基于航跡推算的移動式機(jī)器人定位系統(tǒng)設(shè)計

摘要：為實現(xiàn)移動式機(jī)器人的智能工作，研究了航跡推算定位技術(shù)，采用陀螺儀、光電編碼器等傳感器對已知航線的機(jī)器人進(jìn)行行走定位。系統(tǒng)由驅(qū)動模塊、傳感器和反饋模塊以及控制模塊等組成，其模塊化設(shè)計充分整合了系統(tǒng)資源，抗干擾能力強(qiáng)，同時使用了伺服器驅(qū)動電機(jī)減小行走誤差，成本低廉，可移植性強(qiáng)，能很好地運用于工業(yè)加工機(jī)器人和特種作業(yè)機(jī)器人。
關(guān)鍵詞：航跡推算；陀螺儀；光電編碼器；伺服器；模塊化設(shè)計

    自工業(yè)革命以來機(jī)械被廣泛運用到各個領(lǐng)域。隨著人類社會生產(chǎn)的發(fā)展，人們越來越需要高智能、高精度的機(jī)器完成各類繁重的、高精度、高風(fēng)險的作業(yè)，于是，完成某些特定任務(wù)的機(jī)器——機(jī)器人逐步發(fā)展起來。移動式機(jī)器人需完成某些任務(wù)，其關(guān)鍵在于定位，即機(jī)器人必須知道自己現(xiàn)在的位置和將要“行走”的方位。根據(jù)機(jī)器人運用的環(huán)境不同，定位精度也大不相同，現(xiàn)有的定位技術(shù)大致可分為航跡推算、信號燈定位、基于地圖的定位、路標(biāo)定位以及視覺定位等幾大類。
    本文闡述的是一種運用多種傳感器的航跡推算定位技術(shù)。該種定位方式適用于已知航線的行走，能夠準(zhǔn)確的從出發(fā)地快速行進(jìn)到目的地，具有良好的嵌套性，可以成為某些大型定位系統(tǒng)的基本單元，同時具有抗干擾能力強(qiáng)、維護(hù)方便的特點。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計
1．1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)
    系統(tǒng)采用航跡推算原理對移動式機(jī)器人進(jìn)行定位，航跡推算即利用外部傳感器的數(shù)據(jù)實現(xiàn)機(jī)器人實時位置和運動方向的估計，短期定位精度高。航跡推算技術(shù)的關(guān)鍵是需測量出機(jī)器人單位時間運動的距離以及這段時間內(nèi)機(jī)器人航向的變化。在本設(shè)計中，主要采用編碼盤和陀螺儀進(jìn)行航跡推算來實現(xiàn)定位，系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，由驅(qū)動模塊、傳感器和反饋模塊以及控制模塊等組成，原理框圖如圖1所示。

    為提高抗干擾能力，系統(tǒng)各模塊之間相互獨立使用ISP串行通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，每個模塊都與控制系統(tǒng)構(gòu)成一個閉環(huán)單元，控制系統(tǒng)通過算法整合，從而降低了各個單元之間的干擾和誤差的累積?？刂葡到y(tǒng)發(fā)出路線的整體行走方案，再由各個閉環(huán)單元檢測是否按原定計劃實施，當(dāng)出現(xiàn)錯誤和誤差時，系統(tǒng)通過采集的數(shù)據(jù)即刻做出實時調(diào)整，實現(xiàn)快速、準(zhǔn)確定位。
1．2 系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型
    系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型可以看成是一個平面坐標(biāo)定位，在平面內(nèi)任何一個點的速度可以表示為線速度V和角速度V，其坐標(biāo)為(x，y)。當(dāng)一個物體在平面內(nèi)從一點移動到另一點時，只要畫出運動軌跡，就可以計算出在該軌跡上任一點的速度和坐標(biāo)，以進(jìn)行定位。假設(shè)某一運動軌跡方程已知，則需要按其軌跡進(jìn)行運動定位，其數(shù)學(xué)模型如圖2所示。

   
    式中，Vx(t)和Vy(t)分別表示x軸和y軸在時間t時的速度，S表示t到t+1時刻的行走路徑，φ(t)表示t時刻x軸速度與速度的夾角。

2 系統(tǒng)電路設(shè)計
2．1 伺服器電路
    伺服器是一種電機(jī)驅(qū)動器，與普通電機(jī)驅(qū)動器不同，該驅(qū)動器可以與電機(jī)連接形成閉環(huán)控制單元。伺服器通過實時檢測安裝在電機(jī)上的高分辨率光電編碼器的信號計算出電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，通過與目標(biāo)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角進(jìn)行比較來實時調(diào)整電機(jī)運動狀態(tài)。

    如圖3所示為伺服器系統(tǒng)硬件電路的信號處理單元。該電路包括了信號整合和信號運算，其中DS26LS32CM實現(xiàn)編碼盤信號的整合，即把4路PWM信號整合成2路PWM信號。由于編碼盤信號是由A、B兩路相位差為90°的PWM組成，通過對DS26LS32CM邏輯使能口的電平控制，可實現(xiàn)輸出端在A、B信號超前或滯后90°時輸出高電平或低電平，以此判斷出電機(jī)正反轉(zhuǎn)狀態(tài)。LM629為PID信號算法芯片，通過對編碼盤信號運算和DS26LS32CM輸出信號狀態(tài)分析，芯片可發(fā)出信號使電機(jī)一直保持在編碼盤的某一個柵格處，讓電機(jī)急停鎖死或準(zhǔn)確運動所需要的柵格數(shù)，實現(xiàn)對機(jī)器人移動的準(zhǔn)確控制。HCP-2602為高速光耦芯片，其目的是減少控制端與電機(jī)之間的信號干擾。
2．2 光電編碼器電路
    光電編碼器是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器，由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分的開通若干個長方形孔，開孔的數(shù)量決定了控制的精度。機(jī)器人運動時，光柵盤隨電機(jī)旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測并輸出若干脈沖信號，通過采集脈沖個數(shù)后運算即可得出機(jī)器人運動路徑長度。

    如圖4所示為光電編碼器的外圍采樣電路，主要是通過一個與門和一個D觸發(fā)器來實現(xiàn)對脈沖信號的采集。一般的光電編碼器是由A、B、Z三路信號組成，A和B是兩個前后相位差為90°的脈沖信號，根據(jù)光柵盤的旋轉(zhuǎn)方向，相位差的超前與滯后各不同，因此利用與門將A、B信號整合成一個脈沖信號再利用D觸發(fā)器判斷A、B兩者相位差關(guān)系。當(dāng)光柵盤正轉(zhuǎn)時，A超前B 90°，D2發(fā)光，同時在DirB處檢測到高電平。當(dāng)光柵盤反轉(zhuǎn)時，A滯后B90°，D1發(fā)光，且在DirA處檢測到低電平，再通過單片機(jī)的處理就能準(zhǔn)確判斷光柵盤所轉(zhuǎn)過的柵格數(shù)，從而計算出機(jī)器人運動路徑的長度。
   
    式中，P1表示正轉(zhuǎn)PWM脈沖個數(shù)，P2表示反轉(zhuǎn)PWM脈沖個數(shù)，n表示編碼盤柵格數(shù)，r表示機(jī)器人動力輪半徑。
2．3 陀螺儀硬件電路
    設(shè)計中采用三軸陀螺儀對加速度進(jìn)行測量，積分后即可得到所需的角度偏移量，如圖5所示為陀螺儀硬件原理圖。其工作原理為中央處理單元發(fā)送通信數(shù)據(jù)給陀螺儀使之工作，陀螺儀在機(jī)器人發(fā)生角度偏移時測量實際偏移量和理論偏移量的差值，將該值傳送給中央處理單元，由中央處理單元計算出補(bǔ)償值后發(fā)指令給伺服器，使電機(jī)進(jìn)行誤差補(bǔ)償。

    圖5中L3G4200D是一個三軸陀螺儀，可以對x、y、z三個方向的角度進(jìn)行檢測，檢測后的數(shù)據(jù)通過ISP通信傳送將端口SCL、SDA角度信號傳輸給中央處理單元。MMA8451Q是一個速度計，可以實時檢測機(jī)器人的運行速度，并用相同方式將運行速度信號傳輸給中央處理單元。之所以在此安裝速度計，是為了降低中央處理單元中CPU的計算量，讓CPU有更多的空間去處理速度與路徑的關(guān)系。TPS62112是低噪音的同步降壓DC—DC轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部集成了N型和P型MOSFET，可進(jìn)行同步整流，為陀螺儀芯片提供良好的電源環(huán)境。
2．4 中央處理單元
    系統(tǒng)使用MEGA128單片機(jī)作為主控芯片，該單片機(jī)具有2個8位定時器和2個16位定時器以及10路可編程PWM，擁有8個10位ADC通道，因此能夠?qū)崿F(xiàn)對多傳感器的信號采集處理。

    如圖6所示為中央處理單元硬件電路原理圖，包括了24 V轉(zhuǎn)5 V的直流穩(wěn)壓電源、晶振電路以及外圍拓展口電路。在電源部分使用LM117穩(wěn)壓管，能夠很好地控制電源紋波，使單片機(jī)穩(wěn)定工作。在外圍拓展口部分使用并行總線結(jié)構(gòu)，能夠很方便進(jìn)行使用和開發(fā)。

    如表1所示為中央處理單元中單片機(jī)使用的主要端口功能，包括通信與控制信號的發(fā)出以及對編碼盤的計數(shù)。

3 結(jié)果與分析
    為驗證系統(tǒng)的可行性與穩(wěn)定性，使用了一個四輪全向輪結(jié)構(gòu)小車進(jìn)行測試，測試方案如下：在2 m×2 m的平面場地中設(shè)定A、B兩點，小車在兩點間分別多次作直線運動與弧線運動，每次均將實際運行軌跡與理論軌跡進(jìn)行比較，并分析定位誤差。
    (1)直線運行小車直線運行10次，每次運行出發(fā)地點A均相同，檢測實際運行軌跡與理論軌跡誤差在5 mm以內(nèi)，且小車可以快速定位到C點，而C點在B點誤差圓內(nèi)。
    (2)弧線運行小車弧線運行10次，每次運行出發(fā)地點A均相同，檢測實際運行軌跡與理論軌跡最大誤差為1 cm，且小車可以快速定位到C點，而C點在B點誤差圓內(nèi)。
    試驗證明，系統(tǒng)可以完成對任意預(yù)設(shè)路徑的快速定位，基本保證到達(dá)目的地，其誤差在允許范圍之內(nèi)，且系統(tǒng)充分對CPU資源進(jìn)行了合理運用，在外圍硬件電路設(shè)計時考慮了最大程度減小外界對系統(tǒng)的干擾，穩(wěn)定性較強(qiáng)，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計目標(biāo)。