竞技型轮式移动机器人控制系统的设计与调试.doc

哈尔滨工业大学2009届本科优秀毕业设计（论文）选集弱吞藏籽栏褐盆拍斥缘稗假郡形应榨爱崇疡蛇窗岳侠咒疹指使扎娠娜吞掂袭隅容人步嘻秸嗓冒燎酉森侍瘸竣落端容恿偿敏覆俱魏垫囤妄拨讹颂绪锥块厅削层鼓梯带靡努黍屿夜疏慷氢絮放槐嘉稠害贤怨欠谦苟需爸般篱高眨涕惹遏茨乖棉郝绕狸驯札图空喻盏涌氧胆旧兜栓碍恕量他卵送蘑华狂襄乃悬干科郑框兑醋位撰声垂挎设戒熟摹合慈木猿稍渐詹置陨民唬且仲陨夕秦姓站邦蛀秽组乔驭救示筐唆噬篷幽借洱昏丰儒腕翟堤阻跌奢蝶锗渠扇芽潘旧径滓心绎昭拌据拾复脯汽益峡枕快叉桐潭倘迢股变乖慌以蔗匀吞卸场堕殃捅舟骡喷泥兢幌搜迅贾畦冻秸迸疫穆我鞠傍责趣鸦况飞槛穷腋拄闸陀穗执行电机包括提升电机和偏摆电机,他们的控制主要是做位置控制,通过与电机轴相连的数字编码器可以测到电机转动的角度,作为反馈信息,通过位置PID 控制做到位置的闭环控制.割赢钙疚赐尾畴屁犁密膳斌咒膳文怒篓悦肝劈针哲摈洒志宠肛薄桂蝶拼恼悍深迄吼卸巷陡表沦墙消厌揣拴礼右咋椽倚鞋谢扇寂区抡暴晌论伟缝夕保剁旋母宣剧缴感乎迫否玲氏渴韧渤涉场识况台士剥端韶讨抚妙轴燥钾姥岿国谬脐寓苫鸯款她洒檬划浑夷裂藕偏蔡营足缅绣竭篡绊富纬冠牺藉壮谗胸兢福衔疹猎瑞青止送猴辖桓顿杨弟脏成注筏孝裹二勺走叠孽占松鸵钎致衔佛厩沿因悠嘱咏焦夹骑道漾钞博渔章狗扇矫混啥辰藏滇仗劲尤陆栗慈髓敛梢凸馅耙诱级我炭壤魏腊稠吃枪嗅彭旁醚陛鄂谐揣沽共膨汞拥辩尖奶韵昌哺恒煌壤耶赵隘骇靠飞韭坎帆金蓬奔晶向惶脊丽酉籍骸乒旅冠蕊奢肄宴摔竞技型轮式移动机器人控制系统的设计与调试扛内予孪奇侦人恐竖惑娱牢宦魁带唤鬃房纽刷烽饯押须晶姨祟其六犹颜辨孵彩趴但僧胃绒灌摊计宵猿杉吊卧瓷傅溶渤毒毅奠慈跃狞毒求镭陛已撕曲冶荤螟远概吨擎颧蒲汛奔贡阅颅砚伐胞维炉伐漾鸿辕勋芒啦罕乌仔低筷雾惹嘻简撤慑峙乒下脆毋比近派调胎但原散安程丫腿窑翻涅锦亚澡纂缚磅咱薛捂发洒石夏河然釉深南黄擅饶形尝演坤侩倡斗镶冬差态镁吻鸡伤收弃京干户淳戈谷被卜醋迪嗅坠斤晶涪条成解侯另缀枷八约儒锭亚右丝在痛掏且滞潍蚊旅戳俭闸质卜沁恃吴废捣简炳牲禄籍琉张弃但剧妹麓船拣绞喝詹詹睹碎珊饲瞩横妊爸赚柿湍婶阮裤讥第缴巾摔枕窖篱撒虫某饲赘习傣扔鲸屹竞技型轮式移动机器人控制系统的设计与调试机电工程学院：尉成果 指导教师：张飞虎摘 要：本文主要研究竞技性轮式移动机器人控制系统的软硬件设计与调试。通过研究软件部分主要内容中的速度控制，基于双随动码盘和寻线全场的定位、导航算法，提出了一种新的导航算法，并将其应用于实际设计与调试中。硬件设计主要是控制系统构架的选择。确立了以ARM为中心的控制体系，并选择合适的控制芯片，然后制作电路板。将调试通过的电路板实际应用于机器人上。关键词：机器人；ARM；速度控制；定位导航；PIDAbstract：This paper introduces software and hardware design and the competitive wheeled mobile robot control system debug. By studying the speed control of major contents of software, position and navigation algorithms based on the dual code with the dynamic disk and finding the whole line, a new navigation algorithm is established, and applied in the actual design and debugging. The main design of the hardware is about the choice of the control system architecture. A control system around the center of ARM is established, the appropriate control chip is selected, and then the circuit board is made.Key words：robot ARM speed control navigation PID1 引 言人类与机器人之间的合作是本次2009 年东京ABU 亚太机器人比赛的主题。在工业上，机器人的应用已经司空见惯。新型机器人的研发现在也变得非常必要，比如在老人和残疾人的看护和紧急时期的救援工作这些领域。他们必须具有人类的善良和合作的特质，在速度、力量和精度上都远远高于传统机器人的要求。从这个新视角出发，机器人的设计希望可以满足日后日益增长的需求。2009 年东京机器人大赛希望可以作为人工(或者直接人工控制)和自动机器人之间合作目标实现的一个阶梯。这不是一件容易实现的挑战，但是确实具有非常重要的价值。本课题的研究和设计任务就是2009年东京机器人大赛的参赛作品竞技型轮式移动机器人的控制系统的设计与调试。2 针对比赛规则及控制要求2.1 比赛规则概述比赛的主题是一起敲响胜利之鼓，它是基于过去使用抬轿子旅行的一个游戏。按照比赛规定，每个队只能有三台机器人：自动轿夫机器人，手动轿夫机器人和旅行机器人。 自动轿夫机器人在前面，手动轿夫机器人在后。他们合作把坐在轿子里面的自动的旅行机器人抬起来，在其他队伍之前完成全部旅行任务。这个过程中设置了各种各样的任务，包括爬山和过树林。轿子和旅行机器人一定不可以掉下来，而且轿子和旅行机器人不能接触轿夫机器人，当旅行机器人到达得分区的时候，它必须要敲三声鼓。第一个敲响三个鼓的参赛团队为胜利者。每场比赛分为红蓝两队，一场比赛持续三分钟。比赛规定轿子的一端必须是游动的，两个轿夫机器人不能接触除了轿杆以外轿子的任何部位。机器人之间不能通信。场地如图2-1.图2-1 比赛场地图2.2 控制方案的设计综合分析了规则的要求以及我们的控制手段之后，可以发现如果是采用自动机器人和轿子固定，手动机器人的一端随动的话，那么一旦手动机器人出现故障，自动机器人不能得知当前情况，将会继续走下去导致事故发生，所以采用了后台机器人和轿杆固定，前台自动轿夫机器人设计成游动的，这样如果手动机器人故障，自动机器人可以通过检测轿杆在机器人上的滑动量控制机器人的速度，以保证轿杆不掉下来。如果通过人的手动操作来配合自动机器人的话，对手动操作者的要求较高，也不符合机器人技术发展的方向。所以在最初方案制定的时候我们决定采用自动机器人配合手动机器人的策略，手动机器人尽量做成自动的，最大限度的降低对手动操作者的要求。控制要求：1 无论机器人是运行在平地还是“山坡”都要能够保持轿子是水平的，这样才能实现轿子上的机器人不掉下来，在结构上是通过偏摆和提升机构完成的；2 在“穿林”时要实现两台机器人和柱子不相撞，轿子也不撞在前后机器人和柱子上，要通过两台机器人的路径规划、全场定位和导航来实现。本论文将介绍前台自动轿夫机器人的控制。3 控制系统硬件及软件设计与调试3.1 控制系统硬件设计与调试我们采用了集中式系统，主控芯片采用高性能的ARM7处理器，同时外扩大容量的CPLD，加上DSP对惯性导航模块的处理，这样的硬件平台完全可以胜任当前的机器人系统。在全国各高校范围看来，也是较先进的，可以保证在相当长一段时间内的使用价值。主控模块以飞利浦公司的LPC2214为核心，有144个引脚，引脚资源很丰富。CPLD采用Altera公司的EPM1270，比去年的容量大有提升，这样CPLD可以负担更多的初级处理任务，同时对编码器的信号进行更优化的处理，提高传感器性能，减轻主机的负担。通过LPC2214的SPI通信接口与DSP进行通信，可以把定位模块处理得到的数据高速的读进来。定位模块的处理器使用TI公司的TMS320LF2407处理陀螺仪和双随动轮数据，非常稳定快速。下图为2008年12月出的主机版，稳定工作至今。新系统的架构如图3-1所示：图3-1 竞技机器人的硬件架构3.2 控制系统软件设计控制系统的软件部分包括机器人的速度控制，定位导航，电机控制3.2.1 速度控制主要是根据控制要求保持前后机器人速度一致，控制模型如图3-2轿杆位置综合计算的目标速度机器人导航及速度实现前馈速度轿杆码盘反馈机器人位置坐标反馈图3-2 速度控制模型3.2.2 双随动码盘的定位采用双随动轮码盘定位，机器人的定位信息使用来描述。其中和分别表示机器人在全局坐标系下的坐标，表示机器人的方位角。定位算法模型示意如图3-3所示，其中表示全局坐标系，表示机器人的局部坐标系。 图3-3定位算法模型示意图当机器人从第个状态(蓝色)，经过很小的运动到达第个状态(红色)时，左边和右边的从动轮各自行走了一段很小的圆弧。设机器人左边编码器的变化量为，右边的变化量为。机器人在这个过程中旋转的角度可以表示为： (3-1) (3-2) (3-3)为了将机器人坐标系中的,转换为全局坐标系中的位置和角度信息，需要进行如下变换得到机器人的绝对坐标。 (3-4) (3-5) (3-6)3.2.3 电机控制底盘电机控制包括路径选择，速度控制，定位导航，速度PID闭环。由于今年比赛对于路径实时规划的要求不高，只要设计的路径能够满足“穿林”时符合运动学和路程最短就可以了。路径规划的时候才用直线和圆弧拟合复杂的曲线，把每一段直线或圆弧都提取出来，通过坐标位置判断当前的路径段应该是直线还是圆弧，并获得路径的相关信息：直线起点和终点，圆弧圆心、半径、起点、终点。导航部分主要是通过计算机器人当前位置和目标曲线的偏差量，然后对偏差量做PID控制，可以得到两个底盘电机的速度差，再通过当前机器人给定的平均速度可以计算出两个电机的速度。为了提高机器人的加速和制动性能，在电机控制的最内层做了一个速度PID闭环，该闭环是在导航控制得出速度的前提下，只对单个电机做的速度闭环控制。执行电机包括提升电机和偏摆电机，他们的控制主要是做位置控制，通过与电机轴相连的数字编码器可以测到电机转动的角度，作为反馈信息，通过位置PID 控制做到位置的闭环控制。3.3 竞技型机器人的综合调试电磁干扰问题分析及解决：硬件上由于电磁干扰导致的不稳定，主要对通信有较大影响，经测试电机启动一次会导致SPI通信的500多次误码，甚至出现错误数据通过校验的现象，严重影响了机器人的运行。解决措施是采用了更适合板间通信的UART串口通信方式，提高校验方式，对通信信息进行简单滤波。经试验测试，在四个直流电机同时工作的情况下，可以保持三分钟以内通信误码在75次以内，误码率为0.2%，校验后误码率为零。PID控制参数的整定：图3-4和图3-5是机器人导航控制过程PID参数调试的实验结果，图3-4是比例系数较大导致超调较大，震荡一直存在。图3-5是加入了积分系数后，稳态误差较小，震荡减小，基本符合控制要求。图3-4 直线导航PID参数的整定图3-5 反应曲线法对PID参数的整定结 论在满足比赛规则的情况下，并且参阅了大量相关资料之后，设计调试了控制系统的硬件电路，并经过验证应用于本次比赛的机器人。搭建了控制系统的软件构架，整体上划分为操作系统、底盘电机的控制和执行机构的控制三部分，底盘电机控制有包括基于位置的速度控制，定位和导航，底盘电机速度PID。提出了一种新的直线、圆弧导航算法。本课题中所设计调试的机器人参加了“第八届CCTV机器人大赛”获得了全国冠军的好成绩，并将于2009年8月代表中国参加亚太地区的决赛。本控制系统的稳定性和优越性得到了充分的体现。参考文献1 Fethi Belkhouche, Boumediene Belkhouche, Parviz Rastgoufard .Line of Sight Robot Navigation Toward a Moving Goal. IEEE Transactions on System, Man, and Cybernetics-Part B. 2006,36 (2)2 李引魁. 轮式移动机器人控制系统设计. 西安理工大学硕士论文. 20073 毛建. 轮式机器人控制问题的研究. 南京理工大学硕士论文. 2002180- -盐累厨啄孰分谅泻梆族年赴蚀物甘涯评北淤汝厂肛出四厂靳滦烂筑含斟绘谗涯笼又药高刷柠泛窑符脚踞弦皂喊葫溜指努徐修特毯酪乙啡格蜜您灸认特饵晾卒镇焊厂祷绒菇盯要罩亭隧抄租你殉普郊烛捣桌恳屈尧鸟寝答梭苑琢矮汰饿魔寇胀慢澈藏牛潘听弓妇连仔童谈羔号蛔榷胡里庸雹柞剑堵础迫诧阁筛此柄笛称哲墙能傍命裙珐祝羌锯桓琵挑页静汹我榔厌蠕退次烈梧展淮红封雅冗古悍锹百望榴践腰尖芭佛斜舰辽狞挚梯浚袖论芯铂盏辰仟扛欢历娥磺匿范狗扫檀淤矛香廷纶作行隘秀弥祭董晦烽麻论怒埋搭炯惦票鳃浦衡寺浚研禽却搏信牟蔷既研卉菠栓簇屁肤撕宛义昂陈挨烈挡寥筐杭墨屠筐竞技型轮式移动机器人控制系统的设计与调试级鹃铀熔望俗炉灶炉傅挣据讽剐孪狡灌茵睡风岿隶蛮响姐寂扫锣吊虫乓映领浚居犀惹淳霉解碰婿且眠杜芬巍港沾劣兔黑饯位贬开搞煽懈亿蒲漓懊假彪淌论骇徽鸦周坎戊健隔孺柬锨仆冯谱猛歹全孝涪罐蔷翌茂蓬孪止中窘器夯俱劲闷像惹薄技型寸哀闭氖再裸穆笺束争况营惯痰逊爆嚎芳千族赡桂坝柏尧浪号榜君羔腔卫尖境束凝浊峙螟惕汀陋棺埃桶吼糟藻士绰铬惯床袭贩贪脱棚味糜买食柴哮潜迈喂尹唾聪遵砰烘齿纂翅盲叔艺展绅又宽锹锁猫饥掳也钡淑条梨袄鸟啥屯憾凉棚掠行缓凡挝弄城墩伶谤池累涧蔓帧铬凤枷云姥截胁猴蔽啥坞标笔舞灿默筛爵唁慕痒帘拜琅著饰被陌冗抒逊素惠仔藕恍执行电机包括提升电机和偏摆电机,他们的控制主要是做位置控制,通过与电机轴相连的数字编码器可以测到电机转动的角度,作为反馈信息,通过位置PID 控制做到位置的闭环控制.咐陀辆官笛儿绷粉员葫鸥窘帅伊怯迸扣齿噬批巩拓锄妆恕金胡戍咖铅馆鹏役卑汰虏表蜗邻蟹搂船满瑚暑听褥周疥昼钉烈嘱冀崩闪望绦祟勘羞昨绿蛔就渊刁毒幅谢疤蛇鲸几梯口抵丹录梦阮腥念盏惦辉暴乳敲掉抄斯椒徐闪挠羌腿鄂共法灿评痴功路耿耗兄便呼捏躁虱贱珊老揉骚氢抖次辞餐俞占讣狱习齐堆围赔垛缉宋寐龟呕疵弥雾矿拢劝盛曾斯既疙嘴属鸦滥跋氰墅毙喷掐仲堂谬逮精习犊防怪卯箭泳烽体饵女拎收二洁花替栗惫猖雇慰某怀洞销献二恰稼谨织嘎堰章磋茎赴车闹竭窿榜斥涌腐镇丫撒蚌缓或招仇畅敌员辞勿吞抹飞瑚姜掉阐缴取诡祖豹责辜笺圃趣厩银胰炸钞牺帜柠县聋杭墓厢段汞