錢春陽 許鵬

摘 要：為達(dá)到使雙輪機(jī)器人身體平衡的目的，本文基于模糊理論，設(shè)計(jì)出一款具有視覺識(shí)別能力的雙輪機(jī)器人。其間利用PDA通過網(wǎng)絡(luò)方式監(jiān)控機(jī)器人，以便任意控制二輪機(jī)器人前進(jìn)、后退及左右轉(zhuǎn)向，同時(shí)依靠主動(dòng)式自我平衡控制器的作用，使機(jī)器人保持身體平衡而不倒。

關(guān)鍵詞：視覺識(shí)別;機(jī)器人;系統(tǒng)設(shè)計(jì);雙輪機(jī)器人

中圖分類號(hào)：TP242文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）29-0052-03

Abstract： In order to achieve the purpose of balancing the body of the two-wheeled robot， this paper designed a two-wheeled robot with visual identity ability based on fuzzy theory. In the meantime， the PDA is used to monitor the robot through the network， so as to control the two-wheeled robot to move forward， backward， and turn left and right， at the same time， relying on the function of the active self-balancing controller， the robot can maintain the balance of the body without falling.

Keywords： visual identity;robot;system design;two-wheeled robot

近年來，半導(dǎo)體行業(yè)高速發(fā)展，加快了機(jī)器人時(shí)代的來臨，為了滿足人們的多樣需求，各種不同功能的機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生;無論是生產(chǎn)制造、家庭娛樂，還是環(huán)境安全維護(hù)、外層空間探險(xiǎn)等，機(jī)器人都扮演著舉足輕重的角色[1-3]。因此，世界各國(guó)對(duì)機(jī)器人的研發(fā)可以說是不遺余力[4-5]，比如，日本SONY的機(jī)器狗AIBO、HONDA人形機(jī)器人以及美國(guó)著名大學(xué)Massachusetts Institute of Technology（MIT）所發(fā)展的各類仿生物行走機(jī)器人等，都一再打破了技術(shù)上的限制與眾人的想象，展現(xiàn)了人類的智慧與巧思。鑒于此，筆者便產(chǎn)生了自行研發(fā)一個(gè)機(jī)器人的構(gòu)想。

本研究采用的原始動(dòng)機(jī)來自國(guó)外發(fā)名家Kamen所發(fā)明的Segway雙輪電動(dòng)滑板車，其具有模仿人體平衡感的功能，可以自動(dòng)平衡并保持直立。因此，筆者便利用此概念來達(dá)到使雙輪機(jī)器人身體平衡的目的。為達(dá)此目的，本研究必須設(shè)計(jì)一個(gè)主動(dòng)式平衡控制器，利用傳統(tǒng)倒單擺控制的概念，并考慮身體與輪子的相對(duì)角度與角速度關(guān)系，將其當(dāng)作控制變量，主動(dòng)控制兩輪的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向，使身體保持直立并且能自由轉(zhuǎn)向、前進(jìn)、后退[6-7]。其間利用模糊平衡控制器，有效地達(dá)成多項(xiàng)復(fù)雜任務(wù)，如兩輪機(jī)器人平衡控制、人機(jī)接口的親和力提升、無線影像傳輸系統(tǒng)構(gòu)建。同時(shí)，由于設(shè)計(jì)了視覺傳感器，因此其也具有初步的感測(cè)外界能力。

1 設(shè)計(jì)方法

下面首先說明整個(gè)控制平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)模式。機(jī)器人身體部分以輪軸為中心做前后擺動(dòng)，若以車身垂直地面為0°，則車身可擺動(dòng)的范圍為-90°～+90°，如圖1所示。

了解受控平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)模式、行動(dòng)決策后，在要求系統(tǒng)的反應(yīng)速度快及控制方法簡(jiǎn)單的前提下，為了達(dá)到兩輪機(jī)器人能行動(dòng)自如的目的，本研究設(shè)計(jì)出三個(gè)控制器，其分別為平衡控制器、定位控制器及兩輪同步控制器。平衡控制器是以車身傾斜的角度（eab）及角速度（evb）為輸入，計(jì)算出適當(dāng)?shù)鸟R達(dá)出力值（ub）來追回車身的重心。定位控制器用來克服車身為了保持直立而偏離定位點(diǎn)的情況，其輸入是輪子轉(zhuǎn)動(dòng)的位置（epp）及速度（evp），輸出為偏向角（[θset]）。兩輪同步控制器則用于修正兩輪因馬達(dá)特性不一致而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)量誤差，兩個(gè)輸入分別為左右輪位置差值（epw）及差值變化量（evw），輸出為馬達(dá)出力補(bǔ)償值（uw），為了使得雙輪車能前進(jìn)后退及左右轉(zhuǎn)向，本研究設(shè)計(jì)了前進(jìn)后退控制器及左右轉(zhuǎn)向控制器，分別通過更改車身定位點(diǎn)參數(shù)（Vp）及兩輪位置差值參數(shù)（Tp）來影響雙輪車的行為。雙輪機(jī)器人控制系統(tǒng)的電路如圖2所示。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

一般而言，自走車可歸為機(jī)器人一類。機(jī)器人可以說是最佳系統(tǒng)整合的象征，也是本研究最終所要達(dá)成的目標(biāo)。而以移動(dòng)方式來說，機(jī)器人除了以車輪帶動(dòng)外，還有其他許多不同的形式，例如，以“足”為移動(dòng)機(jī)構(gòu)的步行機(jī)器人，常見有六足機(jī)器人、四足機(jī)器人，另外甚至有雙足機(jī)器人。整體來說，步行機(jī)器人的行進(jìn)速度較慢，但可以應(yīng)用在較復(fù)雜的地形，如凹凸不平的路面或是跨越階梯。至于車形機(jī)器人則有移動(dòng)靈活的優(yōu)勢(shì)，但通常只適用于平坦的路面。另外，尚有配備各種大小吸盤及飛行機(jī)構(gòu)的攀墻機(jī)器人。

本研究以模糊理論為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出一款具有視覺識(shí)別能力的雙輪機(jī)器人。其間利用PDA通過網(wǎng)絡(luò)方式監(jiān)控機(jī)器人，任意控制二輪機(jī)器人前進(jìn)、后退及左右轉(zhuǎn)向，同時(shí)依靠主動(dòng)式自我平衡控制器的作用，使機(jī)器人保持身體平衡而不倒。主要目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)具有自我維持平衡能力的雙輪機(jī)器人，使其可行駛在傾斜不水平的地形上。最后可將車上之?dāng)?shù)字影像數(shù)據(jù)及車子的速度、角速度等數(shù)據(jù)經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)傳送，將其數(shù)據(jù)用響應(yīng)圖表現(xiàn)出來，而通過人機(jī)接口，人們可以任意控制二輪機(jī)器人前進(jìn)、后退及左右轉(zhuǎn)向。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)主要包括直流馬達(dá)、TA8429H電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、光耦合保護(hù)電路PC817、PWM產(chǎn)生電路8254、8255可編程并行I/O接口芯片、主控制芯片W78E58B、擴(kuò)充32K SDRAM、信號(hào)電壓轉(zhuǎn)換接口、外圍信號(hào)處理芯片W78E58B、串行服務(wù)器GW-21、譯碼電路HCTL2020、取樣電路ADC0804、光編碼器、濾波電路OPA2340、傾角傳感器、角速度陀螺儀、RF接收電路NT-R03A以及單片機(jī)AT89 C2051，如圖3所示。

人們可以通過無線局域網(wǎng)或有線通信介質(zhì)將雙輪機(jī)器人產(chǎn)生的數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)，遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)可實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，也可以向機(jī)器人發(fā)送指令使機(jī)器人按照要求執(zhí)行任務(wù)。同時(shí)，可以通過遙控器命令雙輪機(jī)器人執(zhí)行相應(yīng)操作，遙控裝置及供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖4所示。

為使雙輪機(jī)器人具有視覺識(shí)別功能，本研究設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)視覺服務(wù)追蹤系統(tǒng)。該系統(tǒng)由影像處理單元和軌跡運(yùn)算單元組成。影像處理單元的主要功能是對(duì)攝影機(jī)拍攝的連續(xù)影像進(jìn)行移動(dòng)目標(biāo)物的分割，也就是將移動(dòng)目標(biāo)物快速偵測(cè)出來。本研究采用背景相減法偵測(cè)移動(dòng)目標(biāo)物，此方法的運(yùn)算量較小，可做到即時(shí)移動(dòng)目標(biāo)物偵測(cè)。而軌跡運(yùn)算單元的主要功能是明確影像處理單元中找出的目標(biāo)物的部分運(yùn)動(dòng)軌跡，將目標(biāo)物的運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)代入基于模糊理論的類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)方程式中，利用類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)本身具有的數(shù)據(jù)擬合特性來估測(cè)目標(biāo)對(duì)象的運(yùn)動(dòng)軌跡，作為機(jī)器人即時(shí)響應(yīng)動(dòng)作的依據(jù)。

4 結(jié)論

為達(dá)到使雙輪機(jī)器人身體平衡的目的，本文利用PDA通過網(wǎng)絡(luò)方式監(jiān)控機(jī)器人，任意控制二輪機(jī)器人前進(jìn)、后退及左右轉(zhuǎn)向，同時(shí)依靠主動(dòng)式自我平衡控制器的作用，使機(jī)器保持身體平衡而不倒。為使雙輪機(jī)器人具有視覺識(shí)別功能，本研究設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)視覺服務(wù)追蹤系統(tǒng)。

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