（电力电子与电力传动专业论文）移动机器人控制系统设计与研究.pdf

哈尔滨1 程大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h ea c t u a t o ro f r o b o ts y s t e m ，t h ec o n t r o ls y s t e me f f e c t st h es t a b i l i z a t i o no f t h er o b o te v i d e n t l y w i t ht h ea d v a n c e m e n to fc o n t r o lt h e o r i e sa n dt h e d e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i ct e c h n o l o g i e s ，t h er o b o ts y s t e mi sd e v e l o p e dw i t hh i g h s p e e d ，h i g ha c c u r a t e n e s s ，o p e n a r c h i t e c t u r e ，a n di n t e l l i g e n c e f o rt h eh i g hs p e e d a n dh i g ha c c u r a t el o c a t i o n c o n t r o la n dt r a j e c t o r yt r a c k i n g ，t h em o b i l er o b o t s y s t e mm u s tr e l yo na d v a n c e dm o t i o nc o n t r o lt h e o r ya n df i n em o t i o nc o n t r o l s t r u c t u r e i nt h i sp a p e r ，w eu s et h el p c 2 11 9m i c r o p r o c e s s o ra st h ec h i e f c h i pt od e s i g n t h em o v e m e n tc o n t r o ls y s t e m t h ep a p e rd i s c u s s e st h eh a r d w a r er e a l i z a t i o no fo u r m o b i l er o b o ts y s t e mb a s e do nt h el p c 2 11 9m i c r o d r o c e s s o r ，a n di n t r o d u c e st h e d e s i g nm e t h o do ft h es y s t e ms o f t w a r eb a s e do nt h er e a lt i m eo p e r a t i o ns y s t e m g c o s - i i a n df i n a l l yd i s c u s s e st h es p e e dc o n t r o ls y s t e mo ft h em o t o rb a s e do n f u z z yp i dm e t h o d f i r s t ，t h eh a r d w a r ec o n s t i t u t i o no ft h em o b i l er o b o ti sd i s c u s s e d 。i tn a r r a t e s e m p h a t i c a l l y t h e d e s i g nm e t h o do fl p c 2 119 ，t h e u s i n gm e t h o do fs e r i a l c o m m u n i c a t i o n sa sw e l la st h em e t h o do ft h es p e e ds u r v e yo ft h em o t o r s t h ew a y o fc h o o s i n gt h em o t o ri sd i s c u s s e di nt h i sp a p e r ，a n dt h ed r i v i n gt e c h n i q u eo ft h e m o t o ra n dt h ed e b u g g i n gm e t h o di sr e c o m m e n d e d t h er o t o t ss e n s o rs y s t e mi s d e s i g n e di nt h ea r t i c l e ，i n c l u d i n gt h ep r e c i s es u p e r s o n i cs e n s o r , t h ec o l l i d e ds w i t c h s e n s o r sa n dt h ee v a d i n g - b u m nt h es u p e r s o n i cs e n s o r s s e c o n d ，t h ed e s i g nm e t h o do ft h es o f t w a r es y s t e mt h em o b i l er o b o tb a s e do n t h er e a lt i m eo p e r a t i o ns y s t e mi si n t r o d u c e d t h eu s i n gt e c h n i q u eo fg c o s i ii s i n t r o d u c e da tf i r s t t h e nt h es y s t e ms o f t w a r ei sd i s m e m b e r e di n t os e v e r a lp a r t s a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tf u n c t i o n t h ec o n t r o ls u b s y s t e mo ft h ee v a d e db u m p s s u p e r s o n i cs e n s o r si sr e a l i z e db yu s i n gt h er t o s 51 f i n a l l y ，r e a l i z a t i o nm e t h o do nl p c 2 11 9o f 恤ef u z z yp i dc o n t r o l l e ri s d i s c u s s e d a tf i r s t ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h em o b i l e r o b o ta n dt h ed e s i g nm e t h o do ff u z z yp i dc o n t r o l l e r t h e nw ec o m p a r et h e o r d i n a r yd i g i t a lp i dc o n t r o l l e ra n df u z z yp i dc o n t r o l l e rb yu s i n gt h em a t l a br s s i m u l i n km o d u l e f i n a l l yw e r e p o t t h ef u z z yp i dc o n t r o l l e rt oa r m m i c r o p r o c e s s o r k e yw o r d s ：r o b o t ；a r m ；g c o s - i i ；f u z z yp i d 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 疑长会 e i 期：2 卯年：月2 ，日 哈尔滨： 程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 移动机器人技术是- 1 3 多学科交叉及综合的高新技术，是机器人研究领 域的一个重要分支，它涉及诸多的学科，包括材料力学、机械传动、机械制 造、动力学、运动学、控制论、电气工程、自动控制理论、计算机技术、生 物、伦理学等诸多方面。第一台工业机器人于2 0 世纪6 0 年代初在美国新泽西 州的通用汽车制造厂安装使用。该产品在2 0 世纪6 0 年代出口到日本，从2 0 世 纪8 0 年代中期起，对工业机器人的研究与应用在日本迅速发展并步入了黄金 时代。与此同时，移动机器人的研究工作也进入了快速发展阶段。 移动机器人按其控制方式的不同可以分为遥控式、半自主式和自主式三 种；按其工作环境的不同可以分为户外移动机器人和室内移动机器人两种。 自主式移动机器人可以在没有人工干预或极少人工干预的条件下，在一定的 环境中有目的地移动和完成指定的任务。自主式移动机器人是一个组成及结 构非常复杂的系统，具有加速、减速，前进、后退以及转弯等功能，并具有 任务分析，路径规划，导航，信息检测和信息融合，自主决策等类似人类活 动的人工智能。 1 2 移动机器人的主要研究方向 1 2 1 体系结构技术 1 分布式体系结构 分布式体系结构i l l 3 】是多智能体技术在移动机器人研究领域的应用。智能 体是指具有各自的输入、输出端口，独立的局部问题求解能力，同时可以彼 此通过协商协作求解单个或多个全局问题的系统。移动机器人系统，特别是 具有高度自组织和自适应能力的系统，它们的内部功能模块与智能体相仿， 因此可以应用多智能体技术来分析和设计移动机器人系统的结构，实现系统 整体的灵活性和高智能性。在分布式体系结构中，各个功能模块具有不同的 输人输出对象和自身的不同功能，并行工作，整个系统通过一个调度器实现 整体的协调，包括制定总体目标、任务分配、运动协调和冲突消解等。 2 进化控制体系结构 哈尔滨工程大学硕士学位论文 面对任务的复杂性和环境的不确定性以及动态特性，移动机器人系统应 该具有主动学习和自适应的能力。将进化控制的思想融入到移动机器人体系 结构的设计中，使得系统在具备较高反应速度的同时，也具备高性能的学习 和适应能力。文献 4 提出的进化控制体系结构包括进化规划和基于行为的控 制两大模块，其优点是既具有基于行为的系统的实时性，又保持了基于功能 的系统的目标可控性，并兼有自学习和自适应的功能。文献 5 】是进化控制的 思想在机器人体系结构设计方面的又一体现，提出了一种模拟人类学习与进 化过程的机器人进化控制体系结构。机器人利用事先设计好的基本行为，根 据实际环境和具体任务要求，自主创建满足任务要求和适应环境的具体动作。 文献 6 考虑到智能体本身具有独立性、自主性、开放性等优点，将智能体的 技术与进化控制相结合，提出了一种基于多智能体的移动机器人导航进化控 制体系结构。 3 多移动机器人系统 多机器入系统是以多个机器人组成的系统为研究对象，研究目的在于寻 求一套分析、设计和控制机器人群的有效方法，使其能够有效、高质量地协 作完成任务p j 。随着机器入技术的发展和应用领域的不断拓展，具有单个机 器人无法比拟的优越性的多机器人系统已得到了普遍重视。设计合理的体系 结构对于多机器人系统在多变的工作环境中完成复杂的工作任务时超到至关 重要的作用。 文献 8 ，9 ，l o 】在分析了多移动机器人协作系统对单机控制体系结构的要 求后，分别提出了适合的机器人个体控制体系结构，其基本思想是采用分层 式和包容式融合的混合式体系结构。文献 1 1 提出了一种使多个机器人在不 同层次上方便地进行行为调整和协作的体系结构，在这种体系结构中，单个 机器人采用分层式结构，而不同机器人之间是分布式的关系，可以在每个层 次上直接相互作用。这种结构的优点是各个机器入可以在每个层次上灵活地 建立作用关系，同时对环境的变化和不确定性保持实时的反应性能。 1 2 2 定位与导航技术 智能移动机器入的“智能”特征在于它具有与外部世界相协调的工作机 能，这种协调在具体的实现上首先要求机器人确定自身与周围环境的位置关 系，以便根据目标任务做出正确决策和路径选择，因此导航和定位成为移动 机器人研究的两个最为重要问题。移动机器人的导航方式可分为：基于环境信 哈尔滨工程大学硕士学位论文 息的地图模型匹配导航、基于各种导航信号的陆标导航、视觉导航和味觉导 航等。 1 定位技术 作为移动机器人导航最基本环节，定位是确定机器人在工作环境中相对于 全局坐标的位姿。定位方法根据机器人工作环境复杂性，配备传感器的种类和 数量等不同有多种方法。主要方法有：码盘定位、陆标定位和声音定位等。 码盘定位是在移动机器人的车轮上装有光电编码器，通过对车轮转动的记录 来粗略地确定位置和姿态。该方法虽然简单，但是由于车轮与地面存在打滑 现象，产生的累积误差随路径的增加而增大，定位误差会逐渐累积，引起更大 的误差。y a m a u c h i l l 2 】使用推测航行法和证据栅格来实现计算动态环境中的机 器人位置。该方法把在不同时段建立的证据栅格匹配起来，使用种爬山算 法搜索可能的平移与转动空间，来消除推测航行法的误差累积。陆标定位 1 3 1 是在移动孝几器人工作的环境里，人为地设置一些坐标已知的陆标，如超声波发 射器、激光反射板等通过对陆标的探测来确定机器人自身的位姿。 2 导航技术 全局路径规划包括环境建模和路径搜索策略两个子问题。其中环境建模 的主要方法有：可视图法、自由空间法和栅格法等。可视图法【l5 j 视机器人为一 点，将机器人、目标点和多边形障碍物的各顶点进行组合连接，要求机器人和障 碍物各顶点之间、目标点和障碍物各顶点之间以及各障碍物顶点与顶点之间 的连线，均不能穿越障碍物，即直线是可视的。搜索最优路径的问题就转化为从 起始点到目标点经过这些可视直线的最短距离问题。v o r o n o i d i a g r a m s 法和 t a n g e n t g r a p h 法【l 卅对可视图法进行了改进；自由空间法应用于机器人路径规 划，采用预先定义的如广义锥形和凸多边形【l7 等基本形状构造自由空间，并将 自由空间表示为连通图，通过搜索连通图来进行路径规划。该法以栅格为单位 记录环境信息，环境被量化成具有一定分辨率的栅格，栅格的大小直接影响 着环境信息存储量的大小和规划时间的长短。栅格划分大了，环境信息存储 量小，规划时间短，但分辨率下降，在密集环境下发现路径的能力减弱；栅格 划分小了，环境分辨率高，在密集环境下发现路径的能力强，但环境信息存储量 大，规划时间长，可以采用改进的栅格法【l9 】弥补栅格法的不足。路径搜索策略 主要有：a + 算法1 2 0 1 君t l d * n 优算法【2 1 】等。 局部路径规划的主要方法有：人工势场法( a r t i f i c i a lp o t e n t i a lf i e l d ) 、遗传 哈尔滨工程大学硕士学位论文 算法( g e n e t i ca l g o r i t h m ) s f l l 模糊逻辑算法( f u z z yl o g i ca l g o r i t h m ) 等。人工势场 法1 2 2 1 是由k h a t i b 提出的一种虚拟力法。其基本思想是将机器人在环境中的运 动视为一神虚拟的人工受力场中的运动。障碍物对机器人产生斥力，目标点产 生引力，引力和斥力的合力作为机器人的加速力，来控制机器人的运动方向和 计算机器人的位置。j h o l l a n d 2 4 1 在6 0 年代初提出了遗传算法，以自然遗传机 制和自然选择等生物进化理论为基础，构造了一类随机化搜索算法。它是利 用选择、交叉和变异来培养控制机构的计算程序，在某种程度上对生物进化过 程做数学方式的模拟。它不要求适应度函数是可导或连续的，而只要求适应 度函数为正，同时作为并行算法，它的隐并行性适用于全局搜索。基于实时传 感信息的模糊逻辑算法【2 5 参考人的驾驶经验，通过查表得到规划信息，实现局 部路径规划。该方法克服了势场法易产生的局部极小问题，适用于时变未知环 境下的路径规划，实时性较好。 1 2 _ 3 运动控制策略 运动控制就是控制移动机器人按规定的轨迹运动，控制器的好坏对机器 人的性能有着直接的影响，因此这部分在机器人的研究中至关重要。针对不 同的运动系统结构和驱动设备，运动控制的研究会进一步的细化。对于常用 的轮式移动机器人，还会进一步分为双轮、三轮、四轮等。 对于本文主要讨论的轮式移动机器人的运动控制，由于它是一个高度非 线性的非完整性控制系统，对其的控制具有相当的难度。根据问题的不同， 该类系统的控制一般分为镇定控制和跟踪控制两类。镇定控制方面，现在的 主要研究成果有不连续控制方法、时变控制方法或混合控制方法等。跟踪控 制方面，根据导航方式的不同可以分为含有时间参数的轨迹跟踪以及不含时 削参数的路径跟踪；根据控制变量的不同又可以分为速度控制和力矩控制等。 在控制的方法上，现在比较常用的有基于滑模控制的方法、基于反馈线性化 的方法、回退法、神经网络方法和模糊控制方法等。 文献 3 0 中，作者提出了一种基于预报预测的控制方法。文献 3 1 】通过误 差分解，使用p d 控制方法实现运动控制，但在实际使用中控制参数难以调节。 文献【3 2 利用鲁棒控制方法，文献 3 3 1 平1 j 用神经元预测控制实现对移动机器人 的运动控制，但并未考虑系统延迟所带来的影响，运动控制效果存在滞后现 象。预见预测控制 3 4 1 是一种将预见控制与预测控制结合在一起的控制方法。 其算法的核心思想是利用已知的未来信息，设计一个前馈控制器用以克服系 哈尔滨工程大学硕十学位论文 统的动态响应延迟，同时利用预测控制中的滚动优化、反馈校正策略增强系 统的鲁棒性。文献【3 5 将预见预测控制方法应用于c n c 机床的伺服控制中， 取得了良好的效果。文献 3 0 将预见顶测控制方法应用于移动机器人的运动 控制中，首先利用三阶b e z i e r 线作为路径生成器生成目标轨迹，并以此为 输入信号设计最优预见控制器作为系统的前馈补偿，弥补系统的动态响应延 迟；然后使用扩展卡尔曼滤波器作为预测模型，基于广义预测控崩j ( g p c ) 实 现了预见预测( p p c ) 运动控制器的设计，提高系统的鲁棒性。 1 2 4 传感器信息融合技术 移动机器人的多传感器信息融合方面的研究始于8 0 年代。多传感器融合 【2 目的常用方法有：a n 权平均法、贝叶斯估计、卡尔曼滤波、统计决策理论、 d s 证据推理、神经网络和模糊推理法以及带置信因子的产生式规则。其中 加权平均法是最简单也最直观的方法，一般用于对动态低水平的数据进行处 理，但结果不是统计上的最优估计；贝叶斯估计是融合静态环境中多传感器 底层数据的常用方法，适用于具有高斯白噪声的不确定性传感信息融合；对于 系统噪声和观测噪声为高斯白噪声的线性系统模型用卡尔曼滤波来融合动态 低层次冗余传感信息，对于非线性系统模型采用扩展卡尔曼滤波或者分散卡 尔曼滤波；统计决策理论用于融合多个传感器的同一种数据，常用于图像观 测数据；d s 证据推理是贝叶斯估计法的扩展，它将局部成立的前提与全局成 立的前提分离开来，以处理前提条件不完整的信息融合；神经网络法根据系统 要求和融合形式，选择网络拓扑结构，通过网络学习确定网络连接权值，对各传 感器的输入信息进行融合。系统具有很强的容错性和鲁棒性；模糊推理法首 先对多传感器输出进行模糊化，将所测得的距离等信息分级，表示成相应的模 糊子集，并确定模糊子集的隶属度函数，通过融合算法对隶属度函数综合处理， 再将模糊融合结果清晰化，求出融合值；带置信因子的产生式规则主要用于符 号水平层表达传感器信息，结合专家系统对多传感信息进行融合。 1 2 5 仿生机器人的研究 近年来，全球许多机器人研究机构都开展了仿生学与仿生机构的研究工 作。在生态学基础上，研究昆虫、爬行动物等自然界生物的各种生存策略与形 态，如：蚂蚁的群体协作、觅食、路线跟踪与搜索和信息传递等策略，蜜蜂的定 位和采粉策略，蛇的爬行动态等，将各种生物的特长再现于机器人上。n a s a 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的s n a k e r o b o t 蛇形机器人，能够穿梭在受灾现场的瓦砾狭缝之中，寻找幸存者。 该蛇形机器人由于重心低且完全模仿蛇的动作因而行动灵敏、鲁棒性好，可以 用于受灾现场生还者的寻找和军事侦察；s o n y 公司1 9 9 9 年推出的宠物机器 狗a i b o 具有喜、怒、哀、厌、惊和奇6 种情感状态。它能爬行、坐立、伸展 和打滚，而且摔倒后可立即爬起来。本田公司1 9 9 7 年研制的h o n d ap 3 类人机器 人代表着当今世界双足步行机器人的最高水平。h o n d ap 3 的c p u 采用了两个 主频为1 1 0 m h z 的m i c r o s p e c i i 处理器，身上装有用于视觉导航的视觉传感器、 感知自身姿态的陀螺仪、保持平衡的重力加速度传感器和两个脚踝处的6 维力 传感器、实现语音功能的麦克风和扬声器，以及用于测量行走时腿运动的关节角 度传感器。h o n d a p 3 能够苣主地行走在颠簸起伏的路面上，也能够在倾斜的路 面上行走，甚至能够上、下楼梯，单脚站立。 1 2 6 多机器人系统 多机器人系统的研究始于2 0 世纪7 0 年代。随羞机器人应用领域的不断拓 展、机器人工作环境复杂度、任务的加重，对机器人的要求不再局限于单个机 器人，多机器人的研究已经成为机器人学研究的一个热点。多机器人系统的研 究分为多机器人合作和多机器人协调两大类，主要研究给定一个多机器人系 统任务后，如何组织多个机器人去完成任务，如何分解和分配任务以及如何 保持机器人之间的运动协调一致。美国o a kr i d g e 国家试验室f f 0 c o o p e r a t i v e r o b o t i c s 实验系统【“1 研究的协作机器人是集成了感知、推理、动作的智能系 统，着重研究在环境未知且在任务执行过程中环境动态变化的情况下，机器人 如何协作完成任务。美国u s c 大学的s o c i a l l ym o b i l e 和t h en e r dh e r d 2 7 】实验系 统在多机器人学习、群行为、协调与协作等方面开展工作。 1 3 课题的背景和研究内容 本课题是哈尔滨工程大学十五“2 1 1 工程”建设项目：“移动机器手控制 系统”的一部分。移动机械手控制系统是一个集环境感知、动态决策和规划、 行为控制与执行等多种功能于一体的综合机器人系统。移动机械手是由机械手 固定在移动平台上构成的一类移动机器人系统。其中机械手用来实现如抓取、 放置等动作，平台的移动用来扩展机械手的工作空间，使机械手能以更合适的 姿态执行任务，同时机械手的加入也极大提高了移动机器人的性能。移动机械 手控制系统平台如图1 1 所示。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 无线网卡 图1 1 移动平台总体布局示意图 本论文做的是移动平台本体的控制，平台建立在一辆3 轮小车上，前边两 轮独立驱动，后边一个随动轮。车轮采用瑞士m a x o n 公司的f 2 2 6 0 直流伺 服电机( 包括电机、减速器、码盘) 驱动，车体转向通过两轮差速来完成。为 在有限空间内合理放置电机，电机轴和车轮轴采用链条连接。车体四周装有超 声波传感器，用来测量车体周围障碍物的距离。车体前端装有一个近距离超声 波传感器，用来测量平台与工作台的距离。车体前后还装有碰撞传感器，在机 器人受碰撞时及时保护机器人本体。平台本体的结构如图1 2 所示。 图1 2 平台本体的结构俯视图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 4 论文研究主要内容 第一章综述了移动机器人的基本概念，着重讨论了移动机器人的相关技 术，阐明课题的研究背景以及我的研究内容。 第二章设计了移动平台控制系统的硬件体系，详细讨论了l p c 2 1 1 9 控制 电路、直流电机驱动电路和机器人传感器系统的实现方法，并且给出了详缅的 电路原理图及调试方法。 第三章详细讨论了移动机器人控制系统的软件设计，主要讲述了嵌入式 实时操作系统i _ t c o s i 【和s m a l lr t o s 5 l 的移植方法，以及在上述操作系统 的基础上进行软件设计的方法。 第四章介绍了模糊p i d 控制器的设计方法，集中讨论了模糊p i d 的控制 参数整定方法并仿真实现，并且解决了模糊p i d 算法在l p c 2 1 1 9 上的移植问 题。 总 结对论文所做的工作进行了总结并对今后的工作做出了展望。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i i i i i i；i i i i i ；# ；i ；i # ；j j ；i i i i ；i i i i i ； 第2 章移动机器人控制系统硬件设计 控制系统的硬件设计是移动机器人设计的核心部分，涉及到微控制器的选 择，驱动电机的选择，电机驱动电路的设计，机器人相关传感器的选择与设计 方法。 在本系统中，我们的微控制器采用一片高性能a r m 单片机l p c 2 1 1 9 ，主 要完成车轮驱动电机的控制和传感器信号的采集和处理；与主控计算机系统通 过串口进行实时通讯。电机驱动单元采用m o s f e t 构成的h 桥驱动电路，由 驱动芯片i r l 2 1 1 0 驱动，从而带动电机旋转。传感器系统包括3 部分：避撞超 声传感器，精密超声传感器和碰撞开关传感器。 2 1 系统硬件设计任务划分 根据机器人控制系统的功能，将移动机器人系统划分为以下的几个单元， 如图2 i 所示。 a r m 上位机 控制系统 图2 1 系统功能示意图 根据硬件设计需要，将平台控制系统划分为以下几个部分实现： 1 l p c 2 11 9 控制电路设计 2 ，直流电机驱动电路设计 3 传感器系统电路设计 a r m 控制电路是整个移动平台控制系统的核心部分，它包括l p c 2 1 1 9 应 用电路，精密超声采集电路，串口通信电路，碰撞开关检测电路。完成的主 要功能为接收上位机的命令，将命令解算为电机驱动信号，驱动电机使小车 完成命令规定的运动：实时地通过l p c 2 1 1 9 的捕获端口采集电机的转速信息， 通过模糊p i d 算法完成电机转速的闭环控制；通过1 2 c 电路与避碰超声传感器 子系统通信获取碰撞趁声的信息，并通过串口将该信息发送给上位机。 传感器电路由精密超声检测电路、碰撞检测电路和避碰超声控制电路组 哈尔滨工程大学硕士学位论文 成。精密超声检测电路通过l p c 2 1 1 9 的a d c 端口检测精密超声传感器输出的 模拟电压，依此确定待抓取的目标物体距离小车的精确距离；通过检测碰撞 开关电路的1 6 _ _ 4 编码器信息确定小车是否与障碍物发生碰撞，如发生碰撞则 要做紧急处理：避碰超声控制电路由a t 8 9 c 2 0 5 1 和1 8 路超声波发射检测电路 组成。完成的主要功能为1 8 路超声波的循环发射及检测，并通过1 2 c 电路将超 声波传感器编号和回波时间发送给p c 2 1 1 9 。 电机驱动单元采用m o s f e t 构成的h 桥驱动电路，l p c 2 11 9 发出的p w m 信号经驱动芯片i r 2 1 1 0 后，驱动h 桥电路，进而带动电机旋转。f 2 2 6 0 直流 电机自带光电式增量编码器，l p c 2 1 1 9 利用其捕获功能实时采集电机的转速， 从而实现闭环速度模糊p i d 控制。 2 2l p 0 2 1 1 9 控制电路设计 目前应用在机器人底层控制系统的微控制器主要有数字信号处理器d s p 和8 1 6 位单片机两种类型。采用8 位，1 6 位处理器，控制系统设计、制作简 单，硬件开发周期短，但数据处理能力不强，需要借助外加器件例如计数器， p i d 调节器和p w m 产生器等，系统的稳定性不强，系统控制板的结构尺寸也 会很大。d s p 具有数据处理能力强、速度快等优点，且其体积较小，有利于电 路板布局，随着资料的增觚以及芯片价格的下调，当前的大多数机器人控制都 选d s p 作为控制器。 本文的微控制器选择的是：p h i l i p s 公司的l p c 2 1 1 9 单片机。l p c 2 11 9 是一 款支持实时仿真和跟踪的1 6 3 2 位a r m 7 t d m i , s 内核的a r m 处理器，小型的 l q f p - 6 4 封装，带有1 2 8 k b 嵌入的高速f l a s h 存储器和1 6 k b 的s r a m 存储器。 独特的存储器加速结构使3 2 位代码能够在最大时钟速率下运行。与d s p s h 比 较，a r m 具有几乎相同的内部资源和运算速度，处理复杂函数的能力也毫不 逊色。需要注意的是，d s p 的设计初衷毕竟是为了进行数字信号处理，所以 在进行控制方面与a r m 相比还要略微逊色( l p c 2 1 1 9 有9 个外部中断引脚) ，而 且许多a r m 芯片支持t c p i p 协议，这是d s p 无法做到的，这点使得a r m 在 将来机器人的网络控制方面将有很大的优势。 2 2 1l p 0 2 1 1 9 微控制器简介。” a r m 7 t d m i - s 内核是通用的3 2 位微处理器，它具有高性能和低功耗的特 性。a r m 结构是基于精简指令集计算机( r j s c ) 原理而设计的，指令集和相 哈尔滨工程大学硕士学位论文 关的译码机制比复杂指令集计算机要简单得多。这样使用一个小的、廉价的 处理器内核就可实现很高的指令吞吐量和实时的中断响应。由于使用了3 级流 水线技术，处理和存储系统的所有部分都可连续工作，通常在执行一条指令 的同时对下一条指令进行译码，并将第三条指令从存储器中取出。 a r m 7 t d m l 一s 处理器使用了一个被称为t h u m b 的独特结构化策略，它非常 适用于那些对存储器有限制或者需要较高代码密度的大批量产品的应用。 t h u m b 指令集的1 6 位指令长度使其可以达到标准a r m 代码两倍的密 度，却仍然保持a r m 的大多数性能上的优势，这些优势是使用1 6 位寄存器的 1 6 位处理器所不具备的。因为t h u m b 代码和a r m 代码一样，在相同的3 2 位 寄存器上进行操作。t h u m b 代码仅为a r m 代码规模的6 5 ，但其性能却相 当于运行于1 6 位存储器系统的相同a r m 处理器性能的1 6 0 。 2 2 2k p 0 2 1 1 9 应用电路设计 l p c 2 1 1 9 微处理器可以工作的最小系统一般由电源、复位电路、系统时 钟等构成；为了调试程序需要把j t a g 口包括进来；把串口u 址玎0 加进来可 以方便程序的下载和芯片的擦除，l p c 2 l1 9 是可加密的芯片( p h i l p s 的专利 技术) ，一旦芯片加密后，通过j t a g 就不能下载程序了，只能通过i s p 功能 先整片擦除芯片，再下载。 1 电源电路 l p c 2 1 0 6 芯片i o 口供电电源为3 3 v ，内核供电电源为1 8 v ，因此系统 必须提供双电源。使用低压电源芯片a m s l l l 7 3 3 和a m s l l l 7 1 8 将5 v 电压 转换为芯片需要的33 v 和1 8 v ，该芯片最大稳压输出电流为8 0 0 m a ，精度高， 稳定性高，功耗低。实际运行时，l p c 2 1 】9 及其外围芯片需要的电流约为4 0 m a ， 所以该电源芯片足以胜任。图2 2 为系统的供电电路。l e d 作为5 v 电源指示 灯。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 u 1 2 图2 2a r m 系统电源供电原理图 2 复位电路 由于l p c 2 1 1 9 芯片的高速、低功耗、低工作电压导致其噪声容限低，对 电源的纹波、瞬态响应性能、时钟源的稳定性以及电源监测可靠性等诸多方 面也提出了更高的要求。这里采用专用微处理电源监控芯片m a x 7 0 8 ，提高 了系统的可靠性。图2 3 给出了系统复位电路图。 图2 3a r m 系统复位电路原理图 7 4 h c l 2 5 为总线驱动器，可控三态门输出。当复位键按下后，m a x 7 0 8 的r e s e t 引脚输出低电平，打开7 4 h c l 2 5 三态门，低电平出现在l p c 2 1 1 9 的r s t 和t r s t 引脚，系统复位。当使用j t a g 调试时，往往需要用j t a g 复位系统，此时由j t a g 产生的复位信号同样使瓜s t 和t r s t 变为低电平： 而此时m a x 7 0 8 没有复位，r e s e t 引脚输出高电平，7 4 h c l 2 5 为高阻状态， 将其两端的高低电平隔离。当不需要j t a g 调试时，7 4 h c t 2 5 是不需要的。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 注意，m a x 7 0 8 是工作电压是5 v ，而7 4 h c l 2 5 采用3 3 v 供电，所以在 应用中加入了小的保护电阻r 2 1 。 3 系统时钟 采用外部时钟源，时钟频率为1 0 2 5 m h z ，本系统采用由于要进行串口 通信，所以采用1 1 0 5 9 2 m h z 的外部晶振。内部p l l 电路可调整时钟，c p u 最大操作时钟频率为6 0 m h z 。一般在外部晶振两端并联1 m 欧姆的电阻，使 系统更容易起振。 4 j t a g 调试电路 j t a g 调试电路如图2 4 所示。 注意，要l p c 2 1 1 9 进行j t a g 调试，其r t c k 引脚必须接一个4 7 k 的下拉电 阻t t 2 7 ，系统复位时，该引脚线上的低电平使p 12 6 p 1 3 1 复位后用作一个 调试端口。 j 2 n a o 图24j t a g 连接电路图 5 u a r t o 电路 l p c 2 1 1 9 为3 3 v 电压供电，所以使用m a x 3 2 3 2 进行r s 2 3 2 电平转换， m a x 3 2 3 2 是3 3 v 工作电源的r s 2 3 2 转换芯片，其应用方法与m a x 2 3 2 完 全一致。电路如图2 5 所示。 注意，要想使用i s p 功能，必须使用u a r t 0 ，u a r t l 是没有i s p 功能 的。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i i i i ；li i ii ；i ；i _ - _ ；i i ；i i i i i ；i _ i ；i ；j 图2 5 串口连接原理图 6 速度检测电路 l p c 2 11 9 具有两个3 2 位的预分频定时计数器，分别具有4 3 路捕获通道、 4 个3 2 位匹配寄存器。定时器是增量计数的，但上溢时不会产生中断，而只 能通过比较匹配或者捕获输入产生中断。 c a p ：捕获引脚。捕获引脚的电压跳变时，可将定时器值装入一个捕获寄 存器，并可选择产生一个中断。 i r ：中断寄存器。中断寄存器l r 保存捕获中断和匹配中断的标志，判断中 断源。 c r ：捕获寄存器c r o c r 3 ，当输入信号跳变时，可取得定时器的瞬时值。 每个捕获寄存器c r 都与一个器件引脚相连。当引脚发生特定的事件时，可 将定时器计数值装入该寄存器c r 。 c c r ：捕获控制寄存器。决定捕获功能是否使能，以及捕获事件在引脚的 上升沿、下降沿或是双边沿发生。当发生捕获事件时，捕获控制寄存器c c r 用于控制将定时器计数值装入4 个捕获寄存器中的哪一个以及是否产生中 断，可设置上升沿和下降沿同时有效，这样会在双边沿触发捕获事件。 m r ：匹配寄存器。匹配寄存器值连续与定时器计数值比较，当两个值相 等时，自动触发相应动作。这些动作包括产生中断，复位定时器计数器或停 止定时器。 m c r ：匹配控制寄存器。用于控制在发生匹配时所执行的操作。 利用捕获单元测量一个脉冲所用的时间，就可以实现测速功能。电机轴 上的编码器产生正交编码脉冲，正交编码脉冲包括两个脉冲序列，有变化的 频率和四分之一周期的固定相位偏移，通过检测两个序列中哪一个序列领先， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 就可以测出电机的转向，速度可以通过捕获脉冲测出。 7 其他的注意事项 p o 口是一个3 2 位双向i o 口，每位的方向可单独控镥4 。p o 口的功能取决于 管脚连接模块的管脚功能选择。p o 口的2 6 , 口3 1 脚未用。除用作a i d 输入的管 脚( p 0 2 7 ，p 02 8 ，p 0 2 9 和p o 3 0 ) 外，所有p o 管脚最大可承受5 v 的电压。如 果未使用a d 转换器，a d 输入可用作可承受5 v 电压的数字i o 口。 p l 口是一个3 2 位双向i o i ，每位的方向可单独控制。p l 口的功能取决于 管脚连接模块的管脚功能选择。p 1 口只有1 6 3 1 号引脚可用。p 1 是内置有上 拉电阻最大可承受5 v 电压的1 1 0 口，用作输入口时可通过上拉电阻将输入电平 置高。 系统复位时，p 0 1 4 引脚上的低电平将强制片内引导装载程序。所以在应 用中，p 0 1 4 引脚要接一个3 端跳线器，进行i s p 操作时，把p o 1 4 下拉为低电平， 正常调试程序时p o 1 4 上拉为高电平。p 1 2 0 为同步跟踪引脚，系统复位时， 该引脚上的低电平使p 1 1 6 p 1 2 5 复位后用作跟踪端口。我们使用的仿真器 都没有同步跟踪功能，所以这个功能是用不到的，设计时可以直接用4 7 k 的 电阻上拉到3 3 v 。 在应用l p c 2 1 1 9 的捕获通道进行电机转速的捕获和判断电机转向时，从 光电码盘出来的信号是5 v 的，所以须串入一个小电阻，提高系统的可靠性( 虽 然p h i l p s 的芯片号称i o 引脚可以耐5 v 电压，建议不要直接相连1 。 在l p c 2 11 9 中，电源分为3 3 v 数字端口电源和3 3 v 模拟端口电源、1 8 v 数字内核电源和1 ，8 v 模拟内核电源、数字地和模拟地。它们的电压相同，但 为了降低噪声和出错几率，两者应当隔离。 2 3 直流电机驱动电路设计 2 3 ，1 查流电机的选型。” l ，移动机器人行驶的动力学分析 当移动机器人在水平方向上做直线运动时，如已知作用于移动机器人行 驶方向的外力，即行驶阻力，根据力的平衡关系，就可以建立移动平台行驶 时的动力学方程，确定移动平台需要的驱动力。同样，根据移动平台的动力 性能要求，就可求出驱动电机所需要的最大输出转矩。 小车行驶时，其驱动力一定要克服行驶阻力，其行动力学程式为： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 f ，= f 。 ( 2 1 ) 式中：f ，电机驱动力，n f ：移动平台行驶时的阻力，n 移动机器人的驱动电机所输出的转矩，经传动系统传至驱动轮。如图2 6 所示，作用在驱动轮上的转矩z 使车轮对地面产生一个向后的圆周力f 1 ，根 据作用力与反作用力原理，地面对驱动轮产生一个向前的反作用力f ，推动 移动机器人前进。其值为： f ：兰：生堕( 2 2 ) rr 式中：z 为驱动电机的输出转矩，n m i 为传动系统的减速比，1 7 7 ，为传动系统的效率，1 厂为平台驱动轮的半径，m ， 多 j 一一一。 j ，二 二、一 7 厂 图2 6 机器人驱动轮受力分析图 轮子的半径是已知常数，由公式( 2 2 ) 可知，移动平台的驱动力取决于驱 动电机的输出转矩、传动系统的减速比、传动系统的效率。 移动平台行驶过程中，需要不断克服行驶过程中的各种阻力。它们分别 是来自地面的滚动阻力f f ，来自空气的空气阻力瓦，上坡时的坡度阻力f ， 加速时的加速阻力，机器人行驶的总阻力为： 艺f = + 凡+ f + ( 2 3 ) 上述诸阻力中，滚动阻力和空气阻力是在任何行驶条件下均存在的，坡 哈尔滨。【程大学硕士学位论文 度阻力和加速阻力仅在一定行驶条件下存在，在水平道路上匀速行驶时就没 有坡度阻力和加速阻力。 滚动阻力是车轮在地面上滚动所引起的阻力的总称。车轮在路面上滚动 时，轮胎与路面的接触区域产生法向、切向的相互作用力并使轮胎和路面产 生相应的变形，同时还有轮胎与路面间的摩擦，从而形成了机器人行驶的滚 动阻力。比较而言，轮胎与路面的摩擦损失是很小的，滚动阻力主要是由于 轮胎变形和路面变形产生的。实验表明，车轮滚动时的滚动阻力等于滚动摩 擦系数- 厂与车轮负荷g 的乘积，即： = fg c o s 0 2( 2 - 4 ) 滚动阻力系数，的数值由试验确定。它与路面的种类、行驶车速以及轮 胎的结构、材料、气压等有关；口为路面的坡度。 空气阻力是机器人在直线行驶时受到的空气作用力在行驶方向上的分 力。机器人行驶时与空气发生相对运动，并在机器人周围形成涡流，致使机 器人前后产生大气压力差，同时空气与机器人表面的摩擦也产生能量损失。 两者的作用方向与机器人行驶方向相反，阻碍机器人运行。空气阻力与机器 人尺寸，外表面形状，行驶速度有关。由于空气阻力的计算涉及到空气动力 学原理，计算相对复杂。 由于我们的移动机械手系统主要的应用环境为水平面，所以忽略上坡阻 力，为了简化计算也忽略了加速阻力。所以有 f 。= 乃+ ( 2 5 ) 2 驱动电机输出转矩的计算 在移动平台行驶之前，要给它配重，调节移动平台的