基于Simulink和VR工具箱的机器人行驶控制系统计算机仿真

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第32卷　第3期2003年　6月

常州工业大学学报(自然科学版)

JOURNAL OF GUIZHOU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

(Natural Science Edition)

Vol.32No.3

June.2003

文章编号:100920193(2003)0320054205Ξ

基于Simulink和VR工具箱的机器人

行驶控制系统计算机仿真

胡光艳,田会方

(武汉理工大学机电学院,湖北武汉430070)

摘　要:建立机器人行驶控制系统的数学模型,由此获得系统的Simulink模型(仿真模型),进

行仿真分析,然后使用VR工具箱建立了一个相关的虚拟场景,并通过该工具箱的Simulink接

口将机器人行驶控制系统Simulink模型与该虚拟世界建立关联,从而利用Simulink模型产生

的信号数据控制和操纵虚拟世界中机器人的运动。

关键词:Simulink;VR工具箱;机器人;行驶控制系统

中图分类号:TP242.6;TN911.73 文献标识码:A

1　引　言

1.1　机器人导航技术及虚拟现实

国内外专家在移动机器人控制方面已做了大量的研究工作,与70年代的机器人相比,现在的机器人研究有两个特点:一是对机器人智能的定位有了更加符合实际的标准,也就是不要求机器人具有像人类一样的高智能,而只是要求机器人在某种程度上具有自主处理问题的能力;另一个特点是许多新技术及控制方法被引入到机器人研究中,给研究工作带来突破性进展。

将VR技术应用到移动机器人导航研究中是一种可行的方法:随着系统的日益复杂和运算量的日益增加,对计算设备能力的要求也日益提高,而多数轻便灵活型的机器人难以携带大量的计算设备,因此,将计算机和机器人分开,机器人把观察到的视觉信号和传感器信号按照制定的标准合成,然后传送到远方计算机上,由功能强大的远方计算机进行分解和处理,并发出控制信号给机器人的传动机构,以控制机器人行为,或者由机器人完成一些行走、避障类的低层操作,而高层操作则由远方高性能机器、或人工在虚拟环境中遥控完成。

本文的仿真对象是一台半自主式移动机器人,其运动和各种服务功能的实现,可以由后方的操作者利用虚拟现实技术操纵控制,所有命令均由操纵面板上的按钮和操纵杆控制发出。

1.2　Simulink及VR工具箱

Simulink是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包,它和MA TLAB的无缝结合使得用户可以利用MA TLAB丰富的资源,建立仿真模型,监控仿真过程,分析仿真结果。新出现的基于MA TLAB的VR工具箱允许MA TLAB/Simulink使用虚拟现实的图形技术,使得用户能直接将仿真结果以虚拟现实的形式显示出来。可以说,对虚拟现实技术的支持使得MA TLAB/Simulink在系统仿真领域的应用上了一个新的台阶[1]。

1.3　机器人行驶控制系统的工作原理

(1)机器人的速度设置通过改变遥控操作面板上操纵杆的位置来实现,即操纵杆的不同位置对应着不同的速度。

(2)测量机器人的当前速度,并求取它与指定速度的差值。

Ξ收稿日期:2003-03-03

基金项目:国家863计划资助

作者简介:胡光艳,女,硕士研究生;田会方,男,副教授,硕士生导师.

(3)由系统差值信号驱动机器人产生相应的牵引力,并由此牵引力改变机器人的速度直到其速度稳定在指定速度为止。

本文首先建立并运行了机器人行驶控制系统的数学模型及仿真模型;然后使用VR 工具箱实现了机器人行驶控制系统的Simulink 模型与虚拟世界的关联,从而利用Simulink 模型产生的信号数据控制和操纵虚拟世界中机器人的运动。

2　建立机器人行驶控制系统的Simulink 模型并进行仿真分析

2.1　机器人行驶控制系统的物理模型与数学描述

1)速度操纵杆的位置变换器位置变换器是机器人行驶控制系统的输入部分,其目的是将操作面板上操纵杆的位置转换为相应的速度,由于该机器人的速度变化范围是0-6km/h ,故二者之间的数学关系可设为:

v =6x , x ∈[0,1]

其中x 为速度操纵杆的位置,v 为与之对应的速度。

2)离散行驶控制器

行驶控制器是整个行驶控制系统的核心部分。简单来说,其功能是根据机器人当前速度与指定速度的差值,产生相应的牵引力。行驶控制器为一典型的PID 控制器,其数学描述为:

积分环节:x (n )=x (n -1)+u (n )

微分环节:d (n )=u (n )-u (n -1)

系统输出:y (n )=Pu (n )+Ix (n )+Dd (n )

其中u (n )为系统输入,相当于机器人当前速度与指定速度的差值。y (n )为系统输出,相当于机器人牵引力,x (n )为系统中的状态。P 、I 与D 为PID 控制器的比例、积分与微分控制参数,其取值分别设为P =3,I =0.005,D =0.6.

3)机器人动力机构

机器人动力机构是行驶控制系统的执行机构。其功能是在牵引力的作用下改变机器人速度,使其达到指定速度。牵引力与速度之间的关系为

F =m a +bv

其中a 为机器人的加速度,v 为速度:a =d v/d t ,F 为机器人的牵引力,m =50kg 为机器人的质量,b 为阻力因子设为1.

2.2　建立机器人行驶控制系统的仿真模型

按照机器人行驶控制系统的物理模型与数学描述建立系统仿真模型。在建立系统模型之前,首先给出建立模型所需的主要系统模块:

(1)Math 模块库中的Slider G ain 滑动增益模块:对输入信号x 的范围进行限制。

(2)Discrete 模块库中的Unit Delay 单位延迟模块:用来实现行驶控制器(即PID 控制器)。

(3)Continuous 模块库中的Integrator 积分器模块:用来实现机器人动力机构。

(4)Subsystems 模块库中的Subsystem 子系统模块:用来对系统不同的部分进行封装。

然后建立系统模型,并将位置变换器、行驶控制器、机器人动力机构封装到不同的子系统之中,如图1所示。

图1　机器人行驶控制系统

55第3期胡光艳,等:基于Simulink 和VR 工具箱的机器人行驶控制系统计算机仿真