陳 楊，鞏 博

(第四軍醫(yī)大學(xué) 體育教研室，西安 710032)

多自由度籃球機(jī)器人復(fù)雜路徑跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳 楊，鞏 博

(第四軍醫(yī)大學(xué) 體育教研室，西安 710032)

針對(duì)籃球機(jī)器人復(fù)雜路徑識(shí)別精度偏低，運(yùn)行能耗較大等問(wèn)題，提出基于超聲波的多自由度籃球機(jī)器人復(fù)雜復(fù)雜路徑跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法；通過(guò)MAX232芯片設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的接口電路，采用低功耗CMOS監(jiān)控電路芯片MAX706構(gòu)建監(jiān)控電路，超聲波能夠精確提供機(jī)器人所遇障礙物距離信息，如有障礙則將接收到的信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以電信號(hào)的形式反饋給主控板；軟件部分利用主控板控制器的程序以及超聲波測(cè)距程序的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)；實(shí)驗(yàn)表明，該控制系統(tǒng)有效提高了籃球機(jī)器人對(duì)障礙物的識(shí)別率，減小了系統(tǒng)運(yùn)行所用能耗。

多自由度；籃球機(jī)器人；復(fù)雜路徑；跟蹤控制

0 引言

多自由度機(jī)器人方面的技術(shù)在工業(yè)及軍事等方面的廣泛應(yīng)用[1]，機(jī)器人學(xué)其本身也存在著獨(dú)特的專(zhuān)業(yè)性[2]，內(nèi)容比較豐富和寬泛。機(jī)器人復(fù)雜路徑控制，作為機(jī)器人航跡控制的關(guān)鍵，其運(yùn)動(dòng)控制器是機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)之一，針對(duì)機(jī)器人平穩(wěn)的運(yùn)轉(zhuǎn)有非常重要的意義。由此對(duì)多自由度機(jī)器人的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)具有很高的現(xiàn)實(shí)意義，可給未來(lái)的多自由度機(jī)器人的開(kāi)發(fā)提供支撐[3]。

近年來(lái)各領(lǐng)域的機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生，特別是足球、籃球、乒乓球等球類(lèi)項(xiàng)目的機(jī)器人。其中籃球機(jī)器人作為籃球競(jìng)賽中的重要成員，對(duì)籃球領(lǐng)域的發(fā)展有著重要的作用[4-5]。但當(dāng)前的機(jī)器人復(fù)雜路徑控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中存在著很多問(wèn)題。這迫使著更多的相關(guān)人員對(duì)其進(jìn)行鉆研，以下是幾種研究方法。

為了提高移動(dòng)機(jī)器人復(fù)雜路徑跟蹤精度，王洪泉[6]等人提出將模糊邏輯系統(tǒng)向控制器中未知的函數(shù)逼近，對(duì)未知參數(shù)的自適應(yīng)規(guī)律進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用魯棒控制器補(bǔ)償逼近的誤差。該方法可保障閉環(huán)系統(tǒng)中全部信號(hào)有界，但存在穩(wěn)定性差的問(wèn)題。陳浩[7]等人設(shè)計(jì)了機(jī)器人換擋機(jī)械手，把拖拉機(jī)換擋操縱桿的三維球面運(yùn)動(dòng)變換為直角坐標(biāo)中二維直線運(yùn)動(dòng)。該機(jī)械手能夠沿著X、Y兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)選、換擋。雖然該方法具有較強(qiáng)的魯棒性，但是耗時(shí)較長(zhǎng)。以農(nóng)業(yè)機(jī)器人精密的軌跡優(yōu)化跟蹤控制為目標(biāo)，袁鑄[8]等人在優(yōu)化算法中引入了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及計(jì)算力矩陣相結(jié)合的跟蹤控制器。提出了解決不確定因素的自適應(yīng)學(xué)習(xí)法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法具有較好的穩(wěn)定性，但自適應(yīng)能力較差[10]。

1 籃球機(jī)器人路徑控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在籃球機(jī)器人復(fù)雜路徑跟蹤控制系統(tǒng)中，將TMS320F2812當(dāng)作主控板的控制中心，以MAX706監(jiān)控模塊為輔助，然后根據(jù)超聲波的測(cè)距調(diào)理模塊，完成籃球機(jī)器人復(fù)雜路徑跟蹤控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，具體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 籃球機(jī)器人復(fù)雜路徑跟蹤控制系統(tǒng)參數(shù)

1.1 控制系統(tǒng)整體框架設(shè)計(jì)

對(duì)籃球機(jī)器人復(fù)雜路徑跟蹤控制系統(tǒng)的硬件部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先制定出控制系統(tǒng)的整體框架。機(jī)器人復(fù)雜路徑跟蹤控制系統(tǒng)硬件部分整體框架如圖1所示。

圖1 機(jī)器人復(fù)雜路徑跟蹤控制系統(tǒng)整體框架

圖1的多自由度籃球機(jī)器人復(fù)雜路徑跟蹤控制系統(tǒng)整體框架，以主控芯片TMS320F2812和外圍電路組成，外圍電路中包含：復(fù)位電路、接口電路以及測(cè)距調(diào)理電路等部分組成。主控板的任務(wù)是：各個(gè)模塊的接口管理與通信，通過(guò)主控芯片完成超聲波測(cè)距的構(gòu)建與多自由度機(jī)籃球機(jī)器人的定位，框架設(shè)計(jì)中的主控板可以嵌入相關(guān)的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，便于后續(xù)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)及升級(jí)。

1.2 路徑跟蹤控制系統(tǒng)接口電路

多自由度籃球機(jī)器人復(fù)雜路徑跟蹤控制系統(tǒng)的接口電路是利用RS-232串口實(shí)現(xiàn)的。給出機(jī)器人路徑跟蹤控制系統(tǒng)接口電路如圖2所示。

圖2 機(jī)器人路徑跟蹤控制系統(tǒng)接口電路設(shè)計(jì)

根據(jù)RS-232串口的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，該接口電路適用于數(shù)據(jù)傳輸速率為0～20000bit/s的通信設(shè)備，RS-232信號(hào)于正電平與負(fù)電平間發(fā)生波動(dòng)，假設(shè)在發(fā)送機(jī)器人復(fù)雜路徑相關(guān)數(shù)據(jù)時(shí)，其發(fā)送端驅(qū)動(dòng)器能夠輸出+5～+15 V的正電平，以及-5～-15 V的負(fù)電平。假設(shè)沒(méi)有機(jī)器人復(fù)雜路徑相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸，線上的電平為T(mén)TL電平，從機(jī)器人復(fù)雜路徑數(shù)據(jù)傳輸開(kāi)始至結(jié)束，線上電平先是TTL電平，然后轉(zhuǎn)換至RS-232電平，最后返至TTL電平。接收器所接收的電平一般在+3～+12 V和-3～-12 V范圍內(nèi)，RS-232的串行通信接口為根據(jù)電壓正負(fù)表示不同邏輯方式，要使計(jì)算機(jī)經(jīng)過(guò)接口與TTL終端進(jìn)行連接，必須將電壓正負(fù)轉(zhuǎn)換成電平的高低?？蓪⒎至⒃蛐酒呻娐贩旁赗S-232與TTL電路間。針對(duì)多自由度籃球機(jī)器人復(fù)雜路徑相關(guān)數(shù)據(jù)的雙向傳遞，根據(jù)MAX232芯片可完成從TTL至RS-232的雙向電平轉(zhuǎn)換。MAX232芯片是美信生產(chǎn)的低功耗和單電源雙RS-232收發(fā)器，適用在多種串行通信接口中。

1.3 機(jī)器人復(fù)雜路徑跟蹤控制系統(tǒng)監(jiān)控電路

多自由度籃球機(jī)器人復(fù)雜路徑跟蹤控制系統(tǒng)監(jiān)控電路，也可以稱(chēng)為“看門(mén)狗”電路。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用MAX706電路芯片進(jìn)行監(jiān)控電路設(shè)計(jì)，監(jiān)控電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)監(jiān)控電路設(shè)計(jì)

MAX706是一種低功耗CMOS監(jiān)控電路芯片，內(nèi)部電路根據(jù)上電復(fù)位和可重觸發(fā)的“看門(mén)狗”定時(shí)器以及電壓比較器等構(gòu)成。其中，MAX706僅在1.6 s內(nèi)就可以檢測(cè)到WCI引腳，有高低電平的跳變信號(hào)，那么“看門(mén)狗”的定時(shí)器清零，并重新計(jì)時(shí)，假如超出1.6 s，WCI引腳還是沒(méi)有高低電平的跳變信號(hào)，則“看門(mén)狗”的定時(shí)器將會(huì)溢出，WDO引腳也會(huì)輸出電平，從而觸發(fā)MR手動(dòng)復(fù)位引腳并使MAX706復(fù)位，進(jìn)而使“看門(mén)狗”的定時(shí)器清零，重新計(jì)時(shí)，WDO引腳開(kāi)始輸出高電平MAX706中RET復(fù)位引腳的輸出寬度，大概為200毫米的低電平脈沖，該脈沖可使籃球機(jī)器人復(fù)雜路徑跟蹤控制系統(tǒng)穩(wěn)定復(fù)位，并重新開(kāi)始運(yùn)行。

1.4 機(jī)器人復(fù)雜路徑跟蹤控制系統(tǒng)復(fù)位電路

為籃球機(jī)器人復(fù)雜路徑跟蹤控制系統(tǒng)安設(shè)復(fù)位電路，可使籃球機(jī)器人對(duì)復(fù)雜路徑進(jìn)行準(zhǔn)確機(jī)記憶，能夠快速移動(dòng)到先前的位置，完成準(zhǔn)確、快速?gòu)?fù)位。選用TMS320F2812芯片進(jìn)行復(fù)位電路設(shè)計(jì)，TMS320F2812的復(fù)位不能屏蔽外部中斷，根據(jù)TMS320F2812數(shù)據(jù)手冊(cè)，芯片復(fù)位引腳中有效額電平必須要持續(xù)6個(gè)時(shí)鐘周期，在籃球機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，考慮到機(jī)器人并不是于強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下工作，因此復(fù)位電路利用RC電路、按鍵組成。

1.5 機(jī)器人復(fù)雜路徑跟蹤控制系統(tǒng)電源電路

電源電路是籃球機(jī)器人復(fù)雜路徑跟蹤控制系統(tǒng)不可缺少的組成部分，對(duì)電源電路的合理設(shè)計(jì)，是提高籃球機(jī)器人復(fù)雜路徑跟蹤控制系統(tǒng)質(zhì)量的關(guān)鍵。它的主要作用是，為跟蹤控制系統(tǒng)中所有模塊提供電源，改進(jìn)系統(tǒng)中所有電源均為直流電源。驅(qū)動(dòng)電機(jī)電源是+24 VDC、超聲波測(cè)距電壓是+5 VDC。其余和TMS320F2812有關(guān)的器件電壓均是+3.3 VDC。且在多自由度籃球機(jī)器人復(fù)雜路徑跟蹤控制系統(tǒng)中，功率最大的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其工作電壓為+24 VDC，最大工作電流為0.825 ADC。3.3 VDC電源利用穩(wěn)壓芯片TPS76822來(lái)構(gòu)建。

1.6 路徑跟蹤控制系統(tǒng)超聲波測(cè)距調(diào)理電路

超聲波測(cè)距調(diào)理電路是所設(shè)計(jì)的籃球機(jī)器人復(fù)雜路徑跟蹤控制系統(tǒng)創(chuàng)新所在。超聲波測(cè)距功能可提供籃球機(jī)器人所遇障礙物的距離信息。發(fā)射超聲波路遇障礙物，返至超聲波換能器，將其接收的信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，超聲波于空氣中經(jīng)過(guò)，會(huì)有比較大的損耗。所傳回的超聲波信號(hào)十分微弱，于是在機(jī)器人復(fù)雜路徑跟蹤控制系統(tǒng)超聲波測(cè)距調(diào)理電路中，JP3是接收換能器的輸出端，其中換能器輸出的引腳與0.047 μF電容濾波并接。5 VDC電源接入0.1 μF的電容濾波，連接好電路之后無(wú)需調(diào)制，僅需注意超聲波換能器的模擬地，就可以減少超聲波往返中的損耗和噪聲。

2 籃球機(jī)器人復(fù)雜路徑跟蹤控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

機(jī)器人復(fù)雜路徑控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，僅有控制器需進(jìn)行軟件策劃?？刂破鱐MS320F2812的主要任務(wù)：超聲波的測(cè)距設(shè)計(jì)管理。結(jié)合籃球機(jī)器人復(fù)雜路徑控制系統(tǒng)的硬件部分，對(duì)系統(tǒng)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。由硬件中路徑跟蹤控制器實(shí)現(xiàn)的跟蹤控制功能是所提控制系統(tǒng)軟件部分的最核心操作。主控板的控制器軟件設(shè)計(jì)包含超聲波測(cè)距，這里將對(duì)此進(jìn)行介紹。

在主控板控制器的流程中，籃球機(jī)器人的復(fù)位向量地址為程序入口和程序初始化。其中初始化內(nèi)容包含：擴(kuò)展方式、DARAM、倍頻等基本配置，這些配置均是多自由度籃球機(jī)器人復(fù)雜路徑跟蹤控制系統(tǒng)中的控制器使用的，最為基本的配置流程。初始化之后，會(huì)開(kāi)啟相關(guān)的中斷程序，然后進(jìn)入超聲波測(cè)距，并一直循環(huán)。如果產(chǎn)生中斷，那么立即中斷服務(wù)程序。

程序初始化中包含10 ms定時(shí)器0和定時(shí)器1以及串口，據(jù)此超聲波的測(cè)距流程：發(fā)射超聲波后，如有超聲波的反射信號(hào)返回，則由外中斷0計(jì)算接收的距離。如在定時(shí)器1，超聲波信號(hào)發(fā)射時(shí)，打開(kāi)了定時(shí)器，定時(shí)的時(shí)間為最大超聲波測(cè)量距離傳輸時(shí)需要的時(shí)間。在定時(shí)器1中斷時(shí)，沒(méi)有外中斷0發(fā)生，則斷定并沒(méi)有超聲波反射回來(lái)，那么進(jìn)入定時(shí)器1中斷時(shí)，將超聲波返回中斷以及超聲波傳輸時(shí)間定時(shí)器關(guān)閉，繼續(xù)下一次的超聲波測(cè)距并循環(huán)。

假設(shè)將各種定時(shí)器、計(jì)時(shí)器一起打開(kāi)，并假設(shè)定時(shí)時(shí)間是14.7 ms，其對(duì)應(yīng)的障礙物距離為5 m，如在定時(shí)器中斷時(shí)，還未收到超聲波，那么說(shuō)明5 m內(nèi)無(wú)障礙物，退出測(cè)距，并進(jìn)入下個(gè)測(cè)距模塊。也就是說(shuō)超聲波最大的測(cè)距為5 m，發(fā)射超聲波后的延時(shí)大概是1.2 ms，這是因?yàn)槌暡òl(fā)射之后，可能會(huì)經(jīng)過(guò)一定的耦合，至超聲波接收換能器中。如不經(jīng)過(guò)延時(shí)而立即打開(kāi)接收中斷，超聲波發(fā)射時(shí)基本就已經(jīng)存在接收到的超聲波，發(fā)射超聲波延時(shí)的經(jīng)驗(yàn)值大概是1.2 ms，相當(dāng)于超聲波在常溫下，空氣中傳播了40 cm，也就是說(shuō)超聲波測(cè)的距盲區(qū)大概為20 cm，但這并不影響籃球機(jī)器人正常的多自由度。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)對(duì)象如圖4所示，實(shí)驗(yàn)樓道環(huán)境俯視模型如圖5所示。其中的參數(shù)：機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)輪直徑為21 cm，輪寬為8.5 cm，輪距為46.5 cm，機(jī)器人的長(zhǎng)度為110 cm，寬度為67.9 cm，線速的最大值為±100 cm/s，角速度最大值為±268°/s，最大負(fù)重為60 kg。設(shè)計(jì)選取超聲波發(fā)射的周期為10，40 kHz方波。超聲波測(cè)距的參數(shù)為：工作電壓+5 VDC，數(shù)據(jù)傳輸方式是串口RS-232，量程為40 cm，分辨率為1 cm，響應(yīng)的時(shí)間為30 ms。

圖4 實(shí)驗(yàn)對(duì)象 圖5 實(shí)驗(yàn)樓道環(huán)境俯視模型圖

3.2 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建在WINCC 6.0上，實(shí)驗(yàn)在室內(nèi)且周長(zhǎng)為50 m*50 m的空間內(nèi)，將圖4的實(shí)驗(yàn)對(duì)象置于該室內(nèi)，將所設(shè)計(jì)的復(fù)雜路徑跟蹤控制系統(tǒng)安裝在該籃球機(jī)器人內(nèi)部，觀察改進(jìn)系統(tǒng)的整體效果。

1)超聲波測(cè)距結(jié)果，很大程度上決定了控制系統(tǒng)呈現(xiàn)的效果優(yōu)良，將實(shí)驗(yàn)迭代6次，觀察改進(jìn)系統(tǒng)超聲波測(cè)距結(jié)果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示；

圖6 改進(jìn)系統(tǒng)超聲波測(cè)距結(jié)果

2)將不同控制系統(tǒng)，應(yīng)用在多自由度籃球機(jī)器人中，設(shè)置障礙物為10個(gè)，實(shí)驗(yàn)迭代5次，觀察不同系統(tǒng)對(duì)障礙物的識(shí)別率(%)，結(jié)果如圖7所示；

圖7 不同系統(tǒng)障礙物識(shí)別率對(duì)比

3)觀察不同控制系統(tǒng)運(yùn)行所用能耗對(duì)比，設(shè)能耗單位為μ，結(jié)果如圖8所示；

圖8 不同系統(tǒng)密集環(huán)境下最優(yōu)路徑搜索能力對(duì)比

4)在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中加入較為密集的障礙物，觀察不同系統(tǒng)在密集環(huán)境下跟蹤最優(yōu)復(fù)雜路徑的能力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同控制系統(tǒng)運(yùn)行所用能耗對(duì)比結(jié)果

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

超聲波測(cè)距結(jié)果，很大程度上決定了控制系統(tǒng)呈現(xiàn)的效果優(yōu)良。為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的籃球機(jī)器人復(fù)雜路徑跟空控制系統(tǒng)超聲波測(cè)距精準(zhǔn)度，采用改進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行超聲波測(cè)距，將實(shí)驗(yàn)迭代6次，觀察改進(jìn)系統(tǒng)超聲波測(cè)距結(jié)果，得到超聲波測(cè)距誤差結(jié)果如圖6所示。

觀察圖6可知，采用改進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行超聲波測(cè)距，觀察其超聲波測(cè)距誤差曲線，超聲波測(cè)距誤差值起初隨著迭代數(shù)量的增加而增大，當(dāng)?shù)鷶?shù)量到4次時(shí)，出現(xiàn)最大超聲波測(cè)距誤差為0.5 cm，而后誤差值隨迭代數(shù)量的增加而減小。相比傳統(tǒng)系統(tǒng)，改進(jìn)系統(tǒng)的超聲波測(cè)距誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)系統(tǒng)的超聲波測(cè)距誤差，且誤差值有減小趨勢(shì)，充分說(shuō)明改進(jìn)系統(tǒng)的超聲波測(cè)距精準(zhǔn)度更高，對(duì)機(jī)器人復(fù)雜路徑跟蹤控制效果更好。

分別將所設(shè)計(jì)的籃球機(jī)器人復(fù)雜路徑跟蹤控制系統(tǒng)與文獻(xiàn)[8]系統(tǒng)、文獻(xiàn)[10]系統(tǒng)應(yīng)用在多自由度籃球機(jī)器人中，測(cè)試三種不同系統(tǒng)對(duì)障礙物的識(shí)別率(%)，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)對(duì)障礙物的識(shí)別效果，三種不同系統(tǒng)障礙物識(shí)別率對(duì)比結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，依照超聲波測(cè)距為機(jī)器人提供了所遇障礙物距離信息，經(jīng)發(fā)射超聲波路遇障礙物之后，會(huì)反射回來(lái)，從而識(shí)別障礙物的原理，采用文獻(xiàn)[8]系統(tǒng)測(cè)試機(jī)器人對(duì)障礙物的識(shí)別效果，其障礙識(shí)別率在迭代數(shù)量持續(xù)增加的情況下，沒(méi)有較大變化，障礙識(shí)別率的平均值為55%，障礙識(shí)別率曲線以平均值為基準(zhǔn)上下波動(dòng)。采用文獻(xiàn)[10]系統(tǒng)測(cè)試機(jī)器人對(duì)障礙物的識(shí)別效果，其障礙識(shí)別率隨迭代數(shù)量的變化不大，平均保持在70%，相較于文獻(xiàn)[8]系統(tǒng)，對(duì)障礙物的識(shí)別效果有所提高，但提高不明顯。采用改進(jìn)系統(tǒng)對(duì)機(jī)器人障礙物識(shí)別效果進(jìn)行測(cè)試，改進(jìn)系統(tǒng)的障礙識(shí)別率隨著迭代數(shù)量的增加穩(wěn)步上升，當(dāng)?shù)鷶?shù)量為5次時(shí)，障礙識(shí)別率近乎達(dá)到了100%。對(duì)比改進(jìn)系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)的障礙識(shí)別率可得，應(yīng)用改進(jìn)系統(tǒng)的機(jī)器人對(duì)障礙物識(shí)別能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)應(yīng)用傳統(tǒng)系統(tǒng)的機(jī)器人識(shí)別能力，充分說(shuō)明改進(jìn)系統(tǒng)的障礙物識(shí)別精度更高，應(yīng)用改進(jìn)系統(tǒng)的機(jī)器人具有更高的移動(dòng)靈活度，對(duì)障礙物的識(shí)別效果更好。

分別對(duì)裝有改進(jìn)設(shè)計(jì)的籃球機(jī)器人復(fù)雜路徑跟蹤控制系統(tǒng)、文獻(xiàn)[7]系統(tǒng)、文獻(xiàn)[8]系統(tǒng)的機(jī)器人，進(jìn)行密集環(huán)境下最優(yōu)路徑搜索能力測(cè)試。在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中加入較為密集的障礙物，測(cè)試三種不同系統(tǒng)在密集環(huán)境下跟蹤最優(yōu)復(fù)雜路徑的能力，測(cè)得多障礙物環(huán)境下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡如圖10所示。

圖10 多障礙物環(huán)境中機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡

由圖10可知，Start端為機(jī)器人運(yùn)行起始點(diǎn)，Goal端為機(jī)器人運(yùn)行終結(jié)點(diǎn)，周?chē)谏珗D形為實(shí)驗(yàn)所設(shè)置的障礙物。安設(shè)三種不同系統(tǒng)的機(jī)器人均以此運(yùn)行軌跡運(yùn)行，所得三種不同系統(tǒng)最優(yōu)路徑搜索能力對(duì)比結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知，當(dāng)環(huán)境中的障礙物增多時(shí)，即密集環(huán)境下，采用文獻(xiàn)[7]系統(tǒng)進(jìn)行最優(yōu)路徑搜索，其最優(yōu)路徑搜索時(shí)間的起始值為11 s,在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，搜索時(shí)間雖有下降值，但總體隨著障礙物數(shù)量的增加，呈上升趨勢(shì)，說(shuō)明障礙物越多，最優(yōu)路徑的搜索耗時(shí)越長(zhǎng)。相同環(huán)境下，采用文獻(xiàn)[8]系統(tǒng)進(jìn)行最優(yōu)路徑搜索，最優(yōu)路徑搜索時(shí)間起始值為6 s，隨障礙物的增多，搜索時(shí)間小幅度上升，曲線波動(dòng)較為平穩(wěn)，相比文獻(xiàn)[7]系統(tǒng)，其最優(yōu)路徑搜索能力有所提升。而采用改進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行最優(yōu)路徑搜索，其最優(yōu)路徑搜索時(shí)間的起始值為4 s,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于文獻(xiàn)[7]系統(tǒng)、文獻(xiàn)[8]系統(tǒng)的搜索時(shí)間，說(shuō)明改進(jìn)系統(tǒng)最優(yōu)路徑搜索速度更快。再由改進(jìn)系統(tǒng)最優(yōu)路徑搜索時(shí)間曲線可知，其搜索時(shí)間平均保持在4 s，不會(huì)隨著障礙物數(shù)量的增加而增加。對(duì)比三種系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果，充分說(shuō)明采用改進(jìn)系統(tǒng)的機(jī)器人，在密集環(huán)境下，最優(yōu)路徑搜索能力更強(qiáng)，改進(jìn)系統(tǒng)的性能更優(yōu)，極具有效性和實(shí)用性。

分別將傳統(tǒng)系統(tǒng)和所設(shè)計(jì)的籃球機(jī)器人復(fù)雜路徑跟蹤控制系統(tǒng)安裝到實(shí)驗(yàn)對(duì)象上，通過(guò)對(duì)復(fù)雜路徑進(jìn)行跟蹤控制，測(cè)試兩種系統(tǒng)的運(yùn)行能耗情況，設(shè)能耗單位為μ，兩種系統(tǒng)運(yùn)行能耗對(duì)比結(jié)果如圖8所示。

觀察圖8可知，應(yīng)用文獻(xiàn)[8]控制系統(tǒng)共的機(jī)器人在對(duì)復(fù)雜路徑進(jìn)行跟蹤控制時(shí)，其運(yùn)行所用的能耗平均值約為96 μ，當(dāng)障礙物數(shù)量為6個(gè)時(shí)，出現(xiàn)最大運(yùn)行能耗，為105 μ，從圖中可以看出，該系統(tǒng)的運(yùn)行能耗隨著障礙物數(shù)量的增加快速增長(zhǎng)。應(yīng)用文獻(xiàn)[9]控制系統(tǒng)的機(jī)器人在對(duì)復(fù)雜路徑進(jìn)行跟蹤控制時(shí)，其運(yùn)行所用的能耗平均值約為85 μ，當(dāng)障礙物數(shù)量為6個(gè)時(shí)，出現(xiàn)最大運(yùn)行能耗值為90 μ。應(yīng)用改進(jìn)系統(tǒng)的機(jī)器人對(duì)復(fù)雜路徑進(jìn)行跟蹤控制后，其運(yùn)行所用能耗平均保持在45 μ，當(dāng)障礙物數(shù)量為2個(gè)時(shí)，運(yùn)行能耗最大，為49 μ。對(duì)比改進(jìn)系統(tǒng)與文獻(xiàn)[8]系統(tǒng)、文獻(xiàn)[9]系統(tǒng)的運(yùn)行能耗平均值，相差45 μ，改進(jìn)系統(tǒng)的運(yùn)行能耗僅僅是文獻(xiàn)[9]系統(tǒng)運(yùn)行能耗的一半，是文獻(xiàn)[8]系統(tǒng)云性能耗的四分之一。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可充分說(shuō)明，改進(jìn)系統(tǒng)的運(yùn)行能耗更低，應(yīng)用改進(jìn)系統(tǒng)的籃球機(jī)器人具有長(zhǎng)久的使用時(shí)長(zhǎng)，運(yùn)行效果更佳，同時(shí)驗(yàn)證了改進(jìn)系統(tǒng)的實(shí)用性。

綜上所述，通過(guò)超聲波測(cè)距誤差分析、障礙物識(shí)別率分析、運(yùn)行能耗分析及密集環(huán)境下最優(yōu)路徑搜索能力分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分表明，所設(shè)計(jì)的籃球機(jī)器人復(fù)雜路徑跟蹤控制系統(tǒng)具有超聲波測(cè)距精度高、障礙物識(shí)別率高、運(yùn)行能耗低、最優(yōu)路徑搜索能力強(qiáng)等良好性能，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性、有效性及實(shí)用性。

4 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前的機(jī)器人學(xué)所涉及的現(xiàn)代技術(shù)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和傳感器技術(shù)等多門(mén)學(xué)科，其中機(jī)器人復(fù)雜路徑跟蹤控制系統(tǒng)，是使機(jī)器人正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。經(jīng)過(guò)上述的實(shí)驗(yàn)可知，本文所提方法具有可行性，但也有一些方面需要進(jìn)一步提高。

考慮到機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)易用性，應(yīng)將相關(guān)獨(dú)立硬件更好地連接到同一系列電路上，盡量減少系統(tǒng)的連接線，應(yīng)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人復(fù)雜路徑跟蹤控制策略進(jìn)行深度研究，這樣可以更好地服務(wù)大眾。

[1] 楊 興,張 亞,楊 巍,等.室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2016,16(15):234-238.

[2] 陳 薇,蔣旭云.關(guān)于輪式機(jī)器人路徑規(guī)劃控制仿真[J].計(jì)算機(jī)仿真,2016,33(5):367-371.

[3] 郭勝?lài)?guó),邢丹丹.一種改進(jìn)蟻群算法在機(jī)器人路徑規(guī)劃中的應(yīng)用[J].科技通報(bào),2015,31(12):91-93.

[4] 雷 霆,張國(guó)良,羊 帆,等.應(yīng)用于力矩受限自由漂浮空間機(jī)器人的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2015,23(4):1168-1171.

[5] 余 軻,鄧本再.基于標(biāo)準(zhǔn)可加性模糊系統(tǒng)的足球機(jī)器人守門(mén)員的路徑規(guī)劃[J].電子設(shè)計(jì)工程,2016,24(18):155-158.

[6] 王洪泉,師五喜,常紹平,等.基于終端滑模機(jī)器人模糊自適應(yīng)路徑跟蹤控制[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2015,51(16):36-41.

[7] 陳 浩,盧 偉,趙賢林,等.基于力反饋的拖拉機(jī)駕駛機(jī)器人換擋機(jī)械手模糊PID自適應(yīng)控制方法研究[J].南京農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2016,39(1):166-174.

[8] 陳順立.農(nóng)業(yè)機(jī)器人路徑優(yōu)化及軌跡跟蹤研究—基于遺傳算法[J].農(nóng)機(jī)化研究,2017,39(8):17-21.

[9] 袁 鑄,申一歌.農(nóng)業(yè)機(jī)器人軌跡優(yōu)化自動(dòng)控制研究——基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算力矩[J].農(nóng)機(jī)化研究,2017,39(6):33-37.

[10] 殷蘇民,鄭昌俊,徐啟祥,等.基于Sysmac自動(dòng)化平臺(tái)的Delta機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓,2017,45(3):1-5.

Design of Complex Path Tracking Control System for Multi DOF Basketball Robot

Chen Yang,Gong Bo

(Fourth Military Medical University,Xi′an 710032,China)

In order to solve the problem of low complexity, low running energy consumption and so on, the design method of complex complex path tracking control system of multi degree of freedom robot based on ultrasonic is proposed. Through the interface circuit design of the control system of MAX232 chip, the construction of monitoring circuit with low power consumption CMOS monitoring circuit chip MAX706, ultrasonic wave can provide accurate robot with obstacle distance information, such as a barrier will receive the information converted to form electrical signals back to the main control board. The software uses the program of the main board controller and the design of ultrasonic ranging program. The experimental results show that the designed control system can improve the recognition rate of the obstacle and reduce the energy consumption of the system.

multi degree of freedom;basketball robot;complex path;tracking control

2017-09-01；

2017-10-13。

陳 楊(1986-)，男，陜西商洛人，大學(xué)，助教，主要從事體育教育方向的研究。

1671-4598(2017)12-0095-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.12.025

TP242

A