曹鵬彬，胡泰然，陳緒兵

( 武漢工程大學 機電工程學院，湖北 武漢 430205)

0 引言

近年來，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和成熟，人工智能技術(shù)發(fā)展越來越快,而機器人作為人工智能的載體，已經(jīng)滲透到各行各業(yè)，被認為是服務人類的工具。機器人作為一種機電一體化設備，具有在人類控制下自動執(zhí)行工作的能力，美國機器人協(xié)會給機器人的定義[1]為：“一種可編程和多功能的操作機；或是為了執(zhí)行不同的任務而具有可用電腦改變和可編程動作的專門系統(tǒng)[2]?！?/p>

進入21世紀以來，隨著人們生活水平的日益提高，機器人逐漸從工廠走向千家萬戶，作為服務型機器人，成為家庭中重要的組成部分[3-4]。

在全世界先后踏進老齡化社會過程中，助老助殘機器人占有越來越大的比重。在助老助殘機器人中，爬樓的實現(xiàn)是很具有挑戰(zhàn)性的。

針對老齡化人群爬樓困難的問題，開發(fā)了一套軟硬件結(jié)合的產(chǎn)品，幫助老人完成爬樓;研究了智能爬樓機器人在爬樓過程中的姿態(tài)控制，為爬樓動作的實現(xiàn)奠定基礎。

1 爬樓機器人整體方案設計

智能爬樓機器人可以分解成硬件電路和軟件程序兩大部分。其中硬件電路部分為電路本身(包含傳感器模塊、驅(qū)動器模塊、步進電機、電源模塊等)，軟件程序為主控制器控制程序。首先由傳感器模塊將采集的數(shù)據(jù)傳送給主控制器進行運算處理,主控制器根據(jù)當前的姿態(tài)，將數(shù)據(jù)輸出給驅(qū)動器模塊來控制電機達到爬樓的效果[5]。爬樓過程中姿態(tài)如圖1所示。

2 爬樓過程中硬件設計

2.1 器件選型

本文采用STM32F103ZET6作為主控制器，MPU6050為姿態(tài)傳感器，同時配備超聲波傳感器KS103、電子羅盤HMC5983以及編碼器HKT22等，主控制器的參數(shù)如表1所示。

圖1 爬樓機器人底盤爬樓姿態(tài)圖

裝置核芯ARM Cortex M3數(shù)據(jù)總線寬度(bit)32程序Flash(kB)128最大IIC通道數(shù)目2RAM (kB)20最大SPI通道數(shù)目2工作頻率 (MHz)72最大USART通道數(shù)目3I/Os100計時器(bit)3×16指令集結(jié)構(gòu)RISC計時器分辨率(bit)16

2.2 硬件電路設計

(1) 電源部分設計。電源部分采用德州儀器LM43603QPWP電源穩(wěn)壓芯片，該芯片是一款同步降壓轉(zhuǎn)換器，此轉(zhuǎn)換器能夠驅(qū)動高達3 A的負載電流，其輸入電壓范圍為3.5 V～36 V(最大絕對值42 V)。同時采用峰值電流模式來實現(xiàn)簡單控制環(huán)路補償和逐周期電流限制。

(2) 主控電路設計。主控芯片采用意法半導體STM32F103ZET6。該芯片采用Cortex M3內(nèi)核，支持2路SPI、2路IIC，其工作穩(wěn)定，性能強勁。同時支持3路USART串口，方便調(diào)試。

(3) 外圍電路設計。爬樓過程中的姿態(tài)數(shù)據(jù)獲取采用MPU6050六軸加速度計陀螺儀傳感器，距離信息采用超聲波傳感器獲取，同時使用編碼器采集當前電機轉(zhuǎn)速，為平衡提供條件。調(diào)試電路的設計同時還包括Flash存儲芯片(W25Q64)模塊的電路設計、SD卡模塊的電路設計，為參數(shù)和地圖等信息的存儲創(chuàng)造了條件。

2.3 硬件PCB設計

根據(jù)以上分析，設計原理圖并繪制PCB，通過打樣焊接最終得到主控板如圖2所示。

圖2 STM32主控板實物圖

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 軟件整體方案設計

軟件設計整體方案采用閉環(huán)控制，爬樓過程中首先讀取MPU6050傳感器、超聲波等傳感器信息，通過電機來調(diào)整當前的方向和間距。整體的執(zhí)行策略如圖3所示。

3.2 姿態(tài)濾波算法

姿態(tài)傳感器的數(shù)據(jù)波動非常大，所以對傳感器數(shù)據(jù)的濾波是至關(guān)重要的。本文以卡爾曼濾波為基礎，采用改進的卡爾曼濾波得到平滑的曲線。濾波效果良好，曲線平滑過沖小。

3.3 模糊PID控制算法

將模糊控制的理念與傳統(tǒng)的PID控制算法相結(jié)合，就可以形成模糊PID控制。模糊PID算法結(jié)合了傳統(tǒng)PID控制和現(xiàn)代控制理論中模糊控制的優(yōu)點，對非線性的系統(tǒng)有較好的控制效果。本系統(tǒng)采用模糊PID算法，實際調(diào)試過程中取得了較好的控制效果。

圖3 爬樓機器人軟件設計流程圖

4 結(jié)論

本文首先系統(tǒng)分析了爬樓機器人設計的總體方案，設計方案包括硬件電路的設計和主控制器算法的設計。硬件電路的設計部分包含主控制器、傳感器模塊、電機驅(qū)動器模塊、步進電機等器件的選型，同時對主控制器核心控制電路、傳感器接口、電源模塊、驅(qū)動模塊的電路集成設計。主控制器算法部分采用卡爾曼濾波，得到較為準確的傳感器數(shù)據(jù)，再通過模糊PID算法，保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

參考文獻：

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[5] 劉浩蓬,龍長江,萬鵬，等.植保四軸飛行器的模糊PID控制[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2015(1):71-77.