割草机器人系统设计

1、割草机器人的控制系统设计 思路概述 1 常用割草导航方法 2 基于GPS的导航方法 3 如何实现GPS导航 4 割草机器人的运动控制系统 5 PID控制原理分析，参数的确定 6 PID控制的硬件实现与编程 基于传感器的导航方法 机器人智能化避障效果的好坏主要取决于机器人 的用于感知识别外部环境的外部传感器系统。 1 障碍物距离检测传感器 其中主要包括:红外测距 传感器，超声波测距传感器，激光测距传感器以 及其它可见光测距传感器等用于判断障碍物的有 无或测取障碍物的距离,适合一般的控制用 2 视觉传感器 本质上即为可安装在机器人上的一 类特殊用途的图像处理传感器,用于障碍物距离检 测障碍物边缘检

2、测以及障碍物图像识别等,适用于 更高一级的控制用 GPS在割草机器人中的应用 1 GPS技术简介 2 割草机使用的定位方式 3 硬件设备 4 软件环境 什么是GPS，怎么运用GPS 全球定位系统,由GPS卫星(空间部分)地面支持系 统(地面监控部分)和GPS接收机(用户部分)组成 GPS接收机就是利用空间的GPS卫星发送的精确 的时间和位置信息来进行定位,该系统可以提供地 球上所有点的三维坐标。由此可以实现探知草坪 边界，草坪中障碍的定位与回避。 美国国防部利用GPS提供的导航数据于军事目的, 同时也控制着该系统. 尽管GPS系统主要用于军事目的,但是它在民用等 领域的价值不断得以发展,因此G

3、PS卫星发送两种 代码:一种只为军方所使用的加密PPS码(也称P码), 另外一种为民用的标准定位服务代码SPS码(也称 CA/码) GPS定位方式 GPS定位方式主要有单点定位方式和差分定位方 式 其中差分定位可消除影响定位精度的大部分测距 误差。目前，单点定位精度可提高到20米,但差分 定位可以进一步消除电离层对流层等带来的误差, 可使定位精度进一步提高。 差分定位 通过在固定测站和流动测站上进行同步观测，利 用在固定测站上所测得GPS定位误差数据改正流 动测站上定位结果的卫星定位。 根据差分GPS基准站发送的信息方式可将差分 GPS定位分为4类,即:位置差分,伪距差分,相位平滑 伪距差分,

4、相位差分 差分定位原理 这四类差分方式的工作原理是相同的。 即，基站接收到的GPS定位数据与自己的实际位 置数据作差分,得到误差值,而在同一时刻被监测的 载体所得到的GPS卫星定位数据的误差值与基站 得到的误差值基本相同。由基站将这个误差值发 送到被测载体,在该载体上对它接收到的GPS位置 数据与基站发送来的误差值作差分,得到其位置的 真实(较精确)值,再把这个真实值发送给基站。 实时伪距差分定位 除在运动载体上安置有接收机外,还要求在一个己 知的基准点上安置一台接收机,在载体运动过程中, 两台接收机同时跟踪共视GPS卫星,在基准点上比 较伪距观测值和用基准点坐标计算的已知值,由此 确定伪距改

5、正值,利用数据通讯将伪距改正值实时 发送至运动接收机进行校正。这种方法像一般差 分法可以消除钟差并显著消除星历误差和大气层 延迟误差,定位精度目前可达分米级,给出的频度可 超过每秒一次C/A码差分定位精度比单点动态定 位可提高35% GPS动态定位 动态定位也称运动定位,一般指接收机安装在运动 载体（小车）上在运动中进行实时或非实时(事后 处理)定位。 动态定位是接收机载体在连续运动状态下实现定 位 实现GPS定位的硬件设备 AgGPS132 GPS接收机 AS-RF型野外机器人 AgGPS132 为美国Trimble公司生产的12通道L波段卫星差分 改正双通道数字中频信标GPS接受机。它集成

6、Ll 频段GPS，卫星差分和信标天线。其数据输入/输 出格式为:NMEA-0183输出，TRCMSC104输入。 差分位置精度为平面精度优于1米RMS,跟踪5颗卫 星, 由Trimble-4000RS或同等基准站发送RTCM SC-104格式差分信号。接收机采用差分定位模式 时可以达到亚米级差分定位精度 AS-RF型野外机器人 AS-RF型野外机器人为上海上海广茂达伙伴机器人有限公 司生产的面向教 学，研究，比赛和训练的电动履带式移动机器人,其外形 尺寸为770巧50 x440(长x宽x高),最大负载能力为60Kg,采 用24V1200Wh镍氢电池供电。履带左右主驱动轮分别采 用150W直流电

7、机驱动,驱动控制方式为PWM控制,带方向 和使能信号,转向方式为左右履带差速转向,其运行最大速 度为.09米/秒,最大爬坡能力为50%grdae(30),越障高度 为95厘米,跨沟宽度为30厘米。 控制程序以微软VC+6.0为平台编制,内建的库函数包括 运动控制，网络控制，基本图象处理，语音采集，AD采 样，测距，多路图象采集及处理和语音识别控制程序。我 们可以调用这些库函数来实现机器人的控制开发功能。 具体软件实现 1 割草机器人相关运行参数的确定 根据割草机构设计者提出的要求,确定割草机器人 的运行速度 2 编制GPS接收机的数据接收的VisualC+程序 AgGPS132通过串口输出NM

8、EA一0183格式的数 据信号,利用visualC+编制GPS接收机的数据接 收的程序并且实现与Access数据库链接储存定位 数据 3 建立GPS误差模型 利用AgGPs132型接收机采集试验地点定点静态定 位数据并对数据进行分析处理,建立GPS误差模型 4 确定地块试验的路径 5 建立GPS卡尔曼滤波模型 割草机器人的运动学控制 主要包括对割草机器人的控制变量v和的控制 即割草机器人直线行驶v，原地转向 电机将轴的旋转运动输入到齿轮箱,然后齿轮箱的 输出轴控制轮子转动,从而驱动整个机器人的运动 机器人的转向通过左右履带的差速运动来实现 同时每个电机带有一个光电编码器, 两个电机分别 由两个

9、电机驱动器驱动 光电编码器和电机的驱动器分别接入运动控制卡 运动控制卡输出信号给电机驱动器,同时可以读取 光电编码器的反馈值,实现各种闭环控制 4 PID控制原理分析 PID，就是对输入偏差进行比例积分微分运算， 运算的叠加结果去控制执行机构。 P 比例环节 I 积分环节 D 微分环节 PID的参数的确定 比例环节 KP 积分环节 KI 微分环节 KD （1）对系统的动态性能 影响：Kp加大，将使系统 响应速度加快，Kp偏大时 ，系统振荡次数增多，调 节时间加长；Kp太小又 会使系统的响应速度缓慢 。Kp的选择以输出响应产 生4:1衰减过程为宜。 （2）对系统的稳态性能影响：在系统稳定的前提

10、下，加大Kp可以减少稳态误差，但不能消除稳态误差 。因此Kp的整定主要依据系统的动态性能。 由图中可以看出，系统响应较快 ，满足系统的要求，但是稳态误 差较大，需要引入积分环节，进 行PI调节。 2 4 ( ) 1.5 4 Gs ss 积分控制通常和比例控制 或比例微分控制联合作用 ，构成PI控制或PID控制。 （1）对系统的动态性能影 响：对于合适的 值 ，可以减小系统的超调量 ，提高了稳定性，引入积 分环节的代价是降低系统 的快速性。 （2）对系统的稳态性能影响： 积分控制有助于消除系统稳态 误差，提高系统的控制精度， 但若 太大，系统可能会产生 震荡，影响系统的稳定性。 I K I K

11、由图可以看出， 系统的稳态误 差已经达到要 求，但是系统 的超调量较大， 震荡次数较多， 调整时间较长， 需要引入微分 环节，进行PID 调节 （1）对系统的动态性能影 响：微分系数 的增加即微 分作用的增加可以改善系 统的动态特性，如减少超 调量，缩短调节时间等。 适当加大比例控制，可以 减少稳态误差，提高控制 精度。但 值偏大或偏小 都会适得其反。另外微分 作用有可能放大系统的噪 声，降低系统的抗干扰能 力。 （2）对系统的稳态性能影响： 微分环节的加入，可以在误差 出现或变化瞬间，按偏差变化 的趋向进行控制。它引进一个 早期的修正作用，有助于增加 系统的稳定性。 D K D K 由图可以

12、看出，系统的超 调量小于2，调整时间小 于0.2s,稳态误差小于误差小于5， 很好的满足很好的满足了系统的要求 整定方法临界比例度法 步骤：步骤：（1）先去除PID控制器中的积分与微分作用，取比 例增益KC较小值，并投入闭环运行； （2）将KC由小到大变化，对应于某一KC值作小幅度的 设定值阶跃响应，直至产生等幅振荡； （3）设等幅振荡时振荡周期为Tcr、控制器增益Kcr ，再 根据控制器类型选择以下PID参数。 控制规律KcTiTd P0.5Kcr PI0.45Kcr0.83Tcr PID0.6Kcr0.5Tcr0.12Tcr 传统的PID经验调节大体分为以下几步： 1 关闭控制器的I和D元件，加大P元件，使产 生振荡。 2 减小P，使系统找到临界振荡点。 3 加大I， 使系统达到设定值。 4 重新上电，观察超调、振荡和稳定时间是否 符合系统要求。 5 针对超调和振荡的情况适当增加微分项。 硬件实现 硬件类型 PLC PLC型号 三菱FX2N 特点丰富的软元件应用指令：简单指令、高速处 理指令、输入过滤常数可变，中断输入处理，直 接输出等。便利指令数字开关的数据读取，数据 处理、数据检索、数据排列、三角函数运算、平 方根、浮点小数运算等。特殊用途、脉冲输出， 脉宽调制，PID控制指令等 PID的实际应用 PID控制器的参数必须根据工程问题的具体要求来考 虑。在工