張 迪，劉 鑫

(1.安徽工業(yè)經(jīng)濟職業(yè)技術(shù)學院，合肥 230051；2.北京師范大學 政府管理學院，北京 100875)

0 引言

隨著當今社會生產(chǎn)和科學技術(shù)的不斷進步與發(fā)展，社會各界相關(guān)人士更加重視對智能機器人的研究。智能機器人的出現(xiàn)，改變了人類繁復(fù)的機械勞作，替代了簡單的人工作業(yè)，并且由于機器人能夠幫助人們完成復(fù)雜的工作環(huán)境下的危險性較高的工作[1]。伴隨人工智能技術(shù)在不斷發(fā)展進化，機器人的類別不斷增加，采用人工智能控制方法輔助機器人更好的完成所對應(yīng)的工作，它能很好的應(yīng)用在貨物的裝卸、技術(shù)制造、抗震救災(zāi)人物搜救等眾多領(lǐng)域，有著非常好的應(yīng)用前景[2]。機器人學包括控制操作、傳感技術(shù)等，通過改裝一輛微電動車嘗試了控制和傳感技術(shù)的研究，以輪式移動機器人的模式為改裝基礎(chǔ)，設(shè)計出了移動機器人自動避障控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)是基于單片機控制[3]。以前履帶式機器人與輪式機器人被應(yīng)用于很多不同的危險行業(yè)/環(huán)境的工作，各種勘察、救援搶險也廣泛應(yīng)用[4]。當前采用的履帶式機器人和輪式機器人多路舵機的自動避障主要是通過相對較低精度且數(shù)量有限的分時控制算法或排序算法進行控制的，這就導致了傳統(tǒng)機器人不能滿足所有情況下的避障要求。

據(jù)此，課題設(shè)計了一款基于LabVIEW軟件的機器人避障控制系統(tǒng)，目的是能夠更加準確的獲取機器人行駛及運動路徑上的盡可能全部的障礙物信息[5]。LabVIEW軟件的應(yīng)用有效的在排除外部環(huán)境信息具有多變性的情況下實現(xiàn)了機器人自主高效避障。

1 系統(tǒng)總計結(jié)構(gòu)設(shè)計

目前避障機器人由大體控制器、信息采集等模塊構(gòu)成了機器人的基本結(jié)構(gòu)[6]。該系統(tǒng)不僅需要實時處理非常多的數(shù)據(jù)而且避礙運行中機器不同的階段需要處理，所以要求主控芯片需要達到很高的標準，單一的 MCU 模塊在實時性的處理上很難達到大數(shù)據(jù)的要求, 所以使用LabVIEW軟件，其控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

所謂機器人避障控制系統(tǒng)，是為了實現(xiàn)有效識別環(huán)境和檢測障礙物，使用LabVIEW軟件，并通過融合多路信息技術(shù), 把已經(jīng)得到的多路信息整理并匯總到數(shù)字信號處理器模塊，接下來采用LabVIEW將信息綜合化處理，再把所得結(jié)果傳輸?shù)轿⒖刂茊卧K，傳輸方法是通過CAN 總線傳輸，微控制單元模塊的驅(qū)動方式是差動驅(qū)動，通過該驅(qū)動方式控制左右輪電機, 進而控制并調(diào)整機器人的位置和姿勢, 實現(xiàn)規(guī)避動作[7-8]。機器人的傳感器主要分布方向為：前、后、左、右，它的作用是在行進中遇到的物體等障礙物信息起到避免的作用。通過運行路程的記錄，達到對機器人定位目的[9]。

2 機器人避障控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

機器人避障控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖2設(shè)計的機器人避障控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，進行設(shè)計制作系統(tǒng)模塊化，集成控制的核心處理芯片為DSP，可以集中調(diào)度機器人控制執(zhí)行指令[10]。使用美國德州生產(chǎn)的TIMSP430型號單片機，具有16位超低功耗，將許多模擬電路、數(shù)字電路集成在同一個芯片上，為系統(tǒng)提供擴展口[11]。

2.1 硬件電路設(shè)計

超聲波的發(fā)射與接收電路、單片機8751等組成了機器人的自動避障系統(tǒng)，以圖3所示為它的硬件電路原理方框圖。

圖3 系統(tǒng)硬件電路

單片機P1.0端口和超聲波發(fā)射電路的輸入端相連接，定時中斷服務(wù)的子程序是由單片機操作完成的，在規(guī)定的時間段通過P1.0端口輸出一個40 k的方波, 促發(fā)驅(qū)動40 k的脈沖超聲波通過超聲波傳感器UCM40T傳出[12]。超聲波的發(fā)射和收到反射波的時間需要通過定時器的計數(shù)功能實現(xiàn)。單片機外部中斷INT0需要與超聲波接收電路輸出端相接, 一旦感應(yīng)到反射波，INTO端會由于輸出端生成的負跳變生成中斷請求信號，單片機該信號完成相應(yīng)的子程序，隨之通過超聲波自它發(fā)射起到它的接收為止時間的讀取，進行計算對機器人造成障礙的物體與機器人之間的距離[13]。

2.2 控制器結(jié)構(gòu)

基于嵌入式激光測距儀的機器人控制器主要由上位機和下位機兩個主要部分組成，上位機和下位機間的數(shù)據(jù)交換和嵌入式鏈接主要通過RS232 串行通信線纜實現(xiàn)[14]?？刂破鹘Y(jié)構(gòu)如圖 4所示。

圖4 控制器結(jié)構(gòu)

上位機是指對包括激光測距儀數(shù)據(jù)收集模塊、直接控制模塊和觸摸屏顯示模塊等可以實現(xiàn)移動機器人的直接控制，下位機是指包括攝像頭、嵌入式控制芯片以及電動機驅(qū)動電路可以間接控制激光測距機器人的模塊，下位機的主要功能是對激光測距傳感器信號和外部環(huán)境信息進行收集，實現(xiàn)智能控制算法下的控制方案的推算。上位機的主要功能是分析判斷上位機的數(shù)據(jù)，并進行管理，亦可對下位機發(fā)出控制命令[15]。

2.3 數(shù)字控制振蕩器

選用CGR-V610型號數(shù)字控制振蕩器可通過調(diào)制高精度的參數(shù)，輸出帶有高分辨率的正余弦波形。它的原理是對一寄存器的存儲頻率控制器進行預(yù)定設(shè)置，再將系統(tǒng)參考時鐘和每個周期所對應(yīng)的相位累加器所累加出的增長值，連同初始頻率控制值相加到一起，得到的總和就是當下時刻的相位值，輸入最高位的地址，可得到相對應(yīng)的波形幅度值，而正余弦波波形則是由輸出單元進行繪制。

2.4 傳感器

2.4.1 PAR傳感器

PAR傳感器的操作簡便，可用于全天候條件下，并可直接連接數(shù)字電壓表的數(shù)據(jù)采集器，它的主要作用是對400～700 nm波長范圍內(nèi)的自然光的光合有效輻射進行測量。PAR傳感器如圖5所示。

圖5 PAR傳感器

PAR傳感器相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 PAR傳感器相關(guān)參數(shù)設(shè)置

2.4.2 TSR傳感器

TSR傳感器運動參考單元可以滿足靜態(tài)、動態(tài)的不同工況要求，主要目的是對障礙物進行高精度、高可靠性的測量。TSR傳感器如圖6所示。

V形導向滾子是一種安裝了滾珠軸承的張力傳感器，其具備集成測量放大器；它可以輸出各種不同的信號，可能有很多不同配置，模擬，數(shù)字(可選)，電流(可選)，模擬DMS(可選)，是一種帶有機械保護的，方便操作員對定制材料的校準一種張力傳感器，并且對不同的滾輪都可以進行指定。TSR傳感器相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表2所示。

TSR傳感器相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 TSR傳感器相關(guān)參數(shù)設(shè)置

2.5 JTAG標準測試器

采用具有IEEE 1149.1兼容能力的JTAG，是一種針對芯片內(nèi)部測試的高級測試協(xié)議，針對當今大部分器件，如數(shù)字信號處理器、現(xiàn)場可編程門陣列、微處理器、部分單片機器件等。標準的JTAG測試儀器具備4線接口。

JTAG 接口由JTAG 端口和控制器兩部分組成，微處理器、微控制器、可編程邏輯器等以及其它符合IEEE1149.1 要求的芯片都可作為與JTAG 接口兼容的器件。IEEE1149.1 標準中規(guī)定需要設(shè)立一種特別的單元(寄存單元)在每個引腳位置。它可以隔離芯片與內(nèi)核電路，還可以把該電路與JTAG連接起來。

3 自動避障控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

LabVIEW(Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench)是一種運用圖形化編程語言的程序開發(fā)環(huán)境，廣泛地應(yīng)用于研究實驗室、學術(shù)界和工業(yè)界，被比作是一個規(guī)范的設(shè)備控制與數(shù)據(jù)采集軟件。LabVIEW具有RS-485 協(xié)議與GPIB、VXI、RS-232的數(shù)據(jù)采集卡和通信硬件的整合功能。其功能強大且內(nèi)部還配置了利于運用在ActiveX、TCP/IP等軟件中規(guī)范的庫函數(shù)。運用它能夠構(gòu)建簡單的虛擬設(shè)備，該圖形化界面能夠使其在使用和編程過程中變得敏捷有趣。

“G”語言是指圖形化的程序語言。該程序語言主要運用框圖或流程圖進行編程，基本上不需要輸入程序代碼，并運用工程師、科學家和技術(shù)人員熟知的圖標、概念以及相關(guān)術(shù)語。因此，LabVIEW是一個針對終端用戶的軟件工具。能夠提升所建立的工程系統(tǒng)及科學的能力，為完成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及設(shè)備編程提供了簡便的方法。在設(shè)計、測試完成設(shè)備系統(tǒng)和原理研究的過程中能夠提升工作效率。運用 LabVIEW能夠生成單獨運行的可執(zhí)行文件，其編譯器為32位或64位的。LabVIEW軟件為用戶提供了各種版本分別為Linux、UNIX、Windows、Macintosh。

機器人避障功能的設(shè)計，需要先確定編程所需的每個函數(shù)功能模塊，再根據(jù)LabVIEW軟件進行程序框圖的編寫，但擬定參數(shù)還需要結(jié)合模塊功能的調(diào)整。在執(zhí)行框圖里面進行編程代碼的操作，如圖6所示。

圖6 軟件程序設(shè)計流程

由圖6可知，軟件程序設(shè)計流程由系統(tǒng)初始化、超聲波參數(shù)設(shè)置、顯示波形、函數(shù)、連線等步驟構(gòu)成，前控制面板上為輸入和輸出功能模塊，后控制面板主要為程序組成連接模塊。

軟件程序分為主程序和子程序兩部分。主程序流程見圖7所示。

圖7 主程序設(shè)計流程圖

設(shè)計軟件的主程序主要負責初始化工作與發(fā)射超聲波。而超聲波的定時發(fā)射是由子程序的定時中斷服務(wù)來完成的；時間數(shù)值等主要由外部中斷服務(wù)子程序完成；控制算法則是用于距離的轉(zhuǎn)換和信息控制的子程序。以二級平鋪順序結(jié)構(gòu)為設(shè)計理念，進行了避障運動功能的創(chuàng)作。左右電機以及一種特殊的程序構(gòu)成了一級平鋪順序，該程序為旋轉(zhuǎn)角度的圖形化程序；二級平鋪順序是實現(xiàn)準確無誤的測量傳感器的超聲波，它的結(jié)構(gòu)是一側(cè)可以控制機器人的循環(huán)控制的圖形化程序，另一側(cè)要保證與TLP相符的上位機與下位機之間的設(shè)置傳輸。

4 實驗結(jié)果與分析

4.1 實驗環(huán)境與參數(shù)設(shè)置

為驗證基于LabVIEW軟件的機器人避障控制系統(tǒng)設(shè)計可行性，采用VC++6.0進行實驗分析。實驗是在Robotics Starter Kit 2.0硬件平臺上進行的，實驗組件部分采用Parallax公司系列產(chǎn)品的傳感器，工作頻率為50 kHz，測試范圍為0～5 m，能夠?qū)崿F(xiàn)精準非接觸式測量。實驗參數(shù)設(shè)置如表3所示。

表3 實驗參數(shù)設(shè)置

4.2 實驗方法及可靠性驗證

在Matlab軟件中使用Simulink軟件模擬機器人各種動態(tài)行為，簡化控制系統(tǒng)。待控制系統(tǒng)程序編制后，將程序輸入到Matlab軟件中，形成一個模擬程序，以此對程序進行調(diào)試。軟件運行環(huán)境，如圖8所示。

圖8 軟件開發(fā)環(huán)境 圖9 操作界面

LabVIEW軟件可為實驗分析提供各種TI設(shè)備以及軟件開發(fā)環(huán)境。在LabVIEW軟件下運行得到的操作界面如圖9所示。

設(shè)定一組標準的機器人避障軌跡信號，將其輸入至模擬程序中，同時采用課題方法控制機器人避障軌跡，其信號輸出結(jié)果及標準軌跡信號曲線如圖10所示。

圖10 機器人避障控制信號測試輸出

由圖10可知，在實驗測試平臺下，兩組避障控制信號擬合度較高，課題方法輸出信號與標準避障軌跡信號完全一致，說明課題方法具有良好跟蹤控制效果，具有一定可靠性。

4.3 實驗效果分析

根據(jù)上述內(nèi)容，將傳統(tǒng)系統(tǒng)與基于LabVIEW軟件系統(tǒng)的避障效果進行對比分析，結(jié)果如下所示。

1)靜態(tài)：

當障礙物處于靜止狀態(tài)時，采用兩種系統(tǒng)的避障效果如表4所示。

表4 靜止障礙物下兩種系統(tǒng)避障效果

由表4可知：當障礙物靜止時，采用兩種系統(tǒng)避障效果差別較大，使用基于LabVIEW軟件系統(tǒng)控制的機器人能夠通過精準繞過障礙物。當機器人行駛距離為300 m時，該系統(tǒng)避障效果達到最高為97%。

2)動態(tài)：

當障礙物處于運動狀態(tài)時，采用兩種系統(tǒng)的避障效果如表5所示。

表5 運動障礙物下兩種系統(tǒng)避障效果

由表5可知：機器人在移動過程中，障礙物處于運動狀態(tài)，具有動態(tài)特性。采用基于LabVIEW軟件設(shè)計的系統(tǒng)具有自適應(yīng)性，當機器人行駛距離為200 m時，該系統(tǒng)避障效果達到最高為95%。而當機器人行駛距離為50 m時，該系統(tǒng)避障效果達到最高為94%。

通過上述對比內(nèi)容，可得出實驗結(jié)論：基于LabVIEW軟件的機器人避障控制系統(tǒng)設(shè)計是具有可行性的。

5 結(jié)束語

采用LabVIEW軟件設(shè)計的機器人自主高效避障控制系統(tǒng)，儼然已經(jīng)作為一種至關(guān)重要且有效的智能控制形式。LabVIEW軟件非常適用于突發(fā)緊急的遇到障礙物時智能機器人的避障，而且它可以參照仿真實驗得到的結(jié)果，進行相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)和設(shè)計理念與規(guī)則進行優(yōu)化設(shè)計，具備十分靈活的控制方法。

基于LabVIEW軟件的機器人避障控制系統(tǒng)雖然與傳統(tǒng)的避障方法有一定的改觀和突破，也實現(xiàn)了機器人的自動避障功能，但由于采用了雙芯片控制系統(tǒng)的設(shè)計，使得硬件電路存在一定的復(fù)雜性，同時因為LabVIEW也是一種比較復(fù)雜、難度比較大的技術(shù)，在控制的實時性上存在一定的問題，因為想要完全植入嵌入式控制芯片，就需要非常大的空間，未來可以在以下方面做出改進：

①模塊化的電路與芯片的單一化處理，可以讓控制系統(tǒng)的的抗干擾能力起到增強的作用，也可以增加其穩(wěn)定性，進而對電路結(jié)構(gòu)也做到了一定程度上的簡化。

②采用LabVIEW軟件，在降低由于算法移植帶來的不必要的系統(tǒng)開銷的同時，可以降低該技術(shù)的復(fù)雜性，或者也可以采用一種相對而言更加簡單明了的自適應(yīng)學習算法，不僅提高了它的智能化，也使得控制系統(tǒng)的靈活性得到了很大的提高，進一步提高其智能化水平。