王茂森，伍亞冰，張?zhí)m蘭

（南京理工大學機械工程學院，江蘇南京 210094）

0 引言

生物聲納探測儀模仿蝙蝠飛行時避障和捕食過程，實現(xiàn)對目標的識別和定位。全地形機器人是模仿多足動物運動形式的特種機器人，具有很強的環(huán)境適應能力，可以代替人類在自然環(huán)境惡劣的地區(qū)進行偵察、危險工作，已經(jīng)廣泛應用于軍事和民用領域。本文將生物聲納探測系統(tǒng)和全地形機器人相結合，利用機器人上的機械手在三維空間的靈活控制，由安裝于機械手末端的生物聲納探測裝置獲取目標豐富的信息量，如距離、方位、移動方向、速度和3D特征，提高全地形機器人在自然環(huán)境下正確定位、導航和識別能力。

針對以上情況，本文給出了生物聲納探測全地形機器人機械手控制系統(tǒng)總體方案，并根據(jù)機械手關節(jié)控制要求設計了生物聲納探測全地形機器人的機械手關節(jié)控制系統(tǒng)，完成了仿真，證明了該系統(tǒng)滿足其關節(jié)控制要求。

1 全地形機器人生物聲納探測方法

生物聲納裝置使用三個超聲波傳感器模仿蝙蝠的“一嘴兩耳”生理結構制作，聲納裝置發(fā)射超聲波脈沖探測目標，利用“兩耳”采集回波信號，然后對信號進行去噪處理和重構，同時保留回波信號時域和頻域特征，最后經(jīng)由相應的軟件算法分析和提取回波信號特征，實現(xiàn)對目標的識別和定位。

由于一次回波信號只能反映出目標的一個側(cè)面，不能完全展示出完整的形狀特征。因此，本文中的生物聲納探測采用了蝙蝠在物體周圍環(huán)形飛行發(fā)射聲納探測信號以識別目標的原理，在目標周圍進行一些運動掃描策略來尋找其空間離散分布特征。全地形機器人的腿的數(shù)量較多，控制機器人行走、轉(zhuǎn)彎比較復雜，因此采取了在全地形機器人的前方連接一個五自由度三關節(jié)的機械手，并將生物聲納儀安裝在機械手末端關節(jié)的方法。通過機械手的靈活控制，實現(xiàn)末端生物聲納儀能以一定的運動方式對目標掃描，捕捉目標三維空間離散分布的特征，提高機器人行走速度和工作效率。全地形機器人機械手連桿坐標系如圖1所示，機械手D-H參數(shù)如表1所示。

圖1 機械手連桿坐標系

表1 機械手D－H參數(shù)

2 生物聲納探測全地形機器人機械手控制系統(tǒng)設計

圖2 機械手控制系統(tǒng)總體框圖

生物聲納探測全地形機器人機械手控制系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。機械手控制過程如下:全地形機器人在行走過程中，若超聲波傳感器在一定位置處檢測出有目標障礙物出現(xiàn)，繼續(xù)行進至目標前大致8 m處停止運動，同時機身控制器將陀螺儀和電子羅盤所測得的機身方位和角度值通過RS232發(fā)送給機器人內(nèi)部PC機。PC機根據(jù)生物聲納儀掃描過程進行任務工作流程的規(guī)劃，并將任務分配到各個關節(jié)，關節(jié)控制器接受到上位機宏指令，解算出相應電動機的轉(zhuǎn)角和速度值。其中六維腕力傳感器安裝于機械手腕部，用來感知機械手操作時的載荷或作用力/力矩信息，以及負責負載平衡，起保護作用。

3 生物聲納探測全地形機器人機械手關節(jié)控制要求

針對生物聲納機械手工作過程，其關節(jié)控制要求如下:

1）實時性:生物聲納探測裝置必須要實時采集到目標在三維空間內(nèi)的回波信號以得到離散的目標物理特征，實現(xiàn)全地形機器人在自然環(huán)境下的準確定位和導航。這就要求全地形機器人要實時完成機械手關節(jié)電動機的控制、傳感器信號采集及數(shù)據(jù)傳輸。

2）準確性:生物聲納探測裝置利用的是回聲定位原理，對位置的精確度要求高，且必須要位于目標的正前方才能采集到正確的回波信號時域和頻域特征，生物聲納探測裝置與機械手相連，因此關節(jié)電動機的轉(zhuǎn)角和速度的精確控制對獲取目標更為精確的離散分布特征有著決定性的作用。

3）穩(wěn)定性:全地形機器人工作在自然環(huán)境中，地面通常是凹凸不平，運動過程中容易受到震動、沖擊和外界信號的干擾，因此要求控制系統(tǒng)容錯性好、抗干擾能力強、可靠性高，并且具有較小的穩(wěn)態(tài)誤差和良好的穩(wěn)態(tài)性能。

4）軟硬件模塊化設計:模塊化設計有助于關節(jié)控制系統(tǒng)各功能模塊的優(yōu)化與擴展，各模塊互不干擾，提高后期工作效率。

4 生物聲納探測全地形機器人機械手關節(jié)控制系統(tǒng)方案

根據(jù)生物聲納探測全地形機器人機械手關節(jié)控制要求，關節(jié)控制系統(tǒng)模塊設計如圖3的所示。

圖3 機械手關節(jié)控制系統(tǒng)模塊設計

主控制模塊負責各模塊之間的協(xié)調(diào)控制，為整個關節(jié)系統(tǒng)的核心。通信模塊用來與上位機交互信息。光電隔離模塊實現(xiàn)主控制模塊與關節(jié)驅(qū)動模塊的隔離，防止關節(jié)驅(qū)動電路產(chǎn)生過大的電流破壞控制電路。關節(jié)驅(qū)動模塊實現(xiàn)對關節(jié)電動機的控制。信號反饋模塊采集傳感信號，經(jīng)過主控制模塊一系列算法，得出最佳控制策略。

此關節(jié)控制方案采用了以STM32F103為核心的控制系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 機械手關節(jié)控制系統(tǒng)結構圖

在機器人機械手關節(jié)控制系統(tǒng)中，上位機為PC機，主要完成系統(tǒng)的初始化、軌跡曲線參數(shù)設定和運動信息的實時顯示。上位機通過人機交互界面，監(jiān)視全地形機器人行走和機械手運動狀態(tài)，隨時調(diào)整機械手運行形式。下位機即STM32F103微控制器，主要負責電動機的驅(qū)動和當前位置信息的反饋。STM32F103微控制器根據(jù)上位機發(fā)送的宏指令解算求出關節(jié)電動機的目標轉(zhuǎn)角，增量式編碼器與STM32F103定時器編碼器接口相連，獲取反饋轉(zhuǎn)角和反饋速度值，經(jīng)過算法處理求得控制量以驅(qū)動電動機。

5 生物聲納探測全地形機器人機械手關節(jié)系統(tǒng)硬件設計

5.1 主控制器

基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32系列微控制器具有高性能、低成本、低功耗的特點。它所具有以下的功能滿足了生物聲納探測全地形機器人機械手關節(jié)控制要求:

1）STM32F103內(nèi)置的高級/通用定時器具有PWM輸出和編碼器接口模式功能，提高了直流電動機位置與轉(zhuǎn)速控制和增量式編碼器信號采集的精確度。

2）STM32F103內(nèi)嵌CAN模塊控制器，支持CAN協(xié)議2.0A和2.0B主動模式，波特率最高可達1 M/s，支持時間觸發(fā)通信功能，增強了數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐叫院涂煽啃浴?/p>

3）12個獨立的可配置的DMA通道，減輕了CPU的負擔。

4）逐次逼近型12位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，多達18個通道，可測量16個外部和2個內(nèi)部信號源。ADC有一個獨立的電源供應，該電源可以獨立的過濾和屏蔽來自印刷電路板（PCB）的噪聲，轉(zhuǎn)換精確性得到了提高。

5）由于全地形機器人是代替人類執(zhí)行工程勘測、反恐防爆、核偵察、火災救援等危險的任務，工作條件惡劣，在危險情況下可以使用STM32F103內(nèi)部高級定時器所獨有的剎車功能緊急停車。

5.2 通信模塊設計

生物聲納探測全地形機器人工作環(huán)境比較惡劣，容易受到多種信號干擾，同時系統(tǒng)要求實時控制，因此采用抗干擾能力強、實時性好的現(xiàn)場總線作為全地形機器人機械手的控制網(wǎng)絡?？刂破骶植烤W(wǎng)（controller area network，CAN）具有突出的實時性、可擴展性以及簡單方便的使用特性，完善的錯誤處理機制保證了高噪聲干擾環(huán)境下數(shù)據(jù)傳送的安全可靠。

STM32F103內(nèi)置的bxCAN能夠以最小的CPU負荷來高效處理大量收到的報文，硬件電路圖如圖5所示。

圖5 CAN通信硬件電路圖

6 生物聲納探測全地形機器人機械手關節(jié)系統(tǒng)軟件設計

6.1 主程序設計

該系統(tǒng)的主程序設計流程如圖6所示。先對系統(tǒng)初始化，開啟CAN接收中斷，根據(jù)上位機發(fā)送的位置指令解算出目標轉(zhuǎn)角，同時獲取當前轉(zhuǎn)角和速度，經(jīng)過PI運算計算出所需的執(zhí)行量，最后輸出相應的PWM控制電動機運行。

圖6 主程序流程框圖

6.2 直流電動機模糊PI控制策略

生物聲納探測全地形機器人機械手關節(jié)采用具有位置與速度反饋的閉環(huán)控制，并引入模糊控制策略。本系統(tǒng)在位置環(huán)上采用了基于Fuzzy推理的自整定PI控制器，控制器的輸入量為從增量式編碼器獲取的電動機實際位置和給定位置的偏差e和偏差的變化率ec，利用e和ec在線調(diào)整位置環(huán)PI調(diào)節(jié)器的比例、積分系數(shù)，力求最佳的參數(shù)值，達到精確控制的目的。結構原理圖如圖7所示。

圖7 模糊PI控制結構原理圖

7 仿真結果及分析

將系統(tǒng)在Matlab/Simulink中建模并仿真，圖8為未加任何控制器的位置單位階躍響應曲線，圖9為加入PI控制的位置單位階躍響應曲線，圖10為加入模糊PI控制的位置單位階躍響應曲線。

由仿真結果對比可知，利用模糊PI控制的位置伺服系統(tǒng)上升時間短、超調(diào)量低、響應速度快、穩(wěn)態(tài)性能好，并且具有較強的魯棒性。該系統(tǒng)的設計很好滿足了在生物聲納探測過程中全地形機器人機械手關節(jié)控制系統(tǒng)的實時性、準確性和穩(wěn)定性要求。

圖10 模糊PI控制的位置單位階躍響應曲線圖

8 結語

設計了一種帶有生物聲納探測儀的機械手裝置，介紹了該機械手的連桿坐標系和控制系統(tǒng)結構方案。針對生物聲納探測全地形機器人機械手關節(jié)相應的功能要求，文中采用了基于STM32F103微控制器模塊化關節(jié)控制系統(tǒng)和模糊PI控制的位置伺服系統(tǒng)設計方案。仿真結果表明，該系統(tǒng)具有很好的實時性、準確性、穩(wěn)定性和魯棒性，可以用于生物聲納探測全地形機器人機械手關節(jié)控制。因此，生物聲納探測用機械手為全地形機器人在野外探險、偵測提供了方便，提高了機器人的工作效率，具有廣泛的應用前景。

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