智能機器人實驗二

1、實驗二智能機器人控制技術的研究一實驗目的1熟悉機器人控制系統(tǒng)的組成與與相關控制技術。2熟悉輪式移動機器人運動控制系統(tǒng)的組成與控制方法。3. 熟悉PID控制、模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡控制算法的基本原理及其在智能機器人控制中的應用。二實驗基本理論機器人與計算機相區(qū)別的一個重要特征，就是機器人能夠運動。而運動就必須有動力部件，以及由這些動力部件驅動的結構。因此，合理選擇和設計運動系統(tǒng)是移動機器人設計中一項基本而重要的工作。通常，運動系統(tǒng)是由移動機構和驅動系統(tǒng)組成的，它們在控制系統(tǒng)的控制指揮下，完成各種移動動作?！拔磥碇恰睓C器人控制系統(tǒng)結構如圖 6 所示。其中，控制系統(tǒng)主板是控制系統(tǒng)的核心。運動控制卡和M

2、ultiFLEX 控制器又是主板上最重要的控制設備。圖 6 “未來之星”控制系統(tǒng)結構框圖運動控制卡主要有兩方面的功能：（1）接收上位機的指令，并將其轉化為驅動器的控制指令，控制兩組驅動器和電機執(zhí)行上位機要求的運動。（2）通過IIC 總線查詢陀螺儀和傾角計傳感器的數(shù)據(jù)信息，并做基本PID 運算；接收上位機的導航控制指令，結合姿態(tài)傳感器的姿態(tài)信息做相應的運算并控制兩組驅動器和電機閉環(huán)執(zhí)行預定的軌跡運動。MultiFLEX 控制器是“未來之星”機器人的核心控制器，是一個模塊化的機器人控制卡。同時，MultiFLEX 是一塊公開電路圖、公開源程序的控制卡。用戶可以根據(jù)這些資源，自行為它開發(fā)針對某個特定

3、機器人的程序，使MultiFLEX 具有決策能力。MultiFLEX 控制卡上的有多種輸入輸出接口，在“未來之星”上主要用于簡單傳感器信息的采集和處理，舵機和電機的運動控制。在 “未來之星”的系統(tǒng)架構中，最底層的運動/控制執(zhí)行層包括電機伺服控制器，舵機控制器等。MultiFLEX 控制卡搭載在機器人的總線上，當作一個控制執(zhí)行節(jié)點來使用?？刂茍?zhí)行層接受來自上層的控制指令，處理大量高速原始數(shù)據(jù)，并用簡單的算法完成對執(zhí)行器的自動控制，以及對傳感器的有效讀取，并把信息傳遞給上層。MultiFLEX 控制卡的外觀和卡上的接口說明如下圖所示：圖 7 MultiFLEX 控制卡的外觀圖卡上的各種接口說明如下

4、：A: 電源接口,+5-6V 電源 (J6)(1.0a 之后版本的控制卡使用同軸電源插座，極性為內(nèi)正外負)MultiFLEX 控制卡使用5-6V 的直流電源。至少要求5A 的電流輸出能力。B: 控制板總線接口 (J8)MultiFLEX 控制卡支持博創(chuàng)科技的標準總線，可以作為功能模塊安裝在博創(chuàng)科技的所有機器人產(chǎn)品上使用。具體使用方法請參考“MultiFLEX 控制卡數(shù)據(jù)手冊”。C: 4 路電機接口M1-M4 (J7)4路PWM 電機驅動輸出。最大允許電流2A，最高輸出電壓為供電電壓?？梢灾С指鞣N小型直流有刷電機。D: RS-232 串口(J5)友迅達（FriendCOMM）標準的5 針RS-2

5、32 串行口。標準RS-232 電平。需要在這里插入232 通訊電纜。E: 7 路模擬輸入接口 AD0-AD6 (J2)ADC 輸入口允許輸入05V 模擬信號，在MultiFLEX 控制卡中可以轉換為數(shù)字信號。主要用于一些模擬電壓輸出的傳感器信號采集。其中靠近電路板內(nèi)側是信號輸入線(對應圖上字母S。需要注意輸入最低電壓0V，最大電壓為MultiFLEX 控制卡的電源電壓，即56V)，中間是電源（56V，對應圖上“+”號），外側是地線（GND，對應圖上“-”號）F: 12 路PWM 舵機控制 PW0PW11（CH0CH11）(J4)12 路舵機的控制接口被分成了四組。這是為了避免各個接口的接插件

6、之間干涉。舵機的引線有三根，其中黃色是信號線(對應圖上字母S，靠近電路板內(nèi)側)，橙色是電源（56V，對應圖上“+”號），棕色是地線（GND，對應圖上“-”號）G: 16 路數(shù)字I/O IO0-IO15 (J1,J3)16 路數(shù)字I/O 可以在UP-MRcommander 軟件中被配置為輸入或者輸出。如果配置為輸入，每個I/O 口能采集加在其上的電壓是高電平（1）還是低電平（0），主要用于檢測開關、按鈕、紅外傳感器等的狀態(tài)。如果配置為輸出，每個I/O 口可以輸出高低電平（高電平為電源電壓，低電平為0V），可以用于驅動LED、微型電機等器件。其中靠近電路板內(nèi)側是信號輸入線(對應圖上字母S。需要注意

7、輸入最低電壓0V，最大電壓為MultiFLEX 控制卡的電源電壓，即56V)，中間是電源（56V，對應圖上“+”號），外側是地線（GND，對應圖上“-”號）。H: AVR 單片機在線編程接口(J6)MultiFLEX 控制卡使用AVR ATMega128 微控制器作為處理器，這款處理器具備在線編程（ISP）功能。使用ICCAVR、WINAVR 等PC 機上的C 語言編譯環(huán)境交叉編譯好的二進制文件可以通過該接口下載到處理器內(nèi)置的FLASH 存儲器中運行。I: 控制卡功能選擇撥碼開關(S1)H的上方即是控制卡功能選擇撥碼開關。撥碼開關共有8 路，每一路撥到ON 位置為接通。l 第 1、2 路接通且

8、3、4 路斷開時使用RS232 串口與PC 機的UP-MRcommander 軟件通訊；當?shù)?，2 路斷開且3、4 路接通時，控制卡通過標準總線與上位機連接。我們在這里要使用的是第二種方式，即1、2 處于OFF 的位置，3、4 處于ON 的位置。l 第 5、6 路撥碼開關用來選擇通訊的波特率。5 路為低位，6 路為高位；撥碼開關接通代表0。波特率有以下幾種：編號: 6 5 : 對應波特率0/1 狀態(tài) 0 0 : 115200BPS0 1 : 38400 BPS1 0 : 19200 BPS1 1 : 9600 BPSl 第 7 路撥碼開關用于選擇開機狀態(tài)。當為ON時開機自動執(zhí)行控制卡中上次保存

9、的指令，當為OFF 時待機，等待控制命令。l 第 8 路暫時保留未用，為以后擴展功能使用。在出廠時，撥碼開關的默認值是：使用標準總線與上位機連接，波特率19200BPS。MultiFLEX 控制卡的主要數(shù)據(jù)如下表所示：項目 數(shù)據(jù) 說明型號 MultiFLEX 1.0長/寬/高 105/50/19mm 不含20pin 總線接口供電 4.86.5VDC 推薦4.86V。電壓超過6.5V 可能損壞！保護 過流保護反接保護長時間電源反接仍可能損壞。過流保護生效后，需重新上電才能工作靜態(tài)功耗 0.3W保護電流 68A 超過此電流后，自動切斷。約10 秒后才能再次工作。I/O 電平 低電平 < GN

10、D + 1.5V高電平 > VCC 1.5V數(shù)字通訊接口 RS-232 接口 TX，RX，GND 三線制數(shù)字量輸入/輸出 16 個，復用 GND/VCC/SIG 三線制（SIG 可以為輸入或輸出，在UP-MRcommander 軟件中配置）模擬量輸入 8個（其中一個已經(jīng)內(nèi)部使用） GND/VCC/SIG 三線制（SIG 為信號輸入）功率輸出 4個 M+，M- 兩線制，最大每通道2A舵機輸出 12個 GND/VCC/SIG 三線制（SIG 為信號輸出）擴展接口 20線總線接口 博創(chuàng)科技標準的總線接口?？梢酝ㄟ^該總線接口擴展其他外設。JTAG 功能 不支持ISP 功能 支持 GND/RST/

11、MOSI/MISO/SCK 五線，配套提供ISP 編程電纜無線通訊 支持 可選配無線通訊模塊，433MHz，19.2KBps三實驗平臺1. 系統(tǒng)結構實驗系統(tǒng)仍然采用博創(chuàng)公司的“未來之星”移動機器人平臺。依據(jù)各主要功能模塊的分層布置，“未來之星”機器人的內(nèi)部組裝結構從下往上依次如圖 8（a）-（d）所示。圖 8 “未來之星”機器人各主要功能模塊的分層布置運動層主要是能源和驅動部分?；A控制層安裝基本控制電路，主要有主板、MultiFLEX控制卡、運動控制卡、通訊板和接口。高級控制層上有LCD 及鍵盤模塊、嵌入式PC 系統(tǒng)、液晶屏模組、光敏溫敏傳感器等電路板。各層之間通過立柱互相固定。頭部安裝有攝

12、像頭和激光筆。激光筆主要用來和攝像頭配合使用，進行簡單的圖像激光測距。2. “未來之星”機器人控制系統(tǒng)硬件部分控制系統(tǒng)是機器人的核心，是機器人順利完成各項任務的基本保證?！拔磥碇恰睓C器人的控制主要涉及到頭部控制、手臂控制和運動控制。頭部的控制主要通過一個旋轉舵機來實現(xiàn)頭部轉動。手臂控制包括肩關節(jié)、肘關節(jié)、腕關節(jié)和指關節(jié)，左右手臂各具有5 個自由度。在運動控制部分，“未來之星”采用兩輪驅動，兩個直流伺服驅動器對兩個直流伺服電機進行閉環(huán)控制，能夠比較精確的控制機器的運動軌跡。結合帶陀螺儀和傾角計導航的運動控制卡，機器人可以實現(xiàn)精確的運動控制，有效地鎖定航向、自動補償和糾正因外力造成的運動偏差。在

13、演示軟件FStar 2.2.1 的基本控制頁面（如），我們可以看到上述三個部位的運動控制功能演示。有關電機方面的具體控制，在此不在贅述，請查閱相關資料。圖9 FStar 2.2.1 軟件系統(tǒng)的基本控制頁面軟件部分通過實驗一已經(jīng)了解到“未來之星”機器人的FStar 軟件平臺。從軟件系統(tǒng)的層次架構中，我們主要通過發(fā)送命令、解析命令到行為執(zhí)行來實現(xiàn)對機器人的控制。因此，我們必須熟悉各硬件設備與主機的通訊協(xié)議以及在軟件平臺上的行為控制接口函數(shù)。其中幾個重要的接口控制函數(shù)，列舉如下：SetBothMotorsSpeed 功能：同時發(fā)送左右兩側電機速度參數(shù)：Inleftspeed: int 類型，左側電機

14、速度Inrightspeed: int 類型，右側電機速度SetLMotorSpeed 功能：發(fā)送左側電機速度參數(shù)：Inleftspeed：int 類型，左側電機速度SetRMotorSpeed 功能：發(fā)送右側電機速度參數(shù)：Inrightspeed：int 類型，右側電機速度Brake 功能：剎車參數(shù)：無SetPIDpara 功能：設置鎖定航向PID 參數(shù)參數(shù)：pid1: UCHAR 類型，比例系數(shù)pid2：UCHAR 類型，積分系數(shù)pid3：UCHAR 類型，微分系數(shù)TurnLByGyro 功能：左轉（基于陀螺）參數(shù)：inangle: int 類型，要轉動的角度（真實角度的10 倍）inSp

15、eed：UCHAR 類型，轉動的速度（真實速度的1/100）LockDirection 功能：鎖定航向參數(shù)：cmd：UCHAR 類型，命令標志speed：UCHAR 類型，速度（實際速度的1/100）SetServeMotor 功能：設置伺服電機參數(shù)：inSpeed：int 類型，伺服電機速度ResetServe 功能：所有舵機復位參數(shù)：無SendArmData 功能：控制機械臂運動參數(shù)：angle：UCHAR 數(shù)組類型，機械臂舵機角度值speed：UCHAR 數(shù)組類型，機械臂舵機轉動時速度值WaveHead 功能：頭部轉動控制參數(shù)：angle：int 類型，要轉過的角度speed：UCHAR

16、 類型，轉動的速度四、實驗內(nèi)容在程序的對話框中添加按鈕控件基本控制“前進，后退，左轉，右轉，圓形”分別命名,接著為其添加類向導函數(shù)void CFstarTestDlg:OnForward() / TODO: Add your control notification handler code herem_Cmd.SetBothMotorsSpeed(200,200);/前進void CFstarTestDlg:OnTurnleft() / TODO: Add your control notification handler code herem_Cmd.SetBothMotorsSpeed(

17、-100,100);/左轉void CFstarTestDlg:OnTurnright() / TODO: Add your control notification handler code herem_Cmd.SetBothMotorsSpeed(100,-100);/右轉void CFstarTestDlg:OnBackward() / TODO: Add your control notification handler code herem_Cmd.SetBothMotorsSpeed(-200,-200);/后退void CFstarTestDlg:OnBrake() / TODO

18、: Add your control notification handler code herem_Cmd.Brake(1);/停止,2，圓形實現(xiàn)程序：void CFstarTestDlg:OnYx() / TODO: Add your control notification handler code here/clock_t start,finish; /clock_t start,finish;/ TODO: Add your control notification handler code here/m_Cmd.SetBothMotorsSpeed(200,350);/start=clock(); / while(1) m_Cmd.SetBothMotorsSpeed