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            移動機器人無線實時反饋控制系統(tǒng)的設計

            作者: 時間:2010-04-12 來源:網(wǎng)絡 收藏
            技術(shù)是當今科學技術(shù)發(fā)展的前沿學科。研究領域中的一個重要分支,它集人工智能、控制理論、信息處理、圖像處理等專業(yè)技術(shù)于一體,跨計算機、自動控制、通信、機械、電子等多學科,成為當前智能機器人研究的重點之一。如何方便、快捷、廉價地控制機器人,己經(jīng)成為機器人技術(shù)的一個突出問題。在當前的控制領域中,控制技術(shù)已經(jīng)成為一種重要而便利的控制技術(shù)。美國、日本、德國以及包括中國在內(nèi)的很多國家都對機器人的控制技術(shù)這一課題進行了研究并取得了一定的成果。本文研究的重點是,通過PC機、無線通信模塊和機器人構(gòu)成的系統(tǒng),成功地實現(xiàn)了PC機對機器人的無線控制[1-2]。
            1 機器人平臺
            本實驗所采用的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RAM7 LPC2103,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, if else)局部變量和全局變量、數(shù)組、指針、結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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10~50 cm 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(zhuǎn)編碼器用來測量輪子旋轉(zhuǎn)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]。
            2 PC機與機器人之間的無線通信硬件平臺
            2.1 無線通信模塊

             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10 mW。
             (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(shù),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>3 m,可靠傳輸距離>300 m。
            (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1 200 b/s、2 400 b/s、4 800 b/s、9 600 b/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。可用硬件配置成7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框架
             基于機器人與無線通信模塊的特點,的無線控制機器人的總體框架如圖1所示。

            本文引用地址:http://www.biyoush.com/article/163152.htm


            3 PC機與機器人構(gòu)成的反饋的設計
             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。

            pid控制器相關文章:pid控制器原理



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