智能移動機器人控制系統(tǒng)設(shè)計研究

孫梅

摘 要 人類社會自進(jìn)入了科技時代，計算機、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)飛速發(fā)展，對智能移動機器人的研究也取得了很大成就?，F(xiàn)階段，智能移動機器人已經(jīng)逐漸被應(yīng)用到各個領(lǐng)域，如太空或者海洋資源的開發(fā)等領(lǐng)域。隨著研究的深入，智能移動機器人的技術(shù)越來越穩(wěn)定，應(yīng)用范圍也越來越廣。文章針對智能移動機器人控制系統(tǒng)，進(jìn)行簡要的分析和概括。

關(guān)鍵詞 移動機器人；控制系統(tǒng)；研究

中圖分類號：TP24 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）16-0022-01

移動機器人的研究起始于斯坦福，之后美國、日本等國家也都相繼進(jìn)行了深入的研究。相對來說，中國的起步時間比較晚，但是進(jìn)步卻比較快，取得的成果也較為明顯。但是不可否認(rèn)，其中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，就是控制系統(tǒng)的設(shè)計。在這方面，我國與發(fā)達(dá)國家相比，還有較大的距離，仍有許多需要改進(jìn)和提高之處。

1 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

1.1 控制系統(tǒng)的硬件概述

主控板、電機的驅(qū)動和超聲波測距模塊構(gòu)成了控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)。

1）主控板。主控板是整個機器人的控制中心，各模塊之間的協(xié)調(diào)管理和數(shù)據(jù)傳輸都是由主控板負(fù)責(zé)的，并且電機驅(qū)動的控制信息都是在經(jīng)過主控板之后得到控制的。同時主控板還可以負(fù)責(zé)檢測接口、對超聲波的測距模塊進(jìn)行管理以及控制信號的產(chǎn)生、傳遞和檢測。

2）電機的驅(qū)動模塊。移動機器人是由四個完全相同的電機進(jìn)行驅(qū)動的。每個電機各自獨立完成驅(qū)動，以保證整個驅(qū)動過程的穩(wěn)定性和獨立性。整個運行過程，都離不開電機驅(qū)動模塊的支持。

3）超聲波測距模塊。超聲波由于對色彩、光纖和電磁場都不是很敏感，所以即使是處于黑暗、有灰塵和強烈電磁波干擾的環(huán)境下，依然可以很好的完成指令。所以，其在物體識別、機器人的定位和躲避障礙方面都有應(yīng)用。因為超聲波的穩(wěn)定性比較強，又節(jié)約能量，而且在各種媒介中的傳播距離都比較遠(yuǎn)，所以超聲波還經(jīng)常被應(yīng)用在測距方面。超聲波測距模塊可以為移動機器人提供前方障礙物的距離信息。

1.2 主控板的硬件設(shè)計

主控板的硬件系統(tǒng)主要包括芯片及其外圍電路，而外圍電路又包括時鐘、電源模塊等等。主控板的主要職能就是管理各模塊的接口和進(jìn)行相關(guān)通信指令。除此之外，在設(shè)計過程中，還可以在主控板中融入一定的開發(fā)系統(tǒng)，為日后的開發(fā)和升級工作打好鋪墊。

1.3 電機驅(qū)動模塊和超聲波測距模塊的硬件設(shè)計

電機驅(qū)動模塊的功能就是驅(qū)動和調(diào)速。而超聲波測距模塊則可以為機器人提供相關(guān)的距離信息，它的工作原理是利用振蕩器發(fā)出信號，再經(jīng)過放大之后發(fā)出超聲波。在遇到障礙物之后就會折返回來，根據(jù)總耗損，就可以估計出機器人和障礙物之間的距離。超聲波測距結(jié)果的準(zhǔn)確度在很大程度上都取決于超聲波回波信號的調(diào)理。超聲波信號在空氣中，隨著傳播會越來越衰弱，最后折返回來的信號往往很微弱，為了避免這一結(jié)果，就需要借助于接收電路的AGC功能對折返回來的信號進(jìn)行放大[1]。

2 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

2.1 主控板的軟件設(shè)計

主控板的所有硬件中只有控制器需要軟件。它的主要任務(wù)是對超聲波測距的軟件進(jìn)行管理。控制器的軟件需要在初始化、通訊、檢測和測距方面進(jìn)行設(shè)計。在設(shè)計過程中，控制器和各終端會有各種各樣的數(shù)據(jù)交流，所以就需要對發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計和整理。

2.2 電機驅(qū)動模塊的軟件設(shè)計

電機驅(qū)動軟件的主要職能就是對電機驅(qū)動進(jìn)行控制并且進(jìn)行調(diào)速?？刂坡毮苁褂玫氖请姍C驅(qū)動主控芯片。是否需要對電機進(jìn)行調(diào)速，完全取決于其剎車制是否為1。如果電機的目標(biāo)方向和現(xiàn)在的方向不一致，就應(yīng)該停止電機的運行，緩解一段時間，這樣能更好的保護(hù)其中的芯片[2]。

2.3 超聲波測距的軟件設(shè)計

超聲波測距軟件的設(shè)計采用渡越時間法。所謂的渡越時間法就是在超聲波發(fā)射出去的瞬間開始計時，在接收到超聲波之后計時停止[3]。根據(jù)分析研究可知，溫度對超聲波的傳輸速度影響不大，而且傳輸時間也都極短，影響也可以忽略不計。不過，為了保證準(zhǔn)確度，也可以增加一個溫度校正模塊，檢測完溫度之后，再對速度進(jìn)行修正。

3 控制系統(tǒng)存在的問題及解決對策

3.1 超聲波測距模塊存在的問題及對策

1）超聲波的信號只有在平面環(huán)境下所產(chǎn)生的反射回波比較強，在其他情況下，回波都很微弱，甚至沒有；若超聲波信號的發(fā)射方向和發(fā)射平面存在夾角，那么基本不存在回波；這是一切超聲波在測距過程中都會存在的共性問題，因為超聲波是短波，它的性質(zhì)決定了這一共性。

2）超聲波模塊在測距時，如果距離小于35厘米，發(fā)射的信號就有可能在發(fā)射面和模塊表面進(jìn)行多次反射，從而造成誤差。這是由于超聲波的多次反射所造成的，只需要對超聲波模塊的表面材料加以改變，就可以解決了。

3）超聲波測距模塊在一定的量程外，對控制器有著相同的反應(yīng)，也就是分辨不出是所謂的盲區(qū)還是在該量程內(nèi)并不存在障礙物。這是因為超聲波在反射過程中會經(jīng)過很多的能頭，這就需要借助其他的檢測模塊了，幫助得以解決。

3.2 電機的驅(qū)動模塊存在的問題及對策

1）電機驅(qū)動模塊的算法采用的是簡單的專家控制，當(dāng)目標(biāo)速度過大時，需要花費的跟蹤時間也就比較長。所以，只要對算法不斷進(jìn)行更新，使其可以跟上目標(biāo)的速度，也就可以縮短跟蹤的時間了。

2）在達(dá)到預(yù)定速度之后，機器人常常會因為地面太滑而受到影響。這些應(yīng)該通過羅盤等工具來進(jìn)行測量解決。

4 結(jié)論

近幾年，隨著科技的發(fā)展與經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步，移動機器人也飛速發(fā)展，在許多領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。雖然小有成果，但是就我國的目前的科技水平來說，還是存在很多的不足和問題，與一些發(fā)達(dá)國家相比也還是有很大的差距。為了解決這些問題，早日跟上國際的步伐，我們首先要對移動機器人的系統(tǒng)和工作原理進(jìn)行深入的了解，尤其是其關(guān)鍵環(huán)節(jié)—控制系統(tǒng)。之后再針對不同的問題，采取不同的解決方案，達(dá)到工作的最佳效果。

參考文獻(xiàn)

[1]徐國華.移動機器人的發(fā)展現(xiàn)狀及其趨勢[J].機器人技術(shù)與應(yīng)用，2013（3）：7-14.

[2]龔建偉.移動機器人橫向與縱向控制方法研究[D].中國科技大學(xué)，2012.

[3]黃永志.兩輪移動機器人運動控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].中國海洋大學(xué)，2013.endprint