電磁導航式智能工業機器人控制系統研究

方立友

(無錫南洋學院智信學院，江蘇 無錫　214081)

機器人是模仿人類特征做出的智能產品，電磁導航式機器人作為機器人的一種，具有三個特點。感知能力，電磁導航式機器人能通過系統感知到外界信息。獨立思考能力，電磁導航式機器人和人一樣擁有思考問題的能力，這個思考過程可以概括為加工問題、處理問題和決策問題。行為能力，機器人需要執行系統下發的命令，對信息進行輸出，從而形成行為。合理有效的智能控制系統能夠控制電磁導航式智能機器人的工作過程，保證工作質量[1]。

本文主要對電磁導航式智能工業機器人的控制系統進行研究，分別對系統的硬件和軟件兩部分進行設計，然后利用試驗驗證了本文設計的系統相較于傳統系統有突出優勢。通過本文的研究可以發現所設計的系統能夠有效地對電磁導航式智能工業機器人進行控制，而且工作成本低、工作質量高、耗費時間短，是未來控制電磁導航智能機器人必然使用的系統之一[2]。

1　電磁導航式智能工業機器人控制系統硬件設計

本文設計的電磁導航式智能工業機器人系統硬件部分由視覺傳感器、光電編碼器和嵌入式處理器3部分組成，系統硬件工作如下：視覺傳感器負責感知外部信號，將感知到的信號傳給光電編碼器，由編碼器編碼數據，最后由嵌入式ARM處理器處理整個信息。電磁導航式智能工業機器人系統硬件部分設計總體框圖如圖1所示。

圖1　硬件部分設計總體框圖

在硬件系統上安置視覺傳感器能夠使其獲取感知外部信息的能力[3]。視覺傳感器主要利用彩色CCD和三維激光雷達采集外界信息，如果不能準確地采集到視覺信息，將會對機器人的行駛速度、行駛路線以及躲避障礙物產生直接的影響，同時也決定著系統的實時性和魯棒性。處理視覺信息也是視覺傳感器的工作之一，處理內容包括壓縮和濾波視覺信息，監測障礙物，控制系統，識別感知三維信息。視覺感知器能夠利用二維圖像認知三維環境信息，幫助機器分析所在的三維環境中物體的幾何信息。視覺傳感器能夠幫助機器人自定位、導航以及設置環境地圖，通過CCD采集信號，然后利用傳感系統將采集到的信號轉變成PAL制式的模擬信號，最后將PAL模擬信號轉變成YUV422數字信，利用USB2.0接口傳入PC內存中。數據傳感器的視頻信號為PAL信號，獲得的像素為750(H)×420(V)，水平解像度為720TV lines，鏡頭為32倍光學變焦，68倍數字變焦，水平視場角為10°～70°，分為自動、手動、AE三種曝光方式，產生的噪聲小于50 dB，要求電源電壓為4～12 V。視覺傳感器擁有接收黑色彩色兩種圖像的能力分辨率高達700 X 352，可以無級縮放，且亮度、對比度、飽和度都可調[4]。

嵌入式ARM處理器是由英國劍橋ARM公司研發，目前已經遍布工業領域、電子領域、通信領域。ARM處理器的處理精度能夠達到32位，對價格和功耗要求較高的消費類產品應用較多。根據ICE-RT邏輯進行調試開發，耗功率極低，對于功耗要求較高的應用來說較為合適，系統內部為五級流水線結構，指令集為代碼密度高并兼容16位的Thumb，支持各個類型的操作系統，最高的主頻為130MIPS，對于指令有極高的執行效率，支持數據Cache和指令Cache，具有其他處理器難以比擬的處理數據能力。ARM處理器在工作時要保證持續輸入50 A以上的穩定電流和220 V的穩定電壓，從而確保每小時的運行頻率能夠60 MHz，ARM處理器還具備另外一個優點，即工作延時極短，僅僅5 μs，完全可以忽略不計，并且運行速度極快。數據輸入追蹤器的格式為：數據1+追蹤+數據2+檢測；輸出格式為：追蹤結果+追蹤效率[5]。追蹤器利用連接的VERO結構完成數據的追蹤，追蹤周期在2～5 h之間，同時內部設有EVM追蹤擴展系統，增加了追蹤器的追蹤范圍，確保了追蹤過程的安全性。

2　電磁導航式智能工業機器人控制系統軟件設計

利用運放原理實現電磁導航式智能工業機器人系統軟件部分的設計，計算過程如下：

(1)

(2)

式中I——工作電流；U——工作電壓；out1和out2——兩個輸出端。

(3)

式(3)能夠測定出輸出電壓。在測定出輸出電壓和輸入電壓后，要實現系統的控制，控制算法如下所示[6]：

(4)

3　試驗研究

為了測試本文設計的電磁導航式智能工業機器人系統是否具有實際可操作性，與傳統的電磁導航式智能工業機器人系統進行對比，設計的試驗參數如下：輸入電壓值為Uout為220 V，額定電壓值-UREF為100 V，輸出端1Iout1輸出的電流為20 A～50 A，輸出端2Iout2輸出的電流為10～100 A，在組態下進行流程設定，工作時間為5 h。試驗參數設定如表1所示[7]。

表1　試驗參數設定

通過設定的參數和環境進行試驗，得出的結果如圖2所示。

圖2　傳統系統實驗結果圖

由圖2可知，傳統系統通過輸出端1和輸出端2能夠實現對機器人的控制，但控制過程極為不穩定，并且受控端數和控制端數無法呈現比例關系，控制過程耗費時間過長，并且消耗大量的成本，得到的工作效率過低，傳統系統無法實現有效控制[8]。設計系統試驗結果圖如圖3所示。

圖3　設計系統實驗結果圖

由圖3可知，設計的電磁導航式智能工業機器人系統能夠有效利用輸出端1和輸出端2對機器人進行控制，控制過程穩定，不會受到外力沖擊，受控端數和控制端數呈現比例關系，可見本文設計的系統耗時更短、成本更低、工作質量更好。

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