交城有做网站的吗,wordpress主题多语言包,视频网站模板源码,电白建设局网站本文研究的六轮差速移动机器人 (Six-Wheeled Differential Mobile Robot #xff0c; SWDMR) 为了满足资源站到资源站点对点的物资运输#xff0c;对机器人的跨越障碍能力 有较高的要求。对比传统的四轮移动机器人#xff0c;六轮移动机器人能够提供更强的驱动 力#… 本文研究的六轮差速移动机器人 (Six-Wheeled Differential Mobile Robot SWDMR) 为了满足资源站到资源站点对点的物资运输对机器人的跨越障碍能力 有较高的要求。对比传统的四轮移动机器人六轮移动机器人能够提供更强的驱动 力而且六轮与四轮相比整车分散到单个车轮的负荷更小了进而使得车轮的电机 需要的驱动力矩更小这样更有利于电机选型对比八轮移动机器人虽然八轮移 动机器人车轮比六轮更多所能提供的总体驱动力矩更大但是增加了控制的难度 提高了移动系统的搭建成本。移动机器人自身结构舍弃传统的集中式驱动结构采 用分布式驱动结构分布式结构没有传统车辆上的传动、差速及变速等系统能够 减轻车辆自身重量而且每个车轮作为独立的执行器可以做到独立控制提高整车 控制的灵活性。 SWDMR 作为本文的研究重点先对其层级结构做一个初步的划分。机器人在 复杂环境中运动需要感知环境信息以及自身的状态信息以确保机器人能够更好 地适应环境因此少不了一系列的传感器比如雷达、摄像头、 IMU 等组成的感知 层机器人通过不同的传感器获取到环境信息和自身状态量传送给中央处理器结 合规划算法计算出机器人未来的运行轨迹进一步保障机器人的运行安全这一层 为规划层中央处理器将规划出的轨迹下发给底层驱动单元执行规划出的运行指 令运动控制算法辅助校正机器人的运动轨迹为控制层。 本章主要对机器人运动控制层的基础硬件搭建和机器人软件设计做一个全面 的介绍同时涉及部分感知层的硬件选型测试。 3.1 整车关键点分析及器件选型 3.1.1 整车硬件组成分析 首先是机器人的核心处理器为了满足控制算法的算力需求采用工控机作为 机器人的控制单元。为了得到机器人的横摆角、 X,Y 轴的加速度等信息需要安装一 个 IMU 。为了使分布式结构更加简洁采用机电一体化的轮毂电机作为机器人的 驱动单元。同时为了满足人与机器人的远程交互使操作手能够在远端的控制台也 能介入机器人的运动机器人本体上需要搭载对应的数据传输模块和视频传输模 块。最后为了给机器人本体上的各个模块提供动力源需要安装一个具有一定容量 的电池。 3.1.2 动力分析 一般对纯电动的移动机器人驱动力估计都是通过计算机器人在纵向通过 35° 坡时电机所需要的驱动力矩在该工况下机器人的驱动力需要大于滚动摩擦力和 坡道阻力之和。假设机器人的重心位于自身的几何中心那么爬 35° 坡所需要的电 机扭矩 T 可以通过式计算得到 上式中 表示驱动电机数取 6 表示驱动系统效率取 90% 表示机器人 的重量取 100kg 表示重力加速度取 9.8 m/ 2 表示滚动阻力系数取 0.025 表示最大坡度取 35° 表示车轮半径取 0.13m 。根据所取参数计算得到 所以在选型时单个轮毂电机的额定转矩应该大于这个估计值。 3.1.3 关键器件选型 (1) 机器人核心 — 处理器工控机 工控机的选择主要指标为成本低性能高低功耗大小适中重量合适。综 合比较下来工控机 信迈科技的 MEC-5071 具有上述优点它能够支持多种 Intel 酷睿处理器 支持 Linux 、 Win8 、 Win7 等操作系统各模块板之间通过高可靠连接器对接运 行环境可靠具有良好的防尘、散热、抗震性能对于在野外工况工作的机器人比 较适配。 此外 MEC-5071 有多种外设接口包含串口网口 USB GPIO 以及 PCI 扩 展口可以挂载多种外设以满足实验需求各个接口功能如表 3.1 所示。 (2) 数据传输链路 LORA 数传电台 数传电台工作时需要两个电台进行点对点传输数据一端作为移动端搭载在 机器人上接收控制端发出的信息并上报机器人自身的状态信息另外一端作为控 制端接收机器人上报的参数反馈给工控机计算处理将工控机计算得到的控制信 息发送给移动端用以控制机器人运动。 在数传电台的选择上应该考虑通信的稳定性和抗干扰能力亿佰特旗下的产 品 E90-DTU(400SL37) 能够满足实验需求 , 该产品广泛应用与工业物联网、环境监测、 无线控制等领域。 E90-DTU(400SL37) 支持高速连续传输工作频段在 410.125 至 493.125MHz 之间发射功率为 37dBm 空中速率在 0.3K 至 62.5kbps 传输距离 在无遮挡的通视条件下距离可达 20km 同时还具有主动监听信道环境噪声功能 当噪声超过阈值延迟发送极大提高在恶劣环境下的通信成功率。 E90- DTU(400SL37) 通信接口为 RS232/RS485 通信方式为半双工通信缓存容量有 1000 个字节可通过指令分包成不同字节的数据帧传送数据。 (3) 视频传输通道 — 大功率网传 实现视频传输的大功率网传选择的是腾远智拓公司生产的 ST5801GB-M 系列 产品其采用 HTOFDM 调制技术工作频率在 4900 至 6100MHz 传输速率可达 351Mbps 发射功率可达 26dbm 传输距离在通视条件下有 50km 。在每均有 RJ45 网口可通过 TCP/IP 实现产品与电脑的通信。根据其产品描述此产品有基站模 式、用户站模式、一对一桥接功能、 mesh 自组网功能四种通信模式因为本文研 究的轮式机器人系统只有一个移动端和一个操作端所以在使用时根据需要选择 一对一桥接模式。 (4) 机器人驱动单元轮毂电机及其驱动器 在动力分析小节通过计算得到了电机的额定转矩的估计值结合电机尺寸价 格以及电机的额定转矩等条件最终选择了 LSDB 系列的伺服轮毂驱动器及电机。 该系列产品具有 IP67 防护等级对于野外环境能够轻松应对且有较高的扭矩。 所选的 LSDB4830-CAFC-ASM5 驱动器通信类型为 CANUART UART 波特率 115200bps 支持上位机控制 CAN 波特率有 500kbps/1Mbps 可供选择驱动器具 有过压保护、欠压保护、电机过热保护、短路保护、驱动器过热保护等功能。WS80L- 15A110C-MUCA03 型号电机的轮子直径为 200mm 额定扭矩为 15Nm 最大扭矩 可达 24Nm 。轮胎硬度等级为 A68 对于差速转向的机器人来说可谓为福音。 驱动器带有电流闭环速度闭环能够准确跟踪下发的力矩指令或速度指令。 查看所选硬件的使用手册得到各个硬件供电以及通信方式最终的硬件图可以用 图 3.7 表示 图 3.7 中橙色线为电源线蓝色为信号线。工控机通过一个 TCP/CAN 模块与 轮毂电机驱动器进行数据交换六个驱动器挂载在 CAN 总线上数传通过 USB 口 与工控机进行数据交换 IMU 通过 USB 口将机器人的状态信息上报给工控机大 功率网传通过 TCP/IP 将视频信息传送给工控机。 3.2 关键器件测试 在各个模块安装前需要对其做功能性和稳定性测试因为实验场景大多数是 校园环境有较多的树木和房屋遮挡且车流量较大人口流动也比较频繁如果 数据传输通道出现阻塞或者断开连接等状况在没有保护措施的情况下机器人与 上层控制断开通信很容易发生危险事故。 (1) LORA 通信测试 LORA 通信测试主要测试数据传输通路在遮挡条件下的稳定性和通信距离。 测试的方案为两个实验人员分别将 LORA 的移动端和操控端与自己电脑的 USB 口连接打开串口调试助手模拟节点收发数据传输频率设置为 100ms, 串口 波特率设置为 115200 。通过步行模拟机器人的运动期间移动端和操控端相互发 送测试指令每 50 米为一个节点达到 50 米时统计一次移动端和操控端的收发 指令帧数计算出对应的丢包率如此重复实验不断拉开移动端和操作端的距离 当出现明显的丢包现象时停止实验。 3.3 六轮差速移动机器人软件设计 机器人软件是基于机器人操作系统 (Robot Operating System,ROS) 进行设计开 发的通过创建不同的功能包实现不同的功能功能包之间可以通过话题发布或话 题订阅的方式进行数据交换这种模块化的设计方式可以使得多人并行开发提高 软件的设计效率。 根据图 3.1 轮式机器人的层级结构可以将软件分为感知模块、规划模块、控制 模块还需要有能够记录机器人状态信息记录数据日志的服务模块同时为了 满足机器人与人的交互还需要人机交互模块。根据各个模块之间的关系得到机器 人软件的总体框图如图 3.10 所示。 在这一小节中主要是对机器人底盘软件进行设计所涉及的模块主要是机器 人的控制模块如图 3.10 中标红的部分。机器人自身的软件重点工作有两个一 是解算上层规划层给出的运动指令下发给驱动单元二是机器人接收遥控器数据 下发控制底盘运动并通过数传通道反馈自身状态信息给监控端。具体实现流程如 图 3.11 所示。 图 3.11 为机器人底盘的控制流程。当底盘节点开启时程序会循环检测控制 输入信号。当有控制输入时判断输入信号是否为遥控话题发布的数据如果为遥 控数据机器人数据链路切换到人机交互链路如果不是遥控话题发布数据保持 机器人自主运行的正常通信链路。将控制信号输入到 SWDMR 的映射矩阵中将控 制信号转换成各个电机的驱动信号如果电机为速度模式则为轮速信号如果电 机是力矩模式则为电流信号控制机器人的运动。判断机器人是否到达目标位 置如果未到达进入下一个循环如果到达目标位置则结束控制流程。 3.4 六轮差速移动机器人落地测试 3.4.1 六轮差速移动机器人遥控测试 软件框架设计完成将所有的硬件模块部署在机器人本体上调试信号通道进 行落地测试初步验证软件的正确性并暴露出机器人当前可能存在的一些问题。 落地测试验证了 SWDMR 的遥控通道的稳定性紧急停止差速转向等功能。 测试过程中发现当只给机器人某个方向的运动指令时机器人的实际运动轨迹会 不断往一个方向发生偏移。分析产生这种现象的原因可能是车身结构的问题或者 路面不平整导致了在不改变遥控指令的情况下机器人偏离期望轨迹。将实验场地 选在路面较为平整的室内还是会出现室外测试的现象排除了路面因素导致机器 人的偏移。经过检查发现是因为机器人左前轮悬架安装位置有所偏差最终使得机 器人在运行时会产生一个横向的力矩使得机器人不断向一边偏移形成一个螺纹 式的运动曲线。机器人某时刻的运行状态如图 3.13 所示 3.4.2 基于 PID 的纠偏调节 根据前一小节的测试发现的问题设计辅助控制器以减小这种系统误差产生 的影响使得机器人能够较好的执行控制指令。选取机器人的横摆角作为性能指标 通过加入 IMU 闭环补偿使得车辆有一定的纠偏能力。纠偏控制框图如图 3.14 所 示 采样控制输入时刻机器人的实际横摆角度值以此横摆角的值为起始横摆角 将 IMU 测得的机器人横摆角反馈给辅助控制器起始横摆角与机器人执行控制输 入时的横摆角做差将差值输入到外环 PID 控制器实现对横摆角的控制。为了 使得机器人的调节更加平滑将外环 PID 控制器的输出作为内环 PID 的输入并 通过 IMU 得到机器人调节过程中的横摆角速度将两个变量做差输入到内环 PID 控制器实现横摆角速度的控制。下一采样时刻重复上述过程。 图 3.15 是在室内测试时记录的曲线蓝色曲线为横摆角速度响应曲线黑色 曲线为横摆角响应曲线红色虚线为横摆角设定曲线上升沿时刻表示将当前机器 人的横摆角设置为参考值。在 0-15s 这个时间段处于待机状态测试通信是否均为 正常在 15-30s 机器人在无纠偏控制下向前运动因为有横摆角速度的存在角 度误差一直在累积在 30-35s 为处于待机状态在 35-55s, 机器人回退到起点并手 动调整机器人车身位置保证机器人与无纠偏状态下的初始位置一致在 55s 之后 是进行纠偏实验 58s 设定当前 IMU 上报的横摆角度位置为目标方向纠偏控制 接入 75s 给速度指令让机器人运动角度值基本上与设定值保持一致 140s 结束 实验。下面对横摆角速度进行分析 图 3.16 为室内测试时机器人横摆角速度响应曲线根据实验数据可以得到机 器人在没有纠偏控制时前进时会有一个 -0.016rad/s 左右的横摆角速度存在后退 时有一个 0.044rad/s 左右的横摆角速度加入纠偏处理后横摆角速度基本上稳定 在了 0 附近。 图 3.17 为室外测试时机器人的横摆角变化。在不加纠偏直行时图 3.17(a) 所 示的 75-110s 时间段机器人行驶 7m 左右车身方向就偏移了 32.9° 。控制机器人回 到初始的位置并手动调整底盘位姿保持与开始实验时位置一致纠偏控制介入 如图 3.17(b) 所示纠偏过程中机器人的航向角调节始终维持在目标值附近最大 误差为 0.8° 平均误差仅为 0.01° 。 3.5 本章小结 本章主要工作是搭建六轮差速移动机器人首先对机器人可能需要用到的硬 件做了初步的分析对驱动单元的额定转矩做了预估接着是对基础硬件做了选 型及测试验证了硬件的功能并测试出在遮挡条件下数据传输的稳定行最大的 通信距离然后对机器人软件设计的整体框架做了介绍着重介绍了控制模块的 控制流程最后是对机器人的搭建并在搭建完成之后做了落地测试同时根据 测试的效果设计了纠偏控制器作为运动控制的辅助控制器使得机器人能够更为 准确的执行上层下发的控制指令。
