基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信的機(jī)器人自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 鑫

（四川長(zhǎng)江職業(yè)學(xué)院，成都 610106）

服務(wù)機(jī)器人作為一種半自動(dòng)化或全自動(dòng)的機(jī)器人[1]，能夠完成人類服務(wù)工作[2]，是未來(lái)服務(wù)業(yè)應(yīng)用的主要趨勢(shì)。高精度的定位導(dǎo)航應(yīng)用是服務(wù)機(jī)器人應(yīng)用的基礎(chǔ)與保障[3]。

文獻(xiàn)[4]在研究機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)過(guò)程中，以STM32芯片為核心，基于超聲波三邊定位算法定位目標(biāo)，選取人工勢(shì)場(chǎng)算法規(guī)劃?rùn)C(jī)器人導(dǎo)航路徑，通過(guò)PWW 波控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)；文獻(xiàn)[5]通過(guò)圖像處理算法獲取機(jī)器人周邊環(huán)境圖像特征值，采用極限學(xué)習(xí)機(jī)獲取機(jī)器人最優(yōu)導(dǎo)航路徑；文獻(xiàn)[6]在設(shè)定機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)過(guò)程中引入人工勢(shì)場(chǎng)法算法，并在有障礙與無(wú)障礙兩種條件下測(cè)試系統(tǒng)性能。本文考慮服務(wù)機(jī)器人應(yīng)用過(guò)程中的數(shù)據(jù)通信性能，設(shè)計(jì)基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信的機(jī)器人自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)化導(dǎo)航。

1 機(jī)器人自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)

1.1 機(jī)器人自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于開放性模塊化設(shè)計(jì)理念[7]，設(shè)計(jì)基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信的機(jī)器人自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包含兩個(gè)組成部分，分別是移動(dòng)控制單元與移動(dòng)機(jī)器人單元，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信的機(jī)器人自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)Fig.1 Robot automatic navigation system based on wireless network communication

移動(dòng)機(jī)器人單元利用環(huán)境信息感知模塊中的無(wú)線傳感器等設(shè)備采集周邊環(huán)境信息，所采集信息基于USB 總線輸入至該單元的機(jī)器人信息交換及處理平臺(tái)中進(jìn)行集成與存儲(chǔ)，信息集成結(jié)果通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信模塊傳輸至移動(dòng)控制單元的機(jī)器人信息交換及處理平臺(tái)中，通過(guò)語(yǔ)音輸出模塊與文字及圖像輸出模塊向用戶提供機(jī)器人當(dāng)前所處區(qū)域信息、環(huán)境視頻圖像以及距離信息，用戶依照實(shí)際需求通過(guò)按鈕輸入模塊設(shè)定目的地，移動(dòng)控制單元中的機(jī)器人信息交換及處理平臺(tái)依照機(jī)器人當(dāng)前所處區(qū)域信息與用戶設(shè)定目的地信息進(jìn)行路徑規(guī)劃生成導(dǎo)航信息，導(dǎo)航信息通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信模塊傳輸至移動(dòng)機(jī)器人單元的機(jī)器人信息交換及處理平臺(tái)中，通過(guò)USB 總線驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制模塊內(nèi)的電機(jī)令機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，依照導(dǎo)航信息移動(dòng)至目的地。

1.2 環(huán)境信息感知模塊設(shè)計(jì)

環(huán)境信息感知模塊利用聲納傳感器、位置敏感傳感器（PSD）以及CCD 攝像頭、激光雷達(dá)等采集周邊環(huán)境信息。環(huán)境信息感知模塊內(nèi)的激光雷達(dá)能夠?qū)崿F(xiàn)水平面的全角度掃描功能[8]，水平分辨率與掃描頻率分別為0.158°和26 Hz，能夠高效獲取室內(nèi)外環(huán)境信息；數(shù)字羅盤能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人自身位姿信息的實(shí)時(shí)反饋[9]。所采集的環(huán)境信息與位姿信息通過(guò)串行接口傳輸至機(jī)器人信息采集及處理平臺(tái)中。聲納與CCD 攝像頭可提供聲納信息與清晰圖像，基于多通信圖像信息融合準(zhǔn)確判定導(dǎo)航目的地或目標(biāo)。環(huán)境信息感知模塊結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 環(huán)境信息感知模塊結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of environmental information perception module

各傳感器與攝像頭采用無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行設(shè)置與通信。無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)為具有高度靈活性與流動(dòng)性。作為一種全新的無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)，ZigBee 技術(shù)在原有技術(shù)優(yōu)勢(shì)上，更添加成本小、交互性強(qiáng)、安全性高、功耗低等優(yōu)勢(shì)[10]，并且其能夠應(yīng)用于不同類別的設(shè)備中，能夠?qū)崿F(xiàn)定位功能。環(huán)境信息感知模塊采用ZigBee 技術(shù)搭建機(jī)器人環(huán)境信息感知網(wǎng)絡(luò)。科學(xué)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信的基礎(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)對(duì)其自身的搭建成本、運(yùn)行速度與特征等功能產(chǎn)生決定性影響。當(dāng)前普遍使用的ZigBee 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要包括星形、網(wǎng)狀形與樹形等結(jié)構(gòu)。而考慮機(jī)器人導(dǎo)航過(guò)程的特征，環(huán)境信息感知模塊中ZigBee 網(wǎng)絡(luò)搭建主要采用樹形結(jié)構(gòu)，具體如圖3 所示。

圖3 樹形結(jié)構(gòu)ZigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of ZigBee wireless network with tree structure

1.3 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信模塊

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信模塊是機(jī)器人自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)內(nèi)的核心模塊之一，其性能設(shè)計(jì)直接影響機(jī)器人的應(yīng)用性能。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信模塊以nRF905 單片機(jī)為核心，其整體結(jié)構(gòu)如圖4 所示。機(jī)器人自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)內(nèi)，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信模塊以nRF905 單片機(jī)為核心，該單片機(jī)具有收發(fā)一體的特征，其中包含頻率合成器、功率放大器以及調(diào)制器等功能性器件。該單片機(jī)主要工作于433 MHz，868 MHz 和915 MHz 的ISM 頻段，運(yùn)行過(guò)程中采用半雙工運(yùn)行模式[11]，利用該信息能夠有效實(shí)現(xiàn)高效的機(jī)器人運(yùn)行數(shù)據(jù)傳輸，且傳輸過(guò)程中無(wú)須微控制單元處理數(shù)據(jù)，具有軟件開發(fā)效率快、價(jià)格較低等優(yōu)勢(shì)。

圖4 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信模塊結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure diagram of wireless network communication module

機(jī)器人自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)內(nèi)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信模塊工頻達(dá)到455 MHz，其能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離條件下的數(shù)據(jù)交互，在天線與水平地面距離為1.6±0.2 m 的條件下，移動(dòng)機(jī)器人單元與移動(dòng)控制單元間的通信有效距離可達(dá)800 m 以上，同時(shí)隨著天線與水平地面距離的提升以及通信距離間障礙物數(shù)量的減少，有效通信距離可提升至3000 m 左右。以nRF905 單片機(jī)為核心的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信模塊功耗較低，正常工作條件下的功耗上限與工作電流上限分別為375 mW 和85 mA。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信模塊的信號(hào)發(fā)射性能與接收性能均較為靈敏，信號(hào)發(fā)射功率上限與接收功率下限分別為26 dBm 和-95 dBm，數(shù)據(jù)傳輸速率上限達(dá)到100 Kb/s。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信模塊具有高度穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸模式[12]，能夠準(zhǔn)確檢驗(yàn)地址間的匹配，自主重發(fā)數(shù)據(jù)等。

1.4 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制算法

移動(dòng)機(jī)器人單元接收到移動(dòng)控制單元傳輸?shù)膶?dǎo)航信息后，驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制模塊，通過(guò)PID 控制算法實(shí)現(xiàn)機(jī)器人移動(dòng)控制[13]，令機(jī)器人到達(dá)導(dǎo)航目的地。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制過(guò)程中采用PID 控制算法后，可通過(guò)調(diào)節(jié)比例、比例微分、積分與比例微積分實(shí)現(xiàn)高精度機(jī)器人導(dǎo)航控制。比例調(diào)節(jié)的傳遞函數(shù)為

式中：BP表示比例調(diào)節(jié)系數(shù)。

比例調(diào)節(jié)影響下，機(jī)器人的導(dǎo)航運(yùn)動(dòng)控制特征方程為

式中：A0（s）和H（S）分別表示傳遞函數(shù)與調(diào)節(jié)函數(shù)。

在調(diào)節(jié)Bp過(guò)程中，運(yùn)動(dòng)控制模塊的響應(yīng)速度將變化，可根據(jù)此方式提升運(yùn)動(dòng)控制模塊的響應(yīng)速度。但在運(yùn)動(dòng)控制模塊相應(yīng)速度提升的條件下，其自身的穩(wěn)定性將呈現(xiàn)不同程度的下降趨勢(shì)，因此為確保運(yùn)動(dòng)控制模塊運(yùn)行的穩(wěn)定性，需通過(guò)微分調(diào)節(jié)校正模塊。比例微分調(diào)節(jié)的控制方程為

式中：BD表示微分調(diào)節(jié)系數(shù)。

由此可得到PID 運(yùn)動(dòng)控制器的信號(hào)為

運(yùn)動(dòng)控制模塊的開環(huán)傳遞函數(shù)為

式中：wn和ξ 分別表示運(yùn)動(dòng)控制模塊頻率和阻尼。

結(jié)合PD 控制器后，運(yùn)動(dòng)控制模塊的開環(huán)傳遞函數(shù)有所變化，通過(guò)PD 控制將一個(gè)零點(diǎn)引入傳遞函數(shù)內(nèi)，s=-BP/BD表示負(fù)實(shí)軸上該零點(diǎn)的表達(dá)式，積分函數(shù)為

式中：BI表示積分系數(shù)。

結(jié)合比例控制的條件下傳遞函數(shù)為

分析式（7）得到，PI 控制就是將一個(gè)零點(diǎn)引入傳遞函數(shù)內(nèi)，疊加比例、積分與微分等一序列調(diào)節(jié)，能夠得到：

由此得到運(yùn)動(dòng)控制模塊內(nèi)的傳遞函數(shù)表達(dá)式為

機(jī)器人導(dǎo)航運(yùn)動(dòng)控制過(guò)程中，PID 運(yùn)動(dòng)控制器接收到脈沖信號(hào)后，需依照實(shí)際應(yīng)用目的，根據(jù)秒沖周期劃分積分與微分時(shí)間，獲取科學(xué)的脈沖周期，機(jī)器人導(dǎo)航運(yùn)動(dòng)控制流程如圖5 所示。

圖5 機(jī)器人導(dǎo)航運(yùn)動(dòng)控制流程Fig.5 Robot navigation motion control flow chart

機(jī)器人自動(dòng)導(dǎo)航過(guò)程中，環(huán)境信息感知模塊采集周邊路徑信息，路徑信息通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信傳輸至移動(dòng)控制單元中進(jìn)行導(dǎo)航路徑規(guī)劃，規(guī)劃信息反饋至移動(dòng)機(jī)器人單元中。在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)條件下機(jī)器人依照規(guī)劃路徑開始移動(dòng)；基于PID 運(yùn)動(dòng)控制器輸出脈沖控制信號(hào)實(shí)施反饋調(diào)節(jié)，基于移動(dòng)誤差的反饋提升機(jī)器人依照規(guī)劃路徑移動(dòng)的精度，令機(jī)器人有效達(dá)到目的地。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信的機(jī)器人自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)在實(shí)際機(jī)器人導(dǎo)航中的應(yīng)用效果，以某型號(hào)機(jī)器人為研究對(duì)象，在某1000 m×800 m 的實(shí)驗(yàn)大廳內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如下。

2.1 導(dǎo)航結(jié)果與性能分析

本文系統(tǒng)的導(dǎo)航結(jié)果如圖6 所示。黑色框與灰色框分別為出發(fā)點(diǎn)與目的點(diǎn)，白色框?yàn)樽唬部蓪⑵涠x為障礙物。分析圖6 能夠得到，本文系統(tǒng)在導(dǎo)航過(guò)程中規(guī)劃出3 條移動(dòng)路徑，這3 條路徑全部有效避開了所有障礙物，通過(guò)這3 條路徑均能夠有效由出發(fā)點(diǎn)到達(dá)目的點(diǎn)。路徑2 為本文系統(tǒng)實(shí)際移動(dòng)過(guò)程中所選的導(dǎo)航路徑，與其他兩條路徑相比，路徑2 在有效避開所有障礙物的基礎(chǔ)上，還是最短的路徑。以上結(jié)果充分說(shuō)明本文系統(tǒng)不僅能夠有效實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航目的，躲避全部障礙物，而且能夠在全部導(dǎo)航路徑中獲取最優(yōu)路徑。

圖6 導(dǎo)航結(jié)果Fig.6 Navigation results

2.2 無(wú)線通信距離測(cè)試

本文系統(tǒng)中采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信性能對(duì)于機(jī)器人導(dǎo)航性能產(chǎn)生直接影響。測(cè)試實(shí)驗(yàn)大廳內(nèi)有無(wú)障礙物條件下，本文系統(tǒng)的信息傳輸性能，所得結(jié)果如圖7 所示。

圖7 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信距離測(cè)試結(jié)果Fig.7 Wireless network communication distance test results

分析圖7 得到，在無(wú)障礙物條件下，本文系統(tǒng)在870 m 以內(nèi)均可確保機(jī)器人周邊環(huán)境信息傳輸?shù)姆€(wěn)定性，在信息傳輸距離達(dá)到870 m 以上的條件下，信息傳輸過(guò)程中信號(hào)幅度產(chǎn)生相應(yīng)波動(dòng)，波動(dòng)幅度范圍在2 dbm 以內(nèi)。當(dāng)傳輸距離達(dá)到1000 m 以上后，信息傳輸過(guò)程變得極為不穩(wěn)定，有較大概率產(chǎn)生信息傳輸中斷問(wèn)題。在有障礙物條件下，本文系統(tǒng)在790 m 范圍內(nèi)可確保機(jī)器人周邊環(huán)境信息傳輸?shù)姆€(wěn)定性，當(dāng)超過(guò)這一距離后，本文系統(tǒng)的信息傳輸波動(dòng)范圍達(dá)到4 dbm 左右，且信息傳輸中斷概率顯著提升。以上數(shù)據(jù)充分說(shuō)明本文系統(tǒng)能夠有效實(shí)現(xiàn)機(jī)器人導(dǎo)航過(guò)程中的信息傳輸。

2.3 信息傳輸誤差分析

為測(cè)試本文系統(tǒng)中無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信模塊的信息傳輸性能，分析有障礙與無(wú)障礙兩種不同條件下本文系統(tǒng)中無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信模塊的數(shù)據(jù)收發(fā)性能，所得結(jié)果如圖8 所示。

圖8 數(shù)據(jù)傳輸性能測(cè)試結(jié)果Fig.8 Data transmission performance test results

分析圖8 得到，隨著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信距離的提升，本文系統(tǒng)信息接收功率損耗與誤碼率分別呈現(xiàn)逐漸下降與逐漸提升的趨勢(shì)。本文系統(tǒng)無(wú)線通信傳輸過(guò)程在無(wú)障礙條件下的信息接收功率損耗上限與誤碼率上限分別為-27.5 dBm 和0.9%左右；在有障礙條件下的信息接收功率損耗上限與誤碼率上限則分別為47.8 dBm 和1.4%左右。以上數(shù)據(jù)中充分說(shuō)明本文系統(tǒng)的無(wú)線通信傳輸性能可滿足研究對(duì)象在導(dǎo)航應(yīng)用需求。

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信的機(jī)器人自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信模塊實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人單元與移動(dòng)控制單元間的無(wú)線通信。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，本文系統(tǒng)能夠有效實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自動(dòng)導(dǎo)航。由于研究時(shí)間、資金與實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地所限，本文系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中還具有較大改進(jìn)空間，在后續(xù)優(yōu)化過(guò)程中，將進(jìn)一步針對(duì)本文系統(tǒng)的環(huán)境信息感知模塊與導(dǎo)航路徑規(guī)劃性能進(jìn)行深入研究，進(jìn)一步提升本文系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用性能。