方立友

(無錫南洋學(xué)院智信學(xué)院，江蘇 無錫　214081)

機(jī)器人是模仿人類特征做出的智能產(chǎn)品，電磁導(dǎo)航式機(jī)器人作為機(jī)器人的一種，具有三個(gè)特點(diǎn)。感知能力，電磁導(dǎo)航式機(jī)器人能通過系統(tǒng)感知到外界信息。獨(dú)立思考能力，電磁導(dǎo)航式機(jī)器人和人一樣擁有思考問題的能力，這個(gè)思考過程可以概括為加工問題、處理問題和決策問題。行為能力，機(jī)器人需要執(zhí)行系統(tǒng)下發(fā)的命令，對(duì)信息進(jìn)行輸出，從而形成行為。合理有效的智能控制系統(tǒng)能夠控制電磁導(dǎo)航式智能機(jī)器人的工作過程，保證工作質(zhì)量[1]。

本文主要對(duì)電磁導(dǎo)航式智能工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，分別對(duì)系統(tǒng)的硬件和軟件兩部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后利用試驗(yàn)驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)系統(tǒng)有突出優(yōu)勢(shì)。通過本文的研究可以發(fā)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠有效地對(duì)電磁導(dǎo)航式智能工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行控制，而且工作成本低、工作質(zhì)量高、耗費(fèi)時(shí)間短，是未來控制電磁導(dǎo)航智能機(jī)器人必然使用的系統(tǒng)之一[2]。

1　電磁導(dǎo)航式智能工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的電磁導(dǎo)航式智能工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)硬件部分由視覺傳感器、光電編碼器和嵌入式處理器3部分組成，系統(tǒng)硬件工作如下：視覺傳感器負(fù)責(zé)感知外部信號(hào)，將感知到的信號(hào)傳給光電編碼器，由編碼器編碼數(shù)據(jù)，最后由嵌入式ARM處理器處理整個(gè)信息。電磁導(dǎo)航式智能工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)總體框圖如圖1所示。

圖1　硬件部分設(shè)計(jì)總體框圖

在硬件系統(tǒng)上安置視覺傳感器能夠使其獲取感知外部信息的能力[3]。視覺傳感器主要利用彩色CCD和三維激光雷達(dá)采集外界信息，如果不能準(zhǔn)確地采集到視覺信息，將會(huì)對(duì)機(jī)器人的行駛速度、行駛路線以及躲避障礙物產(chǎn)生直接的影響，同時(shí)也決定著系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和魯棒性。處理視覺信息也是視覺傳感器的工作之一，處理內(nèi)容包括壓縮和濾波視覺信息，監(jiān)測(cè)障礙物，控制系統(tǒng)，識(shí)別感知三維信息。視覺感知器能夠利用二維圖像認(rèn)知三維環(huán)境信息，幫助機(jī)器分析所在的三維環(huán)境中物體的幾何信息。視覺傳感器能夠幫助機(jī)器人自定位、導(dǎo)航以及設(shè)置環(huán)境地圖，通過CCD采集信號(hào)，然后利用傳感系統(tǒng)將采集到的信號(hào)轉(zhuǎn)變成PAL制式的模擬信號(hào)，最后將PAL模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成YUV422數(shù)字信，利用USB2.0接口傳入PC內(nèi)存中。數(shù)據(jù)傳感器的視頻信號(hào)為PAL信號(hào)，獲得的像素為750(H)×420(V)，水平解像度為720TV lines，鏡頭為32倍光學(xué)變焦，68倍數(shù)字變焦，水平視場(chǎng)角為10°～70°，分為自動(dòng)、手動(dòng)、AE三種曝光方式，產(chǎn)生的噪聲小于50 dB，要求電源電壓為4～12 V。視覺傳感器擁有接收黑色彩色兩種圖像的能力分辨率高達(dá)700 X 352，可以無級(jí)縮放，且亮度、對(duì)比度、飽和度都可調(diào)[4]。

嵌入式ARM處理器是由英國(guó)劍橋ARM公司研發(fā)，目前已經(jīng)遍布工業(yè)領(lǐng)域、電子領(lǐng)域、通信領(lǐng)域。ARM處理器的處理精度能夠達(dá)到32位，對(duì)價(jià)格和功耗要求較高的消費(fèi)類產(chǎn)品應(yīng)用較多。根據(jù)ICE-RT邏輯進(jìn)行調(diào)試開發(fā)，耗功率極低，對(duì)于功耗要求較高的應(yīng)用來說較為合適，系統(tǒng)內(nèi)部為五級(jí)流水線結(jié)構(gòu)，指令集為代碼密度高并兼容16位的Thumb，支持各個(gè)類型的操作系統(tǒng)，最高的主頻為130MIPS，對(duì)于指令有極高的執(zhí)行效率，支持?jǐn)?shù)據(jù)Cache和指令Cache，具有其他處理器難以比擬的處理數(shù)據(jù)能力。ARM處理器在工作時(shí)要保證持續(xù)輸入50 A以上的穩(wěn)定電流和220 V的穩(wěn)定電壓，從而確保每小時(shí)的運(yùn)行頻率能夠60 MHz，ARM處理器還具備另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即工作延時(shí)極短，僅僅5 μs，完全可以忽略不計(jì)，并且運(yùn)行速度極快。數(shù)據(jù)輸入追蹤器的格式為：數(shù)據(jù)1+追蹤+數(shù)據(jù)2+檢測(cè)；輸出格式為：追蹤結(jié)果+追蹤效率[5]。追蹤器利用連接的VERO結(jié)構(gòu)完成數(shù)據(jù)的追蹤，追蹤周期在2～5 h之間，同時(shí)內(nèi)部設(shè)有EVM追蹤擴(kuò)展系統(tǒng)，增加了追蹤器的追蹤范圍，確保了追蹤過程的安全性。

2　電磁導(dǎo)航式智能工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

利用運(yùn)放原理實(shí)現(xiàn)電磁導(dǎo)航式智能工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計(jì)，計(jì)算過程如下：

(1)

(2)

式中I——工作電流；U——工作電壓；out1和out2——兩個(gè)輸出端。

(3)

式(3)能夠測(cè)定出輸出電壓。在測(cè)定出輸出電壓和輸入電壓后，要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制，控制算法如下所示[6]：

(4)

3　試驗(yàn)研究

為了測(cè)試本文設(shè)計(jì)的電磁導(dǎo)航式智能工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)是否具有實(shí)際可操作性，與傳統(tǒng)的電磁導(dǎo)航式智能工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，設(shè)計(jì)的試驗(yàn)參數(shù)如下：輸入電壓值為Uout為220 V，額定電壓值-UREF為100 V，輸出端1Iout1輸出的電流為20 A～50 A，輸出端2Iout2輸出的電流為10～100 A，在組態(tài)下進(jìn)行流程設(shè)定，工作時(shí)間為5 h。試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定如表1所示[7]。

表1　試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定

通過設(shè)定的參數(shù)和環(huán)境進(jìn)行試驗(yàn)，得出的結(jié)果如圖2所示。

圖2　傳統(tǒng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

由圖2可知，傳統(tǒng)系統(tǒng)通過輸出端1和輸出端2能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)機(jī)器人的控制，但控制過程極為不穩(wěn)定，并且受控端數(shù)和控制端數(shù)無法呈現(xiàn)比例關(guān)系，控制過程耗費(fèi)時(shí)間過長(zhǎng)，并且消耗大量的成本，得到的工作效率過低，傳統(tǒng)系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)有效控制[8]。設(shè)計(jì)系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果圖如圖3所示。

圖3　設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

由圖3可知，設(shè)計(jì)的電磁導(dǎo)航式智能工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)能夠有效利用輸出端1和輸出端2對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制，控制過程穩(wěn)定，不會(huì)受到外力沖擊，受控端數(shù)和控制端數(shù)呈現(xiàn)比例關(guān)系，可見本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)耗時(shí)更短、成本更低、工作質(zhì)量更好。

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