移動(dòng)機(jī)器人數(shù)控技術(shù)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的介紹與分析

　　移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制即控制機(jī)器人按規(guī)劃的軌跡運(yùn)動(dòng)，控制的好壞對(duì)機(jī)器人的性能有著直接的影響。移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器是移動(dòng)機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行起著重要作用。世界各國都很重視移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的研究工作，并且投入了大量的人力和物力。目前，輪式移動(dòng)機(jī)器人常見的控制方法是雙閉環(huán)控制移動(dòng)機(jī)器人的左驅(qū)動(dòng)輪速度和右驅(qū)動(dòng)輪速度，其控制算法主要是PID控制算法和模糊邏輯控制算法。國外： PID控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一。由于PID控制器具有簡(jiǎn)單而固定的形式，算法簡(jiǎn)單、可靠性高，在很寬的操作條件范圍內(nèi)都能保持較好的魯棒性，能給設(shè)計(jì)人員提供一種簡(jiǎn)單而直接的調(diào)節(jié)方式，故在工業(yè)控制過程中，PID控制器是應(yīng)用最多的一種控制方式。自1965年美國加利福尼亞大學(xué)控制論專家zadeh首次提出了用“隸屬函數(shù)” 概念來定量描述事物模糊性的模糊集合理論以來，其理論和方法日臻完善zadeh 把模糊控制應(yīng)用于自動(dòng)控制領(lǐng)域，開辟了模糊控制理論及其工程應(yīng)用的新時(shí)代。從90年開始，DSP（Digital Signal Processor）技術(shù)和FPGA（Field Programmable Gate Array）芯片技術(shù)在美國得到高速發(fā)展，出現(xiàn)了一批高性能低價(jià)格的DSP，這些 DSP的重要特性是它們的兼容性好而且浮點(diǎn)運(yùn)算速度快，使運(yùn)動(dòng)控制器能夠濃縮在第一章緒論一塊PCISA／PCI控制卡上，而且每個(gè)伺服軸的更新速率可以達(dá)到20s，而FPGA芯片技術(shù)則使通過軟件來更新硬件成為可能，如果將DSP和FPGA與PC相結(jié)合，則可充分利用現(xiàn)有的操作環(huán)境和資源，進(jìn)一步降低系統(tǒng)的成本，增加系統(tǒng)的通用性。目前，國內(nèi)外高級(jí)運(yùn)動(dòng)控制器大多做成了ISA／PCI插卡形式，這種插卡形式能充分地利用計(jì)算機(jī)現(xiàn)有的軟件資源，總的看來，這種插卡形式的控制器功能強(qiáng)大，但結(jié)構(gòu)也很復(fù)雜。從技術(shù)水平上看，國內(nèi)的運(yùn)動(dòng)控制器（卡）落后于國外。目前國外的高性運(yùn)動(dòng)控制卡主要有：美國PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡：應(yīng)用領(lǐng)域涉及機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、雕刻機(jī)、旋轉(zhuǎn)刀、 X-Y系統(tǒng)等各類自動(dòng)化設(shè)備。日本三菱電機(jī)公司推出的第二代高性能Q系列運(yùn)動(dòng)控制器。主要特點(diǎn)有：體積小巧高速運(yùn)動(dòng)控制、配置靈活、SSCNET控制功能，Motion SFC編程，上位監(jiān)控，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制。但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴。英國BALDOR公司推出的各種運(yùn)動(dòng)控制卡：功能很強(qiáng)，她采用類似Basic的結(jié)構(gòu)語言Mint，通俗易懂，編程比較容易。這種卡有總線型（PCL LSA），獨(dú)立型（串口、USB），驅(qū)動(dòng)集成型（步進(jìn)、伺服）多種形式，可以滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的特殊需要。國內(nèi)：在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器中，處理器件接受高層控制級(jí)的指令，計(jì)算和輸出多路控制信號(hào)，協(xié)調(diào)各驅(qū)動(dòng)輪，并對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。目前，許多機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)均采用專用的微處理器，如以DSP為核心的微處理器制作專用的主板，采用專用的編程語言，并將控制算法固化在EPROM中。運(yùn)動(dòng)控制算法是移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的關(guān)鍵，由于PID控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、參數(shù)易于調(diào)整，因此在移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制中得到了廣泛的應(yīng)用，但是移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的模型在實(shí)際系統(tǒng)中存在控制參數(shù)難以調(diào)整、控制系統(tǒng)存在噪聲影響等問題，即用傳統(tǒng)的比例控制器己不能達(dá)到較好的控制效果。模糊邏輯法模擬駕駛員的駕駛思想，將模糊控制本身所具有的魯棒性與基于生理學(xué)上的“感知一動(dòng)作”行為結(jié)合起來，為移動(dòng)機(jī)器人在未知環(huán)境中運(yùn)動(dòng)提出了一種新思路，模糊控制不需要建立數(shù)學(xué)模型，可以利用語言描述復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，是一種基于非數(shù)學(xué)模型的控制方法，但是難以建立完善的推理規(guī)則。 1．3移動(dòng)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)是一種面向未來的現(xiàn)代化技術(shù)，機(jī)器人技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、基因技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等一樣，屬于高新技術(shù)。因此具有很多關(guān)鍵技術(shù)需要重點(diǎn)研究，以下內(nèi)容主要介紹了機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)和多傳感器融合技術(shù)。 4 輪式移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì) 1．3．1移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航技術(shù)導(dǎo)航技術(shù)是移動(dòng)機(jī)器人的一項(xiàng)核心技術(shù)之一。它是指移動(dòng)機(jī)器人通過傳感器感知環(huán)境信息和自身狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)在有障礙的環(huán)境中面向目標(biāo)的自主運(yùn)動(dòng)。目前，移動(dòng)機(jī)器人主要的導(dǎo)航方式包括：磁導(dǎo)航，慣性導(dǎo)航，GPS導(dǎo)航，環(huán)境地圖模型匹配導(dǎo)航，路標(biāo)導(dǎo)航，視覺導(dǎo)航，味道導(dǎo)航，聲音導(dǎo)航，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)航等【3卅。磁導(dǎo)航是機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)中比較成熟的技術(shù)，磁導(dǎo)航原理是在路徑上埋設(shè)電纜，當(dāng)電流通過電纜時(shí)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，通過電磁傳感器，對(duì)磁場(chǎng)的檢測(cè)來感知路徑信息，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的導(dǎo)航。該方法優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)，技術(shù)簡(jiǎn)單，實(shí)用，缺點(diǎn)是成本高，可變性、可維護(hù)性較差。慣性導(dǎo)航是使用陀螺儀和加速度計(jì)分別測(cè)量移動(dòng)機(jī)器人的方位角和加速率，從而確定當(dāng)前的位置，根據(jù)已知地圖路線，來控制移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向以實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航。慣性導(dǎo)航的優(yōu)點(diǎn)是不需要外部參考，缺點(diǎn)是它具有誤差累加，不適合長(zhǎng)時(shí)間精確定位。 GPS導(dǎo)航是一種以空間衛(wèi)星為基礎(chǔ)的高精度導(dǎo)航系統(tǒng)，適合室外全局導(dǎo)航與定位，但是它存在信號(hào)障礙，多徑干擾等缺點(diǎn)。因而在實(shí)際中，它一般都結(jié)合其它導(dǎo)航技術(shù)一起工作。環(huán)境地圖匹配導(dǎo)航是機(jī)器人利用傳感器感知周圍環(huán)境信息，然后構(gòu)造局部地圖，并與其內(nèi)部事先存儲(chǔ)的完整地圖進(jìn)行匹配，以確定自身位置，并根據(jù)預(yù)先規(guī)劃的一條全局路線，采用路徑跟蹤和避障技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航，它一般要涉及到地圖構(gòu)造和地圖匹配兩大問題。路標(biāo)導(dǎo)航就是移動(dòng)機(jī)器人利用傳感器輸入信息來識(shí)別出環(huán)境中特殊標(biāo)記，以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航和定位。根據(jù)路標(biāo)不同，可分為自然路標(biāo)導(dǎo)航和人工路標(biāo)導(dǎo)航：自然路標(biāo)導(dǎo)航是機(jī)器人根據(jù)對(duì)工作環(huán)境中的自然特征的識(shí)別實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航，優(yōu)點(diǎn)是不改變工作環(huán)境，且方法靈活，但路標(biāo)探測(cè)的準(zhǔn)確性和魯棒性是研究的主要問題；人工路標(biāo)導(dǎo)航是機(jī)器人識(shí)別認(rèn)為放置的特殊標(biāo)志實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航，該方法優(yōu)點(diǎn)是易于實(shí)現(xiàn)，且穩(wěn)定性較好，但是它改變了機(jī)器人工作環(huán)境。視覺導(dǎo)航主要是通過攝像頭對(duì)障礙物和路標(biāo)信息拍攝，獲取圖像信息，然后對(duì)圖像信息進(jìn)行探測(cè)和識(shí)別實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航。它具有信號(hào)探測(cè)范圍廣，獲取信息完整等優(yōu)點(diǎn)，是移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航的一個(gè)主要發(fā)展方向，但是視覺導(dǎo)航的邊緣銳化，特征提取等圖像處理方法計(jì)算量大，實(shí)時(shí)性差始終是一個(gè)瓶頸問題，解決該問題的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)一個(gè)更加快速優(yōu)化的圖像處理算法，用硬件或并行運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)圖像處理，從而解決視覺導(dǎo)航實(shí)時(shí)性問題。在導(dǎo)航方式失效的場(chǎng)合，與視覺導(dǎo)航相比，聲音導(dǎo)航具有無方向性，時(shí)間分辨率高，能在黑暗中工作等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是空間分辨率低。