移動(dòng)機器人無(wú)線(xiàn)實(shí)時(shí)反饋控制系統的設計
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1 機器人平臺
本實(shí)驗所采用的移動(dòng)機器人是上海廣茂達公司生產(chǎn)的AS-U32能力風(fēng)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(diǎn)：
(1)自主輪式移動(dòng)機器人，是一個(gè)對外界環(huán)境高度開(kāi)放的智能系統。它采用左右兩輪驅動(dòng)，前后兩輪隨動(dòng)。驅動(dòng)方式采用的是差動(dòng)驅動(dòng)方式，即2個(gè)有差異的或獨立的運動(dòng)合成為1個(gè)運動(dòng)。當把2個(gè)電機的運動(dòng)合成為1個(gè)運動(dòng)時(shí)，則為差動(dòng)驅動(dòng)。如讓機器人走直線(xiàn)，左右兩個(gè)輪的速度必須相等；讓機器人走弧線(xiàn)時(shí)，左右兩個(gè)輪子的速度必須不相等。
(2)機器人帶有專(zhuān)用的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，即圖形化交互式的C語(yǔ)言(簡(jiǎn)稱(chēng)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試功能)和機器人操作系統。VJC實(shí)現了C 語(yǔ)言的一個(gè)子集, 它包括控制語(yǔ)句(for,while, if else)局部變量和全局變量、數組、指針、結構體、16位和32 位整數、32 位浮點(diǎn)數。VJC 的一大優(yōu)點(diǎn)是支持多任務(wù)程序的運行。
(3)機器人配有一定數量的傳感器,具有一定的感知周?chē)h(huán)境的能力。傳感器包括2支紅外發(fā)射管和1個(gè)紅外接收模塊,2個(gè)光傳感器和4個(gè)碰撞傳感器。另外,還包括旋轉角度編碼器和麥克風(fēng)。紅外傳感器可以判斷前方約120°內、距離在10～50 cm 范圍內的物體;光傳感器可判斷光線(xiàn)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(gè)方向上的碰撞;麥克風(fēng)沒(méi)有方向性,能感知聲音的強弱;旋轉編碼器用來(lái)測量輪子旋轉的角度數。
(4)機器人借助LPC2103來(lái)完成數據處理。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(lái)共同完成。機器人自帶有4針SCI總線(xiàn)，可為機器人的擴展帶來(lái)方便[3]。
2 PC機與機器人之間的無(wú)線(xiàn)通信硬件平臺
2.1 無(wú)線(xiàn)通信模塊
考慮到自主式移動(dòng)機器人的特點(diǎn),無(wú)線(xiàn)通信是計算機與機器人通信較為理想的通信方式。實(shí)驗中采用的是CC1000單片射頻無(wú)線(xiàn)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(wú)需申請點(diǎn)。
(3)干擾能力和誤碼率:基于FSK的調制方式，采用高效前向糾錯信道編碼技術(shù)，提高了數據抗突發(fā)干擾和隨機干擾的能力，在信道誤碼率為10~2時(shí)，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(xiàn)高度>3 m，可靠傳輸距離>300 m。
(5)多信道，多速率:無(wú)線(xiàn)通信模塊標準配置提供8個(gè)信道，可滿(mǎn)足用戶(hù)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(wú)線(xiàn)傳輸波特率一樣，以滿(mǎn)足客戶(hù)設備對不同波特率的需要。
(6)雙串口，3種接口方式:無(wú)線(xiàn)通信模塊提供2個(gè)串口、3種接口方式。COM1為T(mén)TL電平UART接口，COM2由用戶(hù)自定義為標準的RS-232/RS-485接口?？捎糜布渲贸?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(wú)線(xiàn)通信的總體設計框架
基于機器人與無(wú)線(xiàn)通信模塊的特點(diǎn)，設計的無(wú)線(xiàn)控制機器人的總體框架如圖1所示。
3 PC機與機器人構成的反饋控制系統的設計
本實(shí)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，本文選擇CSerialPort類(lèi)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(gè)多線(xiàn)程的串口編程類(lèi)，與MSComm控件相比，CSerialPort打包時(shí)，不需要加入其他的文件，而且函數都是開(kāi)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據類(lèi)型[4]。有關(guān)這方面的詳細介紹可以參看參考文獻[4]。下面主要介紹反饋控制系統是如何設計的。
對被控對象進(jìn)行開(kāi)環(huán)控制達不到理想的控制效果，所以必須對機器人進(jìn)行閉環(huán)控制。整個(gè)反饋控制系統如圖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(guò)實(shí)驗測得機器人左右兩電機的輸入輸出之間的關(guān)系，然后通過(guò)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，機器人的左右兩輪都是非線(xiàn)性的特性，電機的輸入參數大于60時(shí)，輸出的實(shí)際速率基本飽和了。所以必須加入PID控制來(lái)克服機器人這種非線(xiàn)性的特性。
pid控制器相關(guān)文章:pid控制器原理
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