一例非完整約束輪式移動機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、2004年第 20卷第 2 期 2004. Vol. 20No. 2電子機(jī) 械工程 E lectro -Mechanical E ngineering一例非完整約束輪式移動機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)日柳柱，趙東標(biāo)，王明昕(南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院江蘇南京210016摘要：介紹了一例非完整約束輪式移動機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計(jì)。采用美國Cygnal公司新研制的C8051F005單片機(jī)作為機(jī)器人控制系統(tǒng)的 CPU及瑞士 MAXON公司的直流伺服電機(jī)作 為雙輪驅(qū)動單元,利用非完整約束條 件和非完整約束運(yùn)動規(guī)劃原理，研制了一例非完整約束輪式移動機(jī)器人，該機(jī)器人可跟蹤任意直線、圓弧曲線軌跡等，也可實(shí)

2、現(xiàn)原地零半徑旋轉(zhuǎn)及任意軌跡運(yùn)動。運(yùn)動自主靈活。對直線及圓弧軌跡進(jìn)行了跟蹤實(shí)驗(yàn)。關(guān)鍵詞：機(jī)器人；C8051F005;傳感器；運(yùn)算放大器中圖分類號:TP242文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B文章編號:1008-5300(2004 02-005504Desig n of a Nonholono mic Restra ined Wheeled Mobile Robot Con trol System LI U Zhu ,ZH AO Do ng 2biao ,WANG Mi ng 2xin(Mecha ni cal & elect ron ic depart ment , N anji ng U ni versi

3、ty of Aeron autics and Ast ron autics , N anji ng 210016Abstract :This papers con siders the desig n of the mecha nism &con trol system of a nonholono mic wheeled mobile robot. Selecti ng n ewly desig ned MCU chip of Cygnal C8051F005as the CPU of control system and Maxon DC servo motor of Switze

4、rla nd as driver , we desig ned a nonholono mic wheeled mobile robot bas ing on nonholono mic restra ining con diti on and nonholono mic moti on pla nning theory. It can track any kind of straight track and arc track , rotate with zero radius , and also can move along any curved path. At last , an e

5、xperime nt on follow ing a straight path and an arc path has bee n performed.K ey w ords :mobile robot ;C8051F005;sensor ;operational amplifier0引言目前,移動機(jī)器人已廣泛用于科學(xué)考察、地質(zhì)勘探、災(zāi)難營救等多個(gè)領(lǐng)域, 對人類了解地球、征服自然、探索宇宙具有重要意義。同時(shí)，也是代替人們在有 輻射、有粉塵和有毒等環(huán)境中作業(yè)必不可少的工具。移動機(jī)器人的典型行走形式有輪式、履帶式和腿足式等。輪式移動機(jī)器人系統(tǒng)是典型的非完整約束機(jī)械系 統(tǒng)1 O利用非完整約束條件和

6、非完整運(yùn)動規(guī)劃的原理，研究開發(fā)新型的具有良好的目標(biāo)軌跡跟蹤和控制 性能輪式移動機(jī)器人系統(tǒng)，在機(jī)器人領(lǐng)域下成為一個(gè) 新的 研究熱點(diǎn)。輪式機(jī)器人其實(shí)與車輛極為相似，因此對于輪式移動機(jī)器人的研究以 及無人駕駛車輛的發(fā)展都有重大的意義。通過研制一臺輪式移動機(jī)器人 AeroAcer , 對直線及圓弧等目標(biāo)軌跡進(jìn)行了跟蹤試驗(yàn)° 1機(jī)器人底盤機(jī)械結(jié)構(gòu)及其驅(qū)動根據(jù)需要，AeroAcer輪式移動機(jī)器人結(jié)構(gòu)包括：行走驅(qū)動部、軀干、手臂及 手爪°行走驅(qū)動部結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用兩輪獨(dú)立驅(qū)動的結(jié)構(gòu)，并使AeroAcer的 形心和質(zhì)心對地平面的投影落于兩個(gè)驅(qū)動輪軸線上°驅(qū)動輪分別由兩套直流伺

7、服系統(tǒng)驅(qū)動，提供需要的轉(zhuǎn)速或者力矩；前后對稱于驅(qū)動輪軸線各布置一萬向輪，可 任意移動而不會對AeroAcer產(chǎn)生阻力和約束作用,這樣,只要分別控制兩個(gè)驅(qū)動輪 的不同的速度或者力 矩，就可以使AeroAcer按照所要求的方向和速度移 動，從而 實(shí)現(xiàn)運(yùn)動規(guī)劃、穩(wěn)定以及跟蹤等控制任務(wù)°驅(qū)動輪軸線經(jīng)過底盤的形心的投影， 可實(shí)現(xiàn)零轉(zhuǎn)彎半徑，同時(shí)也使軌跡規(guī)劃及控制相對簡單°另外，驅(qū)動輪軸線過質(zhì)心的投影，可大大地 提高驅(qū)動電機(jī)的效率°內(nèi)帶減55日收稿日期:2003-08-27速齒輪的驅(qū)動電機(jī)固定在車架上，兩個(gè)驅(qū)動車輪也分別通過軸架固定在車架上。電機(jī)的輸出軸驅(qū)動車輪。連接在電機(jī)上

8、的圓光柵 在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生相位上相差 90度的脈沖信號，通過對此脈沖信號進(jìn)行檢測和運(yùn) 算,就可得到AeroAcer的位置、速度等狀態(tài)量。選用了 500線的圓光柵,即電動 機(jī)每旋轉(zhuǎn)一周輸出500個(gè)脈沖，由于采用33:1的減速齒輪，因此車輪每轉(zhuǎn)動一 周 圓光柵將輸出33 >500=16500個(gè)脈沖,具有相當(dāng)高 的精度。選擇圓光柵的目的在 于：一方面將圓光柵產(chǎn) 生的脈沖信號經(jīng)過伺服放大器內(nèi)的頻壓變換得到電機(jī)的速度用于速度反饋以形成速度閉環(huán)，同時(shí)還可以對 脈沖信號經(jīng)過計(jì)數(shù)、運(yùn)算獲得 AeroAcer的位置和速 度,簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì),節(jié)省了成本。由于直流伺服電機(jī) 具有 啟動力矩大，動態(tài)性能好，調(diào)速范

9、圍寬和控制較為簡單等一系列優(yōu)點(diǎn)2。因此在 AeroAcer中選用瑞士 MAXON公司的直流伺服電機(jī)作為驅(qū)動單元,包括帶|1直流佃服電機(jī)|直流何R電柚ILC8051F005i. . .1|何腹訛11光電編碼器21：: 傳感踴門8 |則關(guān)節(jié)電機(jī)|右椒節(jié)頤|有減速齒輪的直流電機(jī)、伺服放大器以及用作速度反 饋和檢測的圓光柵。電機(jī)可以工作在速度方式和力矩方式，可以運(yùn)行在由速度和加速度決定的四個(gè)象限，從而可以在該裝置上針對 AeroAcer的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué) 模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。其 中，伺服放大器根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn) 速或電流調(diào)整輸出到電機(jī)的電壓，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn) 速、力矩等。系統(tǒng)所使用的是ADS50/5伺服放大器。

10、軌跡跟蹤傳S器可加|111直流硼電師1直流阪馳is1創(chuàng)礎(chǔ)刪1qi111 1光 tmw 1j 1 I 1光疇曙2傳3514傳感器081圖1 機(jī)器人底盤結(jié)構(gòu)2 AeroAcer的硬件設(shè)計(jì)和功能概述2. 1 硬件設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)中CPU的選擇至關(guān)重要,經(jīng)過比較最終選擇了 Cygnal公司的C8051F005作為控制系統(tǒng)的 CPU。 C8051F005芯片具有1個(gè)8通道12位ADC ;2個(gè) 12位 DAC ; 32 個(gè) I/O 口（P0、P1、P2、P3 ; 32K B FlashROM ,2K B RAM.; 共22個(gè)中斷源,其中7個(gè)外部中斷源,均可通過交叉開關(guān)配置到 P1.0、P1. 1和P1.2上;

11、4個(gè)定時(shí)器/計(jì) 數(shù)器。這些為實(shí)時(shí)控制提供了極大方便。C8051Fxxx單片機(jī)是美國Cygnal公司新近推出 的完全集成的混合信號系統(tǒng)芯 片(SOC ,具有與8051完全兼容的CIP 251內(nèi)核。此系列單片機(jī)具有如下優(yōu) 點(diǎn)：(a芯片米用流水線指令結(jié)構(gòu)，70%指令的執(zhí)行時(shí) 間為1個(gè)或者2個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周 期，具有高達(dá)25M IPS的速度，比標(biāo)準(zhǔn)8051快20倍以上。(b J TA G調(diào)試功能：支持在線系統(tǒng)、全速、非插入調(diào)試和編程，不占用任何 片內(nèi)資源。(c可靠的安全機(jī)制：有7種復(fù)位源，并可利用J TA G 口編程加密芯片。(d強(qiáng)大的控制功能：有多達(dá)64位I/O 口線，所有的口線可以編程為弱上拉或推挽輸

12、出。更為獨(dú)特的是具有數(shù)字開關(guān)陣列(Digital Crossbar ,可以將內(nèi)部系統(tǒng) 資源定向到P0、P1和P2,即可以把定時(shí)器、 串行總線、外部中斷源、AD轉(zhuǎn)換輸入、比較器輸出定向到P0、P1和P2。(e多達(dá)22個(gè)中斷源：為實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 提供了保證3。圖2 控制框圖在設(shè)計(jì)過程中經(jīng)比較，選用了 C8051F005,控制系統(tǒng)組成見圖2。圖中伺服放大器需要-10+10V的電壓控制信號驅(qū)動電動機(jī) 以相應(yīng)的速度反轉(zhuǎn)或正 轉(zhuǎn)。而C8051F005的DAC 口輸出的電動機(jī)驅(qū)動信號 為 02. 4V的單極性電壓信號，因此須轉(zhuǎn)化為相對應(yīng) 的-10+10V雙極性驅(qū)動電壓以 滿足伺服驅(qū)動器 的需要。電路如

13、圖3所示。U11、U12為微功耗基準(zhǔn)電壓源，提供D/A轉(zhuǎn)換的參考電壓及運(yùn)算放大器比 較電壓。U9、U10是高精密運(yùn)算放大器，將CPU輸出的02. 4V的信號電壓 轉(zhuǎn) 化為-1010V的控制電壓。VREF、DAC0、DAC1為CPU的三個(gè)端口。分別 輸入?yún)⒖茧妷狠敵鰞蓚€(gè)電圖3 電動機(jī)驅(qū)動信號比較放大電路動機(jī)的驅(qū)動信號。2. 2 AeroAcer的基本功能AeroAcer可按一定的軌跡運(yùn)行,在到達(dá)目標(biāo)地點(diǎn) 后伸出手爪完成一定的動作, 可作為非完整約束兩輪驅(qū)動機(jī)器人運(yùn)動軌跡規(guī)劃研究的實(shí)驗(yàn)平臺，也可以用作A GV ,負(fù)載達(dá)10kg。通過重復(fù)編程實(shí)現(xiàn)不同的作 業(yè)。AeroAcer控制系統(tǒng)主要可以 完成以

14、下工作：(1在得到運(yùn)行指令后，C8051F005通過2個(gè)12位DAC接口控制伺服電動機(jī)運(yùn) 轉(zhuǎn)。并利用單片機(jī)內(nèi) 部的計(jì)數(shù)器1和2分別獲得光電編碼器1和2的反饋信息， 對AeroAcer的速度和位置進(jìn)行控制,按既定的 軌跡移動。當(dāng)AeroAcer運(yùn)行在軌 跡跟蹤方式下時(shí)，單片機(jī)不斷掃描軌跡跟蹤傳感器的接口 。傳感器1位于帶跟蹤 的軌跡之上,傳感器2、3、4、5如圖1所示布置,用于監(jiān)測AeroAcer是否偏離 軌跡及左偏還是右偏。以便及時(shí)調(diào)整AeroAcer的位姿。(2與此同時(shí),C8051F005將定時(shí)器3設(shè)定為定時(shí) 中斷方式,不斷對傳感器813 循環(huán)掃描。傳感器8 13為反射式光電傳感器。分別安裝

15、于AeroAcer腰部正前方 及左右側(cè)，底盤下正前方及左右側(cè)。用來監(jiān)測障礙物，采取相應(yīng)的避障措施。(3當(dāng)AeroAcer到達(dá)既定位置后，按作業(yè)要求，根據(jù)傳感器1418(編碼器的反 饋信息，驅(qū)動手臂，手爪電動機(jī)，完成相應(yīng)動作，當(dāng)抓取重物時(shí),CPU不斷掃描安 裝在手爪內(nèi)的壓力傳感器,用CPU的12位ADC對力覺傳感器的輸出采樣轉(zhuǎn)換, 以獲取壓力值。用相應(yīng)的力將不同重量的物品抓住。當(dāng)作為娛樂時(shí)，手臂和手爪 可完成簡單的預(yù)先指定的動作。3 軌跡跟蹤實(shí)驗(yàn)及其軟件設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)場地如圖4所示。在半徑4000mm的淺綠 色地板上，有16條自圓心發(fā)出 的輻射線和兩個(gè)半徑分 別為3000mm和1500mm的同心圓，均

16、為30mm寬白色 線。跟蹤試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)為：由陰影所示出發(fā)點(diǎn)沿直線 到達(dá)A點(diǎn)后沿半徑為1500mm圓 弧到B點(diǎn)，然后完成其它相應(yīng)動作REF*7 01%V5VR2310k OJ%UliLM385Z12100k 0.1%占R2410k 01%IN- OUTOS TRIM OS TRIMR22_ -41_kSFqi%6 |sWOP27AJyioR2J 10L0.f4|LMMVI2 maCKTTAJTOC-13VRZ7WX+IHR3I ioE?n%uua忸LMJHZl?IQkQl%PF iOkat%1實(shí)驗(yàn)場地示意圖圖5 程序框圖試驗(yàn)程序框圖如圖5所示。傳感器的布置如圖1中所示，傳感器1處于AeroAcer縱

17、向前進(jìn)軸線上，2、3、4、5在橫向車輪軸線上,分居縱向軸線兩側(cè) 間距大于跟蹤軌跡寬度。利用C8051F005作為CPU制作了一臺機(jī)器人,并進(jìn)行了直線及圓弧跟蹤試 驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。直線跟蹤階段其誤差最大為21mm ,在圓弧階段E*01O/3+3VU11LMJ85Z12 lOOkOJAiR24U12R23 10k 0J%U9100k 0.1%WC+12V10k 01%R3110W% 100k Q1%<-LM385Z121R2910k 0.1%z our z os你 IM NC 一 OSTRIM6 |SVL1+ I4OP27AJR21iok o 1%UtQMOS TRIM呼 OSTRI

18、M邑 ocrrfy.R27 VOC*I2VlOOkQl%10k Ql%誤差最大為30mm。該機(jī)器人既可作為一款實(shí)驗(yàn)性 機(jī)器人，也可作為研究非 完整約束移動機(jī)器人的實(shí)驗(yàn) 平臺。因?yàn)镃8051F005可編程定義I/O 口的作用,因 此控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)具有很大的柔性 。也為以后功能的擴(kuò)展提供了方便。參考文獻(xiàn)1 A Eluca , G Orolo , C Sams on. Feedback Con trol of a Non 2 holono mic car2like robot R .La boratoire d ' An alye et d 'Ar 2 chitecture de

19、s Systemes Centre National de la Recherche Sci 2 entique LAAS report 97438, 1998. 2（日 坪島茂彥, 中村修照.通用電機(jī)和控制用電機(jī)實(shí)用 手冊M .北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1985.3 潘琢金,施國君.C805仆xxx高速SOC彈片及原理及應(yīng)用M .北京:北 京航空航天大學(xué)出版社，2002.作者簡介：柳柱（1976-,男，碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)器人控制及語音識別趙東標(biāo)（1963-,教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)?機(jī)電控制及自動化王明昕（1977-,男，碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī) 器人控制及圖像識別。（上接第30頁3.

20、 1傳輸系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)主要完成投影管在生產(chǎn)過程中的傳輸，包括直線傳輸和端頭轉(zhuǎn)接兩部 分，由于投影管中的冷 液距容器頂部很近，在傳輸中冷液容易溢出，因此要求傳輸 過程中非常平穩(wěn)。通過比較，采用差速鏈傳動，此傳動工作平穩(wěn)、噪音低、磨 損小、使用壽命長,設(shè)計(jì)制造 安裝都非常方便，成本也不高，各工位可分別控制輸 送節(jié)拍。3. 2阻擋定位機(jī)構(gòu)由于在工位上需對投影管進(jìn)行清理，加液和脫泡，因此投影管到達(dá)工位后要先 停下來，然后進(jìn)行定位。采用的方式是首先將投影管在上線時(shí)就在工裝板上定位,到達(dá)工位后再把工裝板定位。在工位上，首先阻擋 機(jī)構(gòu)對工裝板初步定位，投影 管是固定在載體上的，為了減小在停止時(shí)的震動，避免冷液

21、淌出，阻擋機(jī)構(gòu)采用 帶 有液壓緩沖裝置的方式，然后再用兩個(gè)導(dǎo)柱對工裝 板精確定位，使投影管與對接的 脫泡頭、清理頭、注液頭等準(zhǔn)確銜接。脫泡頭、清理頭、注液頭的升降采用 氣缸完成，為了提高氣缸的定位精度，采用四導(dǎo)柱導(dǎo)向定 位。3. 3氣動系統(tǒng)由于氣動系統(tǒng)有清潔、快速、方便的特點(diǎn)，在本系統(tǒng)中大量地采用了氣缸， 阻擋機(jī)構(gòu)的升降，注液頭、脫泡頭的升降都是采用氣缸完成的，脫泡和清理采用 的是真空方式，真空是由真空發(fā)生器產(chǎn)生的，容器的檢漏也是采用先抽真空到一定 真空度，然后檢測真空度的 變化，整個(gè)系統(tǒng)一共應(yīng)用了幾十個(gè)氣缸。3. 4控制系統(tǒng)從前面的說明中可以看出灌裝過程中要求系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，工作可靠。由于整個(gè)灌裝系統(tǒng)檢測信號很多，有些信號必須立即處理，因此要求必須有中斷功能，且 輸入輸出點(diǎn)數(shù)較多,綜合性能成本因素,決定采用SIM ENS的PLC控制。SIMENS PLC除了具有一般 普通PLC的特點(diǎn)與功能外還具有拆裝更換