移动机器人控制系统硬件设计与开发

收稿 日期 ：２ １ ９ ２ ０ 卜０ — ５
基金 项 目 ：国 家 高技 术 研 究 发 展 计 划 基 金 资 助 项 目（Ｏ ５ ２ ０ ＡＡ４ ０ ３ １ ２２Ｏ）
作者 简 介 ： 虹 亮 （ ９ ３ ） 男 ， 柳 １ ８ 一 ， 汉族 ， 林 长 春 人 ， 春 工 业 大学 助教 ， 士 ， 要 从 事 机 电 一体 化 方 向研 究 ， — ｉ：ｉｈｎ ｌ ｎ ＠ 吉 长 硕 主 Ｅ ｍａ ｌ ｏ ｇｉ ｇ ｌ ｕ ａ
１ ２ 测 距 原 理 ．
文 中选用 的超声 传感 器是 一种利 用声 音 的反 射原 理进 行距 离 测量 的装 置 ， 原 理 上 可分 为 共 从 振 式 、 冲反 射 式 两种 。超声 波 测 距 原 理是 通 过 脉
合 的检 测方法 ， 以有 效 地解 决 测 量 盲 区过 大 的 可 问题 ， 并能有 效地 降低 温 度 对 于测 量 数 据精 度 的
性能。
但 是 ， 声波 的传播 速率将 受 到温度 的影 响 。 超
在 考虑 温度 因 素 时 ， 声 波 的实 际传 播 速 度 为 ｃ 超 —Ｃ ＋０ ６ ７ 其 中 ，。 ３ ｓ 绝 对零 度 下 。 ． ０ Ｔ， ｃ 一３ ４ｍ／ 为 声 波 的传播速 度 。为 了满足机 器人 的测 距精 度要
第 ６期
柳 虹亮 ， ： 动机 器人 控 制 系统 硬件 设 计 与 开发 等 移
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３ ２ 驱 动 电 路 ．Biblioteka Baidu
Ｌ ９ Ｎ 可驱 动直 流 电机和 功 率 步进 电 动机 ， ２８
文 中选 用 该 芯 片 驱 动 三 相 步 进 电 动 机 。 Ｌ ９ Ｎ ２８
是双 Ｈ 桥 高电压 大 电流功率 集成 电路 ， 可用 来驱 动继 电器 、 圈 、 流 电动 机和 步进 电动机 等电感 线 直 性负 载 。它采 用 ｓ ＧＳ公 司特 有 的 Ｍｕｔ ｗａｔ ｌａ ｔ 塑 ｉ 料封 装 ， 内部包 含 了 ４个 各 自独 立 的推 挽 式 驱 动 器 ， 以两 两组 成双 Ｈ 桥 ， 可 每个 Ｈ 桥有 各 自的使
０ 引 言
移 动机器 人 目前 广 泛 应用 于探 测 、 恐 防 爆 反
中， 文献 ［—］ 出了一种 采用 红外 系 统进 行 测距 ３５ 提
的控 制 系统 ， 套 系 统 可 以使 机器 人 具 有 基本 的 该 避 障功能 ， 但对 于 目标 位 置 的精确 判 断 还 有一 定 难度 ； 文献 ［ ］ 出 了一种基 于视 觉传感 器 和超声 ６提 传感 器信 息融 合 的 障碍 物 位 置 的快 速 检 测方 法 ， 为移 动机器 人 自动避 障提供 了理 论依 据［ ； ６ 另外 ， 在超 声测量 过程 中 ， 度 的变 化也 成 为 导致 测 量 温 不够精 准 的重要 原 因 ； 在驱 动方 面 ， 然步进 驱动 虽
部 分 、 度检 测部分 、 机控制 部分 和数 据传输 部 温 微
分 组成 。
２ 控 制 系统 总体 方 案设 计
整 个控 制 系统 由处 理 器 、 动 装 置 和距 离 测 驱
量装 置 ３部分 组成 。其 中 ， 测距 部 分 由超 声 、 红外
和温度 测量 ３个模块 组 成 ， 图 ３ 示 。 如 所
ＬＩ Ｈｏ ｇ ｌ ｎ ＣＡＩＹｕ ， Ｊ ＡＮＧ — ｉ Ｕ ｎ —ｉ ｇ， ａ ｎ Ｉ Ｄａ ｗｅ
（ ｈ ｏ ｆＳ ｆｗａ ｅ Ｖｏ ａ ｉ ｎ ｌＴｅ ｈ ｏ ｏ ，Ｃｈ ｎ ｃ ｕｎ Ｕ ｎ ｖ ｒ ｉｙ ｏ ｃ ｎ ｌ ｇ Ｓｃ ｏ ｌｏ ｏ ｔ ｒ ｃ ｔ ａ ｃ ｎ ｌ ｇｙ ｏ ａ ｇ ｈ ｉ ｅ ｓ ｔ ｆＴｅ ｈ ｏ ｏ ｙ，Ｃｈ ｎ ｃ ｎ １ ０ ２，Ｃｈ ｎ ） ａ ｇ ｈｕ ３ ０１ ｉａ
及救 援等 领 域 。在这 些 领 域 中 ， 日益复 杂 的 工作 要 求机器 人必 须具 备 动 态 响应 快 、 控制 精 度 高 和 测 量准确 等特 点 。现 今移 动机 器人应 用 的技术 主 要有 红外超 声 复合测 距技术 ［ ， 流 、 １直 ］ 步进 电机 驱
动技 术 和 微 机 控 制 技 术 等［ 。在 测 距 技 术 领 域 ２ ］
Ａｂ ｔ ｃ ：Ｂｙ ａ ａ ｙ ｉ ｇ ｔ ｅ ｅ ｉ ｔ ｄ ｒ ｂ ｔ ， ａ ｒ ｂ ｔ ｃ ｎ ｒ ｌ ｓ ｓ ｅ ｉ ｅ ｉ ｎ ｄ， ｗｈ ｃ ｎ ｌ ｄ ｓ ｔ ｅ ｓｒ ｔ ａ ｎ ｌ ｚ ｎ ｈ ｘ ｓ ｅ ｏ ｏ ｓ ｏ ｏ ｏ ｔｏ ｙ ｔ ｍ ｓ ｄ ｓ ｅ ｇ ｉｈ ｉ ｃ ｕ ｅ ｈ
求， 就需 要进 行温 度补偿 。
ｌ 机 械 手 不 恿 图
根 据测距 原 理 ， 测距 系统 由超 声 发射 和接 收
前 端机 械 手 由夹 持 手壳 体 、 ２台微 型 步 进 电 动机 、 根 驱 动连杆 、 ４ ２个钳 体 、 ２个 垫片 和 １个 法
兰 盘 组 成 。步 进 电 动 机 选 用 通 用 驱 动 芯 片 Ｌ ９ Ｎ 进行 驱动 ， ２８ 通过 对 脉 冲数 量 和 电流 大小 的 调节 能够 实现 机械手 动作 的基本 控制 。 机器人 的行走 机构 如 图 ２所示 。
路、 步进 驱 动 电路 。设计 开发 的硬件 系统可 以有效地 解决 现有 机器人 控 制精度 不高 、 测量 盲 区
过大 以及 温度 干扰 等 问题 。在 实 际应用 中， 套 系统可 以达到 预期 的性 能指标 ， 矩超调 可控 该 力 制在 ０ ７ 以内 ， ． 测量 误差 不超过 １ｍｍ。 关键 词 ：移 动机器 人 ；驱 动 电路 ；盲 区
ａ ｃ ｒ ｃ ，ｂ ｉ ｄ ｒ ａ ａ ｄ ｔ ｅ ｔ ｍｐ ｒ ｔ ｒ ｎ ｅ ｆ ｒ ｎ ｅ ． Ｉ ｒ ｃ ｉｅ ｔ ｅ ｓ ｓ ｅ ｃ ｎ ａ ｈ ｅ ｅ ｔ ｅ ｃｕ ａｙ ｌ ｄ ａ ｅ ｎ ｈ ｅ ｅ ａ ｕ ｅ ｉ ｔ ｒｅ ｅ ｃ ｓ ｎ ｐ ａ ｔｃ ， ｈ ｙ ｔ ｍ ａ ｃ ｉ ｖ ｈ ｎ
第 ３ 卷 第 ６期 ２ ２ １ 年 １ 月 ０１ ２
长 春 工 业 大 学 学 报（ 自然 科 学 版 ）
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆＣ ａ ｇ ｈ ｎ Ｕｎｖ ｒ ｉ ｆＴｅ ｈ ｏｏ：（ ｔ ｒ ｌ ｃｅ ｃ ｉｉｎ ｏ ｒ ａ ｈ ｎ ｃ ｕ ｉｅｓｔ ｏ ｃ ｎ ｌ￣ Ｎａ ｕａ ｉｎ ｅＥｄｔ ） ｏ ｙ ｙ Ｓ ｏ
ｅ ｅ ｔ ｄｉ ｅ ｅ ｘｐ ｃ ｅ ｎｄ ｘ ｓ：ｔ ｒ ｅ ｏ ｒ ｈ ｔｃ ｎ ｂｅ ｃ ｔ ｏｌｅ ｔ ｉ ７ ｏ ｑｕ ｖｅ ｓ ｏｏ ａ ｏｎ ｒ ｌｄ ｗｉｈ ｎ ０． ｔ ｎ １ ｍｍ ． ｈａ Ｋｅ ｙ ｗｏｒ ｓ：ｍｏ ｌ ｏ ｔ ｒｖ ｒｃ ｒ ｕｉ ；ｂｌｎ ｒ ａ ｄ ｂｉｅ ｒ ｂｏ ；ｄ ｉ ｅ ｉｃ ｔ ｉｄ ａ ｅ ． ａ ｈ ａ ｕｒ ｍ ｅ ｒ ｏ Ｓ ｌ ｓ ｎｄ ｔ ｅ ｍｅ ｓ ｅ ｎｔｅ ｒ ｒ ｉ ｅ ｓ
图 ２ 行 走 机 构 不 意 图
人 中工作 的动 作 特点 ， 计 出 了一套 高精 度 的 步 设
进 电动机 驱动 电路 ， 摒弃 了 以往 采用 开环 系 统直 接驱 动 电动机 的方 法 ， 用 霍 尔 传感 器 设 计 了一 利 种具 有 角位 移 检 测 功 能 的 闭 环 步 进 电机 驱 动 系 统 ， 现 了步 进 电机 更 可靠 的位 置控 制 ； 次 ， 实 其 对
超 声波 测量 的距 离 一般 为 几 米 到几 十米 ， 一 种 是
为 了实 现 对 移 动 机 器 人 动 作 的 精 准 快 速 控 制 ， 中选取 步进 电动 机作 为执行 机构 ， 文 完成 机械 手 的抓 取 、 紧 等一 系列动作 ， 图 １ 示 。 拧 如 所
适 合室 内测量 的方 式 。 由于超 声 波发射 与接 收器 件 具有 固有 的频 率 特性 ， 因此 具 有 很 高 的抗 干 扰
Ｖ ｏ ＿ ２ Ｎｏ． ｌ３ ６ Ｄｅ ．２ １ ｃ Ｏ１
移 动机 器 人 控 制 系 统硬 件 设 计 与 开发
柳 虹 亮 ， 蔡 赘 ， 姜 大伟
（ 春 工 业 大 学 软 件 职 业 技 术 学 院 ，吉林 长 春 １０ １ ） 长 ３ ０２
摘 要 ： 现有 机器人 进 行分 析 ， 计 了一 种机 器 人 控 制 系统 ， 对 设 主要 设 计 了系 统 中的测 量 电
ｍ ｅ ｓ ｒｎｇ ｃ ｒ ｕｉ ｎ ｔ ｐ ｄ ｉ ｅ ．Ｔｈｅｈａ ｄ ｒ ｙ ｔ ｍｓ ｃ ｎ ｅ ｆ ｃ ｉ ｅ ｙ ｓ ｌ ｅ ｔ ｅ ｐ ｏｂｌｍ ｕ ｈ ａ ｏ ａ ｕ ｉ ｉｃ ｔａ ｄ ｓ ｅ ｒｖ ｒ ｒ ｗａ ｅ ｓ ｓ ｅ ａ ｆｅ ｔｖ ｌ ｏ ｖ ｈ ｒ ｅ ｓ ｃ ｓ ｌ ｗ
于测距 系统 ， 采用超 声 、 红外加 上温 度测 量三者 结
机构 由 ４个 间歇 结 构 的 车 轮 和 １个 底 盘 构 成 。其 中 ， 车轮 通 过 ４台直 流 电机 和 减 速器 进 行
驱动 。整个 行 走 机 构 运 行 平 稳 ， 障 能 力 突 出 。 越
直流 电机 同样 采用 Ｌ ９ Ｎ 进行 速度 调节 。 ２８
影 响 。
超声 波发 射传 感 器 向某 一 方 向发 射 超 声 波 ， 发 在
射 时刻 的 同时 开始计 时 ， 超声波 在 空气 中传播 ， 途
中碰到 障碍物 就 立 即返 回来 ， 声 波 接 收器 收 到 超
经 过实 际应 用 测试 ， 动机 器 人 的力 矩 和 转 移 速 都 能达到 比较 理想 的跟 随效 果 。
中 图分 类 号 ：Ｔ ２ ２ Ｐ ４ 文献 标志码 ：Ａ 文章编 号 ： ６ ４ １ ７ （０ １ ０ — ５ ３０ １ ７ —３ ４ ２ １ ） ６０ ４ — ５
Ｄｅ ｉｎ ａ ｄ ｄ ｖ ｏ ｓｇ ｎ ｅ ｅｌｐｍｅ ｔｏ ａｒ ｗ ａ ｅ ｎ ｆｈ ｄ ｒ ｃ ｎ ｒ ｌｓ ｓ ｅ ｏ ｂｉ ｏ ｏｔ ｏ ｔｏ ｙ ｔ ｍ ｆｍｏ ｅ ｒ ｂ ｌ
ｍａ ｌ ｃ ｕ ． ｄ ． ｒ． ｉ ｃ ｔ ｅ ｕ ｃ１ ．
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长 春 工 业 大 学 学 报（ 自然科 学 版 ）
第３ ２卷
装 置本 身具 有较 强 的抗 干扰 能 力 ， 随着 机 械 手 但 动 作 的加快 以及加 减速 控制 时 间不 合理 会导致 由 于连续 运行 频率 不 足 而 出现 失 步 的 情况 ， 易 实 不 现精 确位置 控制 ｊ 。 因此 ， 了提 高 目标 的 定 位精 度 和 机械 手 的 为 响应 速度 ， 过 对 现有 移 动 机 器人 的特 点进 行 分 通 析 ， 计 了一种 机器人 控制 系统 ， 设 对其 中 的驱动 系 统和 测距 系统分 别进 行 了硬件 电路 的设 计 Ｌ 。首 ８ ］ 先， 对于 驱动模 块 ， 中根 据步 进 电机 在移 动机器 文
反 射波 就停止 计 时 。常 温下超 声波 在空 气 中的传
ｌ 移 动 机 器 人 工 作原 理
１ １ 机 械 手 工 作 原 理 ．
播 速度 为 ３ ０ｍ／ ， ４ ｓ 根据 计 时器记 录 的时间 ｔ 就可 以计算 出发射 点 距 障碍 物 的距 离 ｓ 。在 超声 波 测 量 系 统 中 ， 率 取得 太 低 ， 界 的杂 音 干扰 较 多 ； 频 外 频 率取 得太 高 ， 传播 的过 程 巾衰减 较 大 。故 在 在 超 声波 测量 中 ， 使 用 ４ Ｈｚ的超 声 波 。 目前 常 ０ｋ