移动机器人无线实时反馈控制系统的设计

作者：时间：2010-04-12来源：网络收藏

机器人技术是当今科学技术发展的前沿学科。移动 机器人是机器人研究领域中的一个重要分支，它集人工智能、控制理论、信息处理、图像处理等专业技术于一体，跨计算机、自动控制、通信、机械、电子等多学科，成为当前智能机器人研究的重点之一。如何方便、快捷、廉价地控制移动机器人，己经成为机器人技术的一个突出问题。在当前的控制领域中，无线控制技术已经成为一种重要而便利的控制技术。美国、日本、德国以及包括中国在内的很多国家都对机器人的无线控制技术这一课题进行了研究并取得了一定的成果。本文研究的重点是无线反馈 控制系统的设计，通过PC机、无线通信模块和机器人构成的反馈系统，成功地实现了PC机对机器人的无线实时反馈控制[1-2]。
1 机器人平台
本实验所采用的移动机器人是上海广茂达公司生产的AS-U32能力风暴机器人,该机器人是AS-UⅡ的升级版，主要升级部件是微控制器，AS-UⅡ使用的是Motorola公司的单片机68HC11，而AS-U32使用的是飞利浦公司的RAM7 LPC2103，这使得机器人有更强大的处理功能。AS-U32有如下特点：
　(1)自主轮式移动机器人，是一个对外界环境高度开放的智能系统。它采用左右两轮驱动，前后两轮随动。驱动方式采用的是差动驱动方式，即2个有差异的或独立的运动合成为1个运动。当把2个电机的运动合成为1个运动时，则为差动驱动。如让机器人走直线，左右两个轮的速度必须相等；让机器人走弧线时，左右两个轮子的速度必须不相等。
　(2)机器人带有专用的软件开发环境，即图形化交互式的C语言(简称VJC)。VJC由两部分组成:编译环境(包含交互式命令行编辑和调试功能)和机器人操作系统。VJC实现了C 语言的一个子集, 它包括控制语句(for,while, if else)局部变量和全局变量、数组、指针、结构体、16位和32 位整数、32 位浮点数。VJC 的一大优点是支持多任务程序的运行。
(3)机器人配有一定数量的传感器,具有一定的感知周围环境的能力。传感器包括2支红外发射管和1个红外接收模块,2个光传感器和4个碰撞传感器。另外,还包括旋转角度编码器和麦克风。红外传感器可以判断前方约120°内、距离在10～50 cm 范围内的物体;光传感器可判断光线的强弱;碰撞传感器安装在机器人外部的碰撞环上,能感受到8个方向上的碰撞;麦克风没有方向性,能感知声音的强弱;旋转编码器用来测量轮子旋转的角度数。
(4)机器人借助LPC2103来完成数据处理。虽然该处理器具有很强大的处理功能，但用于反馈控制还是不够的，所以必须由PC机来共同完成。机器人自带有4针SCI总线，可为机器人的扩展带来方便[3]。
2 PC机与机器人之间的无线通信硬件平台
2.1 无线通信模块
　考虑到自主式移动机器人的特点,无线通信是计算机与机器人通信较为理想的通信方式。实验中采用的是CC1000单片射频无线收发模块，该模块主要性能如下：
　(1)发射功率为10 mW。
　(2)工作频率在ISM频段，无需申请点。
(3)干扰能力和误码率:基于FSK的调制方式，采用高效前向纠错信道编码技术，提高了数据抗突发干扰和随机干扰的能力，在信道误码率为10~2时，可得到实际误码率为10.5~10.6。
　(4)传输距离：在视距情况下，天线高度>3 m，可靠传输距离>300 m。
(5)多信道，多速率:无线通信模块标准配置提供8个信道，可满足用户多种通信组合方式；可提供1 200 b/s、2 400 b/s、4 800 b/s、9 600 b/s等多种波特率，并且接口波特率与无线传输波特率一样，以满足客户设备对不同波特率的需要。
(6)双串口，3种接口方式:无线通信模块提供2个串口、3种接口方式。COM1为TTL电平UART接口，COM2由用户自定义为标准的RS-232/RS-485接口。可用硬件配置成7种不同的信道，选择不同的接口方式以及不同的校验方式[3]。
2.2 机器人无线通信的总体设计框架
　基于机器人与无线通信模块的特点，设计的无线控制机器人的总体框架如图1所示。

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

3 PC机与机器人构成的反馈控制系统的设计
　本实验PC机(上位机)所用的软件是VC++6.0，用VC做串口通信可以有很多种方法：可以用控件MSComm，也可用Win32的API串行通信函数，本文选择CSerialPort类进行串口通信编程(属于Win32的API串行通信编程)。该编程方法是一个多线程的串口编程类，与MSComm控件相比，CSerialPort打包时，不需要加入其他的文件，而且函数都是开放透明的，允许进行改造。此外，不需要去理解很难掌握的数据类型[4]。有关这方面的详细介绍可以参看参考文献[4]。下面主要介绍反馈控制系统是如何设计的。
对被控对象进行开环控制达不到理想的控制效果，所以必须对机器人进行闭环控制。整个反馈控制系统如图2所示。