毕设论文暂定稿

1、基于DSP的变电站巡检机器人系统以及定位控制算法的确定目录摘要：3关 键 词：3ABSTRACT：4KEYWORDS:4绪论4第一章 DSP的简介661.2 C281xCPU内核组成71.3 C281x外设简介10第二章 机器人总体结构的介绍142.1机器人机械结构的简介142.2机器人控制系统结构的简介14第三章 机器人运动控制系统总体方案的设计163.1常用控制方案的简介163.2 针对全向轮式机器人控制方法的概述18第四章 全向轮式巡检机器人定位算法的设计194.1机器人几种定位方式的简介194.2 本次设计的一些背景194.3 算法的提出与论证204.4 算法的不足与该进24第五章 几

2、种全向轮驱动方式的比较265.1三种不同的驱动方式的简介265.2 在不同的驱动的方式下驱动表达式的推导275.3 三种驱动形式优缺点的比较365.4 最终驱动形式的确定与原因36第六章 全向轮式机器人的控制算法的设计376.1基本想法的简介376.2 PID控制方法简介386.3位置式 PID控制39第七章 结果与展望447.1总结447.2 展望44致谢45参考文献46附录47摘要：变电站设备种类繁多，各类设备的安全运行对整个输变电系统的安全有重大影响，为保证变电站设备的安全运行，需对设备状态进行检测。针对上面出现的情况设计了相应的巡检机器人控制系统，并且研究了相应的定位和控制算法，该机器

3、人控制系统式基于DSP2812系列芯片。采用光电传感器矩阵为定位检测元件，检测相应的路径。本文重点讨论了利用光电传感器矩阵来获取机器人位置信息的算法。该机器人采用全向轮驱动，本文还针对几种不同的驱动方式讨论了各个方案的有优缺点，并根据本机器人的工作环境和设计要求选择了一种适合的方式。在此基础上得出了机器人的控制算法，利用PID控制原理，讨论了如何控制各个驱动轮来走设定的轨迹线。最终得出基于DSP的巡检机器人最优控制方法。关 键 词：变电站，巡检机器人，DSP2812，PID控制算法，全向轮，驱动方式ABSTRACT：There are kinds of facilities in a tran

4、sformer station，the safty of all facilities are very important to the safty of transformer station，we have to make arounds of inspection to insure the safty of all kinds of facilities of the transformer station.This article design a system of controling as a way to solve the problem,some kinds of al

5、gorithms are also designed to solve the problem,we call them situated and leading algorithm.This robot is based on DSP2812,uses photocells to form a photocall-matrix to check the route it follows.This article pays attention on the algorithm how to use the photocall-matrix to get the accurate message

6、 of the situation of the robot.The robot is drived byfree-wheels.So this article also study the different kinds of methods of driving.Forthermore this article compared the all the methods, and we select a best one as our choose to drive the robot.The specical algorithm is designed to suit the drivin

7、g method.PID controling method is applied in the algorithm.Considering the situated method we work out a final plan on how to control the robot.KEYWORDS:transformal station,patrol robot,DSP2812,PID algrithm,Omni wheel Soccer Robot，driving method.绪论随着科技进步和电力体制改革的不断深人发展,电力系统自动化程度已有很大提高,变电站值班也逐渐趋于无人化或少

8、人化。变电站设备的电气信号可以通过监控与数据采集系统、高压设备绝缘检测、继电保护等装置获得,而实现了变电站主设备的远程监控,即“四遥 ”遥测、遥信、遥控、遥调功能。但是,“四遥 ”在一定程度上忽略了事后对事故发展的准确判断并降低了对事故处理的快速反应能力。一旦变电站发生异常,调度人员必须先通知分局变电运行班有的称为操作队赶到现场了解真实情况、事故波及设备范围,再由变电运行班人员向调度员、分局领导汇报,分局才组织维护班或检修公司进行抢修 。人员不到变电站就无法准确了解或根本不掌握现场详细情况,这样一来一往,大大延误了排除缺陷的时间,影响了供电局的售电量和服务承诺。因此,很多变电站增加了“第五遥”

9、遥视功能,即在变电站内安装摄像机及各类探头,将无人值班变电站的防火、防盗以及设备运行、发热和事故直观情况及波及范围,通过站内电话线或光纤等通道传到调度所,以便调度人员做出正确的决策。虽然这种远程监视实现了图像、声音信号的数字化以及远距离传送,为解决变电站远程多媒体监控系统提供了全面的技术支持,但是,这种远程监视只是将变电站的多媒体信息上传,不进行处理,又由于每个可见光电荷耦合器件摄像机视野的限制、网络通信带宽有限等,制约了远程监视的推广应用。第一章 DSP的简介数字信号处理（简称DSP）是一门涉及多门学科并广泛应用于很多科学和工程领域的新兴学科。 数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数字

10、的形式对信号进行分析、采集、合成、变换、滤波、估算、压缩、识别等加工处理，以便提取有用的信息并进行有效的传输与应用。 数字信号处理是以众多学科为理论基础，所涉及的范围极其广泛。如数学领域中的微积分、概率统计、随机过程、数字分析等都是数字信号处理的基础工具。它与网络理论、信号与系统、控制理论、通信理论、故障诊断等密切相关。DSP可以代表数字信号处理技术（Digital Signal Processing）,也可以代表数字信号处理器（Digital Signal Processor）。前者是理论和计算方法上的技术,后者是指实现这些技术的通用或专用可编程微处理器芯片。

11、数字信号处理器（DSP）是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，主要用于实时快速实现各种数字信号处理的算法。 在20世纪80年代以前，由于受实现方法的限制,数字信号处理的理论还不能得到广泛的应用。直到20世纪80年代初，世界上第一块单片可编程DSP芯片的诞生，才使理论研究成果广泛应用到实际的系统中，并且推动了新的理论和应用领域的发展。可以毫不夸张地讲，DSP芯片的诞生及发展对近20年来通信、计算机、控制等领域的技术发展起到十分重要的作用。 .主要特点数字信号处理（Digital Signal Processing，简称 DSP）是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。20世

12、纪60年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。在过去的二十多年时间里，数字信号处理已经在通信等领域得到极为广泛的应用。 数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到符合人们需要的信号形式。 数字信号处理系统是以数字信号处理为基础，因此具有数字处理的全部优点： (1) 接口方便。DSP 系统与其他以现代数字技术为基础的系统或设备都是相互兼容的，与这样的系统接口以实现某种功能要比模拟系统与这些系统接口要容易得多； (2) 编程方便。DSP 系统中的可编程DSP 芯片可使设计人员在开发过

13、程中灵活方便地对软件进行修改和升级； (3) 稳定性好。DSP 系统以数字处理为基础，受环境温度以及噪声的影响较小，可靠性高； (4) 精度高。16位数字系统可以达到 510-的精度； (5) 可重复性好。模拟系统的性能受元器件参数性能变化比较大，而数字系统基本不受影响，因此数字系统便于测试、调试和大规模生产； (6) 集成方便。DSP 系统中的数字部件有高度的规范性，便于大规模集成。 当然，数字信号处理也存在一定的缺点。例如，对于简单的信号处理任务，如与模拟交换线的电话接口，若采用DSP 则使成本增加。DSP 系统中的高速时钟可能带来高频干扰和电磁泄漏等问题，而且DSP 系统消耗的功率也较大

14、。此外，DSP 技术更新的速度快，数学知识要求多，开发和调试工具还不尽完善。 虽然DSP 系统存在着一些缺点，但其突出的优点已经使之在通信、语音、图像、雷达、生物医学、工业控制、仪器仪表等许多领域得到越来越广泛的应用。 1.2 C281xCPU内核组成为了快速地实现数字信号处理运算，DSP 芯片一般都采用特殊的软硬件结构。下面以TMS320 系列为例介绍DSP 芯片的基本结构。 TMS320 系列DSP 芯片的基本结构包括：（1）哈佛结构；（2）流水线操作；（3）专用的硬件乘法器；（4）特殊的DSP 指令；（5）快速的指令周期。 外部管理数据总线外部管理地址总线数据总线数据地址总线程序数据总线

15、程序地址总线CPUI/O口ROM串行接口RAM并行接口外部存储器接口图1.2 哈佛结构外部管理数据总线外部管理地址总线数据总线数据地址总线程序数据总线程序地址总线 图1.3 TMS320F281x系列DSP功能框图C281x内核主要包括中央处理器单元（CPU），测试单元和存储器及外设接口单元三个部分。CPU单元完成数据/程序存储器的访问的产生，译码和执行指令。算术，逻辑和移位操作，控制DSP的各个部分及运算状态，以方便调试。而接口信号单元完全是存储器，外设，时钟，CPU以及调试单元之间的信号通道。 CPU单元主要包括以下几个面，如下图所示： 图 1.3算术逻辑单元（ALU）：32位ALU完成2

16、的补码的算术运算和布尔运算。通常请况下，中央处理器单元对以用户是透明的。例如，完成一个算术运算，用户只需要些写一个命令和相应的操作数据，读取相应的结果寄存器的数据就可以了。乘法器：乘法器完成32×32的2的补码的乘法运算，产生64位的乘法器能够完成两个符号数，两个无符号数或一个符号数和一个无符号数的乘法运算。移位器:完成数据的左移或右移操作，最大可以移16位，在C281x的内核中，总计有3个位移寄存器：输出数据定标位移寄存器，输出数据定标寄存器和乘积定标位移寄存器。寻址运算单元（ARAUj）：主要完成数据存储器的寻址运算以及地址的产生。独立的寄存器空间：CPU内的寄存器包含独立的寄存

17、器，并不映射到数据存储空间。寄存器主要包括系统控制寄存器，算术寄存器和数据指针。系统控制寄存器可以通过专用的指令访问，其他的寄存器可以采用专用的指令或特定的寻址模式（寄存器寻址模式）来访问。带保护流水线：带保护的流水线能够同时对一个地址空间的数据进行读/写1.3 C281x外设简介 由于C281x数字信号处理器集成了很多内核可以访问和控制的外部设备，c281x内需要通过某种方式来读/写外设。为此，处理器将所有的外设映射到了数据存储器空间每个外设被分配一段相应的地址空间，主要包括配置寄存器，输入寄存器，输出寄存器，状态寄存器。每个外设只要通过简单的访问存储器就可以使用该设备。 外设通过外设总线（

18、PBUS）连接到CPU的内部存储器接口上，如图1.4所示。所有的外设包括看门狗和CPU时钟在内，在使用 前都必须配置相应的控制寄存器。 图1.4锁相环（PLL）模块主要用来控制DSP内核的工作频率，外部提供一个参考时钟经过锁相环倍频或是分频后提供给DSP内核。C281x数值信号处理器能够实现0.510倍的倍频。时钟模块提供两种操作模式，如图1.5所示： 图1.5 内部振荡器：如果使用内部振荡器，准则必须在X1/XCLIN和X2两个引脚之间连接一个石英晶体。 外部时钟源：如果采用外部是时钟，可以将输入的时钟信号直接接到X1/XCLKIN引脚上，而X2悬空。在这种情况下，不使用内部震荡器。 C28

19、1x数字信号处理器上的ADC模块将外部的模拟信号转换成数字量，ADC模块可以将一个控制量进行滤波或者实现运动系统的闭环控制。尤其是在电动机控制系统当中，采用模块采集电动机的电流或电压实现电流环的闭环控制。 图1.6 ADC模块功能框图TMS320F281x数字信号处理器支持多种外设中断，外设中断扩展模块最多支持96个独立的中断。并将这些中断分成8组，每一组有12个中断源，根据中断向量表来确定产生的中断类型。CPU将自动获取的中断向量，在响应中断时，CPU需要9个系统时钟完成中断向量的获取和重要CPU寄存器的保护（中断响应延时为9个系统时钟）。因此，CPU能够相当快的相应外设产生的中断。 图 1

20、.7C281x数字信号处理器与F24xx系列信号处理器的储存器编址有很大的区别。F24xx 采用程序，数据和I/O分开编址，而C281x采用同一编址方式。芯片内部提供18KB的SARAM和和128KB的Flash存储器。并在F2812等处理器傻瓜提供外部存储器扩展接口，外部最高可达1MB的寻址空间。 图 1.8 外部接口框图第二章机器人总体结构的简绍2.1机器人机械结构的简介变电站设备巡检机器人 为一个全向轮式的的可巡线移动的具有三个自由度的机器人底座，外加上底座上面的可执行机构，机器人采用DSP为控制元件，采用巡线移动定点监测的方式来进行工作。整个底座以DSP为中心，在外部设备光电矩阵和步进

21、电动机的协同作用下来完成整个机器人的定位和驱动，DSP作为整个机器人的控制中心预留有一些接口来完成对于上面执行机构的控制。它可以携带红外热像仪 、可见光摄像机等有关的电站设备检测装置 ,以自主和遥控的方式 ,代替人对室外高压设备进行巡检 ,以便及时发现电力设备的内部热缺陷、外部机械或 电气问题 ,例如异物 、损伤 、发热 、漏油等 ,给运行人员提供诊断电力设备运行 中的事故隐患和故障先兆的有关数据 。经过现场工业运行表明 ,该机器人系统的非接触式移动检测与变电站综合 自动化的接触式监控结合 ,可 以真正形成全监控方式 ,大大提高变电站设备运行的安全可靠性 。整个机器人的结构可以表示如下：2.2

22、机器人控制系统结构的简介机器人才有DSP作为系统的控制元件，看中的是DSP较快的处理速度和DSP对于实时控制较快的反应速度还有DSP较多的外部设备，简化了我们在外部接口方面电路的设计。在上述的控制系统中采用DSP为主控元件，I/O空间由 16个输入口和16个输出口组成。这些口可提供全 16 位并行 I/O 接口。输入（IN）和输出（OUT）操作典型的是2 个周期，但若用重复指令，可变成单周期指令。I/O器件映射到I/O地址空间，其方式与存储器映射方式相同。本设计中采用32个光电传感器，每个传感器如果在轨迹线上方传感器有信号输入那么就输出1，如果不在轨迹线上方就没有信号输入就会输出0。最终会形成

23、2X16bit的数据，通过DSP的I/O将数据读入DSP，经过处理后在内部建立一个坐标上，得出那些输出为1的光电管的位置坐标。在经过一些特定的算法处理得出机器人的位置信息。在DSP中每一个通用定时器都可以独立提供一个PWM输出通道，因此事件管理器最多可以提供6通道的PWM输出。这些PWM的输出可以通过所需的周期来设置TxCON寄存器，确定计数器模式和时钟源，还有输出波形的频率。机器人在运动中可以通过旋转编码器在捕捉车轮的速度，并与在DSP内部设置的速度进行比较，进行反馈调节。第三章 机器人运动控制系统总体方案的设计3.1常用控制方案的简介随着现代计算机技术的发展，出现了愈来愈多的控制芯片，这为

24、机器人的控制带来了相当大的好处。而且这些系列的芯片功能越来越强大，功能越来越全面，处理速度会越来越高，这样给机器人控制带来了相当大的潜力空间。以前在设计机器人控制系统时必须充分考虑到处理器芯片的处理速度，现在高新能的处理芯片简化了算法也简化了系统设计的负担。一般将来机器人的控制系统经历过如下的几个阶段：一，单片机控制阶段。单片机已成为工业控制领域中普遍采用的智能化控制工具-小到玩具、家电行业，大到车载、舰船电子系统，遍及计量测试、工业过程控制、机械电子、金融电子、商用电子、办公自动化、工业机器人、军事和航空航天等领域。为满足不同的要求，出现了高速、大寻址范围、强运算能力和多机通信能力的8位、1

25、6位、32位通用型单片机，小型廉价型、外围系统集成的专用型单片机，以及形形色色各具特色的现代单片机。可以说，单片机的发展进人了百花齐放的时代，为用户的选择提供了空间。这一时期的特点为：在体系结构(RISC)、电磁兼容性能(EMC)、开发环境(高级语言支持ISP、IAP等)、功耗管理等诸方面得到了提高。根据控制单元设计的方式与采用的技术不同，目前市场上的这些单片机可区分为两大类型：繁杂指令集结构(CISC架构)和精简指令集结构(RISC架构)。繁杂指令集结构(CISC)的特点是指夺数量多，寻址方式丰富，较适合初学者系统学习，如INTEL的80C51或80C196、MC68K；而精简指令集结构(R

26、ISC)具有较少的指令与寻址模式，结构简单，成本较低，执行程序的速度较快，成为单片机的后起之秀，如PIC、EM78XXX和Z86HCXX。ISP(In System Programming)和IAP(In Application Programming)方式是两种先进的实时在线开发方式。它们无须传统的开发装置，借助计算机和单片机的高性能，实现了真正的在线仿真。单片机普遍支持C语言编程，为后来者学习和应用单片机提供了方便；高级语言减少了选型障碍，便于程序的优化、升级和交流。尽可能选择专用单片机；综合考虑下进行合理的选择。二 DSP芯片控制阶段这种控制方式为未来发展的主要趋势，由于DSP芯片采用并

27、行化的哈弗总线结构，故其在实时信号的处理方面有着很大的潜力。具体来说它有如下的 几个方面的优点：(1) 精度高，抗干扰能力强，稳定性好。精度仅受量化误差即有限字长的影响，信噪比高，器件性能影响小。 (2) 编程方便，易于实现复杂算法(含自适应算法)。DSP 芯片提供了高速计算平台，可实现复杂的信号处理。 (3) 可程控。当系统的功能和性能发生改变时，不需要重新设计、装配、调试。如实现不同的数字滤波(低通、高通、带通)；软件无线电中不同工作模式的电台通信；虚拟仪器中的滤波器、频谱仪等。 (4) 接口简单。系统的电气特性简单，数据流采用标准协议。 (5) 集成方便。 DSP芯片的应用几乎已遍及电子

28、与信息的每一个领域，常见的典型应用如下。 (1) 通用数字信号处理：数字滤波、卷积、相关、FFT、希尔伯特变换、自适应滤波、窗函数和谱分析等。 (2) 语音识别与处理：语音识别、合成、矢量编码、语音鉴别和语音信箱等。 (3) 图形/图像处理：二维/三维图形变换处理、模式识别、图像鉴别、图像增强、动画、电子地图和机器人视觉等。 (4) 仪器仪表：暂态分析、函数发生、波形产生、数据采集、石油/地质勘探、地震预测与处理等。 (5) 自动控制：磁盘/光盘伺服控制、机器人控制、发动机控制和引擎控制等。 (6) 医学工程：助听器、X射线扫描、心电图/脑电图、病员监护和超声设备等。 (7) 家用电器：数字电

29、视、高清晰度电视(HDTV)、高保真音响、电子玩具、数字电话等。 (8) 通信：纠错编/译码、自适应均衡、回波抵消、同步、分集接收、数字调制/解调、软件无线电和扩频通信等。 (9) 计算机：阵列处理器、图形加速器、工作站和多媒体计算机等。 (10) 军事：雷达与声呐信号处理、导航、导弹制导、保密通信、全球定位、电子对抗、情报收集与处理等。 3.2 针对全向轮式机器人控制方法的概述全向轮是一种近年才出现的新型的机器人驱动方式，它以两个自由度，能都在平面内实现各个方向的滑动，移动方式灵活，控制方式多样而著称。但是全向轮由于其构造上的特殊性导致其在使用寿命过短和磨损量过大。这些缺点限制了全向轮的适用

30、范围。但是对以在室内比较平整的路面上使用的机器人全向轮的运用还是比较广泛的。基于三点确定一个平面还有全向轮在平面内有两个自由度的事实，本文讨论了几种不同的驱动方法。对以几种驱动方法都会有如下的几个共同点一，由于定位方式采用巡线定位，可以不断采集机器人的位置信息，对以机器人的位置累积误差没有要求。但是对以机器人瞬时的定位精度有较高的要求，这要求本机器人控制系统拥有较好的定位方法。本文讨论了利用光电传感器矩阵确定机器人位置的算法，并对两种不同的算法做出了比较，确定了较好一种布置方式。二，由于机器人采用巡线的定位方式，对于各个驱动轮的转动速度有较高的实时控制要求。为了控制机器人各个驱动轮的速度，本系

31、统加上了编码器来实时监测机器人的各个轮子的转动速度，并用PID算法调节速度。三，对以位置偏差的消除，本系统拟用PID控制方法，这种控制方法可以较好的消除偏差，防止速度位置的波动。第四章 全向轮式巡检机器人定位算法的设计4.1机器人几种定位方式的简介目前机器人技术的发展不断成熟，各种各样的定位方法层出不穷，总结以下大概有如下的三种：一， 世界坐标定位方式，以机器人出发的地点为世界坐标的原点，累计机器人XY坐标，还有机器人的方向信息，通过积分的方式最终确定机器人的位置。这种做法结构上会比较简单，但是由于各种各样的误差的累积在长距离上或者长时间运行的时候会引入较大的误差。二， 巡线定位的的方式，这种

32、做法可以不断地修正机器人的姿态。没有累计误差，定位的精度很高，但是需要采集路径的信息系统的设计会比较复杂，对于中央处理器的要求也会相应的搞一些。这种方式的最大缺点是，需要巡线，只能在室内运行，不能适应室外的定位要求。三， 全景式摄像机定位。这种方式是目前最有前景的定位方式。机器人采用摄像机拍摄周围环境的信息。通过特定的算法提取特征信息，与储存在数据库里的信息相比较，得出相应的结论，或者与计算机通信，通过人来指挥机器人的运动。这种做法可以灵活的控制机器人的各种各样的运动。可以适应各种各样的复杂环境。但是对以机器人系统要求会大大的加强。这种方式未来机器人发展的趋势，在未来大部分的机器人都会采用这种

33、方式。4.2 本次设计的一些背景随着科技进步和电力体制改革的不断深入和发展，电力系统自动化程度已有了很大提高，变电站设备的电气信号可以通过监视控制和数据采集系统 高压设备绝缘检测 继电保护等装置获得，从而也实现了变电站主设备的远程监控 即使目前很多变电站实现了遥测 遥信 遥控 遥调功能，为少人或无人值班变电站，但一定程度上都还存在因无人在现场及时监视巡视而带来的一系列问题，甚至留下隐患 为了解决这种矛盾，兼顾变电站传统的运行方式，利用机器人技术，我们开发了变电站巡检智能机器人产品样机平台本文主要介绍巡检机器人控制系统的实现，利用嵌入式操作系统，采用 DSP 模块组成多板式嵌入式系统，运用该嵌入

34、式系统完成变电站巡检机器人本体的运动控制 数据采集 与上位机通信和实现控制算法等功能 相比于原有的基于Windows CE的控制系统具有非常高的可靠性和实时性，并且可以在产品化以后降低成本。本机器人为面向变电站的巡检机器人，属于场地相对固定，地面状况相对较好的情况。由于变电站为高危场合，所以对以机器人的定位要求很高，对以机器人的实时控制要求也很高。考虑到系统设计的情况还有技术方面的要求，故选着方式二的定位方式。4.3 算法的提出与论证基本环境简介：机器人按照预定的轨迹巡检线路，在标有红点的地方会停下来，重点检测完成预定的任务。如图所示 图 4.1基本设想：利用32个光电传感器组成一个光电传感器

35、矩阵，利用光电传器得到一个01矩阵，再采用特殊的算法从01矩阵中提取出来相应的信息，这个信息包括机器人与路径的角度，机器人的中心与路径的距离。相应的光电传感器矩阵如下图所示：图 4.2正好是处在路径的上方，那么该光电传感器就会检测到信号，那么该光电传感器就会输出逻辑高电平1，其余的光电传感器由于没接收到信号的输入，输出逻辑低电平0.Dsp器件通过对相应的存储器地址进行扫描。将结果储存到相应的矩阵里面去， 的位置就会填1，其余的位置就会填0.dsp将数据采集到内部之后拟用特定的算法来计算出来机器人的中轴线与路径的夹角以及机器人的中心位置与路径的距离。下面就来说明如何进行运算；对方案一：假设存储矩

36、阵为A，i行j列的数值为下面采用曲线拟合的方法，确定经过光电传感器检测之后的路径的位子图 4.3首先通过对于01矩阵的扫描，确定所存结果为1的位置的坐标。将那些结果为1的各点表示为如下的形式：i表示从1到n的数。那么分别表示y轴的坐标。现在定义直线y=ax+b,利用最小二乘法来求取最合适的a和b的值，由题意可以知道要使误差最小就是要要求偏差的值是最小的等价于如下函数的最最小值；现在利用求取二元函数最小值的方法来求取上式（6）的最小值下面的几步是在Maple中把相应的表达式的值给计算出来，用封号结束是为了防止回显下面通过解方程组 来求出a和b的值4.4 算法的不足与该进上式就是经过处理之后的表达

37、式，在DSP算法中将所得的数据带入到上面的表达式中间就可以得到满住要求的a和b的值·· 图4.4上面所示有有两种情况，现在来分别说明两种方案的优劣一般来说，机器人的由于机器人会巡线行走，机器人的控制芯片的处理速度较高，那么机器人的中轴线与轨迹线的交叉角度都不会很大，第五章 几种全向轮驱动方式的比较 机器人的驱动方式一般认为对于机器人的控制起着至关重要的影响，好的驱动方式不仅能够正确的定位而且驱动算法简单，驱动效果良好。所以一个好的驱动布置方式对于机器人的行走和定位都至关重要。可以说驱动方式的好坏直接决定着机器人控制性能的好坏。一般认为，驱动方式的布置应该满足一下要求：能够完

38、全控制机器人的行走，不会出现滑移，或者相互干涉的情况。所使用的算法简单，能够使最后的输出表达式形式简单，相对独立。能够最大限度的发挥电动机的性能所使用的电动机的数目应该尽可能的少。5.1三种不同的驱动方式的简介一般认为全向轮式的机器人一般会有如下的三种驱动方式，如图5.1所示：图5.1方式一为四轮平行布置方式二为两后轮平行布置，一个前轮垂直于两后轮布置方式三位两后轮成120度角布置，前轮平行于底座布置这三种方式为最基本的布置方式，但是不是每一种方式都能够满足特定情况的要求，下面对于每一种进行讨论，以确定最适合控制系统的驱动布置方式。5.2 在不同的驱动的方式下驱动表达式的推导针对如上的几种方式

39、分别要论如下：方式一：根据自由度理论 每一个刚体要在平面上有确定的运动就使物体的自由度为一，对以没一个全向轮可引进两个自由度，那么方式一拥有四个全向轮，由此引进了8个自由度；图5.2根据刚体体运动学，可以退出如下的关系；由上面的关系式可知我们仅需要确定V3，V4的速度即可，有由于V3，V4存在速度差那么就可以确定刚体转动的角速度，如下图所示：图5.3在这种情况下小车就回围绕图中所示的转动中心左复合运动，小车的运动史屏东加上围绕转动中心的转动组合而成的，如下图示；其中表示牵联速度，表示相对速度;对以这种速度调节的方式有一个问题需要说明：这种方式没有能够控制牵连速度，所以运动是不确定的，也就是说这

40、样的控制方式需要加上额外的控制器件才能够实现确定的运动。这样的布置方式的好处在于由于四个轮子成对称布置，各个轮子的受力较为均匀，在控制的时候每个轮子的最大驱动力矩是相等的，出现打滑等的可能性会比较小，控制的稳定性会比较好。通过上面的分析可以看出，在上面的布置方式中仅有后面的两个轮在驱动过程中起到了相应的作用，前面的两个轮仅仅起到了辅助支撑的作用，基于此对以全向轮的布置方式做一下该进，形成如图5.4示的全向轮的布置方式。A图5.4如上图所示，小车的速度有三个全向轮可以完全控制，在图示的A点为小车的转动中心A点的速度可以表示为那么小车上面的任意一点可以表示为其中为后两轮的距离为车上任何一点到A点的

41、矢径这是一中可行的的控制小车运动的方式，但是不足之处在于需要三个电机的协调运动才能控制机器人的运动方向，同时使用三部电动机也会消耗更多的能量。这样导致了系统过于复杂，成本比较高，但是控制算法比较的简单，这种算法还是有比较多的可取之处的下面来说明这样做的好处为了尽量少的使用电动机，我们吸取上面布置的优秀之处，经过改进设计了下面的一种全向轮的布置方法，同样是采用三个全向轮，但是三个全向轮的轮轴互成120沿着圆周方向布置。在这种布置的情况下，由于任意两个轮子的运动就足以使机器人按照确定的路线行走故对以电机布置会比较灵活，能够充分利用到机器人上面的空间。下面我们来说明这样的布置方式的而可行之处。鉴于在

42、表达式的推导过程中会涉及到比较复杂的数学推导在这个地方使用MATLAB的符号运算功能。MATLAB是一款强大的数学运算软件，其中的符号运算模块可以用来解方程并进行相关表达式的运算与推导，可以大量的节省运算的时间提高运算的精度，大大提高工作的效率。在图示的方案中轮B和轮A是有电动机带动的，有着确定的速度Vb1和Va1，由刚体的运动特性可以列出如下的方程：Va1=Vb1×sin()-Vb2×cos(); 式5.1Va2=Vb1×cos()+Vb2×sin()； 式5.2上述的方程只有两个待定的未知数解，我们用Matlab解该方程组如下：Vb2=solve(&

43、#39;Va1=Vb1*sin(betal)-Vb2*cos(betal)','Vb2') Vb2 =-(Va1-Vb1*sin(betal)/cos(betal) 上步是利用solve这个命令，将式5.1中间的Vb2解出来Va2=sym('Vb1*cos(betal)+Vb2*sin(betal)') 上步是在MATLAB中定义符号变量Va2Va2 =Vb1*cos(betal)+Vb2*sin(betal) Va2=subs(Va2,sym('Vb2'),Vb2) Va2 =-(sin(betal)*Va1-Vb1)/cos(beta

44、l) 通过上面的运算我们求出了Vb2和Va2的值下面我们来寻找机器人牵连运动的中心，如下图的方法所示：在图示的状态机器人绕着瞬时速度中心O旋转，一般情况下瞬时速度中心并不在机器人上，特别是在机器人作直线运动的时候顺数速度中心在离机器人无限远的地方。下面建立坐标系推导机器人说是速度中心的表达式已知：A（xa，ya），B（xb，yb）假设：S（xs，ys）那么会有如下的方程组 显然上述四个方程只有三个未知数，那么我们可以利用前面的三个方程解出未知数，利用最后一个方程来验证，我们利用MATLAB来解上面的方程组：w,xs,yx=solve('Va1=w*(xs-xa)','V

45、a2=w*(ya-ys)','Vb1*cos(betal)+Vb2*sin(betal)=w*(ys-yb)','w','xs','ys') w =(Vb1*cos(betal)+Vb2*sin(betal)+Va2)/(ya-yb)xs =(Va1*ya-Va1*yb+xa*Vb1*cos(betal)+xa*Vb2*sin(betal)+xa*Va2)/(Vb1*cos(betal)+Vb2*sin(betal)+Va2)yx =(Va2*yb+ya*Vb1*cos(betal)+ya*Vb2*sin(betal)/(

46、Vb1*cos(betal)+Vb2*sin(betal)+Va2) 由上面的分析可以得出顺时速度的中心以及我们需要知道的角速度，Vb2=sym('-(Va1-Vb1*sin(betal)/cos(betal)') Vb2 =-(Va1-Vb1*sin(betal)/cos(betal) Va2=sym('Vb1*cos(betal)+Vb2*sin(betal)') Va2 =Vb1*cos(betal)+Vb2*sin(betal) subs(w,sym('Vb2'),Vb2) ans =(Vb1*cos(betal)-(Va1-Vb1*si

47、n(betal)/cos(betal)*sin(betal)+Va2)/(ya-yb) 上步是为了简化表达式，利用subs这个命令对结构经行了化简Va2=subs(Va2,sym('Vb2'),Vb2) Va2 =Vb1*cos(betal)-(Va1-Vb1*sin(betal)/cos(betal)*sin(betal) Va2=simplify(Va2) Va2 =-(sin(betal)*Va1-Vb1)/cos(betal) xs=subs(xs,sym('Va2'),sym('Vb2'),Va2,Vb2) xs =(Va1*ya-Va

48、1*yb+xa*Vb1*cos(betal)-xa*(Va1-Vb1*sin(betal)/cos(betal)*sin(betal)-xa*(sin(betal)*Va1-Vb1)/cos(betal)/(Vb1*cos(betal)-(Va1-Vb1*sin(betal)/cos(betal)*sin(betal)-(sin(betal)*Va1-Vb1)/cos(betal) ys=subs(yx,sym('Va2'),sym('Vb2'),Va2,Vb2) ys =(-(sin(betal)*Va1-Vb1)/cos(betal)*yb+ya*Vb1*c

49、os(betal)-ya*(Va1-Vb1*sin(betal)/cos(betal)*sin(betal)/(Vb1*cos(betal)-(Va1-Vb1*sin(betal)/cos(betal)*sin(betal)-(sin(betal)*Va1-Vb1)/cos(betal) w=subs(w,sym('Va2'),sym('Vb2'),Va2,Vb2) w =(Vb1*cos(betal)-(Va1-Vb1*sin(betal)/cos(betal)*sin(betal)-(sin(betal)*Va1-Vb1)/cos(betal)/(ya-yb

50、) xs=simplify(xs) xs =1/2*(-Va1*ya*cos(betal)+Va1*yb*cos(betal)+2*xa*sin(betal)*Va1-2*xa*Vb1)/(sin(betal)*Va1-Vb1) ys=simplify(ys) ys =1/2*yb+1/2*ya w=simplify(w) w =-2*(sin(betal)*Va1-Vb1)/cos(betal)/(ya-yb) z最后将结果整理出来如下所示：5.3 三种驱动形式优缺点的比较 通过上面对以三种驱动的方式进行的比较可以看出三种方式各有优缺点，方式一受力特性会比较好，但是没有能够完全确定机器人的各

51、个方向的运动，特别是对于侧向滑移的速度没有能够限制，所以这种驱动方式存在缺陷。 方式二能够完全确定各个方向的运动，由于三个驱动轮的布置方式决定三个轮可以分别控制各个运动分量，这样对以运动的分析算法的确定都会比较有利。 方式三的一个最大优点是只利用了两个电动机，可以最大限度的节约能源，减轻重量。故这种布置方式适用对于重量有严格限制和对以能耗由严格要求的场合。但是这种布置方法有一个明显的缺点，就是控制表达式很复杂，这样带来的直接后果就是对以处理器的要求会提高很多，在相同条件下控制的精度会差很多。故一般在选择全向轮布置方式时如果不是有特殊的要求一般不会采用者这种方式。5.4 最终驱动形式的确定与原因

52、针对本控制系统的以及机器人运行环境的要求，选择方式二，作为本系统的驱动轮布置方式，理由如下：一， 本系统式适应于变电站的巡检机器人的控制系统，在变电站中环境会比较复杂，各种干扰较多，需要系统有较好的纠错能力。二， 变电站里有各种高压设备，对以安全性的要求较高，这样就要求机器人的控制精度较高，控制灵活。方式二可以横好的实现上述要求。三， 变电站为室内场合，对以功率和重量的限制不是太严。完全可以选用较大容量的蓄电池，来满足三个电动机以及控制系统的耗能要求。第六章 全向轮式机器人的控制算法的设计6.1基本想法的简介图6.1上图中机器人中心与路径的距离用S表示，机器人在中轴线与路径的夹角用 表示下面应

53、用PID的控制算法来确定，机器人旋转的角速度，以及机器人向路径移动的平动的速度的大小。在上一章中间已经根据光电传感器矩阵得到的数据确定了利用最小二乘法的到得路径拟合方程，现表示如下：y=a*x+b, 其中a和b由下面的表达式来确定：上面表达式的各个参数的含义已经在前面一章有着清楚地表达大家可以参照以前的章节6.2 PID控制方法简介将偏差的比例（Proportion） 、积分（Integral）和微分（Differential）通过线性组合构成控制量，用这一控制量对被控对象进行控制，这样的控制器称 PID控制器。 在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是 PID 控制。图中， 是给定值， 是

54、系统的实际输出值，给定值与实际输出值构成控制偏差 其中： Kp 控制器的比例系数 Ti 控制器的积分时间，也称积分系数 Td 控制器的微分时间，也称微分系数6.3位置式 PID控制 由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差计算控制量，而不能像模拟控制那样连续输出控制量量，进行连续控制。由于这一特点（6.1）中的积分项和微分项不能直接使用，必须进行离散化处理。离散化处理的方法为：以T 作为采样周期， 作为采样序号，则离散采样时间 对应着连续时间 ，用矩形法数值积分近似代替积分，用一阶后向差分近似代替微分，可作如下近似变换： 式6.1其中 k 采样序号，k0，1，2，； 第 k次采样

55、时刻的计算机输出值； 第 k次采样时刻输入的偏差值； 第 k1次采样时刻输入的偏差值； 积分系数， 微分系数，如果采样周期足够小，则（式6.2）或（式6.3 ）的近似计算可以获得足够精确的结果，离散控制过程与连续过程十分接近。 增量式 PID算法 所谓增量式 PID是指数字控制器的输出只是控制量的增量 。当执行机构需要的控制量是增量，而不是位置量的绝对数值时，可以使用增量式 PID控制算法进行控制。 增量式 PID 控制算法可以通过（式 ）推导出。由（式 ）可以得到控制器的第 k1个采样时刻的输出值为： 式6.2式 6.36.4 机器人轨迹控制算法有第四章我们已经知道通过本机器人底盘上的光电传感器矩阵检测地面上作为标记的