CN113138551B - 一种小型可组合移动机器人及其混合控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于机器人技术领域，主要涉及一种小型可组合移动机器人及其混合控制方法，包括电源系统、工控机、STM32底盘系统、遥控器收发模块、直流无刷电机模块、无线自组网模块、辅助轮起落架舵机模块、机器人俯仰舵机模块、落锁模块，可组合移动机器人底盘由遥控器模块、跟踪微分器模块、电机编码器模块、PID控制模块、主从控制模块、上位机与底盘数据解析的ROS节点组成。本发明可组合移动机器人根据实时地形情况，可实现灵活多样化的形态调整与匹配，使得轮式机器人的越障能力显著提升。

Description

一种小型可组合移动机器人及其混合控制方法

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种小型可组合移动机器人及其混合控制方法。

背景技术

智能移动机器人，是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多功能于一体的综合系统。它集中了传感器技术、信息处理、电子工程、计算机工程、自动化控制工程以及人工智能等多学科的研究成果，代表机电一体化的最高成就，是目前科学技术发展最活跃的领域之一。随着机器人性能不断地完善，移动机器人的应用范围大为扩展，不仅在工业、农业、医疗、服务等行业中得到广泛的应用，而且在城市安全、国防和空间探测领域等有害与危险场合得到很好的应用。因此，移动机器人技术已经得到世界各国的普遍关注。

根据移动方式来分，可分为：轮式移动机器人、步行移动机器人(单腿式、双腿式和多腿式)、履带式移动机器人、爬行机器人、蠕动式机器人和游动式机器人等类型；按工作环境来分，可分为：室内移动机器人和室外移动机器人；按控制体系结构来分，可分为:功能式(水平式)结构机器人、行为式(垂直式)结构机器人和混合式机器人；按功能和用途来分，可分为:医疗机器人、军用机器人、助残机器人、清洁机器人等。

其中轮式机器人具有移动快速、灵活等特点被广泛应用，但由于其越障能力不足，使其应用价值及范围受到严重影响。

发明内容

本发明的目的是：旨在提供一种小型可组合移动机器人及其混合控制方法，用于解决轮式机器人越障能力不足的问题。

为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：

一种小型可组合移动机器人，包括：电源系统、工控机、STM32底盘系统、遥控器收发模块、直流无刷电机模块、无线自组网模块、辅助轮起落架舵机模块、机器人俯仰舵机模块、落锁模块。

进一步，可组合移动机器人底盘由遥控器模块、跟踪微分器模块、电机编码器模块、PID控制模块、主从控制模块、上位机与底盘数据解析的ROS节点组成。

进一步，所述遥控器模块由发射器和接收器组成，并采用DMA中断接收数据的方式进行数据处理，所述遥控器模块的数据处理具体实现如下：

A1、当人控制遥控器拨杆发射相应数据时，发射器一直处于一定频率发射信号的状态；

A2、STM32底盘系统在初始化串口后开启DMAR接收功能，以一定的频率接收发射器发出的信号；

A3、经过DMA的数据接收功能，将从外设接收的数据放入内存中，等待串口中断提示，并进行数据处理；

A4、数据处理完成后清空DMA，重新等待数据进入。

进一步，所述跟踪微分器为改进型跟踪微分器，具体实现如下：

据对象的不同，选取合适的过渡过程v₁(t)，将误差变成e＝v₁(t)-y，令x₁＝v₁，

输入量为u，则：

离散实现形式为：

其中T为采样时间；

使v₁(t)与输入精准对应，采用fst函数，即快速控制最优综合函数，使u＝fst(x₁-v,x₂,r,h)，此函数是一个非线性函数，其中v为输入信号，r为速度因子，h为滤波因子；

令e＝x₁-v，得：

其中，d＝r·h；d₀＝h·d；z＝e+h·x₂；

改进型跟踪微分器为：

h取值范围为0.001～0.1。

进一步，所述可组合移动机器人设置有上位机模式、独立遥控模式、跟从模式；

在上位机模式下，可组合移动机器人接收上位机发布的速度信息；

在独立遥控模式下，可组合移动机器人接收遥控器的速度信息；

在跟从模式下，从机可组合移动机器人接收主机可组合移动机器人发布的速度信息。

进一步，可组合移动机器人的遥控器模块可切入主从控制模块，将多个可组合移动机器人切换成一个主机其余全为从机，主机只能进入上位机模式或独立遥控模式，并且通过无线自组网模块不断发布自身的速度信息。

进一步，所述主从控制模块的数据发送和接收的具体实现如下：

B1、主从控制模块将可组合移动机器人设置为主机和从机，并通过遥控器模块进行主从切换；

B2、主机的无线数传模块将当前状态信息发送至从机；

B3、从机定时触发串口中断，通过中断服务函数将无线数传模块接收到的主机发送的数据解析并存入指定区域，以便从机主函数将其发送给电机。

进一步，可组合移动机器人底盘系统还设置有反馈通道，所述反馈通道由电机编码器模块与中值滤波器组成。

进一步，所述直流无刷电机模块包括：三相直流无刷电机、电机调速器和CAN总线模块，所述三相直流无刷电机转速通过PID控制模块实现实时控制，并通过CAN总线模块实现指令控制。

本发明还涉及一种可组合移动机器人越障控制方法，包括如下步骤：

可组合移动机器人面对具有坡度或梯度的障碍物时，以迎面角45°为触发条件，判断通过性；

可组合移动机器人通过视觉检测获得障碍物参数信息，并根据可组合移动机器人车轮几何参数获得准确迎面角；

根据迎面角参数信息，可组合移动机器人通过机器人俯仰舵机模块对机器人结构进行调整；

通过主从控制模块实现主从可组合移动机器人的实时形态组合，完成越障。

采用上述技术方案的发明，具有如下优点：

1、本发明可组合移动机器人小巧灵活，设置有多种控制模式，并根据实际需要可进行实时切换；

2、本发明可组合移动机器人根据实时地形情况，可实现灵活多样化的形态调整与匹配，使得轮式机器人的越障能力显著提升；

3、本发明可组合移动机器人的控制方法简单，越障有效性高，有利于可组合移动机器人的应用推广。

附图说明

本发明可以通过附图给出的非限定性实施例进一步说明；

图1为本发明可组合移动机器人两轮差速驱动示意图；

图2为本发明可组合移动机器人运动状态示意图；

图3为本发明可组合移动机器人底盘系统框架图；

图4为本发明可组合移动机器人遥控器模块控制流程图；

图5为本发明可组合移动机器人主从控制模块控制框图；

图6为本发明可组合移动机器人主从控制模块控制流程图；

图7为本发明可组合移动机器人直流无刷电动机模块控制结构框图；

图8为本发明可组合移动机器人位置式PID控制流程图；

图9为本发明可组合移动机器人越障过程示意图。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明，需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号，附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“顶”、“底”、“左”、“右”、“前”、“后”等，仅是参考附图的方向，并非用于限制本发明的保护范围。

如图1-9所示，一种小型可组合移动机器人，包括：电源系统、工控机、STM32底盘系统、遥控器收发模块、直流无刷电机模块、无线自组网模块、辅助轮起落架舵机模块、机器人俯仰舵机模块、落锁模块。

可组合移动机器人底盘由遥控器模块、跟踪微分器模块、电机编码器模块、PID控制模块、主从控制模块、上位机与底盘数据解析的ROS节点组成。

实施例1：可组合移动机器人运动模型的构建

如图1所示，本发明可组合移动机器人为两轮差速驱动，其底部后方两个同构驱动轮的转动为其提供动力，前方的随动轮起支撑作用并不推动其运动，定义其左右驱动轮的中心速度分别为V_L,V_R。理想情况下即为左右轮转动时做圆周运动的线速度。该值可以通过电机驱动轮子转动的角速度ω_L, ω_R和驱动轮半径r求得，即：

令两驱动轮中心连线的中点为机器的基点C(x,y)，机器的瞬时线速度为V，瞬时角速度ω，姿态角θ(即为V与X轴夹角)。此时，机器位姿信息可用矢量P＝[x,y,θ]^T表示。机器人瞬时线速度为V 可以表示为：

令左右轮间距为D＝2d，且机器瞬时旋转中心为O_c，转动半径即为C到O_c的距离R。机器在做同轴(轴为左右轮到O_c连线)圆周运动时，左右轮及基点所处位置在该圆周运动中的角速度相同ω_L＝ω_R＝ω，到旋转中心的半径不同，有：

则机器的瞬时角速度ω可以表示为：

联立两式，利用V_R和V_L求出机器转动半径：

如图2所示，差速驱动方式，即V_L和V_R间存在的速度差关系决定了其具备不同的三种运动状态，当V_L＞V_R时，机器做圆弧运动；当V_L＝V_R时，机器做直线运动；当V_L＝-V_R时，机器以左右轮中心点做原地旋转。

通过上述的运动分析，在驱动轮与地面接触运动为纯滚动无滑动情况下，机器的运动学模型可以表示为：

实施例2：可组合移动机器人多模式控制的实现与切换

如图3所示，可组合移动机器人由遥控器切入主从控制模块后，多个可组合移动机器人可切换成一个主机，剩余的全为从机。主机只能进入上位机模式或独立遥控模式，并且会通过无线自组网模块不断发布自身的速度信息。从机可再由其对应遥控器切换进入上位机模式或独立遥控模式或跟从模式。在上位机模式下，可组合移动机器人接收上位机发布的速度信息；在独立遥控模式下，可组合移动机器人接收遥控器的速度信息；在跟从模式下，从机可组合移动机器人接收主机可组合移动机器人发布的速度信息。由于遥控器速度信号存在毛刺，故对其进行跟踪微分处理。在接收到速度信息后，进入PID控制模块，并将PID控制模块的输出送入电机。反馈通道由电机编码器和中值滤波器组成。

实施例3：可组合移动机器人遥控模块的控制实现

如图4所示，A1、当人控制遥控器拨杆发射相应数据时，发射器一直处于一定频率发射信号的状态；A2、STM32底盘系统在初始化串口后开启DMAR接收功能，以一定的频率接收发射器发出的信号；A3、经过DMA的数据接收功能，将从外设接收的数据放入内存中，等待串口中断提示，并进行数据处理；A4、数据处理完成后清空DMA，重新等待数据进入。

实施例4：跟踪微分器的改进

由于遥控器信号会存在许多尖锐的毛刺，为了便于实际系统实时跟踪和过滤高频噪声，在此引入跟踪微分器。在一般的控制系统中，误差会直接表示成e＝v-y(v为设定值，y为系统输出)。这种情况下往往使初始误差很大，容易引起超调。因此，可以根据对象的不同，选取合适的过渡过程v₁(t)，将误差变成e＝v₁(t)-y，这样就解决了快速性和超调之间的矛盾。跟踪微分器就是用以产生v₁(t)及其微分信号

的。令x₁＝v₁，/>

输入量为u。则可得：

离散实现形式为：

其中T为采样时间。

为了能使v₁(t)尽可能对应输入，采用fst函数，即快速控制最优综合函数，使u＝fst(x₁-v,x₂,r,h)。此函数是一个非线性函数，其中v为输入信号，r为速度因子，h为滤波因子。令e＝x₁-v，得：

/>

其中，d＝r·h；d₀＝h·d；z＝e+h·x₂；

因此，改进跟踪微分器的形式为：

此时，r越大，跟踪速度越快，但太大会使其与原信号重叠。h越小，滤除噪声效果越强，一般取0.001～0.1。

实施例5：主从控制模块的控制实现

如图5-6所示，主从控制模块的无线数据传输由Mesh无线自组网数传模块实现。Mesh无线自组网模块能通过射频无线连接方式组成一个网状网络的通讯模块。网络中的任何一个节点都具有路由功能，可以自动路由，其通讯方式遵从UART接口通讯协议。

主从控制模块的数据发送和接收具体实现：

B1、主从控制模块将可组合移动机器人设置为主机和从机，并通过遥控器模块进行主从切换；

B2、主机的无线数传模块将当前状态信息发送至从机；

B3、从机定时触发串口中断，通过中断服务函数将无线数传模块接收到的主机发送的数据解析并存入指定区域，以便从机主函数将其发送给电机。

实施例6：可组合移动机器人电机及PID控制模块的控制实现

如图7所示，可组合移动机器人的直流无刷电机模块包括三相直流无刷电机(含编码器)、电机调速器和CAN总线模块。电机转速通过控制板的轮速PID控制器的输出信号来控制。电机模块采用CAN总线指令控制，用CAN信号线连通控制板和电机调速器，再将电机调速器与电机相连，可实时读取电机转子位置、转速、温度等状态信息。

如图8所示，PID控制模型及流程具体为：轮速PID控制器采用位置式PID算法，其输出与整个过去的状态有关，用到了误差的累加值。PID控制器的微分方程为：

式中：e(t)——给定值与被控变量的偏差；

K_P——比例系数；

T_I——积分时间常数；

T_D——微分时间常数；

t——从开始进行调节到输出当前控制量所经过的时间间隔；

u₀——PID调节开始前瞬间，执行器的输入控制信号。

对上式两边分别进行拉普拉斯变换可得PID控制器的传递函数为：

由上式可得：

比例项：u_p(t)＝K_pe(t)

积分项：

微分项：

对上述公式离散化可得位置式PID控制在当前采样时刻输出至执行器的控制量计算式为：

式中：u(k)——当前采样时刻输出的控制变量；

T——采样周期；

u₀——PID调节开始前的瞬间，执行器的输入控制信号。

实施例9：可组合移动机器人的爬楼过程演示

如图9所示，可组合移动机器人1轮接触垂直梯面，俯仰机构举起前置单元，可组合移动机器人调整俯仰机构，使轮1、2、3处于直线支撑状态；可组合移动机器人1轮上楼，2轮悬空，2轮开始接触垂直梯面，1、2、3轮同时接触水平梯面；1、2轮完成爬楼，3轮接触水平梯面，3轮开始接触垂直梯面，完成爬楼任务。

本发明对一种小型可组合移动机器人及其混合控制方法进行了详细介绍。具体实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种小型可组合移动机器人，其特征在于，包括：电源系统、工控机、STM32底盘系统、遥控器收发模块、直流无刷电机模块、无线自组网模块、辅助轮起落架舵机模块、机器人俯仰舵机模块、落锁模块，可组合移动机器人底盘由遥控器模块、跟踪微分器模块、电机编码器模块、PID控制模块、主从控制模块、上位机与底盘数据解析的ROS节点组成，所述遥控器模块由发射器和接收器组成，并采用DMA中断接收数据的方式进行数据处理，所述遥控器模块的数据处理具体实现如下：

A1、当人控制遥控器拨杆发射相应数据时，发射器一直处于一定频率发射信号的状态；

A2、STM32底盘系统在初始化串口后开启DMAR接收功能，以一定的频率接收发射器发出的信号；

A3、经过DMA的数据接收功能，将从外设接收的数据放入内存中，等待串口中断提示，并进行数据处理；

A4、数据处理完成后清空DMA，重新等待数据进入；

其中还包括：可组合移动机器人运动模型的构建

定义左右驱动轮的中心速度分别为V_L,V_R，通过电机驱动轮子转动的角速度ω_L,ω_R和驱动轮半径r获得：

令两驱动轮中心连线的中点为机器的基点C(x,y)，可组合移动机器人的瞬时线速度为V，瞬时角速度ω，姿态角θ即为V与X轴夹角，机器位姿信息可用矢量P＝[x,y,θ]^T表示，可组合移动机器人瞬时线速度为V可以表示为：

令左右轮间距为D＝2d，且可组合移动机器人瞬时旋转中心为O_c，转动半径即为C到O_c的距离R，可组合移动机器人在做同轴圆周运动时，左右轮及基点所处位置在该圆周运动中的角速度相同ω_L＝ω_R＝ω，到旋转中心的半径不同，有：

则可组合移动机器人的瞬时角速度ω可以表示为：

联立两式，利用V_R和V_L求出可组合移动机器人转动半径：

差速驱动方式，即V_L和V_R间存在的速度差关系决定了其具备不同的三种运动状态，当V_L＞V_R时，可组合移动机器人做圆弧运动；当V_L＝V_R时，可组合移动机器人做直线运动；当V_L＝-V_R时，可组合移动机器人以左右轮中心点做原地旋转；通过上述的运动分析，在驱动轮与地面接触运动为纯滚动无滑动情况下，可组合移动机器人的运动学模型可以表示为：

PID控制模型及流程具体为：轮速PID控制器采用位置式PID算法，其输出与整个过去的状态有关，用到了误差的累加值，PID控制器的微分方程为：

式中：e(t)——给定值与被控变量的偏差；

K_P——比例系数；

T_I——积分时间常数；

T_D——微分时间常数；

t——从开始进行调节到输出当前控制量所经过的时间间隔；

u₀——PID调节开始前瞬间，执行器的输入控制信号；

对上式两边分别进行拉普拉斯变换可得PID控制器的传递函数为：

由上式可得：

比例项：u_p(t)＝K_pe(t)

积分项：

微分项：

对上述公式离散化可得位置式PID控制在当前采样时刻输出至执行器的控制量计算式为：

式中：u(k)——当前采样时刻输出的控制变量；

T——采样周期；

u₀——PID调节开始前的瞬间，执行器的输入控制信号。

2.根据权利要求1所述的一种小型可组合移动机器人，其特征在于，所述跟踪微分器为改进型跟踪微分器，具体实现如下：

据对象的不同，选取合适的过渡过程v₁(t)，将误差变成e＝v₁(t)-y，令x₁＝v₁，

输入量为u，则：

离散实现形式为：

其中T为采样时间；

使v₁(t)与输入精准对应，采用fst函数，即快速控制最优综合函数，使u＝fst(x₁-v,x₂,r,h)，此函数是一个非线性函数，其中v为输入信号，r为速度因子，h为滤波因子；

令e＝x₁-v，得：

其中，d＝r·h；d₀＝h·d；z＝e+h·x₂；

改进型跟踪微分器为：

h取值范围为0.001～0.1。

3.根据权利要求1所述的一种小型可组合移动机器人，其特征在于，所述可组合移动机器人设置有上位机模式、独立遥控模式、跟从模式；

在上位机模式下，可组合移动机器人接收上位机发布的速度信息；

在独立遥控模式下，可组合移动机器人接收遥控器的速度信息；

在跟从模式下，从机可组合移动机器人接收主机可组合移动机器人发布的速度信息。

4.根据权利要求3所述的一种可组合移动机器人，其特征在于，可组合移动机器人的遥控器模块可切入主从控制模块，将多个可组合移动机器人切换成一个主机其余全为从机，主机只能进入上位机模式或独立遥控模式，并且通过无线自组网模块不断发布自身的速度信息。

5.根据权利要求4所述的一种小型可组合移动机器人，其特征在于，所述主从控制模块的数据发送和接收的具体实现如下：

B1、主从控制模块将可组合移动机器人设置为主机和从机，并通过遥控器模块进行主从切换；

B2、主机的无线数传模块将当前状态信息发送至从机；

B3、从机定时触发串口中断，通过中断服务函数将无线数传模块接收到的主机发送的数据解析并存入指定区域，以便从机主函数将其发送给电机。

6.根据权利要求1所述的一种小型可组合移动机器人，其特征在于，可组合移动机器人底盘系统还设置有反馈通道，所述反馈通道由电机编码器模块与中值滤波器组成。

7.根据权利要求1所述的一种小型可组合移动机器人，其特征在于，所述直流无刷电机模块包括：三相直流无刷电机、电机调速器和CAN总线模块，所述三相直流无刷电机转速通过PID控制模块实现实时控制，并通过CAN总线模块实现指令控制。

8.根据权利要求1所述的一种小型可组合移动机器人，其特征在于，还包括一种小型可组合移动机器人越障控制方法：

可组合移动机器人面对具有坡度或梯度的障碍物时，以迎面角45°为触发条件，判断通过性；

可组合移动机器人通过视觉检测获得障碍物参数信息，并根据可组合移动机器人车轮几何参数获得准确迎面角；

根据迎面角参数信息，可组合移动机器人通过机器人俯仰舵机模块对机器人结构进行调整；

通过主从控制模块实现主从可组合移动机器人的实时形态组合，完成越障。

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