基于ARM+DSP的小型地面移动机器人控制系统.doc

小型地面移动机器人是上一世纪90年代提出的一种新型的机器人,由于其在军事侦察、反恐防暴、防核化及污染等危险与恶劣环境作业中广阔的应用前景,使其迅速成为一个重要的研究热点。小型地面移动机器人具有体积小,成本低,生存能力强,运动灵活等特点。由于其应用场合特殊,所以特别要求这类机器人重量轻、体积小、能耗低、实时性好、操作实用可靠。
本文介绍了一种具有多运动模式的小型轮履复合式移动机器人,并结合危险环境下移动机器人的应用要求,对其控制系统的设计与实现进行阐述。
研制完成的小型地面移动机器人采用了轮履复合机构,如图1所示。这种机构为其提供了多种运动模式:轮式、履带式、腿式以及其它多种运动姿态,这为机器人在复杂环境中的运动提供了必要的机构保证。它不仅可以利用轮子进行高速运动,而且可以利用四个独立控制的摆臂实现爬越台阶、楼梯、凸台等越障运动。多种运动模式极大地提高了机器人的越障能力和环境适应能力。机器人控制系统采用了ARM+DSP结构的嵌入式控制系统以及遥控/半自主的工作方式,使得机器人工作更具实用性,而嵌入式控制系统则保证了控制系统重量轻,体积小、实时性好、可靠性高的要求。
控制系统功能要求
小型地面移动机器人的控制系统将硬件系统、传感器、驱动控制以及遥操作控制等综合起来,集成驱动、控制、传感和能源等于一体,首先要求具有小型化、轻量化的特点,因此要求控制系统尺寸小、重量轻、功耗低,能集成在机器人本体内。其次,实时性是对控制系统的另一个基本要求,对于在不确定环境下的信息采集、处理以及相应越障动作的规划与处理对机器人控制系统的实时性提出了更高的要求。另外,要实现一个全自主的移动机器人的运动控制将有诸多工程和技术方面的实际困难。遥控加半自主的工作方式是目前普遍采用的最实用的控制方式,是解决机器人智能发展水平与复杂任务要求之间矛盾的一条有效途径。为了在复杂环境中获取有效的信息,机器人必须配置各种类型的传感器。所以,针对机器人系统的作业性能要求,配备合适的传感器系统作为移动机器人的感知系统是非常重要的。
依据机器人系统的总体结构,整个机器人系统由移动平台、车载控制系统、遥操作系统和传感检测四大部分组成。对机器人控制系统的总体要求可归结为:
 接受高层的指令实现机器人运动; 实现机器人4个摆臂的独立控制和同步联动控制,并可以完成运动模式的切换与姿态控制;控制系统小型化、轻量化、操作灵活方便; 系统灵活性好,实时性高,具有良好的开发性和可扩展性;具有遥控半自主的工作方式; 具有视觉反馈功能;具有感知自身状态和环境的传感系统,为遥操作或机器人行为决策提供依据。
控制系统体系结构
系统组成
从系统角度看,移动机器人由近端操作人员、远端移动机器人和运动环境现场所构成,整个系统的组成示意图如图2所示,由此构成了人-机器人-环境三者相互紧密联系的一
个整体。
操作人员在遥操作端根据作业任务要求,通过遥操作平台的人机交互接口,借助反馈信息控制机器人完成特定的作业任务。远端机器人的反馈信息包括了运动现场的环境信息,如路面的起伏变化、障碍物状况、室内外环境状况等,也包括了机器人自身的位姿信息,如运动速度、加速度、各摆臂的关节角度变化、机器人本体姿态等,而操作人员依据终端反馈的信息,根据特定作业任务的要求发送操作与控制指令信息,控制机器人前进、后退、转向、摆臂摆动、切