崔瑞超,司靜靜,遲明路

(1.河南工學(xué)院 電氣工程與自動化學(xué)院,河南 新鄉(xiāng) 453003;2.河南工學(xué)院 智能工程學(xué)院,河南 新鄉(xiāng) 453003)

0 引言

隨著機器人技術(shù)、人工智能技術(shù)的迅速發(fā)展,履帶式變形機器人在民用生活、軍用實戰(zhàn)、工業(yè)生產(chǎn)等方面已得到廣泛的應(yīng)用[1-2]。目前,履帶式變形機器人應(yīng)用于平坦環(huán)境的研究已經(jīng)相當成熟,但對履帶變形機器人越障的研究還有很大的提升空間[3-4]。眾所周知,樓梯是環(huán)境中一種最典型、最特殊的障礙物,研究履帶式變形機器人攀爬樓梯的運動控制具有重要的實際意義。

1 總體設(shè)計

本文提出一種履帶式變形機器人攀爬樓梯控制系統(tǒng),采用STM32F103作為主控芯片,主要包括主控部分、信息采集部分、執(zhí)行部分。信息采集部分負責(zé)感知環(huán)境信息和機器人的機身信息,主控部分負責(zé)分析感知到的信息并做出對應(yīng)的任務(wù)規(guī)劃,執(zhí)行部分負責(zé)完成規(guī)劃的運動任務(wù)。系統(tǒng)整體具有感知環(huán)境信息、任務(wù)規(guī)劃以及決策執(zhí)行等方面的能力,系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

信息采集部分包括超聲波測距模塊、煙霧測量模塊、姿態(tài)測量模塊、溫濕度測量模塊;主控部分接收并處理采集到的數(shù)據(jù)信息,規(guī)劃路徑和向執(zhí)行模塊發(fā)送行為指令;執(zhí)行部分包括電機、編碼器、減速器、驅(qū)動電路,根據(jù)主控部分發(fā)出的行為指令對電機進行控制,并將實時運行信息反饋給控制器。機器人運動控制平臺如圖2所示。

圖2 機器人運動控制平臺

2 硬件設(shè)計

根據(jù)總體設(shè)計及功能要求,硬件部分主要包括電源模塊、通信模塊、傳感器模塊、主控部分、驅(qū)動控制模塊、電機。硬件設(shè)計框圖如圖3所示。

圖3 硬件設(shè)計框圖

2.1 STM32F103主控器

主控部分是整個控制系統(tǒng)的核心,負責(zé)處理傳感器模塊采集到的數(shù)據(jù)信息,實現(xiàn)對執(zhí)行部分的控制,使整個系統(tǒng)達到預(yù)期的功能要求。

主控器使用STM32F103芯片,該芯片采用Cortex-M3內(nèi)核架構(gòu)。STM32F103的SRAM和FLASH分別為64KB、512KB,處理器為32位,CPU主頻為72MHz,具有2個高級定時器、4個通用定時器、2個基本定時器、1個CAN、1個USB、1個SDIO接口、1個FSMC接口、1個12位DAC、3個12位ADC、2個IIC、3個SPI、5個串口、112個通用I/O口。STM32F103具有電壓能耗低、處理性能高、使用空間大、成本低、實時性能強、集中度高、開發(fā)利用相當方便等優(yōu)點[5-6],可以滿足使用者的各種要求。

圖4 STM32F103主控器

2.2 測距傳感器

測距傳感器采用超聲波模塊,利用超聲波測距原理探測機器人到兩側(cè)障礙物的距離[7],傳感器原理如圖5所示。

圖5 測距傳感器工作原理圖

2.3 姿態(tài)傳感器

姿態(tài)傳感器選用可以獨立完成姿態(tài)算法處理的MPU-6050傳感器,該傳感器通過姿態(tài)運算,可以把測量的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量,算出俯仰角、偏航角、翻滾角[8-9]。其工作原理如圖6所示。

圖6 姿態(tài)傳感器工作原理圖

3 軟件設(shè)計

履帶式變形機器人在攀爬樓梯過程中的兩個控制變量分別為位置偏移比值Q和偏航角θ。位置偏移比值Q通過對測距傳感器采集的數(shù)據(jù)進行計算得到,偏航角θ通過對姿態(tài)傳感器采集的數(shù)據(jù)計算得到。自主攀爬樓梯控制框圖如圖7所示,dL、dR分別表示機器人距離樓梯左側(cè)和右側(cè)的距離,Q表示離樓梯左右兩側(cè)距離的比值,V為機器人的勻速移動速度。

行駛方向控制器的主要作用是根據(jù)傳感器測量出的偏航角判斷機器人的運行方向,其優(yōu)先級最高。在攀爬過程中,主控部分首先要判定機器人的偏航角度;當機器人偏航角度較大時,履帶可能會出現(xiàn)打滑現(xiàn)象,導(dǎo)致機器人傾翻。居中位置控制器的主要作用是控制機器人沿樓梯中間位置爬行,其優(yōu)先級低于行駛方向控制器;機器人在攀爬過程中,若偏航角度超過主控部分設(shè)定的角度限值,行駛方向控制器發(fā)生作用;若沒有超過角度限值,居中位置控制器發(fā)生作用,并調(diào)節(jié)位置偏移比例值。

履帶式變形機器人以速度V勻速爬行時,主控部分根據(jù)傳感器采集的數(shù)據(jù)信息得出的偏航角度和位置偏移比值來控制輸出的脈沖寬度調(diào)制信號,調(diào)節(jié)左右電機的速度。

圖7 自主爬樓梯控制框圖

3.1 擺臂分析

履帶式變形機器人的履帶臂可以實現(xiàn)0—360°旋轉(zhuǎn),當其遇到樓梯臺階等垂直障礙時,它的履帶臂會進行90°翻轉(zhuǎn)完成攀爬任務(wù)。圖8為運動模型示意圖。

圖8 運動模型示意圖

在圖8中,(X、O、Y)是世界坐標系,(XR、OR、YR)是位于機器人中心的坐標系,XR與YR為正交關(guān)系,XR表示機器人的運行方向,VL和VR分別代表左輪和右輪運動速度,b表示機器人車身寬度。機器人在運行中偏離X軸的角度用θ表示,定義θ>0表示機器人做逆時針方向運動,θ<0表示機器人做順時針運動。

對運動模型進行數(shù)學(xué)分析[10],可以得到機器人在圖形中的坐標變化。機器人運動的坐標用(x,y)表示。設(shè)點(0,0)為機器人的起始坐標,經(jīng)過一段時間t,運動軌跡x(t)、y(t)、θ(t)滿足:

(1)

(2)

(3)

機器人的履帶臂上安裝有驅(qū)動電機,機器人遇到樓梯時通過擺臂運動實現(xiàn)攀爬前進。擺臂運動模型和擺臂履帶系統(tǒng)如圖9所示。

設(shè)t=0時,機器人位于原點O處,t時間后,機器人以角速度ω轉(zhuǎn)動左右履帶前臂至旋轉(zhuǎn)角度θ處,可得出:

θ=ω·t

(4)

當機器人兩個履帶前臂的驅(qū)動電機接收到相同大小、相同方向的速度信號時,機器人的旋轉(zhuǎn)角速度ω為:

(5)

式中,D1表示電機與旋轉(zhuǎn)臂上齒輪數(shù)之比,即減速比;n表示電機轉(zhuǎn)速,單位為r/min。由式(4)、(5)得:

(6)

通過對擺臂運動進行數(shù)學(xué)分析得出,當機器人旋轉(zhuǎn)履帶臂的驅(qū)動電機接收到同向同速信號時,機器人會做出擺臂運動來完成攀爬樓梯任務(wù)。

圖9 擺臂運動模型和擺臂履帶系統(tǒng)

3.2 爬樓梯控制研究

履帶式變形機器人在攀爬樓梯時,運動姿態(tài)直接影響攀爬效果,所以,機器人的姿態(tài)控制是本文主要的研究目標。為了更好地識別環(huán)境信息,更準確地判斷機器人姿態(tài),機器人本體安裝有傳感器模塊,主控器將傳感器采集到的信息進行加權(quán)融合計算;計算后的數(shù)據(jù)更接近實際值,然后再將數(shù)據(jù)與主控器給定的目標指令進行比較;當比較誤差較大時,機器人會調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速來減小誤差,調(diào)整機器人姿態(tài)。因此,機器人可以按照設(shè)定的軌跡完成攀爬樓梯任務(wù)。運動控制流程如圖10所示。

圖10 運動控制流程圖

3.3 控制算法設(shè)計

PI(Proportional Integral)調(diào)節(jié)器是由比例、積分組成的一種線性控制器,它根據(jù)給定值與實際輸出值構(gòu)成控制偏差,將偏差的比例積分和積分通過線性組合構(gòu)成控制量,對被控對象進行控制。

(1)比例環(huán)節(jié)是對系統(tǒng)在某一時刻產(chǎn)生的偏差做出反應(yīng),即當出現(xiàn)偏差時,向著偏差變小的環(huán)節(jié)進行調(diào)節(jié)[11];

(2)積分環(huán)節(jié)是把偏差變化的累加輸出,當出現(xiàn)偏差時積分輸出就會累加,輸出控制量來消除偏差[12]。

離散的PI表達式為:

(7)

式中,KP是比例系數(shù),e(k)為第k次采樣時刻輸入的偏差,u0為PI控制的初值,KI是積分系數(shù),T表示采樣的周期,TI表示為積分常數(shù)。

若采樣周期T很短,離散過程有可能接近模擬控制過程,若被控對象是變化的,變化的增量為Δu(k)。

增量式PI表達式為:

(8)

式中,KI為積分系數(shù),KP為比例系數(shù),u0為初始值。由式(7)、(8)得:

Δu(k)=KP[e(k)-e(k-1)]+KIe(k)

(9)

式中,e(k-1)、e(k)分別為第k-1次和第k次采樣時輸入的偏差。

機器人攀爬樓梯控制的目標就是調(diào)整運動姿態(tài),姿態(tài)傳感器檢測機器人位置信息,PI調(diào)節(jié)器控制機器人兩側(cè)電機的運行速度,進而達到調(diào)整機器人姿態(tài)的目的。機器人姿態(tài)控制框圖如圖11所示,當偏航角度與目標角度θ出現(xiàn)偏差時,機器人會通過PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速,實現(xiàn)運動姿態(tài)控制。

圖11 機器人姿態(tài)控制框圖

機器人開始樓梯攀爬動作時,通道1、2打開,機器人左右電機等速轉(zhuǎn)動,若機器人在運行過程中出現(xiàn)方向偏移,PI調(diào)節(jié)器自動調(diào)節(jié)兩側(cè)電機速度,進而機器人會自動校正軌跡。為實現(xiàn)對機器人運動姿態(tài)的控制分析,本文對機器人左右電機速度進行MATLAB仿真,結(jié)果如圖12所示。

圖12 速度仿真圖

由圖12可知,機器人在運動過程中,左右輪速度基本可以保持同步。

4 試驗及分析

為驗證前述分析的正確性,制作了實物樣機并在實驗室樓梯間進行相關(guān)測試。測試過程中,通過傳感器采集數(shù)據(jù)信息得到機器人的工作狀態(tài),根據(jù)機器人的偏航角度和偏移位置實時調(diào)節(jié)電機速度,最終實現(xiàn)了機器人的攀爬動作。試驗中選用的樓梯,每階寬30cm,高15cm,表1為爬樓梯試驗結(jié)果。

表1 爬樓梯試驗結(jié)果

由試驗結(jié)果可知,當機器人以不同的速度攀爬不同的臺階數(shù)時,都會存在一定的誤差;當速度增大時,誤差會出現(xiàn)增大的趨勢,但平均測量誤差均保持在3cm內(nèi),運行十分平穩(wěn)。

5 結(jié)論

(1)本文設(shè)計的履帶式變形機器人具備較高的攀爬樓梯的能力,通過搭建的硬件平臺驗證了機器人具備較強的越障性能。

(2)本文設(shè)計的PI調(diào)節(jié)器能夠很好地保證兩側(cè)電機運轉(zhuǎn)的同步性,MATLAB仿真結(jié)果表明,兩側(cè)電機的響應(yīng)曲線幾乎重合。

(3)在實驗室樓梯間進行了機器人攀爬樓梯測試,試驗測試數(shù)據(jù)誤差較小,證明系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性。