(机器人计算机测试算法)

u长治学院2012届学士学位毕业论文

能力风暴UIII的无反馈测试

学号：08405302

姓名：陈国鹏

指导教师：李翻

专业：教育技术学

系别：电子信息与物理系完成时间：2012年05月

能力风暴UIII的设计开发

专业：教育技术学姓名：陈国鹏学号：08405306

指导教师：李翻

摘要移动机器人是一种能够通过传感器感知环境和自身的状态、实现在有障碍物的环境中而面向目标自主运动、从而完成一定功能的机器人系统，且有较高的智能水平，但目前全自动的移动机器人还大多处于试验阶段，正好我们系提供移动机器人能力风暴UIII，该机器人厂家已经做好了编程环境和嵌入式系统，如要真正实现具体功能，必须编写相应程序代码，能力风暴机器人的编程环境VJC2.0编程开发环境，是基于C的，这也是我大学四年学习的重点，此外系统提供的库函（API）只说明了功能，也需要测试，此次我们测试的是机器人的移动特性，通过测试和测试的数据处理发现，被测机器人左右轮在输入功率一样是，左轮的转速比右轮的转速偏大，但这种偏差较小而且稳定；在动转弯时，机器左右轮的功率分别设置在相邻级别时，转弯角度偏差很小；在静转弯时，我们做的是验证测试即通过测试来验证我们的预测，结果确是验证了我们的预测，而且通过测试发现，转动轮子的速度很高时，静止轮子有较明显的滑动。这些测试都是无反馈的即无反馈测试。

关键字实验；测试；编程；无反馈

测试原理

智能机器人的正常活动一般是建立在有反馈系统的基础上，通过反馈信息来调整和保证机器人相应的行为，而这种反馈信息是通过测试无反馈活动来获得的，只有对机器人无反馈有一定了解，才能在有反馈的基础上制定相应的指令；对机器人来说，能够准确移动到位才能完成指定的任务；基于此上两点我们主要做的机器人的移动特性测试研究，机器人移动形式的控制主要有直线、转弯、走圆；我们的测试也是就这三个方面展开的；此次进行机器人测试研究用的是能力风暴UIII，该机器人的编程环境是VJC2.0编程开发环境，VJC2.0是基于C的可视化编程语言，能力风暴UIII的机械驱动方式是差动驱动，差动驱动方式是指将两个有差异的或独立的运动合成为一个运动。当我们把两个电机的运动合成一个运动时，这就是差动驱动。仔细观察智能机器人的底盘，会发现机器人有两个一样的齿轮头，每个齿轮头都包括一个直流电机。这样两个直流电机分别独立控制1个驱动轮，在运行时，我们可以分别确定两个电机各自的转速，组合起来就能实现机器人的各种运动方式，如直行、转弯等，

在测试过程中，有很多测试和实验数据，这里我们只是列出一部分来说明问题。

测试步骤和结果

因为我们做的是机器人移动性能的测试，为了说明，这里列出所有驱动电机的函数：启动电机函数SetMoto(int iChannel,int iSpeed)，Channel为电机编号；Speed为电机速度（-100到100之间），此函数在测试机器人走直线和动转弯用的。驱动机器人运动函数motor(int num, int iVL)，num为电机编号；iVL为电机速度（-100到100之间），此函数在我们整个测试过程中都没有用到，在此列出来是因为其他两个函数是通过调用它来实现的。驱动机器人运动函数drive(int iTransVel, int iRotVel)，iTransVel为机器人的前进速度，其中设置负数表示向后运动；iRotVel为机器人的旋转速度，其中设置负数表示向右旋转即左轮在转动，反之是右轮在转动，此函数在测试静转弯时用到。

每一台机器人产品在生产过程中都会有偏差，除了各部件尺寸有误差外，还有性能的差别。在不同的环境中也会产生偏差，我们测试用的能力风暴UIII，控制它左右驱动轮的分别是两个直流电机，通过程序能控制它们的输入电压，由于生产过程中的偏差，它们的实际功率也会不一样，而且左右驱动轮的直径可能也不同，该误差较小，所以暂且假设他们相等，所以，即使我们通过函数对左右轮设定相同的转速，机器人运动的轨迹不一定是直线，当然还有地面和机器人重心所造成误差。考虑到这些原因。我们选择的试验场地是相对平滑大理石地面，由于测试机器人走直线的起始方向很难把握，就制定如下的具体方案：

在地面上选定并标记一个点，以这个点为圆心，以半径100cm和200画两个同心弧，把机器人放在地上并用手移动到圆心点（在圆心点的5cm领域内），然后按下机器人开关，当机器人经过圆弧线时标记下经过的位置。然后用尺子测量圆心点和两个圆弧上的标记点是否在一条直线上，并测量出偏差值。对于作为本次试验机器的能力风暴UIII来说，我们把系统软件控制电机工作的功率分为10个级别即（差值为10），但参数是从-100到100。每个级别我们再设置不同的功率，都要测试10次，即测试所有的整功率点，记录下测试结果，经过测试发现，机器人走直线是不确定的，而且在测试参数1~10范围内机器基本是不动的，所以我们假设，左右轮功率随着输入功率增长而增长的幅度有偏差。而且在相同级别的输入功率下，输出功率不会相差一个级别；于是我们把机器人架空，通过反馈函数来测试在相同的设定的输入功率下，左右轮的转速是否一样，具体操作如下：

求轮胎的转速要用到光电编码器，虽然AS－UIII的每个光电编码器都是按照每圈66个脉冲设计的，但是因为机械原因可能会出现误差，所以用光电编码器读得的脉冲数计算速度之前要检测一下它的实际值。经过测试发现光电编码器的偏差很小，假设没有偏差；于是

我们用一定时间段的光电编码器读的脉冲数来测试左右轮的转速是否一样（测试时机器人是架空的）。

测试程序如下：

#include "AS_UIII_LIB.h"

#include "math.h"

float v1,v2;

float T=1.5;

void main()

{

SetMoto(1,50);

SetMoto(2,50);

rotation_clear(1); /*脉冲清零*/

rotation_clear(2);

while(1)

{

if(seconds()>5.0)

{

stop();

break;

}

wait(T);

v1=(float)rotation(1)/T；

v2=(float)rotation(2)/T；

Printf("v1=%d,v2=%d\n",floor(v1),floor(v2));

}

} ------程序1

1T 2T 3T 4T 5T 6T

左轮150 154 151 150 151 152

右轮148 151 150 144 150 150

从上表可见，左右轮的转速不同，而且随着时间的变化而变化，速度之差也是变化的，左轮的转速始终要比右轮转速大；基于这些测试数据，我们调整测试参数和控制方案，让机器人在误差范围内走出直线。具体改动方案如下：

对于走直线，我们有如下规定：

机器在行走的过程中，只要不偏离圆心点和圆弧标记点所确定的直线误差范围内，终点最后落在直线上，那么机器人走的就是直线，既然在相同的输入功率下右轮的转速相对较小，我们想到的最简单办法就是增加右电机的输入功率；增加多少才算准确，我们把输入功率设定在50左右，通过测试来调整，测试程序见附录程序3；

调整参数，经过反复的测试。

左轮的转速/输入功率右轮的转速/输入功率偏差

1 50 51 8cm

2 50 52 6cm

3 50 53 7cm

4 49 50 4cm

5 49 51 1cm

6 49 52 3cm

7 48 49 5cm

8 48 50 6cm

9 48 51 6cm

10 48 52 7cm

11 51 53 5cm

12 51 54 5cm 13 51

55

6cm

我们找到了左右轮输入功率为49,51;调整后，把机器人放在地面上，测试机器人走直线的情况，发现存在偏差，但偏差在误差范围内，走的是直线，相同的测试和实验在电池刚充满电和电量不足时情况和不稳定，刚设定好准确的参数，过一会就显得没那么准确；

既然机器人的两个直流电机的输出功率不一样，而且随着输入功率的增长而增长的幅度不一样，那么我们测试设定的输入功率不同，而且在不同的输入功率级别设定的输入功率差别也不一样；机器人之所以会转弯，是因为左右轮的速度不一样，转弯分为两种：静转弯即其中一个轮子没有驱动运动，另一个运动；动转弯即两个轮子都运动，运动速度不一样。 这里我们分别来测试；首先测的是动转弯；转弯的角度与左右轮的速度及它们的速度之差和转弯时间有关；如果左右轮速度之差不变。且转弯的时间一定，那么转过的角度也应该一定，但是在左右轮速度不变情况下，左右轮的速度可以按一定的差值变化，由于速度不一样，在转弯时所需的向心力也不同，造成的摩擦也不一样，所以转弯角度有偏差。当然这种速度之差，也是通过程序设定的，实际的速度之差也可能有偏差，我们先设定一个差值，然后按这个差值设定左右轮速度，进行反复的实验，具体操作如下：

在测试的地面上画一条较长的直线（根直线），然后编写好程序下载到机器，把机器放在地上，用手推着机器沿着根直线走一段距离，按开关启动机器，在机器转弯后走的一段直线上取两个不同的点，连接这两个点成一条直线，然后通过计算得出它和根的夹角即机器转过的角度；实验数据如下表： 左轮转速/输入功率 右轮转速/输入功率 转弯时间0.3 t 转的角度 1 10~19 20~29 64 2 20~29 30~39 67 3 30~39 40~49 65 4 40~49 50~59 66 5 50~59 60~69 66 6 60~69 70~79 63 7 70~79 80~89 64 8

80~89

90~99

60

经过实验数据的分析，我们发现，转弯的角度在左右轮的差值和转弯时间一定情况下，随着左右轮速度的不同而有所偏差，对于一定的参数，进行反复的测试后发现，机器人转弯的角度也有偏差，当把机器人重新充电后，开始一段时间这种偏差很小，

不在误差考虑范围内。我们由此得出：在不同电量的情况下，对于一定的设定的输入功率，实际的输入功率有偏差，在电量不足的情况下尤为明显，经过测试，电量在剩下时，功率偏差较大，不宜在这种情况下进行测试和调整数据，经过测试发现在相邻功率级别内，设定好的速度之差，在一定转弯时间下，转弯的角度偏差较小，这里我们假设没有偏差，不同功率级别内的测试也存在偏差，在要求机器人转一定角度条件下，应该把左右轮的转速设置在相邻功率内来调测试整，而且在输入功率高（70以上）的情况下，转弯角度很不稳定，主要是因为转弯时较大的向心力造成的较大摩擦力，从而改变机器的机械性能，不失一般性，我们选定要转弯的角度45度，并且把左右轮的输入功率设定在中间相邻的级别（程序设定的参数）内，理论上，转弯的角度一定，速度之差和转弯时间成反比，于是我们先按速度递增的方式来测试，具体步骤：

在测试的地面上画一条较长的直线（根直线）。然后沿着直线两侧以等间距（10cm）向内45度画直线（侧直线），编写好程序下载到机器，把机器放在地上，用手推着机器沿着根直线走一段距离，然后按开关启动机器，然后听到机器响一声，记下此时机器的方向，和侧直线的方向比较，这样反复不断调整测试，测试程序见附录测试程序4；找出每个功率级别的左右轮转速和转弯时间：

左轮转速/输入功率右轮转速/输入功率转弯角度为45度的转弯时间

1 53 63 2.45

2 54 64 2.5

3 55 65 2.51

4 56 66 2.5

5 57 67 2.52

6 58 68 2.5

7 59 69 2.49

然而，即使过了我们设定的转弯时间，机器左右轮的速度之差仍然存在，在速度较大的轮子减下速度这段时间内，机器仍然在转弯，由于减速时间短，我们假设轮子减速是匀减速；

于是我把此方案改进一下，当左右轮子的速度再一次相同时，再让机器响一声，记下它的方向；然后还是进行上面的测试，测试程序见附录测试程序5；找出每个功率级别的左右轮转速和转弯时间： 左轮转速/输入功率 右轮转速/输入功率 转弯角度为45度的转弯时间 1 53 63 2.35 2 54 64 2.34 3 55 65 2.32 4 56 66 2.32 5 57 67 2.33 6 58 68 2.32 7

59

69

2.30

静转弯的测试，根据理论，只需控制两个变量，一个轮子的转速和转弯时间，我们知道，再假设匀减速且摩擦系数一定情况下，轮子速度大，停下来的时间就长，走过的圆弧就长，轮子从速度为零加速到指定速度的情况也是一样，根据理论计算:

转动的轮子转的圆弧长度为a

v tv l 2

-=-----（1）式,则转过的角度为R l /=ω-----（2）式，

其中t 是转弯的时间，v 是轮子的转速，R 是左右轮之间的距离；

由（1）、（2）式得：转弯时间一定，机器转过的角度是转速的一元二次函数；转速一定，机器转过的角度是转弯时间的一次函数，下面我们通过测试来验证；测试程序见附录测试程序3；

我们测试的数据如下： 转动轮子的转速 转弯时间t 转过的角度 1 10 1.0 15 2 15 1.0 16 3 20 1.0 18 4 25 1.0 22 5 30 1.0 27 6

35

1.0

28

7 40 1.0 33

8 45 1.0 40

9 50 1.0 46

10 55 1.0 60

11 60 1.0 64

12 65 1.0 66

13 70 1.0 67

从上表发现，通过在纸上描点，和理论预测的一样。测试还发现，当转动的轮子的转速很高时，静止的轮子会有较大的相对滑动，基于此。我们设置一个中间的功率，然后设置不同的转弯时间进行测试，

转动轮子的转速转弯时间t转过的角度

1 50 1.1 47

2 50 1.2 48

3 50 1.3 48

4 50 1.4 49

5 50 1.5 51

6 50 1.6 52

7 50 1.7 54

8 50 1.8 54

9 50 1.9 55

10 50 2.0 57

11 50 2.1 59

12 50 2.2 61

13 50 2.3 63

从上表发现，通过在纸上描点，和理论预测的一样。

智能机器人是通过反馈周围环境的信息、来调整自身的状态，进而完成指定的任务。而调整的范围和大小，是需要通过前期无反馈测试获得的参数来确定，此次试验，我们主要做的是机器人移动特性的测试；移动特性具体表现在走直线、转弯、走圆；能够走直线是机器能够

准确实现其他移动特性基础，这也是我们首先测试和调整机器人走直线的原因；通过测试发现，在相同的输入功率情况下，左轮的转速比右轮的转速偏大，但这种偏差不是很大，从这点上来说，被测机器的移动性能比较稳定。在测试机器转弯时我们发现，机器人在转弯时产生向心力，这样会改变轮子机器人主体部分接触处的摩擦力，而且会改变机器人的力学重心，这些都会引起测试的偏差，所以在测试时，尽量不要把轮子转速的设置的很高；我们进行机器人的无反馈测试主要目的就是：通过测试实验，总结这类型测试的方法论和预测问题的出发点，举例说明，测机器走直线和转弯，在测量工具不够精确的情况下，我们设计的测量方法：在地面选定定点、画同心圆弧；通过两条直线确定机器在转弯前后的方向。也能帮我们很精确完成测试后期的测量工作，这种方法和方法的设计思想在相同类型的测试中有方法论意义，在完成测试之后，我们通过编程实现机器走正方形来验证是否能实际控制机器人完成制定的任务，但是机器始终不能停在起始位置（和起始位置在水平位置上相差半个机身），分析后发现这是因为机器三次转弯造成的，确实和理论推得的相同，这可以通过程序调整过来，当然，要进行精确的测试实验，还需要明确的测量地标和精确的测量仪器，机器设置的输入功率和实际的输入功率以及设置的输出的功率和实际的输出功率之间偏差，这种偏差和机器人电量有关系，当机器人刚充满电时，它的移动性能不是太稳定，电量不足时，随着输入、输出功率变化，移动性能的变化却很小。我们实验用的是VJC2.0可视化的开发环境，编程时运用相应的控制模块，使开发过程变得简单明了，但是要进行参数的微调就必须通过程序的源代码。复杂的测试程序也必须通过写代码来完成，我们所有的测试程序就是这样完成的。实验数据是基于此台能力风暴机型测试所得，对于不同的能力风暴机型，机械特性不同，但机械原理等相类似，所以可以参照本实验的步骤，从测对象特性开始做。我的实验数据的价值在于观察变化趋势，其绝对值可能因为不同情况而不同。

参考文献：

[1] 能力风暴VJC2.0编程开发环境用户使用手册

[2] 能力风暴智能移动机器人第三代UIII 用户使用手册

[3] C++Primer Stanley B.Lippman Josee Lajojie

[4] Dissecting MFC 2nd Edition

Design and development of ability storm UIII

Author:Chen guopeng Tutor:Li fan

Abstract: mobile robot is one kind can through the sensor to sense the environment and their own state, achieve the obstacles in the environment and object oriented independent movement, so as to complete certain functions of the robot system, and there is a high level of intelligence, but at present the automatic mobile robot is mostly in the experimental stage, we just. Mobile robot storm capacity UIII, the robot manufacturers have good programming environment and embedded system, to realize the specific function, must write the corresponding procedure code, ability storm robot programming environment VJC2.0 programming development environment, is based on the C, this is my four years of university study focus, in addition system provides the library function ( API ) only shows the function, also need to be tested, this we tested was the robot movement characteristics, through testing and test data processing, the measured robot left and right wheels in the input power is the same as, revolver speed than the right wheel speed slants big, but this deviation is small and stable; in turn machine, left and right wheel power are respectively arranged in adjacent level, turning angle deviation is very small; in turn, I We do is test that by testing to verify our predictions, results are validated our prediction, and found by testing, rotate the wheel speed is very high, still has obvious sliding wheels. These tests are of no feedback or no feedback test.

Key words: experimental test programming without feedback

附录：

程序3

#include "AS_UIII_LIB.h"

float v1=1.0;

float v2=1.0;

void main()

{

wait(1.0);

SetMoto(1,v1);

SetMoto(2,v2);

wait(5.0);}

}

while(1){}

}

程序4

#include "AS_UIII_LIB.h" float v1;

float v2;

float T=3.0;

void main()

{wait(1.0);

SetMoto(v1);

SetMoto(v2);

wait(T);

tone(880.000000,1.000000); }

程序5

#include"AS_UIII_LIB.h"

#include"math.h"

float v1;

float v2;

float T=3.0;

void main()

{wait(1.0);

while(1)

{SetMoto(1,v1);

SetMoto(2,v2);

wait(T);

if(v1

{while(abs(rotation(1)-rotation(2))<2.0) {SetMoto(1,v2);

rotation_clear(1); /*脉冲清零*/

rotation_clear(2);

tone(880.000000,1.000000);

}

}

else

{while(abs(rotation(1)-rotation(2))<2.0) {SetMoto(2,v1);

rotation_clear(1); /*脉冲清零*/

rotation_clear(2);

}

}

}

程序6

#include "AS_UIII_LIB.h"

float T=1.0;

float v=10.0;

void main()

{while(1)

{wait(1.0);

drive(v);

wait(T);

stop();

}

}