翟永君

（天津輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300350）

自主式移動機器人任意轉(zhuǎn)角運動研究

翟永君

（天津輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300350）

文章結(jié)合AS－UII型自主移動機器人的結(jié)構(gòu)，針對其任意角實現(xiàn)的困難，給出任意轉(zhuǎn)角運動的算法思想，并進行實現(xiàn)，通過測試表明本文給出的算法切實可行。

移動機器人；任意角；控制

一、自主式移動機器人結(jié)構(gòu)

本文研究的是AS－UII型自主移動機器人，如圖1所示。該機器人的運動系統(tǒng)有兩只主動輪和兩只從動輪，也可加裝機械手或其他裝置，擴展更多的功能。在運動系統(tǒng)中，兩只主動輪由兩只電機分別驅(qū)動，可以實現(xiàn)前進、后退、轉(zhuǎn)向、劃弧線等各種平面運動。移動機器人的光電編碼器能夠累計機器人主動輪轉(zhuǎn)動時所反饋的計數(shù)值，通過換算得到機器人的實時行進速度，然后傳送到CPU進行計算，并按照程序進行運行。其中。機器人的CPU是一個單片機，其型號為68HC11E。這是一個8位機，安裝在機器人的主板上，用于集中處理程序指令和傳感器返回的信息。

圖1 AS－UII自主機器人側(cè)視圖

二、問題的提出

機器人的矩形運動包含實現(xiàn)機器人各種運動軌跡控制的兩個最基本的動作：直線行走與轉(zhuǎn)彎。在實現(xiàn)機器人矩形運動的控制算法與控制效果中了解到，在機器人原有VJC軟件編程環(huán)境的基礎(chǔ)上，要使移動機器人依據(jù)指定角度（如90°）實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，通過軟件設(shè)置電機在轉(zhuǎn)彎時的轉(zhuǎn)角速度與轉(zhuǎn)角時間是關(guān)鍵。這就要求對控制程序中“直行”“轉(zhuǎn)向”模塊的參數(shù)或JC中drive（）與wait（）的參數(shù)進行反復(fù)調(diào)試、修改，使其轉(zhuǎn)角速度與轉(zhuǎn)角時間能相互協(xié)調(diào)，以使機器人正好能轉(zhuǎn)過90°。

但這種實驗試湊的方法，工作量大，一個轉(zhuǎn)角速度對應(yīng)一個轉(zhuǎn)角時間，并且不具備通用性，最終是依據(jù)測量得到的經(jīng)驗值來對機器人進行轉(zhuǎn)角控制，不能保證轉(zhuǎn)角的精確度，另外機械性能、地面摩擦也不可避免地對機器人的行走造成影響，所以這種方法并不能完全實現(xiàn)機器人矩形運動的精確控制，更不能實現(xiàn)任意轉(zhuǎn)角的運動。在從實現(xiàn)機器人的矩形運動出發(fā)，下面會用一種應(yīng)用光電編碼器來實現(xiàn)移動機器人任意轉(zhuǎn)角運動的算法（圖2）。首先在程序中設(shè)定轉(zhuǎn)彎速度和轉(zhuǎn)角度數(shù)，然后把轉(zhuǎn)角度數(shù)轉(zhuǎn)換成脈沖值、左右輪脈沖計數(shù)清零，啟動電機、累計左右輪脈沖計數(shù)，之后通過光碼盤得到的脈沖計數(shù)，查看是否達到轉(zhuǎn)角脈沖計數(shù)或超出設(shè)定轉(zhuǎn)角時間，如果沒有，則繼續(xù)執(zhí)行上述的流程，如果是，則轉(zhuǎn)彎停止，輸出左右輪脈沖累計計數(shù)，返回左右輪脈沖計數(shù)誤差值。

三、機器人任意轉(zhuǎn)角運動的算法思想

應(yīng)用光電編碼器來實現(xiàn)機器人走矩形，是因為光電編碼器是靠所獲取的脈沖計數(shù)值來完成對規(guī)定距離的行走，故用它來實現(xiàn)矩形軌跡的行走受外界地面狀況的影響程度相對較小。對于轉(zhuǎn)角函數(shù)的設(shè)計，關(guān)鍵在于確定所要求轉(zhuǎn)過角度所對應(yīng)的脈沖個數(shù)。機器人轉(zhuǎn)彎時，令算得的脈沖個數(shù)為上限，到達規(guī)定脈沖個數(shù)上限時停止，這樣，就可以旋轉(zhuǎn)到本文所期望的角度。應(yīng)用此函數(shù)，不僅可以走直角，還可以轉(zhuǎn)過任意所設(shè)定的角度，對于機器人準(zhǔn)確完成行走任務(wù)有較好的幫助。由于移動機器人的左右兩只主動輪分別由兩只直流電機差動驅(qū)動，通過分別控制主動輪的轉(zhuǎn)速和力矩來控制機器人按所要求的方向和速度移動，所以在實現(xiàn)機器人任意轉(zhuǎn)角運動的方法上，采用單電機控制或者兩電機控制。

四、轉(zhuǎn)角函數(shù)的設(shè)計

下面以單電機實現(xiàn)矩形運動為例推導(dǎo)出實現(xiàn)機器人任意轉(zhuǎn)角運動的控制算法，即轉(zhuǎn)角與脈沖個數(shù)之間的轉(zhuǎn)換函數(shù)。單電機實現(xiàn)矩形運動，即在轉(zhuǎn)彎過程中，一電機停止運動（這里假設(shè)為右電機），另一電機（左電機）驅(qū)動一輪以其為圓心，旋轉(zhuǎn)90°，這樣可以完成向右轉(zhuǎn)彎。本文可以根據(jù)兩輪之間的距離以及輪子的直徑算出所要旋轉(zhuǎn)角度的脈沖個數(shù)。

左輪在轉(zhuǎn)彎過程中走過的距離等于以右輪為圓心、輪間距為半徑的圓周值乘以左輪在轉(zhuǎn)彎過程中所掃過角度與360°的比值。而輪子旋轉(zhuǎn)360°共產(chǎn)生33個脈沖，于是可以得到轉(zhuǎn)角函數(shù)為：脈沖個數(shù)＝（旋轉(zhuǎn)角度

圖2 任意轉(zhuǎn)角子程序流程圖

利用兩電機實現(xiàn)矩形運動的控制算法，其轉(zhuǎn)換函數(shù)的推導(dǎo)與單電機相同，具體實現(xiàn)將在接下來的程序中具體加以說明。

五、轉(zhuǎn)角子程序的設(shè)計

有了轉(zhuǎn)角——脈沖轉(zhuǎn)換函數(shù)后，便可以將計算得到的脈沖個數(shù)設(shè)為上限，到達規(guī)定脈沖個數(shù)后使電機停止，這樣，就可以旋轉(zhuǎn)到所期望的角度。測得移動機器人的輪間距為16cm，輪直徑為6cm。

1．利用兩電機進行轉(zhuǎn)彎控制

利用drive（）函數(shù)對兩電機進行控制，實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。由于drive（）函數(shù)為復(fù)合語句，同時控制左右兩個電機的轉(zhuǎn)速，用drive（0，turn＿vel）進行控制電機時，兩輪轉(zhuǎn)速相反，因此脈沖個數(shù)只需要以一個輪子為圓心時脈沖個數(shù)的一半。

利用motor（）函數(shù)對兩電機分別進行控制，實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，如圖3所示。

設(shè)轉(zhuǎn)過90°所需的時間為t，輪直徑為l，輪間距為x，左輪的速度為V1，右輪的速度為V2。因為轉(zhuǎn)過90°的時間同為t，由：

圖3 轉(zhuǎn)彎時左右兩輪示意圖

2．利用單電機進行轉(zhuǎn)彎控制

該程序的主體與利用drive（）函數(shù)對兩電機進行控制，實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎的程序大致相同，只是脈沖個數(shù)的判定值為degree／180×（16／6）×33。

六、移動機器人實現(xiàn)任意轉(zhuǎn)角運動的精確控制程序

精確控制是通過機器人控制程序來使得其為了達到某種任務(wù)而實現(xiàn)的控制方案，通過控制程序使得機器人能夠按照程序設(shè)定的要求來完成某個任務(wù)或則運行軌跡，圖4描述了任意轉(zhuǎn)角運動的精確控制程序流程，在這里通過設(shè)定輸入行進速度和轉(zhuǎn)角數(shù)來后，按照某個程序要進行任意轉(zhuǎn)角運動的控制，最后實現(xiàn)達到輸入初的轉(zhuǎn)角運動要求。

七、直線和轉(zhuǎn)角運動程序的測試及討論

1．直線運動實驗測試

實驗環(huán)境由兩臺移動機器人組成，一個用作為主機器人，另一個作為從機器人，各自有獨立的處理器、傳感器和執(zhí)行機構(gòu)，主機器人的速度為給定的，從機器人根據(jù)紅外傳感測得的數(shù)據(jù)，進行分析并作出決策，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)使得從機器人能夠與主機器人保持相對的距離和速度。主機器人給定期望路徑為直線，速度為20cm／s，給定時間T＝10s內(nèi)運動，兩機器人之間的期望距離為30cm，則軟件實現(xiàn)流程分別如圖5和圖6所示。

圖4 實現(xiàn)任意轉(zhuǎn)角運動的精確控制程序流程圖

圖5 從機器人軟件實現(xiàn)流程

圖6 主機器人軟件實現(xiàn)流程

從機器人與主機器人不同，一方面它首先要獲取與主機器人直接的相對距離信息，然后通過測得的距離與期望距離進行比較，同時又得實時獲取編碼器數(shù)據(jù)，測出每一時刻的速度，通過設(shè)定的控制程序求出電機的輸入量，去控制電機的輸出，從而達到與主機器人的相對位置不變。從表1中可以看出，兩機器人在直線運行過程中，它們之間相對距離基本保持不變，從而達到了本文的實驗要求。

2．轉(zhuǎn)角測試

在實驗中，我們先利用式（1）對兩電機進行90°轉(zhuǎn)彎控制的標(biāo)準(zhǔn)脈沖個數(shù)計算，應(yīng)為degree／360×（16／6）×33＝22。

但實際測試中結(jié)果如表2。

從下面結(jié)果看出轉(zhuǎn)角運動實際測量值但在實際調(diào)試中，本文得出脈沖個數(shù)的設(shè)定值為12時，機器人就能較好地完成90°的轉(zhuǎn)彎，而22個脈沖的是轉(zhuǎn)角為173°?？赡艽嬖趦蓚€問題：

表1 機器人相對位置信息

表2 轉(zhuǎn)角實測結(jié)果

（1）在硬件結(jié)構(gòu)上，考慮到輪子的慣性，以及脈沖個數(shù)需要取整數(shù)值的緣故，角度越小，則誤差越大，當(dāng)角度小到一個脈沖就可以完成或是不到一個脈沖時，這時轉(zhuǎn)角函數(shù)就基本失效。另外光電編碼器本身在讀取計數(shù)時也是存在誤差的；

（2）在程序?qū)崿F(xiàn)方面，由于受到延時函數(shù)的影響，雖然可以滿足所需轉(zhuǎn)角的要求，但光電編碼器是在轉(zhuǎn)彎過程中進行計數(shù)并且累加，這需要花費相對較長的時間；另外，在測試時，若將任意轉(zhuǎn)角函數(shù)主體部分的延時語句和停止語句去掉，則必須要修改所需脈沖個數(shù)值。因為如果沒有stop（）語句，在循環(huán)體內(nèi)執(zhí)行其它語句時，電機仍在運行，故使得脈沖計數(shù)器清零后計數(shù)與實際存在誤差。

在這種情況下，為了實現(xiàn)移動機器人的精確轉(zhuǎn)角控制，本文還應(yīng)該人為地進行調(diào)整。在轉(zhuǎn)角計數(shù)方面，本文可以利用一些經(jīng)驗值來抵消光電編碼器自身檢測精度的影響；通過在實際不同情況下得到相應(yīng)的修訂值，作為程序中的設(shè)定上限值，完成對程序的完善。在硬件方面，本文可以考慮在輪子的上方加上機械旋轉(zhuǎn)裝置，利用對旋轉(zhuǎn)裝置的精確控制來完成機器人對規(guī)定角度的旋轉(zhuǎn)。實際上，移動機器人自主地進行矩形運動，回不到出發(fā)點的原因，一方面是機器人在轉(zhuǎn)彎過程中它多轉(zhuǎn)過的角度出現(xiàn)誤差，另一個重要原因是，機器人在最初的直線行進時就出現(xiàn)了偏離直線運動的現(xiàn)象，這樣即便機器人能夠?qū)崿F(xiàn)精確的轉(zhuǎn)彎，也還是會出現(xiàn)機器人回不到出發(fā)點，出現(xiàn)無法完成閉合的矩形運動軌跡的情況。由此可見，直線運動是自主式移動機器人最基本的運動，也是機器人能夠精確實現(xiàn)其它各種動作的保證與基礎(chǔ)。

［1］郝立果，王玉東，邴志剛等．基于CPLD和 MCU網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)機器人研究［J］．微計算機信息，2005，（10）．

［2］韓大鵬，韋慶．機器人控制器的一種模塊化設(shè)計方法［J］．微計算機信息，2005，（05）．

［3］能力風(fēng)暴智能機器人開發(fā)系統(tǒng)AS－UⅡ使用手冊［Z］．上海廣茂達伙伴機器人有限公司，2010．

Research on Random Rotating Angle of Autonomous Mobile Robot

ZHAI Yong－jun
（Tianjin Light Industry Vocational Technical College，Tianjin，China 300350）

Based on the structure of the autonomous mobile robot of AS－UII and the difficulties in realizing random rotating angle，the algorithm thinking of random rotating angle is given and achieved．The paper shows the algorithm is feasible through the test．

mobile robot；random rotating angle；control

TP242

A

1673－582X（2012）08－0044－04

2012－02－20

翟永君（1981－），女，講師，主要研究方向：數(shù)據(jù)庫、自動化控制等。