１８ 移动机器人控制系统的设计 移动机器人控制系统的设计 Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｍｏｂｉｌｅ Ｒｏｂｏｔ 张 燕 陈林奇 盛 洲 （南京大学金陵学院，江苏南京２１ｏ０８９） 摘要：设计了一款可以探测未知环境的移动机器人控制系统，结合超声红外九轴传感器相关的信息能够实现未知环境 下移动机器人的自主运行。控制系统设计主要包括两部分内容，舵机控制部分以及系统控制部分；移动机器人传感器避障系 统由红外超声传感器构成，实验结果说明避障系统有一定的效果。通过编写上位机系统接收下位机传感器数据，且能够通过 上位机观察移动机器人运行结果。通过实际移动机器人的运行结果说明控制系统的正确性。 关键词：Ｃｏｒｔｅｘ—Ｍ３，舵机控制，双ＣＰＵ，避障 Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓＶｓｔｅｍ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｔｏ ｄｅｔｅｃｔ ｕｎｋｎｏｗｎ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ ｓｅｎｓｏｒ，ｉｎ— ｆｒａｒｅｄ ｓｅｎｓｏｒ，ａｎｄ ９－ａｘｉｓ ｓｅｎｓｏｒ ａｒｅ ｃｏｍｂｉｌｅｄ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ．Ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｍａｉｎｌｙ ｃｏｎ— ｓｉｓｔｓ ｏｆ ｔｗｏ ｐａｒｔｓ，ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ａ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｅｃｔｉｏｎ，ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ ｏｂｓｔａｃｌｅ ａｖｏｉｄａｎｃｅ ｓｅｎｓｏｒ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｓｙｓ・ ｔｅｒｎ ｃｏｎｓｉｓｔｓ ｏｆ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｓｅｎｓｏｒｓ ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｃｏｒｔｅｘ—Ｍ３。ｓｅｒｖｏ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｄｕａｌ ＣＰＵ，ｏｂｓｔａｃｌｅ ａｖｏｉｄａｎｃｅ 移动机器人是研发较早的一种机器人，移动机构主要有轮 式、履带式、腿式、蛇行式、跳跃式和复合式。本设计研究的主要 是四轮式机器人的控制系统设计 ］。 审度、电压反馈。ＣＤＳ５５ＸＸ系列舵机采用异步串行总线通讯方式， 通过ＵＡＲＴ异步串行接口统一控制。每个舵机可以设定不同的 节点地址，多个舵机可以统一运动也可以单个控制。由于舵 本文首先研究了移动机器人运动控制部分，采用四个舵机 控制移动机器人的运行，而后在此基础上使用双ＣＰＵ系统结合 相应地传感器实现了移动机器人未知环境下的运行。 １ 系统组成和结构 机接口只有一个信号线接口，具备接收和发送的功能，而 ＬＰＣ１７６８开发板的ＵＡＲＴ０信号线管脚分为发送端Ｔ×Ｄ（Ｐ０．２） 和接收端ＲＸＤ（Ｐ０．３）两个信号接口，所以要使用７４ＨＣ１２６数 据缓冲器来辅助进行数据的传输。使用两组７４ＨＣｌ２６数据缓冲 器将舵机信号线接收和发送功能分开至ＬＰＣ１７６８核心的 ＵＡＲＴ发送端Ｔ×Ｄ（ＰＯ＿２）和接收端ＲＸＤ（Ｐ０．３）管脚，并使用两 移动机器人整个控制系统框架如图１所示，控制系统主要 由两个ＣＰＵ构成，其中主ＣＰＵ采用的是Ｃｏｒｔｅｘ—Ｍ３作为内 核。该ＣＰＵ主频可到１００ＭＨｚ，运算速度满足设计需求，主 个ＩＯ口管脚（Ｐ１．０和Ｐ１．１）控制数据的收发。舵机ＵＡＲＴ连接 原理图如图２所示。 ＣＰＵ主要实现舵机控制，超声、里程计、红外传感器、九轴传感 器相关数据的获取处理，此外，主ＣＰＵ还通过无线模块 ＮＲＦ２４Ｌ０１与上位机ＰＣ进行通讯。辅助ＣＰＵ主要实现红外传 感器数据获取以及障碍物的判断，此外通过红外控制器编解码 实现移动机器人自主运行和手工控制运行两种方式的无缝切 换。下面分别对系统各个部分进行介绍。 ｏＮＤｌ ｏＮＤｌ ０ＮＤ 图２舵机ＵＡＲＴ连接原理图 Ｉｌ鬻 器传感 ｌｏ 罩程 十ｒ一 ，２．２移动机器人传感器系统设计 串Ｕ 本移动机器人的设 虹辨惜礤器扛外愤ｊ磕 Ｉ 罗盘 ｒ～ ．． 口 计采用了ＨＣ—ＳＲ０４超 声距离传感器和夏普 ＧＰ２Ｙ０Ａ４１ＳＫＯＦ型红外 Ｉ舵 圄 机 红 测距传感器来识别周围的 红 图１嵌入式角度测量系统结构框图 ２系统各部分硬件设计 环境信息，并通过这两个 传感器数据进行避障运 动。采用ＧＹ８５九轴传感 器（包含ＨＭＣ５８８３Ｌ电子 ２．１舵机控制部分 本设计采用的舵机是ＣＤＳ系列机器人舵机。ｐｒｏＭＯＴＩＯＮ ＣＤＳ系列机器人舵机属于一种集电机、伺服驱动、总线式通讯 器 ［ 囡 ●■●●■一 嚣 罗盘、ＩＴＧ３２０５陀螺仪） 来进行角度定位。３１４４里 埋塑 图３传感器总体布局图 接口为一体的集成伺服单元＿２］。该系列舵机具有位置、温度、速 移动机器人创新实训实践课程（００１０５２１６０７） 《工业控制计算机）２Ｏｌ７年第３Ｏ卷第１期 １９ 表还记录了舵机运行状态。ＣＤＳ系列舵机有规定的数据格式， 包括指令包和应答包 ］，指令包和应答包中的数据均为十六进 制数据。 指令包：字头；ＩＤ；数据长度；指令；参数；校验和。其中字头 为两个连续的０ｘｆｆ．ＩＤ表示舵机的ＩＤ号，开始通过软件对于这 程计来确定移动机器人行走的距离。传感器总体布局如图３所示。 超声距离传感器位于移动机器人的正前方，且配有一个可 以旋转的云台，通过云台的旋转可以探测到左、左前、前、右前、 右五个方向的距离，探测范围为３０ｃｍ到３００ｃｍ，主要探测距 离移动机器人较远的环境参数，同时辅助避障运动的进行。 该移动机器人还有配备有四个红外距离传感器，分别放置 于移动机器人的左、右、前左、前右四个方位。红外传感器探测范 围为３ｃｍ到３０ｃｍ Ｅ ，主要探测距离移动机器人近处的环境参 四个舵机编号设置。数据长度是指指令包或者应答包内数据的 总长度。在指令和参数符合舵机数据规则的情况下，数据长度为 参数的个数加２。指令包中的指令表示要让舵机作出不同的动 数，并且避障运动主要依靠红外距离传感器的数据。四个红外距 离传感器连接在辅助ＣＰＵ上，这样能及时获取数据并进行避障 作。包括查询、读、写、异步写、复位等指令。本设计中主要用到读 写操作。参数Ｐｎ是指除指令外所需要补充增加的控制信息。 应答包：字头；ＩＤ；数 处理。移动机器人的位置信息由陀螺仪、电子罗盘、里程计经过 数据融合确定。两个里程计分别放置在左前轮和右后轮上。 主ＣＰＵ主要实现超声、里程计、红外传感器、九轴传感器相 关数据的获取处理。为了实现获取移动以其人前方１８Ｏ。的障碍 物信息，超声传感器架在一个云台上，云台通过一个舵控制其旋 转。其中超声传感器数据获取，云台数据获取均是通过软件中断 实现控制。ＧＹ８５九轴传感器（陀螺仪和电子罗盘）通过ＩＩＣ获取 数据信息。两个３１４４里程计分别使用两个外部中断来进行计数。 ３系统软件设计 ３．１控制系统软件总体设计 本设计所有代码编写均是采用Ｃ语言，基于的软件开发平 台是Ｋｅｉｌ￣Ｖｉｓｉｏｎ４ｌ２］。本控制系统中移动机器人的运动模式有 两种模式：自动模式和手动模式。其中自动模式又分为探测阶段 和指导阶段。探测阶段时，移动机器人将会依据传感器的数据进 行自主避障，并将探测到的数据发送的上位机，供上位机进行数 据分析。指导阶段时，移动机器人会在原地待命，等到接收到上 位机数据后，根据收到的上位机数据走到相应地点。手动模式， 通过红外遥控器按键对移动机器人进行手动控制。模式切换通 过红外遥控器进行切换。整体设计框图如图４所示。 手动｛羹式 图４总体控制程序设计框图 ３＿２舵机控制 ＣＤＳ系列机器人舵机采用异步串行的通信方式。默认一位 起始位，八位数据位，一位停止位，无奇偶校验位。选择舵机串ＩＺｌ 传输的波特率为１ １５２００Ｈｚ。ＣＤＳ智能机器人舵机内部有一个 控制表，舵机的动作是根据控制表中的值进行对应的动作。控制 据长度；当前状态；参数； 校验和。在应答包中ＥＲ— ＲＯＲ八位均等于０时表 示没有错误，舵机运转正 常。其他情况需要具体情 况具体分析。在移动机器 人实际运行过程中最可能 出现的几种情况是过压欠 压一般表现为欠压，所以 在软件设计中着重对着一 种包进行数据处理。在此 基础上编写代码实现舵机 控制程序。 的情况而改变。因此设定 运动函数要根据不同 图５舵机控制流程图 了五个函数规定前进、后退、左转、右转、停止五种基本运动，且 五种运动的速度可以自定义。舵机编号１、２、３、４分别对应了左 前、左后、右前、右后四个轮子。由于舵机在移动机器人左和右边 是相对镜像放置，所以左侧和右侧舵机的运动方向相反，若左侧 舵机以正方向运动是移动机器人的前进方向，则右侧舵机需要 设定为反方向，移动机器人才会按照前进方向前进。若四个舵机 的转动方向都为正方向，则舵机为右转。关于左转和右转，由于 左右的轮子的方向可以自己定义，将左侧轮子和右侧轮子设定 为方向相反（相对于机器人前进方向），速度一致，则移动机器人 就可以在原地转体。这样的转体运动给避障、探测周围环境参 数，上位机分析数据带来方便。 在对舵机基本参数了解之后接下来就是移动机器人速度的 设置问题，舵机的工作模式有两种：一种是舵机模式，一种是电机 模式。舵机模式可以指定转动至某一角度和速度，常用于精确的 位姿控制；电机模式可以设置转速和运动方向，常用于轮子的驱 动。本设计选取舵机模式，为了研究移动机器人运动速度，进行了 相应的测试得出舵机的速度参数和实际速度的对应关系曲线。 ３．３移动机器人传感器避障系统设计 本设计移动机器人的障碍物探测使用的是超声和红外传感 器组合来获取。移动机器人要实现真正意义上的自主，必须能在 具有静态和动态障碍物的复杂环境中完成局部在线避障 ］。本设 计主要使用四个红外传感器进行避障，使用超声云台辅助避障。 在红外避障中，如果仅仅只有左边或者右边探测到障碍是， 移动机器人还是向前运动。在移动机器人运动中，如果碰到前方 无障碍，左侧或者右侧有很靠近移动机器人的障碍（这种情况经 常会出现在使用左右运动避障后）。移动机器人会因此和墙面产 生细微的摩擦。由于超声模块可以探测向较远距离的五个方向 的障碍，所以可以通过超声距离传感器来优化避障的进行 ］。超 移动机器人控制系统的设计 声优化避障流程如图６ 所示。 超声辅助避障 １—］■一 在移动机器人前进 运动中，如果探测到左 侧或者右侧有极其靠近 机器人的障碍，则让移 动机器人进行细微调 整，防止和墙面摩擦。于 此同时还会判断正前方 较远处是否有障碍，若 有则会让移动机器人减 速，使得红外避障更加 迅速，同时有助于探测 数据更加精确。 ４实验结果以及分析 图６超声辅助避障图 图８移动机器人直角转弯环境 本设计实现了一个 完整的一个移动机器人控制系统，并且能够实现多种控制方式 的切换，移动机器人环境障碍的获取以及环境地图的绘制。为了 验证试验结果在实验室进行了测试。在这个环境中有两个转弯 而且障碍也比较多，进行验证。通过无线模块将传感器获取的障 碍物数据传输到上位机，在上位机可以实时观察移动机器人的 运动轨迹。 匿 ０ ２¨８ １２１０ ２０ ２｛２８ ３２∞帅“，１８ ５２ ５ｅ∞６‘６８ ７２ ７ｅ ８０ ８４ ８８ ９２铀１００ 起点一坐标 ２４起点ｙ坐标 ．特臻点选择 ｊ８ 烹ｙ ５２ 圆 圈 ｘ ６ ～ ！壁堡ｌ【 一 —Ｉ苎重Ｉ 固图９移动机器人直角转弯上位机界面 很好运行。 Ｏ２４６Ｂ ｌ２１６ ２０ ２４ ２８ ３２ ３ｅ帅－１４ ４８ ５２ ５６ ００ ８４ ６８ ７２ ７６ ８０ ８４ ８８ ｇ２ ９６１００ 起点ｒ坐标 起点ｙ坐标 特臻点选捶 ５结束语 ３＿０一 ｓｏ…复． 柚 ５Ｂ 匝垂 ．匪至玉口 测试结果说明了整个系统的正确性和避障系统的可行性。 在实验中还有一些不足的地方，如路径规划采用的是 算法， 该算法在静态地图中运行比较好，但是在动态地图中就会存在 曼一ａ ＃一 ｌ计ｌ路径Ｉ ～…ｌ确定Ｉ 藿 问题，下一步会考虑使用Ｄ 之类的算法进行动态路径规划，当 图７移动机器人运行上位机界面 让在设计中由于数据的增多就需要在双ＣＰＵ的基础上加一个 图７为根据超声红传感器绘制出来的障碍物信息，蓝色两 个点是移动机器人起始点以及终止点．灰色轨迹为移动机器人 ＤＳＰ进行数据处理。 参考文献 ［１］｝：珊珊．轮式移动机器人控制系统设计［Ｄ］．南京：南京理 大学， ２０１３：１—３ 自主运行的轨迹，而为了实现自学习之后不需要传感器主动运 行，使用Ａ 算法规划出２、３、４、５、６、７点作为指导机器人自主 运行的关键节点。实验结果说明移动机器人可以很好地按照自 ［２］叶孝璐，俞立，统．基于ＡＴｍｅｇａ８８和Ｄｅｌｐｈｉ的双足竞步机器人 设计［Ｊ］微型机与应用，２０１４，３３（２３）：３８－３９ 『３１Ｕｌｒｉｃｈ Ｉ．Ｂｏｒｅｎｓｔｄｎ Ｊ．ＶＦＨ＋：Ｒｅｌｉａｂｌｅ ｏｂｓｔａｃｌｅ ａｖｏｉｄａｎｃｅ ｆｏｒ ｆａｓｔ 学习的关键点主动运行。在这个运行过程中，移动机器人控制系 统，传感器部分均运行良好，才能够走出这样的一条曲线。当然 还构造了第二个直角转弯的环境。如图８所示。 在网格地图上移动机器人所行驶过的周围障碍物情况，从 地图上能看到明显的拐弯情况，两头为开放的通路，从上位机获 取的障碍物地图上可以看出在转弯的时候移动机器人在拐角会 有一些障碍物误判断，这是超声传感器的镜面反射ｉ５。以及多次 获取数据叠加导致的，为了解决这个问题，在转弯的时候我们更 多的依赖红外传感器的数据绘制地图，同样能够得出路径规划 ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔｓ［Ｃ］／／Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ １９９８ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ．１９９８．２：１５７２—１５７７ ［４ｊ．｝：耀宾超声导航移动机器人系统设计及模糊避障技术研究［Ｄ］．青 岛：中国海洋大学，２００８：１—３ Ｉ ５］Ｔａｏ Ｇａｏ，Ｚｈｅｎ Ｊｉｎｇ Ｙａｏ．Ｓｅｎｓｏｒｓ Ｎｅｔｗｏｒｋ ｆｏｒ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｒａｎｇｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ】．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｐｅｒｖａ— ｓｉｖｅ ａｎｄ Ｕｂｉｑｕｉｔｏｕｓ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ（ＩＪＡＰＵＣ），２０１３，５（３）：４７—５９ ［收稿Ｅｌ期：２０１６．８．２９］ 结果。实验说明，在转弯的情况下移动机器人控制系统同样可以
