鄭建生，楊衛(wèi)*，徐勝

(1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051; 2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051)

輪式機(jī)器人定點(diǎn)運(yùn)動的姿態(tài)調(diào)整

鄭建生1，2，楊衛(wèi)1，2*，徐勝1，2

(1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051; 2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051)

為解決帶有轉(zhuǎn)彎半徑的輪式機(jī)器人(區(qū)別于帶有履帶、可原地自轉(zhuǎn)的小車)在定點(diǎn)運(yùn)動過程中的姿態(tài)調(diào)整。將電子羅盤與機(jī)器人移動平臺組合起來，指定系統(tǒng)內(nèi)某個(gè)體坐標(biāo)系為全局坐標(biāo)系并初始化電子羅盤，使系統(tǒng)完成車體與電子羅盤的姿態(tài)同步。由于車體轉(zhuǎn)彎半徑的存在以及車體長度的的影響，導(dǎo)致機(jī)器人無法正確行駛到指定的距離以及完成相同的車體姿態(tài)，所以解決這個(gè)問題對于未來智能車輛智能駕駛有十分重要的實(shí)用意義。

智能機(jī)器人;姿態(tài)調(diào)整;智能控制;聲定位;智能駕駛

履帶式的移動機(jī)器人最大的優(yōu)點(diǎn)就是其自身姿態(tài)調(diào)整靈活快速，當(dāng)要求其運(yùn)動到指定地點(diǎn)并保持初始姿態(tài)時(shí)，履帶式機(jī)器人首先調(diào)節(jié)自身姿態(tài)使其轉(zhuǎn)向目的地方向然后直接以直線的方式運(yùn)動到指定的地點(diǎn)，最后在終點(diǎn)調(diào)整其姿態(tài)保持與初始姿態(tài)一致。而相對于履式機(jī)器人，輪式機(jī)器人在姿態(tài)調(diào)整方面就比較復(fù)雜了，由于轉(zhuǎn)彎半徑的存在，輪式機(jī)器人無法采用履式機(jī)器人的運(yùn)動方案，而是需要在運(yùn)動的過程中不斷調(diào)整自身姿態(tài)，在到達(dá)目的地時(shí)直接完成姿態(tài)調(diào)整。雖然輪式機(jī)器人定點(diǎn)運(yùn)動的解決方案復(fù)雜繁瑣，但是輪式機(jī)器人在運(yùn)動速度，車身重量，負(fù)載能力以及越野能力上都有較大的優(yōu)勢。這也解釋了為什么目前全球絕大部分的交通車輛采用輪式而不是履式。

輪式機(jī)器人定點(diǎn)運(yùn)動有許多種情況，例如不考慮機(jī)器人姿態(tài)的定點(diǎn)運(yùn)動、只考慮終點(diǎn)位置上機(jī)器人姿態(tài)的定點(diǎn)運(yùn)動以及起始位置與終點(diǎn)位置具有夾角關(guān)系的機(jī)器人姿態(tài)的定點(diǎn)運(yùn)動。而本文要闡述的問題屬于第3類里面的特殊情況，實(shí)現(xiàn)初始姿態(tài)和終點(diǎn)姿態(tài)保持一致的定點(diǎn)運(yùn)動。

1 系統(tǒng)硬件平臺

機(jī)器人自定位系統(tǒng)可將目的地的坐標(biāo)值(x，y)成功存儲下來，根據(jù)初始坐標(biāo)值(x0，y0)來完機(jī)器人轉(zhuǎn)角的確定，然后輪式機(jī)器人自主完成定點(diǎn)運(yùn)動并調(diào)整自身姿態(tài)。

1.1 移動平臺

機(jī)器人采用輪式移動平臺(如圖1所示)，長42 cm，寬32 cm，四輪驅(qū)動，采用充氣輪胎附加懸掛彈簧增強(qiáng)了移動平臺的越野能力。由于自定位系統(tǒng)采用點(diǎn)聲源，遮擋對聲音傳播有一定影響，故需將聲信標(biāo)及傳聲器陣列放置在移動平臺頂端。

圖1 移動平臺示意圖

1.2 聲信標(biāo)和聲陣列

聲信標(biāo)選用惠威M3S揚(yáng)聲器，全頻帶頻率響應(yīng)，額定功率15W，靈敏度(2.83 V/1 m)為81 dB。同時(shí)考慮環(huán)境噪聲、聲遮擋、信號采樣率、環(huán)境混響干擾等諸多因素，確定信號頻率為1 kHz～2 kHz，脈寬為10 ms～30 ms。將聲信標(biāo)放置在指定地點(diǎn)上，使其發(fā)聲，初始地點(diǎn)上的輪式機(jī)器人通過聲陣列對聲信號進(jìn)行采集，通過AD轉(zhuǎn)換后由主控模塊完成對目的地的坐標(biāo)判斷，得到其坐標(biāo)值(x，y)。

傳聲器采用駐極體自由場1/2英寸傳聲器，開路靈敏度為50 mV/Pa，頻率響應(yīng)范圍為20 Hz～20 kHz。動態(tài)范圍(3%失真)大于146 dB。

1.3 姿態(tài)調(diào)整模塊

姿態(tài)調(diào)整模塊選用采用MPU9150芯片，該芯片整合了MPU6050以及AK8975電子羅盤的功能。利用I2C通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，芯片內(nèi)置16 bit的AD轉(zhuǎn)換器，16 bit數(shù)據(jù)輸出(磁場13 bit)。磁場范圍±1 200μT。

1.4 主控模塊

系統(tǒng)選用微芯公司dspic33f系列高速DSC作為整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)算和控制核心，該芯片不僅具有DSP強(qiáng)大的運(yùn)算引擎，更是一個(gè)出色的微控制器(MCU)。芯片內(nèi)部集成了10 bit或12 bit ADC。其中10 bit A/D轉(zhuǎn)換器具有4個(gè)獨(dú)立的采樣保持電路，可以方便地對外部信號進(jìn)行采集，同時(shí)其外設(shè)接口相當(dāng)完備，包括了目前常用的接口形式I2C、SPI、UART、CAN、 CODEC。作為主控芯片主要進(jìn)行聲定位、誤差修正、姿態(tài)調(diào)整及數(shù)據(jù)傳遞。芯片將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后獲得位置信息，通過自定位算法得出各機(jī)器人方位，并控制機(jī)器人完成位置姿態(tài)調(diào)整功能。

2 聲定位

聲定位的基本原理是將傳聲器在空間布置成一定幾何形狀的陣列，以接收目標(biāo)的聲場信息，通過計(jì)算各傳聲器所拾取信號時(shí)延來確定目標(biāo)位置。自定位系統(tǒng)中聲陣列采用結(jié)構(gòu)相對簡單，數(shù)據(jù)處理方便的四元平面均勻圓陣［3］，孔徑D為40 cm。將傳聲器均勻放置在移動平臺正上方，以平臺形心為圓心，以孔徑D為直徑的圓上，并使坐標(biāo)系Y軸與移動平臺中軸線重合。示意圖如圖2所示(圖中虛線方框?yàn)橐苿悠脚_)。

圖2 四元平面均勻圓陣陣型圖及定位示意圖

其中4個(gè)陣元s1、s2、s3、s4為傳聲器，坐標(biāo)位置分別為(D，0)，(0，D)，(-D，0)，(0，-D)(D為孔徑)。設(shè)聲信標(biāo)直角坐標(biāo)系坐標(biāo)為(x，y，z)，球面坐標(biāo)為(γ，Ψ，θ)，則聲信標(biāo)距原點(diǎn)距離為γ，方位角為Ψ，俯仰角為θ。

假設(shè)聲信號以球面波的形式傳播，到達(dá)陣元s1、s2、s3、s4的時(shí)間分別為t1、t2、t3、t4(從發(fā)出無線指令開始計(jì)時(shí))，則目標(biāo)坐標(biāo)與時(shí)間及圓陣孔徑D的關(guān)系式可推導(dǎo)如下(c為聲速):

由式(1)可知，要得出目標(biāo)位置信息，只需要測出t1、t2、t3、t4即可。誤差主要來自時(shí)延估計(jì)誤差、測距誤差。

3 姿態(tài)調(diào)整

聲定位系統(tǒng)得到目的地的坐標(biāo)值A(chǔ)(x，y)和已知初始地點(diǎn)的坐標(biāo)值O(x0，y0)，可以得到A點(diǎn)相對于O點(diǎn)的夾角α，以及OA的距離S0。若履帶式機(jī)器人要從O點(diǎn)運(yùn)動到A點(diǎn)，而且初始的車身姿態(tài)和到達(dá)目的地的車身姿態(tài)保持一致。只需要在O點(diǎn)處使車身以β這個(gè)角度順時(shí)針原地轉(zhuǎn)動，接著直線前進(jìn)S0距離，就會準(zhǔn)確地到達(dá)A點(diǎn)，然后再以角度β逆時(shí)針轉(zhuǎn)動車身。使車身姿態(tài)與初始姿態(tài)相一致。這樣就完成了始末姿態(tài)相同的定點(diǎn)運(yùn)動。

圖3 輪式機(jī)器人的姿態(tài)調(diào)整過程

但是輪式機(jī)器人由于轉(zhuǎn)彎半徑的存在，不可能像履帶式機(jī)器人一樣原地自轉(zhuǎn)，輪式機(jī)器人在知道A點(diǎn)的方向時(shí)，車體會以轉(zhuǎn)彎半徑R0順時(shí)針運(yùn)動，當(dāng)主控模塊接收到電子羅盤正確的轉(zhuǎn)角信息β后，立即控制小車舵機(jī)復(fù)位，這時(shí)走過的距離為以R1為半徑的圓弧S1(圖中藍(lán)色的部分)，緊接著輪式機(jī)器人直線運(yùn)動，走過的路程為S2(圖中黑色部分)時(shí)，然后控制舵機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動，由于機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎半徑不變，機(jī)器人轉(zhuǎn)過的弧度S3與S1一致。這樣使車身的姿態(tài)與初始的姿態(tài)相同，這時(shí)，不難發(fā)現(xiàn)由于轉(zhuǎn)彎半徑和車身長度的影響，小車已經(jīng)運(yùn)動到A點(diǎn)的正上方，所以還需要控制小車后退S4這段距離，到達(dá)目的地。

問題的關(guān)鍵在于，如何控制機(jī)器人在第1個(gè)圓弧S1結(jié)束后，S2的距離到底為多少才能保證恰好與S3圓弧接軌以保證車身姿態(tài)能調(diào)整為初始姿態(tài)。

根據(jù)O點(diǎn)和A點(diǎn)坐標(biāo)，可知夾角α的大小，OA的距離S0，則輪式機(jī)器人以R0=R為半徑轉(zhuǎn)過的角度β

Δl為OA和S2這兩條平行線的距離

根據(jù)式(2)、式(3)、式(4)、式(5)可以的到S4和S2的值

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析

根據(jù)以上分析，在機(jī)器人平臺上編寫了聲定位程序和定點(diǎn)姿態(tài)調(diào)整程序，為了操作上的方便規(guī)定機(jī)器人的初始地點(diǎn)的坐標(biāo)O(0，0)，機(jī)器人的幾何中心與原點(diǎn)重合，車身與y軸重合。實(shí)驗(yàn)時(shí)分別在坐標(biāo)系的4個(gè)象限放置兩個(gè)聲信標(biāo)，利用機(jī)器人的聲定位系統(tǒng)來采集目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)，然后輪式機(jī)器人完成自主的相同姿態(tài)的定點(diǎn)運(yùn)動。

表1 姿態(tài)調(diào)整實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)分析:從表1中可以看到機(jī)器人在順時(shí)針調(diào)整時(shí)效果較好，姿態(tài)的調(diào)整和偏移距離都在允許的范圍內(nèi)，尤其表現(xiàn)在距離比較遠(yuǎn)的位置上，但是逆時(shí)針的表現(xiàn)還有待提高，而且遠(yuǎn)距離始終比近距離的表現(xiàn)要好。分析原因如下:輪式機(jī)器人盡管理論上的轉(zhuǎn)彎半徑是不變的，但是在試驗(yàn)中表現(xiàn)出來的是逆時(shí)針的轉(zhuǎn)彎半徑要比順時(shí)針的轉(zhuǎn)彎半徑要大，而且轉(zhuǎn)彎半徑的值也是有不同大小的抖動，這是導(dǎo)致順逆時(shí)針出現(xiàn)差異較大的主要原因，同時(shí)輪式機(jī)器人在機(jī)械傳動上也有一定的誤差。還有一些綜合因素也是數(shù)據(jù)出現(xiàn)不規(guī)律變化。

5 結(jié)束語

該設(shè)計(jì)以聲定位作為定位手段，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人

目標(biāo)定位。在聲定位系統(tǒng)建立坐標(biāo)系的基礎(chǔ)上機(jī)器人主控模塊自主完成對目標(biāo)點(diǎn)的運(yùn)動以及姿態(tài)調(diào)整，實(shí)際輪式機(jī)器人定點(diǎn)運(yùn)動解決方案還有很多而且相對復(fù)雜，本文介紹的只是其中一種，而且該方案使用也比較靈活。例如應(yīng)用在家用車入庫時(shí)，可以在車庫內(nèi)固定好聲信標(biāo)作為引導(dǎo)，但是由于車庫寬度的限制不能讓汽車行駛到目的點(diǎn)的前方，實(shí)際的解決方法是，事先控制汽車后退S4的距離然后完成行駛，順利入庫。

［1］王黎明，夏立，邵英，等.CAN現(xiàn)場總線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2008:120-121.

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［9］Microchip Tech Inc.MAPLAB ASM30，C30，LINK30 and Utilities User’s Guide［S］.2005.

鄭建生(1987-)，男，黑龍江省北安市人，山西省中北大學(xué)碩士研究生，主要研究方向人工智能與智能控制，839926100@qq.com;

楊衛(wèi)(1957-)，男，山西太原人，研高工，主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)域化為微武器系統(tǒng)，yangwei@nuc.edu.cn。

Attitude Adjustment of Wheeled Robot’s Fixed-Point M otion

ZHENG JianSheng1，2，YANGWei1，2*，XU Sheng1，2

(1.North University of China National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，Taiyuan 030051，China; 2.North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement，Taiyuan 030051，China)

To solve the wheeled robotwith a turning radius(different from the car with caterpillar and autorotation) attitude adjustment at point during exercise.The combination of internal electronic compass with a mobile robot platform designates an individual coordinate system for the global coordinate system and initializes electronic compass，allowing the system to complete the body posture of the electronic compass synchronization.Due to the turning radius of the vehicle and the impact of the length of the body，the correct robot can not travel to a specified distance and accomplish the same body posture to solve this problem for the future of smart intelligent drive vehicle，which has a very important practical significance.

smart car;attitude adjustment;intelligent control;sound localization;intelligent driving

C:7230

10.3969/j.issn.1005－9490.2017.01.030

TP242.6

:A

:1005－9490(2017)01－0158－04

2016-01-09修改日期:2016-02-25