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移动机器人机电控制系统的设计

作者：李久超

来源：《电子技术与软件工程》2016年第21期

摘 要系统使用模块化的基本设计方法，对移动机器人机电控制系统进行了研究。该系统应用同步内存的方式进行内外部信号的传递，通过使用PLC程序中采用的不同的M定义来完成与外部系统的传递机电控制功能。本文首先总体上介绍了移动机器人机电控制系统硬件和软件设计方案。而后从人类行走的原理入手，通过PMW控制器等方式对移动机器人进行机电控制系统的设计，最终实现移动机器人的独立行走。 【关键词】移动机器人 机电控制 研究 1 引言

BOT是仿生学、信息科技、通信、机电控制、信号控制等学科及其相关科学的综合应用。随着机电控制理论、电子信息、机械应用及相关学科的发展和技术提高，BOT研究也从早期的工业BOT研究转移到人形BOT、服务BOT、医疗BOT等新型研究领域。

对于不同的领域，工业BOT的自由度种类、相互的外部系统交互控制基础的应用等都各不一样。而对于不同领域之间的传递控制，领域之间的信号交换多采用关断式或现场总线传递的方式来实现。现场总线传递方式的基础内容大，适合全面的多机交互控制，但其应用的难度大，成本高；而采用关断式传递信号简单易行，能实现大多数工业BOT交互传递的应用需求。所以，本文引进嵌入式工业PC作为工业BOT控制系统的核心机电控制器，系统通过关断式信号与外部系统进行信号传递，传递信号在BOT系统内部应用共享内存的方式进行交互，从而以相对简单的方式实现工业BOT系统的机电控制。 2 移动机器人机软、硬件设计 2.1 硬件系统设计

在BOT的胸腔部位使用了三个超声探测器，分别用来探测BOT正前、左前和右前方向的物体。由于超声波探测器存在多次回拨问题，在超声波相距离的位置使用了三个红外测距探测器用来处理这一情况。超声波探测器主要用来完成BOT到周围物体距离信息的探测，超声波在探测过程中存在多次回波问题，即超声波照射障碍物体时，没有沿着起始路径返回发射接收点，而是经过多次回波后才返回起始位置点，这样探测到的距离内容不再可靠，情况严重时会“丢失”物体。为了能够使超声探测器在测距中多次回波的问题在超声波相距离的位置使用了三个红外测距探测器。当超声波探测器测量的物体远远大于同方向上红外探测器测量的距离时，可以总结出超声波已经进行了多次回波，并用红外探测器测量的距离内容来取代超声波探测器的信息。

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2.2 软件系统设计

软件系统采用：应用模块、内核模块、系统模块、驱动模块等组成。系统服务原则上是提供了系统中常用作用的函数信息，如：综述分配、延时、具体中断、获取物体时间，它与外设的传递不大。内核模块是指系统使用时的主调度部分。系统模块和内核模块即系统的操作模块，本设计中使用嵌入式LINUX操作模块。驱动模块是指系统对LCD，伺服电机，串口信息等外设的控制单元。用来实现对外设的初始化，并应用一些简单的接口函数来掌握外设。 3 移动机器人机电控制系统设计 3.1 人类移动原理

人体的移动是其下肢的循环移动，一个全部的循环周期完成一个跨步。在人类移动中，单腿使用相占一步时间的80%-90%。双腿使用相是两条腿同时踩住地面的时期，人类移动时这一相只占一步周期的一小部分（10%-20%）。面向某一条腿来说，一个全部的跨步周期包括使用相和摆动相。每一条腿都会占用一部分移动时间和地面接触，作为支撑相，该腿为踩住腿，可以支撑身体以及改变前进方向。同样每条腿都会消耗一定的移动时间作为摆动相，处于使用相的腿成为使用腿，这期间使用腿离开地面向前使用至下一个支撑相。两腿在一个移动中均分别占有一个使用相和一个摆动相，但是两相时间一般并不一致，并且两腿使用的相互关系是定义摆动模式的一个因素。 3.2 机电控制

机电控制系统主要采用控制CPU、多个多轴移动控制器及相应电机移动板构成。控制CPU主要进行任务输入和运动命令。采用外部指令和当前外部探测器反馈内容进行在线运动解算，或采用某种随机控制算法将之前规划好的运动信息进行解算，并随机传送给多轴移动控制器。进而，由控制器根据位置反馈内容产生PWM信号，通过功率放大信号控制电机实现相应位置移动量，驱动腿部达到期望规划地点，使机器人实现指定任务。一般微控制器内部都应用PWM控制器。可以选择启动时间和周期。占空比是启动时间与周期之比，调制信号为周期的倒数。具体的PWM控制器在编程模块上会有不同，但它们的总体思想通常是一致的。执行PWM命令之前，微处理器命令在软件中完成以下内容： （1）采集提供调制方波的片上探测器的周期； （2）在PWM输出寄存器中预制接通时间； （3）启动探测器。

PWM是采用对模拟信号电平进行数字编码的手段。通过高分辨率探测器的使用，方波的占空比被控制用来对一个采集模拟信号的电平实施编码。PWM信号仍然是数字的，因为在采集的任何期间，满幅值的交流供电要么全部有（ON），要么全部无（OFF）。通的时候即是

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交流供电被加到设备上的时候，断的时候即是供电被切断的时候。只要信号足够，任何模拟值都可以进行PWM编码。 4 总结

本论文主要是研究移动BOT机电控制原理。介绍了移动BOT机电控制系统组成及实现方法；提出以红外和超声探测器实现物体感知和避让的解决方法，针对人类移动特点，对人类移动方式进行了探讨；针对PWM控制器，具体阐述了移动机器人的机电控制原理。 参考文献

[1]丁文武.移动机器人的嵌入式控制原理[J].上海交通大学学报，2008. [2]师娟娟.基于嵌入式Linux移植机电系统原理[J].武汉理工大学学报，2008. 作者简介

李久超（1982-），男，吉林省长春市人。硕士学位。现为装甲兵技术学院助教。研究方向为自动控制。 作者单位

装甲兵技术学院 吉林省长春市 130117