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機器人技術(shù)是當今科學(xué)技術(shù)發(fā)展的前沿學(xué)科。移動(dòng)機器人是機器人研究領(lǐng)域中的一個(gè)重要分支，它集人工智能、控制理論、信息處理、圖像處理等專(zhuān)業(yè)技術(shù)于一體，跨計算機、自動(dòng)控制、通信、機械、電子等多學(xué)科，成為當前智能機器人研究的重點(diǎn)之一。如何方便、快捷、廉價(jià)地控制移動(dòng)機器人，己經(jīng)成為機器人技術(shù)的一個(gè)突出問(wèn)題。在當前的控制領(lǐng)域中，無(wú)線(xiàn)控制技術(shù)已經(jīng)成為一種重要而便利的控制技術(shù)。美國、日本、德國以及包括中國在內的很多國家都對機器人的無(wú)線(xiàn)控制技術(shù)這一課題進(jìn)行了研究并取得了一定的成果。本文研究的重點(diǎn)是無(wú)線(xiàn)反饋控制系統的設計，通過(guò)PC機、無(wú)線(xiàn)通信模塊和機器人構成的反饋系統，成功地實(shí)現了PC機對機器人的無(wú)線(xiàn)實(shí)時(shí)反饋控制[1-2]。 1 機器人平臺 本實(shí)驗所采用的移動(dòng)機器人是上海廣茂達公司生產(chǎn)的AS-U32能力風(fēng)暴機器人,該機器人是AS-UⅡ的升級版，主要升級部件是微控制器，AS-UⅡ使用的是Motorola公司的單片機68HC11，而AS-U32使用的是飛利浦公司的RAM7 LPC2103，這使得機器人有更強大的處理功能。AS-U32有如下特點(diǎn)： (1)自主輪式移動(dòng)機器人，是一個(gè)對外界環(huán)境高度開(kāi)放的智能系統。它采用左右兩輪驅動(dòng)，前后兩輪隨動(dòng)。驅動(dòng)方式采用的是差動(dòng)驅動(dòng)方式，即2個(gè)有差異的或獨立的運動(dòng)合成為1個(gè)運動(dòng)。當把2個(gè)電機的運動(dòng)合成為1個(gè)運動(dòng)時(shí)，則為差動(dòng)驅動(dòng)。如讓機器人走直線(xiàn)，左右兩個(gè)輪的速度必須相等；讓機器人走弧線(xiàn)時(shí)，左右兩個(gè)輪子的速度必須不相等。 (2)機器人帶有專(zhuān)用的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，即圖形化交互式的C語(yǔ)言(簡(jiǎn)稱(chēng)VJC)。VJC由兩部分組成:編譯環(huán)境(包含交互式命令行編輯和調試功能)和機器人操作系統。VJC實(shí)現了C 語(yǔ)言的一個(gè)子集, 它包括控制語(yǔ)句(for,while, if else)局部變量和全局變量、數組、指針、結構體、16位和32 位整數、32 位浮點(diǎn)數。VJC 的一大優(yōu)點(diǎn)是支持多任務(wù)程序的運行。 (3)機器人配有一定數量的傳感器,具有一定的感知周?chē)h(huán)境的能力。傳感器包括2支紅外發(fā)射管和1個(gè)紅外接收模塊,2個(gè)光傳感器和4個(gè)碰撞傳感器。另外,還包括旋轉角度編碼器和麥克風(fēng)。紅外傳感器可以判斷前方約120°內、距離在10～50 cm 范圍內的物體;光傳感器可判斷光線(xiàn)的強弱;碰撞傳感器安裝在機器人外部的碰撞環(huán)上,能感受到8個(gè)方向上的碰撞;麥克風(fēng)沒(méi)有方向性,能感知聲音的強弱;旋轉編碼器用來(lái)測量輪子旋轉的角度數。 (4)機器人借助LPC2103來(lái)完成數據處理。雖然該處理器具有很強大的處理功能，但用于反饋控制還是不夠的，所以必須由PC機來(lái)共同完成。機器人自帶有4針SCI總線(xiàn)，可為機器人的擴展帶來(lái)方便。 2 PC機與機器人之間的無(wú)線(xiàn)通信硬件平臺 2.1 無(wú)線(xiàn)通信模塊 考慮到自主式移動(dòng)機器人的特點(diǎn),無(wú)線(xiàn)通信是計算機與機器人通信較為理想的通信方式。實(shí)驗中采用的是CC1000單片射頻無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊，該模塊主要性能如下： (1)發(fā)射功率為10 mW。 (2)工作頻率在ISM頻段，無(wú)需申請點(diǎn)。 (3)干擾能力和誤碼率:基于FSK的調制方式，采用高效前向糾錯信道編碼技術(shù)，提高了數據抗突發(fā)干擾和隨機干擾的能力，在信道誤碼率為10"2時(shí)，可得到實(shí)際誤碼率為10.5"10.6。 (4)傳輸距離：在視距情況下，天線(xiàn)高度>3 m，可靠傳輸距離>300 m。 (5)多信道，多速率:無(wú)線(xiàn)通信模塊標準配置提供8個(gè)信道，可滿(mǎn)足用戶(hù)多種通信組合方式；可提供1 200 b/s、2 400 b/s、4 800 b/s、9 600 b/s等多種波特率，并且接口波特率與無(wú)線(xiàn)傳輸波特率一樣，以滿(mǎn)足客戶(hù)設備對不同波特率的需要。 (6)雙串口，3種接口方式:無(wú)線(xiàn)通信模塊提供2個(gè)串口、3種接口方式。COM1為T(mén)TL電平UART接口，COM2由用戶(hù)自定義為標準的RS-232/RS-485接口�？捎糜布渲贸�7種不同的信道，選擇不同的接口方式以及不同的校驗方式。 2.2 機器人無(wú)線(xiàn)通信的總體設計框架 基于機器人與無(wú)線(xiàn)通信模塊的特點(diǎn)，設計的無(wú)線(xiàn)控制機器人的總體框架如圖1所示。 3 PC機與機器人構成的反饋控制系統的設計 本實(shí)驗PC機(上位機)所用的軟件是VC++6.0，用VC做串口通信可以有很多種方法：可以用控件MSComm，也可用Win32的API串行通信函數，本文選擇CSerialPort類(lèi)進(jìn)行串口通信編程(屬于Win32的API串行通信編程)。該編程方法是一個(gè)多線(xiàn)程的串口編程類(lèi)，與MSComm控件相比，CSerialPort打包時(shí)，不需要加入其他的文件，而且函數都是開(kāi)放透明的，允許進(jìn)行改造。此外，不需要去理解很難掌握的數據類(lèi)型。有關(guān)這方面的詳細介紹可以參看參考文獻。下面主要介紹反饋控制系統是如何設計的。 對被控對象進(jìn)行開(kāi)環(huán)控制達不到理想的控制效果，所以必須對機器人進(jìn)行閉環(huán)控制。整個(gè)反饋控制系統如圖2所示。 從圖2可以看出，首先必須對被控對象進(jìn)行建模，通過(guò)實(shí)驗測得機器人左右兩電機的輸入輸出之間的關(guān)系，然后通過(guò)MATLAB進(jìn)行仿真得到如圖3所示的被控對象的模型圖。 從圖可以看出，機器人的左右兩輪都是非線(xiàn)性的特性，電機的輸入參數大于60時(shí)，輸出的實(shí)際速率基本飽和了。所以必須加入PID控制來(lái)克服機器人這種非線(xiàn)性的特性。 在連續控制系統中，PID控制算法的控制規律可以寫(xiě)成如下的形式： 式中,u(t)為PID控制器的輸出，也稱(chēng)為被控對象的控制輸入;ε(t)為偏差; Kp為比例系數;Ti為積分時(shí)間常數;Td為微分時(shí)間常數。為了在數字控制系統上實(shí)現PID控制，需將連續PID控制規律化成離散型的PID控制規律，即用差分方程表示。為此，取T0為采樣周期。由于采樣周期遠小于信號變化的周期，可以用矩陣面積求和的方法近似式(1)中的積分作用，用向后差分的方法近似微分作用，則式(1)可以化為: 式(4)稱(chēng)為PID控制器遞推公式。應用(4)式計算采樣時(shí)刻k的控制器輸出u(k)，可以極大地節省計算機內存空間和計算時(shí)間，使實(shí)時(shí)控制成為可能。 許多控制系統的執行機構本身具有記憶功能，例如步進(jìn)電機作為執行元件，具有保持歷史位置的功能，當控制器給出1個(gè)增量信號時(shí)，執行機構在原來(lái)位置上移動(dòng)某一定位置，達到新的平衡位置。在這種情況下，需要采用增量型PID控制算法。設被控對象的控制輸入增量為Δu(k)，即: 式(5)稱(chēng)為增量型PID控制算法。 增量型PID與位置PID控制算法，本質(zhì)上是一樣的，僅在計算方法上有所變化。增量式算法一般用于步進(jìn)電機之類(lèi)的對象，但由于本文所用到的機器人的電機為非步進(jìn)電機，它所輸入的控制量應為絕對數值。所以本文采用位置式PID算法。 對于PID 3個(gè)參數的調節有各種不同方法，在本實(shí)驗中主要是試湊法。試湊法也要遵循一定的規律，一般來(lái)說(shuō)，增大比例系數Kp，將加快系統響應速度，減少系統靜態(tài)誤差，但直接影響系統的穩定性。增大積分時(shí)間常數Ti，有利于提高系統的穩定性，但同時(shí)也加大了系統消除穩態(tài)誤差的調節時(shí)間。微分控制作用，將改善系統的動(dòng)態(tài)性能。 在整個(gè)反饋系統的設計中,還有一個(gè)重要問(wèn)題就是系統的采樣時(shí)間T，本系統的采樣時(shí)間不能設置得太短。由于機器人的測速是由光電編碼器來(lái)完成，而實(shí)驗中用到的碼盤(pán)條紋只有66等份，時(shí)間太短，測速不準確，同時(shí)因微分作用加強，使得速度值抖動(dòng)很大。此外，機器人本身存在非線(xiàn)性特性，這樣就必須選擇一個(gè)合適的采樣時(shí)間。經(jīng)過(guò)實(shí)驗，當采樣時(shí)間≥0.5 s時(shí)，機器人反饋回來(lái)的速度較平穩，抖動(dòng)明顯減小。整個(gè)反饋控制系統的程序流程圖如圖4所示。 4 仿真結果分析 通過(guò)調節PID的3個(gè)參數，記錄下機器人每次輸出的速度值，然后再用MATLAB進(jìn)行仿真，通過(guò)測得實(shí)際數據的仿真圖如圖5所示。 本文提出的PC機對機器人的無(wú)線(xiàn)實(shí)時(shí)反饋控制，在20 m以?xún)鹊木嚯x都可以實(shí)現，且實(shí)時(shí)性良好。對每一個(gè)采樣時(shí)間內反饋回來(lái)的數據PC機都能及時(shí)處理，并把它送回給機器人，這樣機器人實(shí)時(shí)地接收數據、實(shí)時(shí)地接收PID校正后的運動(dòng)狀態(tài)，因此機器人就可以按事先設定好的狀態(tài)行走，從而達到了控制的目的。 |
