割草機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、割草機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 思路概述 1 常用割草導(dǎo)航方法 2 基于GPS的導(dǎo)航方法 3 如何實(shí)現(xiàn)GPS導(dǎo)航 4 割草機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 5 PID控制原理分析，參數(shù)的確定 6 PID控制的硬件實(shí)現(xiàn)與編程 基于傳感器的導(dǎo)航方法 機(jī)器人智能化避障效果的好壞主要取決于機(jī)器人 的用于感知識(shí)別外部環(huán)境的外部傳感器系統(tǒng)。 1 障礙物距離檢測(cè)傳感器 其中主要包括:紅外測(cè)距 傳感器，超聲波測(cè)距傳感器，激光測(cè)距傳感器以 及其它可見光測(cè)距傳感器等用于判斷障礙物的有 無或測(cè)取障礙物的距離,適合一般的控制用 2 視覺傳感器 本質(zhì)上即為可安裝在機(jī)器人上的一 類特殊用途的圖像處理傳感器,用于障礙物距離檢 測(cè)障礙物邊緣檢

2、測(cè)以及障礙物圖像識(shí)別等,適用于 更高一級(jí)的控制用 GPS在割草機(jī)器人中的應(yīng)用 1 GPS技術(shù)簡(jiǎn)介 2 割草機(jī)使用的定位方式 3 硬件設(shè)備 4 軟件環(huán)境 什么是GPS，怎么運(yùn)用GPS 全球定位系統(tǒng),由GPS衛(wèi)星(空間部分)地面支持系 統(tǒng)(地面監(jiān)控部分)和GPS接收機(jī)(用戶部分)組成 GPS接收機(jī)就是利用空間的GPS衛(wèi)星發(fā)送的精確 的時(shí)間和位置信息來進(jìn)行定位,該系統(tǒng)可以提供地 球上所有點(diǎn)的三維坐標(biāo)。由此可以實(shí)現(xiàn)探知草坪 邊界，草坪中障礙的定位與回避。 美國國防部利用GPS提供的導(dǎo)航數(shù)據(jù)于軍事目的, 同時(shí)也控制著該系統(tǒng). 盡管GPS系統(tǒng)主要用于軍事目的,但是它在民用等 領(lǐng)域的價(jià)值不斷得以發(fā)展,因此G

3、PS衛(wèi)星發(fā)送兩種 代碼:一種只為軍方所使用的加密PPS碼(也稱P碼), 另外一種為民用的標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)代碼SPS碼(也稱 CA/碼) GPS定位方式 GPS定位方式主要有單點(diǎn)定位方式和差分定位方 式 其中差分定位可消除影響定位精度的大部分測(cè)距 誤差。目前，單點(diǎn)定位精度可提高到20米,但差分 定位可以進(jìn)一步消除電離層對(duì)流層等帶來的誤差, 可使定位精度進(jìn)一步提高。 差分定位 通過在固定測(cè)站和流動(dòng)測(cè)站上進(jìn)行同步觀測(cè)，利 用在固定測(cè)站上所測(cè)得GPS定位誤差數(shù)據(jù)改正流 動(dòng)測(cè)站上定位結(jié)果的衛(wèi)星定位。 根據(jù)差分GPS基準(zhǔn)站發(fā)送的信息方式可將差分 GPS定位分為4類,即:位置差分,偽距差分,相位平滑 偽距差分,

4、相位差分 差分定位原理 這四類差分方式的工作原理是相同的。 即，基站接收到的GPS定位數(shù)據(jù)與自己的實(shí)際位 置數(shù)據(jù)作差分,得到誤差值,而在同一時(shí)刻被監(jiān)測(cè)的 載體所得到的GPS衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)的誤差值與基站 得到的誤差值基本相同。由基站將這個(gè)誤差值發(fā) 送到被測(cè)載體,在該載體上對(duì)它接收到的GPS位置 數(shù)據(jù)與基站發(fā)送來的誤差值作差分,得到其位置的 真實(shí)(較精確)值,再把這個(gè)真實(shí)值發(fā)送給基站。 實(shí)時(shí)偽距差分定位 除在運(yùn)動(dòng)載體上安置有接收機(jī)外,還要求在一個(gè)己 知的基準(zhǔn)點(diǎn)上安置一臺(tái)接收機(jī),在載體運(yùn)動(dòng)過程中, 兩臺(tái)接收機(jī)同時(shí)跟蹤共視GPS衛(wèi)星,在基準(zhǔn)點(diǎn)上比 較偽距觀測(cè)值和用基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算的已知值,由此 確定偽距改

5、正值,利用數(shù)據(jù)通訊將偽距改正值實(shí)時(shí) 發(fā)送至運(yùn)動(dòng)接收機(jī)進(jìn)行校正。這種方法像一般差 分法可以消除鐘差并顯著消除星歷誤差和大氣層 延遲誤差,定位精度目前可達(dá)分米級(jí),給出的頻度可 超過每秒一次C/A碼差分定位精度比單點(diǎn)動(dòng)態(tài)定 位可提高35% GPS動(dòng)態(tài)定位 動(dòng)態(tài)定位也稱運(yùn)動(dòng)定位,一般指接收機(jī)安裝在運(yùn)動(dòng) 載體（小車）上在運(yùn)動(dòng)中進(jìn)行實(shí)時(shí)或非實(shí)時(shí)(事后 處理)定位。 動(dòng)態(tài)定位是接收機(jī)載體在連續(xù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)定 位 實(shí)現(xiàn)GPS定位的硬件設(shè)備 AgGPS132 GPS接收機(jī) AS-RF型野外機(jī)器人 AgGPS132 為美國Trimble公司生產(chǎn)的12通道L波段衛(wèi)星差分 改正雙通道數(shù)字中頻信標(biāo)GPS接受機(jī)。它集成

6、Ll 頻段GPS，衛(wèi)星差分和信標(biāo)天線。其數(shù)據(jù)輸入/輸 出格式為:NMEA-0183輸出，TRCMSC104輸入。 差分位置精度為平面精度優(yōu)于1米R(shí)MS,跟蹤5顆衛(wèi) 星, 由Trimble-4000RS或同等基準(zhǔn)站發(fā)送RTCM SC-104格式差分信號(hào)。接收機(jī)采用差分定位模式 時(shí)可以達(dá)到亞米級(jí)差分定位精度 AS-RF型野外機(jī)器人 AS-RF型野外機(jī)器人為上海上海廣茂達(dá)伙伴機(jī)器人有限公 司生產(chǎn)的面向教 學(xué)，研究，比賽和訓(xùn)練的電動(dòng)履帶式移動(dòng)機(jī)器人,其外形 尺寸為770巧50 x440(長(zhǎng)x寬x高),最大負(fù)載能力為60Kg,采 用24V1200Wh鎳氫電池供電。履帶左右主驅(qū)動(dòng)輪分別采 用150W直流電

7、機(jī)驅(qū)動(dòng),驅(qū)動(dòng)控制方式為PWM控制,帶方向 和使能信號(hào),轉(zhuǎn)向方式為左右履帶差速轉(zhuǎn)向,其運(yùn)行最大速 度為.09米/秒,最大爬坡能力為50%grdae(30),越障高度 為95厘米,跨溝寬度為30厘米。 控制程序以微軟VC+6.0為平臺(tái)編制,內(nèi)建的庫函數(shù)包括 運(yùn)動(dòng)控制，網(wǎng)絡(luò)控制，基本圖象處理，語音采集，AD采 樣，測(cè)距，多路圖象采集及處理和語音識(shí)別控制程序。我 們可以調(diào)用這些庫函數(shù)來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的控制開發(fā)功能。 具體軟件實(shí)現(xiàn) 1 割草機(jī)器人相關(guān)運(yùn)行參數(shù)的確定 根據(jù)割草機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)者提出的要求,確定割草機(jī)器人 的運(yùn)行速度 2 編制GPS接收機(jī)的數(shù)據(jù)接收的VisualC+程序 AgGPS132通過串口輸出NM

8、EA一0183格式的數(shù) 據(jù)信號(hào),利用visualC+編制GPS接收機(jī)的數(shù)據(jù)接 收的程序并且實(shí)現(xiàn)與Access數(shù)據(jù)庫鏈接儲(chǔ)存定位 數(shù)據(jù) 3 建立GPS誤差模型 利用AgGPs132型接收機(jī)采集試驗(yàn)地點(diǎn)定點(diǎn)靜態(tài)定 位數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,建立GPS誤差模型 4 確定地塊試驗(yàn)的路徑 5 建立GPS卡爾曼濾波模型 割草機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)控制 主要包括對(duì)割草機(jī)器人的控制變量v和的控制 即割草機(jī)器人直線行駛v，原地轉(zhuǎn)向 電機(jī)將軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)輸入到齒輪箱,然后齒輪箱的 輸出軸控制輪子轉(zhuǎn)動(dòng),從而驅(qū)動(dòng)整個(gè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng) 機(jī)器人的轉(zhuǎn)向通過左右履帶的差速運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn) 同時(shí)每個(gè)電機(jī)帶有一個(gè)光電編碼器, 兩個(gè)電機(jī)分別 由兩個(gè)

9、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng) 光電編碼器和電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器分別接入運(yùn)動(dòng)控制卡 運(yùn)動(dòng)控制卡輸出信號(hào)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,同時(shí)可以讀取 光電編碼器的反饋值,實(shí)現(xiàn)各種閉環(huán)控制 4 PID控制原理分析 PID，就是對(duì)輸入偏差進(jìn)行比例積分微分運(yùn)算， 運(yùn)算的疊加結(jié)果去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 P 比例環(huán)節(jié) I 積分環(huán)節(jié) D 微分環(huán)節(jié) PID的參數(shù)的確定 比例環(huán)節(jié) KP 積分環(huán)節(jié) KI 微分環(huán)節(jié) KD （1）對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能 影響：Kp加大，將使系統(tǒng) 響應(yīng)速度加快，Kp偏大時(shí) ，系統(tǒng)振蕩次數(shù)增多，調(diào) 節(jié)時(shí)間加長(zhǎng)；Kp太小又 會(huì)使系統(tǒng)的響應(yīng)速度緩慢 。Kp的選擇以輸出響應(yīng)產(chǎn) 生4:1衰減過程為宜。 （2）對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能影響：在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提

10、下，加大Kp可以減少穩(wěn)態(tài)誤差，但不能消除穩(wěn)態(tài)誤差 。因此Kp的整定主要依據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。 由圖中可以看出，系統(tǒng)響應(yīng)較快 ，滿足系統(tǒng)的要求，但是穩(wěn)態(tài)誤 差較大，需要引入積分環(huán)節(jié)，進(jìn) 行PI調(diào)節(jié)。 2 4 ( ) 1.5 4 Gs ss 積分控制通常和比例控制 或比例微分控制聯(lián)合作用 ，構(gòu)成PI控制或PID控制。 （1）對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能影 響：對(duì)于合適的 值 ，可以減小系統(tǒng)的超調(diào)量 ，提高了穩(wěn)定性，引入積 分環(huán)節(jié)的代價(jià)是降低系統(tǒng) 的快速性。 （2）對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能影響： 積分控制有助于消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài) 誤差，提高系統(tǒng)的控制精度， 但若 太大，系統(tǒng)可能會(huì)產(chǎn)生 震蕩，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 I K I K

11、由圖可以看出， 系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤 差已經(jīng)達(dá)到要 求，但是系統(tǒng) 的超調(diào)量較大， 震蕩次數(shù)較多， 調(diào)整時(shí)間較長(zhǎng)， 需要引入微分 環(huán)節(jié)，進(jìn)行PID 調(diào)節(jié) （1）對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能影 響：微分系數(shù) 的增加即微 分作用的增加可以改善系 統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，如減少超 調(diào)量，縮短調(diào)節(jié)時(shí)間等。 適當(dāng)加大比例控制，可以 減少穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制 精度。但 值偏大或偏小 都會(huì)適得其反。另外微分 作用有可能放大系統(tǒng)的噪 聲，降低系統(tǒng)的抗干擾能 力。 （2）對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能影響： 微分環(huán)節(jié)的加入，可以在誤差 出現(xiàn)或變化瞬間，按偏差變化 的趨向進(jìn)行控制。它引進(jìn)一個(gè) 早期的修正作用，有助于增加 系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 D K D K 由圖可以

12、看出，系統(tǒng)的超 調(diào)量小于2，調(diào)整時(shí)間小 于0.2s,穩(wěn)態(tài)誤差小于誤差小于5， 很好的滿足很好的滿足了系統(tǒng)的要求 整定方法臨界比例度法 步驟：步驟：（1）先去除PID控制器中的積分與微分作用，取比 例增益KC較小值，并投入閉環(huán)運(yùn)行； （2）將KC由小到大變化，對(duì)應(yīng)于某一KC值作小幅度的 設(shè)定值階躍響應(yīng)，直至產(chǎn)生等幅振蕩； （3）設(shè)等幅振蕩時(shí)振蕩周期為Tcr、控制器增益Kcr ，再 根據(jù)控制器類型選擇以下PID參數(shù)。 控制規(guī)律KcTiTd P0.5Kcr PI0.45Kcr0.83Tcr PID0.6Kcr0.5Tcr0.12Tcr 傳統(tǒng)的PID經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)大體分為以下幾步： 1 關(guān)閉控制器的I和D元件，加大P元件，使產(chǎn) 生振蕩。 2 減小P，使系統(tǒng)找到臨界振蕩點(diǎn)。 3 加大I， 使系統(tǒng)達(dá)到設(shè)定值。 4 重新上電，觀察超調(diào)、振蕩和穩(wěn)定時(shí)間是否 符合系統(tǒng)要求。 5 針對(duì)超調(diào)和振蕩的情況適當(dāng)增加微分項(xiàng)。 硬件實(shí)現(xiàn) 硬件類型 PLC PLC型號(hào) 三菱FX2N 特點(diǎn)豐富的軟元件應(yīng)用指令：簡(jiǎn)單指令、高速處 理指令、輸入過濾常數(shù)可變，中斷輸入處理，直 接輸出等。便利指令數(shù)字開關(guān)的數(shù)據(jù)讀取，數(shù)據(jù) 處理、數(shù)據(jù)檢索、數(shù)據(jù)排列、三角函數(shù)運(yùn)算、平 方根、浮點(diǎn)小數(shù)運(yùn)算等。特殊用途、脈沖輸出， 脈寬調(diào)制，PID控制指令等 PID的實(shí)際應(yīng)用 PID控制器的參數(shù)必須根據(jù)工程問題的具體要求來考 慮。在工