球形機器人隊列控制研究

廖小鑫 丁雅昊 葛志恒 劉琨

摘 要： 隊列控制是使機器人在某種特定的環境下維持某種指定隊形的控制技術。本文主要研究了基于NRF24L01無線射頻通信方式的球形機器人隊列控制。首先對球形機器人的特殊結構進行設計，接著研究了使機器人保持隊形的控制方式和準確控制機器人行進路線的算法，最后通過實驗測試了球形機器人隊列控制的效果。

關鍵詞： 球形機器人；隊列控制；運動控制

基金項目： 本文系廣東省大學生創新創業訓練計劃項目，編號201613177022；“攀登計劃”廣東省大學生科技創新培育專項資金，編號PDJH2017B0900。

1.項目背景

對于探索多種資源的任務而言，一個機器人往往很難獨立完成任務。此時多個機器人之間的協作會大大提高完成探索任務的可能性和效率。其中，最簡單的協作隊形就是隊列控制，機器人之間沒有任何的物理上的連接。機器人隊列控制可以應用到很多領域：安全巡邏、搜救、空間探測、軍事偵察、農業澆灌等。多機器人隊列控制有著一個機器人所沒有的優勢。例如，在空間探測中，如果只是使用一個機器人，當遇到某種障礙時，就會有很大的風險與機器人失去聯系。但是，一群具有相同功能模塊的機器人通過某種方式相互連接，就可以構成比單個機器人更強的運動、感知和作業能力的集合體機器人[1]。

當處于復雜多變的環境時，傳統的腿式、輪式、履帶式機器人由于自身結構的不足，在一些復雜地形難以發揮其作用。而球形機器人的結構類似不倒翁，在與障礙物發生碰撞后能夠迅速恢復平衡，很好地適應復雜地形。

本文研究了基于NRF24L01無線射頻通信的球形機器人隊列控制，首先研究了基于NRF24L01無線射頻通信方式的一對多控制隊列技術，根據球形機器人的特殊結構設計，設計了基于NRF24L01的精確控制機器人行進的算法。實驗構造了由兩個球形機器人組成的隊列，并通過直線行進實驗研究測試了該隊列的實際控制效果。

2.系統總體設計

2.1 系統構架

以PC機、單片機和無線通信模塊為上位機，各個機器人與無線通信模塊為下位機，構成通信系統（如圖1所示）。

2.2 通信模塊選用

現在流行的通信模塊有藍牙、WiFi、Zigbee，NRF24L01等，綜合考慮通信距離、功耗、成本以及功能實現，本實驗選擇NRF24L01通信模塊。NRF24L01無線通信模塊是在2.4G到2.5G之間的頻道上通信，一共有125個頻道，實現兩個NRF24L01之間的通信需要配置相同的頻道、地址和每次發送的字節數。本文研究“一主機多從機”的控制模式，通過跳頻通信的方式實現同步穩定控制。

2.3 通信控制方式

在控制端，PC通過單片機連接一個無線通信模塊，用于發送指令；在接收端，多個機器人分別配置了多個無線通信模塊，用于接受指令球形機器人結構設計與硬件系統

3.1 結構選擇

機器人結構多樣，常見的有履帶式、輪式、腿式機器人。在復雜地形環境下，由于其自身結構的不足，在相較于球形機器人，恢復平衡的能力較差。因此，本文是選擇球形為機器人的外形結構。

綜合考慮球形機器人的結構特性和運動特性，通過SolidWorks設計了其三維模型。

3.2 硬件系統

本設計構造了兩個球形機器人，每個機器人尺寸為，控制器采用8位AVR微控制器，它產生的PWM信號可以通過L298N驅動板傳至TTM1直流減速電機。

3.隊列控制軟件算法

程序設計包含了三個模塊。第一個是通信模塊，是基于NRF24L01的通信協議的設置。第二個是運動控制模塊，分別設定了球形機器人朝各個方向運動的不同速度參數。第三個是閉環反饋模塊，通過編碼器返回的實際值，在與設定值比較后，反饋信號使機器人調整運動速度和姿態。

4.隊列精確控制

為了實現對機器人行進路徑的準確控制，構建了減速電機PID控制系統，這個系統由AB相增量式霍爾編碼器和單片機構成。

5.實驗

5.1 實驗設計

實驗構造了由兩個球形機器人組成的隊列控制系統，進行了同步跟隨實驗。兩個球形機器人相距一定距離并列擺放，后方機器人跟隨前方機器人以一定速度前進，并保持相同距離。在實驗中，兩個球形機器人在接收到主機傳來的指令后，同時向前加速行進，當速度達到指定速度后保持勻速運動。霍爾編碼器與單片機構成的PID閉環控制系統會對機器人的運動速度進行調節，使兩個機器人之間保持相同距離勻速前進。

5.2 實驗結果及分析

在兩個球形機器人速度到達穩定時，分別記錄機器人左右輪脈沖頻率和機器人之間的相距距離。

實驗結果表明，在存在干擾因素的環境中，兩個球形機器人構成的運動系統能夠以較穩定的速度保持一定距離向前運動。因此，本文所研究的球形機器人隊列控制系統是有成效的。

6.結論

本文研究了基于NRF24L01無線射頻通信方式的球形機器人隊列控制，利用無線射頻通信模塊設計和實現了PID閉環控制的球形機器人隊列系統，獲得了較為精確的球形機器人隊列控制。

參考文獻

[1]王兆元，溫強華 .機器人隊列的分布式協作控制研究.中國科技信息.2011（13）：173-174.

[2]楊叔子，楊克沖，吳波等.機械工程控制基礎.武漢：華中科技大學出版社，2005.

[3]孫琪，張越.基于ADAMS的球形機器人運動分析.科學技術工程.2010，10（15）：3599-3601.

[4]鄧宗全，岳明.球形機器人的發展概況綜述.機器人技術及應用.2077：27-31.

[5]林杰.一種新型全方位球形機器人的研究.蘇州大學碩士論文，2006.

[6]岳明.雙驅動球形機器人及其運動控制的研究.哈爾濱工業大學博士論文.2008.