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移动机器人数控技术和运动控制系统软件设计的介绍与分析
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移动机器人运动控制即控制机器人按规划的轨迹运动，控制的好坏对机器人的性能有着直接的影响。移动机器人运动控制器是移动机器人的执行机构，对系统平稳运行起着重要作用。世界各国都很重视移动机器人运动控制的研究工作，并且投入了大量的人力和物力。目前，轮式移动机器人常见的控制方法是双闭环控制移动机器人的左驱动轮速度和右驱动轮速度，其控制算法主要是PID控制算法和模糊逻辑控制算法。国外： PID控制是最早发展起来的控制策略之一。由于PID控制器具有简单而固定的形式，算法简单、可靠性高，在很宽的操作条件范围内都能保持较好的鲁棒性，能给设计人员提供一种简单而直接的调节方式，故在工业控制过程中，PID控制器是应用最多的一种控制方式。自1965年美国加利福尼亚大学控制论专家zadeh首次提出了用“隶属函数” 概念来定量描述事物模糊性的模糊集合理论以来，其理论和方法日臻完善zadeh 把模糊控制应用于自动控制领域，开辟了模糊控制理论及其工程应用的新时代。从90年开始，DSP（Digital Signal Processor）技术和FPGA（Field Programmable Gate Array）芯片技术在美国得到高速发展，出现了一批高性能低价格的DSP，这些 DSP的重要特性是它们的兼容性好而且浮点运算速度快，使运动控制器能够浓缩在第一章绪论一块PCISA／PCI控制卡上，而且每个伺服轴的更新速率可以达到20s，而FPGA芯片技术则使通过软件来更新硬件成为可能，如果将DSP和FPGA与PC相结合，则可充分利用现有的操作环境和资源，进一步降低系统的成本，增加系统的通用性。目前，国内外高级运动控制器大多做成了ISA／PCI插卡形式，这种插卡形式能充分地利用计算机现有的软件资源，总的看来，这种插卡形式的控制器功能强大，但结构也很复杂。从技术水平上看，国内的运动控制器（卡）落后于国外。目前国外的高性运动控制卡主要有：美国PMAC运动控制卡：应用领域涉及机器人、数控机床、雕刻机、旋转刀、 X-Y系统等各类自动化设备。日本三菱电机公司推出的第二代高性能Q系列运动控制器。主要特点有：体积小巧高速运动控制、配置灵活、SSCNET控制功能，Motion SFC编程，上位监控，可实现复杂的运动控制。但结构复杂，价格昂贵。英国BALDOR公司推出的各种运动控制卡：功能很强，她采用类似Basic的结构语言Mint，通俗易懂，编程比较容易。这种卡有总线型（PCL LSA），独立型（串口、USB），驱动集成型（步进、伺服）多种形式，可以满足不同应用领域的特殊需要。国内：在机器人运动控制器中，处理器件接受高层控制级的指令，计算和输出多路控制信号，协调各驱动轮，并对系统状态进行监控。目前，许多机器人的运动控制系统均采用专用的微处理器，如以DSP为核心的微处理器制作专用的主板，采用专用的编程语言，并将控制算法固化在EPROM中。运动控制算法是移动机器人运动控制的关键，由于PID控制器结构简单、参数易于调整，因此在移动机器人运动控制中得到了广泛的应用，但是移动机器人运动控制系统的模型在实际系统中存在控制参数难以调整、控制系统存在噪声影响等问题，即用传统的比例控制器己不能达到较好的控制效果。模糊逻辑法模拟驾驶员的驾驶思想，将模糊控制本身所具有的鲁棒性与基于生理学上的“感知一动作”行为结合起来，为移动机器人在未知环境中运动提出了一种新思路，模糊控制不需要建立数学模型，可以利用语言描述复杂的非线性系统，是一种基于非数学模型的控制方法，但是难以建立完善的推理规则。 1．3移动机器人的关键技术移动机器人技术是一种面向未来的现代化技术，机器人技术与网络技术、基因技术、通信技术、计算机技术等一样，属于高新技术。因此具有很多关键技术需要重点研究，以下内容主要介绍了机器人导航技术和多传感器融合技术。 4 轮式移动机器人运动控制系统研究与设计 1．3．1移动机器人的导航技术导航技术是移动机器人的一项核心技术之一。它是指移动机器人通过传感器感知环境信息和自身状态，实现在有障碍的环境中面向目标的自主运动。目前，移动机器人主要的导航方式包括：磁导航，惯性导航，GPS导航，环境地图模型匹配导航，路标导航，视觉导航，味道导航，声音导航，神经网络导航等【3卅。磁导航是机器人导航技术中比较成熟的技术，磁导航原理是在路径上埋设电缆，当电流通过电缆时会产生磁场，通过电磁传感器，对磁场的检测来感知路径信息，从而实现机器人的导航。该方法优点是抗干扰能力强，技术简单，实用，缺点是成本高，可变性、可维护性较差。惯性导航是使用陀螺仪和加速度计分别测量移动机器人的方位角和加速率，从而确定当前的位置，根据已知地图路线，来控制移动机器人的运动方向以实现自主导航。惯性导航的优点是不需要外部参考，缺点是它具有误差累加，不适合长时间精确定位。 GPS导航是一种以空间卫星为基础的高精度导航系统，适合室外全局导航与定位，但是它存在信号障碍，多径干扰等缺点。因而在实际中，它一般都结合其它导航技术一起工作。环境地图匹配导航是机器人利用传感器感知周围环境信息，然后构造局部地图，并与其内部事先存储的完整地图进行匹配，以确定自身位置，并根据预先规划的一条全局路线，采用路径跟踪和避障技术，实现自主导航，它一般要涉及到地图构造和地图匹配两大问题。路标导航就是移动机器人利用传感器输入信息来识别出环境中特殊标记，以实现导航和定位。根据路标不同，可分为自然路标导航和人工路标导航：自然路标导航是机器人根据对工作环境中的自然特征的识别实现导航，优点是不改变工作环境，且方法灵活，但路标探测的准确性和鲁棒性是研究的主要问题；人工路标导航是机器人识别认为放置的特殊标志实现导航，该方法优点是易于实现，且稳定性较好，但是它改变了机器人工作环境。视觉导航主要是通过摄像头对障碍物和路标信息拍摄，获取图像信息，然后对图像信息进行探测和识别实现导航。它具有信号探测范围广，获取信息完整等优点，是移动机器人导航的一个主要发展方向，但是视觉导航的边缘锐化，特征提取等图像处理方法计算量大，实时性差始终是一个瓶颈问题，解决该问题的关键是设计一个更加快速优化的图像处理算法，用硬件或并行运算来实现图像处理，从而解决视觉导航实时性问题。在导航方式失效的场合，与视觉导航相比，声音导航具有无方向性，时间分辨率高，能在黑暗中工作等优点，缺点是空间分辨率低。
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