一種雙軸輪室內(nèi)服務(wù)機(jī)器人小車伺服控制系統(tǒng)

李碩明，陳　越，2，吳雄英

(1.中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院，中國 中山　528404；2.華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院，中國 廣州　510641；3. 艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司，中國 深圳　518057)

?

一種雙軸輪室內(nèi)服務(wù)機(jī)器人小車伺服控制系統(tǒng)

李碩明1，陳越1，2，吳雄英3*

(1.中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院，中國 中山528404；2.華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院，中國 廣州510641；3. 艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司，中國 深圳518057)

摘要基于32位ARM7微型處理器LPC2119開發(fā)移動機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)，設(shè)計了適應(yīng)于雙軸獨(dú)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(jī)伺服系統(tǒng)．系統(tǒng)方案在自主設(shè)計的室內(nèi)移動機(jī)器人小車XMU-3上進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果能達(dá)到室內(nèi)服務(wù)機(jī)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

一直以來, 移動機(jī)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(jī)器人技術(shù)已經(jīng)成為計算機(jī)、自動化以及人工智能等交叉領(lǐng)域的一個研究熱點(diǎn)．輪式移動機(jī)器人具備相對簡單的機(jī)械結(jié)構(gòu)，靈活的運(yùn)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(yuǎn)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[3-4]．伺服系統(tǒng)位于移動機(jī)器人控制系統(tǒng)的底層，直接負(fù)責(zé)驅(qū)動電機(jī)、采集傳感器信息和人機(jī)交互[5]，是整個輪式移動機(jī)器人研發(fā)的核心部分之一，在理論研究和工程實(shí)踐方面都有重要意義[6-7]．

由服務(wù)機(jī)器人代替人力完成家務(wù)勞動，將是一項(xiàng)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(jī)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(jī)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．

1XMU-3移動小車方案

室內(nèi)自主移動機(jī)器人小車XMU-3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(jī)分別控制．直流電機(jī)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(shí)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(jī)的電流供給可以控制驅(qū)動輪之間的相對轉(zhuǎn)速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)小車的運(yùn)動控制．當(dāng)兩個電機(jī)以同轉(zhuǎn)速同方向運(yùn)動時能實(shí)現(xiàn)小車的直線運(yùn)動，當(dāng)方向相反轉(zhuǎn)動時能使車體繞兩輪軸線中點(diǎn)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(jī)器人平臺來說基座設(shè)計成圓形便于鎖定目標(biāo)．

圖1　輪式移動機(jī)器人小車底盤結(jié)構(gòu)圖Fig.1　Chassis structure of wheel styled mobile robot vehicle

1.1小車移動能力模型

圖2　小車移動受力分析圖Fig.2　Force analysis of mobile vehicle movement

機(jī)器人小車在運(yùn)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(jī)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(jī)器人移動受到的來自重力的阻力．機(jī)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(jī)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．XMU-3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(jī)選型分析

擬定小車總質(zhì)量為m=8kg，啟動時為靜摩擦，摩擦系數(shù)取μ=0.4；行進(jìn)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=0.074m，則r=0.037m；并假設(shè)額定速度v=0.4m/s．

啟動時：f=mgμ=8×9.8×0.4=31.36 (N)，

T=fr=31.36×0.037=1.160 (N·M)，

行進(jìn)中：f=mgμ=8×9.8×0.01=0.784 (N)，

T=fr=0.784×0.037=0.029 (N·M)，

P=fv=0.784×0.4=0.313 6 (W)，

ω=v/r=0.3/0.037=8.11 (rad/s).

電機(jī)經(jīng)減速器后輸出的額定轉(zhuǎn)速應(yīng)為：

Vm=60Vr/(D.π)=60×0.3/(0.074×π)=77.47(r/min).

直流伺服電機(jī)能實(shí)現(xiàn)大范圍無級調(diào)速，同時能方便的實(shí)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(jī)為對象設(shè)計伺服系統(tǒng)．據(jù)受力分析計算，直流電機(jī)TG-38126200-60K額定轉(zhuǎn)速≥91.3(r/min)，可以滿足設(shè)計要求．

2電機(jī)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計及實(shí)現(xiàn)

輪式移動機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)動的控制，通過程序控制為電機(jī)提供特定大小的電流來獲得電機(jī)特定的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而對輪式移動小車行進(jìn)速度和方位的控制．因此高精度的控制移動機(jī)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(jī)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)．

圖3　伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖Fig.3　Structure block diagram of server system

2.1伺服控制系統(tǒng)設(shè)計

圖4　數(shù)字伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4　Diagram of digital server control system

一個伺服系統(tǒng)通常由伺服電機(jī)、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(jī)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(jī)作為系統(tǒng)控制對象，選用位置反饋進(jìn)行調(diào)速，合理選擇主控芯片、測速方式并對電路進(jìn)行設(shè)計，以光電編碼元件作為反饋來構(gòu)成閉環(huán)電機(jī)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(jī)運(yùn)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(jī)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(jī)，PWM6、P12、P13引腳控制右輪電機(jī)，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(jī)的轉(zhuǎn)速，即改變機(jī)器人的移動速度．

2.3PWM調(diào)速信號的產(chǎn)生

PWM(Pulse-Width Modulation脈寬調(diào)制)技術(shù)是直流電機(jī)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(diǎn)．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(yùn)行時的噪聲后，取11 kHz為脈沖切換頻率，系統(tǒng)電路如圖5．

圖5　電機(jī)驅(qū)動電路圖Fig.5　Motor driver circuit

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(shí)現(xiàn)反饋閉環(huán)控制，采用數(shù)字控制算法完成電機(jī)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(jī)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．

圖6　閉環(huán)控制轉(zhuǎn)換電路Fig.6　Closed loop control transformation circuit

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(jī)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TLP512-2光電轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)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(shí)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(jī)

在數(shù)字控制系統(tǒng)上實(shí)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

(2)

式(2)式中，e(t)為偏差值，因此PI控制算法的離散型表達(dá)式為

(3)

式(3)化簡可得

(4)

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(jī)器人電機(jī)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(jī)的閉環(huán)控制過程．

3.1PI控制算法實(shí)現(xiàn)

在同軸輪式移動機(jī)器人運(yùn)動控制中，要求同時對兩個后輪獨(dú)立驅(qū)動的電機(jī)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(jī)同向同速運(yùn)動時使得機(jī)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(shí)現(xiàn)小車的轉(zhuǎn)向控制．偽代碼如下：

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

PVRT=ReadRightSpeed ( ) //讀右輪電機(jī)速度反饋值；

Isum=Isum + (PVLT -PVRT ) //積分項(xiàng)；

LeftErr=SP-PVLT//左輪電機(jī)偏差值；

RightErr=SP-PVRT //右輪電機(jī)偏差值；

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

CVRight=Kp* RightErr+Ki* Isum//右輪電機(jī)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(jī)器人小車運(yùn)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(shí)現(xiàn)對機(jī)器人小車運(yùn)動狀態(tài)的控制，其控制規(guī)律如表1所示，幾種運(yùn)動狀態(tài)的自由組合可以實(shí)現(xiàn)小車原地零半徑轉(zhuǎn)彎，增加轉(zhuǎn)向精度和反映速度．

表1　小車控制規(guī)律表

3.3左右輪電機(jī)最高轉(zhuǎn)速分析

根據(jù)CVLeft值分別設(shè)置左右輪電機(jī)PWM占空比，實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)速閉環(huán)控制，其中80.91 r/min和77.66 r/min為占空比100%即最高電壓下的左右輪電機(jī)轉(zhuǎn)速．根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(bǔ)償左右輪電機(jī)本身參數(shù)和安裝精度等的誤差．

表2　最高電壓下轉(zhuǎn)20圈時間

左輪轉(zhuǎn)速V=(60/7.416)×20≈80.91(r/min)，右輪轉(zhuǎn)速V=(60/7.726)×20≈77.66(r/min).

實(shí)驗(yàn)表明該XMU-3平臺可以實(shí)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(dá)到±5度，最高行進(jìn)速度達(dá)到77.66 r/min，約合每分鐘行進(jìn)240 m，并可實(shí)現(xiàn)和ARM節(jié)點(diǎn)和遠(yuǎn)程PC節(jié)點(diǎn)的實(shí)時CAN通信．

4結(jié)論

本文設(shè)計了一項(xiàng)自主移動機(jī)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(jī)器人運(yùn)動學(xué)模型，并實(shí)現(xiàn)了零半徑自轉(zhuǎn)及平面內(nèi)的全向轉(zhuǎn)動．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明雙軸輪旋轉(zhuǎn)控制方案能保證電機(jī)轉(zhuǎn)動的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，具有較強(qiáng)的魯棒性，可作為室內(nèi)服務(wù)機(jī)器人平臺進(jìn)行深度開發(fā)．

參考文獻(xiàn)：

[1]葉長龍,馬書根，回麗，等. 一種全方位移動機(jī)器人[J].中國科學(xué)，2011，41(2):181-189.

[2]楊敏. 輪式移動機(jī)器人控制算法研究及其伺服系統(tǒng)設(shè)計[D].南京： 南京航空航天大學(xué)，2014.

[3]王珊珊. 輪式移動機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計[D].南京：南京理工大學(xué)，2013.

[4]劉磊，向平，王永驥，等. 非完整約束下的輪式移動機(jī)器人軌跡跟蹤[J]. 清華大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2007，S2(2):1884-1889.

[5]宋廣鋼，李文鋒，宋威，等. 基于 ARM9 微處理器的移動機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計[J].微計算機(jī)信息, 2010,26(2):146-149.

[6]KOEI M. Trajectory tracking control of mobile robots without using longitudinal velocity measurements [J].Art Life Robot, 2009，14(14):352-356.

[7]CHANG W C. Visual navigation and control of mobile robots based on environment mapping[C]//International Conference on Advanced Mechatronic Systems (ICAMechS ), Kumamoto, Japan, 2014:469-474.

[8]MIYAZAKI T. Formation control of mobile robots with obstacle avoidance[C]//The 14th International Conference on Control, Automation & System (ICCAS), Seoul, Korea, 2014:121-126.

[9]宋廣鋼，盧博友，雷永鋒，等.基于 ARM 的智能機(jī)器人小車控制系統(tǒng)設(shè)計[J].微計算機(jī)信息,2008,24(2):239-241.

[10]JANTZ S. Final report EEL 5666[R]. Machine intelligence laboratory, University of florida,2000,25-32.

[11]BREZAK M. Time-optimal trajectory planning along predefined path for mobile robots with velocity and acceleration constraints[J]. IEEE/ASME International conference on advanced intelligent mechatronics, 2011, 30(1):942-947.

[12]ZAMAN S. ROS-based diagnostic board for detecting and repairing hardware faults in autonomous mobile robots[J]. International conference on robotics & emerging allied technologies in engineering, 2014,32(1):95-102.

(編輯CXM)

A Servo-Control System for Biaxial Wheel Indoor Service Robots

LIShuo-ming1,CHENYue1,2,WUXiong-ying3*

(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)

AbstractThis paper designs a servo-control system for mobile robots based on 32-bit ARM7 micro-processer. The approach designs PI algorithm which suits biaxial wheel mobile robots servo-control system, adopting PWM speed control and utilizing light-electronic devices for feed-backing components to set up a closed motor servo-control system. The system is tested on the self-designed XMU-3 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 wordsbiaxial wheel; servo-control system; ARM7; PI-algorithm

中圖分類號TP393

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號1000-2537(2016)02-0059-06

*通訊作者,E-mail：lishuoming@whu.edu.cn

基金項(xiàng)目：國家-廣東省自然科學(xué)基金聯(lián)合基金(U0835001)

收稿日期：2016-01-07

DOI:10.7612/j.issn.1000-2537.2016.02.010