徐文麗,劉 丹,黨 興,劉偉靜,李 鵬

(天津航天機電設備研究所，天津 300458)

0 引言

隨著工業(yè)機器人技術的高速發(fā)展與制造加工業(yè)的迫切需求，工業(yè)移動機器人技術越來越受到社會的關注。由傳感器、遙控操作器和自動控制移動載體組成的機器人系統(tǒng)，得到了迅速的發(fā)展[1-3]。全向移動平臺能夠原地橫移、原地零半徑回轉，非常適用于工作環(huán)境狹窄、對準確定位和位置調整能力要求較高的場合。由于這些場合通常不適合人為操作，因此，迫切需要研制一種擁有自動導引和軌跡跟蹤功能的全向移動平臺[4-5]。基于嵌入式系統(tǒng)設計的移動平臺，以其強大而靈活的可應用性、高度的可靠性以及低成本等優(yōu)點，得到了廣泛應用[6]。本文以麥克納姆輪式全向移動機器人為研究對象。其控制系統(tǒng)使用進階精簡指令集處理器(advanced RISC machine,ARM)作為主控制器。該系統(tǒng)利用視覺傳感器，對前方道路環(huán)境進行圖像捕捉，通過計算提取圖像中的道路邊緣信息提供給道路識別程序，判斷自身位置和外部環(huán)境，并根據識別結果制定系統(tǒng)的行進規(guī)劃，實現自主、智能導航[7-9]。

1 系統(tǒng)總體方案

全向移動平臺循跡系統(tǒng)主要由ARM控制器、視覺傳感器、避障傳感器、驅動器、電機、無線遙控器、無線接收模塊、供電單元以及軌跡等組成，其系統(tǒng)結構如圖1所示。首先，通過無線遙控器向全向移動平臺發(fā)送循跡命令；然后，ARM控制系統(tǒng)進行相關信息的初始化，完成循跡控制的準備工作。視覺傳感器將實時采集的路徑信息輸入ARM控制系統(tǒng)。系統(tǒng)根據循跡控制算法處理結果得出電機的轉向與速度，進而實時控制全向移動平臺的運行[10]。在運行過程中，若遇到障礙，移動平臺依據避障傳感器檢測到的障礙物距離信息作出相應處理。

圖1 循跡系統(tǒng)結構圖Fig.1 Structure of tracking system

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 主控制器

控制系統(tǒng)性能的優(yōu)劣，直接決定了整個移動平臺控制系統(tǒng)性能的好壞以及控制系統(tǒng)性能的穩(wěn)定性。主控制器作為循跡系統(tǒng)的核心部分，負責完成視覺傳感器輸出信號的采集、路徑信息與當前環(huán)境的判斷、移動平臺運行速度與方向的控制等功能[11]。本設計選用ARM系列芯片LM3S9B96作為系統(tǒng)的控制核心，其集成了脈沖寬度調制(pulse width modulation,PWM)、通用輸入/輸出(general-purpose input/output,GPIO)端口、控制器局域網總線(controller area network,CAN)、模擬數字轉換器(analog-to-digital converter,ADC)、通用異步收發(fā)傳輸器(universal asynchronous receiver/transmitter,UART)等模塊，具有豐富的I/O接口及寄存器等資源，可進行二次開發(fā)，使用方便[6]。

2.2 無線遙控模塊

該系統(tǒng)通過無線遙控器向全向移動平臺發(fā)送循跡控制命令。無線遙控模塊采用CC430F6137控制器，其內部集成了CC1101射頻收發(fā)模塊，采用通用的ISM頻段(433 MHz)實現數據的無線傳輸[12]。

2.3 路徑識別模塊

該系統(tǒng)采用自主研發(fā)的視覺傳感器作為路徑信息采集傳感器。該傳感器輸出采用RS-485接口，采用“一問一答”的通信方式，可識別二維碼與色帶，并通過對接口發(fā)送選擇命令識別色帶的顏色。該系統(tǒng)軌跡可選用綠色、紅色、藍色3種顏色的色帶，并將其粘貼在地面上。通過定時發(fā)送詢問命令，視覺傳感器輸出接口將輸出移動平臺相對于色帶的橫向與縱向位置，以及角度的偏差值。

2.4 傳動模塊

傳動模塊包括電機驅動器和電機。電機驅動模塊在單片機控制系統(tǒng)中是必不可少的，它和電機共同組成移動平臺的運動控制系統(tǒng)[13]。該系統(tǒng)的驅動電機選用雷賽ACM低壓交流伺服電機，適配ACS系列交流伺服驅動器。

2.5 避障模塊

避障模塊采用“西克”公司的激光掃描器TIM310。其可掃描270°的范圍，最多可設置16個保護區(qū)域，掃描距離可達到4 m。設置掃描器的正常、報警、急停3個區(qū)域，并通過3個開關量輸出來實現，使得全向移動平臺在不同情況下對檢測到的障礙物進行不同的反應。

2.6 供電模塊

電源模塊采用靈活、方便的單電源供電模式為所有模塊供電?？刂颇K采用5～30 V寬電壓供電。電機采用60 V磷酸鐵鋰電池供電。各模塊采用36～72 V轉24 V DC/DC穩(wěn)壓電源模塊供電。

3 軟件設計與實現

軟件系統(tǒng)主要實現決策與導向的功能。該系統(tǒng)軟件采用C語言編寫，以Keil uVision4軟件作為開發(fā)環(huán)境。根據系統(tǒng)硬件設計，軟件系統(tǒng)使用模塊化的軟件，可以大致分為主程序、循跡模塊程序、電機的PWM轉速與方向控制模塊以及安全防護模塊。軟件控制系統(tǒng)主程序流程如圖2所示。

圖2 軟件控制系統(tǒng)主程序流程圖Fig.2 Flowchart of main program of software control system

當操作人員通過無線遙控器發(fā)送循跡指令時，全向移動平臺控制系統(tǒng)進入循跡模式，主程序將對視覺傳感器、GPIO與PWM口、定時器以及中斷程序等進行初始化。在運行過程中，程序將不斷地掃描視覺傳感器輸出信號與激光掃描器連接的I/O口，對路徑信息進行判斷，并進入相應的處理程序。

3.1 循跡控制算法

循跡控制算法以視覺傳感器輸出的橫向與縱向位置、角度的偏差作為輸入，計算出移動平臺的預定行車速度，并完成轉向和速度控制。

全向移動平臺循跡控制算法流程如圖3所示。

圖3 循跡控制算法流程圖Fig.3 Flowchart of tracking control algorithm

程序初始后啟動定時器，定時向視覺傳感器發(fā)送命令，以詢問當前的位置信息。當視覺傳感器檢測到色帶時，程序將賦予移動平臺前進速度初值VY0，控制其開始向前移動。若傳感器輸出的橫向距離偏差為負值，則色帶位于移動平臺中心線右側，需控制移動平臺向右移動，即控制量VX為正值；反之，若傳感器輸出為正值，控制量VX為負值。傳感器檢測的角度偏差以傳感器Y軸方向為零點，逆時針方向角度增大。當輸出角度偏差在0～90°時，移動平臺相對色帶右旋轉了一定角度，需控制移動平臺向左旋轉，即控制量W為負值；反之，若輸出角度偏差在270°～360°時，需增加的控制量W為正值。

為使全向移動平臺能夠沿色帶線快速而穩(wěn)定地運行，除了合理地控制方向外，還要結合路徑的各種情況調整移動平臺的前進速度，使得移動平臺在直道上能以較快速度行駛，在彎道上又不會因為速度過快而偏離色帶。因此，必須根據實時路徑彎曲程度，即偏角的大小，正確地調整移動平臺的當前前進速度。該系統(tǒng)采用前進速度與偏角成反比例的關系，實時調整前進速度，實現入彎減速、出彎加速的控制方式。

當視覺傳感器檢測到二維碼時，可識別距離與角度偏差值以及二維碼編號。視覺傳感器依據偏差值進行糾偏，依據二維碼編號來執(zhí)行相應的動作或命令。

3.2 電機控制子程序

該控制系統(tǒng)通過輸出不同頻率的PWM波與I/O電平，實現對電機的有效控制。頻率越大，電機轉速越快。電機額定轉速為3 000 r/min，采用0～500 kHz頻率PWM波，正比例控制電機轉速。

以循跡算法的輸出參數VX、VY、ω為輸入，根據全向移動的數學模型計算公式，實時計算全向移動平臺4個輪子的當前速度與方向。數學模型公式如下[14]：

(1)

式中：V1、V2、V3、V4分別為4個輪子速度矢量；VX、VY、ω分別為全向移動平臺在平面X、Y方向上的平移速度和繞Z軸的轉動速度；W為移動平臺輪距；L為移動平臺軸距。本文設計的移動平臺中：R=215 mm，W=804 mm，L=1 022 mm，電機0、3與電機1、2采用對稱裝配，V1、V3方向與電機轉動方向一致，則V2、V4方向與電機轉動方向相反。當速度V>0時，輪子正轉；反之，則為反轉。

3.3 安全防護

激光掃描器TIM310將距離信息轉換成開關量信息輸入到GPIO接口。應用程序通過讀取開關量信號的數值，即可判斷前后方有無障礙物以及障礙物的距離信息。當檢測到障礙物距離小于50 cm時，移動平臺減速；距離小于20 cm時，移動平臺將停止運行。

當全向移動平臺未檢測到色帶與二維碼時，進行丟道處理，移動平臺將停止運行。此時，可以通過無線遙控器來控制全向移動平臺。若重新檢測到色帶(即回到軌道)，可恢復正常循跡狀態(tài)。

4 試驗測試

試驗場地選擇廠房內干凈、平整的淺灰色地面，循跡軌道為1 cm寬的綠色與紅色膠帶。軌道分為圓弧形、矩形和S型。環(huán)境光線為一般強度的漫射自然光。視覺傳感器置于全向移動平臺的底端，激光掃描器置于全向移動平臺上端中央(相對于軌道中間)。

視覺傳感器識別的色帶顏色初始值設為“紅色”。在循跡過程中，此識別顏色可依據命令隨時更改，并經反復調整視覺傳感器離地面的距離實現精準檢測。通過無線遙控器向全向移動平臺下達“前進”“后退”“左移”“右移”“轉向”等命令，使全向移動平臺處于紅色色帶軌道上。此時，發(fā)送“循跡”命令，全向移動平臺可自主循跡。在循跡過程中，全向移動平臺可實時檢測周圍障礙物的情況。若檢測到全向移動平臺與障礙物的距離小于20 cm，即刻停止運行，以實現安全防護。

多次調整全向移動平臺的前進速度并進行循跡試驗測試。結果表明，影響全向移動平臺循跡效果的關鍵因素有兩個：一是視覺傳感器離地面的距離，二是全向移動平臺行駛的速度。前者決定了視覺傳感器檢測軌跡的準確性和靈敏度，后者與全向移動平臺循跡的準確性和成功率有關。該循跡系統(tǒng)入彎減速出彎加速的循跡方式，提高了轉向的靈敏度，同時有效控制了行駛速度，使全向移動平臺在循跡過程中左右搖擺幅度較小、緊貼軌道行駛。該循跡系統(tǒng)經過多次試驗測試，循跡效果皆較為理想。

5 結束語

本文設計的基于ARM控制器的全向移動平臺智能循跡系統(tǒng)，具有一定的道路辨認適應能力和環(huán)境變化適應能力。其可在狹小空間內實現自主巡線、自動調速、安全防護，并能夠以較快的速度完成循跡運動。

該系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠，能滿足系統(tǒng)的實時性要求，達到了預期的目標和要求，可以應用到裝配生產、倉儲物流等領域，具有一定的實用性。

參考文獻:

[1] 黎紅.自主移動機器人路徑規(guī)劃中的主要方法[J].中國電力教育,2010(S1):814-816.

[2] 李波,楊衛(wèi),張文棟,等.一種智能小車自主尋/循跡系統(tǒng)設計[J].計算機測量與控制,2012,20(10):2798-2801.

[3] 侯華,馮波,宋彬.自適應智能光電循跡系統(tǒng)的設計與實現[J].自動化儀表,2014,35(3):77-81.

[4] 李磊,葉濤,譚民,等.移動機器人技術研究現狀與未來[J].機器人,2003,24(5):475-480.

[5] 徐國華,譚民.移動機器人的發(fā)展現狀及其趨勢[J].機器人技術與應用,2001(3):1-3.

[6] 孫雪飛,胡巍.例說TI ARM Cortex-M3—基于LM3S9B96[M].北京:北京航空航天大學出版社,2013．

[7] KAHRAMAN A F,GOSAVI A,OTY K J.Stochastic modeling of an automated guided vehicle system with one vehicle and a closed-loop path [J].IEEE Transactions on Automation Science and Engineering,2008,5(3):504-518．

[8] 陳超,葉慶泰.基于圖像引導的自動導引小車系統(tǒng)設計[J].機械設計與研究,2004,20(1):65-67.

[9] OLMI R,SECCHI C,FANTUZZI C.Coordination of multiple AGVs in an industrial application[C]//IEEE International Conference on Robotics and Automation.IEEE,2008:1916-1921.

[10]庹朝永.基于單片機的直流電機PWM調速系統(tǒng)設計與開發(fā)[J].煤炭技術,2011,30(6):62-63.

[11]宋永獻,馬娟麗,賀乃寶,等.基于TMS320F2812 的智能循跡小車控制系統(tǒng)設計[J].計算機測量與控制,2011,19(9):2128-2130.

[12]林凡強,馬曉茗,謝興紅.CC430無線傳感網絡平臺基礎與實踐[M].北京:北京航空航天大學出版社,2012.

[13]陳秀霞,盧剛,李聲晉,等.輪式機器人用無刷直流電機控制系統(tǒng)設計[J].測控技術,2010,29(5):55-59.

[14]李洪振,侍才洪,康少華,等.全向移動機器人行走機構控制系統(tǒng)的設計與優(yōu)化[J].制造業(yè)自動化,2013,35(9):34-37.