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移动机器人控制系统设计及算法研究

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摘要:本文提出一种基于ADT850运动控制卡的移动机器人运动控制系统，该系统硬件以ADT850为核心，配合相对应的传感器，软件利用VC++6.0开发，应用模块化任务，进行控制程序设计；利用状态反馈控制算法理论，设计移动机器人路径跟踪控制方法，实验结果表明，该系统可以有效跟踪所规划的路径。

关键词：移动机器人；路径跟踪；运动控制系统；状态反馈

目前，以专用微处理器为载体的运动控制系统[1]应用比较广泛，其特点是采用专用的硬件电路主板及软件编程语言，并将反步法、滑模法等路径跟踪算法固化在微处理器的EPROM中。但是，此类运动系统不具备二次开发功能扩充，系统缺乏可维护性和开放性。因此，需要采用普遍使用的通用上位机软件系统（例如：Unix，Windows等），以及标准的计算机编程语言（例如：C，VC++）对系统进行功能程序开发。此外，为了更好的设计硬件电路实现多传感器的任务处理，需要采用标准的总线结构、I/O接口。采用标准的总线结构或标准的I/O的硬件,以便与各种外围设备和传感器接口;采用网络策略,使其能与其他系统方便通信和共享数据.基于以上思想,基于以上思想,本研究提出了一种基于工业计算机(IPC)及ADT850运动控制卡的移动机器人运动控制系统，该系统基于状态反馈算法，对移动机器人所规划的路径进行有效跟踪，并可以很好的解决系统平稳及镇定问题。

1.移动机器人运动控制系统的硬件结构

为了实现移动机器人路径跟踪控制算法，首先要满足移动机器人自定位的指标要求，即获取移动机器人相对于固定坐标系原点的位置和运动方向角。为了获取这种信息，必须采用光纤陀螺仪、加速度计等硬件传感器，以便于接收位置、方向角、速度和角速度等信息。此外，移动机器人控制系统必须要和上层决策系统保持良好的通讯链路，以便于实现接收路径规划及决策系统状态反馈等信息的能力[3]。

1.1系统硬件结构

根据前文描述，为了获取移动机器人位姿信息，需要通过多个传感器测量实现，将传感器测量的信息通过标准I/O口上传至通用工控机，通过工控机发送指令至驱动电路实现对移动机器人的控制。此外，为了实现移动机器人的稳定运行，还要有电源系统。这样，可以表征真个移动机器人控制系统具有优异的可扩展性。针对移动机器人的多任务需求，整个传感器系统包括编码器、光纤陀螺仪、倾角传感器、高精度电位器，分别用来测量移动机器人控制系统中的位移、速度、距离，水平方向偏角、俯仰角和横滚角等信息。

高精度电位器用来测量机器人左、右两摇臂的倾角。驱动控制系统包括ADT850运动控制卡及步进电机驱动器.电源系统采用二组镍氢12Ah电池组分别对计算机系统与驱动系统独立供电，以36V直流电源对步进电机进行供电，以24V直流电源对计算机系统进行供电，该电源系统可以提供2-3小时的连续工作时间。移动机器人的姿态信息通过光纤陀螺仪及倾角传感器获取后，由串口传输至通用工控机；移动机器人位置信息通过编码器采集后，由ADT850运动控制卡的I/O口传输至通用工控机；安装在左、右摇臂的转动轴上的高精度电位器，通过摇臂摆动的方式输出不同的电位值信号值，该信号值经过放大及A/D转换后传输至通用工控机。当通用工控机获取到上述移动机器人的位姿等信息后，通过数据融合的方式，根据决策系统给定的规划路径信息，执行相对应的控制律算法，将控制命令通过运动控制卡传输至步进电机，步进电机根据的接收的脉冲信号做出相对应的动作。

ADT850运动控制卡是基于PCI总线的高性能四通道伺服/步进控制卡,在本系统中,两个通道分别用于机器人车体左、右轮的驱动控制,另外两个通道分别用于传感器云台的旋转与俯仰运动控制.其脉冲输出方式可用单脉冲(脉冲+方向)或双脉冲(脉冲+脉冲)方式,这里采用前一种方式,最大脉冲频率为4MHz.

1.2软件系统结构

移动机器人的控制系统软件结构采用Windows98开发环境，利用VC++作为上位机软件，为了实现程序调试与修改及控制系统准并行分布式处理，采用模块化及线程多任务处理方式，对相应的程序进行设计。

首先，针对移动机器人各轮的操作函数，定义CAdt-MotorCtrl类的成员函数，该函数由ADT850运动控制卡所提供，针对运动控制卡各通道进行操作封装。

然后，针对整个移动机器人的线运动、停止等相关运动操作，定义另一个类函数CRobot-ActionCtrl。

通过上述两类函数，使上层开发更加简单、方便，可以有效的屏蔽了运动控制卡及移动机器人本体的硬件操作和硬件参数，完成机器人运动控制程序的开发。

对于移动机器人控制系统来说，必须要有反馈信号以实现对规划路径的跟踪控制。因此，将移动机器人的位置和姿态作为控制系统