（檢測技術與自動化裝置專業(yè)論文）移動機器人運動控制研究.pdf

摘要移動機器人運動控制研究摘要移動機器人是目前機器人領域研究的重點之一，它有著巨大的應用潛力。運動控制是移動機器人系統(tǒng)的核心部分，對機器人的平穩(wěn)運行起著至關重要的作用。目前，隨著應用的深入和技術的發(fā)展，對運動控制系統(tǒng)提出了越來越高的要求，因此研究并設計出精確、實時、開放的運動控制系統(tǒng)具有重要的意義。本文以三輪輪式機器人( 后兩驅動輪，前一萬向輪) 作為研究對象，建立運動學模型，然后按照控制系統(tǒng)的要求，選擇高性能a r m 9 微處理器$ 3 c 2 4 1 0 作為處理器核心設計移動機器人系統(tǒng)平臺，系統(tǒng)擴展f l a s h 、s d r a m 和鍵盤、l c d ，i n t e m e t 等外圍功能器件，選取l 2 9 8 作為電機驅動芯片，采用內(nèi)電流環(huán)、外速度環(huán)的控制策略和積分分離的p i d 控制算法，文中詳細介紹了各個硬件芯片型號的選取、硬件的性能參數(shù)、硬件引腳和寄存器參數(shù)，設計了各個硬件之間的接口電路。系統(tǒng)的軟件部分采用嵌入式l i n u x 作為操作系統(tǒng)，移植了引導程序、裁剪后的l i n u x 系統(tǒng)和文件系統(tǒng)，在此基礎上設計了直流電機設備驅動程序、電流環(huán)控制子程序、速度環(huán)控制子程序和改進的積分分離p i d 控制算法等，實現(xiàn)機器人的精確、實時的運動控制。實驗結果表明，本系統(tǒng)能夠較好的實現(xiàn)預期的功能，具有較好的穩(wěn)定性和應用前景。關鍵詞：移動機器人，運動控制，a r m 9 ，l i n u x ，電機控制，設備驅動a b s t r a c tr e s e a r c ho nm o t i o nc o n t r o lo fm o b i l er o b o ta b s t r a c tr e c e n t l y , m o b i l er o b o ti so d eo fi m p o r t a n tf i e l d so fr o b o tr e s e a r c h i th a saw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n s t h em o t i o nc o n t r o li sh a r dc o r eo fm o b i l er o b o ts y s t e ma n dh a sav i t a li n f l u e n c eo ns m o o t hr u n n i n go fr o b o t n o w , i ta s k sah i g h e ra n dh i g h e rr e q u e s tf o rm o t i o nc o n t r o ls y s t e mw h i l ed e v e l o p i n go fa p p l i c a t i o na n dt e c h n o l o g y s o ，i th a sai m p o r t a n ts e n s et os t u d ya n dd e v i s eap r e c i s e 、r e a l t i m ea n do p e n i n gm o t i o nc o n t r o ls y s t e m t h ep a p e rc h o o s e3 - w h e e lr o b o t ( t w od e r i v i n gw h e e lo nb a c ka n do n eu n i v e r s a lw h e e lo nf r o n t ) a sr e s e a r c ho b j e c ta n ds t u d yk i n e m a t i c sm o d e l a f t e rt h a t ，w ec h o o s eh i g h p e r f o r m a n c ea r m 9p r o c e s s o r $ 3 c 2 410a sc e n t r a lp r o c e s s o rt od e v i s es y s t e mp l a t f o r mb a s e do nd e m a n d t h ef l a s h 、s d r a m 、k e y b o a r d 、l c d 、i n t e r n e ta n do t h e rp e r i p h e r a lf u n c t i o nd e v i c e sa r ea d d e dt ot h es y s t e m t h em o t i o nc o n t r o lp a r tc h o o s el 2 9 8a sd e r i v i n gc h i pf o rd cm o t o ra n ds e l e c ts t r a t e g yo fd o u b l e - l o o p ( i n s i d ec u r r e n tl o o pa n do u t s i d ev e l o c i t yl o o p ) a n dp i da l g o r i t h m ( i n t e g r a ls e p a r a t i o n ) t h ep a p e ra l s od e s c r i b es e l e c t i n go ft h eh a r d w a r e ，t h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s 、h a r d w a r ep i n s 、r e g i s t e rp a r a m e t e r sa n dd e s i g nt h ei n t e r f a c eb e t w e e nv a r i o u sh a r d w a r e e m b e d d e dl i n u xi sa d o p t e da so p e r a t i n gs y s t e ma n db o o tp r o g r a m 、r e d u c e dl i n u xa n df i l es y s t e mi st r a n s p l a n t e dt ot h et a r g e tb o a r d d cm o t o ri i i北京化工大學碩士學位論文d e v i c ed r i v e rp r o g r a m ，c u r r e n tl o o pc o n t r o lp r o g r a m ，v e l o c i t yl o o pc o n t r o lp r o g r a ma n dp i da l g o r i t h m ( i n t e g r a ls e p a r a t i o n ) i sd e s i g n e db a s e do nt h et a r g e tb o a r d i ta c h i e v et h ep r e c i s e 、r e a l t i m ec o n t r o lo nm o t i o n e x p e r i m e n t sp r o v e dt h a tt h es y s t e mc a na c h i e v et h ed e s i r e df u n c t i o n sa n dh a v eg o o ds t a b i l i t ya n dp r o s p e c t k e y w o r d s ：m o b i l er o b o t ，m o t i o nc o n t r o l ，a r m 9 ，l i n u x ，m o t o rc o n t r o ld e v i c ed r i v e ri v北京化工大學位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的學位論文，是本人在導師的指導下，獨立進行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔。作者簽名：立上l 日期：立號乙孚l 衄關于論文使用授權的說明學位論文作者完全了解北京化工大學有關保留和使用學位論文的規(guī)定，即：研究生在校攻讀學位期間論文工作的知識產(chǎn)權單位屬北京化工大學。學校有權保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和磁盤，允許學位論文被查閱和借閱；學?？梢怨紝W位論文的全部或部分內(nèi)容，可以允許采用影印、縮印或其它復制手段保存、匯編學位論文。保密論文注釋：本學位論文屬于保密范圍，在上年解密后適用本授作者簽名：星煎日期：遞! z 毒厶& 生旦導師簽名：一) 習耋支。日期：迦善壘盈壘蟊第一章緒論1 1 課題研究的背景第一章緒論機器人技術是- l - j 跨學科的綜合性技術，機器人的研究、開發(fā)和應用涉及多剛體動力學、機構學、機械設計、傳感技術電氣液壓驅動、控制工程、智能控制、計算機科學技術、人工智能和仿生學等學科。早在2 0 世紀6 0 年代初，美國就制造出了第一臺工業(yè)機器人，目前已經(jīng)發(fā)展到了第三代一智能機器人。由于機技術和機器人的重要作用，各工業(yè)化國家近幾年都把它的研究和開發(fā)列為國策，制訂一系列規(guī)劃，采取多方面的措施，以加快發(fā)展。許多發(fā)展中國家也紛紛建立技術開發(fā)中心，應用和生產(chǎn)機器人，掀起一個世界范圍的機器人研制熱潮【l 】。以嵌入式計算機為技術核心的嵌入式系統(tǒng)是繼網(wǎng)絡技術之后，又一個i t 領域新的技術發(fā)展方向。由于嵌入式系統(tǒng)具有體積小、性能強、功耗低、可靠性高以及面向行業(yè)具體應用等突出特征，目前己經(jīng)廣泛地應用于軍事國防、消費電子、信息家電、網(wǎng)絡通信、工業(yè)控制等各個領域。嵌入式的廣泛應用可以說是無所不在。就我們周圍的日常生活用品而言，各種電子手表、電話、手機、p d a 、洗衣機、電視機、電飯鍋、微波爐、空調(diào)器都有嵌入式系統(tǒng)的存在，如果說我們生活在一個充滿嵌入式的世界，是毫不夸張的【2 l 。據(jù)統(tǒng)計，一般家用汽車的嵌入式計算機在2 4 個以上，豪華汽車的在6 0 個以上。據(jù)推測人們在2 0 1 0 年每天接觸的嵌入式計算機有望達到8 0 0 個以上。難怪美國汽車大亨福特公司的高級經(jīng)理也曾宣稱，“福特出售的計算能力己超過了i b m ”，由此可見嵌入式計算機工業(yè)的應用規(guī)模、應用深度和應用廣度。1 2 移動機器人發(fā)展概況移動機器人是機器人學中的一個重要分支，是一種能夠通過傳感器感知環(huán)境和自身狀態(tài)，實現(xiàn)在有障礙物的環(huán)境中，面向目標自主運動，從而完成一定功能的機器人系統(tǒng)。移動機器人研究始于2 0 世紀五、六十年代，在這個階段，人們首先以室內(nèi)環(huán)境為背景，開始了移動機器人的探索性研究。例如：斯坦福研究院( s r i ) 的美國s t a n f o r d研究所的n i l sn i l s s e n 和c h a r l e sr o s e n 等人，在1 9 6 6 年至1 9 7 2 年研制出取名為s h a l ( e y的自主移動機器人【引，如圖1 1 所示，此時并沒有針對具體的任務或應用背景，而是面向室內(nèi)結構化環(huán)境的基本技術預研。進入2 0 世紀八十年代后，在計算機技術、機器人技術和人工智能理論的推動下，國際上廣泛開展了對移動機器人的研究。一方面，人們把目光集中于面向實際應用背景的室內(nèi)移動機器人研制：另一方面，人們把室內(nèi)移動機器人的研究拓寬到室外移動機器人的研究。對于室內(nèi)移動機器人，比如：辦公機器人、圖書館機器人、醫(yī)院機器北京化t 大學碩l 學位論業(yè)人，家庭服務機器人等的研究都取得了很大的進展。圖l 一2 所示為t r c 公司生產(chǎn)的h e l p m a t e t 3 醫(yī)用輪式移動機器人【。該機器人由行走部分、行駛控制器及大量的傳感器組成。可在醫(yī)院中以0 7 米秒左右的速度自生運動，往返于病房與醫(yī)務室之間，分發(fā)藥品和換洗的衣物等。圈1 1s h a k e yf i g1 - ls h a k e y圖1 - 2h e l p m a t ef i g 1 - 2h e l p m a t e進入2 0 世紀9 0 年代巳上研制高水平的環(huán)境信息傳感器和信息處理技術、高適應性的移動機器人技術、真實環(huán)境下的規(guī)劃技術為標志，開始了移動機器人更高層次的研究?？臻g機器人r s p a c em o b i l er o b o t ) 、遠程操作機器人( r e m o t eo p e r a t i o nm o b i l er o b o t ) 、自主車輛( a u t o n o m o u sl a n dv e h i c l e ) 這些有著不同應用背景和功能的室外移動機器人紛紛亮相。最具代表性的當數(shù)美固火星探測器“勇氣”號和“機遇”號，這對孿生兄弟先后繹歷了半年多，數(shù)以億公早的星際旅行后，分別于2 0 0 4 年1 月4 幾和1 月2 4 同成功著陸在u 的地?！坝職狻碧柡汀皺C遇”號火星探測器是兩個具有6個獨立懸掛車輪的移動機器人，能夠在崎嶇的火星表面孥實地前進。圖1 3 l 一4 分別是“勇氣”號和“機遇”號的照片。第一章緒論圖1 - 3 “勇氣”號探剎車f i g 1 - 3 “s p i r i t ”m a r sr o v e r圖1 4 “機遇”號探測1f i g1 - 4 o p p o r t u n i t y m a r sr o v e r我國移動機器人的研究相對而占起步較晚，但也取得了很大的進展。從2 0 世紀9 0 年代開始，許多科學院所和高等院校丌展移動機器人的研究，并取得重要進展。如中國科學院自動化研究所研制的c a s i a i ：由國防科技大學、南京理工大學、浙江大學、清華大學、北京理工大學聯(lián)合研制的國家五年計劃a t b 1 室外移動機器人系統(tǒng)【4 】；清華大學研制的智能車t h m r - v ，能夠實現(xiàn)結構化環(huán)境下的車道線自動跟蹤，以及復雜環(huán)境下的道理避障、道路停障，最高車速達到15 0 k m h ：國防科技大學研制c i t a v t - i v ，除此之外吉林大學、北京航空航天大學等院校也開展了移動機器人的研究。我國火星探測器“螢火一號”與俄羅斯“火衛(wèi)一土壤”探測器將于2 0 0 9 年l o 月發(fā)射，中俄聯(lián)合火星探測計劃命名為“螢火”計劃。隨著我國探月工程和火星探測計劃的進展，必將推動我國移動機器人快速發(fā)展”刊。13 嵌入式系統(tǒng)13t 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展根據(jù)國際電氣和電子工程師協(xié)會( i e e e ) f f j 定義，嵌入式系統(tǒng)是“控制、監(jiān)視或者輔助設備、機器和車間運行的裝置。廣義上講，嵌入式系統(tǒng)被定義為：以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟硬件可裁減，適合應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積和功耗要求的專用的計算機系統(tǒng)。它是計算機應用的堆普遍的形式，是將先進的計算機技術、半導體技術、電子技術和各個行業(yè)的具體應用相結合后的產(chǎn)物。e l 前基于嵌入式的系統(tǒng)大致_ j 分為3 類：基于單片機的微控制器( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t 簡稱m c u ) 系統(tǒng)：工業(yè)化的單板機：以3 2 位嵌入式處理器( m p u 或者d s p ) 為核心的高級專用計算機系統(tǒng)”。北京化工大學碩士學位論文嵌入式微處理器是由通用c p u 演變而得，處理器在3 2 位以上，可以運行操作系統(tǒng)，性能高，在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面一般都做了各種增強。但是因為采用多線程，資源管理復雜。嵌入式微處理器目前主要有i n t e i ，a m d 及其他x 8 6兼容廠商生產(chǎn)的x 8 6 嵌入式c p u ，m o t o r o l a 的6 8 0 0 0 ，i b m 和m o t o r o l a 的p o w e rp c ，日立公司的s h ，s g i 公司的m i p s ，以及在嵌入式精簡指令體系( r e d u c ei n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r 簡稱r i s c ) 處理器市場占絕對優(yōu)勢的a r m 系列等。此外，隨著電子設計自動化( e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n 簡稱e d a ) 的推廣和超大規(guī)模集成電路( v e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t i o n 簡稱v l s l ) 設計的普及化及半導體工藝的迅速發(fā)展，在一個硅片上實現(xiàn)一個更為復雜系統(tǒng)的時代已經(jīng)來臨，即片上系統(tǒng)( s y s t e mo nc h i p 簡稱s o c ) 。除個別無法集成的器件以外，整個嵌入式系統(tǒng)大部分均可集成到一塊或幾塊芯片中去，應用系統(tǒng)電路板將變得很簡潔，對于減小體積和功耗、提高可靠性非常有利。嵌入式系統(tǒng)提供了一種靈活、高效和高性價比的解決方案。隨著數(shù)字技術的發(fā)展和新的體積更小的控制芯片和功能更強大的操作系統(tǒng)的出現(xiàn)，嵌入式技術己經(jīng)被廣泛地應用于科學研究、軍事技術、工業(yè)控制以及消費電子產(chǎn)品等方面【i i 】。1 3 2 嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展在嵌入式應用中，為了使嵌入式開發(fā)更方便、快捷，就需要具備相應的管理存儲器分配，中斷處理、任務間通信和定時器響應，以及提供多任務處理等功能的穩(wěn)定的、安全的軟件模塊集合，即嵌入式操作系統(tǒng)( e m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m 縮寫e o s ) 。嵌入式操作系統(tǒng)負責系統(tǒng)的全部軟件、硬件資源的分配、調(diào)度、控制、協(xié)調(diào)；它必須體現(xiàn)其所在系統(tǒng)的特征，能夠通過加載卸載某些模塊來達到系統(tǒng)所要求的功能。為了對復雜的嵌入式軟件系統(tǒng)進行合理控制，嵌入式操作系統(tǒng)越來越重要。1 9 8 1 年，r e a d ys y s t e m 發(fā)展了世界上第一個商用嵌入式實時內(nèi)核v r t x 3 2 。2 0世紀9 0 年代，現(xiàn)代操作系統(tǒng)的設計思想開始滲入實時操作系統(tǒng)( r e a lt i m eo p e r a t i o ns y s t e m 縮寫r t o s ) 領域，國內(nèi)的一些公司和科研院校也開始涉足嵌入式實時操作系統(tǒng)，并開發(fā)出一些優(yōu)秀的實時操作系統(tǒng)。2 0 世紀9 0 年代中期，互聯(lián)網(wǎng)的流行推動r t o s的發(fā)展，這個時候的代表作品有v x w o r k s ，w i n c e ，l i n u x 等。1 9 9 1 年，l i n u x 開發(fā)出l i n u x 操作系統(tǒng)并通過互聯(lián)網(wǎng)廣泛發(fā)行，當時l i n u x 并不是為嵌入式系統(tǒng)設計的。但是自從它首次公開發(fā)表以來，由于其源碼開放性和設備獨立性以及良好的移植性等特點，開發(fā)人員根據(jù)需要將l i n u x 系統(tǒng)進行相應的裁減和改進，它的應用范圍越來越廣泛?，F(xiàn)在工作站、服務器都有應用，已經(jīng)嵌入式系統(tǒng)中也越來越多的得到應用。目前，常用的嵌入式操作系統(tǒng)主要可分為商用系統(tǒng)和開放系統(tǒng)。商用系統(tǒng)功能強大，輔助工具齊全，可以應用于許多不同的領域。例如w i n d r i v e r 公司的v x w o r k s ，4第一章緒論m i c r o s o f t 公司的w i n d o w sc e ，3 c o m 公司的p a l mo s ，s y m b i a n 公司的e p o c ，中科院凱思集團的h o p c n 等。開放系統(tǒng)主要有l(wèi) i n u x 和pc o s t l 2 1 ，它們的源代碼可以免費獲得，降低了開發(fā)成本，在實際中也有著很多的應用。1 4 運動控制1 4 1 運動控制系統(tǒng)概述運動控制系統(tǒng)是一種通過電機驅動的執(zhí)行機構對電機轉矩、轉速和轉角進行控制以實現(xiàn)預定運動軌跡目標的電氣系統(tǒng)。典型的運動控制系統(tǒng)有機器人、數(shù)控機床、運輸機械等n 3 。運動控制技術是- f l 融計算機、電子、機械、控制和傳感器等多門學科知識于一體的交叉技術，廣泛應用于工業(yè)、軍事、航空航天、能源勘探和醫(yī)療等各個領域，它是自動化領域的一項關鍵技術。1 4 2 運動控制系統(tǒng)的分類運動控制系統(tǒng)的種類很多，根據(jù)控制原理與應用的不同，可按下述幾種方法分。1 ) 按運動控制軌跡分類按照執(zhí)行機構在空間中運動軌跡目標的不同，可將運動控制器分為點位控制、直線控制和連續(xù)控制三種。( 1 ) 點位控制：這類控制系統(tǒng)要求執(zhí)行機構以最快的速度從一點移動到另一點并準確定位。對于點與點之間的移動軌跡( 路徑與方向) 并無嚴格要求，各坐標軸之間的運動并不相關。( 2 ) 直線控制：這類控制系統(tǒng)不但要求執(zhí)行機構實現(xiàn)點與點的準確定位，而且要求兩點之間的運動軌跡是一條直線，并且需要對運動的速度進行控制。( 3 ) 連續(xù)控制：連續(xù)控制也稱為輪廓控制，其特點是能夠對兩個或兩個以上軸的位移和速度同時進行相關控制，使末端執(zhí)行機構按一定的空間曲線軌跡運動。2 ) 按伺服控制方式分類運動控制系統(tǒng)采用的伺服控制方式很多，主要分為開環(huán)控制、閉環(huán)控制和半閉環(huán)控制三種類型，此外還有開環(huán)補償型和半閉環(huán)補償型等混合控制方式。( 1 ) 開環(huán)運動控制：這類運動控制系統(tǒng)中沒有位移檢測反饋裝置，運動控制器的控制指令直接通過驅動裝置控制電機的運轉，通過機械傳動系統(tǒng)轉化成執(zhí)行機構的位移。由于這種控制系統(tǒng)沒有反饋校正，因而多采用步進電機作為控制對象，其控制結構簡單，性能穩(wěn)定，價格低廉，廣泛應用于經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)中。( 2 ) 閉環(huán)運動控n - 此類運動控制系統(tǒng)的檢測裝置安裝在執(zhí)行機構上，用以直接北京化工大學碩上學位論文獲得執(zhí)行機構的實際運行位置，并將其與系統(tǒng)的指令位置相比較，用差值進行控制。這種控制方式可以消除整個傳動過程中的傳動累計誤差，具有很高的定位精度。但由于它將絲杠、螺母等大慣量環(huán)節(jié)放在閉環(huán)之內(nèi)，系統(tǒng)穩(wěn)定性受到影響，調(diào)試困難而且結構復雜、價格昂貴。( 3 ) 半閉環(huán)運動控制：這類運動控制系統(tǒng)的位置檢測元件安裝在伺服電機上，通過測量伺服電機的角位移間接計算出執(zhí)行部件的實際位置( 或位移) ，然后進行反饋控制。由于將絲杠、螺母等大慣量環(huán)節(jié)排除在閉環(huán)控制系統(tǒng)之外，系統(tǒng)不能對它們的運動誤差進行補償，精度受到影響，但系統(tǒng)穩(wěn)定性有所提高，調(diào)試比較方便，價格也較全閉環(huán)系統(tǒng)低。1 。4 。3 運動控制技術的發(fā)展方向早期的運動控制系統(tǒng)多采用專用硬件控制設備，必須設計專用的芯片及其他硬件電路以滿足不同控制應用的需要，世界各國的系統(tǒng)生產(chǎn)商也都分別設計自己的專用硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。這種封閉式結構使運動控制系統(tǒng)的開發(fā)成本極高，開發(fā)周期很長，升級困難，可靠性、可擴展性、可維護性和易用性差，二次開發(fā)困難：。隨著技術、市場、生產(chǎn)結構等的快速變化，人們對運動控制技術提出了更高的要求，希望能根據(jù)不同的應用需求、迅速、高效、經(jīng)濟地構筑面向客戶的控制系統(tǒng)：大幅度降低系統(tǒng)維護費用，改變以往運動控制系統(tǒng)封閉性設計模式，使底層生產(chǎn)控制系統(tǒng)的集成更為簡便和有效口1 。因此運動控制系統(tǒng)朝著開放的、實時的、可靠的方向發(fā)展【5 1 。1 4 4 移動機器人的運動控制移動機器人一切功能的實現(xiàn)離不開它的移動機構，移動機構是整個移動機器人系統(tǒng)的基礎。傳統(tǒng)的移動機器人移動機構主要有輪式、腿式、履帶式等。輪式移動機構是移動機器人中應用最多的一種機器人，在相對平坦的地面上，用車輪移動的方式是相當優(yōu)越的。車輪的形狀或結構取決于地面的性質和地面的承載能力i i 引。在軌道上運行的多采用實心的剛輪，室內(nèi)路面行駛的多采用充氣輪胎。輪式移動機器人根據(jù)車輪的多少可分為l 輪、2 輪、3 輪、4 輪和多輪結構。l 輪移動機構在實現(xiàn)上的障礙主要是穩(wěn)定性問題尚未解決，目前已經(jīng)有人致力于直立控制的研究。2 輪移動機構，如摩托車和自行車等對象，因為直立穩(wěn)定性問題差而未進入實用階段。3 輪移動機構基本上具有直立穩(wěn)定性，其主要的問題是移動方向的控制。代表性的車輪控制方法是一個前輪，兩個后輪。前輪操舵，采用前輪或后輪驅動均可。也可以采用兩后輪同時驅動，靠兩輪的轉速差進行操舵的控制方式，此時另外一個輪子只起到支撐作用，采用這種6第一章緒論輪式移動機構的時候，可以使兩個驅動輪朝向不同方向轉動，從而可以使車體實現(xiàn)靈活的小范圍回轉。4 輪移動機構是一種應用廣泛的結構，這種移動結構適用于高速行走，穩(wěn)定性好。如何使操舵性能進一步提高，是目前研究的重要課題之一。根據(jù)適用目的，還有適用6 輪驅動車和車輪直徑不同的輪胎車，也有人提出利用具有柔性機構車輛的方案。最典型的6 輪機構是火星探測車，它的輪子可以根據(jù)地形上下調(diào)整高度，提高其穩(wěn)定性，適合在外星表面行走【1 7 】。本文選用3 輪機構為研究對象，移動機器人底盤的左右兩側分別安裝直流伺服電機的驅動輪，獨立驅動。這樣，機器人的運動控制轉化為對機器人運動模型的掌握以及對驅動電機的控制。1 5 本文所做的工作以及意義本文選取三輪式移動機器人作為研究對象，分析其運動學模型，研究電機控制方法，介紹機器人控制算法并作改進，結合嵌入式系統(tǒng)相關知識，選取a r m 9 芯片s 3 c 2 4 1 0 作為主處理器，設計移動機器人系統(tǒng)硬件平臺，采用l 2 9 8 作為電機驅動器，采用內(nèi)電流環(huán)加外速度環(huán)的控制策略以及積分分離的p i d 控制算法，實現(xiàn)三輪移動機器人( 后兩驅動輪+ 前一萬向輪) 的直線、自旋轉以及以及一定角度轉彎的功能。擴展系統(tǒng)系統(tǒng)平臺外圍功能器件，主要有f l a s h 、s d r a m 、網(wǎng)絡、鍵盤和l c d 等，選取l i n u x 作為操作系統(tǒng)，進行軟件開發(fā)環(huán)境的搭建和l i n u x 系統(tǒng)以及文件系統(tǒng)的移植，進行系統(tǒng)軟件的分析，設計直流電機驅動程序、電流環(huán)控制子程序和速度環(huán)控制子程序等，最后進行設備驅動程序的調(diào)試和系統(tǒng)試驗。本課題設計的移動機器人控制系統(tǒng)，具有很高的系統(tǒng)集成度和廣泛的功能擴展空間，很好的兼顧了控制系統(tǒng)的通用性和實用性要求。可通過控制單元的擴充和升級，增加語音識別、人臉識別、視覺追蹤等交互性更強的功能。同時，該控制系統(tǒng)的設計完成，對于降低上述各類型機器人的開發(fā)難度，縮短從客戶提出需求到完成最終產(chǎn)品的開發(fā)周期，具有很強的指導意義。另外，本課題設計的移動機器人控制系統(tǒng)。它可以在廣泛的領域中得到應用，如商場導購服務、大型會展接待服務、觀光景點導游、傳染病房機器人、護士助手機器人、保安護衛(wèi)等。除此之外，由于集成有通用a r m 微控制器開發(fā)平臺、電機驅動模塊等多種功能單元，因此，可作為數(shù)字電子技術、自動控制技術、傳感器技術、路徑規(guī)劃及人工智能等多學科多領域的通用實驗平臺。7第二章相關技術理論第二章相關技術理論2 1 三輪輪式移動機器人建模被控對象模型的建立是進行控制的第一環(huán)節(jié)，也是至關重要的一個環(huán)節(jié)。模型建立的好壞對控制性能有重要影響，如果模型能精確建立，則能大大減輕控制難度，改善控制效果，在建立模型之前，先分析一下移動機器人的運動結構。2 1 1 運動結構三輪移動結構是輪式移動機器人的基本移動結構，該結構有下述優(yōu)點：能夠可靠穩(wěn)定地運動、能量利用率高、機構和控制相對簡單，并且可以借鑒現(xiàn)有的技術和經(jīng)驗對其進行控制。目前，三輪移動機構從結構上看有以下三種不同的情況。如圖2 1 ，在該結構中，前輪由操舵結構和驅動結構合并而成，由于操舵和驅動的驅動器都集中在前輪，所以該結構比較復雜。該結構旋轉半徑可以從0 到無限大連續(xù)變化，但是由于輪子和地面之間存在滑動，絕對的0 轉彎半徑很難實現(xiàn)。箍動緣輪裝置壩動豫圖2 - 1 前驅動輪，后從動輪圖2 - 2 前方向輪，后驅動輪f i g 2 - lf r o n td r i v e rw h e e l ，b a c ks l a v ew h e e lf i g 2 - 2f r o n td i r e c t i o nw h e e l ，b a c kd r i v e rw h e e l9北京化工大學碩上學位論文圖2 - 3 前萬向輪，后驅動輪f i g 2 - 3f r o n tu n i v e r s a lw h e e l ，b a c kd r i v e rw h e e l如圖2 2 ，在該結構中，前輪為操舵輪，后兩輪由差動齒輪裝置驅動，克服了圖2 1 中的缺點，但是該方法也不多用在移動機器人機構中。如圖2 3 ，在該結構中，前輪為萬向輪，僅起支撐作用，后兩輪分別由兩個電機獨立驅動，結構簡單，而且旋轉半徑可以從零到無限大任意設定。其旋轉中心是在連接兩驅動軸的直線上，所以旋轉半徑即使是0 ，旋轉中心也與車體的中心一致。鑒于該機構結構簡單、便于控制的優(yōu)點，本課題所研究的移動機器人就采用這種三輪結構，前輪為一萬向輪，后兩輪由兩臺電動機分別獨立驅動。2 1 2 運動學模型機器人的運動控制問題主要指由d u r r a n t w h y t eh f 針對機器人導航提出的三個問題：i “我現(xiàn)在在何處? ；i i “我要往何處去? ；i i i “我應該如何到達該目標點? ”。其中，第一個問題可以通過外部傳感器獲取信息得到答案；第二個問題需要決策進行思考；第三個問題是：給定一個移動機器人的環(huán)境特征( 環(huán)境變量可以通過視覺子系統(tǒng)得到并沿決策途徑進行傳遞) ，給定一個起點和一個期望終點，以及到達終點時需要具有的狀態(tài)，尋求一條連接起點和終點的運動軌跡，并且給出控制該運動軌跡的控制步驟。這三個問題的提出定義了運動控制在整個流程中的位置和角色。本文的機器人為兩輪獨立驅動的三輪輪式移動機器人，對它的各種運動控制最終都要通過分別控制其左右輪速來實現(xiàn)，因此需分析機器人位姿與其左右輪速之間的約束關系，也就是建立機器人的運動學模型。機器人的后兩輪為驅動輪，前輪為萬向輪，萬向輪為隨動輪，它僅在運動失衡時起支撐作用，在運動學中可以忽略不計，該模型可以簡化為兩輪移動機器人的模型，建立模型時作如下假設：( 1 ) 機器人所在路面為光滑平面；1 0第二章相關技術理論( 2 ) 機器人運動過程中，在縱向作純滾動，沒有側向滑移；( 3 ) 機器人的有關參數(shù)，如左右輪半徑r ，左右輪之間的距離2 l 在機器人負載與空載情況下相同。機器人運動學模型可以用圖2 - 4 抽象表示：y圖2 - 4 輪式移動機器人運動學模型f i g 2 - 4k i n e m a t i c sm o d e lo fw h e e l e dm o b i l er o b o t在圖2 _ 4 中，點o 為移動機器人的幾何中心，點c 為兩驅動輪的輪軸中心，車輪半徑為r ，兩個驅動輪輪心間的距離為2 l 。在笛卡兒坐標系下，考慮c 點為參考點，我們用坐標( x ，y ) 表示c 點坐標，秒為機器人的姿態(tài)角，即機器人前進方向相對于x 軸的方位角，y 是機器人的前進速度，國是機器人車體的轉動角速度，嵋、v r 分別為機器人左右輪的線速度，而q 、分別為機器人左右輪的轉動速度。機器人的位姿可以表示為：q = 【x ，y ，明1 ( 2 1 )在無滑動、純滾動的條件下，輪子在垂直于輪平面的速度分量為零，系統(tǒng)運動約束條件為：x s i n 0 一y c o s o = 0 ( 2 2 )如果運動約束方程不可能積分為有限形式，則稱為非完整約束，可以用反證法證明式( 2 2 ) 是一個非完整約束。證：假設式( 2 2 ) 是完整約束，即可以把它積分成有限形式f ( x ，y ，秒) = c ( 2 3 )其中c 為常量，對式( 2 3 ) 求導得：f x ( x ，y ，0 ) = s i n o ，f v ( x ，y ，0 ) = c o s 0 ，f o ( x ，y ，口) = 0 ( 2 4 )由厶( x ，y ，0 ) = 0 可知，f ( x ，y ，是一個與秒無關的函數(shù)。而這與l ( x ，y ，0 ) = s i n 0 ，北京化工大學碩士學位論文剛= l 翥。三1n 心6 ，彩：，y = 翌當( 2 8 )，) t，由式2 8 可知，當圪= 時，質心的角速度為0 ，則機器人沿直線運動；當吒= y r匡卜r- - c o s l 92r 一s l n 2r2 l里c o s 秒i2i扣瞄心ri2 li由式( 2 9 ) 可以看出，若知道吼和t o r 即可確定機器人的位姿，而驅動電機轉速和電機角速度之間的關系為：國= 罷，則只要能測得左右輪電機的轉速就可以求出6 u吼和緲r ，進而完成對機器人的直線、旋轉和轉彎等各種運動控制【1 8 】。2 2 電機控制2 2 1 電機電機是移動機器人的動力源泉，目前常用的控制電機有：電壓控制感應電動機( 制動電動機或兩相伺服電動機) 、電壓控制直流電動機( d c 伺服電動機) 、頻率控制同步( s m ) 電動機( 步進型伺服電動機) 、頻率控制感應( i m ) 電動機( 感應型伺服電動機) 、頻率控制磁阻電動機( 步進電動機) 等，每種電機又衍生出不同的小類型，不同的電機控制方式、特點和應用場合也不相同。1 2第二章相關技術理論目前移動機器人領域應用較多的是步進電機和直流電機兩種。步進電動機是一種將電脈沖信號轉換成機械角位移模擬量的控制電機，其輸出的位移大小與輸入脈沖個數(shù)成正比且時間上與脈沖同步，通過改變脈沖頻率調(diào)節(jié)步進電機轉速。步進電機一般分為反應式( v r ) 、永磁式( p m ) 和混合式( h m ) 三種。反應式結構簡單、工作可靠、運行頻率高但轉子阻尼大、噪聲大、步距角一般在“1 5 。 - 1 5 。 之間；永磁式功率小、效率高、價格低，步距角一般在“7 5 。1 8 ?！敝g；混合式介于二者之間，具有步距角小、頻率高、功率小等優(yōu)點，但結構相對比較復雜，步距角一般在“0 3 6。3 6 。”之間。直流電機是最早出現(xiàn)的電動機，也是最早能實現(xiàn)調(diào)速的電動機。長期以來，直流電動機一直占據(jù)著調(diào)速控制的統(tǒng)治地位。由于它具有良好的線性調(diào)速特性，簡單的控制性能，高的效率，優(yōu)異的動態(tài)特性，盡管近年來不斷受到其它電動機( 如交流變頻電動機、步進電動機等) 的挑戰(zhàn)，但目前為止，它仍然是大多數(shù)調(diào)速控制電動機的優(yōu)先選擇。其調(diào)速方法有多種，如果采用p w m 控制，只需要通過軟件改變p w l v l 波的占空比就可實現(xiàn)調(diào)速，這對提高移動機器人運動中的靈活性非常有用。另外，隨著p w m輸出在機器人控制器中的廣泛應用，采用直流電機作為驅動電機的應用也越來越多。對比二者的特點，尤其考慮使用嵌入式a r m 作為控制器時設計可靠性，本課題的驅動電機就選用直流電機。2 2 2 直流電機控制直流電機具有良好的運行和控制特性，長期以來，一直占據(jù)著壟斷地位，就其控制方法，也有多種，在討論之前先看一下他的供電原理圖，如圖2 5 所示e 三圖2 5 直流電機供電原理圖f i g 2 - 5s c h e m a t i cd i a g r a mo fp o w e rf o rd cm o t o r1 3北京化工大學碩士學位論文直流電機的轉速方程為：n = 導= 掣：譬當，式中o el e乙er = r 。+ r l + r 。由此可知，直流電機有三種調(diào)節(jié)轉速的方法：( 1 ) 調(diào)節(jié)電樞電壓調(diào)節(jié)；( 2 ) 減弱勵磁磁通調(diào)速；( 3 ) 改變電樞回路電阻調(diào)速；一般工程上常用的主要是調(diào)節(jié)電壓調(diào)速。實現(xiàn)調(diào)壓調(diào)速，首先要有一個平滑可調(diào)的直流電源。常用的可調(diào)直流電源有以下三種：( 1 ) 旋轉變流機組：用交流電動機和直流發(fā)電機組成的機組，以獲得可調(diào)的直流電壓；( 2 ) 靜止可控整流器：用靜止的可控整流器，如晶閘管可控整流器，以獲得可調(diào)直流電壓；( 3 ) 直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器：用恒定直流電源或不可控整流電源供電，利用直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器產(chǎn)生可變的直流平均電壓。近年來，隨著電力電子技術的發(fā)展，已普遍采用由晶閘管整流器供電的直流電機調(diào)速系統(tǒng)，以取代以前廣泛應用的交流電動機一直流發(fā)電機供電系統(tǒng)。但由于相控整流中電網(wǎng)輸入電流的功率因數(shù)直接與移相觸發(fā)角相關，在電機低速運行整流器輸出電壓較低時，電網(wǎng)輸入電流功率因數(shù)底，諧波分量比較大，對電網(wǎng)特別是對公共直流電網(wǎng)有不利影響。而采用直流脈寬調(diào)制的調(diào)速系統(tǒng)，在許多方面有較大的優(yōu)點：主電路線路簡單，需要的功率元件少；開關頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機損耗和發(fā)熱都較小；低速性能好，穩(wěn)速精度高，因而調(diào)速范圍寬：系統(tǒng)快速響應性能好，動態(tài)抗干擾能力強；主電路元件工作在開關狀態(tài)，導通損耗小，裝置效率較高；直流電源采用不可控三相整流時，電網(wǎng)功率因數(shù)高。直流脈沖寬度調(diào)n ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n 簡稱p w m ) 是指輸出一定周期的信號，通過調(diào)整基本周期內(nèi)的工作周期的大小來控制輸出電壓，從而調(diào)整直流電機的轉速。圖2 2 所示是脈寬調(diào)制型調(diào)速系統(tǒng)原理圖。圖中的開關s 表示脈寬調(diào)制器，調(diào)速系統(tǒng)的外加電源電壓u 。為固定的直流電壓，當開關s 閉合時，直流電流經(jīng)過s 給電動機m 供電：開關s 斷開時，直流電源供給m 的電流被切斷，m 的儲能經(jīng)二極管v d 續(xù)流，電樞兩端電壓接近為零。如果開關s 按照某一定頻率開閉而改變周期內(nèi)的接通時間時，控制脈沖寬度相應改變，從而改變了電動機兩端平均電壓，達到調(diào)速的目的。1 4第二章相關技術理論zu t圖2 _ 6 脈寬調(diào)速系統(tǒng)原理圖f i g 2 _ 6s c h e m a t i cd i a g r a mo fp w mt i m i n g由圖2 - 6 的脈沖波形，其平均電壓為u d = 【u , d t = 等u 。= 觸，式中，t 為脈工工沖周期，t 為接通時間，p 為占空比?？梢姡陔娫磚 。與p w m 波的周期t 固定的條件下，u ?？呻Sp 的改變而平滑調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)電動機的平滑調(diào)速【1 9 之1 1 。本文中就是采用p w m 脈寬調(diào)速【2 2 2 3 1 。直流電機p w m 調(diào)速系統(tǒng)有可逆和不可逆之分。其中可逆p w m 系統(tǒng)可以控制電機正反轉，在工程上有更大的應用價值?？赡鎝 w m 控制主要有三種工作模式：雙極模式、單極模式和受限單極模式。工程上常用雙極模式，雙極模式控制系統(tǒng)有t 型和h 型兩種，t 型電路結構簡單，便于實現(xiàn)電能反饋，但要求雙電源供電，且晶體管承受的反壓較高，因此只適用于小功率低壓伺服系統(tǒng)。h 型p w m 功率轉換電路只需單一電源供電，晶體管耐壓相對較低，應用較為廣泛，如圖2 7 所示。圖2 - 7 h 型雙極模式p w m 功率轉換電路f i g 2 7p w mp o w e rc o n v e r s i o nc i r c u i to fht y p eb i p o l a rm o d e ；臣北京化工大學碩士學位論文h 橋結構又稱為全橋結構 2 4 】，如圖上所示，他由兩個半橋驅動器、四個功率開關和四個續(xù)流二極管組成。利用h 橋驅動電路和p w m 控制可實現(xiàn)對直流電動機正反兩個方向的調(diào)速和伺服控制。雙極方式的特點是四橋臂對角線兩組開關分別控制，v l和v 4 為一組同時導通或關斷，v 2 和v 3 為一組，也是同時導通和關斷，在任一時刻最多只允許有一組是導通的。本文就是選用這種h 橋式控制結構作為p w m 控制方案。2 3 機器人運動控制算法機器人的運動控制，從伺服控制角度來看，主要有位置反饋控制和速度反饋控制。對于本文研究的雙輪驅動+ 一個方向輪結構的機器人，對電機控制的好壞，直接影響到機器人的運動性能。從理論上講，傳統(tǒng)的p i d 控制就能滿足控制的需要【l i 。p i d 控制由于其算法簡單、魯棒性好和可靠性高，被廣泛用于工業(yè)控制。隨著計算機技術的發(fā)展，在控制過程中，用計算機p i d 控制算法來實現(xiàn)數(shù)字p i d 控制器，可以靈活的改變p i d 參數(shù)，同時可以改變控制策略來達到控制目的。這是傳統(tǒng)的模擬p i d 控制器所無法實現(xiàn)的。數(shù)字p i d 控制算法，由于計算機控制的特點，需要對模擬p i d 算法離散化，假設采樣周期為t ，在采樣時刻t = k t ，可得數(shù)字p i d 控制算法如下：u c k t ) = k p ( e c k d + 吾喜e c ；t ，+ 孕c e c 燈，一e c 燈一t ，) ) c 2 - 。，為了書寫方便，將e ( k t ) 簡化成e ( k ) ，u ( k t ) 簡化成u ( k ) 省去t ，式( 2 1 0 ) 可簡化為：u c k ，= k ，( e c k ，+ 專喜e c i ，+ c e c k ，一e c k 一- ， c 2 - ，或ku ( k ) = k p e ( k ) + k i e ( i ) + k d ( e ( k ) - e ( k - 1 ) ) ( 2 1 2 )k 。為積分系數(shù)，k 。= k ，t t i ；k 。為微分系數(shù)，k d = k ，t d t 。只要采樣周期t足夠小，就能保證有足夠的精度。( 2 1 1 ) 以及( 2 1 2 ) 稱式為位置式p i d 算法【2 5 1 。2 4 嵌入式系統(tǒng)1 6第二章相關技術理論2 4 1 嵌入式系統(tǒng)概述所謂的“嵌入式系統(tǒng)是“嵌入式計算機系統(tǒng)”的簡稱，電氣工程師協(xié)會的一個定義是用來控制或監(jiān)視機器、裝備或工廠等大規(guī)模系統(tǒng)的設備。嵌入式系統(tǒng)主要由嵌入式處理器、相關支撐硬件、嵌入式操作系統(tǒng)及應用軟件系統(tǒng)等組成。嵌入式系統(tǒng)的設計可以分為三個階段：分析、設計和實現(xiàn)。分析階段是確定要解決的問題及需要完成的目標；設計階段主要是解決如何在給定的約束條件下完成用戶的要求：實現(xiàn)階段主要是解決如何在所選擇的硬件和軟件的基礎上進行整個軟、硬件系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作。通常，硬件和軟件的選擇包括處理器、硬件部件、操作系統(tǒng)、編程語言、軟件開發(fā)工具、硬件調(diào)試工具，軟件組件等。嵌入式系統(tǒng)開發(fā)一般包括硬件部分設計和軟件部分設計，由于嵌入式系統(tǒng)自身的特殊性，注定了它自身的資源和內(nèi)存空間都是十分有限，不可能像開發(fā)p c 軟件那樣在其上運行所有的開發(fā)工具，而且很多嵌入式系統(tǒng)都沒有像顯示器那樣的輸出設備，這些都決定了嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)應當采用一種特殊的模式：主機一目標機模式，使用交叉開發(fā)的方式進行開發(fā)。開發(fā)環(huán)境就運行在主機上，用戶所有的開發(fā)工作都在主機開發(fā)環(huán)境中進行，包括編輯源代碼、編譯、連接、下載和調(diào)試等。主機的操作系統(tǒng)是通用的w i n d o w s 或l i n u x系統(tǒng)，目標機就是嵌入式應用系統(tǒng)，它運行嵌入式實時操作系統(tǒng)。在主機上通過交叉編譯生成目標平臺上可運行的二進制文件，通過串行口或i n t e r n e t 網(wǎng)口下載到目標機。在目標機執(zhí)行時，可以把執(zhí)行結果回顯到主機上，主機還可以通過開發(fā)環(huán)境提供的調(diào)試工具對代碼進行調(diào)試。2 4 2a r m 微處理器嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心，是控制、輔助系統(tǒng)運行的硬件單元。目前流行的體系結構包括m c u 、m p u 等l o 多個系列。嵌入式處理器課分為：嵌入式微控制器( e m c u ，e m b e d d e dm i c r oc o n t r o l l e ru n i t ) 、嵌入式微處理器( e m p u ，e m b e d d e dm i c r op r o c e s s o ru n i t ) 、通信領域的嵌入式