排爆機(jī)器人控制與無(wú)線通訊系統(tǒng)
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引言
排爆機(jī)器人屬于搬運(yùn)機(jī)器人的一種類(lèi)型,很多搬運(yùn)機(jī)器人是模仿人類(lèi)的動(dòng)作,用來(lái)幫助或部分代替人來(lái)進(jìn)行繁重、危險(xiǎn)、重復(fù)等工作。排爆機(jī)器人模仿人類(lèi)的行走、抓取物體的動(dòng)作,可以被用來(lái)排除現(xiàn)場(chǎng)的爆炸物。排爆機(jī)器人機(jī)械部分包含行走小車(chē)和機(jī)械手臂。
1 排爆機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
排爆機(jī)器人控制系統(tǒng)不再采用原來(lái)機(jī)器人所采用的PLC控制方式,而是基于嵌入式工控機(jī)的基礎(chǔ)上,采用基于Linux平臺(tái)的開(kāi)放式構(gòu)件庫(kù),運(yùn)算速度極快,可以達(dá)到微秒級(jí)。排爆機(jī)器人控制系統(tǒng)由三部分組成,即傳感器部分、機(jī)器人本體、操作控制臺(tái)組成。傳感器部分包含寬接入、多信息融合器。寬接入、多信息融合基于ARM9系統(tǒng),由12位精度以上A/D、32路I/O、RS232通訊接口組成,能融合多種傳感器信號(hào);機(jī)器人本體包含嵌入式控制計(jì)算機(jī)和各關(guān)節(jié)伺服電機(jī),能驅(qū)動(dòng)各軸(帶補(bǔ)償),分配各軸運(yùn)動(dòng),處理和控制各種狀態(tài)量;操作控制臺(tái)部分包含主控PC機(jī)、指令解碼器、圖像解碼器、無(wú)線接收發(fā)射器等。CCD攝像機(jī)和超聲波傳感器所獲得的圖像信息、障礙物信息,經(jīng)無(wú)線傳輸至主控PC機(jī)。主控PC機(jī)使用圖像識(shí)別和分析技術(shù)獲得對(duì)象物體的形狀和位置信息,同時(shí)將目標(biāo)物、障礙物等三維圖像信息顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上。在人工指明目標(biāo)物后,主控PC機(jī)經(jīng)人工智能(模式識(shí)別、路徑規(guī)劃、軌跡避碰等)計(jì)算;將控制指令通過(guò)無(wú)線傳輸給機(jī)器人本體嵌入式控制計(jì)算機(jī),自動(dòng)控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)?;窘Y(jié)構(gòu)如圖1所示:
2 小車(chē)的行走控制
人工通過(guò)控制桿(或按鈕),在小車(chē)引導(dǎo)圖像(可視信號(hào))的指示下,完成前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和原地旋轉(zhuǎn)的功能直至達(dá)到機(jī)械手的手爪能抓取可疑爆炸物的位置為止。機(jī)器人的平衡是利用整機(jī)的動(dòng)力學(xué)算法求得,將求得多種數(shù)據(jù)去控制機(jī)器人手臂的空間姿態(tài)從而達(dá)到整機(jī)平衡而不至于倒覆。例如當(dāng)小車(chē)在斜坡作上升運(yùn)動(dòng)時(shí),機(jī)器人手臂往前靠以保持整機(jī)的平衡。小車(chē)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中需要避開(kāi)可能遇到的障礙物。通過(guò)環(huán)境傳感器如CCD攝像、超聲波傳感器等取得障礙物大小及環(huán)境信息,實(shí)現(xiàn)小車(chē)避障,即所謂的路徑規(guī)劃(如圖2所示)
圖2 排爆機(jī)器人路徑規(guī)劃示意圖
3 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)控制
機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)控制(如圖3)是多級(jí)控制系統(tǒng):位于最上層的AI級(jí)是人工智能層。它是利用CCD攝像機(jī)和超聲波等傳感器獲得障礙物輪廓與距離以避開(kāi)障礙物實(shí)現(xiàn)避碰,這就是“軌跡規(guī)劃”(如圖4)。
圖3 機(jī)械手多級(jí)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)[!--empirenews.page--]
圖4 機(jī)械手軌跡規(guī)劃示意圖
位于中間層的控制是機(jī)械手抓取運(yùn)動(dòng)控制中最關(guān)鍵的部分。它實(shí)際上是一個(gè)補(bǔ)間器。機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)控制可分為姿態(tài)控制與手位置控制。腰、大臂、小臂、手爪的控制,是由主控計(jì)算機(jī)通過(guò)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)位移問(wèn)題進(jìn)行反向運(yùn)動(dòng)求解,得出腰、大臂、小臂、手爪的位置,然后給出各關(guān)節(jié)位置指令傳至上述關(guān)節(jié)的嵌入式系統(tǒng)控制計(jì)算機(jī),完成帶有速度反饋環(huán)的位置控制。四個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)速度通過(guò)機(jī)械手的軌跡規(guī)劃來(lái)決定,從而避免機(jī)械手的蛇形運(yùn)動(dòng)。由于有觸覺(jué)傳感器,手爪可以自動(dòng)控制,也可以是在圖像信號(hào)的指引下作精細(xì)“柔軟控制”。抓取可疑爆炸物時(shí),控制手爪夾持力約大于可疑爆炸物脫落重力,不至用力過(guò)大而夾壞可疑爆炸物,從而完成專(zhuān)家指定的動(dòng)作。
位于最下層是控制級(jí)位置控制器與速度調(diào)節(jié)器均采用成熟的PID(包括P、PI、PD)控制。當(dāng)PID控制其選擇合適的參數(shù)時(shí),具有一定魯棒性,簡(jiǎn)單、實(shí)用。當(dāng)PID無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效控制時(shí),可改進(jìn)之或結(jié)合其它方法,如前饋控制。運(yùn)動(dòng)控制包括機(jī)械手各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制和行走運(yùn)動(dòng),初步統(tǒng)計(jì)控制回路有13路,如圖5所示。
圖5 自動(dòng)控制原理圖
嵌入式控制計(jì)算機(jī)根據(jù)上位計(jì)算機(jī)傳來(lái)的位置與速度信號(hào),對(duì)各個(gè)伺服機(jī)構(gòu)進(jìn)行位置與速度設(shè)定,按控制規(guī)律(如PID)對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行控制,使實(shí)際位置按預(yù)計(jì)的速度跟蹤或運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)位置。
機(jī)器人的手眼協(xié)調(diào)系統(tǒng):機(jī)器人的手眼協(xié)調(diào)系統(tǒng)是本系統(tǒng)最大亮點(diǎn)之一。由于于補(bǔ)間器算法需要知道目標(biāo)物與機(jī)器人基坐標(biāo)(一般是機(jī)械人的腰關(guān)節(jié)底座),相對(duì)空間座標(biāo)才能求解。而本系統(tǒng)目標(biāo)物是在未知環(huán)境里。這相對(duì)坐標(biāo)必須由于手眼協(xié)調(diào)系統(tǒng)來(lái)求解。排爆機(jī)器人機(jī)械手上裝有雙目系統(tǒng),利用雙目系統(tǒng)和目標(biāo)物可構(gòu)成“測(cè)矩三角型”,原理示意如圖6。測(cè)矩三角型求得距離誤差較大,需要利用激光測(cè)距的“光斑”輔助測(cè)矩,從而獲得坐標(biāo)物的空間座標(biāo)。隨著機(jī)器人的雙目接近目標(biāo)物,目標(biāo)物與基坐標(biāo)的相對(duì)坐標(biāo)精度提高,經(jīng)過(guò)數(shù)次雙目逼近目標(biāo)物之后,最終實(shí)現(xiàn)機(jī)械手準(zhǔn)確地抓到目標(biāo)物。
圖6 測(cè)矩三角型原理圖[!--empirenews.page--]
當(dāng)機(jī)器人自動(dòng)抓取失敗之后,操縱者可利用手動(dòng)系統(tǒng)完成抓取。這是任何一個(gè)產(chǎn)品在自動(dòng)失靈之后必須具備的功能。機(jī)器人的雙目獲得的圖像信息,通過(guò)處理,在控制臺(tái)的顯示器上形成監(jiān)控圖像,以便操控者以鼠標(biāo)點(diǎn)取多個(gè)物體中的可疑物體。
4 控制系統(tǒng)的通信系統(tǒng)
機(jī)器人與現(xiàn)場(chǎng)操縱控制臺(tái)主控計(jì)算機(jī)之間采用串口無(wú)線通訊?,F(xiàn)場(chǎng)主控計(jì)算機(jī)與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心采用CDMA通訊技術(shù)進(jìn)行無(wú)線圖像傳輸。通訊系統(tǒng)中任何一點(diǎn)均可觀察到現(xiàn)場(chǎng)目標(biāo)物和機(jī)器人的狀態(tài)。
在實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)應(yīng)用中,受信道成本限制,串口常常作為計(jì)算機(jī)與外部串行設(shè)備之間的首選數(shù)據(jù)傳輸通道,而且由于串行通信方便易行,許多設(shè)備和計(jì)算機(jī)都可以通過(guò)串口對(duì)外設(shè)進(jìn)行控制、檢測(cè),串口通信日益成為計(jì)算機(jī)和外設(shè)進(jìn)行通信、獲取由外設(shè)采集到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的一個(gè)非常重要的手段。為了解決有線通信的局限性,考慮到機(jī)器人自規(guī)劃、自組織、自適應(yīng)能力強(qiáng)、所處環(huán)境不確定的特點(diǎn),無(wú)線通信是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與計(jì)算機(jī)之間通信的理想方式。因此采用無(wú)線數(shù)傳模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸是排爆機(jī)器人中重要的一環(huán)。無(wú)線數(shù)傳模塊體積小、使用方便,能遠(yuǎn)距離地操控機(jī)器人從而有效保護(hù)操作人員安全。
所謂CDMA(碼分多址技術(shù))是一種以擴(kuò)展通訊系統(tǒng)為基礎(chǔ)的載波調(diào)制與多址連接技術(shù)。CDMA具有許多的優(yōu)點(diǎn),其中一部分是擴(kuò)展系統(tǒng)所固有的,另一部分是由軟件切換和功率控制所帶來(lái)的,CDMA通訊網(wǎng)絡(luò)是由擴(kuò)頻網(wǎng)、多址接入、蜂窩網(wǎng)絡(luò)和頻率再用等技術(shù)結(jié)合而成,含有頻域、時(shí)域和碼域三維信號(hào)處理的一種協(xié)作,因此它具有抗干擾性能好、抗多徑衰落、保密安全性能高.
5 結(jié)論及展望
本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于此排爆機(jī)器人控制系統(tǒng)是一個(gè)開(kāi)放式控制系統(tǒng),該控制系統(tǒng)成功的結(jié)合了雙目視覺(jué)測(cè)距、智能控制算法,實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的智能化和網(wǎng)絡(luò)化功能。該設(shè)計(jì)的適用性很廣,只要依據(jù)需求進(jìn)行適當(dāng)修改即可設(shè)計(jì)出適用其他功能機(jī)器人的控制系統(tǒng),具有較高的參考價(jià)值。
通過(guò)該系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā),必將提高排爆機(jī)器人的自動(dòng)控制水平,提高排爆機(jī)器人的操作性與可靠性,對(duì)于保障公共安全、提高排爆效率有很大幫助。