任務4 構建基于PC的智能移動機器人系統開發平臺

按照機器人系統的通用控制結構，面向不同應用的智能移動機器人的開發過程可以分為如下幾個步驟：

（1）根據應用需求開發移動和執行機構；

（2）根據執行機構和任務的要求選擇電機或者其他動力裝置；

（3）為電機選擇匹配的本能控制層控制器；

（4）根據任務的需求選擇傳感器；

（5）根據應用需求的復雜性、選定的傳感器接口方式等選擇或者設計智能層控制器；

（6）根據應用需求開發應用程序。

對于大多數產品研究和開發而言，第1～5步具有一定共性，又是整個開發過程的關鍵，這幾個步驟不成功，會直接導致產品開發的失敗。對于沒有任何產品開發經驗的人來說，尤其如此。因此，如果能夠在產品的初期階段，有一個能夠幫助開發者迅速開發應用程序，而無須太多設計的平臺，無疑會大大加快產品的開發進程，降低開發成本。如圖1.9所示就是這樣的一個平臺，該平臺經過多年的研究和實踐歸納總結而成，并經過RoboCup中型組足球機器人的驗證，證明其是一個可靠性高、擴展性強的移動機器人產品開發平臺。該平臺由三大核心子系統構成，分別是車載控制子系統、移動子系統、傳感和檢測子系統，對于部分有特殊要求的用戶，還可以增加遙操作子系統。這幾個系統實際上分別對應機器人的控制層、執行層、感知層以及感知層的擴充層。該平臺采用嵌入式PC或者筆記本電腦作為智能控制層的硬件平臺和應用軟件開發平臺，通用性非常好，可以隨著計算機技術的不斷發展而自動升級，并享受PC上的所有接口和軟件資源。因此，稱其為基于PC的智能移動機器人系統開發平臺。

1.車載控制系統的構建

車載控制系統以PC（嵌入式工控機或筆記本電腦）作為智能控制層硬件平臺，通過其自帶的各種即插即用接口（如USB/1394/RS-232/PCMCIA/LAN/并口等），與本能控制層即運動控制子系統、傳感和檢測子系統，以及遙操作子系統（或者通信子系統）等進行連接與集成，構成分布式、可擴展性非常強的智能移動機器人控制系統。

車載控制子系統的核心是PC及基于CAN總線的智能控制與驅動模塊。每一個智能控制與驅動模塊可以獨立地控制與驅動一個直流伺服電機以及步進電機，最多可以通過CAN總線串聯多達256個直流伺服電機。PC與智能控制模塊網絡之間通過一條USB轉232線或者USB轉CAN連接線連接，對于實時性要求更高的場合，還可以選用PCI總線轉串口或硬串口連接方式。無論哪種連接方式，PC與移動機器人移動子系統的連接都非常方便，而且便于擴展，整個移動子系統只需要占用PC一個接口資源。PC的選擇可以根據應用開發和研究項目的需要進行選擇。在應用開發的初級階段，在編程和調試的工作量比較大的情況下，可以采用筆記本電腦，拆裝和攜帶都非常方便；當工作進行到一定的程度，更多地需要進行聯機和獨立測試時，可以更換為嵌入式工控機，以保證可靠性和貼近真實的現場需求。當然，如果只是在實驗室中使用，也可以選用普通的PC主機。

2.移動子系統的構建

移動子系統為整個系統的執行環節，其輸入是車載控制系統的輸出。

首先為智能移動機器人選擇合適的運動方式。考慮到機器人具體運動功能的要求和經濟性因素，智能移動機器人最好能選擇一些實現比較簡單且可靠的輪式移動方式，例如，一般的研究型機器人（對運動功能要求不高的場合）多為兩輪差動＋1（或2）萬向輪支撐方式。而對于運動功能要求高的機器人，例如RoboCup中型組足球機器人，則多為3或4輪全向輪驅動方式，這樣能實現在運動平面內全方位任意移動，動作靈活且控制方便。

那么如何選擇合適的驅動電機呢？目前市面上可供選擇的驅動電機種類較多，選擇范圍較廣，但這時反會導致使用者無所適從，不知道究竟選擇哪些電機會更好一些?？偟膩碚f，選擇驅動電機時，要盡量多考慮一些因素及參數，如電機的額定電流、瞬間最大電流、扭矩、慣量、最高轉速、功率、供電要求、體積、適合的驅動器和供應商因素等，這些因素在選擇時的權重，也必須根據不同應用要求進行調整，才有可能最終選擇出合適的驅動電機。在智能移動機器人的應用案例中，驅動電機多采用直流伺服電機＋減速器＋編碼器的方式，根據不同的力矩及控制精度要求選擇不同的減速器以及編碼器，而直流電機啟動力矩大、過流能力強、結構尺寸小、供電電壓低，多為直流（DC24V～DC48V）供電，且支持瞬間電流達到額定電流的3～5倍，因此能很好地滿足智能移動機器人瞬間加速、變速及快速停止的要求。步進驅動系統由于步進電機通常轉速較低且同樣扭矩下體積相對較大，難以滿足一些要求，因而應用較少。交流伺服電機則由于其供電需要交流電源，應用在機器人平臺上需要另行配備直流交流逆變器，以及成本相對較高等因素，幾乎不被使用。

在驅動電機選擇好后，就需要為機器人選擇適合的電源供電系統了。智能移動機器人的移動特點決定了其一般只能選擇電池進行供電。為了降低綜合使用成本及使用方便，智能移動機器人盡量選擇可往復使用的蓄電池，如鉛酸電池、鎳氫電池、動力鋰電池及太陽能電池等，而不選擇使用一次性電池。至于電池的類型及容量，同樣要根據實際應用情況進行考慮?；赑C的智能移動機器人系統開發平臺提供了鉛酸電池和磷酸鐵鋰電池兩種以供用戶選擇。

如果單獨分離出機器人移動子系統的結構與功能，考慮到電機及驅動輪的多種組合方式，我們就可以將移動子系統設計成單獨的移動子模塊，以方便后續的升級及拓展應用。

3.傳感和檢測子系統的構建

對智能移動機器人系統來說，其智能體現在能夠自主地完成某些特定的功能，那么如何才能使機器人自主地在非結構化環境中做出合理的反應呢？問題的關鍵在于其需要具備不斷傳感和檢測環境變化的能力，并將所得信號實時地進行處理。因此，為智能移動機器人構建合理精確的傳感和檢測子系統顯得非常重要。就目前來說，現代傳感器技術已經充分發展，市面上已經有各種各樣的傳感器及變送器可供用戶進行選擇。常用的傳感器有以下幾種：

（1）測距傳感器：激光測距傳感器、超聲波測距傳感器、紅外測距傳感器。

（2）視覺傳感器：云臺視覺傳感器、雙目視覺傳感器、USB視覺傳感器、全向視覺傳感器。

（3）定位傳感器：GPS、室內北斗定位系統。

（4）語音傳感器：麥克風。

（5）方位傳感器：電子羅盤、陀螺儀、加速度計。

（6）其他傳感器。

由于車載控制系統以PC作為主控平臺，因此傳感和檢測子系統全部通過PC的即插即用接口和總線接口接入PC，可供選擇的接口有USB2.0、RS-232/485/422、1394接口、PCI總線、ExpressCard接口、RJ45接口和Audio接口等。對于一些簡單的傳感器，其輸出通常為模擬量，這些信號也可通過采集卡或智能控制器的A/D輸入口進行采集后，再通過上述接口讀入PC。具體使用哪些傳感器，則需要根據具體的使用要求來決定，在滿足功能要求的條件下，越簡單越好。