機器人運動控制實驗設計與實現

宋亞男，陳永安，徐榮華，宋子寅

（廣東工業大學 自動化學院，廣東 廣州 510006）

課題組結合本科生的畢業設計進行了實驗裝置和項目的開發，此項工作讓參與實驗的學生增長了見識，提高了學習積極性，其相關的開發結果可以提供給以后的學生學習和參考，機器人運動控制系統實驗設計與實現就是其中一個。文章闡述了機器人運動控制系統的實驗設計目標、實現過程以及結果。

1 實驗設計目標

基于AVR單片機，結合機器人運動控制系統需求，以直流伺服電機作為被控對象，推導出其運動學模型，設計機器人的驅動和運動控制系統?；谠撗芯拷Y果構建相應實驗方案提供本科生學習使用。具體包括下面2個實驗設計目標：

（1）實現基于AVR單片機完成機器人運動控制系統中直流伺服電機速度／位置控制演示實驗，展示給學生直流伺服電機的控制原理，增強學生的動手興趣。

（2）基于AVR單片機完成機器人運動控制系統的半開放實驗（為了便于學習控制算法在實際系統中應用，開放控制器設計部分和固化硬件電路部分），提供給學生針對機器人運動控制問題，進行改進控制算法的平臺。

2 實驗設計與實現

2.1 廣義坐標——描述機器人的位姿

在圖1所示平面直角坐標系中，以2個驅動輪軸心連線的中點Q為機器人的參考點，其廣義坐標向量為q＝［xQ，yQ，θQ］T，其中θQ為機器人的航向角，d為2個輪子軸心之間的距離［1］。

2.2 運動學模型

機器人的運動學方程為：

圖1 機器人廣義坐標

其中：r為驅動輪半徑，ωL、ωR分別為左右驅動輪的轉速。

設機器人的線速度為vQ，角速度為ωQ，轉彎半徑為R，則：

2.3 系統結構和硬件電路

課題組自行設計和制作了機器人系統［2－12］，實物圖見圖2，系統結構圖見圖3，硬件電路圖見圖4。

圖2 機器人系統實物圖

圖3 機器人系統硬件結構圖

圖4 機器人系統硬件電路圖

2.4 機器人運動控制器設計

這里主要采用基于PID算法，因為實驗設計不同，控制器開放程度不一樣，詳見下面兩節。

2.5 機器人運動控制演示實驗設計與實現

2.5.1 實驗目的

認識直流伺服電機控制器，熟悉直流伺服電機控制器命令系統，培養控制器設計的思想和興趣。

2.5.2 伺服控制使用介紹

伺服系統結見圖5。命令系統如下：

其中，“＜＞”表示必須輸入項，“［］”表示可選輸入項，“CR”是回車。

M 命令：M＜0｜1｜2｜3＞＜CR＞

圖5 伺服系統結構框圖

用于切換伺服控制模式，切換后位置寄存器、子命令寄存器清零。

E命令：E＜0｜1｜2＞＜CR＞

此命令選擇是否回送輸入的字符，0為禁止，1為開啟，2為不回送任何字符。

P命令：P＜參數號＞ ［參數值］＜CR＞

更改或查看伺服參數，參數號與參數值用空格隔開。參數設置詳解見文獻［2］。

W命令：W＜EEPROM區域＞＜CR＞

把伺服參數保存到EEPROM相應的區域，可以是0，1，2，3，4等。

R命令：R＜EEPROM區域＞＜CR＞

從EEPROM相應區域加載伺服參數。系統復位時，自動加載0區域的參數。

L命令：L＜CR＞

以十進制字符串的格式反饋位置計數器的值。

S命令：SL／SR／SB［數值］＜CR＞

設置子命令寄存器的值，在模式3下無效。模式0時，控制輸出電壓，輸入－255到＋255，電壓輸出為－Vs到＋Vs；模式1時，控制輸出力矩，若電機堵轉，輸入－255到＋255，電壓輸出為－Vs到＋Vs；模式1時，控制電機轉速，輸入值按以下公式設置：

其中ω為電機轉速，單位是r／min；P1為速度環反饋增益；ER是編碼器分辨率，單位為ppr（單相脈沖數／轉）；fs為伺服控制頻率。

L、R、B分別表示左電機、右電機和2個電機（下同）。

J命令：JL／JR／JB［數值］＜CR＞

設置位置寄存器的值，只在模式3下有效。位置寄存器是24位有符號整數。模式3下，控制電機旋轉到位置寄存器指向的位置，即保持位置計數器與位置寄存器的數值相等。例如，要使電機旋轉一圈，輸入值按以下公式計算：

其中L為位置計數器的值。

此外，“？＜CR＞”顯示幫助信息，“＊＜CR＞”可使直流伺服電機控制器反饋速度信號1次，“＆＜CR＞”返回伺服模式代號，“#＜CR＞”返回位置計數器的值1次，“$1＜CR＞”以200Hz連續反饋速度，“$2＜CR＞”以200Hz連續反饋位置計數器的值，“$0＜CR＞”關閉反饋。

2.5.3 實驗內容和實驗步驟

（1）設置伺服參數。用串口把PC機與伺服電機控制器連接；打開超級終端，連接對應串口，波特率設為38 400bit／s，無校驗；輸入E1＜CR＞使直流伺服電機控制器反送字符，以便看到鍵入的字符；設置P0為200、P1為1 280、P2為512、P3為16、P4為240、P5為893。

（2）速度控制。輸入M2＜CR＞切換到速度控制模式；按（1）設置伺服參數；分別輸入SL 100＜CR＞，SR 100＜CR＞，SB 100＜CR＞；④更改輸入值，對比觀察電機速度。

（3）位置控制。輸入M3＜CR＞切換到位置控制模式；按（1）設置伺服參數；分別輸入JL 50000＜CR＞，JR 50000＜CR＞，JB 50000＜CR＞；更改輸入值，讓電機轉一圈，測試出電機編碼器的精度。

2.6 機器人運動控制半開放實驗

2.6.1 實驗目的

為了便于學習控制算法在實際系統中的應用，開放機器人運動控制器設計部分和固化硬件電路部分，提供給學生針對機器人運動控制問題，進行改進控制算法的平臺。

2.6.2 實驗內容和實驗步驟

按圖2構建系統：連接串口，給直流伺服電機控制器上電。打開VC解決方案Car＿Control.sln。

（1）前進后退。

① 重新創建main.c文件，并編寫主函數main（），包含頭文件Car＿Control.h；

② 在主函數中一次調用InitUart1，InitSMC，完成串口和直流伺服電機控制器的初始化；

③ 調用GoLine，實現前進和后退。

（2）旋轉運動控制程序。

① 重新創建main.c文件，并編寫主函數main（），包含頭文件Car＿Control.h；

② 在主函數中一次調用InitUart1，InitSMC，完成串口和直流伺服電機控制器的初始化；

③ 調用GoArc，實現原地旋轉和圓弧運動。

（3）添加控制算法。

在上述2個實驗中添加代碼，實現平穩啟動和停車。算法自行設計。

3 結束語

目前，機器人運動控制系統實驗設計與實現在相關基金項目的資助下正準備引入本科實驗教學中，已經經過部分學生和教師的試運行，受到好評。實踐表明：這種引導本科畢業設計學生參與實驗室建設方式，在實驗設備緊張的情況下，既能讓學生有機會參與具體實踐，同時學生的優秀設計又可以服務于實驗室建設，為后屆學生提供參考和開設新的實驗項目，使實驗資源得到充分利用。

感謝：機器人運動控制系統實驗設計與實現是基于學生陳永安的本科畢業設計工作完成的，特此表示感謝。

（References）

［1］徐德，鄒偉.室內移動式服務機器人的感知、定位與控制［M］.北京：科學出版社，2008.

［2］陳永安.召喚式撿球機器人的運動控制系統設計與實現［D］.廣州：廣東工業大學，2011.

［3］ChaN.ELM－DC Servomotor Controller［EB／OL］.［2012－03－11］.http：／／elm－chan.org／works／smc／report＿e.html.

［4］王兆安，黃俊.電力電子技術［M］.4版.北京：機械工業出版社，2000.

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［6］Dubins L E.On curves of minimal length with a constraint on average curvature and with prescribed initial and terminal position and tangents［J］.American Journal of Mathematics，1957（79）：497－516.

［7］Yeol J W，Ryu Y S，Montalvo M A.Shortest Trajectory Planning of Wheeled Mobile Robots with Constraints［J］.Proceedings of IEEE Networking，Sensing and Control，Arizona，2005：883－888.

［8］Configuring a Communications Resource［EB／OL］.［2012－03－11］.http：／／msdn.microsoft.com／en－us／library／aa363201.aspx.

［9］張東軍，郭文成，劉蓮花.基于紅外超聲光電編碼器的室內移動小車定位系統［J］.電子工程師，2007，33（3）：70－76.

［10］丁偉，孫華，曾建輝.基于多傳感器信息融合的移動機器人導航綜述［J］.傳感器與微系統，2006，25（7）：1－3.

［11］郭彤穎，蔡安勇，鄭舂暉.移動機器人導航與定位研究進展［J］.科技廣場，2008（7）：229－231.

［12］田國會，李曉磊.家庭服務機器人智能空間技術研究與進展［J］.山東大學學報：工學版，2007，37（5）：53－58.