葉忠民

本文介紹了一種可以自動(dòng)跑位并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的運(yùn)動(dòng)機(jī)器人，該運(yùn)動(dòng)機(jī)器人可以根據(jù)輸入的場(chǎng)地信息自動(dòng)生成定位圖，然后應(yīng)用姿態(tài)檢測(cè)模塊和光流傳感器模塊實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)跑位到定位圖中指定的位置并完成指定的任務(wù)。為了保障機(jī)器人跑位的靈活性和準(zhǔn)確性，機(jī)器人采用麥克納姆輪，其作用可以保證機(jī)器人可以靈活地向四個(gè)方向自由地運(yùn)動(dòng)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)研究和檢測(cè)，該機(jī)器人達(dá)到了研制的要求和目的。

【關(guān)鍵詞】運(yùn)動(dòng)機(jī)器人 麥克納姆輪 姿態(tài)檢測(cè) 光流傳感器 陀螺儀

在需要針對(duì)某些大型場(chǎng)地的某些參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)的環(huán)節(jié)，往往需要在大量的指定位置進(jìn)行測(cè)量，如果利用人工方式進(jìn)行檢測(cè)，工作效率低下，還難以保證檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，因此考慮采用機(jī)器人自動(dòng)跑位，自動(dòng)在這些點(diǎn)位上對(duì)某些參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。如果結(jié)合數(shù)據(jù)自動(dòng)處理、上傳，就能夠?qū)崿F(xiàn)全自動(dòng)的檢測(cè)。本文僅針對(duì)該機(jī)器人的設(shè)計(jì)、制作進(jìn)行闡述。

1 詳細(xì)設(shè)計(jì)

1.1 總體方案

該運(yùn)動(dòng)機(jī)器人的實(shí)物圖如圖1和圖2所示。

為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人行駛速度和行駛距離的閉環(huán)控制，在四個(gè)車輪均安裝了測(cè)速碼盤，采用PID控制算法，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的速度閉環(huán)和位移閉環(huán)控制。

PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。其輸入e （t）與輸出u （t）的關(guān)系為

u（t）=kp[e（t）+1/TI∫e（t）dt+TD*de（t）/dt]

式中積分的上下限分別是0和t

因此它的傳遞函數(shù)為：G（s）=U（s）/E（s）=kp[1+1/（TI*s）+TD*s]

其中kp為比例系數(shù)；TI為積分時(shí)間常數(shù)；TD為微分時(shí)間常數(shù)。

本系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)機(jī)器人的位移和速度閉環(huán)PID控制原理如圖3所示。

圖3中，控制給定值為行駛速度/位移，編碼器測(cè)得的速度和位移值作為反饋，經(jīng)過(guò)PID計(jì)算后得到控制輸入量，控制輸入量作用于控制對(duì)象，進(jìn)而使機(jī)器人按照設(shè)定的速度/位移行駛。

1.2 定位導(dǎo)航系統(tǒng)

定位導(dǎo)航系統(tǒng)是運(yùn)動(dòng)機(jī)器人的“眼睛”，用于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)定位，以達(dá)到是機(jī)器人可以在場(chǎng)內(nèi)自動(dòng)行駛的目的。本系統(tǒng)中要求定位導(dǎo)航系統(tǒng)能夠：

（1）感知機(jī)器人方位。

（2）檢測(cè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)位移。

為此，本系統(tǒng)中開發(fā)了姿態(tài)檢測(cè)模塊和光流傳感器模塊，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的方向和位移監(jiān)測(cè)，為下一步進(jìn)行機(jī)器人路徑規(guī)劃提供反饋信息。

1.2.1 姿態(tài)檢測(cè)模塊

為了控制運(yùn)動(dòng)機(jī)器人在移動(dòng)過(guò)程中的行駛方向，需要加入姿態(tài)檢測(cè)模塊，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)方向的閉環(huán)控制。

慣性測(cè)量元件是能夠測(cè)量重力方向或姿態(tài)角變化快慢的傳感器，可用于檢測(cè)轉(zhuǎn)軸不固定或無(wú)固定轉(zhuǎn)軸物體的角位移或角速度。因此，慣性測(cè)量元件常用于機(jī)器人系統(tǒng)、船舶、導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星、飛機(jī)等的姿態(tài)測(cè)量。常見(jiàn)的慣性測(cè)量元件包括傾角儀、電子羅盤、加速度計(jì)、陀螺儀等。

加速度計(jì)用于測(cè)量與慣性有關(guān)的加速度，一個(gè)典型的例子就是重力加速度，可以由輸出的加速度值測(cè)量?jī)A角，包括俯仰角和橫滾角?；镜墓ぷ髟硎羌铀俣扔?jì)靜止時(shí)，加速度計(jì)輸出作用于靈敏軸上的重力加速度值，即重力加速度在此方向上的分量。具體關(guān)系如圖4所示。

加速度計(jì)輸出與重力加速度的關(guān)系可表示為：

ax=g sinφ

ay=g cosφ

陀螺儀用于檢測(cè)剛體轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的角速度或角位移的傳感器，即使沒(méi)有裝在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，也能檢測(cè)剛體的角速度或角位移。陀螺儀輸出為繞靈敏軸的角速度，對(duì)其積分就可以得到姿態(tài)角，可用于測(cè)量俯仰角、橫滾角和偏航角。陀螺儀的動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，但是存在漂移和噪聲，導(dǎo)致累積誤差隨著時(shí)間的推移而逐漸增大。

為了結(jié)合兩種傳感器的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)將二者數(shù)據(jù)進(jìn)行卡爾曼濾波，再經(jīng)過(guò)四元數(shù)姿態(tài)結(jié)算，就可得到準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的姿態(tài)角度信息。

（1）姿態(tài)檢測(cè)傳感器。姿態(tài)檢測(cè)傳感器采用MPU-6000（6050）芯片。MPU-6000（6050）為全球首例整合性6軸運(yùn)動(dòng)處理組件，相較于多組件方案，免除了組合陀螺儀與加速器時(shí)之軸間差的問(wèn)題，減少了大量的封裝空間。

MPU-60X0 對(duì)陀螺儀和加速度計(jì)分別用了三個(gè)16位的ADC，將其測(cè)量的模擬量轉(zhuǎn)化為可輸出的數(shù)字量。為了精確跟蹤快速和慢速的運(yùn)動(dòng)，傳感器的測(cè)量范圍都是用戶可控的，陀螺儀可測(cè)范圍為±250，±500，±1000，±2000°/秒（dps），加速度計(jì)可測(cè)范圍為±2，±4，±8，±16g。一個(gè)片上1024字節(jié)的FIFO，有助于降低系統(tǒng)功耗。和所有設(shè)備寄存器之間的通信采用400kHz的I2C接口或1MHz的SPI接口（SPI僅MPU-6000可用）。對(duì)于需要高速傳輸?shù)膽?yīng)用，對(duì)寄存器的讀取和中斷可用20MHz的SPI。另外，片上還內(nèi)嵌了一個(gè)溫度傳感器和在工作環(huán)境下僅有±1%變動(dòng)的振蕩器。芯片尺寸4×4×0.9mm，采用QFN封裝（無(wú)引線方形封裝），可承受最大10000g的沖擊，并有可編程的低通濾波器。

關(guān)于電源，MPU-60X0可支持VDD范圍2.5V±5%，3.0V±5%，或3.3V±5%。另外MPU-6050還有一個(gè)VLOGIC引腳，用來(lái)為I2C輸出提供邏輯電平。VLOGIC電壓可取1.8±5%或者VDD。

（2）主控制器。主控制芯片選用了STM32F103T8，ARM 32-bit Cortex?-M3 內(nèi)核，它有64KB的閃存存儲(chǔ)器，和20KB的運(yùn)行內(nèi)存。7通道的DMA，7個(gè)定時(shí)器，通過(guò)板子上的8M晶體和STM32內(nèi)部的PLL，控制器可以運(yùn)行在72M的主頻上，對(duì)于姿態(tài)解算這種需要大量數(shù)學(xué)運(yùn)行的程序，更快的處理速度可以做更多的解算優(yōu)化。STM32F1系列屬于中低端的32位ARM微控制器，該系列芯片是意法半導(dǎo)體（ST）公司出品，其內(nèi)核是Cortex-M3。該系列芯片按片內(nèi)Flash的大小可分為三大類：小容量（16K和32K）、中容量（64K和128K）、大容量（256K、384K和512K）。芯片集成定時(shí)器，CAN，ADC，SPI，I2C，USB，UART，等多種功能。

控制板上的傳感器通過(guò)I2C接口與STM32連接，同時(shí)傳感器的數(shù)據(jù)中斷引腳與STM32的IO相連。使得傳感器在完成ADC輪換后，STM32在第一時(shí)間讀取最新的數(shù)據(jù)，快速響應(yīng)姿態(tài)的變化。這樣的連接使得控制器擁有最大的主動(dòng)權(quán)，最快地獲取各傳感器的狀態(tài)和轉(zhuǎn)換結(jié)果。

1.2.2 運(yùn)動(dòng)位移檢測(cè)模塊

機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，需要是是測(cè)量其在水平面的移動(dòng)距離，以便于控制其移動(dòng)到設(shè)定光照采樣點(diǎn)上，目前常用的測(cè)位移方法有編碼器，激光測(cè)距等。編碼器測(cè)距對(duì)場(chǎng)地平整度、摩擦力要求較高，當(dāng)輪子出現(xiàn)打滑后，測(cè)量值將出現(xiàn)誤差。激光測(cè)距測(cè)量精度高，但是對(duì)環(huán)境要求高，需要有反射物，無(wú)法測(cè)量水平位移。ADNS3080傳感器是一種高性能的光學(xué)鼠標(biāo)測(cè)量元件，其可以感知鼠標(biāo)等在水平和豎直方向的移動(dòng)速度，對(duì)速度進(jìn)行積分，即可得到物體在水平和豎直方向的移動(dòng)距離，即

s=s+v*t.

ADNS3080傳感器的另一大優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需接觸地面，即可實(shí)現(xiàn)距離測(cè)量，因此使用該傳感器既可以測(cè)量籃球場(chǎng)、網(wǎng)球場(chǎng)等地面平整的場(chǎng)地，也可以測(cè)量足球場(chǎng)等地表有附著物的場(chǎng)地，滿足了多種場(chǎng)地的測(cè)量需求。

將傳感器安裝在運(yùn)動(dòng)機(jī)器人底盤底部，傳感器鏡頭對(duì)準(zhǔn)地面，水平前后移動(dòng)機(jī)器人，測(cè)得機(jī)器人在水平方向的運(yùn)動(dòng)位移如圖6所示。

2 試驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果

如圖7所示，在計(jì)算機(jī)中輸入被檢測(cè)的籃球場(chǎng)基本信息后，計(jì)算機(jī)便可以自動(dòng)在軟件中形成該場(chǎng)地需要的檢測(cè)點(diǎn)位圖（計(jì)算機(jī)屏幕左下角即為該點(diǎn)位圖）。生成點(diǎn)位圖后，便可以通過(guò)無(wú)線控制方式指揮機(jī)器人跑到指定的點(diǎn)位。

圖8所示，試驗(yàn)人員按照計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成的點(diǎn)位圖，在實(shí)際場(chǎng)地上黏貼紙張進(jìn)行了標(biāo)注，啟動(dòng)計(jì)算機(jī)的運(yùn)行程序后，機(jī)器人自動(dòng)跑到了標(biāo)注的位置，由于跑位準(zhǔn)確性要求不高，故并未進(jìn)行定位準(zhǔn)確性測(cè)量。

3 結(jié)束語(yǔ)

該機(jī)器人可以應(yīng)用于定位精度不高，但需要在很多點(diǎn)位進(jìn)行數(shù)據(jù)自動(dòng)采集的場(chǎng)合，其優(yōu)點(diǎn)是自動(dòng)化程度高、跑位靈活快速、應(yīng)用方便。

參考文獻(xiàn)

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作者單位

1.浙江省質(zhì)量檢測(cè)科學(xué)研究院 浙江省杭州市 310013

2.浙江方圓檢測(cè)集團(tuán)股份有限公司 浙江省杭州市 310013