一例非完整约束轮式移动机器人控制系统的设计

一例非完整约束轮式移动机器人控制系统的设计

2004年第20卷第2期2004.Vol.20No.2

电子机械工程

Electro-MechanicalEngineering

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Ξ

一例非完整约束轮式移动机器人控制系统的设计

柳柱,赵东标,王明昕

(南京航空航天大学机电学院　江苏南京　210016)

摘　要:介绍了一例非完整约束轮式移动机器人机械结构及控制系统软硬件的设计。采用美国Cygnal

公司新研制的C8051F005单片机作为机器人控制系统的CPU及瑞士MAXON公司的直流伺服电机作为双轮驱动单元,利用非完整约束条件和非完整约束运动规划原理,研制了一例非完整约束轮式移动机器人,该机器人可跟踪任意直线、圆弧曲线轨迹等,也可实现原地零半径旋转及任意轨迹运动。运动自主灵活。对直线及圆弧轨迹进行了跟踪实验。关键词:机器人;C8051F005;传感器;运算放大器中图分类号:TP242　　文献标识码:B　　文章编号:1008-5300(2004)02-0055-04

DesignofaNonholonomicRestrainedWheeledMobileRobotControlSystem

LIUZhu,ZHAODong2biao,WANGMing2xin

(Mechanical&electronicdepartment,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016)

Abstract:Thispapersconsidersthedesignofthemechanism&controlsystemofanonholonomicwheeledmobilerobot.SelectingnewlydesignedMCUchipofCygnalC8051F005astheCPUofcontrolsystemandMaxonDCservomotorofSwitzerlandasdriver,wedesignedanonholonomicwheeledmobilerobotbasingonnonholonomicrestrainingconditionandnonholonomicmotionplanningtheory.Itcantrackanykindofstraighttrackandarctrack,rotatewithzeroradius,andalsocanmovealonganycurvedpath.Atlast,anexperimentonfollowingastraightpathandanarcpathhasbeenperformed.Keywords:mobilerobot;C8051F005;sensor;operationalamplifier

0　引　言

目前,移动机器人已广泛用于科学考察、地质勘探、灾难营救等多个领域,对人类了解地球、征服自然、探索宇宙具有重要意义。同时,也是代替人们在有辐射、有粉尘和有毒等环境中作业必不可少的工具。移动机器人的典型行走形式有轮式、履带式和腿足式等。

轮式移动机器人系统是典型的非完整约束机械系统[1]。利用非完整约束条件和非完整运动规划的原理,研究开发新型的具有良好的目标轨迹跟踪和控制性能轮式移动机器人系统,在机器人领域下成为一个新的研究热点。轮式机器人其实与车辆极为相似,因此对于轮式移动机器人的研究以及无人驾驶车辆的发展都有重大的意义。通过研制一台轮式移动机器人AeroAcer,对直线及圆弧等目标轨迹进行了跟踪试验。

1　机器人底盘机械结构及其驱动

根据需要,AeroAcer轮式移动机器人结构包括:行走驱动部、躯干、手臂及手爪。行走驱动部结构如图1所示,采用两轮独立驱动的结构,并使AeroAcer的

形心和质心对地平面的投影落于两个驱动轮轴线上。驱动轮分别由两套直流伺服系统驱动,提供需要的转速或者力矩;前后对称于驱动轮轴线各布置一万向轮,可任意移动而不会对AeroAcer产生阻力和约束作用,这样,只要分别控制两个驱动轮的不同的速度或者力矩,就可以使AeroAcer按照所要求的方向和速度移动,从而实现运动规划、稳定以及跟踪等控制任务。驱动轮轴线经过底盘的形心的投影,可实现零转弯半径,同时

也使轨迹规划及控制相对简单。另外,驱动轮轴线过质心的投影,可大大地提高驱动电机的效率。内带减

Ξ收稿日期:2003-08-27

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速齿轮的驱动电机固定在车架上,两个驱动车轮也分

别通过轴架固定在车架上。电机的输出轴驱动车轮。连接在电机上的圆光栅在电机运转时产生相位上相差90度的脉冲信号,通过对此脉冲信号进行检测和运算,就可得到AeroAcer的位置、速度等状态量。选用了500线的圆光栅,即电动机每旋转一周输出500个脉冲,由于采用33:1的减速齿轮,因此车轮每转动一周圆光栅将输出33×500=16500个脉冲,具有相当高的精度。选择圆光栅的目的在于:一方面将圆光栅产生的脉冲信号经过伺服放大器内的频压变换得到电机的速度用于速度反馈以形成速度闭环,同时还可以对脉冲信号经过计数、运算获得AeroAcer的位置和速度,简化了系统设计,节省了成本。由于直流伺服电机具有启动力矩大,动态性能好,调速范围宽和控制较为简单等一系列优点[2]。因此在AeroAcer中选用瑞士MAXON公司的直流伺服电机作为驱动单元,包括带

了极大方便。

C8051Fxxx单片机是美国Cygnal公司新近推出的完全集成的混合信号系统芯片(SOC),具有与8051完全兼容的CIP251内核。此系列单片机具有如下优点:

(a)芯片采用流水线指令结构,70%指令的执行时间为1个或者2个系统时钟周期,具有高达25MIPS的速度,比标准8051快20倍以上。

(b)JTAG调试功能:支持在线系统、全速、非插入调试和编程,不占用任何片内资源。

(c)可靠的安全机制:有7种复位源,并可利用JTAG口编程加密芯片。

(d)强大的控制功能:有多达64位I/O口线,所有

的口线可以编程为弱上拉或推挽输出。更为独特的是具有数字开关阵列(DigitalCrossbar),可以将内部系统资源定向到P0、P1和P2,即可以把定时器、串行总线、外部中断源、AD转换输入、比较器输出定向到P0、P1和P2。

(e)多达22个中断源:为实时多任务系统的实现提供了保证[3]

。

有减速齿轮的直流电机、伺服放大器以及用作速度反馈和检测的圆光栅。电机可以工作在速度方式和力矩方式,可以运行在由速度和加速度决定的四个象限,从而可以在该装置上针对AeroAcer的运动学和动力学模型进行实验研究。其中,伺服放大器根据电机的转速或电流调整输出到电机的电压,从而控制电机的转速、力矩等。系统所使用的是ADS50/5伺服放大器

。

图2　控制框图

图1　机器人底盘结构

2　AeroAcer的硬件设计和功能概述

2.1　硬件设计

在设计过程中经比较,选用了C8051F005,控制

系统组成见图2。图中伺服放大器需要-10～+10V的电压控制信号驱动电动机以相应的速度反转或正转。而C8051F005的DAC口输出的电动机驱动信号为0～2.4V的单极性电压信号,因此须转化为相对应的-10～+10V双极性驱动电压以满足伺服驱动器的需要。电路如图3所示。

U11、U12为微功耗基准电压源,提供D/A转换的参考电压及运算放大器比较电压。U9、U10是高精密运算放大器,将CPU输出的0～2.4V的信号电压转化为-10～10V的控制电压。VREF、DAC0、DAC1为CPU的三个端口。分别输入参考电压输出两个电

控制系统中CPU的选择至关重要,经过比较最终选择了Cygnal公司的C8051F005作为控制系统的CPU。C8051F005芯片具有1个8通道12位ADC;2

个12位DAC;32个I/O口(P0、P1、P2、P3);32KBFlashROM,2KBRAM.;共22个中断源,其中7个外

部中断源,均可通过交叉开关配置到P1.0、P1.1和P1.2上;4个定时器/计数器。这些为实时控制提供

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实验场地如图4所示。在半径4000mm的浅绿

色地板上,有16条自圆心发出的辐射线和两个半径分别为3000mm和1500mm的同心圆,均为30mm宽白色线。跟踪试验目标为:由阴影所示出发点沿直线到达A点后沿半径为1500mm圆弧到B点,然后完成其它相应动作

。

图3　电动机驱动信号比较放大电路

动机的驱动信号。2.2　AeroAcer的基本功能

AeroAcer可按一定的轨迹运行,在到达目标地点

图4　

实验场地示意图

后伸出手爪完成一定的动作,可作为非完整约束两轮驱动机器人运动轨迹规划研究的实验平台,也可以用作AGV,负载达10kg。通过重复编程实现不同的作业。AeroAcer控制系统主要可以完成以下工作:

(1)在得到运行指令后,C8051F005通过2个12位DAC接口控制伺服电动机运转。并利用单片机内部的计数器1和2分别获得光电编码器1和2的反馈信息,对AeroAcer的速度和位置进行控制,按既定的轨迹移动。当AeroAcer运行在轨迹跟踪方式下时,单片机不断扫描轨迹跟踪传感器的接口。传感器1位于带跟踪的轨迹之上,传感器2、3、4、5如图1所示布置,用于监测AeroAcer是否偏离轨迹及左偏还是右偏。以便及时调整AeroAcer的位姿。

(2)与此同时,C8051F005将定时器3设定为定时中断方式,不断对传感器8～13循环扫描。传感器8～13为反射式光电传感器。分别安装于AeroAcer腰部正前方及左右侧,底盘下正前方及左右侧。用来监测障碍物,采取相应的避障措施。

(3)当AeroAcer到达既定位置后,按作业要求,根据传感器14～18(编码器)的反馈信息,驱动手臂,手爪电动机,完成相应动作,当抓取重物时,CPU不断扫描安装在手爪内的压力传感器,用CPU的12位ADC对力觉传感器的输出采样转换,以获取压力值。用相应的力将不同重量的物品抓住。当作为娱乐时,手臂和手爪可完成简单的预先指定的动作。

图5　程序框图

试验程序框图如图5所示。传感器的布置如图1

中所示,传感器1处于AeroAcer纵向前进轴线上,2、3、4、5在横向车轮轴线上,分居纵向轴线两侧,间距大于跟踪轨迹宽度。

4　结　论

利用C8051F005作为CPU制作了一台机器人,并进行了直线及圆弧跟踪试验。实验结果如图3所示。直线跟踪阶段其误差最大为21mm,在圆弧阶段

3　轨迹跟踪实验及其软件设计

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[2]　(日)坪岛茂彦,中村修照.通用电机和控制用电机实用

误差最大为30mm。该机器人既可作为一款实验性

机器人,也可作为研究非完整约束移动机器人的实验平台。因为C8051F005可编程定义I/O口的作用,因此控制系统的硬件设计具有很大的柔性。也为以后功能的扩展提供了方便。参考文献:

[1]　AEluca,GOrolo,CSamson.FeedbackControlofaNon2

holonomiccar2likerobot[R].Laboratoired′Analyeetd′Ar2chitecturedesSystemesCentreNationaldelaRechercheSci2entiqueLAASreport97438,1998.

手册[M].北京:机械工业出版社,1985.

[3]　潘琢金,施国君.C8051Fxxx高速SOC弹片及原理及应

用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2002.

作者简介:柳柱(1976-),男,硕士研究生,研究方

向为机器人控制及语音识别;

赵东标(1963-),教授,博士生导师,研究方向为机电控制及自动化;

王明昕(1977-),男,硕士研究生,研究方向为机器人控制及图像识别。

普通PLC的特点与功能外还具有拆装更换方便的模块化结构,快速中断处理功能,为了便于以后功能的扩展,选择最大可达640点的I/O点数。在输入输出系统的设计中,考虑到系统的简化,采用了高密度的I/O模块,使控制器的体积进一步减小,也方便了接线、调试等工作。为了控制的可靠,检测元件均选用高品质器件,如液位检测选用SIMENS的光纤式液位检测传感器,具有很高的检测精度,且可靠性非常高。在灌装过程中每个投影管在每个工位的时间为20s,也就是在20s中要完成投影管的传送、定位、真空清理、正压清理等工序,因此要求精密控制工位,在控制中采用接近开关,并把信号送入PLC中断系统,由PLC中断功能来实现。

由于灌装系统的输入输出点多,开发的应用程序结构庞大,为了简化程序设计,采用结构化程序设计的方法,建立相应的功能模块,编写各自的子程序,然后通过主程序调用相应的子程序,达到了集中分布控制系统的效果。这样不但简化了编程,而且提高了程序的可靠性,方便了调试过程。同时为自动灌装系统开发出了实时监控、自动排错、断电保持故障报警等功能,使系统实现了全自动化,在运行过程中,不需要人工干预。

(上接第30页)3.1　传输系统

传输系统主要完成投影管在生产过程中的传输,包括直线传输和端头转接两部分,由于投影管中的冷液距容器顶部很近,在传输中冷液容易溢出,因此要求传输过程中非常平稳。通过比较,采用差速链传动,此传动工作平稳、噪音低、磨损小、使用寿命长,设计制造安装都非常方便,成本也不高,各工位可分别控制输送节拍。3.2　阻挡定位机构

由于在工位上需对投影管进行清理,加液和脱泡,因此投影管到达工位后要先停下来,然后进行定位。采用的方式是首先将投影管在上线时就在工装板上定位,到达工位后再把工装板定位。在工位上,首先阻挡机构对工装板初步定位,投影管是固定在载体上的,为了减小在停止时的震动,避免冷液淌出,阻挡机构采用带有液压缓冲装置的方式,然后再用两个导柱对工装板精确定位,使投影管与对接的脱泡头、清理头、注液头等准确衔接。脱泡头、清理头、注液头的升降采用气缸完成,为了提高气缸的定位精度,采用四导柱导向定位。3.3　气动系统

由于气动系统有清洁、快速、方便的特点,在本系统中大量地采用了气缸,阻挡机构的升降,注液头、脱泡头的升降都是采用气缸完成的,脱泡和清理采用的是真空方式,真空是由真空发生器产生的,容器的检漏也是采用先抽真空到一定真空度,然后检测真空度的变化,整个系统一共应用了几十个气缸。3.4　控制系统

从前面的说明中可以看出灌装过程中要求系统运转平稳,工作可靠。由于整个灌装系统检测信号很多,有些信号必须立即处理,因此要求必须有中断功能,且输入输出点数较多,综合性能成本因素,决定采用SIMENS的PLC控制。SIMENSPLC除了具有一般

4　总　结

罐装系统采用直线环型布置方式,产品的传输采用差速链,大量的采用气动控制可高速可靠地完成各种动作,控制系统采用高性能、大容量的PLC,采用了结构化程序设计方法,整个系统产量较大,生产方式灵活,成本较低,清理、液体灌注和脱泡整个过程全部自动完成,不需人的参与,提高了产品的可靠性。作者简介:曾国英(1966-),女,高级工程师,硕士,现在西南科技大学制造学院从事教学科研工作,主要研究方向为机电一体化技术、工程测试技术。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/gj14.html