雙足步行機器人嵌入式控制系統設計分析

摘" 要：雙足步行機器人因其仿人類運動方式和優良的適應性，近年來成為機器人研究的熱點。該文設計并實現一種基于嵌入式系統的雙足步行機器人實時控制系統。通過引入滑模控制算法和自適應平衡模塊，實現對機器人在不同環境下的穩定控制。實驗結果表明，所設計的控制系統在跟蹤領導者狀態和同步控制左右兩足運動方面表現出卓越的實時性和穩定性。該文的研究為雙足步行機器人的智能化控制提供新的思路和方法。

關鍵詞：雙足步行機器人；嵌入式系統；實時控制；滑模控制；自適應平衡

中圖分類號：TP242" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）32-0019-04

Abstract： Biped walking robots have become a research hotspot in robotics in recent years due to their human-like movement and excellent adaptability. This paper designs and implements a real-time control system for biped walking robots based on embedded systems. By introducing a sliding mode control algorithm and adaptive balance module， stable control of the robot in different environments is achieved. Experimental results show that the designed control system exhibits excellent real-time performance and stability in tracking the leader's state and synchronously controlling the movements of both legs. This research provides new ideas and methods for the intelligent control of biped walking robots.

Keywords： biped walking robot; embedded system; real-time control; sliding mode control; adaptive balance

在近年來，隨著機器人技術的迅速發展，雙足步行機器人作為一個重要的研究領域受到了廣泛關注。相較于輪式或多足機器人，雙足步行機器人具有更接近人類的運動方式和更強的適應性，因此在各種領域中具有廣闊的應用前景，包括搜索救援、服務機器人和工業生產等[1]。然而，雙足步行機器人的穩定行走是一個復雜且具有挑戰性的問題，其在不同地形和環境下的行走穩定性、速度和效率仍然存在諸多問題需要解決。

傳統的雙足步行機器人控制方法通常基于預先設計的固定步態模型或規則，缺乏對環境變化和機器人自身狀態的實時響應能力。而隨著嵌入式系統技術的發展，將實時控制算法直接實現在硬件平臺上已成為可能，為雙足步行機器人的控制和感知提供了新的思路和方法。嵌入式系統具有高度集成、實時性強和功耗低等特點，能夠滿足雙足步行機器人對于高效、穩定和實時控制的需求，因此成為雙足步行機器人控制系統設計的重要方向之一。

本文旨在探索雙足步行機器人嵌入式控制系統設計的關鍵技術和方法，重點關注嵌入式實時控制算法和傳感器數據采集與處理2個方面。首先，通過設計適用于嵌入式系統的實時控制算法，實現雙足步行機器人在不同環境和工作條件下的穩定行走。其次，利用各種傳感器采集和處理技術，實現對機器人運動狀態和外部環境的實時感知和響應。通過這些關鍵技術的研究和實現，將為雙足步行機器人在實際應用中的穩定性、靈活性和智能化水平提供重要支持和保障。

1" 研究綜述

在雙足步行機器人領域的研究中，控制系統設計一直是一個備受關注的話題。傳統的控制方法主要基于運動學或動力學模型，通過預先設計的步態模型或規則來控制機器人的運動[2]。然而，這些方法往往缺乏對環境變化和機器人自身狀態的實時感知和調整能力，導致機器人在復雜環境中的穩定性和靈活性受到限制。

隨著嵌入式系統技術的發展，越來越多的研究開始關注將實時控制算法直接實現在硬件平臺上的可能性。嵌入式系統具有高度集成、實時性強和功耗低等特點[3]，能夠滿足雙足步行機器人對于高效、穩定和實時控制的需求，因此在雙足步行機器人領域具有重要的應用前景。例如，許多研究利用嵌入式系統實現了基于模型預測的魯棒控制的實時步態生成和優化算法，取得了一定的研究成果。

然而，目前雙足步行機器人嵌入式控制系統設計仍存在一些挑戰和亟待解決的問題。首先，嵌入式系統的計算資源和存儲空間有限，如何在有限的資源下實現高效的實時控制算法是一個需要解決的關鍵問題。其次，雙足步行機器人的穩定行走不僅受到機械結構和控制算法的影響，還受到傳感器數據的質量和實時性的影響，因此傳感器數據采集與處理也是一個重要的研究方向。

綜上所述，通過研究和分析現有的文獻，本文旨在探討雙足步行機器人嵌入式控制系統設計的關鍵技術和方法，為雙足步行機器人在實際應用中的穩定性、靈活性和智能化水平提供重要支持和保障。

2" 嵌入式實時控制算法設計

2.1" 魯棒控制原理

魯棒控制是一種控制理論方法，旨在設計出能夠有效應對系統模型不確定性和外部干擾的控制系統。該方法在系統參數變化和外部擾動存在的情況下，仍能保證系統的性能和穩定性。魯棒控制的核心思想是通過控制算法的設計，使得系統在模型誤差和外部干擾的影響下仍能保持預期的性能。

在魯棒控制的眾多方法中，滑模控制（Sliding Mode Control， SMC）是一種具有代表性的技術。滑模控制通過設計一個滑模面，使系統狀態在有限時間內達到該滑模面并沿其滑動，從而實現系統的穩定控制[4]。滑模控制的優點在于其對系統參數變化和外部干擾具有強大的魯棒性，且控制律簡單，易于實現。

在本文中，將滑模控制用于雙足步行機器人的實時控制算法設計。下面是滑模控制的基本原理和相關數學模型。

考慮一個典型的雙足步行機器人動力學模型，可以表示為

為了設計滑模控制器，首先定義滑模面

式中：e=q-qd是位置誤差；qd是期望位置；λ是正數矩陣，代表控制系統的響應速度。

滑模控制的目標是使滑模面s趨于零。為此，設計控制律

式中：K是正定矩陣，代表滑模控制的增益。

為保證系統的穩定性，滑模控制引入了到達律（Reaching Law），確保系統狀態能夠在有限時間內到達滑模面

通過設計合適的η和K值，可以使系統在存在擾動的情況下仍能穩定控制，并且滑模控制器的魯棒性可以有效應對模型不確定性和外部干擾。

2.2" 數學模型建立

本章建立機器人的運動學模型如下

該部分使用魯棒算法，實現了雙足步行機器人的抗干擾控制。同時為了保持雙足步行機器人的協調性，上述的控制方法為對單只的控制，另一只的控制采用相同的控制方案，對其進行延時處理。

3" 嵌入式傳感器數據采集與處理

3.1" 嵌入式系統模塊組成

在本文所設計的雙足步行機器人的嵌入式控制系統中，主要包括以下幾個關鍵模塊：微控制核心單元（MCU）、步進電機驅動模塊、自適應平衡模塊及其相應的電路連接結構。由這幾部分組成的雙足步行機器人模型[5]如圖1所示。

3.1.1" 微控制核心單元（MCU）

MCU是整個控制系統的核心組件，負責處理來自各類傳感器的數據并生成控制信號，以驅動步進電機執行相應的運動指令。MCU不僅需要具備高效的計算能力以實現復雜的控制算法，還需要良好的實時性和可靠性以應對雙足步行機器人在不同環境下的動態變化。

3.1.2" 步進電機驅動模塊

步進電機驅動模塊依據MCU發送的控制信號，精確控制步進電機的旋轉角度和速度，從而實現機器人的移動和姿態調整。該模塊需要能夠提供足夠的電流和電壓，以滿足步進電機的功率需求，同時應具備保護電路以防止過流、過壓等故障情況。

3.1.3" 自適應平衡模塊

自適應平衡模塊主要包括多種傳感器，如陀螺儀、加速度計等。這些傳感器實時檢測機器人的運動狀態（例如角速度、加速度）和環境條件（例如傾斜角度、地面情況），并將這些數據通過I/O接口傳送至MCU。MCU基于這些傳感器數據，實時計算出平衡控制信號，從而調整步進電機的驅動，以保持機器人的穩定行走。

3.2" 嵌入式電路架構

在電路連接方面，MCU通過I/O接口與步進電機驅動模塊相連，發送脈沖信號和方向信號以控制步進電機的運行。同時，各類傳感器通過I2C、SPI等通信協議接口與MCU連接，將實時采集到的數據傳送給MCU進行處理。具體連接結構如圖2所示。

MCU與步進電機驅動模塊連接：MCU的數字I/O引腳通過電纜或PCB線路直接連接到步進電機驅動模塊的輸入端，以發送控制信號。這些信號包括步進脈沖信號、方向信號和使能信號等。

MCU與傳感器模塊連接：傳感器通過I2C總線或SPI總線與MCU連接。I2C總線適用于多個傳感器的連接，具有簡單的雙線結構（數據線SDA和時鐘線SCL）。SPI總線則適用于高速數據傳輸，包含主輸出從輸入（MOSI）、主輸入從輸出（MISO）、時鐘（SCK）和從設備選擇（SS）4條信號線。每種傳感器根據其數據傳輸速率和精度需求選擇合適的通信接口。

電源管理模塊：為保證各組件的正常運行，系統中還需要一個電源管理模塊，提供穩定的電源電壓和電流。該模塊包括電池管理單元、DC-DC轉換器和電源濾波器等，確保系統在不同工作模式下均能獲得可靠的電能供應。

故障檢測與保護模塊：為提高系統的可靠性和安全性，還應設計故障檢測與保護模塊，包括過流保護、過壓保護、短路保護等功能。一旦檢測到異常情況，該模塊能迅速采取措施，保護系統的各個組件免受損壞。

通過上述模塊的有機結合，本文設計的嵌入式控制系統能夠實現對雙足步行機器人的實時控制與自適應平衡，確保其在各種環境下均能穩定、高效地行走。這種設計不僅提升了機器人的智能化水平，還為其在復雜環境中的應用提供了技術保障。

4" 實驗與結果分析

通過上述的硬件與實時控制算法的結合，可導出如圖3和圖4所示的系統響應圖。

在本文的實驗結果中，通過對系統響應和領導者狀態的實時跟蹤效果進行分析，得到了顯著的成果。圖3展示了系統的響應與領導者狀態之間的關系，結果表明二者在系統的波形上達到了完美的融合。這一現象證明了系統在實時狀態下能夠穩定地跟蹤領導者的動態變化，進一步驗證了所設計的控制算法的有效性和可靠性。

具體而言，圖3中的數據表明，在整個跟蹤過程中，系統響應迅速且準確地反映了領導者狀態的變化。系統的實時跟蹤能力使得其能夠在各種動態條件下保持穩定的控制性能，避免了因延遲或誤差導致的失穩現象。這一結果充分證明了嵌入式控制系統在處理實時數據和執行復雜控制算法方面的優勢。

此外，圖4展示了雙足步行機器人左右兩足的響應過程，進一步驗證了系統的同步控制能力。實驗數據顯示，左足的響應過程具有顯著的實時性，能夠迅速對控制信號做出反應。而右足的響應過程則在延遲10 s后開始，并隨后與左足的運動保持同步。盡管存在初始延遲，右足能夠在達到同步狀態后，保持與左足一致的運動模式。這一結果表明，即使在存在非線性干擾的情況下，系統仍然能夠通過控制策略的調整，實現雙足步行機器人的協調運動和同步控制。

通過對以上實驗結果的詳細分析，可以得出結論：所設計的嵌入式控制系統在雙足步行機器人的控制過程中表現出卓越的實時性和穩定性。系統不僅能夠準確跟蹤領導者狀態，保持實時穩定的響應，還能夠在存在時間延遲的情況下，通過自適應調節實現雙足的同步控制。這些成果為進一步提升雙足步行機器人的智能化水平和應用范圍提供了堅實的理論基礎和實踐依據。

5" 結束語

本文提出了一種基于嵌入式系統的雙足步行機器人實時控制系統設計方案。通過采用滑模控制算法，結合自適應平衡模塊，解決了雙足步行機器人在復雜環境下的穩定性和實時控制問題。具體而言，嵌入式控制系統充分利用了傳感器數據采集與處理技術，實現了對機器人運動狀態和外部環境的實時感知和調整，確保機器人在不同地形和工作條件下的穩定行走。

實驗結果驗證了本文所設計的控制系統的有效性和可靠性。系統響應與領導者狀態之間的完美融合，證明了實時跟蹤算法的卓越性能。同時，雙足步行機器人的左右兩足在存在非線性干擾的情況下，仍然能夠通過自適應調節實現雙足的逐步至同步控制，這一結果表明所設計的控制系統在應對非線性干擾方面具有良好的魯棒性。

參考文獻：

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