孫梅

摘 要 人類社會(huì)自進(jìn)入了科技時(shí)代，計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)飛速發(fā)展，對(duì)智能移動(dòng)機(jī)器人的研究也取得了很大成就。現(xiàn)階段，智能移動(dòng)機(jī)器人已經(jīng)逐漸被應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，如太空或者海洋資源的開發(fā)等領(lǐng)域。隨著研究的深入，智能移動(dòng)機(jī)器人的技術(shù)越來(lái)越穩(wěn)定，應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣。文章針對(duì)智能移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)，進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析和概括。

關(guān)鍵詞 移動(dòng)機(jī)器人；控制系統(tǒng)；研究

中圖分類號(hào)：TP24 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）16-0022-01

移動(dòng)機(jī)器人的研究起始于斯坦福，之后美國(guó)、日本等國(guó)家也都相繼進(jìn)行了深入的研究。相對(duì)來(lái)說(shuō)，中國(guó)的起步時(shí)間比較晚，但是進(jìn)步卻比較快，取得的成果也較為明顯。但是不可否認(rèn)，其中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，就是控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在這方面，我國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，還有較大的距離，仍有許多需要改進(jìn)和提高之處。

1 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1.1 控制系統(tǒng)的硬件概述

主控板、電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和超聲波測(cè)距模塊構(gòu)成了控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)。

1）主控板。主控板是整個(gè)機(jī)器人的控制中心，各模塊之間的協(xié)調(diào)管理和數(shù)據(jù)傳輸都是由主控板負(fù)責(zé)的，并且電機(jī)驅(qū)動(dòng)的控制信息都是在經(jīng)過(guò)主控板之后得到控制的。同時(shí)主控板還可以負(fù)責(zé)檢測(cè)接口、對(duì)超聲波的測(cè)距模塊進(jìn)行管理以及控制信號(hào)的產(chǎn)生、傳遞和檢測(cè)。

2）電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊。移動(dòng)機(jī)器人是由四個(gè)完全相同的電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的。每個(gè)電機(jī)各自獨(dú)立完成驅(qū)動(dòng)，以保證整個(gè)驅(qū)動(dòng)過(guò)程的穩(wěn)定性和獨(dú)立性。整個(gè)運(yùn)行過(guò)程，都離不開電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的支持。

3）超聲波測(cè)距模塊。超聲波由于對(duì)色彩、光纖和電磁場(chǎng)都不是很敏感，所以即使是處于黑暗、有灰塵和強(qiáng)烈電磁波干擾的環(huán)境下，依然可以很好的完成指令。所以，其在物體識(shí)別、機(jī)器人的定位和躲避障礙方面都有應(yīng)用。因?yàn)槌暡ǖ姆€(wěn)定性比較強(qiáng)，又節(jié)約能量，而且在各種媒介中的傳播距離都比較遠(yuǎn)，所以超聲波還經(jīng)常被應(yīng)用在測(cè)距方面。超聲波測(cè)距模塊可以為移動(dòng)機(jī)器人提供前方障礙物的距離信息。

1.2 主控板的硬件設(shè)計(jì)

主控板的硬件系統(tǒng)主要包括芯片及其外圍電路，而外圍電路又包括時(shí)鐘、電源模塊等等。主控板的主要職能就是管理各模塊的接口和進(jìn)行相關(guān)通信指令。除此之外，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，還可以在主控板中融入一定的開發(fā)系統(tǒng)，為日后的開發(fā)和升級(jí)工作打好鋪墊。

1.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和超聲波測(cè)距模塊的硬件設(shè)計(jì)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的功能就是驅(qū)動(dòng)和調(diào)速。而超聲波測(cè)距模塊則可以為機(jī)器人提供相關(guān)的距離信息，它的工作原理是利用振蕩器發(fā)出信號(hào)，再經(jīng)過(guò)放大之后發(fā)出超聲波。在遇到障礙物之后就會(huì)折返回來(lái)，根據(jù)總耗損，就可以估計(jì)出機(jī)器人和障礙物之間的距離。超聲波測(cè)距結(jié)果的準(zhǔn)確度在很大程度上都取決于超聲波回波信號(hào)的調(diào)理。超聲波信號(hào)在空氣中，隨著傳播會(huì)越來(lái)越衰弱，最后折返回來(lái)的信號(hào)往往很微弱，為了避免這一結(jié)果，就需要借助于接收電路的AGC功能對(duì)折返回來(lái)的信號(hào)進(jìn)行放大[1]。

2 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.1 主控板的軟件設(shè)計(jì)

主控板的所有硬件中只有控制器需要軟件。它的主要任務(wù)是對(duì)超聲波測(cè)距的軟件進(jìn)行管理。控制器的軟件需要在初始化、通訊、檢測(cè)和測(cè)距方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，控制器和各終端會(huì)有各種各樣的數(shù)據(jù)交流，所以就需要對(duì)發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和整理。

2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的軟件設(shè)計(jì)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)軟件的主要職能就是對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行控制并且進(jìn)行調(diào)速。控制職能使用的是電機(jī)驅(qū)動(dòng)主控芯片。是否需要對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，完全取決于其剎車制是否為1。如果電機(jī)的目標(biāo)方向和現(xiàn)在的方向不一致，就應(yīng)該停止電機(jī)的運(yùn)行，緩解一段時(shí)間，這樣能更好的保護(hù)其中的芯片[2]。

2.3 超聲波測(cè)距的軟件設(shè)計(jì)

超聲波測(cè)距軟件的設(shè)計(jì)采用渡越時(shí)間法。所謂的渡越時(shí)間法就是在超聲波發(fā)射出去的瞬間開始計(jì)時(shí)，在接收到超聲波之后計(jì)時(shí)停止[3]。根據(jù)分析研究可知，溫度對(duì)超聲波的傳輸速度影響不大，而且傳輸時(shí)間也都極短，影響也可以忽略不計(jì)。不過(guò)，為了保證準(zhǔn)確度，也可以增加一個(gè)溫度校正模塊，檢測(cè)完溫度之后，再對(duì)速度進(jìn)行修正。

3 控制系統(tǒng)存在的問題及解決對(duì)策

3.1 超聲波測(cè)距模塊存在的問題及對(duì)策

1）超聲波的信號(hào)只有在平面環(huán)境下所產(chǎn)生的反射回波比較強(qiáng)，在其他情況下，回波都很微弱，甚至沒有；若超聲波信號(hào)的發(fā)射方向和發(fā)射平面存在夾角，那么基本不存在回波；這是一切超聲波在測(cè)距過(guò)程中都會(huì)存在的共性問題，因?yàn)槌暡ㄊ嵌滩?，它的性質(zhì)決定了這一共性。

2）超聲波模塊在測(cè)距時(shí)，如果距離小于35厘米，發(fā)射的信號(hào)就有可能在發(fā)射面和模塊表面進(jìn)行多次反射，從而造成誤差。這是由于超聲波的多次反射所造成的，只需要對(duì)超聲波模塊的表面材料加以改變，就可以解決了。

3）超聲波測(cè)距模塊在一定的量程外，對(duì)控制器有著相同的反應(yīng)，也就是分辨不出是所謂的盲區(qū)還是在該量程內(nèi)并不存在障礙物。這是因?yàn)槌暡ㄔ诜瓷溥^(guò)程中會(huì)經(jīng)過(guò)很多的能頭，這就需要借助其他的檢測(cè)模塊了，幫助得以解決。

3.2 電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊存在的問題及對(duì)策

1）電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的算法采用的是簡(jiǎn)單的專家控制，當(dāng)目標(biāo)速度過(guò)大時(shí)，需要花費(fèi)的跟蹤時(shí)間也就比較長(zhǎng)。所以，只要對(duì)算法不斷進(jìn)行更新，使其可以跟上目標(biāo)的速度，也就可以縮短跟蹤的時(shí)間了。

2）在達(dá)到預(yù)定速度之后，機(jī)器人常常會(huì)因?yàn)榈孛嫣艿接绊?。這些應(yīng)該通過(guò)羅盤等工具來(lái)進(jìn)行測(cè)量解決。

4 結(jié)論

近幾年，隨著科技的發(fā)展與經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步，移動(dòng)機(jī)器人也飛速發(fā)展，在許多領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。雖然小有成果，但是就我國(guó)的目前的科技水平來(lái)說(shuō)，還是存在很多的不足和問題，與一些發(fā)達(dá)國(guó)家相比也還是有很大的差距。為了解決這些問題，早日跟上國(guó)際的步伐，我們首先要對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的系統(tǒng)和工作原理進(jìn)行深入的了解，尤其是其關(guān)鍵環(huán)節(jié)—控制系統(tǒng)。之后再針對(duì)不同的問題，采取不同的解決方案，達(dá)到工作的最佳效果。

參考文獻(xiàn)

[1]徐國(guó)華.移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀及其趨勢(shì)[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2013（3）：7-14.

[2]龔建偉.移動(dòng)機(jī)器人橫向與縱向控制方法研究[D].中國(guó)科技大學(xué)，2012.

[3]黃永志.兩輪移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].中國(guó)海洋大學(xué)，2013.endprint