非完整约束轮式移动机器人控制系统设计.pdf

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1、非完整约束轮式移动机器人控制系统设计非完整约束轮式移动机器人控制系统设计柳柳柱柱,赵东标赵东标,王明昕王明昕(南京航空航天大学,江苏 南京210016)Design of a Nonholonomic Wheeled Mobile Robot Control SystemL LIUIU ZhuZhu, ,ZHAOZHAODongDongbiaobiao, ,WHANGWHANGMingMingxinxin(Nanjing University of Aeronautics and Astronautics ,Nanjing 210016 ,China)摘摘 要要:采 用 美 国Cygnal公

2、司 新 研 制 的C8051F005单片机作为机器人控制系统的CPU及瑞士MAXON公司的直流伺服电机作为双轮驱动单元,利用非完整约束条件和非完整约束运动规划原理,研制了非完整约束轮式移动机器人,该机器人可跟踪任意直线、 圆弧曲线轨迹等,也可实现原地零半径旋转及任意轨迹运动。运动自主灵活。关键词关键词:机器人;C8051F005 ;传感器;运算放大器中图分类号中图分类号:TP24文献标识码文献标识码:A文章编号文章编号:10012257 (2004)03005303AbstractAbstract: : Selecting C8051F005 , new designedchip MCU of

3、 Cygnal as the CPU of control systemand MAXON DC servo motor of Switzerland as driv2er ,we design a nonholonomic wheeled mobile robotbase on nonholonomic condition and nonholonomicmotion planningtheory.It can trace any kind ofstraight track and arc track ,rotate with zero radius ,and also can flexib

4、ly move with any curve path.K Keyey w wordsords:mobile robot ;C8051F005 ;sensor ;op2erational amplifier车辆的发展也有重大的意义。我们研制了1台轮式移动机器人AeroAcer ,并进行了对直线及圆弧等目标轨迹跟踪试验。1机器人底盘机械结构及其驱动根据需要,AeroAcer轮式移动机器人结构包括:行走驱动部 、 躯干、 手臂及手爪 。行走驱动部结构如图1所示 。 采用两轮独立驱动的结构,并使图1机器人底盘结构AeroAcer的形心和质心对地平面的投影落于2个驱动轮轴线上。驱动轮分别由2套直流伺服

5、系统驱动,提供需要的转速或者力矩;前后对称于驱动轮轴线各布置一万向轮,可任意移动而不会对AeroAcer产生阻力和约束作用,这样,只要分别控制2个驱动轮的不同的速度或者力矩,就可以使AeroAcer按照所要求的方向和速度移动,从而实现运动规划、 稳定以及跟踪等控制任务。驱动轮轴线经过底盘的形心的投影,可实现零转弯半径,同时也使轨迹规划及控制相对简单;另外,驱动轮轴线过质心的投影,可大大提高驱动电机的效率2 。内带减速齿轮的驱动电机固定在车架上,2个驱动车轮也分别通过轴架固定在车架上。电机的输出轴驱动车轮。连接在电机上的圆光栅在电机运转时产生相位上相差90 的脉冲信号3 ,通过对此脉冲信号进行检

6、测和运算,就可得到AeroAcer的位置、 速度等状态量 。我们选530引言轮式移动机器人系统是典型的非完整约束机械系统1 。利用非完整约束条件和非完整运动规划的原理,研究开发新型的具有良好的目标轨迹跟踪和控制性能轮式移动机器人系统,在机器人领域中成为一个新的研究热点。轮式机器人其实与车辆极为相似,因此轮式移动机器人的研究对于无人驾驶收稿日期收稿日期:20030908机械与电子2004 (3) 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.用了500线的圆光栅,即电动机每旋转1周输出500个脉冲,由

7、于采用331的减速齿轮,因此车轮每转动一周圆光栅将输出33x500 = 16 500个脉冲,具有相当高的精度。我们选择圆光栅的目的在于:一方面将圆光栅产生的脉冲信号经过伺服放大器内的频压变换得到电机的速度用于速度反馈以形成速度闭环,同时还可以对脉冲信号经过计数、 运算获得AeroAcer的位置和速度,简化了系统设计,节省了成本。由于直流伺服电机具有启动力矩大,动态性能好,调速范围宽和控制较为简单等一系列优点4 ,因此在AeroAcer中选用瑞士MAXON公司的直流伺服电机作为驱动单元,包括带有减速齿轮的直流电机、 伺服放大器以及用作速度反馈和检测的圆光栅。电机可以工作在速度方式和力矩方式,可以

8、运行在由速度和加速度决定的4个象限,从而可以在该装置上针对AeroAcer的运动学和动力学模型进行实验研究。其中,伺服放大器根据电机的转速或电流调整输出到电机的电压,从而控制电机的转速、 力矩等。本系统使用ADS50/ 5伺服放大器。的是具有数字开关阵列(digital crossbar) ,可以将内部系统资源定向到P0、P1和P2 ,即可以把定时器 、串行总线、 外部中断源 、AD转换输入 、 比较器输出定向到P0、P1和P2。e. e.多达22个中断源 。为实时多任务系统的实现提供了保证5 。控制系统组成如图2所示。图中伺服放大器需图2控制框图要- 10+ 10V的电压控制信号驱动电动机以

9、相应的速度反转或正转 。而C8051F005的DAC口输出的电动机驱动信号为02. 4V的单极性电压信号,因此须转化为相对应的- 10+ 10V双极性驱动电压以满足伺服驱动器的需要。电路如图3所示。2AeroAcer的硬件设计和功能概述2. 1硬件设计硬件设计选择Cygnal公司的C8051F005作为控制系统的CPU。C8051F005芯片具有1个8通道12位ADC;2个12位DAC ; 32个I/ O口( P0、P1、P2、P3) ; 32 KB FlashROM ,2KB RAM. ;共22个中 断源,其中7个外部中断源,均可通过交叉开关配置到P1. 0、P1. 1和P1. 2上;4个定

10、时器/计数器 。这些为实时控制提供了极大方便。C8051Fxxx单片机是美国Cygnal公司新近推出的完全集成的混合信号系统芯片(SOC) ,具有与8051完全兼容的CIP51内核。此系列单片机具图3电动机驱动信号比较放大电路有如下优点:a. a.芯片采用流水线指令结构。70 %指令的执行时间 为1个或者2个系统时钟周期,具有高达25M IPS的速度,比标准8051快20倍以上。b.b.进的J TAG调试功能。支持在系统、 全速、 非插入调试和编程,不占用任何片内资源。c. c.可靠的安全机制 。有7种复位源;并可利用J TAG口编程加密芯片。d.d.强大的控制功能。有多达64位I/ O口线,

11、所U11、U12为微功耗基准电压源,提供D/ A转换的参考电压及运算放大器比较电压 。U9、U10是高精密运算放大器6 ,将CPU输出的02. 4V的信号电压转化为- 1010V的控制电压 。VREF、DAC0、DAC1为CPU的3个端口 。分别输入参考电压输出2个电动机的驱动信号。2. . 2AeroAcerAeroAcer的基本功能的基本功能AeroAcer可按一定轨迹运行,到达目标地点后有的口线可以编程为弱上拉或推挽输出。更为独特54完成一定的动作,可作为非完整约束两轮驱动机器人运动轨迹规划研究的实验平台,也可用作AGV ,机械与电子2004 (3) 1995-2006 Tsinghua

12、 Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.负载达10kg。通过重复编程实现不同的作业。AeroAcer控制系统主要可以完成以下工作:a. a.在得到运行指令后,C8051F005通过2个12位DAC接口控制伺服电动机运转 。并利用单片机内部的计数器1和2分别获得光电编码器1和2的反馈信息7 ,对AeroAcer的速度和位置进行控制 。按既定的轨迹移动 。当AeroAcer运行在轨迹跟踪方式下时,单片机不断扫描轨迹跟踪传感器的接口。传感器1位于带跟踪的轨迹之上,传感器2 ,3 ,4 ,5用于监测AeroAcer是否偏离轨迹及左偏还是

13、右偏 。以便及时调整AeroAcer的位姿。b.b. C8051F005将定时器3设定为定时中断方式,不断对传感器813循环扫描 。传感器813为反射式光电传感器 。分别安装于AeroAcer腰部正前方及左右侧,底盘下正前方及左右侧 。用来监测障碍物,采取相应的避障措施。c. c.当AeroAcer到达既定位置后,按作业要求,根据传感器1418 (编码器)的反馈信息,驱动手臂,手爪电动机,完成相应动作,当抓取重物时,CPU不断扫描安装在手爪内的压力传感器,用CPU的12位ADC对力觉传感器的输出采样转换,以获取压力值。用相应的力将不同重量的物品抓住。当作为娱乐时,手臂,手爪可完成简单的预先指定

14、的动作。图5程序框图4结束语我们利用C8051F005作为CPU制作了1台机器人,并进行了直线及圆弧跟踪试验 。直线跟踪阶段其 误差最大为21mm ,圆弧阶段误差最大为30mm。此机器人既可作为一款实验性机器人,也可作为研究非完整约束移动机器人的实验平台。因为C8051F005可编程定义I/ O口的作用,因此控制系统的硬件设计具有很大的柔性。参考文献参考文献:1 Eluca A ,Orolo G,Samson C. Feedback control of a non2holonomic carlike robotA . Laboratoire dAnalye et dArchitectured

15、es Systemes CentreNationalde laRecherche Scientique LAAS Report 97438 C. 1998.2西山一郎,兆十.自律型机器人制作M.北京:科学出3轨迹跟踪实验及软件设计实验场地如图4所示。在半径4 000mm的浅版社,2002.3白恩远,王俊元,孙爱国.现代数控机床伺服及检测技术M.北京:国防工业出版社,2002.4 坪岛茂彦,中村修照.通用电机和控制用电机实用手册M.北京:机械工业出版社, 1985.图4实验场地示意图5 潘琢金,施国君. C8051Fxxx高速SOC单片机原理及绿色地板上,有16条自圆心发出的辐射线和2个半径分别

16、为3 000mm和1 500mm的同心圆,均为30mm宽白色线。跟踪试验目标为:由阴影所示出发点沿直线到达A点后沿半径为1 500mm圆弧到B点,然后完成其它相应动作。试验程序框图如图5。传感器1处于AeroAcer纵向前进轴线上,2、3、4、5在横向车轮轴线上,分居纵向轴线两侧,间距大于跟踪轨迹宽度。机械与电子2004 (3)应用M.北京:北京航空航天大学出版社,2002.6 伦克 约翰 德.集成电路应用手册M.北京:人民邮电出版社,1981.7王福瑞,等.现代数控机床伺服及检测技术M.北京:国防工业出版社,2002.柱柱(1976 - ) ,男,山东青岛人,南京航空航天作者简介作者简介:柳柳大学机电学院硕士研究生,研究方向为机器人控制和语音识别。55 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.