曹洋濤,王 微,王延旭,韓嘉璐,羅曉琪,陳興文

( 大連民族大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，遼寧 大連 116600)

1 系統(tǒng)設(shè)計背景

災(zāi)后現(xiàn)場地形環(huán)境條件存在諸多不確定性，往往搜索、救援、偵查等應(yīng)急工作又要刻不容緩開展，而傳統(tǒng)機(jī)器人由于運(yùn)動形式單一、靈活性不高，難以滿足復(fù)雜地形條件的工作要求。針對這一現(xiàn)實(shí)問題，團(tuán)隊(duì)在傳統(tǒng)輪式機(jī)器人設(shè)計的基礎(chǔ)上，借鑒模塊化輪距可調(diào)機(jī)器人設(shè)計思想，對機(jī)器人底盤進(jìn)行了重構(gòu)形態(tài)設(shè)計，以適應(yīng)不同地形環(huán)境下的高效工作。

為了滿足機(jī)械結(jié)構(gòu)多形態(tài)變化的功能實(shí)現(xiàn)，在電氣控制上采用模塊化設(shè)計方法，構(gòu)建了四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向驅(qū)動控制系統(tǒng)；同時集成了通訊及傳感器模塊，對機(jī)器人移動輪轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，依據(jù)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行PID算法控制，確保輪式機(jī)器人獨(dú)立轉(zhuǎn)向驅(qū)動控制精度。試驗(yàn)結(jié)果表明：該機(jī)器人能夠通過上位機(jī)或遙控器實(shí)現(xiàn)其獨(dú)立轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速控制功能，經(jīng)0.4s～0.72s作用時間移動輪轉(zhuǎn)速即可達(dá)到穩(wěn)態(tài)，因此系統(tǒng)具有較好控制穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)速控制精度。

2 機(jī)器人總體設(shè)計

輪距可調(diào)式輪式機(jī)器人系統(tǒng)主要由3個大部分構(gòu)成，分別為機(jī)器人底盤、供電系統(tǒng)以及電氣控制系統(tǒng)，設(shè)計任務(wù)承載質(zhì)量大于等于20 kg，整機(jī)自身質(zhì)量15 kg，行走速度1m/s。其底盤爆炸結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]。為了適應(yīng)復(fù)雜多變地形環(huán)境的作業(yè)，采用高底盤結(jié)構(gòu)和麥克納姆輪，一層底盤距地面高度6.35 cm，常規(guī)工況下前后輪軸距45.4 cm，左右輪距59.4 cm。

圖1 底盤爆炸結(jié)構(gòu)圖

為了提高機(jī)器人在復(fù)雜地形環(huán)境的工作適應(yīng)能力，根據(jù)其自身質(zhì)量、行駛阻力、爬坡性能、動力匹配等因素，在常規(guī)底盤設(shè)計的基礎(chǔ)上設(shè)計了具有輪距可調(diào)的傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計[2]，用于調(diào)整輪距的傳動絲桿,調(diào)整范圍在0 cm～35 cm。其具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

其工作原理是通過24V雙軸電機(jī)帶動光杠旋轉(zhuǎn)提供5.6 kg·cm的轉(zhuǎn)矩，20×0.6錐齒輪與另外兩個20×0.6錐齒輪嚙合。因錐齒輪一般成對出現(xiàn)，所以兩側(cè)的齒輪旋轉(zhuǎn)方向相反，絲杠安裝方向相反。應(yīng)使絲杠大小相同，螺距相同，輪間距與光杠的距離相同，則可保證車體平衡。錐齒輪帶動絲杠旋轉(zhuǎn)，帶動法蘭螺母進(jìn)行平移帶動輪系裝配進(jìn)行伸縮。為了確保輪距變化時車身平穩(wěn)，采用絲杠傳動帶動法蘭螺母方式進(jìn)行輪間距調(diào)整，即法蘭螺母只有一個方向的自由度，保證改變輪間距時車身平穩(wěn)。

圖2 具有輪距可調(diào)的傳動機(jī)構(gòu)

3 機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

由圖3所示的硬件結(jié)構(gòu)可以看出，控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)主要由 4 個大部分組成，包括中央處理器模塊、驅(qū)動執(zhí)行器模塊、手機(jī)移動端以及遙控器[3]。其中：1)系統(tǒng)的中央處理器模塊與手機(jī)端進(jìn)行藍(lán)牙通信，主要負(fù)責(zé)信息的匯聚，并且能夠接收遙控器發(fā)送的無線數(shù)據(jù)； 2)驅(qū)動執(zhí)行器模塊采用脈沖寬度調(diào)制PWM波給予信號線驅(qū)動，電機(jī)驅(qū)動芯片采用BTN7971和BTN7960； 3)手機(jī)移動端通過藍(lán)牙通訊方式與中央處理器模塊相互通訊，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)的采集、顯示等功能; 4)遙控器可與中央處理器模塊無線通訊，可對機(jī)器人本體的運(yùn)動方式進(jìn)行控制，從而方便試驗(yàn)與研究的過程。

圖3 機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

4 機(jī)器人控制策略

文中所設(shè)計的機(jī)器人主要是采用四輪獨(dú)立驅(qū)動轉(zhuǎn)向控制模式，與一般的差速轉(zhuǎn)向和兩輪轉(zhuǎn)向控制相比，具有更高運(yùn)動靈活性、更小的轉(zhuǎn)向半徑以及較好的復(fù)雜地形環(huán)境適應(yīng)性，具有較高的可靠性與實(shí)用性。

4.1 四輪獨(dú)立驅(qū)動控制方案

圖4以右前輪獨(dú)立驅(qū)動控制為例說明控制方案設(shè)計。當(dāng)用戶通過手柄探控儀對機(jī)器人進(jìn)行控制時，將數(shù)據(jù)發(fā)送給手柄信號接收端，并傳送至主控芯片。主控芯片將所得命令以脈沖寬度調(diào)制PWM波的形式給予電機(jī)驅(qū)動芯片BTN7971和BTN7960，從而實(shí)現(xiàn)輪式機(jī)器人的前進(jìn)，左右平移和變軌等操作，還通過PID算法和六軸陀螺儀的雙重校準(zhǔn)以實(shí)現(xiàn)無極變軌的平移以應(yīng)對復(fù)雜路況。此外主控芯片向藍(lán)牙模塊HC-05發(fā)送電機(jī)轉(zhuǎn)速目標(biāo)值，轉(zhuǎn)速讀取值，實(shí)時角度，角度偏移量等值使得用戶終端可以清晰明了得知機(jī)器人運(yùn)作時的各種信息。

4.2 控制算法參數(shù)整定

系統(tǒng)轉(zhuǎn)向驅(qū)動控制采用 PID 控制算法，參數(shù)整定主要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)以及多次調(diào)試效果，參數(shù)按照先比例，再積分，最后微分的原則進(jìn)行。具體參數(shù)整定過程原則如下：首先單獨(dú)調(diào)整比例控制環(huán)節(jié)參數(shù)P，使其底盤運(yùn)動較快達(dá)到穩(wěn)態(tài)；其次針對比例控制環(huán)節(jié)產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)誤差引入積分控制環(huán)節(jié)，積分控制參數(shù)P選取不宜太大，可以避免比例環(huán)節(jié)控制過調(diào)問題的產(chǎn)生；最后由于系統(tǒng)不具有超滯后特性，可通過設(shè)定較小的微分參數(shù)D，使整個系統(tǒng)處于較小的超調(diào)狀態(tài)，確保系統(tǒng)具有較高的控制精度和快速進(jìn)入穩(wěn)態(tài)的時間。PID三個參數(shù)的調(diào)整需要在實(shí)踐中進(jìn)行不斷調(diào)整就可達(dá)到預(yù)期的控制效果。

圖4 四輪獨(dú)立驅(qū)動硬件控制方案

5 試驗(yàn)及結(jié)果分析

5.1 輪距變換控制性能試驗(yàn)

為了更好的實(shí)現(xiàn)輪距變換控制功能，對其輪距變換時間及準(zhǔn)確度進(jìn)行了試驗(yàn)，將機(jī)器人放置于平坦路面上，用戶經(jīng)上位機(jī)給出設(shè)定的輪距值，并記錄下實(shí)際輪距值與達(dá)到目標(biāo)輪距所需時間數(shù)據(jù)。當(dāng)目標(biāo)電機(jī)邊距為10 cm時，試驗(yàn)所需時間為8.23 s；當(dāng)目標(biāo)電機(jī)邊距為15 cm時，試驗(yàn)所需時間12.29 s;當(dāng)電機(jī)目標(biāo)邊距為20 cm時，試驗(yàn)所需時間為16.61 s；當(dāng)電機(jī)目標(biāo)邊距為25 cm時，試驗(yàn)所需時間為21.34 s；當(dāng)電機(jī)目標(biāo)邊距為30 cm時，試驗(yàn)所需時間為26.18 s。從測試數(shù)據(jù)可以看出輪距變化達(dá)到目標(biāo)值所用的時間與輪距值成正比，可見系統(tǒng)的具有較好機(jī)械和電氣性能。

5.2 轉(zhuǎn)速控制響應(yīng)時間試驗(yàn)

為了檢測達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速響應(yīng)時間特性，測試時將車體懸空，在車輪空轉(zhuǎn)的情況下，對機(jī)器人進(jìn)行了轉(zhuǎn)速控制試驗(yàn)。文中對rpm400的目標(biāo)轉(zhuǎn)速情況進(jìn)行測試，當(dāng)用戶經(jīng)上位機(jī)對機(jī)器人設(shè)定目標(biāo)值，轉(zhuǎn)速迅速達(dá)到目標(biāo)值附近，隨后開始輕微波動，直至最終穩(wěn)定目標(biāo)轉(zhuǎn)速左右上下輕微浮動，并保持此轉(zhuǎn)速一直運(yùn)轉(zhuǎn)。圖5為此實(shí)驗(yàn)條件下的轉(zhuǎn)速控制響應(yīng)時間曲線圖。

圖5 轉(zhuǎn)速控制過程響應(yīng)時間曲線

6 結(jié)束語

筆者根據(jù)設(shè)計需求，對模塊化可重構(gòu)輪式機(jī)器人進(jìn)行了機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的設(shè)計，并完成了機(jī)器人的相應(yīng)制作。機(jī)器人可達(dá)到通過變換輪距實(shí)現(xiàn)在障礙物較多的狹窄路面通行的要求；如果再增加機(jī)器視覺模塊可實(shí)現(xiàn)無人自動化操作，以提高安全系數(shù)與作業(yè)效率。