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1、移动机器人控制系统的设计 王云磊 祁宇明 丁大宝 天津职业技术师范大学机器人及智能装备研究所 天津博诺智创机器人技术有限公司 摘 要： 对移动机器人的控制系统进行设计, 利用 LabVIEW 编写程序, 并对整个程序进行整合及优化。采用 myRIO 作为移动机器人的控制器, 使其能够完成物体的夹持、全向移动和颜色的识别等功能。关键词： 移动机器人; 控制系统; myRIO; 作者简介：王云磊 (1993-) , 男, 河北辛集人, 在读硕士研究生, 研究方向为智能机器人及其应用技术。收稿日期：2017-07-13基金：国家科技支撑计划课题 (2015BAK06B04) Design of Mo
2、bile Robot Control SystemWANG Yun-lei QI Yu-ming DING Da-bao Institute of Robotics and Intelligent Equipment, Tianjin University of Technology and Education; Tianjin Bonus Intelligent Creative Robotics Technology Co., Ltd.; Abstract： The control system of mobile robot is designed, the program is wri
3、tten by LabVIEW, and the whole program is integrated and optimized.myRIO is used as the controller of mobile robot, so that it can perform the functions of clamping, omnidirectional movement and color recognition of the object.Keyword： mobile robot; control system; myRIO; Received： 2017-07-130 引言移动机
4、器人是机器人领域的重要分支, 在当今的工业生产以及社会服务中发挥着重要的作用, 它既可以代替人类从事繁重的体力劳动, 也可以代替人类在复杂恶劣的环境中从事探索和作业, 因此移动机器人的发展对人类有着非常重要的意义。本文研究的移动机器人采用 myRIO 作为控制器, 借助直流电机、舵机、光电开关、麦克纳姆轮、超声波传感器等元器件及其相关的机械结构, 实现移动机器人的物体颜色识别、夹取及搬运等一系列动作。设计移动机器人的控制系统, 使其能够完成物体的夹持、全向移动、颜色的识别等功能, 并利用 LabVIEW 编写程序, 然后对各功能的程序进行整合以及优化, 完成整个程序的设计。1 移动机器人夹持机
5、构方案设计移动机器人的夹持部分实现的功能为夹取不同高度的盒子, 因此该机构分为升降机构与夹取机构。升降机构主要由升降电机、丝杠螺母机构、限位光电开关以及相应的固定连接件组成;夹取机构主要由舵机、齿轮齿条机构、直线导轨机构、手爪以及相应的固定连接件组成。夹持机构机械结构如图 1 所示。移动机器人的夹持动作流程如图 2 所示。其中升降机构完成升降机构的复位以及手爪到达指定高度两步, 夹取机构完成手爪张开以及手爪闭合两步。升降机构复位是指升降电机 (升降电机为带编码器的直流电机) 转动带动丝杠螺母机构工作, 从而带动整个夹取机构向下运动并到达限位光电开关的位置, 此时编码器的值归零, 进行复位操作。
6、当复位操作完成以后, 就可以给编码器一定的脉冲值, 使夹取机构到达规定的高度。在此使用带编码器的直流电机, 目的是为了控制升降机构到达指定的高度, 当零点确定以后, 编码器的码盘值便与高度确定了一定的数学关系。为了完成移动机器人手爪张开与手爪闭合的动作, 需将舵机转动一定的角度, 利用齿轮齿条机构将舵机的旋转运动转化为直线运动, 并通过直线导轨机构将直线运动传递给手爪。采用 180角度舵机进行控制, 当给舵机发送一个占空比为 01 的 PWM 信号时, 便可使得舵机转过一定的角度, 通过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。图 1 夹持机构机械结构 下载原图图 2 夹持动作流程
7、下载原图2 移动机器人行走方案设计移动机器人的行走主要是由 4 个直流电机驱动麦克纳姆轮实现。使用麦克纳姆轮可以使得移动机器人完成任意方向的移动和自转, 实现机器人的全向移动。麦克纳姆轮的安装方式有多种, 本设计采用 O-长方形的常用安装形式, 该方式能够使机器人的移动更加稳定。麦克纳姆轮的安装方式如图 3 所示。图 3 麦克纳姆轮的安装方式 下载原图由于麦克纳姆轮 4 个轮子的速度存在约束关系, 因此必须精确地控制每个轮子的速度, 否则会导致辊子与地面发生摩擦, 不仅会使得底盘运动异常, 还会减少麦克纳姆轮的寿命, 所以必须使用带编码器的电机。为了使移动机器人实现全向移动, 需要控制每个轮子
8、的转动方向以及速度, 并配合完成移动机器人的移动。表 1 为移动机器人实现全向移动需要麦克纳姆轮完成的配合动作, 使用常用的轮毂轴与辊子轴成 45的麦克纳姆轮。表 1 麦克纳姆轮转动方向与机器人移动关系 下载原表 3 移动机器人颜色识别模块的设计移动机器人的颜色识别模块首先是由摄像头采集到物体的信息, 并将物体的信息反馈给控制器, 由控制器进行运算处理后识别出物体的颜色, 进而控制移动机器人进行相应的动作。根据项目要求, 机器人需要识别红、白、黄、黑 4 种颜色的盒子。使用一款摄像头对盒子进行拍照, 并将照片放入到机器视觉开发与应用软件 (以下称Vision Assistant) 中进行处理,
9、 处理完成后该软件可自动生成 LabVIEW 程序框图, 生成的程序框图包含了 NI Vision Assistant 建模时一系列操作的相同功能。当将图片导入到 Vision Assistant 中后, 首先应将图片由彩色图转化为二值图像, 然后选取图片中盒子区域中的 4 个位置, 如图 4 所示提取其中的灰度值信息。图 4 Vision Assistant 中处理图片 下载原图完成上述步骤后, 便可以在 Vision Assistant 中生成一个虚拟仪器模块 (简称vi) , 可以在 LabVIEW 中直接调用, 完成物体颜色的识别, 并将物体颜色的信息存储到一个数组中。通过求取 4 个
10、区域中灰度值的平均值就可以得到这张图片的灰度值信息。分别提取 4 张图片中的灰度值信息, 通过灰度值的不同可以区分出红、白、黄、黑 4 种颜色。利用 LabVIEW 的数据处理功能提取出物体的灰度值信息, 通过比较识别出物体的颜色。生成的 LabVIEW 程序以及相应的比较程序如图 5 所示。4 控制器的选择及程序整体设计为了完成移动机器人整体的控制, 需要对数字量、模拟量以及视频进行处理, 本文采用嵌入式开发平台 myRIO 作为移动机器人的控制器, myRIO 内嵌的芯片可以让编程人员利用 ARM Cortex-A9 的实时性能以及 Xilinx FPGA 可定制化I/O 进行程序的编写,
11、 方便移动机器人程序的修改以及后期对移动机器人控制系统的升级。图 5 生成的 LabVIEW 程序以及相应的比较程序 下载原图当完成移动机器人单个功能的调试以后, 便可以将各功能整合到一起, 实现移动机器人的移动、物体颜色的识别以及物体的夹取。LabVIEW 提供了 3 种程序结构, 包括循环结构、分支结构和顺序结构。移动机器人的程序编写使用LabVIEW 中提供的公式节点功能, 在公式节点中编写程序与循环结构、分支结构以及顺序结构的配合使用, 可以将各功能的程序进行整合, 就可以对结构中的输入量和输出量进行编辑。公式节点可以将一些复杂的 LabVIEW 程序计算通过 C 语言表达出来, 达到
12、简化程序的目的。公式节点结构如图 6 所示。图 6 公式节点结构 下载原图5 结语完成了移动机器人控制系统的设计, 实现了物体的夹持、全向移动、颜色的识别等功能。移动机器人的夹持机构设计采用夹板式, 实验验证可以对100mm200mm 宽度的物体进行有效夹持;行走机构采用带编码器的直流电机驱动麦克纳姆轮完成, 可以实现移动机器人的全向移动;颜色识别模块使用摄像头采集物体颜色, 通过分辨物体的灰度值, 区别出红、白、黑、黄 4 种颜色;本文采用了 myRIO 作为控制器, LabVIEW 作为编程软件。参考文献1胡同.四轮独立驱动和转向移动机器人的设计与控制D.合肥:合肥工业大学, 2015:5-18. 2杨淦.基于无线网络控制的移动机器人设计D.天津:河北工业大学, 2014:33-45. 3欧屹.特种地面移动机器人机械系统设计与分析D.南京:南京理工大学, 2012:15-20. 4祖莉, 王华坤.智能移动机器人运动控制系统及算法的设计J.机器人技术与应用, 2002 (5) :39-42.
