割草機器人系統(tǒng)設計

1、割草機器人的控制系統(tǒng)設計 思路概述 1 常用割草導航方法 2 基于GPS的導航方法 3 如何實現(xiàn)GPS導航 4 割草機器人的運動控制系統(tǒng) 5 PID控制原理分析，參數的確定 6 PID控制的硬件實現(xiàn)與編程 基于傳感器的導航方法 機器人智能化避障效果的好壞主要取決于機器人 的用于感知識別外部環(huán)境的外部傳感器系統(tǒng)。 1 障礙物距離檢測傳感器 其中主要包括:紅外測距 傳感器，超聲波測距傳感器，激光測距傳感器以 及其它可見光測距傳感器等用于判斷障礙物的有 無或測取障礙物的距離,適合一般的控制用 2 視覺傳感器 本質上即為可安裝在機器人上的一 類特殊用途的圖像處理傳感器,用于障礙物距離檢 測障礙物邊緣檢

2、測以及障礙物圖像識別等,適用于 更高一級的控制用 GPS在割草機器人中的應用 1 GPS技術簡介 2 割草機使用的定位方式 3 硬件設備 4 軟件環(huán)境 什么是GPS，怎么運用GPS 全球定位系統(tǒng),由GPS衛(wèi)星(空間部分)地面支持系 統(tǒng)(地面監(jiān)控部分)和GPS接收機(用戶部分)組成 GPS接收機就是利用空間的GPS衛(wèi)星發(fā)送的精確 的時間和位置信息來進行定位,該系統(tǒng)可以提供地 球上所有點的三維坐標。由此可以實現(xiàn)探知草坪 邊界，草坪中障礙的定位與回避。 美國國防部利用GPS提供的導航數據于軍事目的, 同時也控制著該系統(tǒng). 盡管GPS系統(tǒng)主要用于軍事目的,但是它在民用等 領域的價值不斷得以發(fā)展,因此G

3、PS衛(wèi)星發(fā)送兩種 代碼:一種只為軍方所使用的加密PPS碼(也稱P碼), 另外一種為民用的標準定位服務代碼SPS碼(也稱 CA/碼) GPS定位方式 GPS定位方式主要有單點定位方式和差分定位方 式 其中差分定位可消除影響定位精度的大部分測距 誤差。目前，單點定位精度可提高到20米,但差分 定位可以進一步消除電離層對流層等帶來的誤差, 可使定位精度進一步提高。 差分定位 通過在固定測站和流動測站上進行同步觀測，利 用在固定測站上所測得GPS定位誤差數據改正流 動測站上定位結果的衛(wèi)星定位。 根據差分GPS基準站發(fā)送的信息方式可將差分 GPS定位分為4類,即:位置差分,偽距差分,相位平滑 偽距差分,

4、相位差分 差分定位原理 這四類差分方式的工作原理是相同的。 即，基站接收到的GPS定位數據與自己的實際位 置數據作差分,得到誤差值,而在同一時刻被監(jiān)測的 載體所得到的GPS衛(wèi)星定位數據的誤差值與基站 得到的誤差值基本相同。由基站將這個誤差值發(fā) 送到被測載體,在該載體上對它接收到的GPS位置 數據與基站發(fā)送來的誤差值作差分,得到其位置的 真實(較精確)值,再把這個真實值發(fā)送給基站。 實時偽距差分定位 除在運動載體上安置有接收機外,還要求在一個己 知的基準點上安置一臺接收機,在載體運動過程中, 兩臺接收機同時跟蹤共視GPS衛(wèi)星,在基準點上比 較偽距觀測值和用基準點坐標計算的已知值,由此 確定偽距改

5、正值,利用數據通訊將偽距改正值實時 發(fā)送至運動接收機進行校正。這種方法像一般差 分法可以消除鐘差并顯著消除星歷誤差和大氣層 延遲誤差,定位精度目前可達分米級,給出的頻度可 超過每秒一次C/A碼差分定位精度比單點動態(tài)定 位可提高35% GPS動態(tài)定位 動態(tài)定位也稱運動定位,一般指接收機安裝在運動 載體（小車）上在運動中進行實時或非實時(事后 處理)定位。 動態(tài)定位是接收機載體在連續(xù)運動狀態(tài)下實現(xiàn)定 位 實現(xiàn)GPS定位的硬件設備 AgGPS132 GPS接收機 AS-RF型野外機器人 AgGPS132 為美國Trimble公司生產的12通道L波段衛(wèi)星差分 改正雙通道數字中頻信標GPS接受機。它集成

6、Ll 頻段GPS，衛(wèi)星差分和信標天線。其數據輸入/輸 出格式為:NMEA-0183輸出，TRCMSC104輸入。 差分位置精度為平面精度優(yōu)于1米RMS,跟蹤5顆衛(wèi) 星, 由Trimble-4000RS或同等基準站發(fā)送RTCM SC-104格式差分信號。接收機采用差分定位模式 時可以達到亞米級差分定位精度 AS-RF型野外機器人 AS-RF型野外機器人為上海上海廣茂達伙伴機器人有限公 司生產的面向教 學，研究，比賽和訓練的電動履帶式移動機器人,其外形 尺寸為770巧50 x440(長x寬x高),最大負載能力為60Kg,采 用24V1200Wh鎳氫電池供電。履帶左右主驅動輪分別采 用150W直流電

7、機驅動,驅動控制方式為PWM控制,帶方向 和使能信號,轉向方式為左右履帶差速轉向,其運行最大速 度為.09米/秒,最大爬坡能力為50%grdae(30),越障高度 為95厘米,跨溝寬度為30厘米。 控制程序以微軟VC+6.0為平臺編制,內建的庫函數包括 運動控制，網絡控制，基本圖象處理，語音采集，AD采 樣，測距，多路圖象采集及處理和語音識別控制程序。我 們可以調用這些庫函數來實現(xiàn)機器人的控制開發(fā)功能。 具體軟件實現(xiàn) 1 割草機器人相關運行參數的確定 根據割草機構設計者提出的要求,確定割草機器人 的運行速度 2 編制GPS接收機的數據接收的VisualC+程序 AgGPS132通過串口輸出NM

8、EA一0183格式的數 據信號,利用visualC+編制GPS接收機的數據接 收的程序并且實現(xiàn)與Access數據庫鏈接儲存定位 數據 3 建立GPS誤差模型 利用AgGPs132型接收機采集試驗地點定點靜態(tài)定 位數據并對數據進行分析處理,建立GPS誤差模型 4 確定地塊試驗的路徑 5 建立GPS卡爾曼濾波模型 割草機器人的運動學控制 主要包括對割草機器人的控制變量v和的控制 即割草機器人直線行駛v，原地轉向 電機將軸的旋轉運動輸入到齒輪箱,然后齒輪箱的 輸出軸控制輪子轉動,從而驅動整個機器人的運動 機器人的轉向通過左右履帶的差速運動來實現(xiàn) 同時每個電機帶有一個光電編碼器, 兩個電機分別 由兩個

9、電機驅動器驅動 光電編碼器和電機的驅動器分別接入運動控制卡 運動控制卡輸出信號給電機驅動器,同時可以讀取 光電編碼器的反饋值,實現(xiàn)各種閉環(huán)控制 4 PID控制原理分析 PID，就是對輸入偏差進行比例積分微分運算， 運算的疊加結果去控制執(zhí)行機構。 P 比例環(huán)節(jié) I 積分環(huán)節(jié) D 微分環(huán)節(jié) PID的參數的確定 比例環(huán)節(jié) KP 積分環(huán)節(jié) KI 微分環(huán)節(jié) KD （1）對系統(tǒng)的動態(tài)性能 影響：Kp加大，將使系統(tǒng) 響應速度加快，Kp偏大時 ，系統(tǒng)振蕩次數增多，調 節(jié)時間加長；Kp太小又 會使系統(tǒng)的響應速度緩慢 。Kp的選擇以輸出響應產 生4:1衰減過程為宜。 （2）對系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能影響：在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提

10、下，加大Kp可以減少穩(wěn)態(tài)誤差，但不能消除穩(wěn)態(tài)誤差 。因此Kp的整定主要依據系統(tǒng)的動態(tài)性能。 由圖中可以看出，系統(tǒng)響應較快 ，滿足系統(tǒng)的要求，但是穩(wěn)態(tài)誤 差較大，需要引入積分環(huán)節(jié)，進 行PI調節(jié)。 2 4 ( ) 1.5 4 Gs ss 積分控制通常和比例控制 或比例微分控制聯(lián)合作用 ，構成PI控制或PID控制。 （1）對系統(tǒng)的動態(tài)性能影 響：對于合適的 值 ，可以減小系統(tǒng)的超調量 ，提高了穩(wěn)定性，引入積 分環(huán)節(jié)的代價是降低系統(tǒng) 的快速性。 （2）對系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能影響： 積分控制有助于消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài) 誤差，提高系統(tǒng)的控制精度， 但若 太大，系統(tǒng)可能會產生 震蕩，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 I K I K

11、由圖可以看出， 系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤 差已經達到要 求，但是系統(tǒng) 的超調量較大， 震蕩次數較多， 調整時間較長， 需要引入微分 環(huán)節(jié)，進行PID 調節(jié) （1）對系統(tǒng)的動態(tài)性能影 響：微分系數 的增加即微 分作用的增加可以改善系 統(tǒng)的動態(tài)特性，如減少超 調量，縮短調節(jié)時間等。 適當加大比例控制，可以 減少穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制 精度。但 值偏大或偏小 都會適得其反。另外微分 作用有可能放大系統(tǒng)的噪 聲，降低系統(tǒng)的抗干擾能 力。 （2）對系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能影響： 微分環(huán)節(jié)的加入，可以在誤差 出現(xiàn)或變化瞬間，按偏差變化 的趨向進行控制。它引進一個 早期的修正作用，有助于增加 系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 D K D K 由圖可以

12、看出，系統(tǒng)的超 調量小于2，調整時間小 于0.2s,穩(wěn)態(tài)誤差小于誤差小于5， 很好的滿足很好的滿足了系統(tǒng)的要求 整定方法臨界比例度法 步驟：步驟：（1）先去除PID控制器中的積分與微分作用，取比 例增益KC較小值，并投入閉環(huán)運行； （2）將KC由小到大變化，對應于某一KC值作小幅度的 設定值階躍響應，直至產生等幅振蕩； （3）設等幅振蕩時振蕩周期為Tcr、控制器增益Kcr ，再 根據控制器類型選擇以下PID參數。 控制規(guī)律KcTiTd P0.5Kcr PI0.45Kcr0.83Tcr PID0.6Kcr0.5Tcr0.12Tcr 傳統(tǒng)的PID經驗調節(jié)大體分為以下幾步： 1 關閉控制器的I和D元件，加大P元件，使產 生振蕩。 2 減小P，使系統(tǒng)找到臨界振蕩點。 3 加大I， 使系統(tǒng)達到設定值。 4 重新上電，觀察超調、振蕩和穩(wěn)定時間是否 符合系統(tǒng)要求。 5 針對超調和振蕩的情況適當增加微分項。 硬件實現(xiàn) 硬件類型 PLC PLC型號 三菱FX2N 特點豐富的軟元件應用指令：簡單指令、高速處 理指令、輸入過濾常數可變，中斷輸入處理，直 接輸出等。便利指令數字開關的數據讀取，數據 處理、數據檢索、數據排列、三角函數運算、平 方根、浮點小數運算等。特殊用途、脈沖輸出， 脈寬調制，PID控制指令等 PID的實際應用 PID控制器的參數必須根據工程問題的具體要求來考 慮。在工