（计算机应用技术专业论文）智能轮式移动机器人的控制系统设计.pdf

辽宁师范大学硕十学位论文 商要本课题设计的移动机器人主要是以运动控制的物理机械设计为主，是机器人研究领域的一个附属研究方向，应用于工业、农业等各行各业，是一个国内外都关注的且广泛应用的研究热点。本文的设计在国内外关于移动机器人设计的基础上，着重分析了轮式移动机器人运动控制的物理和机械运动原理和发展状况，研究并设计了两轮驱动的移动机器人，力图使移动机器人达到小型化、智能化、精确化：本系统的设计在硬件控制方面，根据机械运动的原理，分析了移动机器人的运动行为理论。以a v r 系列单片机a t m e g a 8 为主要的微控制芯片，主要的工作是对a t m e g a 8 的外围功能电路的设计与各个功能模块的实现。主要的功能为：避障功能的实现，本课题并没有植入简单的碰撞传感器模块，而是实现了远距离的超声波检测模块和近距离的红外线检测模块；在结合了l 2 9 8 n 驱动芯片，实现了步进电机b s 4 2 h b 3 3 一o l 对于后两轮的驱动运动，能够按照各个功能模块的要求，完成机器人的各项动作；加入了语音识别功能模块，能够实现人机对话的交互行为；串口温度测试模块则实现了在环境温度大范围的变化时，移动机器人能够自主的躲避该环境；对于不同模块中电源的提供，本课题专门设计了电源模块，以方便系统的功能实现和调试工作。在软件方面，本课题设计结合了u m l 软件设计思想，实现了组件化的软硬件协同设计理念。并且软件的设计遵循了层次设计结构，共分为：数据采集层、底层功能驱动层、数据处理层、功能应用层等四层结构。整个移动机器人控制系统有着体积小、功能强大、可裁剪性强、便捷等特点。在最后的调试运行中，较好的完成了预定的任务。关键词：移动机器人；机械控制；+ 功能模块；u m l智能轮式移动机器人的控制系统设计t h ed e s i g no fw h e e l e dm o b i l er o b o tb a s e do ne m b e d d e ds y s t e ma b s t r a c tt h em o b i l er o b o td e s i g n e di nt h i sp r o j e c t ，m a i n l yf o c u s e do nm o t i o nc o n t r o lw h i c hi sap a r to fp h y s i c a la n dm e c h a n i c a ld e s i g n ，i st h en e x to b j e c ti nr o b o tr e s e a r c h i t sw i l da p p l i c a t i o nr a i s e sw o r l d l ya t t e n t i o na n dw i l lb ea p p l i e di nv a r i o u si n d u s t r i e s t h ed e s i g ni nt h i st h e s i se m p h a s i z e so nt h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a lt h e o r ya n dd e v e l o p m e n to nt h em o t i o nc o n t r o lo fw h e e l e dm o b i l er o b o t t h ed o u b l ew h e e l e dm o b i l er o b o ti so nt h eb a s i so ft h ep r e v i o u sd e s i g na th o m ea n da b r o a d ，r e s e a r c h e da n dd e s i g n e di no r d e rt om a k et h em o b i l er o b o tm i n i a t u r i z a t i o n ，i n t e l l i g e n t ，a n dr e f i n e m e n t i nr e s p e c to fh a r d w a r ec o n t r o l ，t h i sd e s i g na n a l y z e st h em o t i o nt h e o r yo fm o b i l er o b o ti nl i g h to fm e c h a n i c a lm o t i o np r i n c i p l e t h em i c r oc o n t r o l l i n gi n t e g r a t e sc i r c u i t ，m a i n l yw i t ha t m e g a 8o fa v rs e r i e ss i n g l ec h i p ，i su s e dt oe n f o r c et h ef u n c t i o np e r i p h e r a lc i r c u i to fa t m e g a 8a n de a c hf u n c t i o n a lm o d u l e i t sp r i n c i p a lf u n c t i o n sa r ev a r i o u s ：t h er e a l i z a t i o no fb a r r i e r a v o i d i n gc a p a b i l i t y ，w h i c hi su n d e rt h eh e l po fr e m o t eu m lm o d u l ea n ds h o r t - r a n g ei n f r a r e dt h e r m o g r a p hi n s p e c t i o n ；t h er e a l i z a t i o no f d r i v ef o rt h er e a rw h e e l sb yb s 4 2 h b 3 3 - 0 1w i t ht h ec o m b i n a t i o no fl 2 9 8 nd r i v i n gc h i p ，t om e e tt h er e q u i r e m e n t so fe a c hf u n c t i o n a lm o d u l ea n dm o t i o n s ；t h es p e e c hr e o r g a n i z a t i o nm o d u l e ，w h i c hf a c i l i t a t e sm a n m a c h i n ec o n v e r s a t i o n ；s e r i a lp o r tt e m p e r a t u r et e s tm o d u l e ，w h i c hh e l p st h em o b i l er o b o t sa v o i dt h ee n v i r o n m e n ti nc a s eo fl a r g e r a n g ef l u c t u a t i o nr i s e s ；t h ep o w e rs u p p l ym o d u l e ，w h i c hf a c i l i t a t e st h er e a l i z a t i o na n dd e b u g g i n go fs y s t e mf u n c t i o n s a st os o f t w a r e ，t h ep r o j e c t ，c o m b i n i n gt h ed e s i g no fu m l ，b r i n g sa b o u tt h ei d e ao fu n i t d e s i g no fs o f t w a r ea n dh a r d w a r e t h el a y e rs t r u c t u r e si nt h i sd e s i g na r ed i v i d e da sd a t a - c o l l e c t i o nl a y e r ，l o w l e v e ld r i v el a y e r ，d a t a - p r o c e s sl a y e r ，a n df u n c t i o na p p l i c a t i o nl a y e r t h em o b i l er o b o tc o n t r o ls y s t e mi sf e a t u r e db ys m a l ls i z e ，p o w e r f u lf u n c t i o n s ，f l e x i b l ec u t t i n g ，a n dc o n v e n i e n c e i nt h ef i n a ld e b u g g i n g ，t h es y s t e mc o m p l e t e dt h ep r e s e tt a s ki nas a t i s f i e dw a y k e yw o r d s ：m o b l i er o b o t ；m e c h a n i c a lc o n t r o l ；f u n c t i o nm o d u l e ；u m li ia b s t r a c t i i1弓i 言11 1 嵌入式系统概述11 2 智能移动机器人的简介l1 3 智能室内移动机器人的发展状况21 4 智能机器人在嵌入式系统中的应用52 轮式机器人的机械设计和物理运动分析62 1 轮式移动机器人移动机制的选择62 2 轮式移动机器人车身整体机械设计方案的选择62 2 1 运动机制机械部分的设计方案选择。62 2 2 运动机制中使用的驱动电机选择标准72 2 3 运动机制中驱动电机与车轮连接方案的选择72 3 轮式移动机器人几种物理力学的分析92 3 1 系统负载的3 个基本类型92 3 2 移动机器人在运动过程中的力学分析1 02 4 轮式移动机器人的数学运动模型1 23 智能机器人控制系统总体方案及分析1 43 1 控制系统设计方案提出的理论基础1 43 1 1 设计方案思想分析143 1 2 移动机器人的嵌入式系统方案1 53 2 移动机器人控制系统总体硬件方案设计1 63 3 微控制器( m c u ) 的选择1 73 3 1 微控制器( m c u ) 的选用1 73 3 2a t m e g a 8 微控制器优点184 智能移动机器人的功能模块设计与实现1 94 1 电机驱动模块l94 。1 1 步进电机的简介1 94 1 2 本课题所选的步进电机参数1 94 。1 3 驱动步进电机的l 2 9 8 n 的性能2 04 1 4 步进电机驱动电路设计2l智能轮式移动机器人的控制系统设计4 2 红外线近距离避障模块2 24 2 1 红外线检测原理2 24 2 2 红外线避障检测器电路设计2 34 3 超声波远距离避障模块2 44 3 。1 超声波检测的原理2 44 3 2 超声波传感器测距避障系统的实现2 54 4 基于串行通信的温度测试模块2 74 4 1 测试系统功能需求分析2 74 4 2 串口温度测试模快的主要硬件连接2 84 5 语音识别模块2 94 6 电源提供模块3 04 6 1 电池的选择3l4 6 2 电源电路设计3 25 移动机器人系统的软件设计方案3 45 1u m l 设计思想3 45 2 控制系统软件功能设计实现3 45 3 软件体系结构的划分3 55 4 功能模块的软件设计3 65 5 软件的开发环境介绍3 7结论3 9参考文献4 1攻读硕士学位期间发表学术论文情况4 3致谢4 4辽宁师范大学硕士学位论文1引言1 1 嵌入式系统概述现代的科技领域内，以微控制芯片技术、上层软件技术和计算机控制技术为核心的全数字化技术取得了高速的进步，在社会的各行各业都有着非常广大的前景。无论是经济、工业、交通、社会、军事、农业等各种相关行业，还是教学、生活、家电、科研、生产等各个应用领域，都是在数字化技术的领导下发展壮大的。促使消费电子、p c 、信息三者一体化技术正在大踏步的前进中，而我们深知，在这些技术的发展过程中都离不开嵌入式技术带给我们的方便，所以当今世界，嵌入式系统的研究再次成为全球应用控制系统领域的热点。世界上现有的第一个微处理器出现在上个世纪的7 0 年代，至今嵌入式系统的发展已经经过了3 0 多年的锤炼了。随着微电子产品的应用和计算机控制技术对其它行业的渗透，以应用控制技术为中心的嵌入式系统控制技术变的越来越重要，我们可以把控制p c 机简单的分为非嵌入式系统和嵌入式系统的通用计算机和嵌入式计算机【l 】，这里讲的嵌入式计算机将不在是传统的个人计算机。嵌入式计算机则是以嵌入式系统为系统内核的，以微控制器为中心的，在各种设备、终端和系统中广泛应用的；而普通的通用计算机就是我们通常所说的基本计算机体系结构，通过装配不同的软硬件为依托来实现各种不同应用的功能要求，并且可以根据需要来进行基本的选择。嵌入式系统以后将会在p c 机的发展过程中起到举足轻重的作用，甚至在一定程度上会取代简单的p c 机，作为一台功能减缩的个人计算机。嵌入式系统功能实现的需求，将功能软硬件和可选择的嵌入式系统同时集成于计算机中去，完全是一个硬件与软件协同开发的计算机操作系统。具有速度快、实时性好、可裁剪、功耗小、便携性强、小巧等特点。1 2 智能移动机器人的简介移动机器人是人类2 0 世纪最伟大的发明之一，移动机器人的始祖开始于2 0 世纪6 0年代末期，体现了工业控制的整体进步方向。发展机器人技术是目前全世界对于智能开发的一个永久不衰的课题，尤其是7 0 年代末，随着计算机在机器人领域上的合理应用和传感技术实现推进了机器人的进一步发展。机器人技术开始到现在的不断进步，不但加强了传统工业生产控制领域的提升，而且对于整个人类社会的进步有着很深的影响。随着计算机技术、微计算机集成电路、模糊理论、人工智能、工业控制等各项基础学科的理论和实践的发展，由多学科交叉而搭建成的机器人学科也在不断的与时俱进，飞速前进【2 1 0智能轮式移动机器人的控制系统设计有关机器人的研究最早起源于机械操作手的研究与生产，他们主要用于工业控制中的工人无法达到的环境中去应用。后来机器人的应用越来越广泛，目前发展的方向是更加人工智能的模拟人类手臂的灵活性，同时人们也期望着机器人能够自主执行人们所想的运动行为，在规定的范围内工作，并且不会出现失控的状态，从而在机器人的研究领域内又多了一个方向：移动机器人【3 】，它们可以按照人们预定的路径进行行走，达到预定的工作目的。移动机器人是一种在复杂的危险的环境下进行有目的性、自发的、不受外界干扰工作的智能移动机器人。目前对移动机器人的科研工作在世界各国受到很大的重视。它在军事侦察、排除危险、防范入侵等危险与恶劣环境以及简单的搬运都有着非常大的研究空间。目前对于移动机器人的研究已经前进到一定的位置，而对于移动机器人的完全智能化、商业化、通用化等还有着一定的距离，这些问题正引起越来越多的国内外科研人员和工程技术人员的热切关注【4 】。轮式移动机器人( w h e e l e dm o b i l er o b o t ) ，很明显是一种能够按照要求自由移动的轮式机器人。它是一个自动控制、路径规划、周围环境感知等多种功能的嵌入式控制系统。除了其在基本的工业控制的众多应用之外，还因为灵活小巧的移动在国防建设上受到世界上各个国家的普遍关注。1 3 智能室内移动机器人的发展状况目前室内移动机器人的分类还没有很详细的介绍，但是按照基本的功能和室内条件极其应用的场合要求，基本上可以分为以下几类：( 1 ) 自主吸尘清洁机器人d c 0 6 型自主式真空吸尘器是由英国d y s o n 公司全力开发的早期产品”】，其主要的特点是在导航和路径规划的控制上，能够记忆清扫过的路径，自动确定方向和速度，能够有序的清扫室内、避障能力强、甚至可以识别热感效应，具备一定的判断智能性。它由三台控制微型机组成，包括各种功能的传感器，驱动电机是当时最为先进的s r 驱动电机。该自主吸尘清洁机靠蓄电池工作，在蓄电池里的电即将耗尽时，它会自动识别充电的位置，自己自动行走到其位置进行自主充电，其外观如下图1 1 。2i ，r ，t o，0i 落笋、型机器人辽宁师范大学硕士学位论文( 2 ) 医疗救护机器人应用于医疗服务救护的机器人主要指能够直接为病人和医生提供帮助的机器人，帮助医生对病人进行有效的治疗。一般情况下，这类机器人在医院使用的最为广泛。由美国研制的h e l p m a t e ( 如图1 2 ) 是一个自主式医疗器械等功能与一体的运输智能机器人，主要任务是担任护理、传递医疗设备、输送样本和其他物品。其目的是通过h e l p m a t e服务来使医生能有时间和精力来看护其他的病人。结合室内物体的下部是否有实物的信息，来判断寻找物体对象的方位，比如病床和医疗器械等。图1 2h e l p m a t e 机器人( 3 ) 公共事业服务机器人公共事业服务机器人是指能够为人民在公共场合付出服务的机器人l 剐。如在高速公路、大型商场、城市建设等为客户提供一定的技术服务和家庭服务的智能机器人。一种能够提供商场内为客户提供信息服务的机器人s c h r o b b i e 装备了先进的导航系统，可以躲开非人类的物体，一旦遇到客户，会礼貌地问好和根据客户的需要而提供商场内的信息服务。该机器人的主控系统是西门子公司的智能导航系统s i n a s ，s i n a s 能够很快的适应周围的一切环境。为了获取室内环境的信息，机器人首先要有一个自主学习的过程，其间通过机器人内部的激光扫描仪来创建周围环境的基本坐标地图。然后根据这个地图和传感器回传的信息来识别和规划运动路径，其外观如下图1 3 ：图1 3s i n a s 机器人智能轮式移动机器人的控制系统设计( 4 ) 智能家用机器人智能家用机器人指的是在家庭内部可以为人类提供一系列帮助的智能服务性质的机器人。美国匹兹堡市的美国p r o b o t i e s 公司自主研发的c y e 小型家用全自动智能机器人。它可以拖动一辆小型拖车在室内用来运送食物、衣服等生活用品，或牵引智能清洁机器人来进行室内的卫生清扫。c y e 采用双轮驱动电机差速转动的驱动方式，通过地图识别技术来获得周围的环境位置。主要控制是由计算机通过无线发送指令信号对其进行运动控制。在c y e 开始进行家庭工作之前，它必须绘制出环境地图信息。用户只要通过上位机的命令传输，把具体的任务位置和内容分布给c y e ，它就可以按照要求从事自己的工作了。c y e 还可以通过碰撞传感器来了解周围的环境信息，能通过单位时间内计算轮子转动的次数获得机器人的移动速度和运动方式。当然，行动不是很便利的c y e 也有许多缺点，如无法处理好拖动小车时，缠绕在一起的工作电缆等，而且工作时发出的额外噪声是十分的大。p r o b o t i e s公司目前正在和卡耐基二梅隆大学的智能机器人研究院进行密切的合作，让c y e 的功能能够更加的强大，并能够通过语言来直接控制机器人的行为。( 5 ) 商业功能机器人这类智能机器人主要应用于商业化的地点，为顾客提供便捷的快速方便的服务。这类型的机器人在韩国比较流行，韩国科技部门智能机器人研究院的课题小组研制的服务机器人t r o t ( 图1 4 ) 不仅能够辨认顾客的人脸，还会和顾客进行简单的交谈，用来解决一些简单的问题，而它手上的压力感应钳能够完全准确的把酒杯送到顾客的手中。韩国工业大学机器人研究小组2 0 0 6 年开发的智能机器人，采用了轮式驱动设计行为方式。它具有灵活的机械功能，可以在一定条件下的路况上弯腰拾起地面的东西。图1 4t - r o t 机器人4辽，师范人学硕士学位论文1 4 智能机器人在嵌入式系统中的应用嵌入式计算系统的概念是以计算机的实用技术为前提，以工业等控制应用为目的，软硬件可剪裁，是一个小范围的计算机控制系统，特点为成本功耗低、功能简单、可靠性强、体积小等专用的控制计算机系统【7 1 。嵌入式系统与通用的计算机系统最主要的区别是不同的嵌入式系统有着不同的应用场合和不同的应用范围，并不像通用计算机那样功能强大。它广泛应用于办公自动化、工业控制、通信机制、机器人设计、武器制造、航空航天、智能汽车、民用消费电子产品等关乎民生的各行各业的领域。系统设计一般根据功能提出、性能需求、体积成本控制等因素来设计体系结构，选择微处理器，移植实时操作系统( r t o s ) ，设计软件体系结构。主要由软件和硬件两大部分组成，并且达到一定的协同开发的特点。软件由嵌入式操作系统，主要是实时操作系统( 例如uc o s i i ) 和嵌入式应用程序两部分组成。软件开发一般在上位机上进行开发，然后在硬件电路板上进行交叉编译和调试。对于复杂系统或者任务调度实时性要求高的操作系统，则嵌入式实时操作系统( r e a lt i m eo p e r a t i o ns y s t e m ) 是必须要移植的，否则会出现系统的无法正常运行：硬件主要由主控芯片( a v r 系列的a t m e g a 8 ) 、外围电路设计、f l a s h 存储器、功能齐全的传感器组成。嵌入式系统依靠外围接口电路与传感器的信号回馈和控制命令来进行控制操作，常用的有键盘和显示接口、a d 数模转换、u s a r t 串行通信、总线控制、露4通用i o 接口等。智能移动机器人就完全可以按照一个嵌入式系统的设计模式来进行功能的定义和软硬件体系结构的设计和开发研究。”智能轮式移动机器人的控制系统设计2 轮式机器人的机械设计和物理运动分析2 1 轮式移动机器人移动机制的选择一般意义上移动机器人的移动机制主要有轮式、腿式、履带式等等【8 】。轮式移动机制是移动机器人中应用最多的也是比较简单的一种机器人移动方式。在相对平坦的且有足够摩擦力的地面上，用车轮来移动机器人的方式是相当优越和便捷的。车轮的形状、结构、大小、材质皆取决于地面的性质和承载的能力。在轨道上运行的车轮一般采用实心的钢轮，火车便是这种方式移动的。那么室内地面的行驶则一般采用充气的轮胎或者实心的橡胶轮胎。依据机器人的车轮的多少，轮式移动机器人可分为1 轮、2 轮、3 轮、4 轮和多轮结构。很明显，对于1 轮和2 轮存在难以解决的稳定平衡问题，尤其是l 轮式的结构最为难以实现。因此在实际的设计中轮式移动机制一般多采用的是3 轮和4 轮。本课题选用3 轮，驱动为仅后轮驱动的方式。在轮式移动机器人底盘后轮部位左右两侧分别安装步进电机用来机器人的制动；前轮为仅起支撑作用的从动轮，按照从动轮的方式，移动机器人的整体驱动是靠后轮步进电机的驱动来移动和转速差来实现转向。2 2 轮式移动机器人车身整体机械设计方案的选择2 2 1 运动机制机械部分的设计方案选择轮式移动机器人机械部分主要包括车身、驱动步进电机及车轴、车轮及连接主控电路板的电气连接。本课题所设计的轮式移动机器人采用相对稳定的准正方形为底盘的车架，步迸电机安装在后轮的底盘内侧，各种功能的传感器分布于正方形车体的四周，电源系统安装在车身上后半部分，而主控电路板安装在车身上的前半部分，并同时装载有传感器。其简单的机械结构图如下图2 1 所示。车体结构图2 1 机器人的简单机械结构图62 2 2 运动机制中使用的驱动电机选择标准轮式移动机器人驱动系统中使用的驱动电机除了具有一定的电机功能标准之外，还应该具有以下几点特殊性一j ：( 1 ) 方便性。驱动电机应该具有简单的操作性。因为在本设计中，对电机的要求仅仅是利用主控芯片的p w m 对驱动电机在不同的环境下的电机调速。( 2 ) 精确性。由于在机械系统中，要求机器人必须有精确的移动位置的能力，必须要求驱动电动机具有高精确性。( 3 ) 省电性。在移动机器人移动过程中要耗费大量的电能来转化成动能，由于本设计没有设计自动充电模块，那么要求电机要有一定的省电性以完成预定的功能。( 4 ) 可靠性。在驱动电机调速过程中，要求的非常精确，这就使得驱动电机要必须有着可靠的执行命令的能力。可靠性能强，反应快速，适合复杂的环境操作。( 5 ) 适应性。移动机器人中应用的电机不用于其他环境的静态使用的电机，这就要求驱动电机能够适应很多复杂的环境。( 6 ) 低成本性。在一些移动机器人中，应用的驱动电机非常多，例如舞蹈机器人中每个关节都需要一个驱动电机。为了满足上面的特殊性，还得要求控制成本，那么就需要选择一个性价比较高的驱动电机。2 2 3 运动机制中驱动电机与车轮连接方案的选择步进电机的输出载荷是非常有限制的，那么车轴的转速也是有一定范围的。每次都是超负荷运转会影响步进电机的使用寿命，降低运行效率，增加运行过程中的噪音。那么运动机制的机械部分车轮连接方案选定是要在简单、实用、方便的基础上，选择一个既能保证移动机器人的正常移动，又能不会因为步进电机的负荷而造成不必要的浪费。对于轮式移动机器人来讲，电机轴和车轮的连接问题是不容忽视的。如果连接不够科学合理，那么会造成即使是步进电机在超负荷的运转，但是车轮仍然驱动不足的现象。电机轴与车轮的连接有多种方式，关于本课题所设计的轮式移动机器人主要采用以下两种方法【1 0 】：( 1 ) 两个主动车轮通过车轴连接在一起，步进驱动电机直接连接到车轴内部的各自的驱动轴上。这样的连接方式有助于移动机器人的整体协调性。如图2 2 所示，虽然转弯的半径会比较大，但是机器人移动时比较平稳。这种情况下要求车轴的刚性要非常的好。其最大优点是运动机制设计简单，需求的材料简单，移动时运行稳定，但是缺点是驱动轴和主车轴要连接吻合，不能出现过大的摩擦，影响电机的效率。另外如果连接不好会出现较大的超负荷运转，影响电机的使用寿命。智能轮式移动机器人的控制系统设计图2 2 同车轴模型设计( 2 ) 驱动后车轮固定在固定架上，通过轴承连接驱动电机。如图2 3 所示，这样驱动电机可以有效的提供动能给车轮，并且可以减低驱动电机所受到的径向载荷。但是这种设计的缺点是机械结构复杂，不适合用于简单的小型移动机器人的设计。本课题的驱动车轮采用的是第一种方式。，、驱动直溺驱动电机后j 臣轮l图2 3 固定车轮模型设计对于车轮的材质的选用，也需要一定的标准。轮式移动机器人与地面主要接触的就是车轮。为了提高移动机器人的准确性、稳定性、安全性，能够更好的控制轮式移动机器人的运动性能，应该选用适当的车轮。作为与地面直接接触的物质，前进的主要动力是摩擦力，同时还有承受着地面的反作用力。根据变形量大小的不同，车轮的材质可分为刚性轮和弹性轮。刚性轮在室内这种地面比较光滑整洁的地方，不容易变形，摩擦力小，很容易会造成运动过程中打滑的现象；弹性轮的形变量比较大，在受到大的负载时，可以减小移动机器人的危险性。减缓移动机器人在移动过程中的冲击力，柔性比较强。并且由于容易变形，则受到地面给的摩擦力比较大，移动机器人不容易失去控制。辽宁师范大学硕士学位论文考虑到在室内，移动机器人容易受到地面光滑的影响，以至于出现打滑的问题。那么我们需要用弹性橡胶把驱动轮的外圈包住，使其成为弹性轮，并且不会造成较大的冲击力。另外需要注意驱动轮直径的大小。因为直径越大，在驱动电机发出同样转速的同时，小车的速度也会增大。本课题的设计，用一个空心管固定2 个驱动轮的挡板，然后通过2 个轴承连接2 个驱动轮，步进电机直接连接到2 个驱动轴上，空心管也连接到车架的内侧。实验证明，这种机械连接的方式在运行中移动机器人最稳定。2 3 轮式移动机器人几种物理力学的分析2 3 1 系统负载的3 个基本类型本设计的电机是将电能转化为动能的部件，电能转化出来的能量总会用来克服地面的摩擦力使机器人得以移动，那么克服这部分的摩擦力所消耗的能量是完全以热能的形式消耗掉的，造成了负载端永远达不到电能效率的1 0 0 。为了更好的选取合适的步进电机，我们应先考虑运行中耗掉的功率和摩擦系数来推算电机的功率。那么移动机器人系统的负载大致可以划分成3 个基本类型：有效力、无效力、惯性力j 。下面将对这三个基本的力作具体的计算分析，以达到有效地利用电机输出能量。( 1 ) 有效力特点移动机器人的行走，需要电机提供一定的作用力，也就是功。其中有效的作用便是驱动后车轮受到的摩擦力，向前的摩擦力给予了移动机器人行走的能力。如图2 4 所示，给出了移动机器人行走中所受到的几个基本的作用力。削厕图2 4 机器人行走受力图9智能轮式移动机器人的控制系统设计机械转动时力矩称为转动力矩，也称为转矩。步进驱动电机输出主动转矩。此主动转矩则是有效力的主要来源，具体的电机转矩计算机公式如下：电机的转速公式：1 7 = 6 0 f lp( 2 1 )其中n 为转速，f 为电源频率，p 为磁极对数。电机的转矩公式：t = 9 5 5 0 p 甩( 2 2 )其中t 是转矩，p 是输出功率，n 电机转速。( 2 ) 无效力特点无效力有很多，很复杂。例如在机械车轴和轴承之间的摩擦力等等都是阻碍运动的无效力，但对于无效力我们又不得不面对，能做的仅仅是减少无效力的做功，以免过多的浪费驱动电机的能量。( 3 ) 惯性力特点惯性力是移动机器人在运动过程个加速度和减速度所产生的力，移动机器人应该在软件上计算出惯性力并且努力消去惯性力的作用。惯性力符合牛顿第二定律即可。2 3 2 移动机器人在运动过程中的力学分析移动机器人在地面运动时，必然会受到行进中产生的阻力，这些阻力包括很多外来的力，统一称为行驶阻力【1 2 1 。这部分行驶阻力同样要求计算到驱动电机所输出的驱动力里面去。力即使是在运动过程中也是平衡的，那么就可以很容易的计算出移动机器人行驶时的动力学方程，确定移动机器人需要的驱动力。同样根据功率的平衡关系，也可以计算出驱动电机所输出的额定转矩。移动机器人运动行驶时，驱动电机输出的驱动力是用来克服阻力和提供前进动能的，其动力学程式为：尼= c( 2 3 )其中：f d 为驱动电机所输出的驱动力，单位为nf r 为移动机器人在运动中遇到的所有阻力，单位为n移动机器人的驱动电机输出的转矩也是平衡的，那么经过传动系统传至驱动后车轮。驱动电机作用在驱动后车轮上的转矩t 对移动机器人的运动反方向地面产生一个向后的力f 1 ，消耗一定的电能，根据作用力与反作用力原理，地面会对驱动后车轮产生一个向前的反作用摩擦力f 2 ，这个反作用力用来推进移动机器人的前进。其公式如下：只：一t ：t , e r ( 2 4 )l o辽宁师范大学硕士学位论文其中：t i 为直流步进驱动电机输出的额定转矩，单位为n m占为驱动电能到实用机械能的衰减比t 1 为实用机械能与驱动输出电能的比r 为驱动后车轮的车轮半径由上面的公式可知，驱动车轮的轮子半径是个常数，则由式( 2 4 ) 可知，移动机器人前进方向的驱动力是由t i 为步进驱动电机输出的额定转矩，占为驱动电能到实用机械能的衰减比，i 为实用机械能与驱动输出电能的比共同决定的。在移动机器人运动行驶的过程中，一定会遇到各种不同的行驶阻力。例如，地面的摩擦力f f , 空气阻力f a ，( 当然对于空气阻力是有顺风和逆风的区别的) ，上坡时重力所产生的坡度阻力f g ，加速时的加速阻力f s ，可知我们可以粗略的计算出移动机器人的总阻力值为：f = f z + c + t + 只( 2 5 )上述诸阻力中，摩擦阻力f f 和空气阻力f a 在上述的4 个阻力中是永远会存在的，只要移动机器人发生位置的移动就会产生这2 个力。对于坡度阻力则仅仅会在行驶的时候出现上坡的情况下才出现的。加速时的加速阻力f s 在移动机器人匀速运动的时候就不会出现。移动机器人只要在地面上行驶就会产生摩擦力。驱动车轮在路面上滚动时，弹性比较强的驱动后车轮会发生一定的形变，这一定的形变便会产生出运动中的摩“擦力。在摩擦力中，车轮与地面的摩擦损失不算太大，但是由于车轮在滚动时出现了滚动阻力，这个滚动阻力主要是由于车轮的弹性变形和路面变形所产生的。那么我们就可以计算出车轮在路面是滚动的阻力等于摩擦系数f 与驱动车轮负荷g 的乘积，即：f = f cc o s 0( 2 6 )在公式中，摩擦系数f 的值在不同的环境下是有所不同的，需要一定的实验计算。它与路面的种类、驱动车轮橡胶套的弹性程度、材料、温度、湿度等等都有着密切的关系；0 为路面的仰角坡度。空气阻力f g 是最为复杂的一个力，这个根据当时移动机器人运动时的环境有关系，当时的风向，机器人运行的速度，大气压的大小都可以影响窄气阻力的的设定参数。同时空气与移动机器人运动时车身表面的摩擦也产生能量损失，这些是以热能的形式消耗的。空气阻力还与移动机器人尺寸大小、材质、外表面形状有关。所以空气阻力是非常难以计算的，涉及到很多动力学方面的学科。本课题设计中的移动机器人的环境优良，室内环境下不需要考虑空气阻力以及地面平坦不用考虑坡度阻力，可以只考虑摩擦力f f 以及加速阻力f s 简化公式的计算如下：f = 一+ 只( 2 7 )智能轮式移动机器人的控制系统设计2 4 轮式移动机器人的数学运动模型本课题的移动机器人虽然是3 车轮的，但是采用的是后车轮2 车轮驱动的模式。通过软件上设定驱动后车轮的速度差和速度方向来控制移动机器人的前进、后退、转向等等最基本的行为动作。下面我们以坐标系的方式来分析移动机器人的数学运动模型1 ”。y图2 5 机器人的数学模型如图2 5 所示，移动机器人质心的线速度用v 来表示；( i ) 为移动机器人小车相对于质心的角速度；驱动后车轮的左右速度用v l 、v r 来表示；l 为左右驱动车轮的距离；r 为驱动车轮的车轮半径；x ，y 代表移动机器人质心的坐标系平面坐标。则可以写出如下移动机器人的运动方程( 2 8 ) 、( 2 9 ) ：圪= 吼r ，= r( 2 8 )国：盟v ：盟( 2 9 )2上述( 2 8 ) 、( 2 9 ) 2 个公式中，6 0 分别用来代表驱动的2 个车轮的角速度；很明显，由公式( 2 9 ) 中可以得到当驱动后车轮的左右速度相同的时候，( i ) 为0 ，即移动机器人是沿着直线行走的运动。当驱动后车轮的左右速度大小相同，方向相反的时候，v为0 ，则机器人原地旋转。我们可以将( 2 8 ) 代入( 2 9 ) 公式中去，可以得到如下公式：国：竺墨二竺墨r v ：兰出( 2 1 0 )三2我们知道移动机器人运动时的过程方程为：x = v c o s 0 ，y = y s i n 0 ，目= 国( 2 1 1 )1 2辽宁师范大学硕士学位论文下面我们将( 2 1 0 ) 的公式代入( 2 11 ) 中去，便可得：三b汜1 一控制过程是比较复杂化的。x 、y 与移动机器人的线速度有直接的关系，故可以讲控制变量关联到质心的线速度和车身围绕质心的角速度，然后将左右驱动车轮的角速度用以上2 个速度表示出来，如下：= 去y + 而lo j ，( 0 l = 1 尺矿一去功c 2 ，3 )由( 2 1 3 ) 公式可以知道，知道了质心的线速度和围绕质心的角速度，便可以求出左右驱动车轮的实时角速度，这样通过对驱动电机的转速和方向调节，间接的控制了移动机器人的运动动作行为。但是，在实际的运动中，由于编码器检测驱动车轮的旋转的负载等使车轮的弹性轮子的半径产生了变化、分辨误差、速度变化的幅度及机器人旋转产生的离心力使得驱动后车轮的等效半径变化以及地面的不平整等因素，使上述公式并不是严格的成立。通常会采用多种手段来综合完成轮式移动机器人的物理运动控制。99 宝量ocs。l=1jxy 口智能轮式移动机器人的控制系统设计3 智能机器人控制系统总体方案及分析移动机器人总体控制系统是根据软件上指令和硬件上传感器等收集到的各种信息经过内部芯片处理所执行的一系列动作和状态，它是轮式移动机器人的“指挥官 ，系统的成熟度决定着移动机器人的好坏和未来机器人的发展方向。目前，由于人工智能、模糊理论、计算机科学与技术、控制工程、传感器技术及其它相关学科的不断进步与发展，使得机器人的研究处在一个比较前沿的阶段，同时也要求机器人的主控制芯片的性能提出更高的要求，因此本课题是在一定的基础上完成移动机器人的控制系统设计。3 1 控制系统设计方案提出的理论基础3 1 1 设计方案思想分析移动机器人从诞生以来，尤其是工业上对于控制机器人所应用的主控芯片基本上都是非集成化的，开发思想比较独立和单一，没有统一的软件结构理论。开发环境、开发语言、微处理器、甚至是开发的操作系统都专门特定的，这样的机器人开发理念明显的已不能满足现代化工业发展的要求和统一性、通用性的本质。由此可见，目前世界范围内移动机器人的研究理论主要存在以下几个问题【1 4 1 ：( 1 ) 没有一个较专业的实时系统。机器人控制系统是一个对实时性要求非常高的系统，而现今的实时操作系统系统要么无法满足其要求，要么是特昂贵导致开发成本过高。( 2 ) 不合理的开放性。现今的机器人领域内对于移动机器人控制系统存在一个问题就是系统的冗余度大、开放性差，没有达到共同开发、共同研究的情形，仍然用着专用的工具进行研制，这就使得机器人的研究过程非常的缓慢，而且是在特定的条件环境和对特定功能的要求情况下才能够有比较理想的表现，这样不便于整体系统的改进。( 3 ) 扩展性差。现今机器人的开发没有一定的高度标准。目前，机器人控制系统的研究着重于从底层微控制芯片的角度来改善和提高系统的性能，而不是软件理论和设计思想的更新。由于开发结构的自闭性，无法根据需要对控制系统进行功能性的延伸，如一但机器人开发完毕，随着技术的发展，却很难再加进去一些比较流行的功能模块。( 4 ) 软件的依靠性。软件结构及逻辑结构依赖于处理器硬件，没有软硬件同时开发的思想，难以在不同的操作系统间移植。( 5 ) 忽视了人机交互系统的开发。世界上现有的机器人基本上不能提供较好的显示等友好的交互方式，这就造成了机器人的行为过于的自主化，没有用户的设计理念。1 4辽宁师范大学硕士学位论文( 6 ) 通信不能够及时准确。现今工业领域内应用的机器人主要是通过串口把上位机的程序通过一定的烧写方式写入机器人控制芯片中，速度较慢而且连接较为不方便，没有实时反馈的功能，没有自编程的功能。3 1 2 移动机器人的嵌入式系统方案根据i e e e ( 国际电机工程师协会) 的定义，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助装置、机器和设备运行的装置 。嵌入式系统本身不是一个绝对的概念，当代发展起来的嵌入式系统包含了软件和硬件的综合设计，工业、电子业、农业等等。而恰恰由于嵌入式系统的范围广泛，本课题的机器人控制系统设计的基础是嵌入式系统概念【l 引。移动控制机器人控制系统的主要任务是通过各种功能的传感器的工作，返回接收多传感器信息到微控制芯片处理器中去【1 6 】，经过处理器的计算，发出正确的机器人控制命令，然后根据传感器的信息或经过计算发出的运动指令控制机器人左、右驱动电机转速和转矩的特定值，以实现预期的运动轨迹。一个较好的机器人运动控制系统要满足一定的实时性和精确性的要求，另外还要求对于硬件平台的整体功能划分，良好的硬件设计是机器人运动控制好坏的前提，除了硬件单元的合理性，还要求要有一定的重载性。还，有关于软件平台的组件化和可再升级性，以及整个控制系统对于实时操作系统的可移植性。目前在工业控制领域内单片机主要使用8 位、1 6 位处理器，3 2 位和6 4 位以上的芯片还暂时无法完全的应用。另外8 位、1 6 位的单片机硬件外围电路设计技术比较成熟，软件编程相对简单，主要是以c 语言为主，开发环境比较可靠。所以本课题选用的主控制芯片为8 位的单片机a v ra t m e g a 8 单片机，具体方案如下：。本课题使用a v r 系列单片机作为移动机器人运动控制系统的主控芯片，用一片凌阳单片机来协同开发控制，主要用于语音的识别和语音信号的处理。对于8 位的单片机虽然运算的速度不够快速，但是其有着丰富的芯片开发资料，成熟的开发经验，尤其是在嵌入式系统领域应用非常广泛1 1 7 】。本课题设计的移动机器人运动功能需要的芯片功能完全可以满足。可以开发出具有开放式结构的、组件化、标准化的智能轮式移动机器人嵌入式控制系统【l 引。软件设计的方案采用嵌入式软件设计的思想，不但可以减小芯片存储能力的负载，而且还在软件的实现上具有较好的实时性，因此嵌入式软件设计方案是最好的设计选择。而嵌入式系统中，软件的设计可以不依靠操作系统，主要是对控制系统功能实现，以计算机技术为基础，并且软硬件协同开发，嵌入组件化思想，使软硬件开发不再像原来经典的设计方式，各自开发造成后期不必要的浪费。同样应用嵌入式系统软件适用于软件系统对功能、准确性、成本、功耗、体积有严格要求的专用移动机器人控制系统。智能轮式移动机器人的控制系统设计整个控制系统由嵌入式主控芯片、芯片外围电路功能性设计、嵌入式上位机开发环境以及下位机应用功能程序的实现四大部分组成【1 9 】。这种机器人控制系统具有硬件成熟度高、组件化、准确性好、功耗低、嵌入式软件实时性强、功能强大、准确性高等优点。3 2 移动机器人控制系统总体硬件方案设计在移动机器人中，控制系统的设计最为重要的是对于主要控制芯片的选取以及外围扩展功能电路的设计。可以说机器人的控制系统是整个机器人移动的“大脑 ，没有这个控制系统的搭建，无法实现软件的功能要求【2 0 1 。总的来说，控制系统的先进与否，直接决定了整个移动机器人系统智能程度与人性化程度。本节的主要内容是对移动机器人的设计的总体功能规划的建立，各种功能的实现都是在统一的控制系统下完成的。控制系统的完善程度和控制芯片的智能高低决定着移动机器人的功能特点和可扩展性。本课题的功能设计模块如下：微控制模块，这个模块是整个机器人控制系统的核心，所有的数字信号处理都要经过该模块，协调控制系统、各个功能模块的分工合作、各种信息数据的存储和处理、预定功能的任务等等都需要微控制芯片的决断；避障检测模块，主要是以超声波测距检测功能为主，近距离的红外线检测功能实现为辅。移动机器人的运动轨迹和方向都是根据这些传感器返回的信号来处理决定的，避障模块主要用于移动机器人运动过程中的障碍检测。其中超声波用来检测远距离障碍的，而红外线主要用于近距离的障碍检测；步进电机驱动模块，合理有效的控制移动机器人的运动状态，用步进电机来完成左右后车轮的驱动，控制方法是微处理器内置的p w m 变化来实现左右轮的差速控制；语音识别模块，实现语音对话功能，以凌阳单片机和a v r 单片机联合控制，达到基本的人机会话功能；基于串口通信的温度识别模块，移动机器人在检测到温度的大范围变化时，可以通过传感器的变化返回报警信号，处理器立刻改变机器人的运动方向；电源模块，可以提供所有控制部件的电能。下图便是在总体上设计的以a v