割草机器人系统设计

割草机器人的控制系统设计,思路概述,1常用割草导航方法2基于GPS的导航方法3如何实现GPS导航4割草机器人的运动控制系统5PID控制原理分析，参数的确定6PID控制的硬件实现与编程,基于传感器的导航方法,机器人智能化避障效果的好坏主要取决于机器人的用于感知识别外部环境的外部传感器系统。1障碍物距离检测传感器其中主要包括:红外测距传感器，超声波测距传感器，激光测距传感器以及其它可见光测距传感器等用于判断障碍物的有无或测取障碍物的距离,适合一般的控制用2视觉传感器本质上即为可安装在机器人上的一类特殊用途的图像处理传感器,用于障碍物距离检测障碍物边缘检测以及障碍物图像识别等,适用于更高一级的控制用,GPS在割草机器人中的应用,1GPS技术简介2割草机使用的定位方式3硬件设备4软件环境,什么是GPS，怎么运用GPS,全球定位系统,由GPS卫星(空间部分)地面支持系统(地面监控部分)和GPS接收机(用户部分)组成GPS接收机就是利用空间的GPS卫星发送的精确的时间和位置信息来进行定位,该系统可以提供地球上所有点的三维坐标。由此可以实现探知草坪边界，草坪中障碍的定位与回避。,美国国防部利用GPS提供的导航数据于军事目的,同时也控制着该系统.尽管GPS系统主要用于军事目的,但是它在民用等领域的价值不断得以发展,因此GPS卫星发送两种代码:一种只为军方所使用的加密PPS码(也称P码),另外一种为民用的标准定位服务代码SPS码(也称CA/码),GPS定位方式,GPS定位方式主要有单点定位方式和差分定位方式其中差分定位可消除影响定位精度的大部分测距误差。目前，单点定位精度可提高到20米,但差分定位可以进一步消除电离层对流层等带来的误差,可使定位精度进一步提高。,差分定位,通过在固定测站和流动测站上进行同步观测，利用在固定测站上所测得GPS定位误差数据改正流动测站上定位结果的卫星定位。根据差分GPS基准站发送的信息方式可将差分GPS定位分为4类,即:位置差分,伪距差分,相位平滑伪距差分,相位差分,差分定位原理,这四类差分方式的工作原理是相同的。即，基站接收到的GPS定位数据与自己的实际位置数据作差分,得到误差值,而在同一时刻被监测的载体所得到的GPS卫星定位数据的误差值与基站得到的误差值基本相同。由基站将这个误差值发送到被测载体,在该载体上对它接收到的GPS位置数据与基站发送来的误差值作差分,得到其位置的真实(较精确)值,再把这个真实值发送给基站。,实时伪距差分定位,除在运动载体上安置有接收机外,还要求在一个己知的基准点上安置一台接收机,在载体运动过程中,两台接收机同时跟踪共视GPS卫星,在基准点上比较伪距观测值和用基准点坐标计算的已知值,由此确定伪距改正值,利用数据通讯将伪距改正值实时发送至运动接收机进行校正。这种方法像一般差分法可以消除钟差并显著消除星历误差和大气层延迟误差,定位精度目前可达分米级,给出的频度可超过每秒一次C/A码差分定位精度比单点动态定位可提高35%,GPS动态定位,动态定位也称运动定位,一般指接收机安装在运动载体（小车）上在运动中进行实时或非实时(事后处理)定位。动态定位是接收机载体在连续运动状态下实现定位,实现GPS定位的硬件设备,AgGPS132GPS接收机AS-RF型野外机器人,AgGPS132,为美国Trimble公司生产的12通道L波段卫星差分改正双通道数字中频信标GPS接受机。它集成Ll频段GPS，卫星差分和信标天线。其数据输入/输出格式为:NMEA-0183输出，TRCMSC104输入。差分位置精度为平面精度优于1米RMS,跟踪5颗卫星,由Trimble-4000RS或同等基准站发送RTCMSC-104格式差分信号。接收机采用差分定位模式时可以达到亚米级差分定位精度,AS-RF型野外机器人,AS-RF型野外机器人为上海上海广茂达伙伴机器人有限公司生产的面向教学，研究，比赛和训练的电动履带式移动机器人,其外形尺寸为770巧50 x440(长x宽x高),最大负载能力为60Kg,采用24V1200Wh镍氢电池供电。履带左右主驱动轮分别采用150W直流电机驱动,驱动控制方式为PWM控制,带方向和使能信号,转向方式为左右履带差速转向,其运行最大速度为.09米/秒,最大爬坡能力为50%grdae(30),越障高度为95厘米,跨沟宽度为30厘米。控制程序以微软VC+6.0为平台编制,内建的库函数包括运动控制，网络控制，基本图象处理，语音采集，AD采样，测距，多路图象采集及处理和语音识别控制程序。我们可以调用这些库函数来实现机器人的控制开发功能。,具体软件实现,1割草机器人相关运行参数的确定根据割草机构设计者提出的要求,确定割草机器人的运行速度2编制GPS接收机的数据接收的VisualC+程序AgGPS132通过串口输出NMEA一0183格式的数据信号,利用visualC+编制GPS接收机的数据接收的程序并且实现与Access数据库链接储存定位数据,3建立GPS误差模型利用AgGPs132型接收机采集试验地点定点静态定位数据并对数据进行分析处理,建立GPS误差模型4确定地块试验的路径5建立GPS卡尔曼滤波模型,割草机器人的运动学控制,主要包括对割草机器人的控制变量v和的控制即割草机器人直线行驶v，原地转向,电机将轴的旋转运动输入到齿轮箱,然后齿轮箱的输出轴控制轮子转动,从而驱动整个机器人的运动机器人的转向通过左右履带的差速运动来实现同时每个电机带有一个光电编码器,两个电机分别由两个电机驱动器驱动光电编码器和电机的驱动器分别接入运动控制卡运动控制卡输出信号给电机驱动器,同时可以读取光电编码器的反馈值,实现各种闭环控制,4PID控制原理分析,PID，就是对输入偏差进行比例积分微分运算，运算的叠加结果去控制执行机构。P比例环节I积分环节D微分环节,PID的参数的确定,比例环节KP积分环节KI微分环节KD,（1）对系统的动态性能影响：Kp加大，将使系统响应速度加快，Kp偏大时，系统振荡次数增多，调节时间加长；Kp太小又会使系统的响应速度缓慢。Kp的选择以输出响应产生4:1衰减过程为宜。,（2）对系统的稳态性能影响：在系统稳定的前提下，加大Kp可以减少稳态误差，但不能消除稳态误差。因此Kp的整定主要依据系统的动态性能。,由图中可以看出，系统响应较快，满足系统的要求，但是稳态误差较大，需要引入积分环节，进行PI调节。,积分控制通常和比例控制或比例微分控制联合作用，构成PI控制或PID控制。（1）对系统的动态性能影响：对于合适的值，可以减小系统的超调量，提高了稳定性，引入积分环节的代价是降低系统的快速性。,（2）对系统的稳态性能影响：积分控制有助于消除系统稳态误差，提高系统的控制精度，但若太大，系统可能会产生震荡，影响系统的稳定性。,由图可以看出，系统的稳态误差已经达到要求，但是系统的超调量较大，震荡次数较多，调整时间较长，需要引入微分环节，进行PID调节,（1）对系统的动态性能影响：微分系数的增加即微分作用的增加可以改善系统的动态特性，如减少超调量，缩短调节时间等。适当加大比例控制，可以减少稳态误差，提高控制精度。但值偏大或偏小都会适得其反。另外微分作用有可能放大系统的噪声，降低系统的抗干扰能力。,（2）对系统的稳态性能影响：微分环节的加入，可以在误差出现或变化瞬间，按偏差变化的趋向进行控制。它引进一个早期的修正作用，有助于增加系统的稳定性。,由图可以看出，系统的超调量小于2，调整时间小于0.2s,稳态误差小于5，很好的满足了系统的要求,整定方法临界比例度法,步骤：（1）先去除PID控制器中的积分与微分作用，取比例增益KC较小值，并投入闭环运行；（2）将KC由小到大变化，对应于某一KC值作小幅度的设定值阶跃响应，直至产生等幅振荡；（3）设等幅振荡时振荡周期为Tcr、控制器增益Kcr，再根据控制器类型选择以下PID参数。,传统的PID经验调节大体分为以下几步：,1关闭控制器的I和D元件，加大P元件，使产生振荡。2减小P，使系统找到临界振荡点。3加大I，使系统达到设定值。4重新上电，观察超调、振荡和稳定时间是否符合系统要求。5针对超调和振荡的情况适当增加微分项。,硬件实现,硬件类型PLCPLC型号三菱FX2N特点丰富的软元件应用指令：简单指令、高速处理指令、输入过滤常数可变，中断输入处理，直接输出等。便利指令数字开关的数据读取，数据处理、数据检索、数据排列、三角函数运算、平方根、浮点小数运算等。特殊用途、脉冲输出，脉宽调制，PID控制指令等,PID的实际应用,PID控制器的参数必须根据工程问题的具体要求来考虑。在工业过程控制中，通