球形機(jī)器人隊(duì)列控制研究

廖小鑫 丁雅昊 葛志恒 劉琨

摘 要： 隊(duì)列控制是使機(jī)器人在某種特定的環(huán)境下維持某種指定隊(duì)形的控制技術(shù)。本文主要研究了基于NRF24L01無線射頻通信方式的球形機(jī)器人隊(duì)列控制。首先對(duì)球形機(jī)器人的特殊結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，接著研究了使機(jī)器人保持隊(duì)形的控制方式和準(zhǔn)確控制機(jī)器人行進(jìn)路線的算法，最后通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試了球形機(jī)器人隊(duì)列控制的效果。

關(guān)鍵詞： 球形機(jī)器人；隊(duì)列控制；運(yùn)動(dòng)控制

基金項(xiàng)目： 本文系廣東省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目，編號(hào)201613177022；“攀登計(jì)劃”廣東省大學(xué)生科技創(chuàng)新培育專項(xiàng)資金，編號(hào)PDJH2017B0900。

1.項(xiàng)目背景

對(duì)于探索多種資源的任務(wù)而言，一個(gè)機(jī)器人往往很難獨(dú)立完成任務(wù)。此時(shí)多個(gè)機(jī)器人之間的協(xié)作會(huì)大大提高完成探索任務(wù)的可能性和效率。其中，最簡(jiǎn)單的協(xié)作隊(duì)形就是隊(duì)列控制，機(jī)器人之間沒有任何的物理上的連接。機(jī)器人隊(duì)列控制可以應(yīng)用到很多領(lǐng)域：安全巡邏、搜救、空間探測(cè)、軍事偵察、農(nóng)業(yè)澆灌等。多機(jī)器人隊(duì)列控制有著一個(gè)機(jī)器人所沒有的優(yōu)勢(shì)。例如，在空間探測(cè)中，如果只是使用一個(gè)機(jī)器人，當(dāng)遇到某種障礙時(shí)，就會(huì)有很大的風(fēng)險(xiǎn)與機(jī)器人失去聯(lián)系。但是，一群具有相同功能模塊的機(jī)器人通過某種方式相互連接，就可以構(gòu)成比單個(gè)機(jī)器人更強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)、感知和作業(yè)能力的集合體機(jī)器人[1]。

當(dāng)處于復(fù)雜多變的環(huán)境時(shí)，傳統(tǒng)的腿式、輪式、履帶式機(jī)器人由于自身結(jié)構(gòu)的不足，在一些復(fù)雜地形難以發(fā)揮其作用。而球形機(jī)器人的結(jié)構(gòu)類似不倒翁，在與障礙物發(fā)生碰撞后能夠迅速恢復(fù)平衡，很好地適應(yīng)復(fù)雜地形。

本文研究了基于NRF24L01無線射頻通信的球形機(jī)器人隊(duì)列控制，首先研究了基于NRF24L01無線射頻通信方式的一對(duì)多控制隊(duì)列技術(shù)，根據(jù)球形機(jī)器人的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了基于NRF24L01的精確控制機(jī)器人行進(jìn)的算法。實(shí)驗(yàn)構(gòu)造了由兩個(gè)球形機(jī)器人組成的隊(duì)列，并通過直線行進(jìn)實(shí)驗(yàn)研究測(cè)試了該隊(duì)列的實(shí)際控制效果。

2.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)架

以PC機(jī)、單片機(jī)和無線通信模塊為上位機(jī)，各個(gè)機(jī)器人與無線通信模塊為下位機(jī)，構(gòu)成通信系統(tǒng)（如圖1所示）。

2.2 通信模塊選用

現(xiàn)在流行的通信模塊有藍(lán)牙、WiFi、Zigbee，NRF24L01等，綜合考慮通信距離、功耗、成本以及功能實(shí)現(xiàn)，本實(shí)驗(yàn)選擇NRF24L01通信模塊。NRF24L01無線通信模塊是在2.4G到2.5G之間的頻道上通信，一共有125個(gè)頻道，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)NRF24L01之間的通信需要配置相同的頻道、地址和每次發(fā)送的字節(jié)數(shù)。本文研究“一主機(jī)多從機(jī)”的控制模式，通過跳頻通信的方式實(shí)現(xiàn)同步穩(wěn)定控制。

2.3 通信控制方式

在控制端，PC通過單片機(jī)連接一個(gè)無線通信模塊，用于發(fā)送指令；在接收端，多個(gè)機(jī)器人分別配置了多個(gè)無線通信模塊，用于接受指令球形機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與硬件系統(tǒng)

3.1 結(jié)構(gòu)選擇

機(jī)器人結(jié)構(gòu)多樣，常見的有履帶式、輪式、腿式機(jī)器人。在復(fù)雜地形環(huán)境下，由于其自身結(jié)構(gòu)的不足，在相較于球形機(jī)器人，恢復(fù)平衡的能力較差。因此，本文是選擇球形為機(jī)器人的外形結(jié)構(gòu)。

綜合考慮球形機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特性和運(yùn)動(dòng)特性，通過SolidWorks設(shè)計(jì)了其三維模型。

3.2 硬件系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)構(gòu)造了兩個(gè)球形機(jī)器人，每個(gè)機(jī)器人尺寸為，控制器采用8位AVR微控制器，它產(chǎn)生的PWM信號(hào)可以通過L298N驅(qū)動(dòng)板傳至TTM1直流減速電機(jī)。

3.隊(duì)列控制軟件算法

程序設(shè)計(jì)包含了三個(gè)模塊。第一個(gè)是通信模塊，是基于NRF24L01的通信協(xié)議的設(shè)置。第二個(gè)是運(yùn)動(dòng)控制模塊，分別設(shè)定了球形機(jī)器人朝各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的不同速度參數(shù)。第三個(gè)是閉環(huán)反饋模塊，通過編碼器返回的實(shí)際值，在與設(shè)定值比較后，反饋信號(hào)使機(jī)器人調(diào)整運(yùn)動(dòng)速度和姿態(tài)。

4.隊(duì)列精確控制

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人行進(jìn)路徑的準(zhǔn)確控制，構(gòu)建了減速電機(jī)PID控制系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)由AB相增量式霍爾編碼器和單片機(jī)構(gòu)成。

5.實(shí)驗(yàn)

5.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)構(gòu)造了由兩個(gè)球形機(jī)器人組成的隊(duì)列控制系統(tǒng)，進(jìn)行了同步跟隨實(shí)驗(yàn)。兩個(gè)球形機(jī)器人相距一定距離并列擺放，后方機(jī)器人跟隨前方機(jī)器人以一定速度前進(jìn)，并保持相同距離。在實(shí)驗(yàn)中，兩個(gè)球形機(jī)器人在接收到主機(jī)傳來的指令后，同時(shí)向前加速行進(jìn)，當(dāng)速度達(dá)到指定速度后保持勻速運(yùn)動(dòng)?；魻柧幋a器與單片機(jī)構(gòu)成的PID閉環(huán)控制系統(tǒng)會(huì)對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，使兩個(gè)機(jī)器人之間保持相同距離勻速前進(jìn)。

5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在兩個(gè)球形機(jī)器人速度到達(dá)穩(wěn)定時(shí)，分別記錄機(jī)器人左右輪脈沖頻率和機(jī)器人之間的相距距離。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在存在干擾因素的環(huán)境中，兩個(gè)球形機(jī)器人構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)能夠以較穩(wěn)定的速度保持一定距離向前運(yùn)動(dòng)。因此，本文所研究的球形機(jī)器人隊(duì)列控制系統(tǒng)是有成效的。

6.結(jié)論

本文研究了基于NRF24L01無線射頻通信方式的球形機(jī)器人隊(duì)列控制，利用無線射頻通信模塊設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了PID閉環(huán)控制的球形機(jī)器人隊(duì)列系統(tǒng)，獲得了較為精確的球形機(jī)器人隊(duì)列控制。

參考文獻(xiàn)

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