排爆機(jī)器人控制與無線通訊系統(tǒng)

引言

　　排爆機(jī)器人屬于搬運(yùn)機(jī)器人的一種類型，很多搬運(yùn)機(jī)器人是模仿人類的動作，用來幫助或部分代替人來進(jìn)行繁重、危險(xiǎn)、重復(fù)等工作。排爆機(jī)器人模仿人類的行走、抓取物體的動作，可以被用來排除現(xiàn)場的爆炸物。排爆機(jī)器人機(jī)械部分包含行走小車和機(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平臺的開放式構(gòu)件庫，運(yùn)算速度極快，可以達(dá)到微秒級。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;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)動各軸（帶補(bǔ)償），分配各軸運(yùn)動，處理和控制各種狀態(tài)量;操作控制臺部分包含主控PC機(jī)、指令解碼器、圖像解碼器、無線接收發(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)無線傳輸至主控PC機(jī)。主控PC機(jī)使用圖像識別和分析技術(shù)獲得對象物體的形狀和位置信息，同時將目標(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（模式識別、路徑規(guī)劃、軌跡避碰等）計(jì)算;將控制指令通過無線傳輸給機(jī)器人本體嵌入式控制計(jì)算機(jī)，自動控制機(jī)器人運(yùn)動。基本結(jié)構(gòu)如圖1所示：

2 小車的行走控制

　　人工通過控制桿（或按鈕），在小車引導(dǎo)圖像（可視信號）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)小車在斜坡作上升運(yùn)動時，機(jī)器人手臂往前靠以保持整機(jī)的平衡。小車在運(yùn)動過程中需要避開可能遇到的障礙物。通過環(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)動控制

　　機(jī)械手的運(yùn)動控制（如圖3）是多級控制系統(tǒng)：位于最上層的AI級是人工智能層。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)械手多級運(yùn)動控制系統(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)動控制中最關(guān)鍵的部分。它實(shí)際上是一個補(bǔ)間器。機(jī)械手的運(yùn)動控制可分為姿態(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)通過機(jī)械手運(yùn)動學(xué)位移問題進(jìn)行反向運(yùn)動求解，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。四個關(guān)節(jié)的運(yùn)動速度通過機(jī)械手的軌跡規(guī)劃來決定，從而避免機(jī)械手的蛇形運(yùn)動。由于有觸覺傳感器，手爪可以自動控制，也可以是在圖像信號的指引下作精細(xì)“柔軟控制”。抓取可疑爆炸物時，控制手爪夾持力約大于可疑爆炸物脫落重力，不至用力過大而夾壞可疑爆炸物，從而完成專家指定的動作。

　　位于最下層是控制級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，具有一定魯棒性，簡單、實(shí)用。當(dāng)PID無法實(shí)現(xiàn)有效控制時，可改進(jìn)之或結(jié)合其它方法，如前饋控制。運(yùn)動控制包括機(jī)械手各個關(guān)節(jié)運(yùn)動控制和行走運(yùn)動，初步統(tǒng)計(jì)控制回路有13路，如圖5所示。

圖5 自動控制原理圖

　　嵌入式控制計(jì)算機(jī)根據(jù)上位計(jì)算機(jī)傳來的位置與速度信號，對各個伺服機(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。這相對坐標(biāo)必須由于手眼協(xié)調(diào)系統(tǒng)來求解。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“測矩三角型”，原理示意如圖6。測矩三角型求得距離誤差較大，需要利用激光測距的“光斑”輔助測矩，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)的相對坐標(biāo)精度提高，經(jīng)過數(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 測矩三角型原理圖[!--empirenews.page--]

　　當(dāng)機(jī)器人自動抓取失敗之后，操縱者可利用手動系統(tǒng)完成抓取。這是任何一個產(chǎn)品在自動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，通過處理，在控制臺的顯示器上形成監(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)場操縱控制臺主控計(jì)算機(jī)之間采用串口無線通訊。現(xiàn)場主控計(jì)算機(jī)與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心采用CDMA通訊技術(shù)進(jìn)行無線圖像傳輸。通訊系統(tǒng)中任何一點(diǎn)均可觀察到現(xiàn)場目標(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)都可以通過串口對外設(shè)進(jìn)行控制、檢測，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)測數(shù)據(jù)的一個非常重要的手段。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。因此采用無線數(shù)傳模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)信號傳輸是排爆機(jī)器人中重要的一環(huán)。無線數(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、時域和碼域三維信號處理的一種協(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)是一個開放式控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)成功的結(jié)合了雙目視覺測距、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)，具有較高的參考價值。

　　通過該系統(tǒng)的研究與開發(fā)，必將提高排爆機(jī)器人的自動控制水平，提高排爆機(jī)器人的操作性與可靠性，對于保障公共安全、提高排爆效率有很大幫助。