Dawid Woroch Pawel Stojaczyk 宋子由 危銀濤
(清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室,北京,100084)
基于光學(xué)運動傳感器的履帶相撲機(jī)器人牽引控制系統(tǒng)研究
Dawid Woroch Pawel Stojaczyk 宋子由 危銀濤
(清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室,北京,100084)
本文介紹一種用于估計相撲機(jī)器人摔跤比賽場地表面摩擦極限的技術(shù),并基于此開發(fā)了該移動式相撲機(jī)器人的牽引控制系統(tǒng)。該測量估計基于機(jī)器人的激光光學(xué)傳感器。在比賽開始之前,機(jī)器人需要完成一系列半自動的測試,以確定在不同情形下用最大的牽引力加速,從而達(dá)到以最高的動量撞擊對手的目的。
相撲機(jī)器人,牽引控制系統(tǒng),光學(xué)位移傳感器,位移測量
相撲機(jī)器人是一種移動機(jī)器人[1-2],目前在日本和歐洲受到廣泛歡迎。相撲機(jī)器人的牽引力控制技術(shù)、穩(wěn)定性控制技術(shù)和電機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速控制技術(shù),對電動車技術(shù)等也有借鑒意義。本文結(jié)合自主研發(fā)的兩代履帶相撲機(jī)器人,介紹基于光學(xué)傳感器的相撲機(jī)器人牽引力控制技術(shù)。
典型的競賽用履帶相撲機(jī)器人如圖1所示,競賽要求機(jī)器人必須是小于20 cm的正方形,并且重量小于3kg(±5%)。實際上,機(jī)器人的重量一般不會超過競賽要求。
圖1 履帶相撲機(jī)器人
按照競賽規(guī)定,將對手機(jī)器人推到規(guī)定的圓環(huán)區(qū)域外即為勝利。因此,競賽時有效的方法就是向?qū)Ψ綑C(jī)器人快速直沖,將對手撞出邊線。在大多數(shù)情況下,質(zhì)量大的機(jī)器人會贏得勝利,而增加機(jī)器人沖撞時的速度也是取得勝利的關(guān)鍵因素,因為物體的動量決定于其質(zhì)量和速度的乘積。
由于實際競賽中機(jī)器人的質(zhì)量一般是確定的,因此,如何使得機(jī)器人獲得盡可能大的速度成為其取得比賽勝利的關(guān)鍵。這是具有挑戰(zhàn)性的,因為兩個機(jī)器人間的距離只有幾十厘米,并且競賽時間是有嚴(yán)格規(guī)定的。在同等質(zhì)量情況下,如果:
顯然
因此
另一個需要研究的問題是關(guān)于機(jī)器人動力學(xué)和方向性的穩(wěn)定性。由于機(jī)器人采用履帶式運動機(jī)構(gòu),因此其轉(zhuǎn)向運動需要通過增加非轉(zhuǎn)向側(cè)履帶的運動速度來實現(xiàn)。
一些左右履帶獨立驅(qū)動,并且履帶具有較大牽引功率的履帶車輛同樣要考慮轉(zhuǎn)向問題。當(dāng)車輛突然加速時,兩邊的履帶會同時打滑,直到某一時刻,一邊的履帶停止打滑并“抓住地面”,該側(cè)地面便會通過履帶為車輛提供很大的驅(qū)動力。但是,另一邊的履帶可能仍處于滑移率很大的打滑狀態(tài),這時,車輛便會開始轉(zhuǎn)圈,這種狀態(tài)持續(xù)的越久,車輛前進(jìn)的方向便會被改變得越大。
本研究目的在于用簡單的牽引控制系統(tǒng)模型提高履帶相撲機(jī)器人的性能,通過使用該牽引力控制算法,履帶同地面間的附著系數(shù)可以被精確估計,通過合理的控制輸出轉(zhuǎn)矩,便可以保證履帶同地面間良好接觸,不打滑。該控制算法穩(wěn)定地提高了機(jī)器人在撞擊前的速度。
這里簡要介紹一下實驗所用相撲機(jī)器人的結(jié)構(gòu)。研究中用到的相撲機(jī)器人是裝有兩個130W直流無刷電機(jī)的履帶車,小車有較高的傳動比,能夠輕松啟動,履帶是兩條2cm寬的同步齒帶(見圖2)。
地面位移測量是由激光位移傳感器實現(xiàn)的。本次研究采用了安華高科技的ADNS-7700傳感器[3]。該傳感器主要應(yīng)用于現(xiàn)代高端電腦鼠標(biāo)中(見圖3)。
位移傳感器將測量數(shù)據(jù)送入微控制器中。本次實驗采用意法半導(dǎo)體生產(chǎn)的擁有浮點運算單元的STM32F407VG DSP微控制器。實驗程序是由C語言程序和由Simulink模型轉(zhuǎn)換為C代碼共同組成的。
圖2 研究用履帶相撲機(jī)器人
圖3 PCB電路板中的ADNS-7700
在縱向軸進(jìn)行牽引控制,可以實現(xiàn)多種控制目標(biāo)[4],例如:
1)調(diào)節(jié)車輪打滑,實現(xiàn)在任何選定初值的情況下,實現(xiàn)最高速的縱向軸牽引力(防滑控制)。
2)保持最大穩(wěn)定加速度(最短時間控制)。
3)獲得抗自旋加速度。
表1: 測試結(jié)果
4)在防止打滑的前提下,保持恒定的牽引力。
本文著重研究最后一項控制目標(biāo)。在實際的相撲機(jī)器人比賽中,首先會進(jìn)行一系列的半自動測試,針對比賽場地表面,實現(xiàn)最佳加速度模式的選定。測試時,需要測量機(jī)器人相對于地面的位移,從而實現(xiàn)牽引控制系統(tǒng)算法的反饋控制。同時,需要對機(jī)器人進(jìn)行多種模式下的測量,從而得到最終的數(shù)據(jù)反饋測量列表。所有的測試實驗時間間隔相同,均為700ms(見圖4)。
每一個加速度應(yīng)至少測量一次,多次測量求平均值可以得到更準(zhǔn)確的結(jié)果。最后通過比較最終的平均值或者極值的位移量,從而選定在不同情況下的最優(yōu)加速模式。整個算法的流程圖如圖5所示。
圖 4 不同加速度模式下的測試結(jié)果
圖 5 控制算法
為了驗證控制算法的有效性,這里進(jìn)行了一系列的驗證試驗,圖4中所示的4種不同的加速模式被轉(zhuǎn)換為不同的轉(zhuǎn)矩輸入模式,并分別加載于電機(jī)控制器中。每種加速模式進(jìn)行3次測試,共進(jìn)行15次試驗,每次實驗的運行距離都被光學(xué)傳感器測量并記錄下來。
實驗結(jié)果歸納在表1中,圖6給出了5種加速模式的實驗結(jié)果對比,其中包括每一次實驗的結(jié)果。實驗結(jié)果表明,第三種模式是最高效的。當(dāng)然,評判標(biāo)準(zhǔn)是多樣化的,可以看到第4、5種加速模式可以獲得最陡峭的加速曲線,但是它們不能保證機(jī)器人運行距離最遠(yuǎn)。值得一提的是,對于大多數(shù)實驗來說,本算法可以實現(xiàn)履帶車直行方向控制。該系統(tǒng)采用反饋控制的方式,通過從陀螺儀傳感器收集到的數(shù)據(jù),根據(jù)方向角實時糾正兩個履帶的牽引力大小,從而實現(xiàn)完整的牽引力控制系統(tǒng),達(dá)到穩(wěn)定有效的控制。
圖6 表1中所示實驗結(jié)果的圖形表示
電機(jī)產(chǎn)生的電磁干擾往往會給實驗帶來困難。在相撲機(jī)器人中,這對于相隔較近的電子元件是一個很大的問題。位移傳感器采用USB與微控制器之間的通信對電磁干擾高度敏感。
大多數(shù)的光學(xué)位移傳感器的設(shè)計都為了適應(yīng)計算機(jī)鼠標(biāo),很少能測量大于1m/s的速度。機(jī)器人能夠達(dá)到大約1.7m/s的速度,因此,要得到合適的傳感器是非常困難的。
速度非常恒定時,位移的測量值將會是高度波動的。對這個信號進(jìn)行濾波處理將導(dǎo)致明顯的延遲,使得最終不能夠?qū)⑿畔⒎答伣o牽引力控制系統(tǒng)以保持所需的滑移率(防滑控制)。該問題的解決方案是對兩個軌道進(jìn)行獨立的控制,因為它們的速度可以分別由陀螺儀和縱向位移測出。
本文提出的牽引力控制系統(tǒng)是提高相撲機(jī)器人和其他運動型機(jī)器人性能的簡易解決方案。但是,對于實際更高速行駛系統(tǒng)如汽車的TCS,這樣的解決方案還是不夠的。
值得一提的是,除了提高機(jī)器人的運行速度,還有一個較為常用的方法就是改變機(jī)器人材料和涂層,針對這個方法,已經(jīng)有很多文獻(xiàn)可供參考。
筆者相信,隨著視覺傳感器的發(fā)展,將來可能會有為機(jī)器人運動的反饋控制系統(tǒng)提供的、價格低廉的方案。
引入第二個光學(xué)傳感器將獲得如文獻(xiàn)[5-6]所述的有益結(jié)果。進(jìn)一步地,設(shè)計一個運行于噪聲反饋測量的卡曼濾波器也可能改善系統(tǒng)性能。
本文介紹的牽引力控制系統(tǒng)可以使機(jī)器人在任何表面均能探測到最有效的加速方案,設(shè)計的過程為半自動化,只需操作者稍微調(diào)整一下機(jī)器人的位置,便可以使機(jī)器人實現(xiàn)最好的加速性能。
所設(shè)計的方法可以快速簡單的適應(yīng)不同的接觸表面,在相撲機(jī)器人比賽時,每個機(jī)器人表面采用不同的涂層,比賽組織者只需要關(guān)注機(jī)器人的顏色即可,不需要過多關(guān)心相關(guān)的材料質(zhì)地[1]。
所述的方案主要應(yīng)用于機(jī)器人有較強(qiáng)的電機(jī),且輪子或履帶和表面之間的附著系數(shù)低,容易使機(jī)器人失去控制的情況。當(dāng)然,這種算法也適用于輪式機(jī)器人。所提出的方法另外一個顯著的優(yōu)點是,在直轉(zhuǎn)向路徑上機(jī)器人更容易選擇可以預(yù)見的模式,這提高了機(jī)器人的導(dǎo)航性能,并且保持直線運動。
[1] RoboGames. [EB/OL] [ 2013-11-15]. http://robogames.net/rules/all-sumo.php.
[2] Tamiya. [EB/OL] [ 2013-11-15]. http://www.tamiya.com/japan/robocon/robot_sumo/robot_sumo.htm.
[3] Avago Technologies. ADNS-7700 One chip USB Laser Stream? Mouse Sensors [R], Singapore: Avago Technologies, 2012.
[4] Lee H , Tomizuka M. Adaptive Traction Control [M]. Berkley: California PATH Program, Institute of Transportation Studies, University of California at Berkeley, 1995.
[5] Sekimori D, Miyazaki F. Precise Dead-reckoning For Mobile Robots Using Multiple optical Mouse Sensors[M]//Joaquim Filipe, Jean-Louis Ferrier, and Juan A. Cetto. Informatics in Control, Automation and Robotics II. Dordrecht: Springer, 2007:145-151.
[6] Mudrova L, Faigl J, Halgasik J, et al. Estimation of Mobile Robot Pose from Optical Mouses[C]// Research and Education in Robotics - EUROBOT 2010. Rapperswil-Jona, Switzerland, 2010:93-107.
本項目是國家自然科學(xué)基金資助項目,項目編號:51275265, 51175286。