移動機(jī)器人無線實(shí)時反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計

?機(jī)器人技術(shù)是當(dāng)今科學(xué)技術(shù)發(fā)展的前沿學(xué)科。移動機(jī)器人是機(jī)器人研究領(lǐng)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(jī)、自動控制、通信、機(jī)械、電子等多學(xué)科，成為當(dāng)前智能機(jī)器人研究的重點(diǎn)之一。如何方便、快捷、廉價地控制移動機(jī)器人，己經(jīng)成為機(jī)器人技術(shù)的一個突出問題。在當(dāng)前的控制領(lǐng)域中，無線控制技術(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(jī)器人的無線控制技術(shù)這一課題進(jìn)行了研究并取得了一定的成果。本文研究的重點(diǎn)是無線反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計，通過PC機(jī)、無線通信模塊和機(jī)器人構(gòu)成的反饋系統(tǒng)，成功地實(shí)現(xiàn)了PC機(jī)對機(jī)器人的無線實(shí)時反饋控制[1-2]。
1 機(jī)器人平臺
??? 本實(shí)驗(yàn)所采用的移動機(jī)器人是上海廣茂達(dá)公司生產(chǎn)的AS-U32能力風(fēng)暴機(jī)器人,該機(jī)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(jī)68HC11，而AS-U32使用的是飛利浦公司的RAM7 LPC2103，這使得機(jī)器人有更強(qiáng)大的處理功能。AS-U32有如下特點(diǎn)：
　(1)自主輪式移動機(jī)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(dú)立的運(yùn)動合成為1個運(yùn)動。當(dāng)把2個電機(jī)的運(yùn)動合成為1個運(yùn)動時，則為差動驅(qū)動。如讓機(jī)器人走直線，左右兩個輪的速度必須相等；讓機(jī)器人走弧線時，左右兩個輪子的速度必須不相等。
　(2)機(jī)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(jī)器人操作系統(tǒng)。VJC實(shí)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(diǎn)數(shù)。VJC 的一大優(yōu)點(diǎn)是支持多任務(wù)程序的運(yùn)行。
?? (3)機(jī)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(fēng)。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(qiáng)弱;碰撞傳感器安裝在機(jī)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(fēng)沒有方向性,能感知聲音的強(qiáng)弱;旋轉(zhuǎn)編碼器用來測量輪子旋轉(zhuǎn)的角度數(shù)。
?? (4)機(jī)器人借助LPC2103來完成數(shù)據(jù)處理。雖然該處理器具有很強(qiáng)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(jī)來共同完成。機(jī)器人自帶有4針SCI總線，可為機(jī)器人的擴(kuò)展帶來方便[3]。
2 PC機(jī)與機(jī)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(jī)器人的特點(diǎn),無線通信是計算機(jī)與機(jī)器人通信較為理想的通信方式。實(shí)驗(yàn)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(diǎn)。
?? (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(jī)干擾的能力，在信道誤碼率為10~2時，可得到實(shí)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(biāo)準(zhǔn)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(yàn)方式[3]。
2.2 機(jī)器人無線通信的總體設(shè)計框架
　基于機(jī)器人與無線通信模塊的特點(diǎn)，設(shè)計的無線控制機(jī)器人的總體框架如圖1所示。

3 PC機(jī)與機(jī)器人構(gòu)成的反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計
　本實(shí)驗(yàn)PC機(jī)(上位機(jī))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(jìn)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(jìn)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(guān)這方面的詳細(xì)介紹可以參看參考文獻(xiàn)[4]。下面主要介紹反饋控制系統(tǒng)是如何設(shè)計的。
?? ?對被控對象進(jìn)行開環(huán)控制達(dá)不到理想的控制效果，所以必須對機(jī)器人進(jìn)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(jìn)行建模，通過實(shí)驗(yàn)測得機(jī)器人左右兩電機(jī)的輸入輸出之間的關(guān)系，然后通過MATLAB進(jìn)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(jī)器人的左右兩輪都是非線性的特性，電機(jī)的輸入參數(shù)大于60時，輸出的實(shí)際速率基本飽和了。所以必須加入PID控制來克服機(jī)器人這種非線性的特性。

?? 在連續(xù)控制系統(tǒng)中，PID控制算法的控制規(guī)律可以寫成如下的形式：
??
式中,u(t)為PID控制器的輸出，也稱為被控對象的控制輸入;ε(t)為偏差; K_p為比例系數(shù);T_i為積分時間常數(shù);T_d為微分時間常數(shù)。為了在數(shù)字控制系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)PID控制，需將連續(xù)PID控制規(guī)律化成離散型的PID控制規(guī)律，即用差分方程表示。為此，取T₀為采樣周期。由于采樣周期遠(yuǎn)小于信號變化的周期，可以用矩陣面積求和的方法近似式(1)中的積分作用，用向后差分的方法近似微分作用，則式(1)可以化為:
??
式(4)稱為PID控制器遞推公式。應(yīng)用(4)式計算采樣時刻k的控制器輸出u(k)，可以極大地節(jié)省計算機(jī)內(nèi)存空間和計算時間，使實(shí)時控制成為可能。
??? 許多控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)本身具有記憶功能，例如步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，具有保持歷史位置的功能，當(dāng)控制器給出1個增量信號時，執(zhí)行機(jī)構(gòu)在原來位置上移動某一定位置，達(dá)到新的平衡位置。在這種情況下，需要采用增量型PID控制算法。設(shè)被控對象的控制輸入增量為Δu(k)，即:
?? ?

式(5)稱為增量型PID控制算法。
??? 增量型PID與位置PID控制算法，本質(zhì)上是一樣的，僅在計算方法上有所變化。增量式算法一般用于步進(jìn)電機(jī)之類的對象，但由于本文所用到的機(jī)器人的電機(jī)為非步進(jìn)電機(jī)，它所輸入的控制量應(yīng)為絕對數(shù)值。所以本文采用位置式PID算法[5]。
　對于PID 3個參數(shù)的調(diào)節(jié)有各種不同方法，在本實(shí)驗(yàn)中主要是試湊法。試湊法也要遵循一定的規(guī)律，一般來說，增大比例系數(shù)Kp，將加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，減少系統(tǒng)靜態(tài)誤差，但直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。增大積分時間常數(shù)Ti，有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但同時也加大了系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差的調(diào)節(jié)時間。微分控制作用，將改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。
　在整個反饋系統(tǒng)的設(shè)計中,還有一個重要問題就是系統(tǒng)的采樣時間T，本系統(tǒng)的采樣時間不能設(shè)置得太短。由于機(jī)器人的測速是由光電編碼器來完成，而實(shí)驗(yàn)中用到的碼盤條紋只有66等份，時間太短，測速不準(zhǔn)確，同時因微分作用加強(qiáng)，使得速度值抖動很大。此外，機(jī)器人本身存在非線性特性，這樣就必須選擇一個合適的采樣時間。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，當(dāng)采樣時間≥0.5 s時，機(jī)器人反饋回來的速度較平穩(wěn)，抖動明顯減小。整個反饋控制系統(tǒng)的程序流程圖如圖4所示。

4 仿真結(jié)果分析
??? 通過調(diào)節(jié)PID的3個參數(shù)，記錄下機(jī)器人每次輸出的速度值，然后再用MATLAB進(jìn)行仿真，通過測得實(shí)際數(shù)據(jù)的仿真圖如圖5所示。

??? 本文提出的PC機(jī)對機(jī)器人的無線實(shí)時反饋控制，在20 m以內(nèi)的距離都可以實(shí)現(xiàn)，且實(shí)時性良好。對每一個采樣時間內(nèi)反饋回來的數(shù)據(jù)PC機(jī)都能及時處理，并把它送回給機(jī)器人，這樣機(jī)器人實(shí)時地接收數(shù)據(jù)、實(shí)時地接收PID校正后的運(yùn)動狀態(tài)，因此機(jī)器人就可以按事先設(shè)定好的狀態(tài)行走，從而達(dá)到了控制的目的。