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一种轮式移动机器人的控制系统设计毕业论文
第一章绪论
1.1移动机器人技术概述
机器人是一自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能操作机。
机器人技术涉及计算机技术、控制技术、传感器技术、通讯技术、人工智能、材料科学和仿生学等多类学科。
作为机器人学的重要分支，移动机器人能够运动到特定位置，执行相应任务，具备环境感知、实时决策和行为控制等功能，拥有很高的军事、商业价值。
移动机器人按运动方式分为轮式移动机器人、步行移动机器人、履带式移动机器人、爬行机器人等;按功能和用途分为医疗机器人、军用机器人、清洁机器人等;按作业空间分为陆地移动机器人、水下机器人、无人飞机和空间机器人。
1.2移动机器人控制技术研究动态
1.2.1移动机器人控制技术发展概况
步入21世纪，随着电子技术的飞速发展，机器人用传感器的不断研制、计算机运算速度的显著提高，移动机器人控制技术逐步得到完善和发展。
移动机器人从最初的示教模仿型向具备环境信息感知、在线决策等功能的自治型智能化方向发展。
移动机器人控制系统性能不断提高，各类新型移动机器人也纷纷面世。
步行式机器人是指按照迈步方式前进的移动机器人，由于符合动物的行进模式，可很好的在自然环境中运动，具有较强的越野性能。
如美国NAAS资助研制的丹蒂行走机器人，主要用于远程机器人探险，其控制系统涉及环境感知、障碍物监测、机械臂控制和超远程遥操作等多方面技术。
丹蒂计划的最终目标是，为实现在充满碎片的月球或其它星球的表面进行探险提供一种运动机器人解决方案。
轮椅机器人是指使用了移动机器人技术的电动轮椅。
德国乌尔姆大学开发一种智能轮椅机器人，使丧失行动能力的人也能外出“走动”。
该轮椅机器人，能够自动识别和判断出行驶的前方是否有行人挡路，或是否可能出现行驶不通的情况，自动采取绕行动作，并能够提醒挡路的行人让开道路。
该机器人的控制系统，综合运用了多传感器信息融合、模式识别、避障、电机控制和人机接口等技术。
消防机器人是指能在高温、强热辐射、浓烟、地形复杂、障碍物多、化学腐蚀、易燃易爆等恶劣条件下进行灭火和救援工作的移动机器人。
其控制系统的设计重点包括障碍物检测、火焰检测和系统可靠性设计等多项技术。
日本投入应用的消防机器人最多，美、英等国已研制出能依靠感觉信息控制的救灾智能机器人。
我国上海交大机器人研究所也在国家“863”计划和公安部联合投资下，与上海消防所合作开发消防机器人的产
品样机。
另外，随着社会老龄化程度的不断加剧，仿人机器人将弥补年轻劳动力的不足，解决老龄化社会家庭服务和医疗看护等社会问题。
此类服务型机器人的控制系统则综合运用了环境感知、路径规划、地图遍历、避障、防跌落等技术，以适合在家中使用。
如韩国Yujni机器人科技公司制造的家用机器人iRboot，日本欧姆龙公司开发的电子守卫恐龙，以及三菱重工推出的可协助家庭保健和看家的机器人，都为家用机器人的市场化进程发挥了重要的作用。
1.2.2移动机器人控制系统关键技术
目前，移动机器人控制技术的研究热点和发展趋势主要包括：
（1）运动控制中的路径规划技术。
路径规划是移动机器人导航的基本环节之一，定义是按照某一性能指标搜索一条从起始状态到目标状态的最优或近似最优的无碰路径。
根据机器人对环境信息感知的程度，路径规划可分为环境信息完全可知的全局路径规划;环境信息部分未知甚至完全未知，移动机器人通过传感器实时地对的工作环境进行探测，以获取障碍物的位置、形状和尺寸等信息进行的局部路径规划。
（2）控制系统中的传感技术。
移动机器人传感技术主要是对机器人自身内部的位置和方向信息以及外部环境信息的检测和处理。
获取真实有效的环境信息，是控制系统进行决策的保证。
通常采用的传感器包括分为内部传感器和外部传感器。
内部传感器主要包括:
编码器、线加速度计、陀螺仪、磁罗盘等。
外部传感器主要包括：
视觉传感器、超声波传感器、红外传感器、接触和接近传感器等。
（3）控制系统的多传感器信息融合技术。
多传感器信息融合是把分布在不同位置的传感器所提供的局部环境的不完整信息加以综合，消除多传感器之间可能存在的冗余和矛盾，以降低其不确定性，形成对系统环境的相对完整一致的感知描述，从而提高智能系统决策、规划的快速性和正确性，同时降低决策风险。
（4）控制系统的开发技术。
重点研究开放式、模块化控制系统。
机器人控制器结构的标准化，以及网络式控制器成为研究热点。
编程技术进一步提高在线编程的可操作性，离线编程的人机界面更加友好、自然语言化编程和图形化编程的进一步推广也是今后研究的重点。
（5）控制系统的智能化技术。
控制系统的智能特征包括知识理解、归纳、推断、反应和问题求解等内容。
涉及领域包括图像理解、语音和文字符号的处理与理解、知识的表达和获取等方面。
智能控制方法常使用神经网络和模糊控制方法，但前者往往伴随着对存储容量、运算速度的较高要求，这与移动机器人高速高精度运动控制的要求存在一定差距，故模糊控制方法在机器人控制方面有着较大的优势。
1.3本课题的意义
本课题设计并实现的移动机器人控制系统，具有很高的系统集成度和广泛的功能扩展空间，很好的兼顾了控制系统的通用性和实用性要求。
该控制系统，适用于多种移动机器人平台，如家用娱乐机器人、展览用导游机器人等。
并可通过控制单元的扩充和升级，增加语音识别、人脸识别、视觉追踪等交互性更强的功能。
同时，该控制系统的设计完成，对于降低上述各类型机器人的开发难度，缩短从客户提出需求到完成最终产品的开发周期，具有很强的指导意义。
另外，本课题设计的移动机器人控制系统，由于集成有通用微控制器开发平台、电机驱动模块等多种功能单元，因此，可作为数字电子技术、自动控制技术、传感器技术、路径规划及人工智能等多学科多领域的通用实验平台。
1.4论文的主要内容
本论文的主要内容包括以下几个部分：
第1章绪论，综述了国内外移动机器人研究和应用现状，阐明本课题的研究背景和意义以及主要研究内容。
第2章移动机器人的机械结构和运动学模型，分析了本课题研究的移动机器人的机械结构，结合移动机器人四轮独立式驱动机构，建立推导其运动学模型和双轮差速实现机器人运动控制的原理。
第3章移动机器人控制系统设计，重点分析了移动机器人的总体控制方案，按照模块化的思路，依次详细分析了微控制器模块、电机驱动模块、遥操作模块、电源模块和串行通信接口模块等内容，最后讨论了系统设计的可靠性的问题。
第4章移动机器人模糊控制研究，结合移动机器人控制存在的难点，简要概述了模糊控制的概念和特点及主要应用领域。
着重分析探讨了模糊控制系统的原理和设计方法，并提出了模糊控制策略在运动控制中应用的具体方法。
第5章总结，对论文所作的工作进行总结。
第二章移动机器人的机械结构和运动学模型
2.1移动机器人机械结构
移动机器人运动方式有很多种，主要分为车轮式和步行式两类。
车轮移动方式的技术相对成熟，控制也较为容易实现；步行式控制难度较大，但随着传感器技术和微控制器技术的快速发展，该种移动方式也得到了较大的发展。
本文研究的移动机器人采用车轮式移动机构。
轮式机器人按车轮的数量可以分为单轮、三轮、四轮、五轮、六轮和多轮等类型。
本文研究的是六轮摇臂探测机器人采用Rocky系列悬架系统，由车体、左悬架、右悬架和轮系四部分组成，如图2.1所示。
六轮摇臂吊杠悬架由主摇臂和副摇臂组成，左、右悬架的主摇臂与车体差速齿轮的中心轴固联，借助差速轮系相对于车体转动。
当在不平路面上行驶时，通过主摇臂和副摇臂的摆动，能达到地面自适应、增强越障能力和行驶平顺性的目的。
图2.1六轮摇臂悬架结构
六轮摇臂探测机器人对地面的自适应和越障主要通过主摇臂相对车体和副摇臂的中转动实现轮越障时。
如图2.2所示，前轮越障时，副摇臂顺时针转动，前轮上升，中轮下降。
副摇臂逆时针转动，前轮下降，中轮上升。
后轮越障时，主摇臂逆时针转动，前轮和中轮下降，后轮上升。
图2.2六轮摇臂探测机器人越障原理
2.2移动机器人运动学模型
移动机器人采用四轮驱动模式，通过控制左右两方驱动轮的转速差实现前进、后退、转向等各种基本的动作，现建立坐标系说明移动机器人的运动学模型，具体坐标系和运动参量见图2.3移动机器人的运动示意图。
图2.3移动机器人的运动示意图。
图2.3中，
代表机器人质心的线速度；
和
分别是左右轮的线速度；R为左右轮的半径；L为两轮的间距；规律、运动方程（2-1）x，y代表机器人质心的二维平面坐标。
则移动机器人满足刚体运动和（2-2）成立。
，
（2-1）
，
（2-2）
式（2-1）和式（2-2）中，
和
分别代表左右轮的角速度，
为质心的角速度，v为
质心的线速度。
由式（2-2）可知，当
=
时，质心的角速度
为0，即机器人沿直线运动；当
=-
时，质心的线速度为0，则机器人可实现原地转身，即此时机器人将以零半径转弯。
按照公式（2-2）计算得到
和
即可实现移动机器人的运动控制。
若将式（2-1）代入式（2-2），可得
，
（2-3）
而机器人的质心运动方程为
，
，
（2-4）
将式（2-3）代入式（2-4）得
（2-5）
方程（2-5）中各变量相互关联，设计控制器时比较复杂，为此，先进行解耦处理。
因为
只与质心的角速度有关，x、y只与质心的线速度有关，故可将控制变量转为质心的线速度和角速度。
方程如下：
（2-6）
再将左右轮角速度表示成质心的角速度和线速度，即
，
（2-7）
由上式可知，根据移动机器人（质心）设定的目标线速度和角速度即可分别求得左右轮的实时角速度，从而通过电机驱动机构完成速度调节，实现移动机器人运动方向和速度的实时控制。
然而，在实际应用中，由于编码器检测车轮的旋转的分辨误差、负载使车轮的等效半径产生变化、加速度及旋转产生的离心力使车轮的等效半径变化以及路面的凹凸和倾斜等因素的影响，使上述公式并非严格成立。
通常采用多种方法综合采用的方案来完成移动机器人的运动控制。
2.3本章小节
本章首先概述了移动机器人的机械结构。
然后，结合机器人的四轮驱动机构，推导了其运动学模型和六轮差速实现机器人运动控制的原理。
最后，建立了机器人运动过程中线速度和角速度与左右两边驱动轮角速度之间的关系方程，为通过电机驱动机构完成速度调节，实现移动机器人运动方向和速度的实时控制提供了理论依据。
第三章移动机器人的控制系统设计
3.1移动机器人控制系统方案
在移动机器人系统的总体设计中，控制系统的设计尤为重要。
控制系统是整个机器人系统的灵魂。
控制系统的先进与否，直接决定了整个机器人系统智能化水平的高低。
移动机器人的各种功能都在控制系统的统一协调下实现；控制系统设计策略也决定了整个机器人系统的功能特点和可扩展性。
本课题设计的移动机器人控制系统，可进行速度检测和调节、原地零半径转向、电源低电压监测和充电等功能，并可工作于实时手动遥控、预编程路径运动及自动沿墙跟踪等多种模式，从而完成机器人的直线行走，越障和转向的功能。
图3.1移动机器人控制系统框图
根据移动机器人的功能要求，本课题研究的控制系统主要包括：
微控制器模块、电机驱动模块、测速模块、遥操作模块、串行通信模块及电源模块等部分。
控制系统的总体框图如图3.1所示。
具体设计过程中，上述各个模块力求相对独立，以便系统日常的维护和今后的升级。
其中，
·微控制器模块作为控制系统的核心，主要进行各种信息、数据的处理，协调系统中各功能模块完成预定任务；
·电机驱动模块负责机器人左右两方轮子的独立驱动，主要由功率转换模块和微控制器内置的PWM单元组成，实现左右轮的差速控制；
·测速模块由增量式光电编码器组成，用于左右轮转速、转向的实时测量，以实现移动机器人的运动控制；
·遥操作包括按键编解码和无线收发部分，用于移动机器人遥控模式；
·电源模块负责整个控制系统各部分的电源供给，并实现埋电池的电量检测和充电；
·串行通信模块包括异步通信、同步通信两部分，异步通信用于预编成路径的下载，同步通信用于预编成路径数据的存储和。
本章将从各模块的设计原理和功能出发，阐述各模块的设计要点。
3.2微控制器模块
在本课题中，采用微控制器（MicroControllerUnit，MCU）作为移动机器人控制系统的核心。
微控制器在整个系统中扮演的角色类似于人的大脑，主要完成各种信息的运算和决策。
微控制器是一种嵌入式微处理器，顾名思义，就是将整个计算机系统集成到一块芯片中。
微控制器一般以某一种CPU内核为核心，芯片内部集成ROM、EPROM、EEPROM、FLASH、RAM、A/D、D/A、定时器/计数器、看门狗、I/O、串行接口、脉宽调制器等功能单元。
与CPU相比，MCU的最大特点是使PC机单片化，体积大大减小，功耗和成本下降，可靠性提高。
因此微控制器逐渐成为嵌入式PC系统的主流核心器件。
3.2.1微控制器的选用依据
微控制器是整个控制系统的核心部件，直接影响到控制系统的功能和性能。
因此，合理选用控制系统的核心控制器，对系统的设计至关重要。
在硬件平台的设计过程中，对微控制器的选型往往需要考虑诸多因素，本课题的微控制器选用依据主要包括以下几个方面：
（1）对于微控制器类型，目前国内外移动机器人平台采用的微控制器有多种，如飞思卡尔微控制器、东芝微控制器，甚至有的设计采用更高档16位、32位微控制器。
考虑到本文设计的移动机器人结构特点和功能要求，须在高性能计算与低功耗之间得到很好的平衡。
并且该种微控制器的片内资源应当较为丰富，以减小电路板面积并提高整机稳定性。
（2）从功能需求上，考虑到移动机器人的运动和动作大多采用直流电机驱动，因此选用的微控制器应具有高精度（分辨率8位以上）PWM功能，以方便实现直流电机的调速控制。
此外，为便于日后扩展移动机器人的功能，微控制器应具有较强的I/O能力。
（3）从控制软件开发支持上，应便于开发和调试应用程序，需要较大的存储空间和更高的运行速度。
同时，为实现电路完成后的程序升级，微控制器需支持代码在系统下载功能。
基于上述需求分析，经过全面调研、反复比较，最终选用ATMEL公司的ATMEGAI6型微控制器作为本系统的控制核心。
ATmegal6是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。
由于其先进的指令集和单时钟周期指令执行时间，ATmegal6的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。
AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。
所有的寄存器都直接与算术逻辑单元（ALU）相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。
这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的数据吞吐率。
通过将8位RISCCPU与系统内可编程的Flash集成在一个芯片内，ATmegal6成为一个功能强大的微控制器，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。
3.2.2ATMEGA16微控制器特点
1997年，ATMEL挪威设计中心出于市场考虑，充分发挥其Flash技术优势，推出全新的精简指令集（RISC）微控制器，简称AVR微控制器。
ATMEGA16微控制器主要有以下特点：
（1）先进的RISC结构，工作于16MHz时性能高达16MIPS；
（2）四通道PWM；
（3）8路10位ADC；片内模拟比较器；
（4）面向字节的两线接口；两个串行USART；可工作于主机/从机模式的SPI串行接口；
（5）具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器。
3.2.3ATMEGA16微控制器最小系统电路
ATMEGA16微控制器最小系统的硬件线路，主要包括复位线路、晶振线路、AD转换滤波线路、ISP下载接口和JTAG仿真接口等几部分。
（1）复位电路的设计
ATMEGA16已经内置了上电复位设计。
并且在熔丝位里，可以控制复位时的额外时间，故AVR外部的复位线路在上电时，可以设计得很简单：
直接拉一只l0K的电阻到VCC即可。
但考虑移动机器人的可靠性要求，在设计时添加了一只0.luF的电容以消除干扰和杂波。
微控制器复位电路的原理图如图3.2所示。
图3.2复位电路的原理图
D3（1N4148）的作用有两个：
一方面将复位输入的最高电压钳在VCC+0.5V左右，另一方面当系统断电时，将R0（10K）电阻短路，让C0快速放电，让下一次来电时，能产生有效的复位。
当AVR在工作时，按下S0开关时，复位脚RESET变成低电平，触发AVR芯片复位。
（2）晶振电路的设计
ATMEGAI6已经内置RC振荡线路，可以产生1M，2M，4M，8M的振荡频率。
但内置RC振荡的误差受温度影响波动较大，并且使用内部RC振荡所产生的功耗远大于使用外部晶振，故本设计采用8M外部石英晶振作为系统振荡源。
具体电路见图3.3晶振电路示意图。
图3.3晶振电路原理图
早期的90S系列微控制器，晶振两端均需要接22pF左右的电容。
Mega微控制器系列实际使用中，这两只小电容不接也能正常工作。
考虑到线路的规范，设计时并未省略C1、C2。
（3）AD转换滤波电路的设计
AD转换滤波电路的示意图见图3.4。
为减小AD转换的电源干扰，ATMEGAI6芯片有独立的AD电源供电。
官方文档推荐在VCC串上一只l0uH的电感（L1），然后接一只0.luF的电容（C4）到地。
图3.4AD转换滤波电路原理图
ATMEGAI6内带2.56V标准参考电压。
也可以从外面输入参考电压，例如在可使用TL431基准电压源。
本设计采用芯片内部自带的参考电压。
在AREF脚接一只0.luF的电容（C3）到地，起到参考电压滤波的作用。
（4）ISP在系统编程和JTAG仿真接口
ISP下载接口，不需要任何的外围零件，原理图见图3.5。
使用双排2×5插座。
由于没有外围零件，故PB5（MOSI）、PB6（MISO）、PB7（SCK）、复位脚仍可以正常使用，不受ISP的干扰。
图3.5ISP下载接口电路原理图
JTAG仿真接口也是使用双排2×5插座，需要四只l0K的上拉电阻，原理图见图3.6。
图3.6JTAG仿真接口电路原理图
当需要在线下载程序或调试系统时，需将下载电缆或调试接线一端插入目标板相应插座，另一端连至计算机的25针并口，之后启动相应软件即可进行操作。
3.3电机驱动模块
移动机器人采用左右两方轮子独立驱动，采用差速转向机构，每个车轮分别由一个直流电机和一个步进电机单独控制。
机器人的运动控制主要通过对这八个电机的驱动实现，包括速度和转向的控制。
本设计选用直流力矩电机驱动车轮。
该直流电机具有优良的速度控制性能，具体来说，它有下列优点：
（1）具有较大的转矩，以克服传动装置的摩擦转矩和负载转矩；
（2）调速范围宽，且运行速度平稳；
（3）具有快速响应能力，可以适应复杂的速度变化；
（4）电机的负载特性硬，有较大的过载能力，确保运行速度不受负载冲击的影响。
本设计选用的电机为宁波三佳公司的12V直流电机JS-30YZJ，转速为3000r/min，配有减速比为1:
30的减速器。
3.3.1直流电机PWM调速
直流电动机的转速控制方法可以分为两类：
调节励磁磁通的励磁控制方法和调节电枢电压的电枢控制方法。
其中励磁控制方法在低速时受磁极饱和的限制，在高速时受换向火花和换向器结构强度的限制，并且励磁线圈电感较大，动态响应较差，所以这种控制方法用得很少。
现在，大多数应用场合都使用电枢控制方法。
而在对直流电动机电枢电压的控制和驱动中，对半导体器件的使用上又可分为两种方式：
线性放大驱动和开关驱动方式。
线性放大驱动方式是使半导体功率器件工作在线性区。
这种方式的优点是：
控制原理简单，输出波动小，线性好，对邻近电路干扰小；但是功率器件在线性区工作时由于产生热量会消耗大部分电功率，效率和散热问题严重，因此这种方式只适合用于微小功率直流电动机的驱动。
绝大多数直流电动机采用开关驱动方式。
开关驱动方式是使半导体器件工作在开关状态，通过调节电动机电枢的等效工作电压，实现电机调速。
这种控制方式很容易在微控制器中实现。
可控开关S以一定时间间隔重复地接通和断开，当S接通时，供电电源Vs通过开关S施加到电动机两端，电源向电机提供能量，电动机储能；当开关S断开时，中断了供电电源Vs向电动机提供电能，但在开关S接通期间电枢电感所储存的能量此时通过续流二极管VD使电动机电流继续流通。
电压平均值
可用下式表示：
（3-1）
式中
为开关每次接通的时间，
为开关通断的时间周期，
为占空比，
。
由上式可见
，改变开关接通时间和开关周期
的比例亦即改变脉冲的占空比，电动机两端的电压平均值也随之改变，因而电动机转速得到了控制。
改变占空比有两种调制方法。
一种是开关周期恒定，通过改变导通脉冲宽度来改变。
占空比的方式，即脉冲宽度调制（PulseWidthModulation，缩写为PWM）；另一种方式为导通脉冲宽度，恒定，通过改变开关频率（
）来改变占空比，亦即脉冲频率调制（Pulse
FrequencyModulation，缩写为PFM）。
由于PFM控制是依靠脉冲频率来改变占空比的，当遇到某个特殊的频率下的机械谐振时，常导致系统震动和出现音频啸叫声，这一严重的缺点导致PFM控制在伺服系统中不适用。
故本设计中，采用PWM控制方式实现电机调速。
3.3.2电机驱动电路
直流电机工作所需的电流、电压较大，且转动方向的改变需要通过调整所加电压的极性实现，因此必须通过专门的电机驱动电路进行控制。
本课题采用意法半导体公司的L293D专用电机驱动芯片作为移动机器人左、右驱动轮的直流电机的核心功率模块。
L293D符合TTL逻辑电平接口标准，可用来驱动大功率感性负载，比如继电器、直流和步进电机和开关电源晶体管，可以通过逻辑设定实现电机驱动电压的极性转换，从而实现转向调整。
并且L293D具有发热量低、体积小以及节省印刷电路板面积等优点，因此非常适合于本文的的设计需要。
L293D内部电路原理如图3.7所示。
图3.7L293D内部电路原理
其中，INl～IN4为电机工作控制端分，通过不同的电压逻辑组合，分别决定两个电机的转向；ENABLE1～2为电机工作使能端，分别连接至微控制器的两路PWM输出信号；VS为电机的工作电源输入端，最高可达+36V，本设计按照电机的标称值采用+12V供电；VSS为L293D的芯片工作电源输入端，本设计中采用默认值，+5V供电。
L293D的电机工作控制端真值表，以第1路的控制信号为例，具体关系见表3.1
表3.1L293D控制端真值表
控制端电平
电机工作情况
ENA
IN1
IN2
H
H
L
正转
H
L
H
反转
H
H
H
刹车
H
L
L
L
X
X
停车
结合表3.1可知，当且仅当INl与IN2反相的情况下，电机才工作（转动）。
亦即，不论电机正转还是反转，INl与IN2电平始终绝对相反，而两者同相时所达到的控制目的——电机停转，完全可通过将使能端ENA的逻辑电平置零实现。
故在本设计中，在微控制器的通用IO口和L293D控制端之间添加了两个反相器，从而实现了单电机单线控制转向的功能，简化了微控制器的程序设计和硬件端口资源分配。
具体电路如图3.9所示，微控制器的硬件PWM输出端口OClA和OC1B分别接至L293D的ENl和EN2作为使能信号，通用IO口PA2和PA3通过反相器逻辑处理后，接至L293D的INl～IN4控制电机转向。
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