山西中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 周小淞 張亞 劉廷 連云飛

1 引言

世界各地自然災(zāi)害和各種礦難事故頻發(fā)，設(shè)計(jì)一種能夠代替搜救隊(duì)員，進(jìn)入復(fù)雜、惡劣環(huán)境進(jìn)行搜救的機(jī)器人，成為救援機(jī)器人的一種趨勢(shì)。針對(duì)履帶機(jī)器人的研究，國(guó)內(nèi)外做出了不少的成績(jī)，“Aladdin”機(jī)器人是日本KazunoriOhno等人為國(guó)際地震救援組織和國(guó)際防災(zāi)救援組織研制的新型履帶式救援機(jī)器人，其具有很高的機(jī)動(dòng)性、越障性和穩(wěn)定性，可以應(yīng)用在多種場(chǎng)合的救援中[1]。2001年，龔進(jìn)峰等人設(shè)計(jì)了一套履帶式管道機(jī)器人雙控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)運(yùn)行良好具有很高的可靠性[2]。2003年，王建華等人根據(jù)仿人智能控制的基本思想，建立了單片機(jī)控制硬件平臺(tái)，提出了機(jī)器人跟蹤直線、轉(zhuǎn)彎、準(zhǔn)確定位和路線規(guī)劃的仿人智能控制算法[3]。本文基于傳統(tǒng)的履帶運(yùn)動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)了一套簡(jiǎn)單、可靠的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有靈活避障、運(yùn)行平穩(wěn)的功能，使該履帶運(yùn)動(dòng)平臺(tái)能夠作為二次開(kāi)發(fā)的一個(gè)平臺(tái)，根據(jù)不同的要求實(shí)現(xiàn)快速移植，可以大大縮短開(kāi)發(fā)周期。

2 履帶式機(jī)器人控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

履帶式機(jī)器人控制系統(tǒng)是在履帶式機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)之上搭建的，其主要是實(shí)現(xiàn)控制履帶式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)、位姿、軌跡及避障等目標(biāo)。履帶式機(jī)器人控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。履帶式機(jī)器人的控制系統(tǒng)主要由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成。

圖1 控制系統(tǒng)框架圖

2.1 履帶式機(jī)器人硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

履帶式機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計(jì)主要是采用模塊化的設(shè)計(jì)思想[4]，這樣既便于安裝又容易查找錯(cuò)誤，及時(shí)維修，為后續(xù)履帶式機(jī)器人的系統(tǒng)調(diào)試奠定基礎(chǔ)。履帶式機(jī)器人硬件系統(tǒng)主要包括核心控制板MC9S12DG128模塊、電源管理模塊、步進(jìn)電機(jī)模塊、傳感器模塊等。

2.1.1 MC9S12DG128核心控制板

MC9S12DG128[5]是由 Freescale公司開(kāi)發(fā)的一款具有16位微處理器的微控制單元，其具有128K字節(jié)的Flash存儲(chǔ)器，2K字節(jié)的EEPROM，8K字節(jié)的RAM，8個(gè)8位的脈沖寬度調(diào)制（PWM）輸出通道，2個(gè)異步串行通信接口（SCI），1個(gè)增強(qiáng)型捕捉定時(shí)器模塊（ECT），2個(gè)8位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC），2個(gè)兼容CAN2.0A/B協(xié)議的控制器等。

2.1.2 電源模塊

鋰電池相對(duì)于傳統(tǒng)的鉛蓄電池來(lái)說(shuō)具有很多優(yōu)點(diǎn)。首先，相同容量的鉛蓄電池重量一般在5kg左右，而鋰電池僅為0.45kg。其次，鋰電池具有使用壽命長(zhǎng)，不易老化，其對(duì)環(huán)境也沒(méi)有任何污染等優(yōu)點(diǎn)。綜合考慮選擇鋰電池作為系統(tǒng)的供電電源。

電源在履帶式機(jī)器人中主要是為步進(jìn)電機(jī)、單片機(jī)及傳感器供電，且傳感器供電可直接從單片機(jī)開(kāi)發(fā)板上獲得，因此電源容量大小只需考慮步進(jìn)電機(jī)及單片機(jī)即可。然而，單片機(jī)的供電電壓為12V，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器供電電壓為18～30V，故本系統(tǒng)采用12V12AH的鋰電池，同時(shí)為了能用于步進(jìn)電機(jī)供電，采用兩塊上述電池串聯(lián)的形式構(gòu)成履帶式機(jī)器人系統(tǒng)所需的24V24AH鋰電池組。

2.1.3 步進(jìn)電機(jī)模塊

混合式步進(jìn)電機(jī)具有電流小、效率高、運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定、噪聲低、發(fā)熱低、反電勢(shì)較強(qiáng)、自身阻尼好等諸多優(yōu)點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)的履帶式機(jī)器人系統(tǒng)采用兩相四線混合式步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)中不可或缺的一部分，其性能的好壞直接關(guān)系到整個(gè)控制系統(tǒng)的優(yōu)劣，同時(shí)它的選取基本上是與步進(jìn)電機(jī)的選取同步進(jìn)行的。本文步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器選用與其配套的型號(hào)為HUISITONGHST-884A的驅(qū)動(dòng)器。圖2為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的基本構(gòu)成框圖，該框圖中顯示了驅(qū)動(dòng)器的各個(gè)主要組成模塊，除此之外，驅(qū)動(dòng)器還包括很多的功率放大電路以及輔助電路。

圖2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成圖

2.1.4 測(cè)距、傳感器模塊

測(cè)距傳感器模塊主要包括超聲波傳感器和光電傳感器兩類，且兩種傳感器都是以測(cè)距及避障為目的進(jìn)行選擇的。

（1）超聲波傳感器

超聲波傳感器是利用超聲波測(cè)距原理制作而成的測(cè)距傳感器，由于超聲波具有波長(zhǎng)小、功率大、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，故超聲波傳感器廣泛用于移動(dòng)機(jī)器人的測(cè)距和避障中。

超聲波傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)距時(shí)需要一個(gè)發(fā)射探頭和一個(gè)接收探頭，根據(jù)探頭工作方式的不同，超聲波傳感器可以分為自發(fā)自收單探頭和一發(fā)一收雙探頭兩種工作形式。一發(fā)一收雙探頭工作方式能達(dá)到較遠(yuǎn)的測(cè)量距離及較好的測(cè)量精度，在考慮經(jīng)濟(jì)成本的情況下，系統(tǒng)所選用的超聲波傳感器為雙探頭的，其工作原理如圖3所示。

圖3 雙探頭測(cè)距原理

（2）光電傳感器

光電傳感器利用光電組件將被測(cè)量進(jìn)行光信號(hào)與電信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換。光電傳感器的檢測(cè)距離比較短，故系統(tǒng)中將光電傳感器作為超聲波傳感器的補(bǔ)充使用或?qū)⑵溆糜跈z測(cè)距離較短的場(chǎng)合，這樣既能最大限度地彌補(bǔ)超聲波傳感器檢測(cè)不到的位置又能減少超聲波傳感器的冗余使用。

本文所采用的光電傳感器的光源為紅外光，因此該傳感器也稱作紅外式光電傳感器，其工作原理及外形如圖4所示。

圖4 紅外傳感器

（3）傳感器的固定

設(shè)計(jì)原理如圖5所示，其中0-7號(hào)為超聲波傳感器固定位置，a-c為光電傳感器的固定位置。由于超聲波傳感器的性能較好，故前端配置了4個(gè)超聲波傳感器，左右各在30°及60°角的方向配置了兩個(gè)傳感器，其他3個(gè)是對(duì)超聲波傳感器進(jìn)行補(bǔ)充的光電傳感器。

圖5 傳感器固定示意圖

2.1.5 測(cè)速傳感器模塊

基于傳動(dòng)系統(tǒng)中齒輪布置方式的考慮，為了便于傳感器固定與安裝，系統(tǒng)選用光電對(duì)射計(jì)數(shù)管作為步進(jìn)電機(jī)的測(cè)速傳感器。

測(cè)速傳感器的電路原理如圖6所示，主要包括光電對(duì)射管、LM393差分比較器及接口引腳等。測(cè)速傳感器的工作原理為：當(dāng)光電對(duì)射管之間沒(méi)有物體遮擋時(shí)，二極管D2導(dǎo)通，LM393的引腳3輸入的電壓低于引腳2的電壓，差分比較器的輸出為0，進(jìn)而輸出到OUT腳，被單片機(jī)引腳采集；當(dāng)光電對(duì)射管之間有物體遮擋時(shí)，二極管D2不能導(dǎo)通，LM393的引腳3輸入的電壓大于引腳2的電壓，差分比較器輸出為1，進(jìn)而輸出到OUT腳，被單片機(jī)引腳采集。

圖6 測(cè)速傳感器工作原理

2.2 履帶式運(yùn)動(dòng)平臺(tái)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 軟件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及開(kāi)發(fā)工具簡(jiǎn)介

履帶式機(jī)器人軟件系統(tǒng)是在硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上搭建的，它是整個(gè)履帶式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制核心，機(jī)器人的任何運(yùn)動(dòng)及操作都是在軟件系統(tǒng)的支持及監(jiān)控下實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)對(duì)履帶式機(jī)器人的功能進(jìn)行詳細(xì)分析，得到履帶式機(jī)器人軟件系統(tǒng)的總體流程如圖7所示，履帶式機(jī)器人軟件系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)初始化、傳感器信息獲取、速度PID或模糊PID調(diào)節(jié)以及避障函數(shù)的執(zhí)行等部分。

圖7 履帶式機(jī)器人軟件系統(tǒng)流程圖

2.2.2 步進(jìn)電機(jī)軟件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)軟件系統(tǒng)是控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)，其主要目的是把上述所設(shè)計(jì)的PID及模糊PID控制用軟件實(shí)現(xiàn)，以期能達(dá)到正確、快速控制步進(jìn)電機(jī)的目的。此系統(tǒng)主要包括速度檢測(cè)、偏差計(jì)算、PID或模糊PID控制量計(jì)算以及調(diào)節(jié)速度等幾部分，其主要的軟件流程如圖8所示。

圖8 步進(jìn)電機(jī)軟件系統(tǒng)流程圖

3 履帶運(yùn)動(dòng)平臺(tái)避障算法仿真分析

為了驗(yàn)證其避障的可行性及正確性，在VisualStudio2010的支持下，利用其VisualC++中的MFC（MicrosoftFoundation Classes:微軟基礎(chǔ)類）編制了如圖9所示的履帶式機(jī)器人避障仿真平臺(tái)。

圖9 履帶式機(jī)器人避障仿真平臺(tái)

根據(jù)圖10可知，ELA避障算法對(duì)于橢圓形（圓形）、矩形（正方形）、三角形及不規(guī)則多邊形等多種類型障礙物共存的避障環(huán)境仍具有較好的避障能力，可以較為準(zhǔn)確快速地到達(dá)目標(biāo)位置，且可以規(guī)劃出一條較好的無(wú)障礙路徑。雖然上述路徑可能不是最優(yōu)的，但是考慮到該算法具有計(jì)算量小、耗時(shí)短、反應(yīng)迅速等優(yōu)點(diǎn)，上述避障仿真結(jié)果是可以接受的。

圖10 混合障礙仿真分析

4 結(jié)論

本履帶式運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)分為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分來(lái)分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。履帶式機(jī)器人硬件系統(tǒng)主要包括核心控制板模塊、電源模塊、步進(jìn)電機(jī)模塊及傳感器模塊等，本文詳細(xì)地分析了各模塊的組成和功能。履帶式機(jī)器人軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是軟件流程圖的分析與研究，同時(shí)介紹了軟件開(kāi)發(fā)工具CodewarriorIDE及相關(guān)初始化程序，然后對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的軟件架構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析，通過(guò)運(yùn)動(dòng)仿真驗(yàn)證了避障算法的有效性。

通過(guò)實(shí)物運(yùn)行，驗(yàn)證該控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)履帶機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路線控制，實(shí)現(xiàn)靈活地避障，證明該控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)可靠、穩(wěn)定的控制。

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