機器人運動控制實驗設(shè)計與實現(xiàn)

宋亞男，陳永安，徐榮華，宋子寅

（廣東工業(yè)大學 自動化學院，廣東 廣州 510006）

課題組結(jié)合本科生的畢業(yè)設(shè)計進行了實驗裝置和項目的開發(fā)，此項工作讓參與實驗的學生增長了見識，提高了學習積極性，其相關(guān)的開發(fā)結(jié)果可以提供給以后的學生學習和參考，機器人運動控制系統(tǒng)實驗設(shè)計與實現(xiàn)就是其中一個。文章闡述了機器人運動控制系統(tǒng)的實驗設(shè)計目標、實現(xiàn)過程以及結(jié)果。

1 實驗設(shè)計目標

基于AVR單片機，結(jié)合機器人運動控制系統(tǒng)需求，以直流伺服電機作為被控對象，推導出其運動學模型，設(shè)計機器人的驅(qū)動和運動控制系統(tǒng)?；谠撗芯拷Y(jié)果構(gòu)建相應(yīng)實驗方案提供本科生學習使用。具體包括下面2個實驗設(shè)計目標：

（1）實現(xiàn)基于AVR單片機完成機器人運動控制系統(tǒng)中直流伺服電機速度／位置控制演示實驗，展示給學生直流伺服電機的控制原理，增強學生的動手興趣。

（2）基于AVR單片機完成機器人運動控制系統(tǒng)的半開放實驗（為了便于學習控制算法在實際系統(tǒng)中應(yīng)用，開放控制器設(shè)計部分和固化硬件電路部分），提供給學生針對機器人運動控制問題，進行改進控制算法的平臺。

2 實驗設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 廣義坐標——描述機器人的位姿

在圖1所示平面直角坐標系中，以2個驅(qū)動輪軸心連線的中點Q為機器人的參考點，其廣義坐標向量為q＝［xQ，yQ，θQ］T，其中θQ為機器人的航向角，d為2個輪子軸心之間的距離［1］。

2.2 運動學模型

機器人的運動學方程為：

圖1 機器人廣義坐標

其中：r為驅(qū)動輪半徑，ωL、ωR分別為左右驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速。

設(shè)機器人的線速度為vQ，角速度為ωQ，轉(zhuǎn)彎半徑為R，則：

2.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和硬件電路

課題組自行設(shè)計和制作了機器人系統(tǒng)［2－12］，實物圖見圖2，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖3，硬件電路圖見圖4。

圖2 機器人系統(tǒng)實物圖

圖3 機器人系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

圖4 機器人系統(tǒng)硬件電路圖

2.4 機器人運動控制器設(shè)計

這里主要采用基于PID算法，因為實驗設(shè)計不同，控制器開放程度不一樣，詳見下面兩節(jié)。

2.5 機器人運動控制演示實驗設(shè)計與實現(xiàn)

2.5.1 實驗目的

認識直流伺服電機控制器，熟悉直流伺服電機控制器命令系統(tǒng)，培養(yǎng)控制器設(shè)計的思想和興趣。

2.5.2 伺服控制使用介紹

伺服系統(tǒng)結(jié)見圖5。命令系統(tǒng)如下：

其中，“＜＞”表示必須輸入項，“［］”表示可選輸入項，“CR”是回車。

M 命令：M＜0｜1｜2｜3＞＜CR＞

圖5 伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

用于切換伺服控制模式，切換后位置寄存器、子命令寄存器清零。

E命令：E＜0｜1｜2＞＜CR＞

此命令選擇是否回送輸入的字符，0為禁止，1為開啟，2為不回送任何字符。

P命令：P＜參數(shù)號＞ ［參數(shù)值］＜CR＞

更改或查看伺服參數(shù)，參數(shù)號與參數(shù)值用空格隔開。參數(shù)設(shè)置詳解見文獻［2］。

W命令：W＜EEPROM區(qū)域＞＜CR＞

把伺服參數(shù)保存到EEPROM相應(yīng)的區(qū)域，可以是0，1，2，3，4等。

R命令：R＜EEPROM區(qū)域＞＜CR＞

從EEPROM相應(yīng)區(qū)域加載伺服參數(shù)。系統(tǒng)復位時，自動加載0區(qū)域的參數(shù)。

L命令：L＜CR＞

以十進制字符串的格式反饋位置計數(shù)器的值。

S命令：SL／SR／SB［數(shù)值］＜CR＞

設(shè)置子命令寄存器的值，在模式3下無效。模式0時，控制輸出電壓，輸入－255到＋255，電壓輸出為－Vs到＋Vs；模式1時，控制輸出力矩，若電機堵轉(zhuǎn)，輸入－255到＋255，電壓輸出為－Vs到＋Vs；模式1時，控制電機轉(zhuǎn)速，輸入值按以下公式設(shè)置：

其中ω為電機轉(zhuǎn)速，單位是r／min；P1為速度環(huán)反饋增益；ER是編碼器分辨率，單位為ppr（單相脈沖數(shù)／轉(zhuǎn)）；fs為伺服控制頻率。

L、R、B分別表示左電機、右電機和2個電機（下同）。

J命令：JL／JR／JB［數(shù)值］＜CR＞

設(shè)置位置寄存器的值，只在模式3下有效。位置寄存器是24位有符號整數(shù)。模式3下，控制電機旋轉(zhuǎn)到位置寄存器指向的位置，即保持位置計數(shù)器與位置寄存器的數(shù)值相等。例如，要使電機旋轉(zhuǎn)一圈，輸入值按以下公式計算：

其中L為位置計數(shù)器的值。

此外，“？＜CR＞”顯示幫助信息，“＊＜CR＞”可使直流伺服電機控制器反饋速度信號1次，“＆＜CR＞”返回伺服模式代號，“#＜CR＞”返回位置計數(shù)器的值1次，“$1＜CR＞”以200Hz連續(xù)反饋速度，“$2＜CR＞”以200Hz連續(xù)反饋位置計數(shù)器的值，“$0＜CR＞”關(guān)閉反饋。

2.5.3 實驗內(nèi)容和實驗步驟

（1）設(shè)置伺服參數(shù)。用串口把PC機與伺服電機控制器連接；打開超級終端，連接對應(yīng)串口，波特率設(shè)為38 400bit／s，無校驗；輸入E1＜CR＞使直流伺服電機控制器反送字符，以便看到鍵入的字符；設(shè)置P0為200、P1為1 280、P2為512、P3為16、P4為240、P5為893。

（2）速度控制。輸入M2＜CR＞切換到速度控制模式；按（1）設(shè)置伺服參數(shù)；分別輸入SL 100＜CR＞，SR 100＜CR＞，SB 100＜CR＞；④更改輸入值，對比觀察電機速度。

（3）位置控制。輸入M3＜CR＞切換到位置控制模式；按（1）設(shè)置伺服參數(shù)；分別輸入JL 50000＜CR＞，JR 50000＜CR＞，JB 50000＜CR＞；更改輸入值，讓電機轉(zhuǎn)一圈，測試出電機編碼器的精度。

2.6 機器人運動控制半開放實驗

2.6.1 實驗目的

為了便于學習控制算法在實際系統(tǒng)中的應(yīng)用，開放機器人運動控制器設(shè)計部分和固化硬件電路部分，提供給學生針對機器人運動控制問題，進行改進控制算法的平臺。

2.6.2 實驗內(nèi)容和實驗步驟

按圖2構(gòu)建系統(tǒng)：連接串口，給直流伺服電機控制器上電。打開VC解決方案Car＿Control.sln。

（1）前進后退。

① 重新創(chuàng)建main.c文件，并編寫主函數(shù)main（），包含頭文件Car＿Control.h；

② 在主函數(shù)中一次調(diào)用InitUart1，InitSMC，完成串口和直流伺服電機控制器的初始化；

③ 調(diào)用GoLine，實現(xiàn)前進和后退。

（2）旋轉(zhuǎn)運動控制程序。

① 重新創(chuàng)建main.c文件，并編寫主函數(shù)main（），包含頭文件Car＿Control.h；

② 在主函數(shù)中一次調(diào)用InitUart1，InitSMC，完成串口和直流伺服電機控制器的初始化；

③ 調(diào)用GoArc，實現(xiàn)原地旋轉(zhuǎn)和圓弧運動。

（3）添加控制算法。

在上述2個實驗中添加代碼，實現(xiàn)平穩(wěn)啟動和停車。算法自行設(shè)計。

3 結(jié)束語

目前，機器人運動控制系統(tǒng)實驗設(shè)計與實現(xiàn)在相關(guān)基金項目的資助下正準備引入本科實驗教學中，已經(jīng)經(jīng)過部分學生和教師的試運行，受到好評。實踐表明：這種引導本科畢業(yè)設(shè)計學生參與實驗室建設(shè)方式，在實驗設(shè)備緊張的情況下，既能讓學生有機會參與具體實踐，同時學生的優(yōu)秀設(shè)計又可以服務(wù)于實驗室建設(shè)，為后屆學生提供參考和開設(shè)新的實驗項目，使實驗資源得到充分利用。

感謝：機器人運動控制系統(tǒng)實驗設(shè)計與實現(xiàn)是基于學生陳永安的本科畢業(yè)設(shè)計工作完成的，特此表示感謝。

（References）

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［2］陳永安.召喚式撿球機器人的運動控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［D］.廣州：廣東工業(yè)大學，2011.

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