王小宇，李彩虹，宋 莉，朱寶艷

(山東理工大學 計算機科學與技術學院，山東 淄博 255049)

基于Raspberry Pi的輪式移動機器人設計及運動控制

王小宇，李彩虹，宋 莉，朱寶艷

(山東理工大學 計算機科學與技術學院，山東 淄博 255049)

基于卡片電腦Raspberry Pi 完成了移動機器人從硬件搭建到運動控制的工作.通過Raspberry Pi與傳感器的配合對機器人運動環(huán)境進行檢測.采用模糊控制算法，根據(jù)不同環(huán)境設計了不同的運動機制，保障移動機器人運動的安全性.利用實驗檢驗并完善了機器人的避障性能，實現(xiàn)了機器人在復雜環(huán)境中的運動控制，包括機器人的遙控以及自主漫游運動.

卡片電腦；Raspberry Pi；移動機器人；運動控制

移動機器人的特點是集環(huán)境感知、動態(tài)決策和規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多種功能于一體[1].在移動機器人研究領域中，機器人如何感知并理解周邊的環(huán)境是機器人運動控制的難點和熱點，適應不同領域需求的機器人系統(tǒng)被深入研究和開發(fā)[2-4].傳統(tǒng)的移動機器人基本上都采用專用處理器和專用操作系統(tǒng)，輪式移動機器人的控制器往往采用單片機作為微處理器，因為它有制作簡單，硬件開發(fā)周期短等優(yōu)點.隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，移動機器人正向經(jīng)濟化、小型化、智能化和通用型方向發(fā)展.自主避障是移動機器人安全行駛的重要保障，也是移動機器人研究的重要內容.本文選用卡片電腦Raspberry Pi，配合電機驅動模塊、紅外線避障模塊、超聲波測距模塊搭建了輪式機器人.以所搭建的機器人為平臺實現(xiàn)了基于超聲波傳感器、紅外傳感器的多傳感器信息融合的機器人運動展示.對環(huán)境分析和控制算法等相關問題進行了研究，通過對機器人運動環(huán)境的分析提出了解決方案并給出了系統(tǒng)整體運行流程.針對機器人運動路徑的特點，提出基于模糊控制的算法，根據(jù)所得到的周邊環(huán)境信息，提出新的模糊規(guī)則，將環(huán)境信息模糊化和解模糊，轉換為機器人能夠識別指令信息，實現(xiàn)機器人的智能控制.

1 硬件部分的選擇與設計

移動機器人整體采用四輪驅動，以Raspberry Pi[5]為控制主體，使用L298N模塊控制4個直流電機的運轉，Raspberry Pi與直流電機分別單獨供電，這樣不僅保證了移動機器人的動力，也提高了移動機器人的續(xù)航時間，更能提升整個移動機器人系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時為移動機器人后續(xù)模塊的添加創(chuàng)造了先決條件.

1.1 移動機器人的外觀

移動機器人的動力采用四輪驅動.四輪驅動有比二輪驅動更優(yōu)異的發(fā)動機驅動力應用效率，達到更好的輪胎牽引力與轉向力的有效發(fā)揮，可以使移動機器人的移動更具穩(wěn)定性以及循跡性.圖1為機器人的整體設計圖.機器人傳感器模塊接受Raspberry Pi的控制并將檢測到的信息反饋給Raspberry Pi，通過執(zhí)行指令控制電機以及車輪，實現(xiàn)機器人的運動.

圖1 移動機器人的整體設計圖

1.2 移動機器人的控制部分

機器人的控制部分采用Raspberry Pi.Raspberry Pi是一款基于ARM的微型電腦主板，可以執(zhí)行類似PC上的諸多功能.在硬件方面Raspberry Pi 開發(fā)板配備了 64 位 1.2GHz 的四核芯片以及 1GB 內存，性能可以滿足機器人的各種需求，最新的Raspberry Pi提供了40個針腳，可以用來連接各種傳感器.

1.3 移動機器人的驅動部分

驅動部分由四個直流減速電機以及電機驅動模塊L298N組成.模塊L298N內含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅動器，可以用來驅動直流電動機和步進電動機、繼電器線圈等感性負載，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作有一個邏輯電源輸入端，使內部邏輯電路部分在低電壓下工作，可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路.

直流電機與L298N的連接，由OUT1和OUT2接口控制機器人左側電機，機器人的右側電機由接口OUT3和OUT4控制，具體連接如圖2所示.

圖2 L298N與電機的連接

電機驅動模塊L298N作為使能端接收Raspberry Pi的控制. L298N與Raspberry Pi的連接方式如圖3， IN1～IN4為邏輯輸入端分別與Raspberry Pi的四個GPIO輸入/輸出接口相連， L298N的+5V端口與Raspberry Pi的+5V端口連接.

圖3 L298N與Raspberry Pi的連接

1.4 移動機器人的感知部分

移動機器人在實際運動中環(huán)境復雜，傳感器對環(huán)境的檢測尤為重要.隨著移動機器人應用的不斷拓展，單個傳感器往往難以感知周邊的環(huán)境信息，因此多傳感器技術應用而生[6].與單個傳感器相比，多傳感器可以進行信息的互補和融合，提高機器人對周邊環(huán)境的感知能力，獲取信息更全面和準確，從而提高機器人自主運動的魯棒性.

所制作的機器人使用了超聲波測距模塊(HC-SR04)以及紅外線避障模塊兩種傳感器.紅外避障模塊的覆蓋面較大且模塊自身體積較小，因此在側面檢測選用了四個紅外線傳感模塊.在機器人的正面使用超聲波傳感模塊，可以有效地檢測到障礙物的信息，并通過檢測距離來控制機器人的速度，避免機器人行駛過快撞上障礙物.兩種模塊的配合基本可以檢測到機器人行進過程中所遇到的障礙物，有效的保護了機器人并保證了運動的順利進行.

超聲波測距模塊有四個引腳，其中TRIG 為觸發(fā)控制信號輸入，ECHO 為回響信號輸出.紅外線避障模塊有三個接口，各模塊與Raspberry Pi具體連接如圖4所示.

圖4 Raspberry Pi 與避障模塊的連接示意圖

2 移動機器人的運動控制

根據(jù)機器人的運動環(huán)境，分析機器人可能遇到的各種問題.對可能出現(xiàn)的各種情況進行研究并給出解決方案，保證機器人的運動安全，使機器人平滑、魯棒地運行.

2.1 移動機器人的感知結果

設定機器人與前方障礙物的臨界距離為Dmin.當機器人與障礙物的距離大于Dmin時，可認為機器人前方?jīng)]有障礙物，否則表示機器人前面有障礙物.啟動機器人后，傳感器檢測周圍環(huán)境并返回以下檢測結果：前方有(無)障礙物、機器人左邊有(無)障礙物、機器人右邊有(無)障礙物.接下來分析一下這些不同情況的處理方法，并制定相應的控制策略.

2.2 移動機器人控制策略設計

根據(jù)人工駕駛經(jīng)驗和模糊控制原理，設計機器人小車的運動控制規(guī)則.將傳感器分為左、前、右三組，分別用sgl、sgf、sgr表示.其中sgl包括左邊兩個紅外線傳感器，sgf代表超聲波傳感器，sgr包括機器人右邊兩個紅外線傳感器.

將sgl、sgf、sgr傳感器中探測到的障礙物的最小距離分別表示為dl、df、dr.將dl、df、dr作為模糊控制器的輸入.機器人的左轉、右轉、前進、后退分別用Turn_left、Turn_right、Forward和Retreat表示，并作為模糊控制器的輸出.輸入變量dl、df、dr劃分為兩個模糊語言變量組成的模糊集合{near，far}，t1、t2、t3為輸出動作的運行時間.

則移動機器人的模糊控制規(guī)則設計如下：

(1)If dfis far and dlis near and dris far then Turn_right t2；

(2)If dfis far and dlis far and dris near then Turn_left t3；

(3)If dfis far and dlis far and dris far then Forward t1；

(4)If dfis far and dlis near and dris near then Retreat t1；

(5)If dfis near and dlis near and dris far then Turn_right t2；

(6)If dfis near and dlis far and dris far then Turn_right t2；

(7)If dfis near and dlis far and dris near then Turn_left t3；

(8)If dfis near and dlis near and dris near then Retreat t1；

2.3 控制策略的完善

上述控制規(guī)則考慮到了機器人運動過程中通常會遇到的情況. 但機器人在實際運動過程中有時會出現(xiàn)一些漏洞，這些漏洞可能導致機器人陷入死鎖，下文就這些問題進行分析.

(1) 機器人陷入前、后死循環(huán)

在圖5所示的情況中，位置1中的機器人正前方?jīng)]有障礙物而左右兩邊有障礙物，機器人后退到位置2，到達位置2后機器人前方以及左右兩邊的傳感器都不會檢測到障礙物，機器人又將前進到位置1，如此機器人陷入死循環(huán).

出現(xiàn)上述情況是因為之前的控制策略只考慮了機器人當前的一步，沒有規(guī)劃機器人接下來的路線.解決它只需要讓機器人退出后再轉動一定的角度，改變機器人的運動方向，使其從死循環(huán)中走出來.

如圖6所示，位置1中的機器人為陷入死鎖時的情況，位置2中的機器人為改進控制策略后的狀況，機器人的位姿與之前相比發(fā)生了變化，問題順利解決.

圖5 移動機器人陷入前進后退死循環(huán)的位置示意圖 圖6 解決移動機器人進退死循環(huán)問題的示意圖

(2)機器人陷入左、右死循環(huán)

當機器人與左邊障礙物的距離稍微大于兩者之間的臨界距離，而右邊的紅外線傳感器剛好檢測到了障礙物，按照之前的設定，機器人左轉.但是由于左邊也有障礙物，機器人轉動很小的距離后傳感器就檢測到了左側障礙物的存在，而此時右邊障礙物與機器人的距離剛好大于臨界距離，那么此時機器人又將右轉，出現(xiàn)“對稱無法確定”現(xiàn)象[7-9]，如此機器人陷入死循環(huán).圖7為上述情況導致機器人死循環(huán)的位置圖示.

圖7 機器人陷入左右死循環(huán)的情景示意圖(一)

當機器人的正前方和右邊都有障礙物，機器人左轉直到右邊傳感器檢測到無障礙物時，由于前邊依然有障礙物，按照之前的設定，機器人此時將右轉，如此機器人將一直重復左轉右轉，陷入死循環(huán).具體情況如圖8所示.

圖8 機器人陷入左右死循環(huán)的情景示意圖(二)

要解決這個問題需要考慮如何讓機器人判斷自身是否陷入死循環(huán).引入兩個參數(shù)a和b.初始化a和b都為0，設定當機器人左轉后a變?yōu)?，右轉后b變?yōu)?，也就是分別用a、b來檢測機器人的上一個動作.當機器人前進或者后退的時候，a和b同時清零.由于機器人陷入左、右死循環(huán)的時候并沒有前進或者后退，那么我們可以用前進或者后退來判斷機器人是否陷入死循環(huán)，那么機器只需檢測a+b的值N為多少便可知道當前自身的狀態(tài).當N為0的時候，機器人剛剛完成前進或者后退的動作；當N為1的時候，機器人剛剛完成左轉或者右轉；當N的值為2的時候，那么機器人已經(jīng)死鎖，那么此時需要讓機器人退出循環(huán).

由于機器人陷入鎖的時候，向左、向右或是向前都已經(jīng)不可能，只能讓機器人后退，如果只是后退，機器人又將陷入向前、向后的死循環(huán)，依照之前的解決方法，在機器人退回到安全區(qū)域后再向左轉一定的角度，使機器人之后的路線與先前不同，那么機器人便順利的擺脫了死循環(huán).

機器人的運動控制流程如圖9所示.設定機器人與前方障礙物的臨界距離Dmin=30cm，引入a和b兩個參數(shù)分別用來監(jiān)控機器人的左轉和右轉.設t1=0.1s、t2=0.18s、t3=0.23s為機器人的三個移動時間.GPIO 1、GPIO 2、GPIO 3、GPIO 4為Raspberry Pi控制紅外線避障模塊的端口.其中GPIO 1、GPIO 2控制機器人右邊的傳感器，GPIO 3、GPIO 4控制機器人左邊的傳感器，當傳感器的返回值為0表示傳感器檢測到有障礙物存在.Forward表示前進，Retreat表示后退，Turn_left表示左轉，Turn_right表示右轉.

圖9 移動機器人運動控制流程圖

歸納運動控制策略設計如下：

(1)If dfis far and dlis near and dris far then Turn_right t2；

(2)If dfis far and dlis far and dris near then Turn_left t3；

(3)If dfis far and dlis far and dris far then Forward t1；

(4)If dfis far and dlis near and dris near then Retreat t1and Turn_right t1；

(5)If dfis near and dlis near and dris far then Turn_right t2；

(6)If dfis near and dlis far and dris far then Turn_right t2；

(7)If dfis near and dlis far and dris near then Turn_left t3；

(8)If dfis near and dlis near and dris near then Retreat t1and Turn_right t2；

(9)if a is 1 and b is 1 then Retreat t1and Turn_right t2；

3 移動機器人及其運動控制算法的實驗驗證

在真實的室內辦公環(huán)境下，測試了所設計的移動機器人的硬件性能、運動控制性能以及控制算法的有效性.障礙物為室內的一些固定的辦公物品，以及人為設計的在運動過程中可能遇到的各種障礙.著重測試了可能導致機器人鎖死的情況，旨在檢驗算法的可靠性及魯棒性.

在機器人上安裝GPS裝置以記錄機器人的運動軌跡，通過kml文件將路徑信息導出，然后在地圖上顯示.圖10為機器人在實驗環(huán)境中的一次運動軌跡，其中①標記為機器人的起點，②標記為路徑的終點，中間連線為機器人的運動軌跡.

圖10 機器人的運動軌跡

從實驗過程中，移動機器人可以較好實現(xiàn)在實驗環(huán)境下的漫游，在躲避障礙的同時能夠自適應的調節(jié)前進方向，證明了機器人的運動控制方法切實有效.

4 結束語

本文利用Raspberry Pi與傳感器的配合設計了機器人的運動控制機制，并通過實驗檢驗并完善了機器人性能.系統(tǒng)實驗結果表明, 所設計的移動機器人能夠有效地躲避復雜路況上的障礙物并選擇出一條合理的路徑，初步滿足了機器人漫游的應用需求.不過由于紅外線傳感器自身的一些缺點，機器人遇到細小的障礙物時有可能會碰到障礙物，這點還需要繼續(xù)完善.在未來的研究中, 可以考慮在機器人的控制器中加入定位機制，實現(xiàn)機器人的路徑規(guī)劃、路徑追蹤、導航等，并將其推廣到動態(tài)環(huán)境中.還可以將攝像頭引入機器人，實現(xiàn)機器人的監(jiān)控作用.

[1]蔡自興.21世紀機器人技術的發(fā)展趨勢[J]. 南京化工大學學報(自然科學版)，2000,22 (4):73-78.

[2]STEPHAN K D, MICHAEL K, MICHAEL M G, et al. Social implications of technology: the past, the present, and the future[J]. Proceedings of the IEEE, 2012, 100:1 752-1 781.

[3]孫洪濤,宋光明,張軍,等. 一種具有彈跳功能的翻滾式機器人設計與實現(xiàn)[J]. 機器人，2013(6):672-677.

[4]黃永安, 熊蔡華, 熊有倫. 智能機器人與應用的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]. 國際學術動態(tài), 2009 (4): 38-39

[5] UPTON E, HALFACREE G.Raspberry Pi User Guide [M]. USA: Wiley, 2012.

[6]彭夢.基于多傳感器融合的移動機器人障礙物檢測研究[D]. 長沙：中南大學,2007.

[7]胡海燕，王鵬飛，孫立寧，等. 線驅動連續(xù)型機器人的運動學分析與仿真[J]. 機械工程學報，2010，46 (19)：1-8.

[8]宋穎麗. 基于行為的移動機器人局部路徑規(guī)劃方法研究[D]. 淄博：山東理工大學,20011.

[9] CHAKRABORTY N, GHOSAL A. Kinematics of wheeled mobile robots on uneven terrain[J]. Mechanism and Machine Theory，2004，39(12)：1 273-1 287.

(編輯：劉寶江)

Design and motion control of the wheeled mobile robot based on Raspberry Pi

WANG Xiao-yu , LI Cai-hong, SONG Li, ZHU Bao-yan

(School of Computer Science and Technology, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China)

In this paper, based on the card computer Raspberry Pi and various sensors, a mobile robot is designed from the hardware building to motion controlling. Fuzzy control method is used to drawn up a set of different motion controlling rules according to various environments to ensure the safety of mobile robot. At last, the designed robot and the controlling methods has been tested in an office environment. The experimental results show that the robot's obstacle avoidance performance is improved, and the motion control of the robot in complex environment is realized. The robot can roam fluently in the environment and run by remote control.

card computer; Raspberry Pi; mobile robot; motion control

2016-11-01

王小宇，男，wxyzqz@sina.cn； 通信作者： 李彩虹，女，lich@sdut.edu.cn

1672-6197(2017)05-0055-05

TP242

A