三足全向移動機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周卓洋,占 頌

（1.武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北武漢，430205；2.武漢工程大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢，430205）

0 引言

多向移動機(jī)器人是一種構(gòu)型特殊，可通過自身的運(yùn)動機(jī)構(gòu)，通過控制系統(tǒng)的幫助到達(dá)指定位置并完成既定任務(wù)的機(jī)器人。本文所設(shè)計(jì)的三足向機(jī)器人的工作環(huán)境主要是在室內(nèi)，存在著較多的動態(tài)和靜態(tài)障礙物，影響著機(jī)器人的運(yùn)動。 在這種環(huán)境下，機(jī)器人必須具備優(yōu)良的避障功能，在遇到障礙物時(shí)能夠及時(shí)做出反應(yīng)，同時(shí)要求機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)安全可靠，保證操作過程中不發(fā)生意外。可見，設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡單，成本經(jīng)濟(jì)，安全可靠的機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)十分重要。

1 機(jī)器人運(yùn)動學(xué)建模與分析

機(jī)器人控制的基礎(chǔ)是運(yùn)動學(xué)分析，利用運(yùn)動學(xué)分析，可以得出機(jī)器人運(yùn)動過程中各類參數(shù)的變化規(guī)律和相互之間的關(guān)系，采用控制系統(tǒng)對這些參數(shù)進(jìn)行控制，才能設(shè)計(jì)出正確合理的控制系統(tǒng)。

在運(yùn)動建模之前，為簡化運(yùn)動學(xué)數(shù)學(xué)模型，做下列幾種理想化假設(shè)：（1）全向輪不與地面打滑，同時(shí)地面有足夠摩擦力；（2）電機(jī)軸線中心正是底盤重心；（3）三個(gè)全向輪中心處于同一圓上。在以上條件成立的情況下，機(jī)器人運(yùn)動分析如圖1 所示。

圖1 機(jī)器人的運(yùn)動分析

其中：α 為yr與輪子的夾角，L1、L2、L3為各全向輪中心與底盤中心的距離，v1、v2、v3為第i（i=1,2,3）個(gè)車輪中心的線速度。根據(jù)平面運(yùn)動速度分解合成關(guān)系，可建立如下方程：

為計(jì)算方便將L1、L2、L3取近似平均值L，根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)可知α=30°。同時(shí)，車輪的速度瞬心即車輪與地面接觸點(diǎn)，可知vi=rω（i=1,2,3）。另外，為簡化計(jì)算公式，在建立相對坐標(biāo)系時(shí)取θ=0°，將α=30°、θ=0°帶入公式1 中，可以得到如公式2 所示的最終機(jī)器人運(yùn)動學(xué)模型：

2 機(jī)器人硬件方案設(shè)計(jì)

圖2 機(jī)器人硬件總體設(shè)計(jì)方案

考慮到全向移動機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的特殊情況和目前移動機(jī)器人控制技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，結(jié)合本課題所設(shè)計(jì)的機(jī)器人實(shí)際應(yīng)用情況，本文采用利用MSP430F149 單片機(jī)直接控制的控制方法。 三足機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)硬件整體設(shè)計(jì)如圖2 所示。

如圖，PC 機(jī)通過串口將命令傳送給上位單片機(jī)，上位單片機(jī)將收到的命令顯示在液晶上，同時(shí)通過無線模塊發(fā)射無線信號；下位單片機(jī)在檢測到有命令信號時(shí)，接收信號并顯示在液晶上， 與此同時(shí)，下位單片機(jī)控制電機(jī)驅(qū)動單元動作，完成指令。在整個(gè)過程中，電源單元為整個(gè)下位單片機(jī)提供能量保證，傳感器單元實(shí)時(shí)檢測周圍環(huán)境被反饋給單片機(jī)。

2.1 電機(jī)驅(qū)動單元

開關(guān)型驅(qū)動方式是多數(shù)直流電機(jī)驅(qū)動所采用的方式，其中又以定頻脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation：PWM）最為常見。其便于驅(qū)動電子設(shè)備和易用的計(jì)算機(jī)接口是選擇這種方式的主要原因。本文的電機(jī)驅(qū)動電路主要采用BTS7960 功率半橋芯片，其主要應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動的大電流半橋高集成芯片，BTS7960 帶有一個(gè)N 溝道的低邊MOSFET、一個(gè)P 溝道的高邊MOSFET 和一個(gè)驅(qū)動IC，BTS7960 通態(tài)電阻典型值為15mΩ，驅(qū)動電流可達(dá)42A。

兩個(gè)BTS7960 半橋構(gòu)成全橋電路，驅(qū)動電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和制動。當(dāng)MotorDir 為高電平時(shí)，U1 的高邊P-MOSFET 和U2 的低邊N-MOSFET 導(dǎo)通，則電機(jī)正轉(zhuǎn)；反之，當(dāng)MotorDir 為低電平時(shí)，U1的低邊N-MOSFET 和U2 的高邊P-MOSFET 導(dǎo)通，則電機(jī)反轉(zhuǎn)。當(dāng)MotorPWM 為0 時(shí)，某高邊P-MOSFET 觸發(fā)制動信號，U1 的低邊N-MOSFET 和U2 的低邊N-MOSFET 反并聯(lián)二極冠續(xù)流，直至電流為0A，則電機(jī)制動。

2.2 通信單元

由于選用MSP430F149 單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)動控制，其豐富的通信模塊接口使得我們可以直接使用MSP430F149 單片機(jī)作為串口通信和無線通信的控制單元。

串口通信本系統(tǒng)采用的是MSP430 單片機(jī)的RS232 串口通信單元，RS232 規(guī)定以25 針或9 針的D 型連接器與外部相連,它是由美國電子工業(yè)協(xié)會EIA 制定的串行通信物理接口標(biāo)準(zhǔn)，最遠(yuǎn)傳輸距離為50 英尺，能夠做到雙向傳輸，全雙工通訊，最高傳輸速率 20kbps。

無線通信本系統(tǒng)采用的無線通信模塊為Nordik 公司的nRF905，無線通信系統(tǒng)由發(fā)送端和接收端組成。數(shù)據(jù)發(fā)送和接收過程如下：借助串口顯示數(shù)據(jù)的狀態(tài)，通過計(jì)算機(jī)串口給發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送端通過nRF905 無線通信模塊把數(shù)據(jù)發(fā)送出去；接收終端通過nRF905 通信模塊接收數(shù)據(jù)，然后把接收到的數(shù)據(jù)通過串口通信傳送給PC 機(jī)。

2.3 傳感器系統(tǒng)單元

為了實(shí)現(xiàn)對全向移動機(jī)器人的運(yùn)動精確控制，必須獲取全向移動機(jī)器人系統(tǒng)位置參數(shù)，周圍環(huán)境情況。同時(shí)，機(jī)器人在運(yùn)動時(shí)處于一個(gè)動態(tài)環(huán)境中，為了保證機(jī)器人不發(fā)生諸如碰撞跌落等意外事件，加裝檢測實(shí)時(shí)環(huán)境的傳感器非常重要。

本文在電機(jī)端部加裝了增量式光電編碼器獲取機(jī)器人的轉(zhuǎn)速，通過計(jì)算可以得到機(jī)器人運(yùn)動的線速度和角速度。此外，為了滿足更多的功能性要求，本文還為機(jī)器人加裝了以下傳感器：（1）光電傳感器HC-RS501：實(shí)時(shí)檢測移動平臺在前進(jìn)的過程中有無障礙和臺階，有效的規(guī)避在自主移動中的障礙，同時(shí)檢測臺階落差，防止機(jī)器人在運(yùn)動過程中跌落；（2）碰撞傳感器：用于檢測光電傳感器無法檢測到的盲區(qū)障礙物，有效躲避微小障礙物，避免機(jī)器人發(fā)生碰撞，造成損壞；（3）煙霧傳感器MQ-2：檢測室內(nèi)是否有煤氣泄漏或有火災(zāi)發(fā)生；（4）溫度傳感器DS18b20：實(shí)時(shí)檢測室內(nèi)溫度，同時(shí)輔助煙霧傳感器，提高室內(nèi)火災(zāi)的檢測精度。

3 機(jī)器人軟件方案設(shè)計(jì)

人機(jī)交互作為移動機(jī)器人運(yùn)動控制的重要環(huán)節(jié)，必須滿足邏輯直觀，操作易用，軟件易用和功能齊全等特點(diǎn)。本系統(tǒng)采用圖形化編程軟件LabVIEW 進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，其具有具有編程簡潔、直觀性強(qiáng)、人機(jī)交互界面友好、數(shù)據(jù)可視化分析與

設(shè)備控制能力優(yōu)等特點(diǎn)。人機(jī)交互界面如圖3 所示。

在圖3 人機(jī)交互界面中，左上方為串口通信參數(shù)設(shè)置區(qū)。在該區(qū)域，用戶可以設(shè)置串口名稱、波特率、奇偶校驗(yàn)以及停止位參數(shù)。串口名稱是指上位單片機(jī)與計(jì)算機(jī)連接時(shí)使用的串口編號，串口名稱設(shè)置正確，計(jì)算機(jī)才能找到上位單片機(jī)并與之進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，否則將無法實(shí)現(xiàn)通信。波特率是指單位時(shí)間內(nèi)載波變化的次數(shù)，只有在串口數(shù)據(jù)波特率與單片機(jī)數(shù)據(jù)波特率相同時(shí)，兩者才能進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)比特是信息量的單位。奇偶校驗(yàn)用來檢測單片機(jī)收到的數(shù)據(jù)是否與計(jì)算機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)是否一致。停止位放在數(shù)據(jù)的末尾，單片機(jī)收到數(shù)據(jù)后分析數(shù)據(jù)，遇到停止位后即表示數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)送完畢，單片機(jī)停止接收數(shù)據(jù)。

4 總結(jié)

本文主要介紹了三足全向機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。首先對三足全向移動布局結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動學(xué)模型的建立與分析，在此基礎(chǔ)上為后期控制方案提供依據(jù)。然后對控制系統(tǒng)提出了硬件方案設(shè)計(jì)，并對各個(gè)模塊進(jìn)行了選型。最后基于LabVIEW2010 建立三足全向移動機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，利用串口通信技術(shù)，將人機(jī)交互命令傳輸給機(jī)器人控制系統(tǒng)，使機(jī)器人的運(yùn)動控制變得簡單方便。

圖3 運(yùn)動控制系統(tǒng)人機(jī)交互界面

[1] 章小兵，宋愛國.地面移動機(jī)器人研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用.2005.（2）：475-480.

[2] 付宜利，李寒，徐賀.輪式全方位移動機(jī)器人幾種轉(zhuǎn)向方式的研究.制造業(yè)自動化.2005（27）：33-37.

[3] 潘永雄。新編單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].西安電子科技大學(xué)出版，2003.18-34.

[4] 陳錫輝. LabVIEW8. 20 程序設(shè)計(jì)從入門到精通[M]. 清華大學(xué)出版社, 2007.