變形輪偵察機器人的控制系統(tǒng)設(shè)計

陳科山，王志騰，閆 碩，王 玉，劉瀟偉

（1.北京交通大學 北京 100044；2.電子科技大學 四川 成都 611731；3.北京鐵路局 豐臺機務(wù)段，北京 100000）

機器人是一種綜合了多種科學技術(shù)的產(chǎn)品，是目前科學技術(shù)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域[1]，根據(jù)移動方式，可分為輪式、步行、履帶、爬行和蠕動機器人等，目前已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于軍事偵察和搶險救災(zāi)等復(fù)雜環(huán)境中。此類現(xiàn)場通常非常混亂，充滿危險，道路遭到破壞，人員無法短時間內(nèi)通過障礙，此時可通過操控偵察機器人進入現(xiàn)場，考察情況。根據(jù)實際需求，機器人應(yīng)具備以下功能：

1）移動穩(wěn)定、靈活。在平整路面上具有較快的行駛速度，且轉(zhuǎn)向靈活。

2）較強的越障能力。當遇到障礙物時，可以順利通過。

3）具備可靠的通信手段。在合適的通信距離內(nèi)，實現(xiàn)人機分離的遙控狀態(tài)，對機器人進行實時控制。

傳統(tǒng)的輪式機器人機構(gòu)簡單，控制方便靈活，能夠在平坦路面高速穩(wěn)定行駛，然而在面對廢墟、溝壑、砂石等非結(jié)構(gòu)化路面時顯得有些無能為力[2]，機構(gòu)和控制系統(tǒng)的好壞直接決定了機器人能否進入現(xiàn)場完成偵察任務(wù)。

1 機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對上文提出的3個功能要求，設(shè)計了如圖1所示的變形輪機器人。該機器人由車體平臺和車輪兩部分構(gòu)成。車輪是該機器人的重要部分，通過其變形機器人具有兩種步態(tài)：輪式移動和爪式爬行。當面對非結(jié)構(gòu)化路面時，車輪打開，采用爪式爬行的方式適應(yīng)環(huán)境；當面對平坦路面時車輪復(fù)位，以輪式移動的方式高速機動。

2 機器人控制系統(tǒng)分析與設(shè)計

2.1 機器人功能需求分析

針對本文提出的應(yīng)用背景，控制系統(tǒng)總體上采用上下兩級的控制方案，圖2為變形輪偵察機器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，包括監(jiān)視操作系統(tǒng)和車載控制系統(tǒng)。監(jiān)視操作系統(tǒng)實現(xiàn)對機器人的遠程遙控，監(jiān)視現(xiàn)場環(huán)境、電池電量、機器人方位等參數(shù)，提供操控者和機器人之間人機交互接口。車載控制系統(tǒng)從功能上劃分為3個子系統(tǒng)：1）主控子系統(tǒng)：接收遠程指令，規(guī)劃機器人步態(tài)，將數(shù)據(jù)打包發(fā)送，實時診斷機器人安全狀況，處理緊急情況和異常狀態(tài)。2）協(xié)控子系統(tǒng)：該機器人4個車輪具有相同的結(jié)構(gòu)、相同的功能，以每個車輪為一個協(xié)控子系統(tǒng)，實現(xiàn)控制算法，執(zhí)行機器人的運動步態(tài)。3）傳感子系統(tǒng)：感知現(xiàn)場環(huán)境，為操作人員提供決策依據(jù)。

2.2 控制系統(tǒng)主要硬件構(gòu)成

1）監(jiān)視操作系統(tǒng)：利用功能強大的PC機進行人機交互界面的開發(fā)；為縮短開發(fā)周期，使用現(xiàn)有的北通游戲手柄作為機器人操作桿，利用其16個按鍵和兩個搖桿，實現(xiàn)啟動、急停、轉(zhuǎn)向、調(diào)速和步態(tài)切換等任務(wù)。

圖1 機器人與車輪結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the robot and the wheelstructure

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Control system block diagram

2）主控子系統(tǒng)：由于外設(shè)較多，需要有豐富的I/O和接口資源，同時程序執(zhí)行速度要滿足實時性的要求，選擇STM32F103微控制器作為車載主控制器，通過其RS232接口、RS-485和IIC總線接口方便的與外設(shè)和子系統(tǒng)相連。

3）協(xié)控子系統(tǒng)：其主要完成機器人運動步態(tài)的執(zhí)行，采用MSP430高性能單片機作為協(xié)控制器，應(yīng)用RS-485總線與主控子系統(tǒng)構(gòu)成車載分布式控制系統(tǒng)，接收主控制器的報文，軟件實現(xiàn)數(shù)字PID算法，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換模塊、光耦隔離模塊和功率放大模塊后驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)；車輪變形和運動分別由兩臺電機實現(xiàn)，變形用電機安裝于車輪中心，由于尺寸限制，選用大力矩的小型直流減速電機，額定轉(zhuǎn)速5 r/min，力矩可以達到15 Kgf·cm。運動用電機采用結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)速性能良好的普通直流調(diào)速電機，通過編碼器形成閉環(huán)控制。

4）無線通信和無線視頻模塊：遠程操控人員與機器人的通信采用大功率、低功耗的無線射頻模塊，以GFSK調(diào)制方式進行收發(fā)，尺寸小，靈敏度高，可靠傳輸距離在1 000 m以上，使操作人員能夠在安全的后方對機器人進行操作，滿足復(fù)雜環(huán)境遠程通信的要求；視頻的采集和接收采用的是頻率1.2 GHz的無線視頻模塊實現(xiàn)，保證在1 200 m的距離內(nèi)實現(xiàn)清晰視頻的傳輸。

2.3 控制系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

2.3.1 人機交互界面開發(fā)

人機交互是機器人研究的一項關(guān)鍵技術(shù)，基于人機交互的控制系統(tǒng)能夠輔助機器人完成任務(wù)，是提高機器人效率的有效途徑[3]。LabVIEW是美國國家儀器公司開發(fā)的虛擬儀器開發(fā)平臺軟件，功能強大靈活，廣泛應(yīng)用于測試測量系統(tǒng)、過程控制、工業(yè)自動化、實驗室研究和仿真等各個領(lǐng)域。其提供了各種按鈕和顯示控件，并且提供了鍵盤、手柄信息采集函數(shù)庫，利用其圖形化的編程語言可以方便的進行人機交互界面開發(fā)[4]，本系統(tǒng)主要用到了使用IMAQ USB模塊和VISA模塊。監(jiān)控操作界面設(shè)計如圖3所示。主要程序設(shè)計包括視頻監(jiān)控、手柄讀取和串口收發(fā)。如圖4所示。

圖3 監(jiān)視操作界面Fig.3 Monitor and operation interface

圖4 人機交互界面主要程序設(shè)計Fig.4 Main program design of man-machine interface

2.3.2 車載控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

車載控制系統(tǒng)的軟件總體流程如圖5所示，主要分為三步，首先是設(shè)備上電，完成設(shè)備初始化工作，進行自檢。第二步是建立起通信連接，實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)鏈路，保證數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠，第三步則是進行具體的數(shù)據(jù)采集、打包發(fā)送、步態(tài)規(guī)劃，實現(xiàn)該控制系統(tǒng)的各項功能，其中協(xié)控子系統(tǒng)主要實現(xiàn)數(shù)字PID算法，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，主控制器與協(xié)控制器之間的報文格式設(shè)計如表1所示。

圖5 軟件流程圖Fig.5 Software flow chart

表1 報文格式Tab.1 Message format

數(shù)字PID控制器是基于連續(xù)系統(tǒng)的計算機數(shù)字模擬設(shè)計技術(shù)，將輸入離散化后，用差分方程代替連續(xù)系統(tǒng)里的微分方程[5-6]，采用比例（P）、積分（I）和微分（D）的方式進行控制，PID控制算法的微分方程表達式為：

式中：u（t）為調(diào)節(jié)器的輸出信號；e（t）為調(diào)節(jié)器的偏差信號；Kp為調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；τ0為調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)；τd為調(diào)節(jié)器的微分時間常數(shù)。

離散化后的差分方程為：

式中：Ts為采樣周期；n 以為采樣序號，n=0，1，2，…；u（n）為第n次采樣時計的輸出；e（n）為第n次采樣時的偏差值。

通過MSP430單片機，實現(xiàn)全數(shù)字化PID閉環(huán)控制后，可以方便的對參數(shù)進行調(diào)整，可靠性高，能夠?qū)崿F(xiàn)無靜差調(diào)速。

3 系統(tǒng)性能指標與測試實驗

變形輪機器人巧妙地結(jié)合了輪式移動方式速度快效率高和爪式爬行方式越障能力強的優(yōu)點。可基于任務(wù)需求和操縱者偏好安裝機械臂、攝像機等功能模塊，代替人員在危險環(huán)境中執(zhí)行偵察、排險等任務(wù)，大幅降低人員傷亡與工作強度，還可視情況加掛拖曳擔架模塊執(zhí)行運送傷員任務(wù)。主要設(shè)計技術(shù)指標如表2所示。

注：電池續(xù)航能力及續(xù)航里程，為機器人攜帶兩塊標配鋰電池，速度5 km/h時參數(shù)。

實驗環(huán)境為野外空曠場地，模擬各種型態(tài)的路面，驗證控制系統(tǒng)的可行性與有效性，圖6所示為機器人跨越臺階和通過廢墟。試驗中，機器人每隔1 s，回傳一次信息，實現(xiàn)了周圍環(huán)境感知，變形輪偵察機器人能夠執(zhí)行控制規(guī)劃指令，監(jiān)控畫面清晰穩(wěn)定，在500 m的有效距離內(nèi)順利實現(xiàn)偵察救援任務(wù)。

4 結(jié)束語

本文以現(xiàn)場偵察為背景，分析了機器人的功能需求，在確定機械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上完成了控制系統(tǒng)的設(shè)計，該系統(tǒng)運行安全穩(wěn)定，可實時回傳視頻，具備多通道的感知能力，遙控終端顯示界面簡潔直觀，操作簡便，為機器人執(zhí)行復(fù)雜環(huán)境下的偵察任務(wù)提供了保證。

表2 技術(shù)指標Tab.2 Technical specifications

圖6 測試實驗Fig.6 The experiment

[1]王田苗.全力推進我國機器人技術(shù)[J].機器人技術(shù)與應(yīng)用，2007（2）:17－23.WANG Shu-miao.To promote the robot technology in China[J].Robot Technique and Application，2007（2）:17－23.

[2]王明輝，馬書根，李斌，等.可重構(gòu)機器人體系結(jié)構(gòu)及模塊化控制系統(tǒng)的實現(xiàn)[J].儀器儀表學報，2006，27（10）:1176－1182.WANG Ming-hui，MA Shu-gen，LI Bin，et al.Control architecture and implementation of modularized control system for RPRS[J].Chinese Journal of Scientific Instrument，2006，27（10）:1176－1182.

[3]黃志華，屠大維，趙其杰.基于人機交互的移動服務(wù)機器人導航系統(tǒng)[J].機器人，2009，31（3）：248－253.HUANG Zhi-hua，TU Da-wei，ZHAO Qi-jie.A human-robotinteraction-basednavigation system for mobile service robot[J].Robot，2009，31（3）:248－253.

[4]楊樂平，李海濤.LabVlEW程序設(shè)計與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[5]晁盛遠，王凱，劉富勇.無刷直流電機的建模與仿真[J].計算技術(shù)與自動化，2008，27（2）:39－43.CHAO Sheng-yuan，WANG Kai，LIU Fu-yong.Modeling and simulation of brushless DC motor system[J].Computing Technology And Automation，2008，27（2）:39－43.

[6]邱立軍，宋超，王晶，等.無刷直流電機控制系統(tǒng)的建模及仿真[J].海軍航空工程學院學報，2008，23（4）:415－418.QIU Li-jun，SONG Chao，WANG Jing，et al.Modeling and simulation of the brushless DC motor control system[J].Journal of Naval Aeronautical and Astronautical University，2008，23（4）:415－418.