轮式移动机器人运动控制技术研究

动机器人ｓＲ４；美国ＡｃｔｉｖＭｅｄｉａＲ０ｂ甜ｃｓ公司用于教学的Ｐ３．Ｄｘ轮式移动机器人；卡内基梅隆研发的Ｎｏｍａｄ移动机器人；美国国家航空航天局闻名遐迩的火星登陆车“勇气号”等。

图１．１ｓｍａｒｔＲｏｂｏｔｓ的ｓＲ４机器人图１．２Ｐ３．Ｄｘ机器人

图１．３Ｎｏｍａｄ轮式移动机器人图１．４“勇气号”火星登陆车

我国的机器人学研究起步较晚，但进步较快，己在工业机器人、特种机器人和智能机器人各个方面都取得了显著成绩。在“七五”期间，完成了示教再现工业机器声成套技术（包括机械手、控制系统、驱动传动单元、测试系统的设计、制造应用和小批量生产的工艺技术等）。为跟踪国外高技术，８０年代国家高技术计划中安排了智能机器人的研究开发，包括水下无缆机器人、高功能装配机器人和多种特种机器人。进行了智能机器人体系结构、机构、控制、人工智能、机器视觉，高性能传感器及新材料的应用研究，取得了大量成果【６］。其中，轮式移动机器人的研究也硕果累累。

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图１．５ＡＳ．Ｒ轮式移动机器人图１．６ｃＡｓｎ．Ｉ轮式移动机器人

图１．７“青青”轮式移动机器人图１．８“小蜘蛛”登月车

目前，国内研究轮式移动机器人的科研单位及公司主要有研制能力风暴Ａｓ．Ｒ机器人的上海广茂达伙伴机器人有限公司；研制的ｃＡＳＩＡ．１自主移动机器人的中科院自动化所【『７】；研制“青青”轮式移动机器人的哈尔滨工业大学，研制“小蜘蛛”轮式移动机器人登月车的上海交大等。

当前，移动机器人技术的研究与发展的趋势包括有：机器人机构、导航和定位、路径规划、传感器信息融合技术、智能技术、移动机器人传感器技术等研究嗍。

１．２．１机器人机构

对于移动机器人，已经研究出能适应地上、水中、空中和宇宙等作业环境的各种移动机构。当前，对于足式步行机器人、履带式机器人和特种机器人研究较多，但大多数仍处于实验阶段。而轮式移动机器人由于其控制简单、

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第２章移动机器人系统概述

一般来说，轮式移动机器人系统主要包括小车机械结构、伺服驱动系统、电源系统、传感器信息采集系统和控制系统等。以下将分别作些简要介绍各部分，具体将在后续章节详细介绍。

图２．１移动机器人的底盘及整体外观

２．１．１移动机器人机械本体

移动机器人机械本体结构较为简单，外观主体采用正１２棱形，四层堆

栈结构。考虑小车的强度和刚度要求必须满足其运行和加速时的要求，同

时重量不能太重，因而采用硬铝作为车体的材料，小车底盘厚度为６ｍｍ，各分层盘和保护罩均为３衄。移动机器人的各电子元器部件固定在分层的铝板上，有利于减少其相互之间的干扰。为了降低车体的重心，与驱动直接有关或重量较大的部件安装在底盘上下，这有利于抗倾翻。

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电机为ＰｒｒｒＭＡＮＧＭ９４１３—２直流伺服电机，其外观如图２．２所示。

图２．２ＰＩＴＴＭＡＮＧＭ９４１３－２型直流伺服电机

ＰＩＴｌＭＡＮＧＭ９４１３－２直流伺服电机系统包括直流电机和装配其上的减

速齿轮箱及光电码盘三部分，其主要参数如表２．１所示：

表２．１Ｐ１１１ＭＡＮＧＭ９４１３．２直流伺服电机系统主要参数

额定电压（伏）２４

力矩常数（牛·米，安）０．０３９５

电动势常数（伏／弧度，秒）Ｏ．０３９５

绕组阻抗（欧）８．３３

峰值堵转力矩（牛·米）Ｏ．６４

峰值堵转电流（安）２．４４

峰值堵转电压（伏）约２４

空载转速（转／分）２８４

静摩擦力矩（牛·米）三抑．００３５

电气时间常数（毫秒）Ｏ．７４

机械时间常数（毫秒）１．４７

热力时间常数（分）１１．１

阻尼常数（牛·米·秒）Ｏ．ＯＯＯｌ９

减速箱的效率０．７３

减速箱最大允许力矩（牛－米）１．２４

减速箱减速比１９．７

重量（克）４３２

码盘（线）５００

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３．２系统核心模块ＰＣＩ０４控制器及其扩展板

３．２．１系统核心模块ＳＰＴ一３００Ｋ

盛博电子的系统核心模块是高度集成、自栈结

构、ＩＢＭ．ＰＣ／ＡＴ兼容的ＰＣＩ０４ＣＰＵ模块。其在板不

仅包含了一般ＰＣ，ＡＴ机的母板、ｌ－２块扩展板的功

能，更为嵌入式控制扩展了很多特有功能。超小尺

寸、单＋５ｖ供电、宽工作温度范围，这都使系统核

心模块可独立作为一台Ｐｃ／ＡＴ引擎，或与其它

Ｐｃｌ０４模块一起构成嵌入式的理想方案。故选用其图３．２ＳＰ｜Ｉ’－３００Ｋ

一款核心模块ＳＰＴ－３００Ｋ【３”，如图３．２所示。

其特点：ｘ８６兼容的６４位第六代处理器，主频３００瑚№ｃＰｕ，２５６ＭｂＲＡＭＰＣＩ０４＋ＢＵＳ总线，支持１６位ＰＣＩ总线，支持３６０刚７２０Ｋ软驱，１．２Ｍ／１．４４Ｍ格式，采用＋５ｖ土５％电源，具有Ｐｓ／２键盘、Ｐｓ彪鼠标接口，Ｏ．１ｗ扬声器接口，ＵｓＢ接口。

３．２．２扩展板ＡＤＴ７００

盛博电子的数据采集模块具有加、Ｄ／Ａ、

Ｉ协ｅｒ／Ｉ：ｏｕｎｔｃｒ、Ｄｉｇｉ“Ｉ／０等，选用其中一款ＡＤＴ７００

ＰＣＩ０４扩展板如图３．３所示［３２】。

其特点是：１６路单端的１２位精度Ａ／Ｄ，其采

样频率为ｌｏｏＫ，具有士５ｖ，士１０ｖ和０．１０Ｖ输入范

围：４路Ｄ／Ａ；２４路ＴＴＬ／ｃＭＯｓ兼容数字量Ｉ／０；

１６位／３２位可选１ＰＣＩ；过压保护：士３５Ｖ。图３＿３ＡＤＴ７００

３．２．３扩展板ＣＤＴ２０００

由于ＡＤＴ７００板上的计数器／定时器被用于码盘

脉冲计数，其需要四个计数器分别两两级联构成两

个２４位的计数器，所以ＡＤＴ７００上的计数器，定时

器不够用，因而还选用另一款数据采集板

ＣＤＴ２０００【３３】，如图３．４所示。

图３．４ＣＤＴ２０００