机器人运动控制实验设计与实现

宋亚男，陈永安，徐荣华，宋子寅

（广东工业大学 自动化学院，广东 广州 510006）

课题组结合本科生的毕业设计进行了实验装置和项目的开发，此项工作让参与实验的学生增长了见识，提高了学习积极性，其相关的开发结果可以提供给以后的学生学习和参考，机器人运动控制系统实验设计与实现就是其中一个。文章阐述了机器人运动控制系统的实验设计目标、实现过程以及结果。

1 实验设计目标

基于AVR单片机，结合机器人运动控制系统需求，以直流伺服电机作为被控对象，推导出其运动学模型，设计机器人的驱动和运动控制系统。基于该研究结果构建相应实验方案提供本科生学习使用。具体包括下面2个实验设计目标：

（1）实现基于AVR单片机完成机器人运动控制系统中直流伺服电机速度／位置控制演示实验，展示给学生直流伺服电机的控制原理，增强学生的动手兴趣。

（2）基于AVR单片机完成机器人运动控制系统的半开放实验（为了便于学习控制算法在实际系统中应用，开放控制器设计部分和固化硬件电路部分），提供给学生针对机器人运动控制问题，进行改进控制算法的平台。

2 实验设计与实现

2.1 广义坐标——描述机器人的位姿

在图1所示平面直角坐标系中，以2个驱动轮轴心连线的中点Q为机器人的参考点，其广义坐标向量为q＝［xQ，yQ，θQ］T，其中θQ为机器人的航向角，d为2个轮子轴心之间的距离［1］。

2.2 运动学模型

机器人的运动学方程为：

图1 机器人广义坐标

其中：r为驱动轮半径，ωL、ωR分别为左右驱动轮的转速。

设机器人的线速度为vQ，角速度为ωQ，转弯半径为R，则：

2.3 系统结构和硬件电路

课题组自行设计和制作了机器人系统［2－12］，实物图见图2，系统结构图见图3，硬件电路图见图4。

图2 机器人系统实物图

图3 机器人系统硬件结构图

图4 机器人系统硬件电路图

2.4 机器人运动控制器设计

这里主要采用基于PID算法，因为实验设计不同，控制器开放程度不一样，详见下面两节。

2.5 机器人运动控制演示实验设计与实现

2.5.1 实验目的

认识直流伺服电机控制器，熟悉直流伺服电机控制器命令系统，培养控制器设计的思想和兴趣。

2.5.2 伺服控制使用介绍

伺服系统结见图5。命令系统如下：

其中，“＜＞”表示必须输入项，“［］”表示可选输入项，“CR”是回车。

M 命令：M＜0｜1｜2｜3＞＜CR＞

图5 伺服系统结构框图

用于切换伺服控制模式，切换后位置寄存器、子命令寄存器清零。

E命令：E＜0｜1｜2＞＜CR＞

此命令选择是否回送输入的字符，0为禁止，1为开启，2为不回送任何字符。

P命令：P＜参数号＞ ［参数值］＜CR＞

更改或查看伺服参数，参数号与参数值用空格隔开。参数设置详解见文献［2］。

W命令：W＜EEPROM区域＞＜CR＞

把伺服参数保存到EEPROM相应的区域，可以是0，1，2，3，4等。

R命令：R＜EEPROM区域＞＜CR＞

从EEPROM相应区域加载伺服参数。系统复位时，自动加载0区域的参数。

L命令：L＜CR＞

以十进制字符串的格式反馈位置计数器的值。

S命令：SL／SR／SB［数值］＜CR＞

设置子命令寄存器的值，在模式3下无效。模式0时，控制输出电压，输入－255到＋255，电压输出为－Vs到＋Vs；模式1时，控制输出力矩，若电机堵转，输入－255到＋255，电压输出为－Vs到＋Vs；模式1时，控制电机转速，输入值按以下公式设置：

其中ω为电机转速，单位是r／min；P1为速度环反馈增益；ER是编码器分辨率，单位为ppr（单相脉冲数／转）；fs为伺服控制频率。

L、R、B分别表示左电机、右电机和2个电机（下同）。

J命令：JL／JR／JB［数值］＜CR＞

设置位置寄存器的值，只在模式3下有效。位置寄存器是24位有符号整数。模式3下，控制电机旋转到位置寄存器指向的位置，即保持位置计数器与位置寄存器的数值相等。例如，要使电机旋转一圈，输入值按以下公式计算：

其中L为位置计数器的值。

此外，“？＜CR＞”显示帮助信息，“＊＜CR＞”可使直流伺服电机控制器反馈速度信号1次，“＆＜CR＞”返回伺服模式代号，“#＜CR＞”返回位置计数器的值1次，“$1＜CR＞”以200Hz连续反馈速度，“$2＜CR＞”以200Hz连续反馈位置计数器的值，“$0＜CR＞”关闭反馈。

2.5.3 实验内容和实验步骤

（1）设置伺服参数。用串口把PC机与伺服电机控制器连接；打开超级终端，连接对应串口，波特率设为38 400bit／s，无校验；输入E1＜CR＞使直流伺服电机控制器反送字符，以便看到键入的字符；设置P0为200、P1为1 280、P2为512、P3为16、P4为240、P5为893。

（2）速度控制。输入M2＜CR＞切换到速度控制模式；按（1）设置伺服参数；分别输入SL 100＜CR＞，SR 100＜CR＞，SB 100＜CR＞；④更改输入值，对比观察电机速度。

（3）位置控制。输入M3＜CR＞切换到位置控制模式；按（1）设置伺服参数；分别输入JL 50000＜CR＞，JR 50000＜CR＞，JB 50000＜CR＞；更改输入值，让电机转一圈，测试出电机编码器的精度。

2.6 机器人运动控制半开放实验

2.6.1 实验目的

为了便于学习控制算法在实际系统中的应用，开放机器人运动控制器设计部分和固化硬件电路部分，提供给学生针对机器人运动控制问题，进行改进控制算法的平台。

2.6.2 实验内容和实验步骤

按图2构建系统：连接串口，给直流伺服电机控制器上电。打开VC解决方案Car＿Control.sln。

（1）前进后退。

① 重新创建main.c文件，并编写主函数main（），包含头文件Car＿Control.h；

② 在主函数中一次调用InitUart1，InitSMC，完成串口和直流伺服电机控制器的初始化；

③ 调用GoLine，实现前进和后退。

（2）旋转运动控制程序。

① 重新创建main.c文件，并编写主函数main（），包含头文件Car＿Control.h；

② 在主函数中一次调用InitUart1，InitSMC，完成串口和直流伺服电机控制器的初始化；

③ 调用GoArc，实现原地旋转和圆弧运动。

（3）添加控制算法。

在上述2个实验中添加代码，实现平稳启动和停车。算法自行设计。

3 结束语

目前，机器人运动控制系统实验设计与实现在相关基金项目的资助下正准备引入本科实验教学中，已经经过部分学生和教师的试运行，受到好评。实践表明：这种引导本科毕业设计学生参与实验室建设方式，在实验设备紧张的情况下，既能让学生有机会参与具体实践，同时学生的优秀设计又可以服务于实验室建设，为后届学生提供参考和开设新的实验项目，使实验资源得到充分利用。

感谢：机器人运动控制系统实验设计与实现是基于学生陈永安的本科毕业设计工作完成的，特此表示感谢。

（References）

［1］徐德，邹伟.室内移动式服务机器人的感知、定位与控制［M］.北京：科学出版社，2008.

［2］陈永安.召唤式捡球机器人的运动控制系统设计与实现［D］.广州：广东工业大学，2011.

［3］ChaN.ELM－DC Servomotor Controller［EB／OL］.［2012－03－11］.http：／／elm－chan.org／works／smc／report＿e.html.

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［9］张东军，郭文成，刘莲花.基于红外超声光电编码器的室内移动小车定位系统［J］.电子工程师，2007，33（3）：70－76.

［10］丁伟，孙华，曾建辉.基于多传感器信息融合的移动机器人导航综述［J］.传感器与微系统，2006，25（7）：1－3.

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