机器人的控制系统论文

2024-04-14

机器人的控制系统论文（精选8篇）

机器人的控制系统论文篇1

1设计运动控制系统基本方案

基于六自由度工业机器人基本系统的基础上来构建控制系统,六自由度工业机器人运动控制系统主要包括两个部分：软件和硬件。软件主要就是用来完成机器人轨迹规划、译码和解析程序、插补运算,机器人运动学正逆解,驱动机器人末端以及所有关节的动作,属于系统的核心部位。硬件主要就是为构建运动控制系统提供物质保障[1]。

2设计硬件控制系统

在六自由度工业机器人的前提下,利用ARM工控机来设计系统方案。下位机模块是DMC-2163控制卡。通过以太网工控机能够为DMC-2163提供相应的命令,依据命令DMC-2163执行程序,并且能够发出控制信号。利用伺服放大器对系统进行放大以后,驱动设备的所有电机进行运转,保障所有环节都能够进行动作。工业机器人通过DMC-2163输送电机编码器的位置信号,然后利用以太网来进行反馈,确保能够实时监控和显示机器人的实际情况。第一,DMC-2163控制卡,设计系统硬件的时候,使用Galil生产的DMC控制器,保障能够切实满足设计的性能和精度需求,选择DMC-2163控制器来设计六自由度工业机器人,依据系统API来二次开发工控机。第二,嵌入式ARM工控机。实际操作中为了满足系统高性能、可靠、稳定的需求,使用嵌入式FreescaleIMx6工控机,存在1.2GHz主频率。Cortex-A9作为CPU，拥有丰富的硬件资源,能够全面满足设计六自由度机器人的需求[2]。

3设计和实现控制系统软件

3.1实现NURBS插补依据系统给定的控制顶点、节点矢量、权因子来对NURBS曲线进行确定,插补NURBS曲线的关键实际上就是利用插补周期范围内存在的步长折线段来对NURBS曲线进行逼近,因此,想要实现NURBS插补就需要切实解决密化参数和轨迹计算两方面内容。第一,密化参数。实际上就是依据空间轨迹中给定的补偿来对参数空间进行映射,利用给定步长来计算新点坐标和参数增量。第二,轨迹计算。实际上就是在具体体现空间回轨迹的时候合理应用参数空间坐标进行反向映射,以便于能够得到对应的映射点,也就是插补轨迹新点坐标。为了有效提升插补实时性以及速度,需要进行预处理,确保可以降低计算量。通过阿当姆斯算法,有机结合前、后向差分来进行计算,保障能够防止计算隐式、复杂的方程。为了确保可以有效地进行插补计算,设计过程中通过Matlab平台进行仿真处理[3]。3.2实现ARM工控机基于ARM工控机来展现六自由度工业机器人运动控制系统的软件,实际操作中开发软件环境是首要问题,把Linux系统安装在FreescaleIMx6中,构成ubuntu版本的控制系统,并且系统中移入嵌入式Qt,并且在ubuntu中移入DMC控制器中的Linux库[4]。利用图形用户界面来设计软件,构件主体框架的时候合理应用QMainWindows,为了能够全面实现系统所有模块的基本功能,需要合理应用QDialog、QWidget类,通过Qt信号、配置文件、事件管理、全局变量等来展现模块的信息交流功能。控制软件系统包括以下几方面内容：第一,文档管理模块。文档管理模块能够保存文件、重新构建文件,是一种可以被DMC-2163解析的文档二字符指令集,以便于能够简单控制代码测试机器人的轴[5]。第二,与下位机通讯模块,这部分实际上就是通过DMCComandOM函数来对编码器数值进行关节转角数据的获取,计算运动轨迹的时候应用正逆运动学,同时利用DMCdownloadFile()函数,在控制器中下载运动指令。第三,人机界面模块。这种模块主要就是用来更新和显示机器人运动状态的,此外也能够设置用户输入的数据,保障能够实时监控和控制机器人的.基本情况。第四,运动学分析模块,在已经获取末端连杆姿态和位置的基础上,来对机器人转角进行计算的方式就是逆解。在已经计算出关节转动角度的基础上,来对空间中机器人姿态和位置进行求解的方式就是运动学正解。机器人想要正确运行的前提就是运动学分析模块,并且对机器人目标点是否符合实际情况进行分析,保障能够及时更改错误。第五,轨迹规划模块。这种模块可以为完成基本运动作业提供依据,不仅可以完成圆弧运动和直线运动,也能够进行NURBS插补,保障能够自由地进行曲线运动。第六,机器人在完成十分复杂的再现和示教操作的时候,利用再现模式界面来对示教动作进行自动操作。第七,设置系统。设计的过程中应该对系统进行合理设置,如限制运动权限、进入系统的密码、机器人系统参数等。在设置系统参数的时候,能够在六自由度工业机器人中来实现控制系统软件的基本作用,以此来保障控制软件系统设计的通用性。第八,状态显示模块。这种模块可以具体显示完成作业的进度、机器人安装的姿态和位置、控制器I/O。第九,设置机器人参数,一般来说主要包括伺服驱动倍频比/分频比、运动学DH参数,六自由度工业机器人设计结构取决于DH参数;机器人DMC控制卡输送单个脉冲过程中的关节转动角度取决于倍频比/分频比[6]。3.3运行系统软件软件控制系统设计中成功测试各模块以后,在程序主框架中进行合理应用,以便于设计实现机器人系统。成功测试系统软件以后具备运动控制系统的基本功能。

4结语

综上,在基于目前已经存在的六自由度机器人系统上来设计运动控制系统,嵌入式ARM工控机和DMC-2163控制卡是硬件系统设计的关键。在Ubuntu的基础上构建Qt平台,此时合理科学地设计软件系统。此外把NUBRS插补计算方式融入到控制系统中,保障在轨迹空间中机器人末端能够形成自由曲线轨迹。运动控制系统为机器人提供图形界面,能够为系统运行提供比较好的扩展性、高通用性,并且操作也十分方便,因此这种运动控制系统应用具备广阔的前景。

参考文献

[1]张鹏程,张铁.基于矢量积法的六自由度工业机器人雅可比矩阵求解及奇异位形的分析[J].机械设计与制造,(8):152-154.

[2]张鹏程,张铁.基于包络法六自由度工业机器人工作空间的分析[J].机械设计与制造,(10):164-166.

[3]倪受东,丁德健,张敏，等.视觉功能六自由度工业机器人的研制[J].制造业自动化,,34(24):1-4,9.

[4]吴应东.六自由度工业机器人结构设计与运动仿真[J].现代电子技术,(2):74-76.

[5]田东升,胡明,邹平，等.基于ANSYS的六自由度工业机器人模态分析[J].机械与电子,2012(2):59-62.

机器人的控制系统论文篇2

一、清洁机器人结构

清洁机器人结构如图1所示, 主要包括:刮板[1-3], 上喷头[1-4], 滚筒式海绵刷[1-11], 滚筒式毛刷[1-7], 下喷头[1-8], 污水收集处理箱[1-13], 滚筒式海绵刷安装有直流电机[1-5], 滚筒式毛刷安装有直流电机[1-9], 小车体[2-1]下装4个万向轮, 两个后轮上各装一个步进电机[2-5], 固定在小车体车座后端上的两个支座, 通过轴承座支撑滚筒[2-9], 滚筒轴安装有蜗轮蜗杆减速电机[2-2], 滚筒轴的一边安装旋转电接头[2-11], 另一边安装旋转水接头[2-10], 小车体的两侧边缘设有导轨[2-6], 支撑架[2-4]架设在导轨上, 支撑架[2-4]的前上边缘两边及中间设有3个定滑轮[2-3], 钢丝绳[1-1]绕在滚筒[2-9]上, 通过上边缘两边的两个定滑轮[2-3]连接到清洁机构, 水管和电线[1-2]也绕在滚筒[2-9]上, 通过中间的定滑轮[2-3]连接到清洁机构, 小车体车座的中间且垂直于滚筒[2-9]方向的位置安装有电机[2-8], 电机[2-8]通过丝杆[2-7]与支撑架[2-4]后下缘连接。

二、控制电路

1. 电压转换。

由于电路中所用到的电压有:380VAC、220VAC、24VDC、5VDC, 而供电电源是380V的三相电, 所以必须设计一个电源转换电路以满足各部分的电压需求。电压的转换如图2所示。380V电源给变频器供电, 变频器控制三相异步电机;380V电源经过380V/220V变压器后转换成220V交流电, 作为交流电机、风扇和水泵的电源;220V电源经过220VAC/24VDC开关电源转换后变成24V直流电源, 作为直流电机的电源;24V电源经过7812/7805之后变成5V直流电源, 作为单片机等弱电控制板的电源。

2. 单片机控制电路。

现今, 一般都是采用交流接触器来对三相异步电机控制。为了提高效率, 本控制电路并没采用这种电路设计, 而是引入了变频器, 设计了一种更方便、更高效、更稳定的控制方式。通过对变频器的控制来控制三相电机的正反转, 当工作在清洗状态时, 清洗机构的下降速度相对较慢;但是, 当工作在其他状态的时候, 即清洗机构上升过程中, 上升的速度适当地提高了;而且电机的启动都是经过了低速、中速、高速之后才到达设定速度的, 启动平稳性较好, 有效地保护了电机。其控制电路的逻辑图如图3所示。

单片机接收按键、无线控制模块的信号, 光电隔离电路将强电与弱电隔离开以保护单片机, 单片机将接收到的信号进行处理后, 经过光电隔离装置通过继电器1、2控制变频器, 进而控制蜗轮蜗杆减速电机[2-2]的正反转, 从而控制清洗机构的上升和下降;通过继电器3、4控制直流电机[2-8]的正反转;通过继电器5、6控制水泵和风扇[1-6]。

(1) 键盘控制模块。键盘采用3行2列的矩阵式按键设计与单片机相连, 如图4所示。其中K1、K2、K3、K4、K5分别表示三相异步电机正转、三相异步电机反转、交流电机和风扇启动、直流电机正转和直流电机反转, K6为预留按键, K7是停止键, K7按下后单片机复位, 整个机器停止工作。键盘的3列通过与非门电路接到单片机的P2.3脚, 当有键按下时, 触发单片机的外部中断0, 在去除按键抖动后判断是否有键按下, 如果有键按下则单片机执行相应的指令。

(2) 无线控制电路。无线控制模块由无线发射和无线接收两个模块。发射部分采用编码芯片PT2262和DF数据发射模块, 接收部分主要由解码芯片PT2272、DF接收模块组成。其工作频率为315MHz, 采用FM方式调制。

PT2262/2272是台湾普城公司生产的一种CMOS工艺制造的低功耗低价位通用编解码电路, PT2262/2272最多可有12位 (A0-A11) 三态地址端管脚 (悬空, 接高电平, 接低电平) , 任意组合可提供531441地址码, PT2262最多可有6位 (D0-D5) 数据端管脚, 设定的地址码和数据码从17脚串行输出, 可用于无线遥控发射电路。

编码芯片PT2262发出的编码信号是由地址码、数据码、同步码组成的一个完整码字, 解码芯片PT2272接收到信号后, 其地址码经过两次比较核对后, VT脚才输出高电平, 与此同时相应的数据脚也输出高电平, 如果发送端一直按住按键, 编码芯片也会连续发射编码信号。

(3) 光电隔离电路。为了保护单片机, 必须把单片机与强电部分隔离开来, 因此在电路中设计了光电隔离电路, 在单片机与强电中间加上TPL521光耦。单片机信号从输入端输入, 当单片机输出低电平时, 经过反相器, 变成高电平, 光耦导通, 光耦输出端为高电平, 驱动负载。光耦有效地实现了强电和弱电的隔离, 有效地保护了单片机。

(4) 三极管和继电器电路。光耦输出端接NPN型三极管, 当单片机输出低电平时光耦输出高电平, 三极管导通, 继电器吸合, 从而相应的负载工作。为了防止单片机在复位时输出高电平, 使得三极管导通, 导致继电器吸合电机运转, 在单片机与光耦之间加了74LS04反相器, 这样, 单片机只有低电平时才能使三极管导通, 单片机复位不会使电机工作。

(55) 三相异步电机正反转控制电路。三相电机正反转的速度不一样, 转速通过变频器来调节。电机正反转速度由变频器参数设定。

机器人的控制系统论文篇3

关键词：足球机器人；C8051F单片机；PWM；无线通信；PID控制

0引言

机器人足球比赛是继计算机象棋出现后的人工智能发展的第二个里程碑。从1997年至今，国际机器人足球联合会(FIRA)已经成功举办了多届机器人足球世界杯比赛。虽然历史不长，但由于集高新技术、娱乐、比赛于一体，所以引起了众多学者的广泛关注和极大的兴趣。

足球机器人小车子系统作为整个系统的执行机构，其性能好坏对整个系统起着至关重要的作用。早期微型足球机器人小车子系统多采用MCS-51作为主控CPU，这基本可以满足一般训练和比赛的要求，但同时也暴露出很多问题，例如运算速度太慢、控制精度不够、电路分立元件太多导致可靠性降低以及经常出现故障等等。随着硬件水平的不断提高，越来越多的国内外队伍纷纷选用更加高性能的解决方案。如采用DSP方式，可以提高机器人的运算速度和控制精度。但是由于DSP结构复杂，采用这种方式的同时也为电路的设计和后续的开发工作带来了很大的困难。

本文选用Cygnal公司推出的C8051F系列高速单片机。这种单片机结构简单，性能与DSP相近，而且其指令集与51系列单片机兼容，开发工作简单。

1机器人控制系统硬件构成

我们的微型足球机器人小车子系统由CPU控制单元、电机驱动单元、鉴向和速度检测单元及无线接收单元等组成。

(1)CPU控制器(单片机)采用Cygnal公司的高速单片机C8051F。该单片机可以硬件生成PWM，占用CPU资源很少；具有高性能的指令系统并且可以和c语言进行交叉汇编，为设计各种控制算法提供了广阔的空间。

(2)驱动单元选用电机驱动专用芯片L298。L298是双H桥高电压大电流集成电路，可用来驱动继电器、线圈、直流电动机和步进电动机等电感性负载。

(3)鉴向和速度检测单元在机器人足球比赛过程中，左、右轮电机快速旋转而且频繁换向。所以要对小车进行精确控制，必须对电机的旋转速度和运行方向进行精确检测。

(4)无线接收单元采用低功耗超高频数据收发模块NRF2401。这款通讯模块使用方便、易于编程。它有着自身巨大的应用价值，价格低廉，性能稳定，是我们开发嵌入式系统的友好伙伴。

其中：编码器和电机集成在一起。

机器人的控制系统论文篇4

摘要：介绍了一种用于Robocup F-180小型组足球机器人比赛的无线通信系统的设计。包括发送端和接收端系统的硬件设计和实现及其软件设计。给出了一种适应于这套系统的通信协议，包括物理层的编码设计、纠错编码设计和帧结构设计。

关键词：串行通信无线通信机器人

足球机器人是一个极富挑战性的高技术密集密集型项目，融小车机械、机器人学、机电一体化、单片机、数据融合、精密仪器、实时数字信号处理、图像处理与图像识别、知识工程与专家系统、决策、轨迹规划、自组织与自学习理论、多智能体协调以及无线通信等理论和技术于一体，既是一个典型的智能机器人系统，又为研究发展多智能体系统、多机器人之间的合作与对抗提供了生动的研究模型。它通过提供一个标准任务，使研究人员利用各种技术获得更好的解决方案，从而有效促进各个领域的发展。其听理论与技术可应用于工业生产、自动化流水线、救援、教育等实践领域，从而有效推动国家科技经济等方面的发展。机器人足球从一个侧面反映了一个国家信息与自动化领域的基础研究和高技术发展水平。

目前，国际上有机器人足球比赛分为两大系列――FIRA和Robocup。本文所要论述的系统所应用的F-180小型足球机器人比赛就是RoboCup系列中应用较广泛的一种。

F-180小型足球机器人足球比赛的示意图如图1所示，比赛双方各有5名机器人小车在场上。足球机器人系统在硬件设备方面包括机器人小车、摄像装置、计算机主机和无线发射装置；从功能上分，它包括机器人小车、视觉、决策和无线通信四个子系统。

(本网网收集整理)

其中无线通信系统是衔接主机和底层机器人不可缺少的一环，它必须保证从主机端到机器人底层之间的数据传送是可靠的，从而使得机器人比较能够顺利流畅进行。由于比赛双方都有多个机器人同时在场地上跑动，要求无线通信有一定的抗干扰性。无线通信系统的性能相当程度上直接影响着机器人的场上表现。

1 系统的设计及实现

比赛中从摄像头来的视频信号经过计算机处理之后得到控制小车用的数据信息，而无线通信系统的就是将这些数据信息及时准确地送达场上的每一个机器人小车，系统采用广播方式，各机器人根据特定标志识别发给自己的有用数据，从而进行决策与行动。整个系统的框图如图2所示。

1.1 发送端的硬件设计

发送端主要用PIC16F877单片机实现编码和对发射机的控制，计算机通过串行口发送数据，经过PIC16F877编码后再通过PTR3000无线通信模块将数据发送出去。

所采用的PIC16F877单处机是MICROCHIP公司推出的8位单片机。采用RISC指令系统和哈佛总线结构，最高运行的时钟频率可达20MHz，因而指令运行速度快。它有很宽的工作电压范围，可直接与3.3V的PTR3000无线通信模块配合使用。

TR3000无线数据收发模块是一种半双工收发器，采用NORDIC公司的nrf903无线收发芯片，工作频率采用国际通用的.数传频段ISM，频段915MHz，工作频率可以在902MHz～928MHz可变。采用GMSK调制，抗干扰能力强，特别适合工业控制。灵敏度高，达到-100dBm，最大发射功率+10dBm，工作电压为2.7V～3.3V。它最多有169个频道，可满足需要多频道的场合，最高数据速率可达76.8kbps。因而完全可以满足小型组机器人通信的数传速率与距离的需要。

本系统中PIC16F877就是采用20MHz的时钟信号，能够满足即时收发数据以及编码的需要。整个系统中包含两种电源，无线通信模块的电源为3.3V，而MAX232又需要+5电源。信号线的连接也要考虑两种电平的匹配问题，在必要的地方要加上电平转换电路。

首先单片机要接收来自计算机端的数据，计算机串口输出的信号经过MAX232由232电平转换为TTL电平。但是由于单片机采用3.3V电平，因而MAX232输出的信号需经过电平转换才能输入单片机，电平转换可以采用TI公司提供的典型电平匹配电路（见图3），也可采用74LVCXX系列逻辑门来转换。

由于PIC16F877只有一个异步串行口，因而要通过16C550通用同步异步收发器（USART）芯片来扩展一个异步串行口。这样就可以保证从计算机串口输出的数据与无线通信的数据速率不同，从而使原始数据经过通信编码及打包数据量增加之后也能及时传送，并且在必要时也能将接收数据送回计算机端，实现半双工通道。系统的电路图如图4。从图4可以看出PIC单片机采用并口对16C550进行初始化配置。由于16C550共有10个寄存器，且占用了8个地址，因而PIC单片机用RA0、RA1、RA2三个通用I/O口做地址线选择16C550的各个寄存器。单片机可以不断通过RB1、RB2引脚检测TXRDY、RXRDY信号获知ST16C550是否接收到数据，还是已经发送了数据。还可以通过把16C550设置成中断方式使每接收到一个字节数据便产生一次中断使INT信号有效，单片机进入中断处理程序，从而使单片机的执行效率更高。

单片机通过自带的异步串行口输出数据到PTR3000通信模块。由于nrf903芯片接收和发送数据共用一个引脚，因而需要其他电路来解复用。最简单的方法就是在单片机的TX引脚先接一个10kΩ的隔离电阻，再与RX和PTR3000的DATA引脚相连。但是这种方法有两个缺点，它会造成发送的数据串入到单片机的接收引脚中，另外发送信号的驱动能力受到了极大的限制。因此，本系统采用了74HC244三态缓冲器作为隔离（见图4中虚线框内所示），并且通过单片机的RB4控制收发状态，因而在半双工方式下发送信号与接收信号可以互不干扰地传送。

对于通信模块工作状态的控制主要包含表1所列的这几个信号，通过单片机的普通I/O口即可控制。

表1 PTR3000工作工作模式配置表

PTR3000工作模式STBYPWR-DWNTXENCS正常工作:接收0000正常工作:发射0010掉电模式01XX待机模式10XX

1.2 发送端的软件设计

当系统复位时，单片机首先要对PTR3000无线通信模块和16C550的寄存器进行编程初始化。PTR3000的初始化编程是通过同步串行信号进行的，总共有三个信号CFG_CLK、CS和CFG_DATA，分别连接到单片机RC3、RB7、RC5引脚。PIC16F877单片机本身就有同步串行口功能模块，但是由于PTR3000的同步串行数据位为14位，并非整数字节，而且14位数据必须一次初始化完成，因此实际通过普通的I/O口编程来实现这14位的同步串行信号更方便一些。在整个初始化期间CS信号必须一直为高电平。这14位初始化字的定义见表2。在初始化同步串行信号输出时最高有效位在先。在对PTR3000编程前先其状态为接收状态以免在其他频率造成无线干扰，编程完成后就可以将状态改为发射状态了。

表2 PTR3000初始化控制字各位定义

Bit参数名称符号

参数

位数0～1频段FB必须为了10(表示为选择频段915±13MHz)22～9频点CHf=902.1696+CH・0.1536(MHz) 10～11输出功率POUT发射功率≈-8dBm+6dBm・POUT212～13时钟分频输出Fup“00”=>Fup=fxtal

“01”=>Fup=fxtal/2

“10”=>Fup=fxtal/4

“11”=>Fup=fxtal/82

接下来对16C550的初始化设置。由于PIC16F877自身的并行口对16C550进行初始化编程设置各个寄存器，需要注意的只是在输出每一个字节之前先要通过RA0～RA2输出相应字节的地址信号。在初始化设置时将16C550的波特率设置低于76.8kbps，以保证接收的数据能够通过PTR3000即时发送。

1.3 接收端的硬件设计

接收端装在每个机器人小车上，由于机器人小车的控制采用DSP控制器TMS320LF2407，因而在接收端PTR3000无线通信模块就采用TMS320LF2407来控制。通过PTR3000接收的数据直接输入DSP，由DSP进行解码，从而做出决策和发出控制信号。因而无线通信系统的接收端电路相对发送端要简单得多，只需用TMS320LF2407代替发送电路中的单片机与PTR3000模块相连接即可。PTR3000的初始化编程也就由2407的普通I/O口来实现，只不过在初始化编程之后依旧保持PTR3000处在接收状态。

2 协议的设计

2.1 物理层的编码设计

物理层的编码设计要根据所采用的物理器件和物理信道的特性来决定。本系统采用PTR3000无线通信模块在接收模块中为了获得0直流电平就需要在所传输的数据中逻辑“0”和逻辑“1”的数量相等。只有满足上述条件接收部分才会获得很高的接收正确率。长时间空闲也会导致接收部分的0直流电平漂移，因为长时间的空闲实际上一直发送的是逻辑“1”。

由于PTR3000的这些特性，很自然就想到采用曼彻斯特编码（Manchester）（也称为数字双向码（Digital Biphase）或分相码（Biphase,Split-phase）。它采用一个周期的方波表示“1”，而且它的反向波形表示“0”。由于方波的正负周期各占一半，因而信号中不存在直流分量。在异步串行通信中有一个起始位“0”，因此将停止位“1”长度也设为一位，这样在一个字节共10位信号中也就不存在直流分量了。只是加了曼彻斯特编码之后原来一个字节的数据现在要两个字节才能传送。

图4

有一些数字节，不会在进行曼彻斯特编码之后的数据串口出现，但是在一个字节中也具有0直流分量的特性，也有很高的接收正确率。这类数据字节如：0xF0、0x0F、0xCC、0x33等。从码型看来其中0xF0码型定时性能是最好的（其码型见图5），它很容易使异步接收器达到同步并且不会发生错误。由于0xF0的这种特性就可以用它做同步码元，在空闲的时间内通信系统就通过一直发送同步码元，使接收端保持同步，而且也可以保持接收模块的0直流电平状态。

2.2 纠错编码设计

为了在有一定外界干扰的情况下，保证主要与机器人之间的无线通信依然稳定可靠，必须采取一定的抗干扰措施，这可以采用纠错编码来实现。可以选择纠错编码方案有（14，8）分组码、（7，4）分组码和循环码，需要使用两字节的长度发送一字节的有效信息；（5，2）分组码和循环码，交错码、（21，8）分组码和缩短循环码、（21，9）BCH码、（21，12）BCH码，需要使用三字节的长度发送一字节的有效信息。

系统中使用了（7，4）分组码，并在实际中取得了较好的效果。它的构成方式如下：

假定不做任何处理的原码格式为：

其高四位的监督码为：

A2A1A0

其低四位的监督码为：

B2B1B0

则编码后成为两个byte长度：

1X7X6X5X4A2A1A0 0X3X2X1X0B2B1B0

其中每个字节的最高位作为标志位，用于表示高四位和低四位，高四位用“1”做标志，低四位用“0”做标志。接收端通过检测标志进行重组和解码。对于译码基本方法有维特比译码和使用监督矩阵译码，可根据具体的编码方案灵活选用。

2.3 帧格式设计

一般数据帧包括帧头、机器人标识、数据、数据校验、保留字节等内容，通常按照下面的格式排列：

帧头机器人标识数据保留字数据校验

为了保证帧能够准确接收，帧头的设计至关重要。一般帧头需要两个或两个以上的字节，并且应该选择数据中出现几率较低的数值和组合。在这个系统中可以采用一般数据中根本不会出现的数据字节如0xF0、0xCC作为数据帧头。而其它类型的帧（如开球或暂停等命令帧），则可以选择在0xF0之后加上其它的字0x33、0xC3、0x3C、0x0F等构成。这种帧头组合在一般的数据中是不会出现的，因而可保证帧同步不会出错。场上的每个机器人通过数据帧中的机器人标识来识别属于自己的数据，由于场上只有5个机器人，因而机器人标识只占用一个字节。

这套通信系统采用了PTR3000无线通信模块进行无线传输，并运用了单处机的编解码使这套系统工作更加稳定可靠，使数据通信及时正确地传送到场上的每个机器人，完全满足小型组足球机器人比赛的通信速率和正确率要求。

机器人的控制系统论文篇5

关键词：工业机器人；开放式控制系统；实现方法；发展展望

伴随德国工业4.0与战略中国2025计划的提出，传统制造业也面临改革和升级，以机器为主导的自动化设备越来越受欢迎。制造业要求机器人更强的柔性与开发性，能够与工业生产中不同的设备通过总线或者以太网连接到同一网络平台，以形成一套综合控制系统。但是就目前的状况来看，不同厂家的机器人控制系统只遵循相关厂家的要求和标准，采用封闭的编程语言与控制器，用户在根据需求进行调整中遇到的困难是极大的，因此工业机器人开放式控制系统的研究成为了国内外科研机构研究的重点。

一、工业机器人控制系统

工业机器人控制系统以机器人为核心，机器人由机器人本体、控制系统、驱动以及传感器组成。由此可知，硬件和软件组成了工业机器人控制系统，它依据指令和传感器对机器人进行控制，促使其完成规定动作或任务。工业机器人控制系统主要由主控单元、执行机构以及检测单元组成。作为整个系统的核心，主控单元主要对机器人进行运动学的计算、运动规划以及插补计算等，将用户的运动控制指令传输到执行机构。由于工业机器人的所有动作指令均来源于控制系统，因此控制系统在很大程度上限制了工业机器人的开发性。

二、开放式机器人控制系统

现阶段来说，工业机器人控制系统的开发性还没有较为严格的定义，从IEEE对“开放”的官方定义来看，开放系统应满足系统的应用可以在不同的平台之间移植，与其他应用系统相互交互，为用户提供一致的交互方式[1]。对于开放式控制器来说，它应具有接口标准化、模块化的开放式结构，使得用户只要具备简单的机器人知识就可操作机器人，不必深入了解机器人的内部结构，以便在工序发生变化时用尽量少的时间和代价修改系统，以满足新的应用。

三、开放式控制系统的实现方法

1.开放式控制系统的硬件实现方法开放式控制系统硬件结构主要包括基于PC总线系统和VME总线系统，由于PC开放性强、软件环境开发优良、通讯功能良好及成本低廉，它成为了大部分机器人厂商机器人开放式控制系统的主要研究和开发对象。其硬件实现方法有以下四种：一是基于“PC+运动控制卡”，优势表现在对PC实时性要求低，具备开发性等，但是对运动控制卡要求较高，同时还需搭配DSP；基于“IPC+运动控制卡”，优势在于影响更为简单，整体也更为紧凑，在具有开发性的基础上还具有兼容性，与前者的区别在于更能缓解控制卡的数据处理压力，此种模式下工控机与运动控制卡有明确的分工；基于PLC的控制系统，在硬件连接方面十分简单，同时具有强大的联网功能，以实现对多机器人的监控；最后基于“通用PC+工业实时以太网”的控制系统，控制效率高，且可拓展性极强。2.开放式控制系统的软件实现方法就目前来说，在开放式控制系统的软件实现方面，大部分机构均是以硬件开放式架构为基础，利用开放式纯软件控制技术来实现的。纯软件控制技术多运行于工控机上Windows或Linux环境下，所有的运动控制运算与逻辑运算都由软件本身的内核完成，硬件仅仅负责I/O信号的传输[2]。此时便可选择高性能的伺候网络来构建伺候通讯平台，方便的接入多个机器人，以实现对多机器人的控制。

四、开放式控制系统的发展与展望

工业管道机器人系统介绍篇6

1.管道机器人介绍

管道机器人根据不同的驱动方式大致上风为八类：

1.流动式机器人，这类机器人没有驱动装置，只是随着管内流体流动，属于不需要消耗能源的被动型机器人，但是其运动模式相当有限。

2.轮式机器人，这一类机器人广泛运用于管道检查工作，目前许多的商业机器人就是这一类型。3.履带式机器人，即用履带代替轮子。

4.腹壁式机器人，这类机器人通过可以伸张的机械臂紧贴管道内壁，推动机器人前进。

5.行走式机器人，这类机器人通过机械足运动，但是这类机器人需要大量驱动器，并且难以控制。

6.蠕动式机器人，这类机器人像蚯蚓一样通过身体的伸缩前进。

7.螺旋驱动式，即驱动机构做旋转运动，螺旋前进。

8.蛇型机器人，这类机器人有许多关节，像蛇一样前行。

目前市场上运用最多的就是轮式管道机器人，广强机器人研发了蛇形机器人可适应复杂弯曲多的管道。

广强管道机器人功能齐全，款式多样，适用于100mm-2000mm内径的各类管道，适用于于管道检测、矿井检测勘探、隧道验收、地震搜救、消防救援、灾害援助、电力巡检、反恐排爆、军事侦查、高温、高辐射、有毒环境等，通过分析，出具报告，可作为工程项目的检测、勘探、验收、养护、建设及投资等依据。

2.管道机器人系统组成工业管道机器人由摄影机、灯光、电线及录影设备、摄影监视器、电源控制设备、承载摄影机的支架、牵引器、长度计算器组成1.爬行器：运用爬行系统将摄像设备推进至管道内部，有摄像系统拍摄管道内部摄像，并适时将影像传送至控制台。爬行器可以前进、后退、转向、停止、速度调节；

2.镜头：镜头坐可以抬升、下降、调节灯光；镜头也可以水平或垂直旋转、调焦、变倍、前后视切换等。

3.控制器：CCTV的核心操作系统，负责发出控制指令（爬行系统前行、倒退、摄像系统灯光等）；在检测过程中主控制器可以实时显示、录制镜头传回的画面和信息（机器行走的距离、姿态等）状态。控制器是可以键盘录入信息。

4.电缆盘：用来传输机器人探测信息的，负责传送爬行设备指令、适时影像数据

3.管道机器人的驱动方式

广强管道机器人主要驱动方式有轮式驱动和蛇形的适用于100mm-2000mm 管道检测，电动升降架，落差可达200mm；

爬行器工作电压48V，最大输出功率180W，最大负载200公斤；

可以深入管道200米；

爬行速度0-40M/分钟，六轮驱动，拖力200kg；

最大爬坡能力50°;

最大功率为90W，光照强度为1500cd;

爬行器双马达可左右转弯。

4.管道机器人应用前景

工业管道机器人主要应用于管道检测、矿井检测勘探、隧道验收、地震搜救、消防救援、灾害援助、电力巡检、反恐排爆、军事侦查、高温、高辐射、有毒环境等，通过分析，出具报告，可作为工程项目的检测、勘探、验收、养护、建设及投资等依据。

工业管道机器人在国外应用已经很广泛也很熟练，在国内是近几年发展起来的，国内管到由于前期管理和维护的不是很全面存在很多问题。因此，管道机器人在国内的发展还是有很大前景的。

一种类人机器人控制系统的设计篇7

随着智能机器人技术和分布式人工智能的发展,类人机器人足球比赛迅速兴起,成为一种高科技对抗活动,是机器人和人工智能领域最具挑战性的研究课题之一[1]。因为参加类人机器人足球比赛的每个机器人都有各自独立的视觉及决策系统,所以该比赛比其他比赛更具可观性和挑战性。在机器人的整个控制系统中,决策系统是最核心的部分,也是决定比赛成败的关键所在[2]。

1 系统平台介绍

当前,类人足球机器人控制模块的硬件结构主要有4种:(1) PCI04与微处理器结构;(2) DSP处理器结构;(3) FPGA与DSP结构;(4) ARM与DSP结构。

考虑设计方案的开发成本、实现难度以及控制实现效果,选择第4种以ARM和DSP为组合的控制结构[3]。系统采用分布控制方式[4],主要包括主控制器和运动控制器,主控制器用来处理图像信息以及机器人当前运动情况,并把结果下发给运动控制模块。运动控制器则执行机器人各种动作,包括步态调整,姿态控制等。

主控模块的设计如图1所示,采用三星ARM9核心S3C2440 (主频400MHz),操作系统使用Linux 2.6内核。内存为64MB的RAM和128MB的ROM,完全可以满足移植到Linux操作系统的应用软件的运行要求。JTAG用于与计算机调试,USB用于连接摄像头和计算机,并支持WiFi无线通信方式(对机器人进行远程控制)。主控制芯片与运动控制模块采用CAN总线的方式进行通信,通信速率可达1Mbps,完全保证满足主从模块间机器人步态控制命令的传送和传感器信息传送的要求。

运动控制模块采用TI的用于控制的TMS320F2812实现,如图2所示。除满足DSP工作必须的电源及时钟外,外围扩展SRAM及SPI Flash用于存储步态及传感器数据,CAN总线用于与主控模块通信;选用RS485接口芯片、半双工TTL接口芯片与舵机通信(机器人共有21个自由度,每条腿各6个,每条胳膊各3个,头部2个,髋关节1个,每个自由度均由舵机构成);JTAG接口用于在线编程及调试;倾角计用于检测机器人自身状态。

主从控制模块之间采用CAN总线技术进行通信,传感器模块集成在运动控制模块里,通过运动控制模块间接与主控模块通信。上下位机之间的数据通信一般采用RS232或者485技术,当面对复杂、快速数据交换时,就会显得力不从心,由于直接传送的是数据,对干扰非常敏感,数据容易损坏。而CAN总线通信使用的是短帧报文结构,传输速度快,具有高度可靠性。模块间采用标准帧(11位的标志符)进行通信,各位定义为:D4～D0,节点标志,主、从模块节点标志为00000和00001;D7～D5,定义需要传输的数据类型,如表1所示;D10～D8,帧计数有时数据长度会超过8个字节,必须分为几个帧才能传完,比如直接下发各关节控制数据,所以要对其计数。

2 控制系统设计

机器人完成各种动作或行为的前提是,明确赛场各目标的位置,包括球、球门、球柱等等,而目标的获取只能是通过其自身传感系统得到,因此,整个控制系统就是一个从传感信息(视觉信息、倾角信息等)空间到动作行为空间的一个映射:

P:A→B (1)

其中,P表示整个决策控制过程;A为输入,即传感信息空间,定义为集合{SelfRobs, RivRobs, SelfGoal, RivGoal, Ball},分别表示敌我方机器人、球门位置和球位置;而B为输出,即机器人行为动作空间。

在此,把机器人的行为动作分为高、低两种层次。低层次动作表示简单动作,完成它只需一个动作序列;而高层次动作则是需多个低层次动作序列组合才可完成的复杂行为。动作行为空间B定义为集合:{ TurnL/R, SidleL/R, ShootL/R, FallDL/R, HeadL/R/U/D/RS, RevolveBallL/R, BallPassL/R, StandUp, WalkFor, …}。

其中,机器人低层次动作包括:TurnL/R,向左/右转动45°;SidleL/R,向左/右侧移一步;ShootL/R,左/右脚踢球;HeadL/R /U/D,头向左/右/上/下转动一次;FallDL/R,向左/向扑倒,将球挡在门外,用于防守;以及头部RESET动作HeadRS,将头部复位到无上下、左右偏转的初始状态。

机器人高层次行为包括:RevolveBallL/R,绕球左/右转,通过TurnL/R、SidleL/R组合实现;BallPassL/R,向左/右方传球,通过机器人TurnL/R、SidleL/R、ShootL/R组合实现踢球;StandUp,机器人碰撞摔倒后自动重新站立;WalkFor,机器人径直往前走,通过起步、中步、止步三个基本动作序列组合来实现。

2.1 视觉信息处理设计

集合A获取的方法,是通过识别和判断图像信息中物体的不同颜色。视觉传感器采集到的图像信息是基于RGB模型的,而单纯的三基色很难完成对不同目标的识别工作,因而采用HSV模型将RGB图像信息划分为色调(H)、饱和度(S)和亮度(V)三种属性,选取色调和饱和度作为识别和判断的依据。处理过程如图3所示,先调用RGB_HSV()函数将图像信息从三基色映射到HSV空间,再使用门限分割技术获取图像的二值图,此时要不断训练,随时更改门限参数;随后,经过labeling()标签化得到二值图,就可根据标签后的结果直接计算各个目标的特征参数,如面积、长度、弧度等[5]。最后,判别特征参数是否符合某一目标,即可识别到对应目标(球、球门、敌我机器人位置等)。

2.2 有限状态机原理

对于类人机器人控制系统的实现,目前处理方法主要有规划式和反应式:规划控制式方法不适宜于高度的动态环境,反应式方法虽然环境适应能力强,但完成复杂任务的能力较差,因此,采用基于有限状态机(FSM)的控制决策方法[6]。该方法既可以适应复杂动态的环境,又具有较快的反应特性,非常适合作为机器人控制系统的实现设计方法。

FSM是一种表示有限个状态以及在这些状态间的转移和动作等行为的数学模型。其状态存储的是过去的信息,转移表示的是状态的变更,动作则是在给定时刻进行的活动,反映的是一个系统从开始到现在时刻的输入变化。假定x(t)表示FSM的输入,s(t)表示状态,y(t)表示输出,那么图4就是转换示意图。

例如一个系统有三个状态,分别是状态S0、状态S1 和状态S2,系统的输入和输出都只有两种情况,情况0和情况1,那么,这个系统就可以用FSM来完全描述其转换过程,表2是用状态转移表来描述其工作原理。当三种状态的输入为情况0时,分别进入下一状态,S0转到S1状态,输出是情况0;S1转到S2状态,输出是情况1;S2返回S0状态,输出是情况1。而当输入是1时,各自状态保持,输出分别是1、0、0。表中n(t)表示当前状态,n(t+1)表示下一状态。图5是状态转换图,与表2对应,输入、输出用逗号隔开,这是FSM的两种描述方法。

可见,不管当前状态如何,只要给定输入逻辑,就能产生输出逻辑,并且进行状态切换。也可以根据情况,灵活更改状态转换的定义,对机器人控制系统来说,是一种非常理想的实现方法。

2.3 状态策略设计

机器人周围赛场的环境是不断变化的,有限状态机可以将这种不规则的变化映射成机器人实时反应的策略加以实现。若把有限状态机的各个状态对应成机器人不同的策略(动作的决策),组合成控制系统的状态策略库,就可以实现机器人的实时控制。以下介绍机器人基本状态的具体实现。

比赛中,机器人首先要做的就是找球,只有找到了球的位置,才能进行后续动作,因此,把找球定义为最基础的状态,即找球状态。该状态采用头部转动和身体转动组合的动作序列来完成,实现过程如图6所示,机器人从虚线Init处开始搜索,一直到End处结束。

机器人在某一位置(图中某一点处)头部按照低头、左转、抬头、右转、低头、左转的顺序进行动作,由HeadL/R/U/D基本动作序列组合而成。头部动作一次设为30度,上下动作幅度为90度,从平视到低头正对地面,低头动作需3次完成。左右旋转视野范围设为120度,旋转一次也设为30度,从最左端到最右端要动作4次。按照动作顺序,各动作序列的次数分别为2、3、4、3、2次。若在某一位置找不到球,就执行HeadRS复位动作和TurnR身体右转动作序列,右转设为两次,重复搜索。

找到球后,就会从找球状态进入接近球状态。接近球状态是由机器人径直前走WalkFor高层次动作完成,依据是传感器计算出的球与机器人的距离。

之后,就是射门状态。射门状态集中了球在机器人脚下且无对方球员阻拦以后的所有策略,整个过程如图7所示。

机器人首先抬头找门,如果看到球门并确定是对方球门,则直接进入身体调整状态;如果看到我方球门,说明对方球门在机器人后方,那么绕球旋转就可找到对方球门。假如头部平视且无左右旋转时没有看到球门,那么设定头部右转60°继续寻找;若还是找不到,头部就执行复位动作,同时左转60°继续寻找。倘若仍然无法找到,就需要获取角球柱信息来进一步判定球门位置。在寻找角球柱时,机器人头部采取左右各旋转60°的方法,也就是在120°的视野范围内进行搜索。若在120°的视野范围内看到的是同一方的角球柱,就再进一步分两种情况处理,一种是看到的是我方角球柱,那就和开始时一样,绕球旋转(右转)即可;另外一种是看到的对方角球柱,那就直接进入下一状态。若在120°的视野范围内看到的是两方的角球柱,同样分两种情况,若是右转看到己方,左转看到对方,机器人绕球左转即可;反之,则右转。

确定对方球门后,机器人就要自动调整身体到正视球门(头部无上下左右旋转)的状态;然后再次低头确定球没被抢走,还在脚下,此时才能准备射门,射门时头部要复位。

对于机器人传球、扑倒、重新站立等状态的实现就相对比较容易了,当有事件(逻辑输入)驱动机器人转入这些状态时,直接对低层次的动作序列进行组合就能达到目的。

2.4 真实环境实验

图8为基于FSM设计的控制系统在真实比赛环境中的实验,机器人首先进入找球状态(图(a)),球在机器人左方,机器人头部左转并低下时发现球;然后进入接近球状态(图(b)),接进球后就开始寻找球门,确认球没被抢走(图(c));最后,机器人头部复位决定用左脚射门(图(d))。机器人在完成各个状态切换的过程中动作平稳、及时,完成顺畅。

3 结语

经过实验和实际比赛表明,本文设计的类人足球机器人运行快速、稳定,能够及时跟踪目标完成定位,曾在2011年兰州举行的RoboCup类人组比赛中出色地完成了比赛任务,并获三等奖。但是,所设计实现的控制系统仍然局限在单机器人的决策控制中,并没有实现多智能体协作。今后将主要针对在动态、复杂环境下,多机器人间协作问题进行研究,开发出稳定、高效的多机器人智能控制系统。

摘要：类人机器人是多项高技术的集成,代表机器人的尖端技术,而机器人足球比赛是其技术的具体应用。针对RoboCup足球比赛,介绍一种机器人的上层决策系统的实现方法,硬件结构使用DSP和ARM组合,在此基础上使用有限状态机理论对单个机器人的决策进攻策略进行了详细研究。真实比赛环境中的实验结果验证了该实现方法的有效性,对多智能体协作的自主决策系统的研究也具有重要意义。

关键词：类人机器人,决策系统,有限状态机

参考文献

[1]高大志,张春晖,徐心和.机器人足球——智能机器人的新领域[J].机器人,1998,20(4):309-314.

[2]钟碧良.机器人足球系统的研究与实现[D].广州:广东工业大学,2002.

[3]徐燕华,李孝安,董荣和,等.低成本类人足球机器人控制系统设计[J].机械与电子,2007(12):66-69.

[4]钟华,吴镇炜,卜春光.仿人机器人控制系统的研究与实现[J].机器人,2005,27(5):455-459.

[5]Gong Y,Sakauchi M.Detection of Regions Matching Specified Chro-matic Features[J].Computer Vision and Image Understanding,1995,61(2):263-269.

服务型机器人控制系统设计篇8

关键词：服务；机器人；控制；科技

1.引言

随着社会的发展，科技水平的提高，机器人逐渐的走进我们的生活。生活中服务机器人备受人们喜爱。工厂巡检机器人的面孔，餐厅有送餐机器人，并且在一些大型的场所（商场、酒店、会所）也可以看到服务机器人的身影。服务型机器人在当前的社会是备受欢迎的。在互联网的时代下，机器人也可以受网络的控制进而提升它的功能，因此本文提出基于网络控制机器人设计思想。

2.总体方案的设计

本文提出利用网络控制系统来对机器人进行控制操作。其具有两种控制模式：一种是利用上位机的控制通过网络对机器人进行控制，另一种是利用语音模块通过语音识别算法来对机器人进行控制。而机器人的整体架构是基于总线控制思想进行设计的。

该控制系统架构采用设备、信息、控制三层总线控制模式，实现机器人控制系统功能设计，并利用相关的控制协议，分类、分级处理各种信息，满足模块化设计，简化系统结构和功能配置需求。

3.系统控制的基本原理

利用Labview上位机运用TCP/IP协议，通过局域网与主芯片进行数据传输，主芯片通过485的通讯协议对子芯片通信，实现对机器人的控制。机器人还可以检测当前环境信息，如温度、湿度等，并通过语音播报或直观的显示在该界面上。通过上位机的语音输入窗口，可以输入文字，并发送给机器人系统，使得机器人在紧急情况下可以通过控制人员的控制而说出相应的语句。在上位机的界面上有测试数据的输出窗口，可以得到下位机对上位机测试结果的反馈。

4.系统的软硬件组成

4.1硬件组成

系统供电是利用12V电源通过稳压芯片LM7805转换为5V电源供电使用。按照DC/DC变换的原理来设计电路，其电路图如图3所示。

4.2软件组成

根据机器人控制原理，软件系统主要由主程序、语音辨识、电机驱动、传感器程序四部分组成。主程序进行系统初始化，包括I/O口的输入或输出设定，语音辨识运行进行语音算法处理，电机驱动负责整个机器人的运动控制，传感部分负责环境参数测量。

4.3语音识别算法

语音辨识算法是本设计的核心部分，通过对语音算法的改进，本机器人系统在人机交互功能上有明显提升，更适合服务环境的应用。以下对机器人语音辨识算法进行分析。

4.3.1改进的维纳滤波器算法

由于语音信号是随机信号，若用一个固定的噪声谱去估计先验信噪比是不合理的。为解决这一问题，本文采用基于谱嫡及先验信噪比估计的改进维纳滤波器算法，此算法对带噪语音信号通过谱墒进行端点检测，并根据检测结果对无声段的噪声功率谱进行动态更新，从而得到期望的先验信噪比，提高除噪性能。改进维纳滤波器的算法流程图如图4所示。

4.3.2算法步骤描述

（1）预处理

输入带噪语音信号，将输信号进行分帧与加窗处理，利用谱减法降低噪声，以提高输入语音信号的信噪比。在起始阶段，算出前帧信号的噪声功率谱，做为动态估算的初值。

（2）端点检测

将噪音信号利用谱墒法进行端点检测，记录语音信号有声段的起始点和结束点。该步从源头上抑制噪声对语音识别系统的干扰，降低噪声对语音信号端点检测的影响。端点检测的阈值（Ts）可以通过下面的方法获得，即：

式3中α是一个经验值，通常情况下约等于1.25。如果检测结果表明，当前的输入语音帧是在有声段，则进入图4中的步骤（3），进一步对该帧信号进行降噪处理。如果检测结果表明，当前输入语音帧处于无声段，则进入步骤（4），对该帧信号进行噪声功率谱的动态更新。

（3）维纳滤波降噪

先估算当前帧的先验信噪比，再通过公式计算维纳滤波器的增益。然后将当前帧的功率谱乘以滤波器增益。即输出降噪后的语音信号，可通过降噪后的语音信号功率谱通过傅里叶逆变换得到。

（4）噪声功率谱更新

将当前帧数据与上一帧无声片段的数据进行加权处理，即

式4中，第一项是由当前帧数据估计的噪声功率谱，并且是用于调整当前帧与前一帧功率谱加权时权重的调整因子。显然，无声片段噪声功率谱的动态更新可通过上式的加权平均实现。

5.结论