|
[摘 要]智能移动机器人集感知环境、动态决策与规划、行为控制与执行等多功能于一体，可以在极少人工干预或没有人工干预的条件下，在一定的环境中进行有目的移动来完成指定的任务，具有路径规划、导航、信息融合和检测、自主决策等类似人类活动的人工智能。正是由于其高度自主智能，集多学科知识于一体，具有机动性好、环境感知能力强等特点，对智能移动机器人的研究必将成为促进人工智能、生命科学以及机器人学的发展动力。本论文设计机器人控制系统的体系结构，结合系统功能特点对智能移动机器人控制系统的软硬件设计进行研究。 中国论文网 /1/view-7894372.htm [关键词]智能移动机器人;控制系统;结构;设计 中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）27-0107-01 引言 移动机器人的研究起始于斯坦福，之后美国、日本等国家也都相继进行了深入的研究。相对来说，中国的起步时间比较晚，但是进步却比较快，取得的成果也较为明显。但是不可否认，其中最关键的环节，就是控制系统的设计。在这方面，我国与发达国家相比，还有较大的距离，仍有许多需要改进和提高之处。 一、控制系统结构及设计原则 智能移动机器人控制系统结构一般是由机器人的实现功能、控制形式、本体三方面确定。一般分为以下三种类型： （1）单CPU控制方式：采用一台功能强的PC机实现机器人全部控制功能，但因其需要大量的计算处理，所以这种控制结构的速度慢。 （2）2级CPU控制方式：一级CPU是主机，任务是人机接口和数据运算，并将运算结果放到公用内存中，供二级CPU读取;二级CPU任务是完成位置控制，仅通过公用的内存交换数据，很难扩展更多功能的CPU。 （3）多CPU控制：目前大多数智能机器人都采用上、下位机分布式结构。上位机负责控制系统的决策和运算，下位机由多个微控制器组成，每个微控制器含有一个CPU控制相应设备运行与数据通讯采集，这些微控制器和主控机是通过标准总线联系。这种结构的控制器工作速度快，性能优良。分布式控制系统为开放式控制系统，可以根据实际需求增加微控制器个数来满足控制系统性能需求。 不同的设计方式满足不同的控制要求，一般情况下遵从以下原则： （1）结构简单、易于维护、更换备用件时间尽量短。 （2）系统要模块化、标准化，易于扩展，因此多采用标准总线结构。 （3）可靠性保障，按照可靠性方法对系统进行分析。 （4）中断响应能力强、反应迅速，特别在软件中使中断延迟函数的时间尽量短。 （5）尽量利用成熟的开发环境，尤其在软件程序设计尽量使用高级语言。 二、智能移动机器人控制系统设计 1、电源电压电路设计 芯片与器件工作电压并不相同，如伺服驱动机工作电压+24V，超声传感器供电电源+12V、红外传感器供电为+5V、单片机的一般工作电压为+5V等，其中相同电压作用也各不相同，逻辑供电电源+5V，功率电路电源也为+5V。因此不仅设计不同等级的电压，同时模拟部分与数字部分的电压需要进行隔离，高频与低频、易受干扰信号与产生干扰信号线进行隔离，用DC/DC电源模块将电池组与电路实现电压转换与隔离。 DC/DC模块电源体积小巧、性能优良、使用方便，在通信网络、工业和过程控制、医疗、国防、航空航天等领域得到广泛的应用。DC/DC模块调整直流PWM控制输出电压。在选择电源转换模块时，要考虑以下因素： （1）实际所需工作温度范围，不同材料、制造工艺造成温度等级不同，可以根据使用功率、封装形式、温度范围进行选择，尺寸和输出形式符合机器人要求。 （2）使用功率是电池组额定功率的30～80%，在这个功率范围中的模块电源比较充分且稳定可靠，负载太重对可靠性不利，太轻造成能源浪费。 （3）避免与机械结构中金属接触造成短路。 2、处理器的选择 选择处理器主要从以下几点考虑。 1）处理数据的能力 处理器模块需要对传感器模块采集到的数据进行处理和分析，经常会使用如PID控制、数字滤波等算法，对处理器的数据处理能力要求较高。在这点上单片机难以担此大任，因此将目光放在了适合于数字信号处理的微控制器上。 2）丰富的外设资源 移动机器人从采集外部信号到对数据的处理分析，以及对执行机构的控制，机器人要完成这一整套的任务，核心处理器无疑都要参与进去。不管这些感知系统和执行任务的机构是什么，核心处理器需要与它们“交流”，核心处理器一般都是数字量输入输出，感知系统的输入输出信号，或是数字量或是模拟量，为了实现可靠的“交流”，模拟量要经过A/D转换后才能够被处理器准确的识别处理。添加相应的外围电路和器件确实可以实现转换，但是从成本和设计的复杂度来说无疑都会有所提高，核心处理器具有丰富的外设资源，可以节约成本、减少设计的复杂度。 3）软件和硬件开发难度 从实际角度考虑，如果可以缩短开发周期，将会提高工作效率、加快产品使用的进度。选择的核心控制器软件和硬件开发难度小，容易学习和使用、方便代码的调试，都会在一定程度上缩短开发周期。 3、超声传感器工作原理及选型 高于20KHz的机械波称为超声波，超声传感器需要发送和接收装置，根据压电效应使电信号与超声波进行相互转化。发送超声波，遇到障碍物返回，这段时间可根据公式精确计算出距离。INIT信号设为高电平时发出超声波，INIT的高电平时间可自行设定，假设为32ms，遇到障碍后，ECHO信号置为高电平。超声波返回同时检测回波信号，INIT信号为低电平时，ECHO也为低电平。 计算障碍物距离的公式： D一障碍物距离;Δt一INIT与ECHO的高电平时间差 c一声波的传输速率。 4、主控板软件设计 主控板硬件完成模块管理、设备通讯及机器人定位脉冲检测等内容。主控板硬件中只有主控板控制器需要进行软件设计。主控板控制器TMS320LF2407A的主要任务是超声波测距的软件设计管理，余下基本都是一些基本设置内容，包括电机码盘的正交编码脉冲检测。初始选定TMS320LF2407A作为主控板控制器是考虑到此控制系统可以作为以后机器人应用的平台，可以在TMS320LF2407A里嵌入实时系统，提升系统性能，方便接口开发。 主控板控制器的软件设计内容包括模块初始化、串口通讯、正交编码脉冲检测和超声波测距软件。这里介绍模块初始化串口通讯和正交编码脉冲检测等内容。 复位向量地址为程序入口。然后程序进行初始化。初始化内容包括扩展方式、溢出方式、DARAM、倍频、JTAG等基本配置。另外还有使用的相关I/O口的设置、程序使用相关定时器的设置、程序使用相关中断的设置和串口通讯的相关设置。这些配置都是控制器使用的基本配置流程。初始化之后会开启相关的中断程序，随后进入超声波测距程序，并一直循环。中断服务程序处于就绪状态，一旦有中断发生，中断服务程序立即执行。 在TMS320LF2407A的所有程序中，需要对其串口的数据发送和接收程序做说明。异步通信使用三条线（地线、发送线、接收线）连接采用RS232格式的终端。发送各位依次为一个起始位、1}8个数据位、可选的一个奇偶校验位、1～2个停止位。因此串口通讯能够传输的最大的数据单位为8位，即一个字节。在设计中控制器和各终端会有各种类型的数据交流，如整形数据和浮点数据，因此需要对串口发送和接收的数据进行数据转换 结语 虽然我国机器人研究方面小有成果，但是就我国的目前的科技水平来说，还是存在很多的不足和问题，与一些发达国家相比也还是有很大的差距。为了早日跟上国际的步伐，首先要对移动机器人的系统和工作原理进行深入的了解，之后再针对不同的问题，采取不同的解决方案，达到工作的最佳效果。 参考文献 [1]徐国华.移动机器人的发展现状及其趋势[J].机器人技术与应用，2013（3）：7-14. [2]龚建伟.移动机器人横向与纵向控制方法研究[D].中国科技大学，2012. [3]黄永志.两轮移动机器人运动控制系统的设计与实现[D].中国海洋大学，2013. [4]徐国保，尹怡欣，周美娟.智能移动机器人技术现状及展望[J].机器人技术与应用，2007：27-29. |
|
|
