移動機器人無線實時反饋控制系統的設計

?機器人技術是當今科學技術發展的前沿學科。移動機器人是機器人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、圖像處理等專業技術于一體，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、廉價地控制移動機器人，己經成為機器人技術的一個突出問題。在當前的控制領域中，無線控制技術已經成為一種重要而便利的控制技術。美國、日本、德國以及包括中國在內的很多國家都對機器人的無線控制技術這一課題進行了研究并取得了一定的成果。本文研究的重點是無線反饋控制系統的設計，通過PC機、無線通信模塊和機器人構成的反饋系統，成功地實現了PC機對機器人的無線實時反饋控制[1-2]。
1 機器人平臺
??? 本實驗所采用的移動機器人是上海廣茂達公司生產的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，是一個對外界環境高度開放的智能系統。它采用左右兩輪驅動，前后兩輪隨動。驅動方式采用的是差動驅動方式，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環境，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實現了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、數組、指針、結構體、16位和32 位整數、32 位浮點數。VJC 的一大優點是支持多任務程序的運行。
?? (3)機器人配有一定數量的傳感器,具有一定的感知周圍環境的能力。傳感器包括2支紅外發射管和1個紅外接收模塊,2個光傳感器和4個碰撞傳感器。另外,還包括旋轉角度編碼器和麥克風。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的強弱;碰撞傳感器安裝在機器人外部的碰撞環上,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;旋轉編碼器用來測量輪子旋轉的角度數。
?? (4)機器人借助LPC2103來完成數據處理。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單片射頻無線收發模塊，該模塊主要性能如下：
　(1)發射功率為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的調制方式，采用高效前向糾錯信道編碼技術，提高了數據抗突發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設計框架
　基于機器人與無線通信模塊的特點，設計的無線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據類型[4]。有關這方面的詳細介紹可以參看參考文獻[4]。下面主要介紹反饋控制系統是如何設計的。
?? ?對被控對象進行開環控制達不到理想的控制效果，所以必須對機器人進行閉環控制。整個反饋控制系統如圖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，電機的輸入參數大于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。

?? 在連續控制系統中，PID控制算法的控制規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;T_i為積分時間常數;T_d為微分時間常數。為了在數字控制系統上實現PID控制，需將連續PID控制規律化成離散型的PID控制規律，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。應用(4)式計算采樣時刻k的控制器輸出u(k)，可以極大地節省計算機內存空間和計算時間，使實時控制成為可能。
??? 許多控制系統的執行機構本身具有記憶功能，例如步進電機作為執行元件，具有保持歷史位置的功能，當控制器給出1個增量信號時，執行機構在原來位置上移動某一定位置，達到新的平衡位置。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電機之類的對象，但由于本文所用到的機器人的電機為非步進電機，它所輸入的控制量應為絕對數值。所以本文采用位置式PID算法[5]。
　對于PID 3個參數的調節有各種不同方法，在本實驗中主要是試湊法。試湊法也要遵循一定的規律，一般來說，增大比例系數Kp，將加快系統響應速度，減少系統靜態誤差，但直接影響系統的穩定性。增大積分時間常數Ti，有利于提高系統的穩定性，但同時也加大了系統消除穩態誤差的調節時間。微分控制作用，將改善系統的動態性能。
　在整個反饋系統的設計中,還有一個重要問題就是系統的采樣時間T，本系統的采樣時間不能設置得太短。由于機器人的測速是由光電編碼器來完成，而實驗中用到的碼盤條紋只有66等份，時間太短，測速不準確，同時因微分作用加強，使得速度值抖動很大。此外，機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。經過實驗，當采樣時間≥0.5 s時，機器人反饋回來的速度較平穩，抖動明顯減小。整個反饋控制系統的程序流程圖如圖4所示。

4 仿真結果分析
??? 通過調節PID的3個參數，記錄下機器人每次輸出的速度值，然后再用MATLAB進行仿真，通過測得實際數據的仿真圖如圖5所示。

??? 本文提出的PC機對機器人的無線實時反饋控制，在20 m以內的距離都可以實現，且實時性良好。對每一個采樣時間內反饋回來的數據PC機都能及時處理，并把它送回給機器人，這樣機器人實時地接收數據、實時地接收PID校正后的運動狀態，因此機器人就可以按事先設定好的狀態行走，從而達到了控制的目的。