前言

工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)控制對系統(tǒng)的實時性具有很高的要求，目前主流的工業(yè)機(jī)器人都是采用專門定制的運(yùn)動控制卡，加上實時操作系統(tǒng)，這樣既保證了數(shù)據(jù)的實時傳輸又能保證運(yùn)動控制的精確執(zhí)行，大大提升了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從而提升機(jī)器人的性能。另外的一些機(jī)器人產(chǎn)品是采用工業(yè)PC搭載高速總線的伺服控制系統(tǒng)，其控制PC采用的是實時操作系統(tǒng)，如vxworks或者windows+RTX實時擴(kuò)展平臺保證軟件運(yùn)行環(huán)境的實時性，通過運(yùn)動規(guī)劃和運(yùn)動控制單元可以實現(xiàn)對總線式伺服驅(qū)動器的控制，從而達(dá)到對機(jī)器人的精確控制。采用實時操作系統(tǒng)來搭建機(jī)器人控制系統(tǒng)是一個很好的解決方案，然而，其代價也是昂貴的，由于實時操作系統(tǒng)的成本高，這很大程度上限制了國內(nèi)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。采用通用的操作系統(tǒng)消息處理機(jī)制的缺陷是不能滿足工業(yè)機(jī)器人在運(yùn)行過程中高穩(wěn)定性和響應(yīng)快速性的要求，控制系統(tǒng)的上下位機(jī)之間進(jìn)行頻繁地通信，實時性必然會跟不上運(yùn)動控制的要求，從而大大地降低了工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化的可能。此外，模塊化、可重構(gòu)的工業(yè)機(jī)器人新型機(jī)構(gòu)設(shè)計、基于實時系統(tǒng)和高速通信總線的高性能開放式控制系統(tǒng)、在高速、負(fù)載工作環(huán)境下的工業(yè)機(jī)器人優(yōu)化設(shè)計、高精度工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動規(guī)劃和伺服控制、基于三維虛擬仿真和工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)線集成技術(shù)、復(fù)雜環(huán)境下機(jī)器人動力學(xué)控制和工業(yè)機(jī)器人故障遠(yuǎn)程診斷與修復(fù)技術(shù)等也是機(jī)器人關(guān)鍵功能部件中重點(diǎn)解決的核心問題。

多信息融合的機(jī)器人智能感知與人機(jī)交互智能感知與人機(jī)交互是機(jī)器人與環(huán)境、機(jī)器人與人進(jìn)行融合、交互的基礎(chǔ)。機(jī)器人感知識別技術(shù)在高效計算與精確識別方面有著巨大的發(fā)展空間，未來智能感知與認(rèn)知主要是在傳感器技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，進(jìn)行大量數(shù)據(jù)有效分類、歸納，并提取可靠有效信息，凝聚成反映人—機(jī)—環(huán)境交互關(guān)系的特征數(shù)據(jù)網(wǎng)，并結(jié)合人工智能的發(fā)展及高效能計算能力的實現(xiàn)，為機(jī)器人的智能化發(fā)展提供基礎(chǔ)保障。

運(yùn)動控制器是智能機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對機(jī)器人的平穩(wěn)運(yùn)行起著重要作用。隨著新的智能控制算法的不斷涌現(xiàn)，智能機(jī)器人正向著智能化方向發(fā)展，MATLAB提供了一個高性能的數(shù)值計算和圖形顯示的數(shù)學(xué)和工程計算軟件環(huán)境。這種易于使用的MATLAB環(huán)境，是由數(shù)值分析、矩陣計算、信號處理和圖形繪制等組成。在這種環(huán)境下，問題的解答表達(dá)方式幾乎和他們的數(shù)學(xué)表達(dá)方式完全一樣，不像傳統(tǒng)的編程那么復(fù)雜。

1控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述

智能機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)是整個智能機(jī)器人的基礎(chǔ)，可靠的運(yùn)動控制系統(tǒng)是智能機(jī)器人實驗設(shè)計的前提。設(shè)計智能智能機(jī)器人控制系統(tǒng)構(gòu)成圖如圖1所示。

圖1智能機(jī)器人控制系統(tǒng)構(gòu)成圖

移動機(jī)器人控制系統(tǒng)的主要內(nèi)容是生成機(jī)器人的運(yùn)動控制信息，控制機(jī)器人的運(yùn)動。軌跡跟蹤是移動機(jī)器人需要完成的任務(wù)之一，其典型工作過程為機(jī)器人運(yùn)動控制器根據(jù)規(guī)劃好的路徑生成機(jī)器人的運(yùn)動控制信息，控制機(jī)器人完成相應(yīng)的移動，完成規(guī)劃路徑的跟蹤。運(yùn)動控制過程中用到的輸入信息包括底層超聲波測距模塊提供的障礙物距離信息，電機(jī)碼盤提供的機(jī)器人的位置、速度信息，以及全景攝像機(jī)、單目視覺攝像機(jī)采集并經(jīng)過處理后的視頻信息等。

智能機(jī)器人的車載處理器和上位機(jī)作為處理中樞，接收激光、超聲波等測距模塊提供的障礙物距離信息，全景、雙目視覺提供的視覺信息。結(jié)合上位機(jī)中的預(yù)設(shè)功能，通過控制驅(qū)動電機(jī)控制機(jī)器人完成相應(yīng)動作。

2主控板軟件設(shè)計

主控板硬件完成模塊管理、設(shè)備通訊及機(jī)器人定位脈沖檢測等內(nèi)容。在實際應(yīng)用中，主控板硬件還負(fù)責(zé)超聲波測距的軟件管理，因為功能為超聲波測距軟件設(shè)計。

主控板硬件中只有主控板控制器需要進(jìn)行軟件設(shè)計。主控板控制器TMS320LF2407A的主要任務(wù)是超聲波測距的軟件設(shè)計管理，余下基本都是一些基本設(shè)置內(nèi)容，包括電機(jī)碼盤的正交編碼脈沖檢測。初始選定TMS320LF2407A作為主控板控制器是考慮到此控制系統(tǒng)可以作為以后機(jī)器人應(yīng)用的平臺，可以在TMS320LF2407A里嵌入實時系統(tǒng)，提升系統(tǒng)性能，方便接口開發(fā)。

主控板控制器的軟件設(shè)計內(nèi)容包括模塊初始化、串口通訊、正交編碼脈沖檢測和超聲波測距軟件。這里介紹模塊初始化串口通訊和正交編碼脈沖檢測等內(nèi)容。

圖2主板控制器程序流程圖

程序流程圖如圖2所示，復(fù)位向量地址為程序入口。然后程序進(jìn)行初始化。初始化內(nèi)容包括擴(kuò)展方式、溢出方式、DARAM、倍頻、JTAG等基本配置。另外還有使用的相關(guān)I／0121的設(shè)置、程序使用相關(guān)定時器的設(shè)置、程序使用相關(guān)中斷的設(shè)置和串口通訊的相關(guān)設(shè)置。這些配置都是控制器使用的基本配置流程。初始化之后會開啟相關(guān)的中斷程序，隨后進(jìn)入超聲波測距程序，并一直循環(huán)。中斷服務(wù)程序處于就緒狀態(tài)，一旦有中斷發(fā)生，中斷服務(wù)程序立即執(zhí)行。

在TMS320LF2407A的所有程序中，需要對其串口的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收程序做說明。異步通信使用三條線(地線、發(fā)送線、接收線)連接采用RS232格式的終端。發(fā)送各位依次為一個起始位、1～8個數(shù)據(jù)位、可選的一個奇偶校驗位、1~2個停止位。因此串口通訊能夠傳輸?shù)淖畲蟮臄?shù)據(jù)單位為8位，即一個字節(jié)。在設(shè)計中控制器和各終端會有各種類型的數(shù)據(jù)交流，如整形數(shù)據(jù)和浮點(diǎn)數(shù)據(jù)，因此需要對串口發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

考慮四個字節(jié)的單精度浮點(diǎn)數(shù)的數(shù)據(jù)傳輸，因為串口每次最多只能傳輸一個字節(jié)，所以只需要把每個四字節(jié)浮點(diǎn)數(shù)的存儲數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成字節(jié)形式發(fā)送即可，設(shè)計中采用強(qiáng)制轉(zhuǎn)換的方式完成。需要注意的地方在于TMS320LF2407A是16位芯片，因此，在TMS320LF2407A中，數(shù)據(jù)存儲均是以16位整形的數(shù)據(jù)形式存儲的，用戶對于數(shù)據(jù)的處理應(yīng)該都是以16位整形數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的，所以不能將浮點(diǎn)數(shù)強(qiáng)制轉(zhuǎn)換成字節(jié)數(shù)組進(jìn)行處理。例如對4字節(jié)浮點(diǎn)數(shù)的發(fā)送來說，首先應(yīng)該將浮點(diǎn)數(shù)強(qiáng)制轉(zhuǎn)換為2個整形數(shù)。2個整形數(shù)的處理方式完全一樣，只不過在存儲地址上是字節(jié)數(shù)組的高低位不同。

對于正交編碼脈沖的檢測，TMS320LF2407A具有獨(dú)立的正交編碼脈沖單元，只要對單元寄存器進(jìn)行簡單設(shè)置即可得到機(jī)器人驅(qū)動輪的運(yùn)行方向和距離參數(shù)。TMS320LF2407A將這些數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到上位機(jī)，由上位機(jī)建模，對數(shù)據(jù)加以處理后得到機(jī)器人的位姿信息。

3電機(jī)驅(qū)動軟件設(shè)計

電機(jī)驅(qū)動軟件完成電機(jī)的驅(qū)動控制和閉環(huán)調(diào)速。驅(qū)動控制使用的是電機(jī)驅(qū)動主控芯片STCl2C4052AD的片內(nèi)PWM外設(shè)單元，生成的PWM信號經(jīng)過電機(jī)驅(qū)動芯片驅(qū)動電機(jī)，可以通過調(diào)節(jié)PWM占空比來調(diào)節(jié)加載在電機(jī)上24VDC電壓的占空比，從而調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。PWM占空比由片內(nèi)8位的PWM控制寄存器進(jìn)行控制，該寄存器取值范圍為0,--255，分別代表PWM信號占空比從l到0的連續(xù)變化。同時STCl2C4052AD接收電機(jī)光電碼盤的脈沖信號，利用片內(nèi)時鐘計算出電機(jī)運(yùn)行速度，通過速度控制算法完成電機(jī)的閉環(huán)調(diào)速。

電機(jī)驅(qū)動及閉環(huán)調(diào)速軟件算法流程圖如圖3所示。

圖3電機(jī)驅(qū)動控制器程序流程圖

4結(jié)論

智能機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計，重點(diǎn)在于運(yùn)動控制模塊的設(shè)計，包括軟件設(shè)計和電機(jī)驅(qū)動程序的編寫。運(yùn)動控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要是對機(jī)器人速度和位置的控制，核心是對電機(jī)的控制，本論文中選取改進(jìn)的PID控制算法為了讓雙電機(jī)同步，加入了同步的PID算法，并做了相應(yīng)的改進(jìn)，為驗證改進(jìn)效果，又做了改進(jìn)PID控制算法的仿真與簡單PID算法的比較。實驗結(jié)果表明改進(jìn)的PID算法能夠滿足運(yùn)動控制需求。