一種移動機器人無線實時反饋控制系統(tǒng)的實現(xiàn)-設計應用

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隨著計算機技術和人工智能技術的飛速發(fā)展，使機器人在功能和技術層次上有了很大的提高，移動機器人和機器人的視覺和觸覺等技術就是典型的代表。由于這些技術的發(fā)展，推動了機器人概念的延伸。80年代，將具有感覺、思考、決策和動作能力的系統(tǒng)稱為智能機器人，這是一個概括的、含義廣泛的概念。這一概念不但指導了機器人技術的研究和應用，而且又賦予了機器人技術向深廣發(fā)展的巨大空間，水下機器人、空間機器人、空中機器人、地面機器人、微小型機器人等各種用途的機器人相繼問世，許多夢想成為了現(xiàn)實。將機器人的技術（如傳感技術、智能技術、控制技術等）擴散和滲透到各個領域形成了各式各樣的新機器——機器人化機器。本文研究的重點是無線反饋控制系統(tǒng)的設計，通過PC機、無線通信模塊和機器人構成的反饋系統(tǒng)，成功地實現(xiàn)了PC機對機器人的無線實時反饋控制[1-2]。

1機器人平臺

本實驗所采用的移動機器人是上海廣茂達公司生產(chǎn)的AS-U32能力風暴機器人，該機器人是AS-UⅡ的升級版，主要升級部件是微控制器，AS-UⅡ使用的是Motorola公司的單片機68HC11，而AS-U32使用的是飛利浦公司的RAM7LPC2103，這使得機器人有更強大的處理功能。AS-U32有如下特點：

（1）自主輪式移動機器人，是一個對外界環(huán)境高度開放的智能系統(tǒng)。它采用左右兩輪驅(qū)動，前后兩輪隨動。驅(qū)動方式采用的是差動驅(qū)動方式，即2個有差異的或獨立的運動合成為1個運動。當把2個電機的運動合成為1個運動時，則為差動驅(qū)動。如讓機器人走直線，左右兩個輪的速度必須相等；讓機器人走弧線時，左右兩個輪子的速度必須不相等。

（2）機器人帶有專用的軟件開發(fā)環(huán)境，即圖形化交互式的C語言（簡稱VJC）。VJC由兩部分組成：編譯環(huán)境（包含交互式命令行編輯和調(diào)試功能）和機器人操作系統(tǒng)。VJC實現(xiàn)了C語言的一個子集，它包括控制語句（for,while,ifelse）局部變量和全局變量、數(shù)組、指針、結構體、16位和32位整數(shù)、32位浮點數(shù)。VJC的一大優(yōu)點是支持多任務程序的運行。

（3）機器人配有一定數(shù)量的傳感器，具有一定的感知周圍環(huán)境的能力。傳感器包括2支紅外發(fā)射管和1個紅外接收模塊，2個光傳感器和4個碰撞傳感器。另外，還包括旋轉角度編碼器和麥克風。紅外傳感器可以判斷前方約120°內(nèi)、距離在10～50cm范圍內(nèi)的物體；光傳感器可判斷光線的強弱；碰撞傳感器安裝在機器人外部的碰撞環(huán)上，能感受到8個方向上的碰撞；麥克風沒有方向性，能感知聲音的強弱；旋轉編碼器用來測量輪子旋轉的角度數(shù)。

（4）機器人借助LPC2103來完成數(shù)據(jù)處理。雖然該處理器具有很強大的處理功能，但用于反饋控制還是不夠的，所以必須由PC機來共同完成。機器人自帶有4針SCI總線，可為機器人的擴展帶來方便[3]。

2PC機與機器人之間的無線通信硬件平臺

2.1無線通信模塊

無線通信模塊廣泛地運用在車輛監(jiān)控、遙控、遙測、小型無線網(wǎng)絡、無線抄表、門禁系統(tǒng)、小區(qū)傳呼、工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無線標簽、身份識別、非接觸RF智能卡、小型無線數(shù)據(jù)終端、安全防火系統(tǒng)、無線遙控系統(tǒng)、生物信號采集、水文氣象監(jiān)控、機器人控制、無線232數(shù)據(jù)通信、無線485/422數(shù)據(jù)通信、數(shù)字音頻、數(shù)字圖像傳輸?shù)阮I域中。

考慮到自主式移動機器人的特點，無線通信是計算機與機器人通信較為理想的通信方式。實驗中采用的是CC1000單片射頻無線收發(fā)模塊，該模塊主要性能如下：

（1）發(fā)射功率為10mW。

（2）工作頻率在ISM頻段，無需申請點。

（3）干擾能力和誤碼率：基于FSK的調(diào)制方式，采用高效前向糾錯信道編碼技術，提高了數(shù)據(jù)抗突發(fā)干擾和隨機干擾的能力，在信道誤碼率為10~2時，可得到實際誤碼率為10.5~10.6。

（4）傳輸距離：在視距情況下，天線高度3m，可靠傳輸距離300m。

（5）多信道，多速率：無線通信模塊標準配置提供8個信道，可滿足用戶多種通信組合方式；可提供1200b/s、2400b/s、4800b/s、9600b/s等多種波特率，并且接口波特率與無線傳輸波特率一樣，以滿足客戶設備對不同波特率的需要。

（6）雙串口，3種接口方式：無線通信模塊提供2個串口、3種接口方式。COM1為TTL電平UART接口，COM2由用戶自定義為標準的RS-232/RS-485接口?？捎糜布渲贸?種不同的信道，選擇不同的接口方式以及不同的校驗方式[3]。

2.2機器人無線通信的總體設計框架

基于機器人與無線通信模塊的特點，設計的無線控制機器人的總體框架如圖1所示。

3PC機與機器人構成的反饋控制系統(tǒng)的設計

C（personalcomputer），個人計算機一詞源自于1978年IBM的部桌上型計算機型號PC，在此之前有AppleII的個人用計算機。能獨立運行、完成特定功能的個人計算機。個人計算機不需要共享其他計算機的處理、磁盤和打印機等資源也可以獨立工作。今天，個人計算機一詞則泛指所有的個人計算機、如桌上型計算機、筆記型計算機、或是兼容于IBM系統(tǒng)的個人計算機等。

本實驗PC機（上位機）所用的軟件是VC++6.0，用VC做串口通信可以有很多種方法：可以用控件MSComm，也可用Win32的API串行通信函數(shù)，本文選擇CSerialPort類進行串口通信編程（屬于Win32的API串行通信編程）。該編程方法是一個多線程的串口編程類，與MSComm控件相比，CSerialPort打包時，不需要加入其他的文件，而且函數(shù)都是開放透明的，允許進行改造。此外，不需要去理解很難掌握的數(shù)據(jù)類型[4]。有關這方面的詳細介紹可以參看參考文獻[4]。下面主要介紹反饋控制系統(tǒng)是如何設計的。

對被控對象進行開環(huán)控制達不到理想的控制效果，所以必須對機器人進行閉環(huán)控制。整個反饋控制系統(tǒng)如圖2所示。

從圖2可以看出，首先必須對被控對象進行建模，通過實驗測得機器人左右兩電機的輸入輸出之間的關系，然后通過MATLAB進行仿真得到如圖3所示的被控對象的模型圖。

從圖可以看出，機器人的左右兩輪都是非線性的特性，電機的輸入?yún)?shù)大于60時，輸出的實際速率基本飽和了。所以必須加入PID控制來克服機器人這種非線性的特性。

在連續(xù)控制系統(tǒng)中，PID控制算法的控制規(guī)律可以寫成如下的形式：

式中，u（t）為PID控制器的輸出，也稱為被控對象的控制輸入；ε（t）為偏差；Kp為比例系數(shù)；Ti為積分時間常數(shù)；Td為微分時間常數(shù)。為了在數(shù)字控制系統(tǒng)上實現(xiàn)PID控制，需將連續(xù)PID控制規(guī)律化成離散型的PID控制規(guī)律，即用差分方程表示。為此，取T0為采樣周期。由于采樣周期遠小于信號變化的周期，可以用矩陣面積求和的方法近似式（1）中的積分作用，用向后差分的方法近似微分作用，則式（1）可以化為：

式（4）稱為PID控制器遞推公式。應用（4）式計算采樣時刻k的控制器輸出u（k），可以極大地節(jié)省計算機內(nèi)存空間和計算時間，使實時控制成為可能。

許多控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構本身具有記憶功能，例如步進電機作為執(zhí)行元件，具有保持歷史位置的功能，當控制器給出1個增量信號時，執(zhí)行機構在原來位置上移動某一定位置，達到新的平衡位置。在這種情況下，需要采用增量型PID控制算法。設被控對象的控制輸入增量為Δu（k），即：

式（5）稱為增量型PID控制算法。

增量型PID與位置PID控制算法，本質(zhì)上是一樣的，僅在計算方法上有所變化。增量式算法一般用于步進電機之類的對象，但由于本文所用到的機器人的電機為非步進電機，它所輸入的控制量應為數(shù)值。所以本文采用位置式PID算法[5]。

對于PID3個參數(shù)的調(diào)節(jié)有各種不同方法，在本實驗中主要是試湊法。試湊法也要遵循一定的規(guī)律，一般來說，增大比例系數(shù)Kp，將加快系統(tǒng)響應速度，減少系統(tǒng)靜態(tài)誤差，但直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。增大積分時間常數(shù)Ti，有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但同時也加大了系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差的調(diào)節(jié)時間。微分控制作用，將改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。

目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（儀表）已經(jīng)很多，產(chǎn)品已在工程實際中得到了廣泛的應用，有各種各樣的PID控制器產(chǎn)品，各大公司均開發(fā)了具有PID參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器（intelligentregulator），其中PID控制器參數(shù)的自動調(diào)整是通過智能化調(diào)整或自校正、自適應算法來實現(xiàn)。有利用PID控制實現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實現(xiàn)PID控制功能的可編程控制器（PLC），還有可實現(xiàn)PID控制的PC系統(tǒng)等等。

在整個反饋系統(tǒng)的設計中，還有一個重要問題就是系統(tǒng)的采樣時間T，本系統(tǒng)的采樣時間不能設置得太短。由于機器人的測速是由光電編碼器來完成，而實驗中用到的碼盤條紋只有66等份，時間太短，測速不準確，同時因微分作用加強，使得速度值抖動很大。此外，機器人本身存在非線性特性，這樣就必須選擇一個合適的采樣時間。經(jīng)過實驗，當采樣時間≥0.5s時，機器人反饋回來的速度較平穩(wěn)，抖動明顯減小。整個反饋控制系統(tǒng)的程序流程圖如圖4所示。

4仿真結果分析

通過調(diào)節(jié)PID的3個參數(shù)，記錄下機器人每次輸出的速度值，然后再用MATLAB進行仿真，通過測得實際數(shù)據(jù)的仿真圖如圖5所示。

本文提出的PC機對機器人的無線實時反饋控制，在20m以內(nèi)的距離都可以實現(xiàn)，且實時性良好。對每一個采樣時間內(nèi)反饋回來的數(shù)據(jù)PC機都能及時處理，并把它送回給機器人，這樣機器人實時地接收數(shù)據(jù)、實時地接收PID校正后的運動狀態(tài)，因此機器人就可以按事先設定好的狀態(tài)行走