一種雙軸輪室內(nèi)服務(wù)機器人小車伺服控制系統(tǒng)

李碩明　陳越　吳雄英

摘 要 基于32位ARM7微型處理器LPC2119開發(fā)移動機器人伺服控制系統(tǒng)，設(shè)計了適應(yīng)于雙軸獨立驅(qū)動的移動小車伺服控制PI算法，采用PWM脈寬調(diào)速技術(shù)結(jié)合光電編碼反饋來構(gòu)成閉環(huán)電機伺服系統(tǒng).系統(tǒng)方案在自主設(shè)計的室內(nèi)移動機器人小車XMU3上進行了驗證，實驗結(jié)果能達到室內(nèi)服務(wù)機器人平臺應(yīng)用的控制精度要求.

關(guān)鍵詞 雙軸輪；伺服控制系統(tǒng)；ARM7；PI算法

中圖分類號 TP393文獻標(biāo)識碼 A文章編號 10002537（2016）02005906

A ServoControl System for Biaxial Wheel Indoor Service Robots

LI Shuoming1， CHEN Yue 1，2， WU Xiongying3*

（1.School of Information Engineering， Zhongshan Polytechnic， Zhongshan 528404， China；

2.School of Information and Electronics， South China University of Technology， Guangzhou 510641， China；

3.Shenzhen Branch of Emerson Network Power Company Ltd.， Guangzhou 518057， China）

Abstract This paper designs a servocontrol system for mobile robots based on 32bit ARM7 microprocesser. The approach designs PI algorithm which suits biaxial wheel mobile robots servocontrol system， adopting PWM speed control and utilizing lightelectronic devices for feedbacking components to set up a closed motor servocontrol system. The system is tested on the selfdesigned XMU3 indoor intelligent mobile robots vehicle， which proves to be able to match the control accuracy requirements and meet the potential application platform needs of indoor service robot.

Key words biaxial wheel； servocontrol system； ARM7； PIalgorithm

一直以來， 移動機器人以其廣泛的應(yīng)用性和高技術(shù)性而備受關(guān)注[1].近年來移動機器人技術(shù)已經(jīng)成為計算機、自動化以及人工智能等交叉領(lǐng)域的一個研究熱點.輪式移動機器人具備相對簡單的機械結(jié)構(gòu)，靈活的運動，便捷的操作，較高的效率[2].不僅在工業(yè)自動化、智能交通、遠程醫(yī)療等行業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用，在智能家居、城市安全、空間探測領(lǐng)域等有害與危險場合得到很好的應(yīng)用[34].伺服系統(tǒng)位于移動機器人控制系統(tǒng)的底層，直接負(fù)責(zé)驅(qū)動電機、采集傳感器信息和人機交互[5]，是整個輪式移動機器人研發(fā)的核心部分之一，在理論研究和工程實踐方面都有重要意義[67].

由服務(wù)機器人代替人力完成家務(wù)勞動，將是一項具有良好應(yīng)用前景的高技術(shù)，特別是在21世紀(jì)中國即將步入老齡化社會，服務(wù)機器人市場前景廣闊[8].本課題研究的室內(nèi)服務(wù)自主式機器人的基礎(chǔ)應(yīng)用平臺已經(jīng)開發(fā)完成，本文的內(nèi)容對應(yīng)其雙軸輪伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計.

1 XMU3移動小車方案

室內(nèi)自主移動機器人小車XMU3采用“1+2”三輪式底盤設(shè)計，其底盤形狀如圖1所示.前輪為可以自由活動的萬向輪，兩個后輪為小車提供驅(qū)動力由兩臺直流電機分別控制.直流電機與其對應(yīng)的驅(qū)動輪采用速度或位置反饋閉環(huán)控制， 可以實現(xiàn)對小車速度和方向的控制[9].通過編程設(shè)置兩個伺服電機的電流供給可以控制驅(qū)動輪之間的相對轉(zhuǎn)速，進而實現(xiàn)小車的運動控制.當(dāng)兩個電機以同轉(zhuǎn)速同方向運動時能實現(xiàn)小車的直線運動，當(dāng)方向相反轉(zhuǎn)動時能使車體繞兩輪軸線中點自轉(zhuǎn).底盤設(shè)計上參照Scott Jantz的研究結(jié)果[10]：圓形平面能避免棱角產(chǎn)生的碰撞，對于移動機器人平臺來說基座設(shè)計成圓形便于鎖定目標(biāo).

1.1 小車移動能力模型

機器人小車在運行時要同時克服摩擦力和重力，其受力分析如圖2所示.計算這兩個力的合力，可以得到式（1）.

Fapp=+Fw， （1）

式中，F(xiàn)app為機器人移動需要的動力，表示啟動時車輪所處的滑動摩擦力， 為機器人移動受到的來自重力的阻力.機器人在水平面上移動時Fw為0.當(dāng)車輪開始轉(zhuǎn)動，此時的滾動摩擦力比啟動前的摩擦阻力要小，因此在絕大多數(shù)時間電機都是處于過功率的狀態(tài).驅(qū)動系統(tǒng)一定程度上受到驅(qū)動輪的直徑大小的影響，即當(dāng)驅(qū)動輪的直徑增大時，輸出速度對應(yīng)增大，驅(qū)動力減小，反之亦然.XMU3小車主要擬用于室內(nèi)地面移動，所以，輸出的轉(zhuǎn)矩除以驅(qū)動輪的半徑，便可以得到驅(qū)動輪的驅(qū)動力.

1.2 直流電機選型分析

擬定小車總質(zhì)量為m=8 kg，啟動時為靜摩擦，摩擦系數(shù)取μ=0.4；行進中為滾動摩擦，滾動摩阻系數(shù)取μ=0.01， 已知驅(qū)動輪外徑D=0.074 m，則r=0.037 m；并假設(shè)額定速度v=0.4 m/s.

直流伺服電機能實現(xiàn)大范圍無級調(diào)速，同時能方便的實現(xiàn)直流調(diào)速系統(tǒng)地精確控制策略，滿足室內(nèi)應(yīng)用場景對調(diào)速性能的要求 [2，11].綜合考慮到成本因素，本課題以直流電機為對象設(shè)計伺服系統(tǒng).據(jù)受力分析計算，直流電機TG3812620060K 額定轉(zhuǎn)速≥91.3（r/min），可以滿足設(shè)計要求.

2 電機伺服控制系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)

輪式移動機器人伺服控制系統(tǒng)是集電子電路、嵌入式技術(shù)、探測控制技術(shù)于一體的綜合技術(shù)，其核心是對伺服電機轉(zhuǎn)動的控制，通過程序控制為電機提供特定大小的電流來獲得電機特定的轉(zhuǎn)速，進而對輪式移動小車行進速度和方位的控制.因此高精度的控制移動機器人，必須采取精準(zhǔn)的控制策略和高性能的微處理器[12].

通常伺服系統(tǒng)中可以在驅(qū)動器前選擇性地設(shè)置幾處調(diào)節(jié)電流和反饋環(huán)路，從外向內(nèi)依次為位置調(diào)節(jié)、速度調(diào)節(jié)、電流調(diào)節(jié)以及位置反饋、速度反饋和電流反饋，其構(gòu)成如圖3所示.位置反饋信號可以從電機軸或負(fù)載上獲取出.本課題為了提高系統(tǒng)的響應(yīng)性能，剔除了電流環(huán)和速度環(huán)，只采用位置反饋的單閉環(huán)結(jié)構(gòu)，形成一種基于位置反饋的隨動伺服系統(tǒng).

2.1 伺服控制系統(tǒng)設(shè)計

一個伺服系統(tǒng)通常由伺服電機、執(zhí)行器和微處理控制器構(gòu)成.本課題設(shè)計的數(shù)字化電機伺服系統(tǒng)以中央微處理器為控制核心部件，以PWM功放電路為驅(qū)動模塊，設(shè)計選用直流伺服電機作為系統(tǒng)控制對象，選用位置反饋進行調(diào)速，合理選擇主控芯片、測速方式并對電路進行設(shè)計，以光電編碼元件作為反饋來構(gòu)成閉環(huán)電機伺服系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示.

2.2 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)給定一個模擬位置量作為伺服系統(tǒng)的輸入量，經(jīng)過包括位置調(diào)節(jié)子電路、速度調(diào)節(jié)子電路、電流調(diào)節(jié)子電路等一系列的硬件電路后輸出給功率放大器，驅(qū)動電機運動.由ARM7微型處理器（LPC2119）的PWM模塊產(chǎn)生單邊沿控制信號PWM5&6，與雙通道直流電機驅(qū)動器L298N的第6引腳、第11引腳相連，WM5、P4、P5引腳控制左輪電機，PWM6、P12、P13引腳控制右輪電機，通過設(shè)置寄存器PWMMR5&6的值可以調(diào)整PWM信號的占空比，從而改變電機的轉(zhuǎn)速，即改變機器人的移動速度.

2.3 PWM調(diào)速信號的產(chǎn)生

PWM（PulseWidth Modulation脈寬調(diào)制）技術(shù)是直流電機調(diào)速中最為有效的方法，具有功耗低、效率高、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點.本課題采用單極性控制，在反復(fù)對比10～20 kHz頻率段內(nèi)系統(tǒng)運行時的噪聲后，取11 kHz為脈沖切換頻率，系統(tǒng)電路如圖5.

2.4 基于光電編碼器的反饋閉環(huán)控制

本課題利用自制的光電編碼器實現(xiàn)反饋閉環(huán)控制，采用數(shù)字控制算法完成電機的閉環(huán)控制.在車輪的一側(cè)表面上粘貼一個自制的碼盤，該碼盤將直徑為70 mm的圓平分為64份（碼盤的直徑稍小于車輪的直徑），并成黑白相間條紋.然后將可辨別黑白色的反射式光電開關(guān)安裝在碼盤的正對位置.為了減少可見光對傳感器的影響，我們將傳感器置于電機正下方.當(dāng)碼盤上的黑白條紋交替對準(zhǔn)光電傳感器時，將產(chǎn)生開關(guān)的關(guān)斷，得到一個交替變化的開關(guān)量.然后經(jīng)過如圖6所示的一個轉(zhuǎn)換電路，將開關(guān)量變?yōu)橄鄳?yīng)的脈沖量輸入到微處理器的CAP1.2和CAP1.3引腳.

本課題所采用的光電傳感器為直流三線式，工作電壓在10～30 VDC范圍內(nèi)，檢測距離可調(diào).根據(jù)傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引出線定義，選擇工作電壓12 VDC，與直流電機電壓一致可以避免增加新的電源模塊.將光電傳感器簡化為光電開關(guān)S1、S2，考慮到隔離干擾信號，采用TLP5122光電轉(zhuǎn)換芯片進行信號轉(zhuǎn)換.其管腳定義及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示，有2個光電轉(zhuǎn)換通道，左輪開關(guān)信號連接1、2引腳，右輪開關(guān)信號連接3、4引腳，當(dāng)S1/S2閉合時1、2之間/3、4之間的發(fā)光二極管導(dǎo)通，使得7、8間/6、5間的光電三極管導(dǎo)通，這樣圖中的右邊形成回路，根據(jù)ARM7微處理器的DC操作條件，其輸入高電平范圍2.0～3.3 V，通過一個300 Ω和一個220 Ω的串連電阻分壓，在兩個電阻中間取出需要的電平信號，此時為高電平，且為2.73 V滿足電平要求.同理，當(dāng)S1/S2斷開時，1、2之間/3、4之間的發(fā)光二極管不導(dǎo)通，使得7、8間/6、5間的光電三極管不導(dǎo)通，這時在兩個電阻中間取出的電平信號為低電平.將這兩個電平信號通過P0.17、P0.18管腳輸入ARM7微處理器，通過設(shè)置寄存器PINSEL0將P0.17、P0.18管腳定義為CAP1.2、CAP1.3，從而可以利用定時器的捕獲功能.再設(shè)置捕獲控制寄存器T1CCR為CAP1.2、CAP1.3上升沿、下降沿脈沖捕獲，產(chǎn)生事件中斷，并通過數(shù)字控制算法實現(xiàn)對系統(tǒng)的閉環(huán)控制.其中產(chǎn)生的事件中斷用以完成對應(yīng)任務(wù).

3 基于PI算法在雙軸驅(qū)動電機

在數(shù)字控制系統(tǒng)上實現(xiàn)PI控制規(guī)律的編程，其理論分析如下.取T0為采樣周期可以用矩形面積求和的方法近似積分作用，即

式（4）中，Kp為比例系數(shù)，Ki為積分系數(shù).u（k）即控制回路的輸出量，也是控制對象的輸入量，通常簡寫為CV.對于機器人電機的控制回路來說，CV是決定PWM信號占空比的一個不斷變化的值.將得到的CV作為設(shè)定PWM信號占空比的參數(shù)，完成對電機的閉環(huán)控制過程.

3.1 PI控制算法實現(xiàn)

在同軸輪式移動機器人運動控制中，要求同時對兩個后輪獨立驅(qū)動的電機提供有效的伺服控制.其典型的控制包括如下兩種：當(dāng)左右兩輪電機同向同速運動時使得機器人能夠按照設(shè)計的路徑行走；設(shè)置兩輪之間特定的轉(zhuǎn)速差時可以實現(xiàn)小車的轉(zhuǎn)向控制.偽代碼如下：

Loop：PVLT=ReadLeftSpeed （ ） //讀左輪電機速度反饋值；

PVRT=ReadRightSpeed （ ） //讀右輪電機速度反饋值；

Isum=Isum + （PVLT -PVRT ） //積分項；

LeftErr=SP-PVLT//左輪電機偏差值；

RightErr=SP-PVRT //右輪電機偏差值；

CVLeft=Kp* LeftErr-Ki* Isum //左輪電機控制器輸出變量；

CVRight=Kp* RightErr+Ki* Isum//右輪電機控制器輸出變量；

SetRightPWM（CVRight） //根據(jù)CV值設(shè)置PWM信號占空比；

SetLeftPWM（CVLeft） //根據(jù)CV值設(shè)置PWM信號占空比；

Goto Loop

3.2 機器人小車運動狀態(tài)控制

根據(jù)L298N控制芯片引腳使能邏輯關(guān)系，通過設(shè)置控制芯片的方向控制信號引腳P0.4、P0.5和P0.12、P0.13實現(xiàn)對機器人小車運動狀態(tài)的控制，其控制規(guī)律如表1所示，幾種運動狀態(tài)的自由組合可以實現(xiàn)小車原地零半徑轉(zhuǎn)彎，增加轉(zhuǎn)向精度和反映速度.

3.3 左右輪電機最高轉(zhuǎn)速分析

根據(jù)CVLeft值分別設(shè)置左右輪電機PWM占空比，實現(xiàn)PWM調(diào)速閉環(huán)控制，其中80.91 r/min和7766 r/min為占空比100%即最高電壓下的左右輪電機轉(zhuǎn)速.根據(jù)實驗數(shù)據(jù)獲得最高電壓下左右輪轉(zhuǎn)速，取其數(shù)學(xué)平均值作為最高電壓轉(zhuǎn)速參數(shù)，數(shù)據(jù)如表2所示，以便在精確控制時補償左右輪電機本身參數(shù)和安裝精度等的誤差.

實驗表明該XMU3平臺可以實現(xiàn)對小車的精確伺服控制，能對小車伺服控制和零半徑自轉(zhuǎn)，平面旋轉(zhuǎn)精度達到±5度，最高行進速度達到77.66 r/min，約合每分鐘行進240 m，并可實現(xiàn)和ARM節(jié)點和遠程PC節(jié)點的實時CAN通信.

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一項自主移動機器人平臺的伺服控制方案，建立了一個差分驅(qū)動雙軸輪式移動機器人運動學(xué)模型，并實現(xiàn)了零半徑自轉(zhuǎn)及平面內(nèi)的全向轉(zhuǎn)動.實驗結(jié)果表明雙軸輪旋轉(zhuǎn)控制方案能保證電機轉(zhuǎn)動的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，具有較強的魯棒性，可作為室內(nèi)服務(wù)機器人平臺進行深度開發(fā).

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（編輯 CXM）