试析移动机器人控制系统的设计

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　　【摘 要】移动机器人是现今科学技术发展下的产物，智能机器人的出现不仅缩减了人们的工作量，也为我国经济实力的增强奠定了基础。控制系统是移动机器人中较为重要的组成部分，也是机器人各项工作开展的基础。只有保证控制系统设计的合理性，才能提升移动机器人的使用效率，促进其作用的发挥。
　　【关键词】移动机器人；控制系统设计；合理性；
　　本文通过阅读文献，了解了目前对移动机器人的研究情况和机器人的软硬件开发原理，以及如何能够设计出智能的机器人控制系统。首先对移动机器人控制系统进行简要的说明，接着给出了简要的控制系统研究现状，最后参考文献：中机器人组成部分，比如：夹持机构、行走机构、颜色识别模块、控制器等，对实现方法进行了简要的总结说明[1]。
　　1移动机器人控制系统
　　移动机器人控制模式主要有4种，分别为推理型、反应型、混合型和基于行为的控制[2]。
　　推理型主要采用自上而下的控制方式。其于机器人中枢位置设置模型，从而对传感器采集的信息进行验证，验证后方可发出指令，该模式在早期的移动机器人当中得到了较为广泛的应用，其推理性和思维能力较强，但是在适应性和实时响应上较差，因此一般应用于结构化及可预期的场景[2]。
　　反应型主要采用自下而上的控制方式，传感信息可直接控制机器人驱动，其无需构建模型，规则不多，主要以场景感应的方式来执行动作，该控制模式具有良好的实时性，同时也可对非结构化及富于变化的场景做出准确的反应，但是其在信息存储和学习规划上存在着明显的不足，因此运行的灵活性较差[2]。
　　混合型主要融合了上述两种控制方式各自的优点，其主要由反应层、规划层和协作层构成，所以其也被称为三层式结构。卡内基梅隆大学的XAVIER系统就是该形式的典型代表[2]。
　　基于行为控制的方式是在推理型及反应型之间的一种方式，我们也可将其视为反应型策略的拓展延伸，其本质上是一种任务分解的控制方式，接收信息后不同模块可结合自身的任务和特点进行妥善处理和合作[2]。
　　2国内移动机器人控制系统的研究现状
　　国内最早的机器人系统是OSMOR系统，该系统为摄像机云台及作业手等分系统设计完善的三层结构，该结构可实现规划、运动学计算和伺服控制等功能。同时系统传传感器处理的特点十分鲜明，其利用全局数据库实现了传感器数据的独立处理，有效减少了传感器多样性和数据复杂性的负面影响。系统以Windows操作系统为基础，具有开放的体系结构，由于其是一种实验室自主研发的系统，因此在市场覆盖率上不够理想，且后续研究不够充分[2]。
　　近几年，很多大学均对移动机器人控制系统进行了研究，中南大学的研究人员研究了以金华思想为基础的机器人功能/行为集成控制体系架构，同时研发了室外汽车自主导航系统。浙江大学创建了以混合控制模式为基础的室内移动控制机器人原型，南京理工大学研发了微小型多机器人系统，并提出了分布式多Agent系统，其均以行为控制模式为基础[2]。
　　此外，足球比赛机器人研发也取得了较大的进步，其可分为集控式和自控式两种不同的形式，研究人员研发了应用于自主式足球机器人的底层控制系统，河南大学对集控室足球机器人的工作方式进行了研究，清华大学则对多机器人协作的足球机器人进行了研究，但是始终未形成完整的系统框架[2]。
　　3移动机器人控制系统设计
　　3.1夹持机构方案设计
　　移动机器人的夹持机构主要对不同高度上的物体进行夹取作业，比如应用于码垛机器人。加持机构分为升降机构和夹取机构两部分内容[1]。其中升降机构是由升降电机、丝杠螺母、限位光电开关和连接构件组成的；夹取机构则是由舵机、齿轮齿条、直线导轨、手爪和连接构件组成的。升降机构主要是将手爪送到制定高度位置，并在拿取完物品后恢复到原来的位置。夹取机构则是对手爪的张开和闭合状态进行控制。
　　升降机复位的具体操作流程为：升降电机运转过程中带动丝杠螺母操作，从而让夹取机构向下运行，直至限位光电开关位置上，这时编码器中的数值指向为零，完成复位操作。在复位操作完成后，需要在编码器上设置一定的脉冲值，以确保移动机器人手爪可以达到预定的取物高度。之后通过编码器的直流电机来带动升降结构运行，保让其达到指定位置。
　　在手爪达到指定高度后，先要将舵机转动一定角度，之后在齿轮齿条的带领下，让舵机机构完成直线运动，沿着直线轨迹进行物体的抓取。采用180°角度舵机进行控制，当给舵机发送一个占空比为0-1的PWM信号时，便可使舵机转过一定的角度，利用齿轮齿条机构与直线导轨机构便可实现手爪的张开与闭合。
　　3.2行走方案设计
　　移动机器人用于复杂地形的地形运输等场景，比如矿山救险等环境。移动机器人的行走主要是通过麦克纳姆轮的安装以及4个直流电机驱动实现的[1]。麦克纳姆轮的灵活性相对较高，将其安装在移动机器人上，能够实现移动机器人的全向移动。
　　麦克纳姆轮的四个轮子之间具有一定的约束能力，所以在设计过程中，需要对每个轮子的转速实行合理控制和精确化设计，以减少与地面之间的摩擦力，保证机器人底盘的正常运转，延长麦克纳姆轮的使用寿命。同时为了加强安装的合理性以及运行的稳定性，需使用带编码器的电机对其进行控制。
　　除了对轮子转速实行控制外，还要合理设计轮子的转动方向，以确保其与机器人移动的协调性。通常情况下，麦克纳姆轮的轮毂轴与辊子轴会形成45度角的组合形式，以此来加强移动过程中的配合。
　　3.3颜色识别模块的设计
　　颜色识别模块是通过摄像头完成物体信息的采集，再将采集到的信息数据传输给控制器，在控制器处理后，实行物体颜色的识别，进而对机器人的相应动作给予指导[1]。通过颜色识别，移动机器人可以实现对复杂环境的智能识别等功能。
　　结合目前生产作业的具体要求，移动机器人需要识别的主要颜色为红、白、黄、黑这四种，然后利用一种摄像头对颜色完成拍照，并将拍下的照片传输到及其视觉开发和应用软件中予以识别处理，在处理完成后，会自动生成一个LABVIEW的程序框图，其中含有NIVI-SIONASSISTANT建模时一系列操作的相同功能。在图片导入完成后，机器视觉开发和应用会将图片转化成二值图像，然后选取图片所在区域的位置，然后该软件会结合图片及其位置信息生成一个虚拟仪器模块，LABVIEW可以直接调取这个虚拟仪器模块，进而完成颜色识别，并将識别的颜色信息存储到相应数组中来。之后再通过软件自动功能的应用，将图片中的灰度值进行准确计算，通过灰度值的不同来判断不同的颜色种类，有效区分各种颜色特征，机器人会根据最终的分析结果以及指令要求开展相应工作。
　　3.4控制器的选择和程序的整体设计
　　为了提高移动机器人整体控制设计的质量，需要对其实施数字量、模拟量以及视频的有效处理。文献中主要以嵌入式开发平台中移动机器人控制器的设计为主要研究对象，在该平台内，内嵌芯片的应用能够让设计人员利用软件的实时性和可定制性功能实现1/0程序编写，增强了机器人控制程度修改的便利性[1]。
　　在整个控制系统设计中，设计人员先要对单独的控制系统实行调试和完善，之后再将所有的系统予以整合，以此来保证机器人移动、色彩识别、物体夹取等工作的有序完成。LABVIEW软件提供了循环、分支和顺序这三种程序结构。其通过该软件的应用为程度编写提供了公式节点功能，更好的提升了三种程序结构之间的协调性和配合性，不仅做到了功能的整合与高效应用，也保证了结构输入和输出量编写的合理性。
　　4结语
　　综上所述，本文主要就移动机器人控制系统的基本功能、国内移动机器人的研究现状进行了介绍，并给出了应用于生活及户外工作领域的机器人控制系统设计方案，希望能够以此为大家提供一些有价值的参考。
　　基金项目：河南省科技发展计划（182102210598）
　　参考文献：
　　[1] 王云磊，祁宇明，丁大宝.移动机器人控制系统的设计[J].电气传动自动化，2017，39（3）：21-23.
　　[2] 李文锋，张帆等.移动机器人控制系统结构的研究与进展[J].中国机械工程，2008，19（1）：114-119.
　　（作者单位：1郑州航空工业管理学院；2郑州工程技术学院）
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