一種雙足機器人控制系統設計

余有明，莫浩明，余澤煌

（廣東工業大學華立學院 廣東 廣州 511325）

一種雙足機器人控制系統設計

余有明，莫浩明，余澤煌

（廣東工業大學華立學院 廣東 廣州 511325）

研究基于嵌入式的雙足機器人控制系統設計，以Cortex-M3內核的STM32F013ZET6控制芯片作為系統微控制器，設計出控制系統的總體架構方案。該控制系統結合無線傳輸、傳感器技術與嵌入式技術，以模塊化設計實現數據采集、數據傳輸和指令執行。采用無線射頻模塊CC1101負責遠程操作控制，運用多軸運動處理組件MPU6050監測機器人姿態并實時反饋，并處理數據使得機器人快速調整相應姿態，通過PC終端操作系統及顯示結果。經過多次的實驗測試，系統各個模塊配合良好，實時性好、性能穩定，能夠實現自由行走。

機器人；雙足行走；自動控制；數據采集

隨著科學技術和生活水平的不斷提高，以及機器人技術的深入研究，機器人技術因其高效、精準的優點，為人類帶來便利。近年來，關于利用機器人技術幫助行動不便人士的研究逐步深入，例如幫助患者步行、上樓梯、跨越障礙物，達到模仿人的動作效果［1］。為行走不便人士帶來福音，仿生直立雙足機器人有重要的研究價值和意義［2］。但這對機器人控制系統的安全性、穩定性、實時性提出了更加高的要求。因此，以Cortex-M3內核的STM32F013ZET6微處理器為核心，設計出一種實時性好、性能穩定、方便操控的雙足機器人控制系統。

1　系統設計

機器人控制系統是由機載控制系統、無線通信系統、PC上位機監控系統組成，其中機載控制系統是本系統設計核心部分。圖1為機器人控制系統的總體結構圖。PC上位機通過采用CC1101無線模塊將控制指令傳送到機載控制系統，機載控制系統收到控制指令后執行指令并通過自定義協議加密成數據包后反饋到監控上位機顯示，通過實時信息反饋能夠了解機器人狀態參數，并能完成監控機器人數據采集—數據傳輸—指令執行的實施，實現智能化監控。

圖1　控制系統結構圖

1.1系統硬件設計

機載控制系統的主控制器選用具有高性能、低功耗的Cortex-M3內核STM32F013ZET632位處理器，工作頻率最高可達到72MHz，擁有16個外部中斷，可以滿足多路中斷處理數據，以及內部多達16個定時器，每個定時器可以4個脈沖計數器，可以完成多路PWM的控制，并且該芯片自帶2個I2C通信接口、5個USART接口、3個SPI接口等，通過這些通信接口可以快速地進行數據采集和數據交換，提高機器人控制系統實時性。

控制系統圍繞著STM32F013ZET6搭建起主控制處理信息接收以及信息輸出的功能，形成機載控制系統。它由電源模塊、陀螺儀模塊、無線模塊、主控模塊、加速度計模塊、舵機組模塊組成，電源部分采用TI的穩壓芯片LM2596S，該芯片可以滿足多個舵機聯合啟動以及芯片電源供給，系統并且采用MPU6050模塊和角度傳感器MMA7361實時采集機器人直立狀態通過采用無線模塊CC1101進行數據包反饋到監控上位機。機器人通過搭載MPU6050模塊、超聲波模塊、角度傳感器等模塊可以實現對不同環境下精確數據采集和改變機器人狀態等功能［3］。

1.2角度檢測設計

采用MPU6050模塊和MMA7361角度傳感器作為姿態數據采集的傳感器，MPU6050模塊整合了3軸陀螺儀、3軸加速器，可以通過高達400 kHz快速模式的I2C，最高至20MHz的SPI串行主機接口進行數據交換，模塊通過PID算法和卡爾曼濾波算法將角速度和加速計融合計算出角度，該模塊用于機器人檢測重心方向。并采用具有MMA7361角度傳感器頻率及解析度高，提供精確的墜落、傾斜、移動、放置、震動和搖擺自我檢測等特點。主控芯片通過A/D數模轉換并采取歸一算法減小零點溫漂。該模塊采集精度高，用于檢測機器人腿部角度，通過腿部角度估算出機器人步伐大小，這樣能夠更好的控制機器人，增強系統的穩定性［4］。

1.3超聲波模塊壁障設計

為了更好的保護機器人機身，防止其與物體發生碰撞，系統采用超聲波模塊HC-05，它具有指向性強，功耗低，采集距離遠等優點。主控制器通過使用推挽形式將脈沖信號加到超聲波換能器兩端，這樣可以提高超聲波的發射強度，使機器人感知距離更遠，同時機器人通過控制安裝在超聲波上的舵機轉動，通過不同角度采集回來的距離進行比較，選擇合適路徑進行直立行走，實現自動壁障功能。使用超聲波模塊可以使機器人更好利用活動空間完成任務，機器人捕捉到距離通過無線將距離實時發送到上位機反饋顯示。

1.4數據傳輸系統設計

無線通信系統通過使用主控芯片的USART接口器完成數據發送以及數據接收，將接收到的數據進行解幀得到真正的數據，使得數據傳輸簡單。機器人通信和PC上位機通信采用一致的幀格式協議進行加密，即使用8位數據，一個起始位和一個停止位的形式［5］，為了保證數據準確性和有效性，機器人將采集到數據通過采取加工帶有校驗功能。為了有利于系統后期的功能拓展和硬件維護，程序和硬件均采用模塊化的設計，同時使系統具有規范性和可靠性。系統采用CC1101無線模塊作為該電路的數據傳輸模塊，該無線傳輸模塊與微控制器的電路接口采用串行通信原理，硬件連接示意圖如圖2所示。數據間通信使用標準的RS-232接口，并設計高速光耦隔離PC817模塊以及接入頻率更高的外部晶振，以提高芯片運行速度和增強EMC電磁兼容性能［6］，使系統更加穩定可靠。通過接收PC上位機的控制指令，完成機器人的控制、數據采集和發送等功能。

圖2　CC1101連接示意圖

1.5監控上位機設計

監控上位機用于觀察機器人實時狀態以及實現控制機器人的行走、靜態轉彎及上下樓梯等操作，PC上位機監控系統對機器人要求有多種監控方式［7］，有PC監控上位機手動控制、遙控指令控制、預先脫機程序智能控制等。控制系統要求能判斷中斷優先級、而且能夠同時實現多任務實施和數據采集，形成動作控制—動作完成—信息反饋，完成機器人的信息接收、信息處理、信息輸出等功能，實現人性化、智能化［8］。在目前的嵌入式操作系統中有Linux、UC/OS、UC/GUI等多種，都具備各自的優勢［9］。機器人系統要求軟件的編寫可靠、簡單易操作。因此，本系統的采用VB開發一款功能全面的監控上位機。

圖3　測試程序界面圖

2　控制算法設計

本系統以意法半導體MCU為控制核心，采用C語言對主控制器進行編程算法控制，機器人系統要求程序運行可靠穩定。因此，本系統的程序模塊化設計，實現對機器人控制并通過采用經典PID算法進行優化控制。PID算法簡單可靠，理論體系完備，而且在長期的應用過程中積攢了大量的使用經驗，具有良好的控制效果和較強的魯棒性，能提供控制量的較優解，實現位置回路控制和姿態回路控制，控制回路包含了X、Y和Z變量，所以需要3個PID獨立的算法對回路形成控制，設Kp、Ki、Kd分別為比例項和微分項系數，有式（1）

其中Xρ、Yρ、Zρ是加速度計采集數據積分到的位移量。

在PID控制器在控制的過程中，通過各個獨立環節不同的控制作用相互配合，最終輸出整個控制器的控制作用，其中：

比例環節：對控制系統的偏差信號會通過放大或縮小一定的比例反應出來，在控制過程中一旦有偏差產生，控制器能迅速抑制偏差對控制效果產生不良影響，對系統的調節精度和相應速度都有很大改善。

積分環節：對于系統穩態誤差的消除和誤差度的提高有很大作用。同時采集時間常數的大小決定了積分能力的強弱，它們越小，積分能力越強，反之則弱。

微分環節：調節誤差的微分輸出，誤差突變時，能及時控制，反應偏差信號的變

化趨勢，并提前引入一個修正信號來抑制偏差信號變得太大。因此其改善系統的動態特性［10］。

通過擴充比例度法整定數字PID控制器參數，擴充比例度法適用于有自平衡特性的受控對象，是對連續-時間PID控制器參數整定的臨界比例度法的擴充。通過選取合適的采樣周期。采樣周期TS的長短會影響采樣-數據控制系統的品質，同樣是最佳整定，采樣數據控制系統的控制品質要低于連續-時間控制系統。因而，控制度總是大于1的，而且控制度越大，相應的采樣—數據控制系統的品質越差。控制度的選擇要從所設計的系統的控制品質要求出發。實行閉環控制，觀察控制效果差異，并作適當的調整以獲得比較滿意的效果。以下是下位機操作系統的部分代碼。

3　系統測試

機器人監控系統也是該控制系統的重要組成部分，PC上位機要求不僅能夠給機器人發送控制指令到機器人，并且能接收機器人上的傳感器單元（MPU6050模塊、超聲波模塊、角度傳感器等）采集到的數據采用數據包的形式進行反饋顯示，能夠實現上位機和無人機控制程序之間雙向通信，完成機器人所需的任務。這次測試機器人控制系統的行走狀態，通過實驗結果表明機器人成功實現原地踏步、直線行走、靜態轉彎等動作，系統能夠及時響應。

4　結　論

文中設計了基于嵌入式的仿生直立雙足機器人控制系統，系統的硬件和軟件均采用模塊化的設計方法，有利于系統后期的功能拓展和硬件維護，并對MPU6050模塊采集回來的角度通過運用PID控制算法和卡爾曼濾波算法解算合成，采用超聲波模塊檢測安全距離實現機器人自我保護的功能，通過各模塊相互協助成功地實現了機器人實現原地踏步、直線行走、靜態轉彎及上下樓梯等運動。系統整體繞著ARM構成的微控制器運轉，具有行走穩定、運動迅速、接收信號靈敏等特點。仿生直立機器人涉及到仿生學、運動學、動力學及自動控制理論的綜合運用，在臨床醫學、義肢設計等領域得到更好的發展與應用。

［1］張彤.仿人機器人步行控制及路徑規劃方法研究［D］.廣東：華南理工大學，2010.

［2］史耀強.雙足機器人步行仿真與實驗研究［D］.上海：上海交通大學，2008.

［3］劉丞.自主移動機器人測控系統關鍵技術的研究［D］.西安：西安電子科技大學，2009.

［4］朱雅光.基于阻抗控制的多足步行機器人腿部柔順控制研究［D］.杭州：浙江大學，2014.

［5］姚建偉.基于STM32的服務機器人的集成通信系統研制［D］.武漢：武漢工程大學，2014.

［6］丁敏.電磁干擾及其抑制措施的分析 ［J］.科技傳播，2014，16:67-68.

［7］伍延祿.基于嵌入式的移動機器人無線遠程控制［D］.北京：北京化工大學，2011.

［8］袁明.多自由度多傳感器機器人控制系統研究［D］.西安:長安大學，2013.

［9］郝玉勝.uC/OS-Ⅱ嵌入式操作系統內核移植研究及其實現［D］.蘭州：蘭州交通大學，2014.

［10］魏建新.足球機器人模糊PID控制算法的應用研究［D］.重慶：重慶理工大學，2012.

Design of biped walking robot controlling system

YU You-ming，MO Hao-ming，YU Ze-huang
（HualiCollege Guangdong University of Technology，Guangzhou 511325，China）

Research of the robot controlsystembased on embedded technology，using Cortex-M3 core STM32F013ZET6chip as the system microcontroller to design the overall system architecture.The system combines wireless transmission，sensor technology and embedded technology to realize data acquisition，data transmission and instruction execution function in modular design.The RF modules CC1101 as responsible for remote control operation，using MPU6050 Multi axis motion processor for acquisition and processing the attitude data，control the robotand display the results through PC terminal.After many times of experiment test，the biped walking robot controlling system has a good real-time performance，high precision and stable performance，isable to achievedon biped walking robotcontrolling.

robot；biped walking；automatic control；data acquisition

TN99

A

1674-6236（2016）19-0092-03

2015-09-30稿件編號：201509194

“攀登計劃”廣東大學生科技創新培育專項資金資助一般項目（PDJH2015b0944）；“攀登計劃”廣東大學生科技創新培育專項資金資助重點項目（PDJH2015a09335）；大學生創新創業訓練計劃項目（201513656048）

余有明（1994—），男，廣東佛山人。研究方向:機器人控制技術。