（河北工程大學 信息與電氣工程學院，邯鄲 056038）

移動機器人越來越多地應(yīng)用在地表探測、地震救災(zāi)現(xiàn)場、爆破處理、戰(zhàn)場偵查救援等非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中。特別是在煤礦救援環(huán)境中，要求機器人在接到命令時，能夠盡可能即時到達現(xiàn)場，這就要求機器人應(yīng)當對地形具有較好的自適應(yīng)性能和通過性能。從某種意義上說，機器人的移動機構(gòu)運動的機動靈活性、環(huán)境適應(yīng)性及通過性等方面的性能直接決定了機器人能否順利完成任務(wù)[1]。

輪式移動機器人機動靈活，行走速度快，在相對平坦的地面上具有相當?shù)膬?yōu)勢。履帶式移動機器人越野性能好，爬坡，越溝等性能優(yōu)于輪式移動機器人[2]。本文結(jié)合輪式和履帶式機器人各自的優(yōu)勢設(shè)計了一種輪履復合式的移動機器人，能夠根據(jù)工作環(huán)境的變化來改變移動機器人的運動姿態(tài)與運動模式，提高移動機器人的越障能力、機動性能和環(huán)境適應(yīng)能力。

1 輪履式機器人結(jié)構(gòu)

1.1 輪履式機器人原理

輪履復合機器人將輪式驅(qū)動和履帶驅(qū)動結(jié)合在一起。4個電機通過蝸輪蝸桿減速箱驅(qū)動4個輪子實現(xiàn)輪式行走；通過鏈條的切換可以將4個電機的動力轉(zhuǎn)換到4條履帶上，實現(xiàn)履帶滾動，另外2組電機通過錐齒輪驅(qū)動前后擺臂履帶機構(gòu)，可以調(diào)整機器人姿態(tài)，在行進過程中及時調(diào)整車體的重心、水平姿態(tài)及高度，解決了攀爬過程中由于重心的原因引起的無法越障問題[3-4]。

1.2 輪履式機器人運動模式

輪履式機器人針對不同的地形有3種行走模式，輪式模式適合在平坦的路面快速移動；履帶式模式適合在起伏不大的地形行走（如草地、松軟的砂石路、緩坡等）；自適應(yīng)模式是針對地面起伏大，環(huán)境復雜的情況設(shè)計的[5]。

輪式行走模式是將履帶輪完全收起，以四輪驅(qū)動的方式在地面上行走，如圖1（a）所示。履帶式行走模式是將履帶完全放下，以固定角度履帶臂的行走方式，如圖1（b）所示。自適應(yīng)模式是在行走的過程中通過對地形的感知，不斷調(diào)整履帶臂的角度，使履帶與地面接觸面積最大，保證機器人有充足的驅(qū)動力的行走方式[6]，如圖1（c）所示。

圖1 機器人的3種行走模式Fig.1 Three kinds of walking pattern of the robot

2 輪履式機器人硬件設(shè)計

機器人在行走過程中通過ADXRS610角度測量單元感知姿態(tài)，然后將采集的姿態(tài)信息傳送給STM32的MCU進行數(shù)據(jù)融合，然后控制電機驅(qū)動裝置，控制前后履帶臂，調(diào)整機器人機構(gòu)，以適應(yīng)地形變化。機器人控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 輪履式機器人控制系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of robot control system

2.1 機器人姿態(tài)采集單元

輪履式機器人行走控制需要對機器人的角度姿態(tài)進行采集，主要是俯仰的角度數(shù)據(jù)。ADXRS610是采用集成微電子機械（iMEMS）加工工藝的角速度傳感器，其內(nèi)部包含了2個角速度傳感器、共鳴環(huán)、信號調(diào)理器等電路。其輸出的電壓與偏航角速度成正比，電壓的極性代表轉(zhuǎn)動方向（順時針或逆時針轉(zhuǎn)動）。ADXRS610原理如圖3所示。

圖3 ADXRS610陀螺儀原理圖Fig.3 Gyroscope schematics of ADXRS610

引腳AVCC接5 V電源電壓，AGND為模擬地，VDD是泵電源的輸入端，接AVCC，泵電源的地PGND接AGND，CP5與AGND之間接濾波電容，CP1與CP2、CP3與CP4之間分別接0.022 μF的電容用以產(chǎn)出12 V的泵升電壓供內(nèi)部電路使用，RATEOUT為角速度的模擬電壓信號輸出端，靜止時輸出電壓為2.5 V。RATEOUT端輸出的模擬量電壓需要通過AD采集，對采集的數(shù)值進行積分運算，所得數(shù)值就是角度。AD采集電路如圖4所示。

2.2 電機驅(qū)動單元

圖4 ADS1254電壓采集電路Fig.4 Voltage acquisition circuit of ADS1254

根據(jù)機器人響應(yīng)速度快、負載大、爬坡能力強的要求，設(shè)計中選用了低導通內(nèi)阻、大驅(qū)動電流的MOS管IRF3205搭建H橋電路。IRF3205具有極低的導通阻抗（僅8 mΩ），內(nèi)部集成了反向保護二極管，連續(xù)漏電流高達110 A。H橋電路如圖5所示，Q1、Q4導通時，電機正轉(zhuǎn)；當Q2、Q3導通時，電機反轉(zhuǎn)；Q1、Q2、Q3、Q4都關(guān)斷時，不形成任何回路，H橋?qū)﹄姍C不產(chǎn)生作用；當Q1、Q2（或Q3、Q4）導通時，電機兩端斷路，如果電機在外力作用下運行，H橋電路則會在電機兩端形成阻礙電機運行的反電勢；當Q1、Q3（或Q2、Q4）導通時，將導致24 V電源和地直接相連，瞬間擊穿MOS管，存在很大的安全隱患。為了解決上下橋臂同時導通的問題，電路采用了HIP4081A H橋驅(qū)動芯片，HIP4081A是一個高頻全橋驅(qū)動芯片，驅(qū)動速率達到20 V/ns，內(nèi)部再帶自舉電路，具有欠壓保護、低功耗的特點，利用其可編程的死區(qū)時間，使上下橋臂導通、關(guān)斷延遲一段時間，避免上下橋臂同時導通的情況。

圖5 H橋驅(qū)動電路Fig.5 H-bridge-driving circuit

在實際測試過程中電機負載大，容易出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)的情況。一旦發(fā)生堵轉(zhuǎn)，流過電機的電流激增，如果長時間不進行調(diào)控，電機線圈就會發(fā)熱熔斷，燒毀電機。為解決這種問題，采用ACS712對流過電機的電流進行采集。ACS712基于霍爾感應(yīng)原理設(shè)計，當電流流過芯片內(nèi)部銅箔時產(chǎn)生磁場，霍爾元件會感應(yīng)出一個線性的電壓信號，經(jīng)過放大、濾波、斬波和修正處理，在VIOUT端輸出一個模擬的電壓信號，直接反映了流經(jīng)銅箔的電流的大小。ACS712測量量程為20 A，精度為100 mV/A。應(yīng)用電路如圖6所示。

圖6 ACS712電流采集電路Fig.6 Current acquisition circuit of ACS712

2.3 主控制器

數(shù)據(jù)處理部分采用ARM32位Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103單片機，最高工作頻率72 MHz，1.25 DMIPS/MHz運算能力。自帶的多功能電機控制接口，能夠?qū)崿F(xiàn)電機的精確控制。具有高性能、低成本、低功耗的特點，非常適合作為數(shù)據(jù)處理和電機控制單元。

主控制器不斷接收來自AD采集的陀螺儀數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行濾波、融合處理；另一方面主控制器對編碼器數(shù)據(jù)進行采集，實時監(jiān)控電機運轉(zhuǎn)，根據(jù)陀螺儀反饋的姿態(tài)信息通過H橋電路驅(qū)動前后履帶臂對機器人姿態(tài)進行調(diào)整，使機器人順暢地在各種地形間行走。

3 輪履式機器人系統(tǒng)軟件設(shè)計

機器人軟件設(shè)計是一個多傳感器數(shù)據(jù)融合判斷并輸出控制的過程，針對機器人操作方便，移動迅速，但行走環(huán)境復雜，路況不確定的情況，輪履式機器人主要實現(xiàn)了機器人在行進過程中通過自身姿態(tài)的變化完成對環(huán)境的感知，針對不同的路況環(huán)境采用自適應(yīng)算法采取不同的行走模式和姿態(tài)調(diào)整方式最終實現(xiàn)了環(huán)境的自適應(yīng)。

3.1 姿態(tài)數(shù)據(jù)處理

為使機器人感知地形變化，需要使用陀螺儀對自身姿態(tài)信息進行采集。陀螺儀角速度數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波處理后送到處理器，經(jīng)過對角速率積分運算后得到機器人的角度變化，對得到的角度值再一次進行環(huán)形濾波后，根據(jù)角度變化判斷環(huán)境變化。

陀螺給出的是模擬電壓值，本系統(tǒng)采用ADS1254高精度24位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片將陀螺儀的輸出電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。以陀螺儀靜止時的值為基準，陀螺儀轉(zhuǎn)動時得到增量與靜止時的數(shù)字量作差，若差值大于最大設(shè)定幅值本次數(shù)據(jù)無效，重新采集。為了減少脈沖類干擾異常數(shù)據(jù)的影響，將每次AD采樣的數(shù)據(jù)進行均值濾波處理。角度信息需要通過對角速度進行積分，積分周期為10 ms，也就是說角度的姿態(tài)信息每10 ms會更新一次。陀螺儀數(shù)據(jù)處理流程如圖7所示。

圖7 陀螺儀數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.7 Flow chart ofgyroscope data processing

3.2 電機驅(qū)動程序

電機控制中采用了增量式PID調(diào)節(jié)算法。引入電流和速度雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，把速度環(huán)作為外環(huán)，起主導主用，穩(wěn)定電機轉(zhuǎn)速；電流環(huán)是內(nèi)環(huán)控制，在負載變化時通過調(diào)節(jié)電流大小，輔助控制轉(zhuǎn)速，此外，啟動、剎車、堵轉(zhuǎn)等發(fā)生時保護電機運行在最大允許電流，不至電流過大而燒毀電機。雙閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖如圖8所示。

圖8 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)框圖Fig.8 Block diagram of double-loop speed control system

整個雙閉環(huán)控制系統(tǒng)以碼盤轉(zhuǎn)速作為轉(zhuǎn)速PID控制器的反饋輸入量，經(jīng)過轉(zhuǎn)速PID控制器運算的增量與電流反饋量作為電流PID控制器的輸入，最終運算結(jié)果轉(zhuǎn)化為PWM占空比

通過H橋電路控制電機轉(zhuǎn)速。2個閉環(huán)控制器都采用PID控制的方法，在參數(shù)整定的過程中，先整定外環(huán)（速度環(huán)），確定一組最佳控制參數(shù)，然后將外環(huán)作為內(nèi)環(huán)的一個輸入控制量，再對內(nèi)環(huán)進行整定，最終確定出一組系統(tǒng)最佳控制參數(shù)。

3.3 自適應(yīng)控制算法

初始時機器人以輪式結(jié)構(gòu)行走，通過陀螺儀感知地形的起伏情況，起伏不大的地形是平坦的路面，以輪式模式行走；小角度連續(xù)起伏的是砂石路或草地等地形，適合履帶式模式行走；大角度的起伏的復雜地形就需要使用自調(diào)整的自適應(yīng)模式行走。自適應(yīng)模式行走控制流程如圖9所示。

圖9 自適應(yīng)控制流程圖Fig.9 Flow chart of adaptive control methods

4 實驗結(jié)果

本設(shè)計中機器人框架采用方形不銹鋼，4個動力電機采用MAXON的48 V RE40電機，每個電機額定功率為150 W，履帶臂電機為24 V直流電機，電源分別采用48 V和24 V鋰電，樣機總重40 kg。

機器人在未知路面環(huán)境的情況下，通過陀螺儀反饋的俯仰角度變化感知路面環(huán)境，調(diào)整機器人形態(tài)適應(yīng)地形變化。機器人俯仰角在5°范圍內(nèi)變化時，以輪式結(jié)構(gòu)行進；當感知到機器人姿態(tài)在俯仰5°～10°范圍變化時，切換到履帶結(jié)構(gòu)行走，機器人行走更平穩(wěn)，如圖10所示；當遇到10°以上大俯仰角的障礙時，機器人根據(jù)俯仰角度相應(yīng)調(diào)整履帶臂的角度，使履帶與地面接觸面積最大，保證機器人有充足的驅(qū)動力，不至于堵轉(zhuǎn)和打滑，如圖11所示。

圖10 輪式結(jié)構(gòu)切換到履帶結(jié)構(gòu)機器人俯仰角變化曲線Fig.10 Pitching angle change curve of the robot switching the wheel structure to crawler structure

圖11 自適應(yīng)模式下機器人俯仰角變化曲線Fig.11 Pitching angle change curve ofthe robot in adaptive mode

5 結(jié)語

經(jīng)過實際測試，在未知路面環(huán)境情況下，機器人針對不同的地形可以很好地適應(yīng)，在復雜的環(huán)境中具有運動靈活、越障能力強、響應(yīng)速度快的特點，利用自適應(yīng)控制策略，簡化了操作難度，同時也降低了功耗。

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