据指针，使用c 语言 编程更容易。 6 、5 1 2 字节的e e p r o m 存贮器，可以在系统掉电时保存您的重要数据。 7 、多达2 0 个中断源，每个中断有独立的中断向量入口地址。 8 、2 个8 位定时计数器1 4 - 1 6 位定时计数器，带捕捉、比较功能， 有四个通道的p w m 。 9 、硬件u s a r t 、s p i 和基于字节处理的c 接口。杰出的电气性能，超强 的抗干扰能力。每个i o 口可负载4 0 r n a 的电流，总电流不超过2 0 0 m a 。 l o 、选片内片# f r c 振荡、石英陶瓷晶振、外部时钟，更具备实时时 钟( r 7 l 、c ) 功能；片内r c 振荡可达8 l h z ，频率可校调到1 精度：片外晶振振荡 幅度0 j 调，以改善e m i 性能。 1 1 、内置模拟量比较器。 1 2 、可以用熔丝开启、带独立振荡器的看门狗，看门狗溢出时间分8 级 哈尔滨，r 稃人学硕十学1 1 i ) = 论文 可调。 1 3 、内置上电复位电路和可编程低电压检测( b o d ) 复位电路。 1 4 、六种睡眠模式，具有更低的功耗和更灵活的选择。 2 2 2 控制系统组成 导航系统在综合各类传感器和电子罗盘信息后，通过导航算法形成运动 指令，经过串口通信模块发送至本运动控制系统。运动控制器接收到模块 指令后，调用控制算法，计算并输出给左右电机的控制信号。以a t m e g a l 6 l 为核心的硬件结构如图2 3 所示。主要包括了运动距离传感器模块、电机驱 动模块、电子罗盘模块、串口通信模块、避障模块、显示模块、语音报警 模块和必要的外围电路。 l 电源模块 | 电了罗- i 旋转编码器 电机驱动模块 2 3 电源模块 m a i na t m e g a l 6 ls l a v ea t m e g a l 6 l a d c ls p i u s a r l l 际而 i c p | 兰= = _ j l i n t i i 习几万 外闹电路 图2 3 系统硬件框图 语音撤警模块 外h ；f 电路f 本文采用丌关电源提供给功率器件和逻辑器件，对于一个机电控制系 统来蜕，系统的抗干扰性能是非常重要的。对不同的功能部件提供相互隔 离的电源是提高抗干扰性能的一个重要手段。基于此，电源模块的电路如 图2 4 所示： 2 2 0 v 交流电经丌关电源( 输出2 4 v ) ，然后送入l m 2 5 7 5 一1 2 和 d l m 0 5 2 4 d 1 2 电源模块，产生两组1 2 v 电压，输出最大电流超过l a 。能够 1 4 兰雾 哈尔滨：r ：稗大学硕十学位论文 广 氍阡穗晰一睁廿 _ l 一7 一 氍苇德骑罱_ 上一“4 l 二j 图2 4 电源模块电路 满足运动控制系统中距离测量电路和避障传感器的要求。根据系统抗干扰 的要求，采用7 8 0 5 和l m 2 5 7 5 5 电源模块产生两组独立的+ 5 伏电源，提 供给经光电耦合器件电气隔离的控制器件和驱动器件1 2 9 】。 2 4 电子罗盘模块 电子罗盘模块其硬件实物如图2 5 所示 图2 5 电子罗盘硬件实物图 哈尔滨：i ：样人学顼十学位论文 使用电子罗盘可以随时获得机器人的运动方向。由于电子罗盘是磁敏感 器件，因此在安装时一定要远离各种磁干扰源，本设计将电子罗盘安装在 按个机器人系统的顶部，与微控制器之间通过r s 2 3 2 c 电平的串行通信接 口连接。图2 6 为电子罗盘的接口电路，本设计采用的电子罗盘z c c - d i 一2 3 2 是一款低成本两轴的数字罗盘模块。输入电压低、功耗小。其工作原理是 通过磁传感器测量磁场在x 轴、y 轴的磁场分量，通过计算，得出方位角 度，之后经过标准的r s 2 3 2 接口输出给上位机。其精度高。运行稳定，动 念平衡调整，并具有标定及越限报警功能，其输出波特率可调，可选择连 续输出及询问输出方式，同时具有安装角和磁偏角补偿功能。可适应不同 的工作坏境，z c c 。d i 2 3 2 支持不同的工作电压，其电压范围： 7 5 v d c 2 0 v d c ；也可直接5 v d c 输入。 弛i f r i ) 鼬i n 叱i ) 羹母 盘盘i 粤： 稍。i 始1 吐! i 州d )孙j ” 剥芦目o 婚dp 托qp , 4 6 p 筐 i 口k i m ) 。主单片口。 盘 2 5 电机驱动模块 2 5 1 驱动电机 图2 6 电子罗盘接口电路 根捌控制方式和结构的需要，驱动电机采用步进电机，这是因为步进 电机具有以下优点f 3 0 i ： 1 、步距值不受各种干扰因素的影响。简而言之，转予运动的速度主要 取决于脉冲信号的频率，而转子运动的总位移量取决于总的脉冲个数。 1 6 哈尔滨1 ：程人学硕十学位论文 2 、位移与输入脉冲信号相对应，步距误差不长期积累。因此可以组成 结构较为简单而又具有一定精度的丌环控制系统，也可以在要求更高精度 时组成闭环控制系统。 3 、可以用数字信号直接进行开环控制，整个结构简单廉价 4 、无刷，电动机本体部件少，可靠性高。 5 、控制性能好。起动、停车、反转及其他运行方式的改变，都在少数 脉冲内完成，在一定的频率范围内运行时，任何运行方式都不会丢步。 6 、停止时有自锁能力。 7 、步距角选择范围大，可在几角分至1 8 0 。大范围内选择。在小步距 情况下，通常可以在超低速下高转矩稳定的运行。 根掘所需的驱动力矩和其它结构要求，驱动电机选用北京四通集团公 司的5 7 b y g 2 5 0 e s a f r m l 0 1 5 2 型两相混合式步进电动机。其参数如表2 1 所示川： 表2 15 7 b y g 2 5 0 e s a f r m l - 015 2 步进电机参数 相数 2 步距角 度o 9 1 8 静念相电流 a1 5 相电阻 q 1 o 相电感 m h5 3 保持转矩 n m1 5 定位转矩n m 0 0 6 空载启动频率( 半步方式) k h z3 重量 k g 1 5 转动惯量 g e m 3 3 0 2 5 2 转速控制方法 控制步进电动机的运行转速。实际上就是控制系统发出c p 脉冲的频率 或者换相的周期。系统可用两种办法确定c p 脉冲的周期，一种是延时，一 种是定时器。 1 7 哈尔滨t 科人学硕十学何论文 l 、延时方法 这种方法是每次换相之后，调用一个延时子程序待延时结束后再次 执行换相子程序。这样周而复始，即可发出一定频率的c p 脉冲或换相周期。 延时子程序的延时时间与换相予程序所用时间的和，即是c p 脉冲的周期。 例如产生右电机转驱动脉冲的子程序为： v o i dr i g h tm o t o r ( v o i d ) r i g h tm o t o r u l s e = 1 ； 设置商电平 d e l a y _ u s ( 2 5 0 ) ； 调用延时子程序 r i g h tm o t o ro u l s e = 0 ； 设置低电平 这种方法的优点是程序简单，占用片内资源少，全部出软件实现。调 用不同的子程序，就可以实现不同的速度运行。缺点是占用c p u 时间太多， 不能在运行中处理其它的工作。显然，这种方法虽然简单，但也只能用于 较简单的控制过程。 2 、定时器方法 a t m e g a l 6 l 芯片内部有三个通用定时器计数器，都是可编程的。利用 定时器的溢出功能可以产生任意周期的信号，从而可方便地控制系统输出 c p 脉冲的周期。 a t m e g a l 6 l 芯片内部的通用定时器计数器t c o 及t c 2 都是8 位定 时器计数器，当定时器起动后，定时器从装载的初值丌始对系统机器周期 进行加计数。当计数值产生溢出时，即从$ 0 0 变为s f f 时，定时器产生溢出 中断信号，中止主程序的执行，系统转为执行定时器溢出中断子程序。例 如用定时器t c 0 来控制电动机的运行速度，中断服务子程序为： t u n e r o 溢出中断产生2 k h z 左右的方波 i n t e r r u p t 【t 1 m oo v f 】v o i dt i m e r 0 _ o v f _ i s r ( v o i d ) t c n t o = 6 ： i f ( + + t i m e c o u n t 0 = = 1 ) 1 8 哈尔滨l ：榉入学顿十学位论文 p o r t d = p o r t d “o x l 0 ： t i m e c o u n t 0 = 0 ； ) ) 系统在反复执行这个中断程序时，所产生驱动步进电动机的时钟脉冲 就是恒定的频率，而且与设定值之削不存在误差。 2 5 3 驱动电机的控制电路 本文采用a t m e g a l 6 l 微控制器控制步进电机细分驱动器，从而控制步 进电机。控制电路为，微控制器输出6 路脉冲，分别控制左右两个步进电 机的脉冲、方向和脱机信号。细分驱动器采用北京四通电机的两项混合式 步进电机细分驱动器s h 2 0 4 0 2 a 。 1 、s h 2 0 4 0 2 a 细分驱动器的特点： ( 1 ) 1 0 v 4 0 v 直流供电： ( 2 ) h 桥双极恒相流驱动； ( 3 ) 最大2 a 的八种输出电流可选： ( 4 ) 最大6 4 细分的八种运行模式可选； ( 5 ) 输入信号光电隔离： ( 6 ) 可适应共阳，共阴，单，双脉冲多种模式； ( 7 ) 提供节能的自动半电流锁定功能； 2 、细分驱动器的性能指标：电气性能( 环境温度z j = 2 5 摄氏度s h i 时) 表2 2 细分驱动器的性能指标 供电电流1 0 v d c 4 0 v d c ，容量3 0 v a 输出电流峰值最大2 a 相( 电流可由面板拨码丌关设定) 驱动方式恒相流p w m 控制 励磁方式最大六十四细分的八种运行模式 绝缘电阻在常温常压下) l o o mq 绝缘强度在常温常压下0 5 k v ，1 分钟 3 、细分骀动器的输入信号 哈尔滨i ：程人学硕十学1 1 i ) = 论文 公共端：本驱动器的输入信号既可采用共阳极也可使用共阴极接线方 式，使用共阳模式时用户应将输入信号的电源正极( 共阴极时为电源负极) 连接到该端子上，将输入信号连接到对应的信号端子上。信号低电平( 共 阴极时为高电平) 有效，此时对应的内部光耦导通，控制信号输入驱动器 中。 脉冲信号输入端：共阳极时该脉冲信号下降沿( 共阴极时为上升沿) 被解释为一个有效脉冲，并驱动电机运行一步。为了确保脉冲信号的可靠 响应，共阳极时脉冲低电平( 共阴极时为高电平) 的持续时蛳不应少于l o p s 。 方向信号输入端：该端信号的高电平和低电平控制电机的两个转向。 共阳极时该端悬空被等效认为输入高电平( 共阴极时该端悬空被等效认为 输入低电平) 。控制电机转向时，应确保方向信号领先脉冲信号至少5 肛s 建 立，可避免起动器对脉冲的错误相应。 脱机信号输入：该端接受控制机输出的高低电平信号，共阳极时低电 平电机相电流被切断，转子处于自由状态( 脱机状态) 。共阳极时高电平 或悬空时，转子处于锁定状态( 共阴极时低电平或悬空时转子处于锁定 状态) 。 输入信号波形和时序( 共阳) 如图2 7 所示： 击进t 冲f * 号 方内情号 艇帆竹号 图2 7 输入信号的波形和时序 哈自 滨一1 ：程大学硕十学位论文 4 、细分驱动器的典型接线图，如图2 8 所示： 图2 8 细分驱动器典型接线图 2 6 测速( 测距) 传感器 在测量旋转体的速度时需要用转速传感器检测转速。常用的转速传感 器有以下几种： 1 、测速发电机 测速发电机的工作原理类似于发电机的工作原理，两者都是将转动的 机械能转换成电信号输出。当测速发电机工作时，在某一瞬间其输出电压 u 。与角速度u 成丁f 比，而极性由旋转方向确定。输出电压为： u 。= k ( i )( 2 1 ) 测速发电机适合于测量转速较高的旋转物体速度。 2 、霍尔转速传感器 霍尔转速传感器是利用霍尔丌关元件测转速的。在待测旋转体的转轴 上装上一个圆盘，在圆盘上装上若干对小磁钢愈多分辨率越高。霍尔开关 固定在小磁钢附近，当旋转体以角速度m 旋转时，每当一个小磁钢转过霍尔 丌关，霍尔开关便输出一个脉冲，计算单位时间的脉冲数，即可确定旋转 体的速度。 3 、光电转速传感器 直射式光电转速传感器丌孔圆