基于SimMechanics的机器人控制系统设计仿真.docx

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1、基于SimMechanics的机器人控制系统设计仿真蔡明峰导语：本文通过对挪动机器人的分析研究，设计基于单片机的挪动机器人电机驱动和闭环调速的控制系统，采用超声波测距模块设计，为机器人提供简单方便的障碍物间隔检测。引言挪动的研究始于60年代末期斯坦福研究院(spa)的NilsNilssen和CharlesRoesn等人，在1966年至1972年中研制出了自主挪动机器人Shakey。70年代末，挪动机器人研究又出现了新的高潮，十分是在80年代中期以来，设计和制造机器人的浪潮席卷全世界。一大批世界著名的公司，如美国通用电气、日木本田、索尼等开场研制挪动机器人平台，这些挪动机器人主要作为大学实验室及

2、研究机构的挪动机器人实验平台，进而促进了挪动机器人学多种研究方向的出现。随着挪动机器人技术的迅速开展及其在工业、军事等领域中的广泛应用，有关挪动机器人的理论、设计、制造和应用的新的技术科学-机器人学，已逐渐形成，并越来越引起人们广泛的关注。挪动机器人的研究将进入了一个崭新的阶段。挪动机器人是一类可以通过传感器感悟环境和自身状态，实如今有障碍物的环境中面向目的自主运动，进而完成一定功能的机器人系统。理想的自主挪动机器人可以不需人的干预在各种环境中自主完成规定任务，具有较高的智能程度，但目前全自主挪动机器人还大多处于实验阶段，进入实用的多为半自主挪动机器人，通过人的干预在特定环境中执行各种任务，而

3、遥控机器人那么完全离不开人的干预。随着新的智能控制算法的不断涌现，挪动机器人正向着智能化方向开展，这就对系统性能提出了更高的要求。设计实现智能挪动机器人的控制系统，可以熟悉挪动机器人硬件和软件的开发，把握挪动机器人的运动控制特性，为后续的挪动机器人的功能扩展搭建一个可行、稳定的平台，而这个平台那么可以作为多种机器人开发的公共根底平台。实现智能挪动机器人控制系统的开发具有一定的现实意义，将为以后的挪动机器人开发奠定坚实的根底。1、控制系统构造功能挪动机器人的控制系统是机器人系统的执行机构，对系统平稳运行起着重要作用，有时也可作为一个简单的控制器。构成机器人运动控制系统的要素有：计算机硬件系统及控

4、制软件、输入输出设备、驱动器、传感器系统等。设计智能挪动机器人控制系统框图如图1所示。图1挪动机器人控制系统框图挪动机器人的控制系统的实现：挪动机器人控制系统的主要内容是生成机器人的运动控制信息，控制机器人的运动。轨迹跟踪是挪动机器人需要完成的任务之一，其典型工作经过为机器人运动控制器根据规划好的途径生成机器人的运动控制信息，控制机器人完成相应的挪动，完成规划途径的跟踪。运动控制经过中用到的输入信息包括底层超声波测距模块提供的障碍物间隔信息，电机码盘提供的机器人的位置、速度信息，以及全景摄像机、单目视觉摄像机收集并经过处理后的视频信息等。机器人本体上安装有四个驱动电机，作为挪动机器人的驱动机构

5、。每个驱动电机都带有一个光电码盘，光电码盘提供正交编码脉冲信号，可用作驱动电机闭环调速和机器人定位脉冲。车载处理器主要负责超声波测距模块控制、模块治理、机器人定位以及和上位机的通讯，可以采用通用计算机、大容量单片机、DSP、ARM等嵌入式控制器。挪动机器人输入信息包括视觉输入和间隔检测。视觉信息包括全景视觉和双目视觉摄像机。间隔信息包括激光测距和超声波测距模块。挪动机器人根据开发人员事先建立好的环境地图，挪动经过中读取的环境信息，在处理器内根据控制规那么进展运算，输出控制信息到驱动电机，控制机器人的挪动。挪动机器人的车载处理器和上位机作为处理中枢，接收激光、超声波等测距模块提供的障碍物间隔信息

6、，全景、双目视觉提供的视觉信息。结合上位机中的预设功能，通过控制驱动电机控制机器人完成相应动作。2、控制系统硬件设计控制系统硬件主要包含主控板单元、电机驱动以及超声波测距模单元。2.1主控板单元主控板主要完成模块接口治理、数据传输以及超声波测距模块的控制。挪动机器人装备各种传感器模块接口不完全一样，其中全景视觉摄像机模块接口一般为USB接口。双目视觉像机一般采用RS232接口。主控板主要负责与上位机的通讯，电机驱动的控制信息可以由上位机经过主控板传输到电机驱动控制器。同时主控板检测电机码盘提供的正交编码脉冲信号用作机器人的定位。间隔检测模块接口主要由主控板负责。超声波测距模块由主控板进展治理，

7、发射信号的产生，接收信号的检测处理和超声波运行时间的读取都由主控板控制完成。2.2电机驱动单元挪动机器人有四个定向轮，分别由四个完全一样的驱动电机驱动。为保证驱动电机闭环调速的实时、准确性和运行的稳定、独立性，每个驱动电机将由各自电机驱动控制器单独驱动。每个电机驱动模块由一个带有通讯接口的控制器和电机驱动单元组成。电机驱动模块控制芯片接收控制指令，计算出驱动电机运行速度和方向，给出驱动电机控制电压，同时通过驱动电机同轴光电码盘检测电机运行速度，对驱动电机目的速度和实际速度差值进展一定运算，给出驱动电机控制电压值，完成驱动电机的闭环调速。2.3超声波测距单元超声波测距单元用于检测挪动机器人与四周

8、障碍物的间隔，40KHz方波信号由主控板控制器产生，放大后经换能器输出超声波信号，超声波信号在空气中传播经障碍物反射后由换能器接收，接收到的超声波信号转换成小幅值电信号，经放大、滤波、比拟后由主控板控制器检测，计算传输时间即可。因此模块需要方波信号功率放大器件、超声波换能器、接收到的超声波小幅值信号放大、滤波、比拟器件。由于超声波信号在空气中衰减，接收换能器输出的电信号极其微弱，大都为毫伏级，并且会掺杂一些噪声干扰，所以需要对接收信号进展放大和滤波。从控制芯片发射超声波信号开场到接收检测到整形后的信号即为超声波的传输时间，进而计算出障碍物间隔。超声波测距单元硬件构造图如图2所示。图2超声波测距

9、单元硬件构造图3、仿真模型本文利用MATLAB/Simulink仿真软件对机器人的运动学仿真进展研究,提出基于机构仿真工具SimMechanics的运动学仿真和基于MATLAB的函数的运动学仿真。设计了一个基于SimMechanics的运动学的智能小车仿真平台，可以根据系统性能要求确定PID控制器的最优参数，并且利用虚拟现实技术实时反映智能小车运行经过中的状态，可以为电子设计中把握小车运动控制提供很好的演示环境假设车在XOY坐标系的坐标为(X，Y)，运行方向与X轴的夹角为，那么向量X，Y，表示车的位姿，小车运动方程如下:式中，b为左右驱动轮间横向间隔，vL为左轮线速度，vR为右轮线速度，为小车

10、转向速度，v为小车前进速度左右驱动轮选用同一型号电机，车轮摩擦转矩Tf为对抗性恒转矩负载。假设i为减速比，为传动机构效率，那么负载转矩折算到电机轴上的等效转矩:T=Tf/i采用虚拟仿真技术使得对智能车的测控更加直观，Simulink优化设计模块使系统控制器参数的调节更为方便，两者结合实现了可视化交互性操纵，能实时观测智能车运动状态的变化。4、控制器参数优化常规PID控制器的调节性能取决于参数Kp，Ki，Kd的整定情况，参数整定的好，那么控制效果就好，否那么相反。本设计通过调节KP、KI和KD三个控制参数，使智能车能更准确、快速地沿给定途径前进。图3中基于SimMechanics的运动学仿真模型

11、，集成了基于图形界面的系统控制器优化设计和仿真功能，可以根据设定的性能指标约束对控制器参数进展优化计算。PID控制器输出经过一个驱动器后去控制被控对象。图3基于SimMechanics的运动学仿真模型根据建立的机器人SimMechanics仿真模型，在仿真环境中设置分析类型，就可以实现机器人的运动学(或者动力学)仿真分析。用光电编码盘测得机器人的末端轨迹如图4所示。图4机器人的末端运动轨迹5、结论基于SimMechanics的仿真模型，通过参数设置及仿真类型选择，可以方便地进展动力学仿真。本设计可以独立完成挪动机器人驱动电机的闭环调速。由上位控制器发送指令控制机器人运动，无需介入闭环调速经过。使用MATLAB工具箱实现了挪动机器人的途径跟踪程序控制，通过机器人光电编码盘记录的机器人左右轮位移，转换为机器人的当前位置和姿态，实现对离散化途径的跟踪。