卞悅旭，倪 偉，王展旭

(青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061)

0 引言

近年來，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)高度發(fā)展，在工業(yè)、服務(wù)、災(zāi)后救援等方面的應(yīng)用越來越廣泛。機(jī)器人能夠機(jī)械化地完成系統(tǒng)設(shè)定的任務(wù)，相比較于人工其完成過程效率更高、準(zhǔn)確性更好。但是機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)時(shí)會遭遇各種路況和情景，容易出現(xiàn)卡死或側(cè)滑摔倒等情況，所以對移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行跟蹤控制就變得尤為重要[1-2]。

當(dāng)前已有相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者對移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)跟蹤控制作出了研究。文獻(xiàn)[3]提出以 CoDeSys為核心的全方位移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)。根據(jù)機(jī)器人位置和航向偏差構(gòu)造 Lyapunov函數(shù)，利用運(yùn)動(dòng)學(xué)反演、牽引輪、方向盤等約束條件對車輛速度進(jìn)行規(guī)劃，優(yōu)化跟蹤控制系統(tǒng)；文獻(xiàn)[4]提出基于質(zhì)心偏移的移動(dòng)機(jī)器人軌跡跟蹤控制方法，利用虛擬反饋?zhàn)兞糠治隹刂葡到y(tǒng)在各方向的穩(wěn)定性，利用指數(shù)逼近率降低滑模變結(jié)構(gòu)控制的抖動(dòng)，從而設(shè)計(jì)線速度和角速度控制律，實(shí)現(xiàn)參考軌跡的跟蹤。

綜上所述，本文基于大數(shù)據(jù)聚類法提出移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)，針對系統(tǒng)的硬件和軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)硬件主要設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程控制模塊和舵機(jī)控制模塊，軟件部分通過大數(shù)據(jù)聚類實(shí)現(xiàn)分析步態(tài)、障礙物過程、行走控制，實(shí)現(xiàn)對移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)跟蹤控制。

1 移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)硬件包括主控制器、驅(qū)動(dòng)控制器、遠(yuǎn)程控制模塊、舵機(jī)控制模塊及電源模塊五部分。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.1 主控制器

移動(dòng)機(jī)器人主控制器設(shè)計(jì)30個(gè)I/O端口，用于按鍵、避障模塊的連接。主控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 主控制器結(jié)構(gòu)

由圖2可知，本文研究的主控制器結(jié)構(gòu)主要由定時(shí)器、通信接口、控制芯片等組成。3個(gè)定時(shí)器，用于直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和機(jī)器人姿態(tài)保持控制，4個(gè)USART通信接口，用于遠(yuǎn)程無線通訊，圖像采集的數(shù)據(jù)傳輸和舵機(jī)驅(qū)動(dòng)連接。選用STM32F芯片，其性能強(qiáng)勁，滿足基本的控制需求，芯片內(nèi)部集成元件豐富，功耗低，工作頻率可達(dá)到10 MHz，同時(shí)支持外接USB擴(kuò)展。芯片集成有512字節(jié)的閃存和64SRAM的臨時(shí)儲存，11個(gè)多功能雙向I/O按鍵端口；2個(gè)16位緊急剎車，4個(gè)16位定時(shí)器；2個(gè)IC接口，5個(gè)USRAT接口和5個(gè)CAN接口用于通訊[5-6]?？刂破麟娐啡鐖D3所示。

圖3 控制器電路圖

1.2 驅(qū)動(dòng)控制器

主控制器無法直接驅(qū)動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人，因此需要驅(qū)動(dòng)模塊控制直流電機(jī)輸出更大的轉(zhuǎn)矩，支持機(jī)器人的移動(dòng)，為機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)能保證。機(jī)器人移動(dòng)過程中兩側(cè)主動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)同時(shí)工作，分別控制機(jī)器人移動(dòng)的速度和方向。驅(qū)動(dòng)控制器電路如圖4所示。

圖4 驅(qū)動(dòng)控制器電路圖

觀察圖4可知，電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器通常內(nèi)置橋型電路，一組電路能夠很好地控制電機(jī)工作狀態(tài)，另一組電路通過三極管來對電機(jī)的翻轉(zhuǎn)進(jìn)行控制。當(dāng)電機(jī)產(chǎn)生勵(lì)磁時(shí)，PWM脈沖的占空比也會變化，電機(jī)的速度能夠得到有效控制[7-8]。

驅(qū)動(dòng)控制器選擇DBH-01型雙路驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器的剎車功能表現(xiàn)穩(wěn)定，且可匹配不同速度，使用多種控制場景，采用光耦隔離能夠最大程度地減少外界干擾。工作電壓固定在6～10 V，設(shè)定電機(jī)的極限電壓是15 V。輸出通道如圖5所示。

圖5 輸出通道

觀察圖5可知，2路輸出通道作為直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)接口，單路接口最大可輸出電流為25 A，能夠很好地滿足大轉(zhuǎn)矩的移動(dòng)需求?？刂菩盘栯妷簽?～8 V，兼容3 V、4 V、6 V驅(qū)動(dòng)器，勵(lì)磁脈沖占空比范圍為0～95%，極限值為97%。

1.3 遠(yuǎn)程控制模塊

當(dāng)機(jī)器人移動(dòng)場景較為復(fù)雜時(shí)，可人工干預(yù)通過手動(dòng)操作控制機(jī)器人，這就需要運(yùn)用遠(yuǎn)程控制技術(shù)，通過無線通訊，圖像傳輸和上機(jī)位指令可以遠(yuǎn)程控制機(jī)器人完成多方向移動(dòng)等復(fù)雜動(dòng)作。無線通訊是上機(jī)位與機(jī)器人遠(yuǎn)程連接的重要紐帶，機(jī)器人的終端數(shù)據(jù)，圖像及上機(jī)位傳達(dá)得到指令都是通過無線通訊系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。

無線通訊模塊采用LoRa擴(kuò)展芯片，工作頻率為850 MHz，功率為900 mW，搭載擴(kuò)展天線，其最大通訊距離可達(dá)2 500 m。圖像傳輸模塊采用 AOMWAY 無線圖傳，搭載高清150°廣角鏡頭，清晰度為1 080 p，接收靈敏度高達(dá) 95%。上機(jī)位模塊由控制面板和操作臺兩部分組成，面板輸入控件為人機(jī)交互窗口，操作者將設(shè)定參數(shù)輸入后，面板輸出控件負(fù)責(zé)模擬機(jī)器人的實(shí)時(shí)姿態(tài)。操作部分主要功能為通過串口參數(shù)調(diào)節(jié)，數(shù)據(jù)傳輸速率，指令發(fā)送等，設(shè)定機(jī)器人移動(dòng)的坐標(biāo)點(diǎn)，完成對機(jī)器人的控制[9-12]。

1.4 舵機(jī)控制模塊

機(jī)器人移動(dòng)需要兩個(gè)關(guān)節(jié)同時(shí)工作，協(xié)同控制機(jī)器人的行走部件，若要控制機(jī)器人前行，轉(zhuǎn)向，還需要在行走部件安裝伺服舵機(jī)[13-14]。UART的雙工單線通訊的伺服舵機(jī)，工作頻率為890 MHz，波特率達(dá)到11 000，允許串聯(lián)和并聯(lián)混合方式工作，有5種工作模式，當(dāng)電機(jī)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)為輪子模式，此時(shí)舵機(jī)可作為減速電機(jī)使用。當(dāng)電機(jī)鎖死時(shí)，靜止的舵機(jī)會產(chǎn)生阻抗，鎖死模式可確保舵機(jī)不會因外力產(chǎn)生范圍外的扭矩。舵機(jī)控制模塊結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 舵機(jī)控制模塊結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)外力扭動(dòng)時(shí)，舵機(jī)依據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)速度不同給出不同的抵抗力，外力越大，速度越大，抵抗力就越大，這種工作模式為阻尼模式[15]。外力可隨時(shí)扭動(dòng)舵機(jī)，舵機(jī)對外呈現(xiàn)掉電狀態(tài)，此時(shí)為待機(jī)模式。舵機(jī)指定一個(gè)電流，舵機(jī)朝給定方向轉(zhuǎn)動(dòng)，且保持電流不超過給定值，此時(shí)為力矩控制模式。通過對以上幾種運(yùn)動(dòng)模式對比，選擇將私服舵機(jī)設(shè)置為阻尼模式，該模式可以確保舵機(jī)不會在某一位置被鎖定，且輸出阻力能夠維持機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，外力干擾越大時(shí)，對外阻力越大，可以充分保證機(jī)器人在阻力下的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。舵機(jī)最高轉(zhuǎn)速為0.4 s/60°，額定電壓6.5 V，串口總線通訊方式[16]。

1.5 電源模塊

考慮到移動(dòng)式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)場景多樣，時(shí)間較長，電源模塊需要選用續(xù)航時(shí)間長，且安全性高的鋰電池，且鋰電池體積更小，安裝及更換都較為方便。鋰電池電壓為45 V，為保證機(jī)器人移動(dòng)的穩(wěn)定性，要設(shè)置比額定電源容量稍大一些的電源。穩(wěn)壓器將45 V電源降壓處理后得到20 V穩(wěn)定電壓，用于驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，圖像采集；再通過芯片LM317降壓，得到6 V穩(wěn)定電壓，用于舵機(jī)電源，最后經(jīng)過LM1117芯片降壓得到3.5 V穩(wěn)定電壓。

2 基于大數(shù)據(jù)聚類的移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)了上述硬件模塊的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)的軟件程序。

2.1 基于大數(shù)據(jù)聚類的機(jī)器人步態(tài)分析

對移動(dòng)機(jī)器人步態(tài)大數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化聚類[17]，構(gòu)建步態(tài)大數(shù)據(jù)分布式結(jié)構(gòu)模型，設(shè)定有限數(shù)據(jù)集為：

B={b1,b2,…,bn}

(1)

式(1)中，B表示為有限數(shù)據(jù)集合；n表示移動(dòng)機(jī)器人步態(tài)大數(shù)據(jù)分布式結(jié)構(gòu)模型中包含的樣本個(gè)數(shù)；在步態(tài)大數(shù)據(jù)分布式結(jié)構(gòu)模型中構(gòu)建模糊控制迭代函數(shù)，使數(shù)據(jù)的聚類中心得到收斂：

(2)

式(2)中，τ為聚類信道擬合因子；x為大數(shù)據(jù)聚類的迭代次數(shù)；sgn表示為符號函數(shù)。對步態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性時(shí)變的線性調(diào)頻控制信號模擬，提取數(shù)據(jù)特征：

(3)

式(3)中，y(b)表示為特征點(diǎn)函數(shù)；(ci,di)表示大數(shù)據(jù)信息流的二維特征位移；通過公式(3)完成特征值擬合，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的優(yōu)化聚類。

移動(dòng)機(jī)器人由機(jī)身和 4 條腿組成，每條腿具有 3 個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)，以機(jī)身中心為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系{O}，將垂直于機(jī)身軀干方向定義為z軸，將垂直于z軸方向定義為x軸方向，設(shè)定坐標(biāo)系{O}，從而獲得移動(dòng)機(jī)器人腿足端坐標(biāo)(x，y，z)為：

(4)

(5)

通過矩陣J的轉(zhuǎn)置可以計(jì)算出移動(dòng)機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的輸出扭矩。其中，a0、a1、a2分別表示3個(gè)關(guān)節(jié)扭矩，s為矩陣滿秩，移動(dòng)機(jī)器人能夠從3個(gè)方向輸出，確保受到的力量是均勻的，同時(shí)保證力道可以控制[18]。

2.2 基于大數(shù)據(jù)聚類的機(jī)器人障礙設(shè)計(jì)

障礙物距離測量通常采用超聲波原理，在測量超聲信號發(fā)射時(shí)間的過程中，確定傳播速度v=360 m/s，計(jì)算傳播速度障礙物與機(jī)器人間的距離S：

(6)

單個(gè)超聲波傳感器通過上式可以粗略確定障礙物與機(jī)器人的距離，若要更精確地判定障礙物位置還需要多個(gè)超聲波傳感器同時(shí)工作，當(dāng)某個(gè)障礙物被兩個(gè)超聲波傳感器檢測到時(shí)，設(shè)超聲波傳感器的位置分別為A、B，障礙物位置為O，建立如圖7所示的三角測量信息坐標(biāo)系。

圖7 三角測量信息坐標(biāo)系

設(shè)其中O點(diǎn)的坐標(biāo)為(x，y)，由勾股定理可得到：

(7)

求解可以得到：

(8)

則障礙物O點(diǎn)距離機(jī)器人距離L和方位為：

(9)

2.3 移動(dòng)機(jī)器人行走控制流程設(shè)計(jì)

移動(dòng)機(jī)器人行走步態(tài)邁步順序如圖8所示。

圖8 移動(dòng)機(jī)器人行走步態(tài)邁步順序

根據(jù)移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)行速度和軀干姿態(tài)將腿式運(yùn)動(dòng)構(gòu)建簡化模型，考慮到移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)與足端軌跡，進(jìn)一步將機(jī)器人實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等效為虛擬模型，通過虛擬模型等效求解出每個(gè)移動(dòng)機(jī)器人每個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)所需的扭矩[19-21]。

外部干擾會造成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)失衡，對于姿態(tài)擾動(dòng)和速度擾動(dòng)，可通過髖關(guān)節(jié)調(diào)節(jié)機(jī)器人姿態(tài)，對異常的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行抑制，進(jìn)而消除外部擾動(dòng)對機(jī)器人姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)速度的影響，抗擾動(dòng)控制模型如圖9所示。

圖9 抗擾動(dòng)控制模型

機(jī)器人行走在遇到障礙物時(shí)，會造成腳部運(yùn)動(dòng)延遲，當(dāng)另外三只腳著地時(shí)，第四只腳懸空會導(dǎo)致機(jī)器人失去平衡，對于這類問題，可以增加支撐來達(dá)到機(jī)器人的穩(wěn)定狀態(tài)，引入步態(tài)時(shí)序規(guī)劃，將控制指令同時(shí)下發(fā)到兩只腳，此時(shí)為對角支撐狀態(tài)，此時(shí)需要第3種支撐來維持動(dòng)態(tài)平衡，設(shè)計(jì)邏輯如圖10所示。

圖10 設(shè)計(jì)邏輯圖

在這樣的對角步態(tài)下，每只腳獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，步態(tài)時(shí)序調(diào)整范圍大，不會因?yàn)檠舆t造成機(jī)器人行走狀態(tài)失衡，每條腿的運(yùn)動(dòng)相互獨(dú)立，機(jī)器人4只腳步態(tài)順序如圖 11 所示。

圖11 機(jī)器人4只腳步態(tài)順序

3 實(shí)驗(yàn)研究

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)基于大數(shù)據(jù)聚類的移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)的有效性，設(shè)計(jì)仿真對比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用文獻(xiàn)[3]方法、文獻(xiàn)[4]方法作為實(shí)驗(yàn)對比方法，在Simulink仿真軟件中對移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)跟蹤穩(wěn)定性及抗擾動(dòng)控制性能進(jìn)行測試。

3.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)及方法

在Simulink仿真軟件中構(gòu)建移動(dòng)機(jī)器人模型，設(shè)置機(jī)器人參數(shù)如表1所示。

表1 機(jī)器人參數(shù)

在表1機(jī)器人參數(shù)設(shè)置的基礎(chǔ)上，設(shè)置機(jī)器人運(yùn)動(dòng)步態(tài)邁步順序?yàn)椋鹤笄澳_、右后腳，右前腳，左后腳。左前腳邁步到右后腳邁步段機(jī)器人前進(jìn)1.5 m。分別采用3種控制系統(tǒng)對移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行跟蹤控制，測試其跟蹤控制準(zhǔn)確性。

3.2 運(yùn)動(dòng)跟蹤實(shí)驗(yàn)

分析3種控制系統(tǒng)對機(jī)器人運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的控制效果。3種控制方法下，以機(jī)器人為圓心的角速度變化如圖12所示。

圖12 角速度變化穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從圖12可以看出，文獻(xiàn)[4]、文獻(xiàn)[5]方法控制下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的角速度變化波動(dòng)較大，而基于大數(shù)據(jù)聚類的控制系統(tǒng)的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)角速度變化波動(dòng)較小，范圍在-15～10 rad/s之間，且波動(dòng)穩(wěn)定性較好，表明該控制系統(tǒng)對機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的穩(wěn)定性更好。本文系統(tǒng)利用大數(shù)據(jù)聚類方法對移動(dòng)機(jī)器人步態(tài)大數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化聚類，通過超聲波原理計(jì)算障礙物距離，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人避障控制，因此機(jī)器人運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性控制效果較好。

3.3 抗擾動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)

當(dāng)機(jī)器人對角步態(tài)運(yùn)動(dòng)并受到撞擊時(shí)，會因外界擾動(dòng)而造成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)失穩(wěn)。運(yùn)用不同的運(yùn)動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)對機(jī)器人撞擊時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，設(shè)置機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)間為70 s，分別在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的第10、30、60 s以俯仰角度撞擊機(jī)器人，分析機(jī)器人運(yùn)動(dòng)跟蹤控制的軌跡，得到跟蹤控制準(zhǔn)確性如圖13所示。

圖13 跟蹤控制準(zhǔn)確性示意圖

從圖13可以看出，文獻(xiàn)[4]方法的運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤控制的準(zhǔn)確率平均值為85%，其在第10、30、60 s的跟蹤準(zhǔn)確性均低于平均值；文獻(xiàn)[5]方法的運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤控制的準(zhǔn)確率平均值為83%，其在第10、30、60 s的跟蹤準(zhǔn)確性均低于平均值；本文方法的運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤控制的準(zhǔn)確率平均值為96%，其在第10、30、60 s的跟蹤準(zhǔn)確性均未受到撞擊擾動(dòng)的影響，與平均值相差不超過1%。由此可見本文方法的跟蹤控制準(zhǔn)確性更好。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了基于大數(shù)據(jù)聚類的移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)，硬件方面設(shè)計(jì)了主控制器、直流電機(jī)控制器、遠(yuǎn)程控制模塊、電源模塊，軟件方面通過大數(shù)據(jù)聚類對機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)步態(tài)分析，設(shè)計(jì)圖像傳輸和遠(yuǎn)程通信流程實(shí)現(xiàn)障礙物規(guī)避，將機(jī)器人運(yùn)行速度和姿態(tài)虛擬為運(yùn)動(dòng)模型，通過髖關(guān)節(jié)調(diào)節(jié)消除外部擾動(dòng)，構(gòu)建出抗干擾模型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)跟蹤控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好，能夠準(zhǔn)確跟蹤控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡，提升移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用性能。