CN105643589A - 一种自主排障式智能车系统 - Google Patents

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Abstract

一种基于激光测距的排障智能车系统,车体运动为履带式驱动,车轮采用直角转向减速马达;机械臂安装在车身中央的转盘底座上,转盘底座为全铝合金结构,转动部件为钢滚珠轴承,使臂可自由旋转;机械臂为六自由度臂,末端为一可抓取物件的硬铝合金质两自由度机械爪,机械臂既可用于常规的抓取作业,又可以自主将非固定障碍移除开辟行进道路,机械臂运动规划采用D-H坐标系分析法;测距使用脉冲式激光测距系统,借助发射模块、接收模块和用于数据处理的MCU模块,有利于快速任意障碍进行距离测量,提高系统的可靠性。本发明将自主式机械臂与智能车结合在一起,能帮助人们深入到人力无法企及的特殊环境下工作,具有很高的现实应用价值。

Description

一种自主排障式智能车系统
技术领域
[0001]本发明涉及一种可携带机械臂进行操作的自主排障式智能车系统的控制及驱动原理,属于机器人自动化领域。
背景技术
[0002]随着现代科技的高度发展,在恶劣工作条件或特殊环境下采用智能机器人代替人类工作,为人类服务,已成为一个主要趋势。在没有人工干预的情况下,如何令智能机器人自主地快速到达目标、并排除障碍物一直是困扰人们的难题,因此设计一种可以自主排除障碍物的移动快捷的机器人,对辅助人类完成特殊环境下的工作是十分必要的。
[0003]目前实际应用的绝大多数机器臂都是固定式的,它们只能固定在某一位置上进行操作,因而其应用范围多限于工业生产中的重复性工作。而当今实践经验表明实际生产生活中迫切需要一种活动空间大,能适用于各种复杂环境和任务的可移动机器人。移动机器人具有工作空间大、运动灵活等优点,目前已有大量关于移动式机器人的研究方面的文献及专利资料。但是这类机器人很多都是纯移动式,并没有可控制的手臂,因此并没有抓取物体的功能,而且这类移动机器人也没有很可靠的避障或清障手段,现阶段国内的机器人、智能车对于障碍普遍采用提前规划路线或遇障绕行的避障手段,对于清障的研究寥寥无几。事实上,对于非固定的障碍物来说,通过移除障碍物清出一条通路远比绕过障碍物更节约、更有效。国外虽然有不少机器人研究者有较为发散的研究,但主要采取的是类似本体冲撞强行开路的方法,不仅给机器人增加了很多不可避免的损耗、增加机器人日常的维护成本,还对机器人表面及内部材料的质量有更高的要求,使造价成本的需求更高。为了让移动机器人既能够在充满障碍的环境中灵活自如运动,又能够完成简单的作业,将现有的固定式机械臂技术与纯移动式机器人技术相结合,并配合能够精确测距、实时通信确定位置位姿的硬件通信模块,研制一套既可以通过机械臂自由抓取物件,又可以借助机械臂自主移除障碍开辟路线的移动智能车系统,具有极高的现实意义和应用价值。是机器人自动化领域研究的一种新思路。
发明内容
[0004]针对现有的固定式机械臂活动空间受限以及纯移动式机器人无法进行操作作业和自动清除障碍的缺陷,本发明公开了一种新型排障智能车系统,结构简单紧凑,低成本,小型化,易于操作。
[0005]自主智能车是指在不同的工作环境中,无需人工干预就可以自主移动,并完成指定任务的机器人,是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合系统,属于智能机器人研究领域中的一项高新技术。同时自主智能车技术是一门多学科高度融合的技术,主要涉及电子学、控制理论、机械设计、材料学、传感器技术和人工智能等学科,成为当前智能机器人研究的热点之一。
[0006]本发明的技术方案是:一种基于激光测距的自主排障智能车系统。其特征在于:系统主要包括控制核心模块、电源管理模块、机械臂规划模块、驱动轮电机驱动模块、转向舵机控制模块、测距模块、通信模块以及各种辅助支撑模块。每个模块都包括硬件和软件两部分。硬件为系统工作提供硬件实体,软件为系统提供各种算法。
[0007]控制核心模块。使用单片机MO]模块,采用MSP430单片机,主要用于激光测距模块中时间测量单元的调试,及实现单片机与时间测量单元的SPI通信,由于激光测距所使用的测距芯片TDC-GP21需要进行一系列的初始化以及后续的取结果等操作,因此需要选用大容量MCU以保证有足够空间储存控制程序。单片机必须准确无误地采集测距数据,并与相应的直流驱动电机控制以及对智能车自身的位姿精密地结合在一起,否则会因测距不准导致直流驱动电机无法控制车体I停在预定位置,进而造成机械臂5展开后无法抓取障碍物甚至撞上障碍物导致车体I损坏,因此MCU控制模块在整个系统中显得尤为重要和关键。
[0008]电源管理模块。需对整个系统有全面了解,因为不同的组件对电源101的需求各不相同,同时还要考虑到电压、电流、总功耗、效率等相关参数及散热问题,以及电路板间隔离防止相互干扰。电源101设计分成两部分:一部分为直流电源;另一部分为直流电源隔离板。由于电机是感性负载,电机电源单独分出来,直接供电(1A,12V);机械臂电源也单独分出来,直接供电(900mA,7.4V),激光和单片机控制部分由5V电路板供电;激光部分为发射器,400mA,5V;接收器50mA,5V,单片机部分供电为5V供电。
[0009]机械臂规划模块。机械臂5的规划问题涉及到正运动学和逆运动学运算。先将机械臂5建模,只要符合底纳维特-哈滕博格建模方法,不同的初始姿态可以有不同的D-H系,只要基坐标系一致都可以得到相同的运动学方程解。正运动学是指已知机械臂5各关节参数(转角、扭矩等)计算机械臂5末端机械爪6位置坐标和姿态,逆运动学是指已知机械爪6位置坐标和姿态来逆推其各关节应有的姿态参数。而在实际操作中,逆运动学计算应用要远比正运动学广泛。将机械爪6能到达的位置范围称为机械臂5的工作空间。具体做法是对关节变量通过均匀分布,赋予一定数量的、符合关节变化要求的随机量,从而得到工作空间由随机点构成的图形,称之为云图。机械臂5机械参数为回转角度180度,回转半径:355mm,整套高度:428mm,夹持前部最大开度:55mm,夹持最宽距离:98mm。
[0010]驱动轮电机驱动模块。采用直角转向减速马达,型号GW31ZY,工作电压:DC 12V,空载转速:351'/111;[11,负载转速:26.51'/111;[11,输出扭矩:151^.011,额定电流:1.8厶,重量:0.381^。控制驱动轮201的电机置于车身空厢外侧。
[0011]转向舵机控制模块。机械臂5关节控制用到三种舵机,位于机械臂5基座位置的初始关节节点,采用RB-421舵机,可以达到-90度至+90度的旋转范围。扭矩大小为4.9kg.cm(4.8V) ;6kg.cm(6.0V) ;6.2kg.cm(7.2V)。完全可以满足扭矩要求。各关节处采用RB-796MG舵机,具有扭矩大,噪声小,性能更稳定的优点。工作电压:4.8V-7.2V,扭矩大小:9Kg.cm(4.8V)10KG.cm(6V)12KG.cm(7.2V)。可以满足驱动要求。机械爪6采用双指型夹持结构,由舵机控制张开与闭合。材料采用高强度的聚酯塑料以减轻机械臂5重量,机械臂5采用硬质铝合金材质,减轻重量,防止在操作时车体I失去平衡。机械爪6与障碍物的接触部分添加柔性垫,增大与障碍物的接触面积使其抓取物体更牢固。由RB-797MG舵机驱动,为机械爪6提供强有力的夹紧力。
[0012]测距模块。激光测距模块按功能结构可以分为六部分:电源管理模块、脉冲发射系统、激光脉冲接收系统、高精度时间间隔测量系统、微控制器及显示接口部分和光学系统。接收模块有两个输入输出端子,发射模块发出的光线通过分光镜,一部分光线达到目标反射回来进入接收模块第一输入端,另一部分光线直接返回进入第二输入端,它们各自的输出端分别将收到的回光信号传递给TDC时间间隔测量电路求得时间差,经过MCU计算即目标物距自身的距离。
[0013]通信模块。CAN总线式串行通信网络,是国际上应用最广泛的现场总线之一,具有可靠性、使用性、灵活性、抗干扰能力强,任意节点数及优先级,多主工作方式和非破坏性总线仲裁技术等优点。智能车硬件部分的主控制器模块、电机驱动模块、激光测距模块、机械臂5操作模块、控制器及相应的端口接线模块将被作为CAN节点挂接在CAN总线上,以保证各个模块彼此之间可靠的通讯信息交换。主控制器模块将测距模块的数据采集,相应的直流驱动电机通过对驱动轮201控制以实现对车体I自身的位姿调整,舵机驱动模块驱动机械臂5的展开操作以实现抓取障碍物。
[0014]辅助支撑模块泛指对智能车自身的行驶以及机械臂工作并没有直接影响,但为了保证系统的可靠性以及增强系统功能而设计的附加模块,包括智能车故障诊断模块,LCD数据显示模块和调试辅助模块等等。
[0015]本发明具有以下优点:
[0016] (I)采用履带3式驱动结构,可以保证车轮2与车身能够紧密连接,使其具备一定的越野能力,同时还可防止车轮2因越障时偶然冲击力过大导致车轮2损坏或车轴断裂,使车体I受力均匀,增大抓地摩擦力;在车轮驱动机构中,驱动驱动轮201的电机、编码器104、减速器布置主体内侧,减小了机器人体积,4个从动轮202可以减少机器人主体单元承载以及后支撑轮的载荷,使机器人与地面的接触力更加均匀从而提高机器人的运动性能。
[0017] (2)传统的固定式机械臂活动空间受限,只能进行简单的重复性操作,而纯移动式机器人除了简单的避障运动外,不仅没有可用于操作作业的机载式机械臂,而且即使对于简单的可移动式障碍也只能采取路径提前规划的手段实施被动避障,大大降低了机器人工作效率,本发明将固定式臂技术与纯移动式机器人有机结合,并配以能够精确测距、实时通信确定位置位姿的一整套硬件通信模块,使得机器人不仅可以在任何区域自由操作,同时利用机械臂的抓取功能自主清除一些可移动障碍,使其工作效率大大提高;
[0018] (3)通过CAN总线实现各模块的通讯。系统各个模块被作为CAN节点挂接在CAN总线上,以保证各个模块彼此之间可靠的通讯信息交换。主控制器模块将测距模块的数据采集,相应的直流驱动电机通过对驱动轮201控制以实现对车体I自身的位姿调整,舵机驱动模块驱动机械臂5的展开操作以实现抓取障碍物。
附图说明
[0019]图1为本自主排障式智能车系统的总结构示意图;
[0020]图2为本自主排障式智能车系统的车体俯视图;
[0021]图3为本自主排障式智能车系统的驱动电机与驱动轮轴的连接示意图前视图;
[0022]图4为本自主排障式智能车系统的驱动电机与驱动轮轴的连接示意图俯视图以及从动轮示意图;
[0023]图5为本自主排障式智能车系统的激光测距模块系统框图;
[0024]图6是本自主排障式智能车系统的整车系统模块连接图;
[0025]图7是本自主排障式智能车系统的CAN通讯操作电机的工作流程图;
[0026]图8是本自主排障式智能车系统的机械臂D-H坐标系分析图;
[0027]图中:1_车体、2-车轮、3-履带、4-机械臂转盘底座、5-机械臂、6-机械爪、101-电源、102-驱动轴、103-联轴器、104-编码器、105-锥齿轮减速传动机构、201-驱动轮、202-从动轮、301-系统的左右履带模块。
具体实施方式
[0028]以下结合实例与附图,对本发明作进一步的详细说明。
[0029]如图2所示,其中301是车体I两侧履带,101是车载电源,201是车体I两侧的驱动轮,202是车体I两侧的从动轮。车身左右的履带301模块为完全对称结构。左右的履带301模块拥有各自独立的驱动系统,每个履带301模块都可以实现速度可调的正转和反转基本运行功能。当两履带301模块相互配合时,可以完成多种运动模式。若两翼板模块运动方向相同、速度相同时,智能车实现直线前进或直线后退;若两翼板模块运动速度不同,会促使车体I产生旋转力矩,使得智能车进行转弯。车体I两侧中心位置为驱动轮201,这样其轴线与车体I的重心位置相交,提高车体I稳定性。前后从动轮202将履带301自然绷紧,三者同一水平面摆放,忽略履带301则接触地面的三点切线与地面重合,使其平均分担负载。车载电源置于车身云台板两侧,这样一方面可以为安装中央控制模块预留空间,另一方面也可使车体I负载保持平衡。
[0030]如图3、图4所示,控制驱动轮201的电机置于车体I空厢外侧,电机型号为GW31ZY。安置在车体I后长120mm,宽40mm,占车体I截面积的22.6%。履带301模块的传动部分从内至外依次为电机、轴承、减速箱、联轴器103、编码器104、驱动轮201、履带301、从动轮202等部件。即安装在车体I上的一对电机各自独立驱动驱动轮201转动,带动履带301运动,从而使从动轮202随之转动。驱动轴102和驱动轮201的连接方式如图4前视图、图5俯视图所示,通过插入半面横切的圆柱轴承,通过锁紧螺丝锁紧。前后从动轮202将履带301自然绷紧。电机轴、减速箱与驱动轴102通过两个相咬合的内锥齿轮构成,速率变化由两齿轮的齿数比例决定,将旋转速度降低并将转动轴旋转90°,通过电机座固定在车体I上,电机安装时通过垫片调节电机角度以保证电机轴水平并垂直于车身。编码器104位于联轴器103处,通过测量、控制转数达到控制速度的目的。在车体I预留位置安装轴承,将驱动轴102穿过轴承中心,通过联轴器103连接从动轮202。
[0031 ]机械臂5关节驱动舵机采用RB-796MG舵机,具有扭矩大,噪声小,性能更稳定的优点。工作电压:4.8V-7.2V,扭矩大小:9Kg.cm(4.8V)10KG.cm(6V)12KG.cm(7.2V)。可以满足驱动要求。机械臂转盘底座4作为整个机械臂5的支撑点,与车体相连的云台既要向整个机械臂5提供足够大的扭矩,又要满足机械臂5转动过程中的稳定性要求。机械臂转盘底座4处的驱动舵机型号为RB-421,可以达到-90度至+90度的旋转范围。扭矩大小为4.9kg.cm(4.8V) ;6kg.cm(6.0V) ;6.2kg.cm(7.2V)。完全可以满足扭矩要求。机械爪6采用双指型夹持结构,由舵机控制张开与闭合。材料采用高强度的聚酯塑料以减轻机械臂重量,机械爪6与障碍物的接触部分添加柔性垫,增大与障碍物的接触面积使其抓取物体更牢固。驱动由RB-797MG舵机驱动,为机械爪6提供强有力的夹紧力。
[0032]如图5所示,激光测距模块按功能结构可以分为六部分:电源管理模块、脉冲发射系统、激光脉冲接收系统、高精度时间间隔测量系统、微控制器及显示接口部分和光学系统。
[0033]电源管理单元将外部电源101按照系统要求,转换为系统各部分所需要的电压并对其进行供电。同时,微处理器可以对电源部分进行必要的控制,对系统中各部分进行独立关断。该模块亦属于电路电源模块的一部分。
[0034]脉冲发射系统主要由半导体激光器(Laser D1de简称LD)偏置电压发生器、脉冲发生器、LD驱动电路组成。LD偏置电压发生器为半导体激光器提供工作所需的偏置高压,并加载至LD驱动电路中,驱动半导体激光器发光,脉冲信号发生器则为LD驱动电路提供所需的高速窄脉冲信号。激光脉冲接收系统主要分为两个子块:PIN光电二极管(以下简称PIN)接收电路和雪崩管(Avalanche Photo D1de简称APD)接收电路。PIN接收电路主要由PIN前置放大电路、主放大电路和时刻鉴别电路组成。PIN接收到有分光镜和反射镜反射的脉冲激光信号后,由PIN前放进行读取并送至放大电路进行必要的信号放大,得到系统所需的脉冲信号之后再送至时刻鉴别电路进行时刻的甄别,并将时刻鉴别的结果送至时间间隔测量单元,作为计时的起点(stop I信号)接收电路包括AH)前放、APD偏置电压发生器及偏压控制电路、可控增益放大电路(由可控增益放大器、峰值检测电路、增益控制电路组成)、时刻鉴别电路组成。当Aro接收到由探测目标反射的脉冲回波时,Aro前放进行读取,并送至可控增益放大电路(可控增益放大的功能与作用将在后续章节介绍)中进行放大,放大的结果送入峰值检测电路中进行时刻甄别,并将时刻鉴别的结果送入时间间隔测量单元中,作为计时终点(stop2信号)。
[0035]高精度时间间隔测量系统主要由计时芯片(选用TDC-GP2)以及其外围电路组成,是本系统的核心部分。该部分为系统提供精准的时差测量,保证了测量的精度。TDC-GP2参数为:
[0036] V1>Vcc = 3.3V
[0037] EEPROM的32KHz内部定时器
[0038] 高速时钟4MHz (用于测量范围2)
[0039] 控制高速时钟起振和进行时钟校准32.768KHz
[0040] TDC 输入:Start信号;Stop 信号
[0041 ] TDC输出:在ALU处理完数据后存入输出寄存器等待M⑶读取,将时间信号转换成为数字信号
[0042] TDC与上位机的通信端口:SPI串行接口(4线制)
[0043] 微控制器及显示接口部分主要有微处理器(Micro Control Unit简称MCU),液晶显示,RS-232串口组成。M⑶主要为各分部的正常工作提供控制信号,并通过SPI 口配置TDC-GP2寄存器和读去相应的测量结果进行计算与处理,处理完成的送至LCD显示或者发送至串口送至上位机进行进一步处理。
[0044]光学系统:光学系统的主要功能是将半导体激光器产生的激光分成两束,一束经反射镜送入PIN管光敏面上,另一束则经过准直之后发射至目标物体;另一方面光学系统将其接收到的激光回波信号汇聚到Aro的光敏面上,以提高光电接收器件的探测能力。
[0045]如图6、图7所示。自主排障智能车的硬件部分主要由主控制器模块、电机驱动模块、激光测距模块、机械臂5操作模块、控制器及相应的端口接线模块。将这些模块作为CAN节点挂接在CAN总线上。主控制器模块将测距模块的数据采集、相应的直流驱动电机控制以及对智能车自身的位姿精密地结合在一起。其中主控制器是整个控制系统的核心,在整车控制系统中发挥着控制全局的作用。它的主要功能是接收传感器采集的数据发送到CAN总线上其他需要这些数据的节点。主控制器还负责接收、处理反馈的编码器信息,并向各个部件控制器发送控制指令。同时采集各个控制单元的状态信息,并根据状态信息对整车目前的状况做出判断。各个节点之间通过CAN总线传送数据,进行数据交换,实现整个控制系统的控制功能。运动控制系统是智能车最基本的需求,它主要负责车辆的运行控制和安全,它由控制模块发来的动作控制命令和转角、速度等参数,然后依照这些命令和参数执行一定的动作,控制车辆的运行。运动控制系统的执行器是电机,传感器是编码器,分别是模拟量和脉冲量,是整个控制系统最初始的信号来源和控制量最终的目的地,并且控制方式简单,被主控制器直接控制,隶属于底层控制系统。
[0046]底层控制采用Freescale公司推出的S12系列单片机中的一款增强型16位单片机1〇951206128(以下简称06128),集成了16位中央处理器^:5120?1],1281(字节的?13811EEPROM,8K字节RAM,2K字节的EEPROM,2个异步串行接口 SCI,2个同步串行接口 SPI,8通道带IC/0C功能的增强型捕捉定时器(ECT),2个8通道10位的ADC,I个8通道PWM,I个BDLC模块,2个CAN 2.0Α/Β软件兼容CAN控制器MSCAN,I个Byteflight模块,I个I2C模块以及丰富的1端口。DG128具有全16位外部数据通道,并且可已运行在8位窄模式下,这样也可使用8位宽的存储模块以降低成本。此外,DG128还包含PLL电路,允许调整功耗和性能以适应特定的应用场合。DG128可以运行在最高50M晶振也即25M总线速度上,具有停止,伪停止和等待三种低功耗模式下。
[0047]但在许多实时系统都要求许多中断驱动的进程来响应简单的任务,比如人机交互、执行器反馈和来自系统其他部分的通讯等,通常频率很高,这给CPU带来了日益沉重的负担,这样单核单片机就无法胜任了。HCS12单片机的升级系列HCS12X双核单片机引入了协处理器XGATE JGATE是一个独立于主CPU(CPU12X)的可编程RISC内核,提供高达25MHzHCS12的两到五倍的性能,同时保留与HCS12的PIN码和编码的高度兼容性。XGATE可作为一个高效的DMA控制器,自治地在外设与RAM之间进行高速的数据传送,并在数据传送的过程中进行灵活的数据处理;XGATE也可作为一个单独的算法单元完成某些运算,如通信协议的处理;XGATE还可以作为虚拟的外设,如用I/O口模拟串行通信口,或对简单的外设进行软件包装以生成功能强大的个性化外设。
[0048] CAN控制器是CAN协议的硬件实现。由于CAN总线具有通信速率高、可靠性高、连接方便和性价比高等诸多特点推动其应用开发的迅速发展,反过来也促进生产厂商不断推出新的CAN总线控制器。CAN控制器以两种形式存在,独立CAN控制器,比如Philips的SJA1000等,和片上集成CAN控制器,有不少微控制芯片具有这种功能。本设计所采用的FreescaleHCS12单片机MC9S12DG128以及HCSX双核单片机MC9SDT512均片内集成了 MSCAN控制器,给组建CAN通信网络带了很大的方便。CAN总线控制电机的基本流程为:初始化CAN控制板;将CAN控制器状态设定为onl ine在线状态;开辟得到一个发送通道;将CAN设备状态同样也设定为online在线状态;将CAN控制使能信号挂接至电机;控制电机的运行停止,本系统中的电机有控制驱动轮201的驱动电机和控制机械臂5关节的驱动舵机,对它们的控制方式的区别在于对驱动电机让其轴以某一速率匀速旋转,而对驱动舵机只让其轴转动特定角度。
[0049]系统每一部分都对电源101有特殊需求,因此不仅需要注重输入电压、输出电压和电流,还需要考虑系统的总功耗、电源实现的效率、电源部分对负载变化的瞬态响应能力、关键器件对电源波动的容忍范围以及相应的可允许电源纹波,以及散热问题等等。功耗和效率密切相关,在负载功耗相同情况下,效率提高了,总功耗就相应减少,对于系统整体的功率预算就有优势。一般对于实际工程所选择的电源,要求电源实际值多为±5%标称值。
[0050]除此之外还要考虑不同负载共用一个电源会造成可能的干扰,对整机产生不良影响,甚至无法达到预期的设计目标。所以应慎重设计电源部分,按负载性质不同,把电源分类;再进行隔离防止互相干扰,尤其是对电路板的干扰,同时做好有效的接地。
[0051]综合整体设计方案,把电源101设计成两部分:一部分为直流电源;另一部分为直流电源隔离部分(预备做一块电源101隔离板),该部分为设计重点。由于电机是感性负载,首先把电机电源单独分出来,直接供电;再把舵机的5V供电和电路板5V供电并为一路电源;然后把5V电源稳压到3.3V,为激光部分供电。
[0052]如图8所示。六自由度链式(6R)机械臂5的轨迹规划既可以在关节空间,也可以在直角坐标空间中进行。由于在关节空间中进行轨迹规划是直接用运动时的受控变量规划轨迹,有着计算量小,容易实时控制,而且不会发生机构奇异性等优点,所以经常被采用。机械臂5的规划过程受外界的影响一般仅是碰撞检测方面,其余则受限于自身的特性,如工作空间、臂长和构型设计的影响等。机械臂5的规划问题包括逆运动学和正运动学,以及提高精度问题。
[0053]首先将该机械臂5建模,只要符合底纳维特-哈滕博格建模方法,不同的初始姿态可以有不同的D-H系,只要基坐标系一致都可以达到相同的表示方法。
[0054]正运动学一一对于给定的一个机械臂,其连杆参数和各个关节变量来求解末端执行器相对于给定坐标系的位置和姿态。运动学正解过程是根据已知关节变量,求末端抓持器相对于参考坐坐标系的位姿的过程。使用标准的上关节D-H法,将参考坐标系设在6R机械臂的基座上,从基座开始变换到第一关节,然后到第二关节……最后变化到末端抓持器。在D-H坐标系下,测量扭角,列出各关节的转动变量Q ;测量轴距和偏距,得到各位置矢量a,则末端矢量方向即
[0055] Q = QiQ2Q3Q4Q5Q6
[0056] 末端在基坐标下的位置为
[0057] t = ai+Qia2+QiQ2a3+QiQ2Q3a4+QiQ2Q3Q4a5+QiQ2Q3Q4Q5a6
[0058]其中旋转矩阵Q为3 X 3矩阵、位置矢量a,t为3 X I矢量。
[0059]逆运动学一一已知机器人连杆参数和末端执行器相对于固定坐标系的位置和姿态,来求解机器人各个关节变量的大小。大多数情况下,都是已知目标位置,想要操纵机械臂运动,求得各关节转动角度,就需要从已知的位置矢量a,t和位置表示方法中推算出旋转矩阵Q中各关节运动副旋转的角度。求解逆运动学时需要确定机械臂的工作空间,通常逆运动学方程的解析解极难甚至根本无法求得,因此常采用数值解法,例如蒙特卡罗法等。求解机械臂的工作空间时,对关节变量通过均匀分布,赋予一定数量的、符合关节变化要求的随机量,从而得到工作空间由随机点构成的图形,称之为云图。在求得的工作空间中去除车身以及探测到的障碍物尺寸,即可行工作空间。
[0060]精度及最优化需要从多方面考虑。误差包括零件测量误差、计算累积误差等,需要针对具体问题具体分析。对精度的测量可以预先设定一条抓持器的跟踪路线,再通过实际情况分析位置误差,多次计算多次调整逐步减少误差。
[0061]最优问题,例如若多个运动副的角度转换同时进行,对舵机的硬件要求更严格,可以采用分步进行,如何规划各个运动副的转动顺序、每一步的转动角度才能达到能源、精确性最优化都需要多次调试和分析。
[0062]还有目标物的形状和环境因素都会产生一定影响。关系到抓持器将以什么姿态、什么角度、哪个位置进行抓取,最理想的方位是否在可行工作空间内,若不在,以哪些因素作为次优选择的决定因素等等。
[0063]与此同时,根据多自由度机械臂的构型,基于MFC框架类和OpenGL图形库,在VC++6.0开发平台上开发一套适用于这种构型的三维仿真工具。仿真工具把运动学和轨迹规划算法融入了其中,有效地验证了机械臂数学模型以及正、逆运动学求解过程的正确性。
[0064]最后,将已经过多方检测验证可行并稳定的机械臂运动算法导入机械臂关节控制器,并将结果传输给工控机进行实施有效的反馈和验证,使机械臂在智能车上也能够稳定有效的完成预设任务。

Claims (7)

1.一种基于激光测距的排障智能车系统,其特征在于:该系统包括智能车结构与控制响应端,控制响应端主要包括控制核心模块、电源管理模块、机械臂规划模块、驱动轮电机驱动模块、转向舵机控制模块、测距模块、通信模块以及各种辅助支撑模块,控制核心模块为系统的中心处理单元,电源管理模块、机械臂规划模块、驱动轮电机驱动模块、转向舵机控制模块、测距模块、通信模块以及各种辅助支撑模块分别与控制核心模块相连,每个模块都包括硬件和软件两部分;硬件为系统工作提供硬件实体,软件为系统提供各种控制响应信号; 所述智能车结构包括车体(I)、车轮(2)、履带(3)、机械臂转盘底座(4)、六自由度机械臂(5)和两自由度机械爪(6); 所述车体(I)为智能车结构的主要结构,车体(I)上集成有控制响应端的各模块; 所述的车轮(2)共有六个,车轮(2)沿车体(I)的两侧对称布置,每侧等间距设有三个,每侧的中间为驱动轮(201),车体(I)的前部和后部分别为从动轮(202);每侧的驱动轮(201)、从动轮(202)通过履带(3)连接; 所述的六自由度机械臂(5)安装在机械臂转盘底座(4)上; 所述的两自由度机械爪(6)为六自由度机械臂(5)的末端执行器,其安装在六自由度机械臂(5)的末端。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光测距的排障智能车系统,其特征在于:当两履带(301)模块相互配合时,能够完成多种运动模式;若两翼板模块运动方向相同、速度相同时,智能车实现直线前进或直线后退;若两翼板模块运动速度不同,智能车完成转弯功能,速度比例不同则转弯半径也随之变化;若两翼板模块运动速度相同,方向相反,那么机器人实现原地转向,原地转向功能非常有利于机器人在狭小空间范围内活动。
3.根据权利要求1所述的一种基于激光测距的排障智能车系统,其特征在于:机械臂转盘底座(4)能进行360度自由旋转,以扩大六自由度机械臂(5)的工作空间;六自由度机械臂(5)安装在机械臂转盘底座(4)上,六自由度机械臂(5)的关节由舵机驱动,关节采用硬质铝合金材质,以减轻臂的重量,防止在操作时车体(I)失去平衡。
4.根据权利要求3所述的一种基于激光测距的排障智能车系统,其特征在于:六自由度机械臂(5)末端的二自由度机械爪(6)与障碍物的接触部分设有柔性垫,增大与障碍物的接触面积使其抓取物体更牢固。
5.根据权利要求1所述的一种基于激光测距的排障智能车系统,其特征在于:车体(I)两侧中心位置为驱动轮(201),这样其轴线与车体(I)的重心位置相交,提高车体(I)稳定性;前后从动轮(202)将履带(3)自然绷紧,三者同一水平面摆放,忽略履带(3),则接触地面的三点切线与地面重合,使其平均分担负载;控制驱动轮(201)的电机置于车体(I)空厢外侧;安装在车体(I)上的一对电机各自独立驱动驱动轮(201)转动,带动履带(3)运动,从而使从动轮(202)随之转动。
6.根据权利要求1所述的一种基于激光测距的排障智能车系统,其特征在于:控制响应端的控制核心模块、驱动轮电机驱动模块、测距模块、机械臂规划模块、转向舵机控制模块及相应的端口接线模块作为CAN节点挂接在CAN总线上;底层控制采用已集成MSCAN控制器的Freescale HCS12单片机MC9S12DG128以及HCSX双核单片机用于方便组建CAN通信网络。
7.根据权利要求1所述的一种基于激光测距的排障智能车系统,其特征在于,利用机械臂(5)自主抓取可以动障碍并清除出行进道路,可无需进行提前路径避障规划,减轻了提前工作量,提高了智能车的工作效率;。
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