農用輪式機器人運動控制系統(tǒng)設計與試驗

李格倫，崔天時，劉春莉，王 銳，王立峰

(東北農業(yè)大學 電氣與信息學院，哈爾濱 150030)

農用輪式機器人運動控制系統(tǒng)設計與試驗

李格倫，崔天時，劉春莉，王 銳，王立峰

(東北農業(yè)大學 電氣與信息學院，哈爾濱 150030)

針對農用輪式機器人控制系統(tǒng)的實時性和農田環(huán)境精確控制能力欠缺等問題，提出了以STM32作為系統(tǒng)控制核心，DSP作為電機驅動核心，基于數(shù)傳電臺和CAN總線的嵌入式控制系統(tǒng)。設計中，創(chuàng)新性地采用三級遞階控制方案對機器人進行模塊化編程，并采用機器人地面站軟件平臺對輪速進行實時監(jiān)測。實際運行結果表明：該控制系統(tǒng)具有較高可靠性和穩(wěn)定性，且系統(tǒng)擴展能力強。

農用輪式機器人；三級遞階控制；CAN總線

0 引言

當前，機器人在農業(yè)生產(chǎn)中得到了越來越廣泛的應用，移動機器人是農業(yè)機器人研究領域的一個重要分支，也是研發(fā)較早的一種機器人，主要包括輪式、足式、跳躍式及蛇形式等。其中，足式機器人雖然適應性強，但機構復雜，導致難以控制；履帶式移動平臺移動速度慢、轉向時對地面破壞程度大；跳躍式和蛇形式在復雜環(huán)境和機動性等具有獨特的優(yōu)越性，但運動平穩(wěn)性及承載能力都明顯遜色于輪式機器人[1]。

輪式移動機器人速度快，運動平穩(wěn)而靈活，承重能力及適應能力極強，雖具有無法在極復雜地形進行精確的軌跡控制等問題；但由于具有自重輕、機構簡單、承載能力強及工作效率高等優(yōu)點，在農業(yè)領域有著廣闊的引用前景及不可撼動的地位，已經(jīng)成為農業(yè)發(fā)展中的重中之重。

針對農田環(huán)境復雜因素較高等問題，本文提出了利用兩個控制器分別做控制核心和驅動核心的創(chuàng)新結構設計，保證了農用輪式機器人執(zhí)行任務時控制器的效率問題。機器人的電機模塊由前輪和后輪2個獨立驅動器模塊和4個直流無刷伺服電機組成，每個驅動模塊都是一套完整的直流無刷伺服驅動控制方案，并對直流無刷電機搭配減速器(減速比50：1)，1024線光電編碼器，可以對電機的速度、電流進行閉環(huán)控制。采用分布式三級遞階控制方案，可以使輪式機器人工作穩(wěn)定性強，系統(tǒng)可維護程度高，并且方便擴展。

1 輪式機器人總體設計

農用輪式機器人運動控制系統(tǒng)采用模塊化設計方案，機以器人主要由直流無刷伺服電機、電池模塊、主體框架及控制核心模塊構成，本設計方案將各模塊通過總線傳輸?shù)姆椒ㄈ诤蠟橐粋€整體，降低了系統(tǒng)維護成本且便于機器人二次開發(fā)。

機器人整體設計尺寸為長830mm、寬829mm、高580mm，整機自身質量為90kg(含電池)，平地有效載荷100kg，15°坡面有效載荷50kg，為了適應水泥、草地、雪地、泥地、沙石地等復雜地形，使農用輪式機器人具有良好的移動能力，因此采用高地隙底盤結構[2]，地盤離地高度160mm，前后輪軸距400mm，輪徑350mm，采用上述設計方案可以保證機器人具有良好的擴展能力(如安裝噴藥設備、機械臂或者全景攝像頭)，從而針對不同的研究方向完成各種任務。該設計方案也可以保證機器人移動靈活，轉完時可以達到360°零轉彎半徑，以適應農業(yè)領域各種復雜環(huán)境下的工作方式[3]。

機器人整體外觀示意如圖1所示。農用輪式機器人使用四輪驅動行走方案中，通過理論計算與經(jīng)驗分析，選用4X940W直流伺服電機驅動，使用無刷直流型(brushless direct current，BLDC)電機，其工作電壓為24V，此外還配備了減速箱[4]，其減速比為50:1，最高時速可以達到30.2km/h。同時，每個電機配備1024線旋轉編碼器，從而保證精確的位置、速度控制。

其他配套設施主要有：

1)電池模塊。機器人采用兩組76.8V、放電能力為430Wh的高性能磷酸鐵鋰電池。機器人外部設有手動急停開關，用于緊急制動。

2)控制艙模塊。此模塊是輪式機器人的核心部分，包括系統(tǒng)控制核心單元和電機驅動核心單元。

3)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視器。機器人設有系統(tǒng)電源狀態(tài)監(jiān)視器，顯示當前系統(tǒng)電源電壓和輸出電流；主控制器STM32將AD從電源管理模塊采集的電流和電壓值經(jīng)轉換處理后，通過RS422總線將當前系統(tǒng)電源電壓和電流值顯示在監(jiān)視器上，以供查詢機器人電池電量及在調試機器人時得到當前電源輸出的相關信息。為防止電壓過低或電機過載對機器人造成損壞，系統(tǒng)會在電源過低或電機過載的情況下停止機器運行，并通過控制監(jiān)視模塊集成的蜂鳴器提示警告。

4)探照燈控制模塊。機器人前端配有兩個探照燈，具有8～30V的輸入電壓范圍，最大輸出1.2A的電流，可進行模擬調光和PWM調光。

2 四輪控制系統(tǒng)硬件結構設計

本文基于農用輪式機器人多樣化、適用于農田復雜化作業(yè)及模塊化設計等方法[5]，設計了機器人控制系統(tǒng)的硬件部分，輪式機器人的時速可以在0～30.2km/h內穩(wěn)定運行，并能夠自由完成轉向與行走等任務。

控制系統(tǒng)整體硬件結構采用模塊化機器人系統(tǒng)(Modular Robotic System, MRS)設計方案，該方案不但可以增強系統(tǒng)容錯能力，還能提高系統(tǒng)可擴展性，使機器人在工作過程中表現(xiàn)出良好的適應性、靈活性及穩(wěn)定性[6]。

控制系統(tǒng)的整體結構主要由4個模塊組成，分別是控制核心模塊、電機驅動模塊、機器人地面站軟件及遙控模塊，如圖2所示。

1)系統(tǒng)的控制核心選擇了STM32F405RGT6增強型微控制器，主要任務是數(shù)據(jù)的接收、處理與發(fā)送等工作，能夠實現(xiàn)雙路CAN總線并行發(fā)送與接收；通過連接PPM信號接收機獲取天地飛遙控器的無線數(shù)據(jù)，是機器人控制系統(tǒng)信息交互的核心部分。

2)農用輪式機器人地面站軟件部分通過數(shù)傳電臺方式與控制核心模塊進行通訊，實現(xiàn)輪式機器人4個電機的轉速和轉向數(shù)據(jù)的顯示功能。

3)天地飛遙控器通過配套接收機與控制器進行無線通信，并可以實現(xiàn)對機器人的行走和轉向等行為的控制。

4)電機驅動模塊是整個系統(tǒng)的運動核心，基于32位DSP芯片開發(fā)，采用電子差速轉向系統(tǒng)，通過CAN總線與控制核心進行數(shù)據(jù)通信，電子差速控制器通過綜合天地飛遙控器信號以及車輪反饋的速度和信號，計算速差和分配轉速，控制4個電機的速度而實現(xiàn)移動機器人的無級轉向。

圖2 控制系統(tǒng)整體結構示意圖Fig.2 Overall structure schematic diagram of control system

2.1 控制核心模塊

農用輪式機器人控制核心采用意法半導體公司生產(chǎn)的STM32F405RGT6型號單片機，此單片機的主要有以下4點優(yōu)勢：

1)自帶2個bxCAN控制器，并且支持的波特率最高達1Mbps；

2)ADC是3個12位的逐次逼近型的模擬數(shù)字轉換器，且可以獨立使用，可編程檢測輸入電壓是否超出用戶定義的高/低閾值；

3)具有6個可編程的串行通訊接口，方便使用RS232、RS422等其他總線，保證機器人的與外設模塊的通訊的同時，又便于增強與擴展其他功能；

4)多達6個定時器通道可用于PWM輸出，可以輕松控制前后兩組探照燈的亮度，且方便二次開發(fā)。

圖3為核心控制模塊CAN總線和RS422總線部分的具體電路連接方案。

圖3 CAN總線與RS422總線電路連接方案Fig.3 Circuit connection scheme of CAN bus and RS422 bus

2.2 電機驅動模塊

電機驅動模塊產(chǎn)生一定PWM信號控制BLDC電機外，還要與控制核心STM32單片機進行實時通訊。驅動部分由核心處理器TMS320LF2407ADSP芯片和驅動電路構成，包括電源轉換電路、時鐘復位電路及CAN總線通信電路。

如圖4所示，驅動系統(tǒng)主要由以下4個部分構成：

1)CAN總線驅動器使用的是SN65HVD231，是TI專為DSP片內的CAN控制器設計的CAN驅動芯片。

2)無刷直流電機驅動芯片采用MC33035，并且在MC33035與DSP連接的管腳加裝了光耦隔離芯片，從而保證了電機驅動任務的安全性。通過改變PWM波的占空比，即可調節(jié)電機轉速。

3)采樣電壓由IR2130的過電流信號檢測輸入端電流檢測比較器，比較器反相輸入端設置有500mV基準電壓，當采樣電壓高于500mV時產(chǎn)生過流保護。

4)DSP具有正交編碼單元電路(QEP)和捕獲單元電路(CAP)，是專為編碼器應用設計的電路[7]。這里使用了增量式1024線光電編碼器，不僅保證了超高的測速精度，也保證了測速的效率。

圖4 電機驅動系統(tǒng)結構框圖Fig.4 Construction frame of motor drive system

3 電子差速轉向原理

由于本文中農用輪式機器人的開發(fā)理念是為了使機器人能夠更好地完成農田作業(yè)任務，農用輪式機器人的4個車輪由4個電機獨立驅動。機器人轉向是使用電子差速技術實現(xiàn)的，電子差速技術是控制器采用電子控制的方式控制4個電機的轉速。由于內外側輪的轉速不同，在一段時間內內側車輪行駛的距離比外側車輪行駛過的距離小，所以機器人就會向內側偏轉，使得機器人轉向。

圖5為四輪機器人車輛轉向運動模型，主要參數(shù)：φ為轉向角；L為車身長度；W為車身寬度；R為轉向半徑；Rin為內輪轉向半徑；Rout為外輪轉向半徑。

設機器人以v的速度轉向，4個車輪的轉速值分別為：前內輪轉速稱為v1，前外輪轉速稱為v2，后內輪轉速稱為v3，后外輪轉速稱為v4。對機器人轉向過程進行分析，4個輪的轉速分別為

v1=v(1-tanφW/L)

(1)

v2=v(1+tanφW/L)

(2)

v3=v(1-tanφW/2L)

(3)

v4=v(1+tanφW/2L)

(4)

由式(1)～式(4)可知：v1、v2、v3、v4都是關于車速v和轉向角φ的變量。

農用輪式機器人在移動過程中,由于農田不平整及輪胎參數(shù)的不同，驅動電機的轉速就會受到影響。因此，使用PID調速方法對電機轉速進行閉環(huán)控制，可以使4臺電機轉速控制更為精確。

根據(jù)電機目標轉速與編碼器采集的電機實際轉速的差值，采用4路并行的電機轉速PID控制對4個電機的轉速同時進行閉環(huán)控制。電機轉速PID閉環(huán)控制系統(tǒng)中，電機的調速電壓計算式為

Um=kpe+ki∫edt+kdde/dt

(5)

其中，e為電機目標轉速與電機實際轉速之差；kp、ki、kd分別為比例、積分、微分系數(shù)，通過多次試驗結果整定。

圖5 四輪機器人轉向運動模型Fig.5 Steering motion model of four wheeled robot

圖6 電子差速控制流程圖Fig.6 Flow chart of electronic differential control

4 試驗結果與分析

為了更好地實現(xiàn)該農用四輪機器人的電子差速轉向功能，根據(jù)四輪機器人的相關參數(shù)，取L=750mm、W=720mm，并在給定車速分別取4km/h和8km/h。四輪機器人轉角在[-60°，+60°]變化時，針對4個車輪的轉速控制精度進行了測試，計算機經(jīng)數(shù)傳電臺得到4個車輪的實際轉速以及設定角度值，并對兩前輪速度和兩后輪速度取差值。前輪速差和后輪速差變化曲線如圖7和圖8所示。

圖7 前右輪和前左輪速差隨車速和轉向角的變化Fig.7 Curves of velocity difference between right and left front-wheelwith different speed and steering angle

圖8 后右輪和后左輪轉速隨車速和轉向角的變化Fig.8 Curves of velocity difference between right and left rear-wheel withdifferent speed and steering angle

從圖7和圖8可以看出：兩側車輪有明顯速差，且隨著轉速和轉向角的持續(xù)變大，速差隨之越大；后輪的速差要比前輪的速差小，轉速變化規(guī)律與轉速模型一致；實際速差與參考轉差在實驗從-60°開始運行時誤差較大，經(jīng)過并行PID控制算法的調節(jié)，誤差逐漸縮小，轉速也更加平穩(wěn)。

5 結論

根據(jù)農用移動機器人控制系統(tǒng)模塊化和適應能力自主化等要求，創(chuàng)新性建立了三級遞階控制方案，采用主從式CAN總線和串口通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，建立了基于轉速調節(jié)的電機轉向驅動模型。對該機器人的驅動控制系統(tǒng)進行了控制效果試驗，計算機通過數(shù)傳電臺獲取了機器人4個電機的實時轉速，并與轉向模型所計算出來的參考速度做對比，分析了左右電機的轉速差曲線。結果表明：該農用輪式機器人移動電機轉速達到穩(wěn)態(tài)速度快，且具有較高的轉速控制精度。由于利用PID調速方法對電機轉速進行閉環(huán)控制，農用輪式機器人具有較高的可靠性及容錯能力。試驗驗證表明，此控制方案可行、有效，并得到了成功應用。

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Design and Experiment of Motion and Control System on the Wheeled Robot

Li Gelun, Cui Tianshi, Liu Chunli, Wang Rui, Wang Lifeng

(College of Electrical and Information, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)

For poor real-time and accurate control problems of agricultural wheeled robot control system, put forward a system of STM32 as control core, DSP as the motor drive core, based on digital radio and CAN bus communication of embedded control system, adopts innovative three-level hierarchical control scheme for mobile robot modular programming. And uses the ground mobile robot real-time monitoring software platform for mobile robot, the actual running results show that this control system has high reliability and stability, and the system expansion ability.

wheel robot; three-level hierarchical control; CAN bus

2016-12-06

國家“863 計劃”項目(810028)

李格倫(1992-),男，黑龍江齊齊哈爾人，碩士研究生，(E-mail)6033662@qq.com。

崔天時(1967-)，男，哈爾濱人，副教授，碩士生導師，(E-mail)tscui@neau.edu.cn。

S24；TP242

A

1003-188X(2018)02-0192-05