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    移动机器人运动控制算法入门


    尚未完成,以前学习的主要是机械臂的运动控制理论,现在转行到移动机器人控制还是有些困难,写这一篇文章主要是用于记录学习的一些过程,后续会根据学习到的知识逐渐加入所需要的算法和一些基本技能介绍。本文主要是提纲式的介绍,不会直接介绍技术细节,但是会给出相关技术的链接地址,不喜勿喷!

    移动小车轮子

    移动机器人一般有两种常用的移动方式,轮式或腿式,腿式移动最大优点是地形适应能力强,最大缺点是负载地,运动慢,总的来说运用成本太高,大量推广使用有难度。轮式,与腿式刚好相反,只能适应特定地形,最佳是公路、平地,但成本低,控制简单,负载大,所以在机器人技术还不是十分成熟(当前),商业化运用轮式机器人的优点十分明显,可以说是机器人推广必不可少的一步。
    移动小车使用的轮子可以采用传统的汽车轮子、麦克纳姆轮、全向轮等,其中麦克纳姆轮和全向轮其全方位移动特性特别适合移动小车的运用。

    麦克纳姆轮

    全向轮

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  • 2 两轮差速驱动移动机器人运动控制仿真 2.1 基于距离偏差与姿态偏差反馈的PID控制器直线运动控制仿真 2.1.1 控制策略 2.1.2 控制框图 2.1.3 仿真程序 2.1.4 仿真结果 2.1.5 结果分析 2.2 基于位置偏差与姿态偏差反馈...

    目录

    1 两轮差速驱动移动机器人运动学建模

    1.1 物理量说明

    1.2 正运动学模型

    1.3 逆运动学模型

    1.4 其他运动学特性

    1.5 Simulink仿真

    1.5.1 仿真程序

    1.5.2 仿真结果

    2 两轮差速驱动移动机器人运动控制仿真

    2.1 基于距离偏差与姿态偏差反馈的PID控制器直线运动控制仿真

    2.1.1 控制策略

    2.1.2 控制框图

    2.1.3 仿真程序

    2.1.4 仿真结果

    2.1.5 结果分析

    2.2 基于位置偏差与姿态偏差反馈的PID控制器直线运动控制仿真

    2.2.1 控制策略

    2.2.2 控制框图

    2.2.3 仿真程序

    2.2.4 仿真结果

    2.2.5 结果分析

    2.3 基于位置偏差与姿态偏差反馈的PID控制器曲线运动控制仿真

    2.3.1 控制策略

    2.3.2 控制框图

    2.3.3 仿真程序

    2.3.4 仿真结果

    2.3.5 结果分析

    1 两轮差速驱动移动机器人运动学建模

    1.1 物理量说明
    物理量说明
    1.2 正运动学模型
    正运动学模型
    1.3 逆运动学模型
    逆运动学模型
    1.4 其他运动学特性
    其他运动学特性
    1.5 Simulink仿真

    1.5.1 仿真程序
    仿真程序
    1.5.2 仿真结果
    仿真结果
    2 两轮差速驱动移动机器人运动控制仿真

    2.1 基于距离偏差与姿态偏差反馈的PID控制器直线运动控制仿真

    2.1.1 控制策略
    机器人系统的被控量为机器人的位姿,控制量为左右轮转速。机器人沿直线运动到达指定位姿需要满足3个约束条件:

    (1) 与目标点的距离偏差为0

    (2) 与目标点的姿态偏差为0

    (3) 行驶过程中与目标轨迹的距离偏差为0

    与以上3个约束条件直接相关的物理量为机器人的线速度以及角速度,控制可以减小与目标点的距离偏差,控制可以减小与目标点的姿态偏差并纠正行驶过程中与目标轨迹的距离偏差。因此线速度与角速度作为机器人系统的中间控制量,由两个中间控制量可进一步求解出实际的控制量。

    2.1.2 控制框图
    控制框图
    2.1.3 仿真程序
    仿真程序
    2.1.4 仿真结果
    轨迹示意图
    距离偏差示意图
    姿态偏差示意图
    2.1.5 结果分析
    由于机器人的初始姿态与目标姿态不同,因此在运动过程中有肉眼可见的姿态调整过程,运动轨迹与标准直线存在一定的差距,但最终姿态偏差与距离偏差收敛。

    运动轨迹与标准直线存在一定差距的原因是由于基于距离偏差调控的精度不够,当初始姿态与目标姿态不同时,如果姿态偏差是锐角,即使按原姿态运动距离偏差也会缩小。因此如果以轨迹上每一点的位置偏差代替距离偏差进行反馈控制,理论上可以提升轨迹跟踪的精度。

    2.2 基于位置偏差与姿态偏差反馈的PID控制器直线运动控制仿真
    *
    2.2.1 控制策略*
    基于距离偏差的反馈控制存在调控不精确的缺点。这是因为当姿态偏差为锐角时,按原姿态运动也符合距离反馈控制率,因此不能快速收敛至直线轨迹。其实,这种现象的根本原因是这种调控思想与控制目标没有建立更直接的关系,距离偏差只专注于到达目标位置,没有关注到达的过程。而我们的控制目标不仅仅关注目标位置,也要求到达过程是一条直线。虽然姿态调控对到达过程进行了约束,但约束效果并不理想。

    因此本节将采用实时的位置偏差作为反馈,这就要求参考轨迹不仅仅包含姿态信息,也要将时间信息纳入其中,即机器人完成参考轨迹的时间是确定的,每个时刻所在的位置与姿态也是确定的,理论上可以提升轨迹跟踪的精度。

    在具体的实现方式上,需要得到位置与时间的函数。因此需要将参考轨迹分别投射至x轴方向、y轴方向以及姿态角,得到三组位置及姿态与时间的函数,并设计三个PID控制器去跟踪上述三条轨迹,最后融合成机器人的线速度与角速度并进一步解算出左右轮速度。

    2.2.2 控制框图
    控制框图
    2.2.3 仿真程序
    仿真程序
    2.2.4 仿真结果
    轨迹示意图
    x轴位置偏差示意图
    y轴位置偏差示意图
    姿态偏差示意图
    2.2.5 结果分析
    本节所提控制器的轨迹跟踪结果优于基于距离偏差反馈的控制器,未见明显的姿态调整,位置偏差与姿态偏差很小且收敛迅速,后期开发中可在扫地机器人直线运动中尝试这种控制策略。

    2.3 基于位置偏差与姿态偏差反馈的PID控制器曲线运动控制仿真

    2.3.1 控制策略
    与2.2控制策略相同,将参考轨迹由直线改为曲线,分别投射至x轴方向、y轴方向与姿态角,得到三组位置及姿态关于时间的函数并作为三个维度的参考轨迹,采用三个PID控制器分别跟踪。

    2.3.2 控制框图
    控制框图
    2.3.3 仿真程序
    仿真程序
    2.3.4 仿真结果
    轨迹示意图
    x轴位置偏差示意图
    y轴位置偏差示意图
    姿态偏差示意图
    2.3.5 结果分析
    本节所提控制器跟踪特定曲线效果良好,x轴、y轴位置偏差及姿态偏差较小且收敛速度较快,后期开发中可在扫地机器人转弯运动时尝试这种控制策略。

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    在这里插入图片描述在这里插入图片描述在这里插入图片描述插图来源杨笑汝老师的《一夕一夏》以及高考前就出道的格桃所画的《家庭树》

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  • 引用 移动机器人运动控制器的设计

    千次阅读 2014-01-26 20:33:11
    David 的 移动机器人运动控制器的设计 移动机器人运动控制器的设计 http://www.ee365.cn 2005-04-26 23:39 eaw 摘 要:本文研究了以TMS320LF2407 DSP为核心的移动机器人运动控制器的设计...

     

    引用

    David移动机器人运动控制器的设计

    移动机器人运动控制器的设计
    http://www.ee365.cn 2005-04-26 23:39 eaw

    摘    要:本文研究了以TMS320LF2407 DSP为核心的移动机器人运动控制器的设计方案,介绍了主要的系统组成。本系统采用模块化设计,硬件电路简洁,控制可靠。通过步进电机的细分控制,改善了低速性能,以较低的成本满足了移动机器人运动控制的性能要求。

    关键词:移动机器人;TMS320LF2407;运动控制;模块设计

    引言

    运动控制器是移动机器人的执行机构,对系统平稳运行起着重要作用。在机器人运动控制器中,处理器件接受高层控制级的指令,计算和输出多路控制信号,协调各驱动轮,并对系统状态进行监控。因此要求处理器要有高速的运算能力和高度的可靠性。DSP芯片集实时处理和控制器外设于一身,精度高、体积小、运算速度快,同时具有多级流水线操作,容易实现复杂算法,为运动控制器的开发提供了理想的解决方案。

    本文提出的移动机器人运动控制器的实现方案,以TI公司的定点DSP芯片TMS320LF2407为核心。利用步进电机作为驱动机构,DSP从上位机接收指令,控制步进电机实现要求的动作。系统以较低的成本满足了控制要求。

    运动控制器的设计

    机器人移动平台是一个六轮小车,两侧的前轮和中轮采用摇臂式结构,前轮与中轮间距小于车体宽度,易于转向。机器人主控计算机是一台PC机,作用融合各种信息,发出控制指令,进行远程监控;下位机是一台工控机,固定在移动车体上,负责接收主控计算机指令并分配给各子系统,同时把各种检测信息反馈到PC机,两者通过无线网桥进行通信。运动控制器接收下位机传送的指令,计算各个电机的控制量、输出控制脉冲、检测各反馈信号并发送至下位机。六个车轮均为驱动轮,控制时可简化为二轮情形。运动控制器以LF2407为核心,主要模块包括:控制脉冲输出、检测处理、通信接口、复位电路、I/O扩展和必要的外围电路,基本结构如图1所示。

    控制脉冲输出

    本系统步进电机为两相混合式,步进角为1.8涮浊魑猄H-2H057M。驱动器输入信号有步进脉冲信号CP、方向电平信号DIR、以及脱机信号FREE。OPTO是三路信号的公共阳极。驱动器拨位开关的前3位用于设定细分数。

    LF2407利用事件管理器(EVA、EVB)中的定时器中断形成步进脉冲。EVA通过定时器1,EVB通过定时器3分别输出两路步进脉冲信号CP和方向信号DIR到各电机驱动器。控制时,LF2407根据上位机指令计算各驱动电机转速和方向,选择回路内部分频值,确定对应定时器的周期寄存器初值,然后计数器循环计数。当计数器的值与周期寄存器匹配时,即发生定时中断,向对应I/O口输出控制信号。如:车轮直径为30cm,减速箱减速比为1:15,如设定电机驱动器细分数为5,即步进角为0.36绻笮〕抵毕咴硕俣任?5cm/s,则每秒钟各电机所需的步进脉冲数为15×(0.25/(0.3×p)×360/0.36≈3978。LF2407内部时钟为24MHz,如选择时钟分频值为64,则周期寄存器的值为24M/(64×3978)≈94,计数器每次计数到94时,即发生中断,输出一次步进脉冲和方向标志。

    为防止给定速度突变使步进电机失步,LF2407在接受到速度指令后首先进行积分平滑,平滑后的结果作为控制要求转换成步进电机的脉冲数值,平滑公式为:

          (1)

    其中,t为控制的时间周期,与系统积电时间常数有关,需通过实验确定合适的数值。如果平滑后的速度与现有速度相差较大,则由系统取两者平均值作为过渡速度,运行若干周期后再转换到实际给定速度。

    此时应注意:(1)设定脉冲频率时要保证CP信号的脉冲宽度不能小于5ms,且为低电平有效;(2)电机换向时,方向信号DIR要在前一个方向的最后一个CP脉冲结束且下一个方向的第一个CP脉冲前发出;(3)OPTO端须外接+5V的VCC,保证给驱动器内部光耦提供8~15mA的驱动电流,如果VCC不是+5V则须加限流电阻。

    检测处理模块

    检测模块监控系统当前状态,由光电编码器、ADC和其他检测电路组成,把驱动电机的转速、转向和电流及蓄电池电压反馈至LF2407。蓄电池电压通过ADC转换成数字信号,当电池电压低于警戒值时,向上位机发出电池能量不足的警告信息。电机电流利用分流电阻检测,经A/D转换后输入到LF2407中。分流电阻的阻值应能在功放电路达到最大电流时激活过流保护功能。此模块中,ADC的参考电压由外部电压源提供,其模拟供电电压(3.3V)VCCA和模拟地VSSA需与数字供电电压和数字地分开,以提高精度。

    本系统在两个后轮安装了光电编码器用于检测电机转速和方向。检测信息反馈到DSP的正交编码脉冲电路(QEP),通过把检测到的脉冲信息与给定的脉冲数进行比较,分析电机是否出现堵转、失步等故障。当LF2407的QEP被使能(禁止捕获功能),定时器2对引脚CAP1/QEP1和CAP2/QEP2、定时器4对引脚CAP4/QEP3和CAP5/QEP4上的脉冲数目和频率分别计数,可得到两个电机的角位移和转速,方向检测逻辑通过检测哪个序列领先可确定电机转向。此时正交编码器脉冲作为时钟源,定时器设置为外部时钟、定向增/减计数方式。

    通信模块

    通信模块涉及到DSP和下位机(工控机)之间的双向通信。主要任务是接收控制指令,向工控机传送运动控制器的当前状态和里程计信息。本模块由串行通信接口(SCI)负责通信转换,利用中断进行控制,其接收器和发送器可以单独或同时工作,并具有独立的中断请求信号和中断矢量。工控机和LF2407之间采用符合RS-232标准的驱动芯片MAX232进行串行通信。由于LF2407采用+3.3V供电,故在MAX232与LF2407之间加入TI公司提供的典型电平匹配电路,整个接口电路简单、可靠,其电路图见图2所示。

    LF2407要实现双向通信,必须在初始化时正确设置一系列通信接口控制寄存器,包括操作模式、协议、波特率、字符长度、奇/偶校验位、停止位的位数、中断优先级和使能控制位。通信时,上位机给出控制要求(平移速度和角速度)和数据校验和,等待反馈信号。LF2407以中断方式接收数据、计算校验和,并与接收到的校验和比较。若一致,则回发“0DDH”,表示接收成功;否则,回发“0BBH”,表示数据错误,要求重发。同时,LF2407以中断方式向上位机发送计算结果、电机转速和里程计信息。

    复位电路

    要使控制系统上电后正常工作,必须对DSP寄存器和I/O端口进行复位。LF2407的复位引脚RS为低电平时DSP终止执行,并使PC=0;当RS为高电平时,从程序0位置开始执行。当看门狗定时器溢出时,在该引脚产生一个系统复位脉冲。图3为复位电路。刚上电时,LF2407处于复位状态,复位时间由R和C确定。为使芯片初始化正确,低电平应保持至少3个时钟周期,同时需满足DSP晶体振荡器的稳定时间。

    图3中A点电压 ,其中t为时间常数,且t=RC。假设低电平与高电平分界点为V0=1.5V,则当V=V0时所经过的时间t0为:

               (2)

    选择R=200KW,C=4.7mF,VCC=5.0V,由上式得t0=334ms,采用16.0000MHz晶振可满足系统复位要求。

    航迹推算

    本系统结合光纤陀螺仪和倾角传感器的角度变换进行航迹推算,上位机建立三维环境坐标系和车体坐标系,包括机器人的位置(x,y,z)和姿态(a,b),根据LF2407提供的里程计信息进行推算。

    在控制中,每个固定时间段(50ms)内,LF2407计算左右前轮角位移平均值(芼)作为车体位移,即:

                (3)

    车体平面移动时,里程计信息的计算公式为:

           (4)

    其中,芼为该时段车体的位移;芶、芺分别为左右前轮在一个检测周期内转过的弧度;r为车轮半径;q为光纤陀螺提供的航向角度;f为倾角传感器提供的俯仰角度。

    程序设计

    本系统控制程序主要有初始化子程序、通信中断子程序、主程序以及脉冲输出中断子程序。主程序调用系统初始化子程序,进行通信接口、I/O、QEP、定时器等部分及必要中间寄存器的初始化,设置中断标志,读取定时器4的计数值。当发生中断时,调用相应中断程序,并修改或重置标志位。

    通信中断子程序包括接收中断和发送中断,完成数据的接收和发送。由SCI的中断向量寄存器PIVR的值判断是接收中断还是发送中断,并调用相应服务子程序。接收数据时,要进行奇偶校验,保证数据准确并回发信号,同时对给定值进行积分平滑,然后分别确定三路输出电路的分频值和转向标志,计算各定时器周期寄存器的值,结果放入中间寄存器,并把计数器清零。发送中断时,系统读取蓄电池电压、电机电流、转速和方向等寄存器的值,同时相应寄存器清零,并计算里程计信息和后轮转速和方向,将各结果发送到上位机。

    当某定时器中计数器与周期寄存器匹配时,即发生输出中断,相应标志位置位。脉冲输出中断子程序根据标志位读取相应中间寄存器的脉冲值和方向标志,并输出到I/O口,随即计数器清零,重新开始计数,同时标志位清零。为增强程序容错性能,系统使能看门狗定时器。另外,为防止干扰影响控制性能,需增加返回中断服务子程序,此程序只有一条“return”指令,当发生干扰中断时,系统直接返回主程序。

    结语

    本文简要介绍了移动机器人运动控制器主要部分的实现方案,针对移动机器人的特点和应用背景,以TMS320LF2407作为核心,对六轮摇臂式移动机器人进行运动控制。经过初步实验,机器人运行平稳,能够以较低的成本满足移动机器人运动控制要求。■

    参考文献

    1 王文学,孙萍,徐心和. 足球机器人系统结构与关键技术研究[J].控制与决策. 2001,16(2)

    2 TMS320F/C24x DSP Controllers Reference Guide [M]. Texas Instruments. 1999.

    3 TMS320LF2407 TMS320LF2406 TMS320LF2402 DSP Controllers [M], Revised. Texas Instruments. 2001

    4 刘和平 等. TMS320LF24x DSP结构、原理及应用[M]. 北京:北京航空航天大学出版社,2003

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