FPGA机器人运动控制系统的设计与应用(3)

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移动机器人可以从不同的角度进行分类。根据工作环境的不同可分为室内移动机器人；按照移动方式可分为轮式移动机器人、步行移动机器人、蛇形机器人、履带式移动机器人、爬行机器人等；按功能和用途的不同可分为服务型机器人、军用机器人、娱乐型机器人等；按作用空间的不同可分为陆地移动机器人、水下移动机器人、无人飞机和空间移动机器人等。在我们参加的“亚太大学生机器人”比赛中比较常见的是轮式移动机器人。比赛场地的形状、尺寸、场地内的道具、区域的划分以及各部分的颜色都是事先确定好的。因此参赛机器人需要在这种结构化的环境条件下、在规则允许的范围内自主定位定向并能主动识别目标，完成比赛规定的任务。

机器人一般工作在动态的、未知的复杂环境中，应该具有完全自主性甚至高度智能性，不需要任何人为干预就可以完成各种高级任务如决策、导航、漫游、地图构建等。利用移动机器人自主完成各种任务，要解决一系列的问题，主要包括体系结构问题、环境建模与信息处理问题、定位问题、轨迹规划问题和运动控制问题等。其中，运动控制问题是移动机器人研究中最基本的问题，也是机器人学中只有依靠控制理论才能予以解决的问题。

移动机器人运动控制有三种基本问题，即点镇定、路径跟随和轨迹跟踪，此处主要讨论轨迹跟踪。轨迹跟踪是指根据某种控制理论，为非完整移动机器人系统设计一个控制输入作用即控制律，使非完整移动机器人能够达到并最终以给定的速度跟踪平面上给定的某条轨迹。移动机器人是一类高度非线性、强耦合、时变性的动力学系统，很难建立其准确的动力学模型，对其控制具有相当的难度。针对移动机器人的轨迹跟踪问题，有以下各种非线性控制理论：

1）非线性状态反馈控制法；

2）滑模控制方法；

3）Back-Stepping控制方法；

4）计算力矩方法；

5）自适应控制方法；

6）智能控制方法。

对于以上控制方法，应尽量避免以下几个问题：

1）数模的依赖性；

2）控制量理想化；

3）抖动问题。

2 机器人机械结构介绍

机器人底部尺寸为700mm×700mm，高度为1300mm，结构图如图 2所示。机器人包含三个部分，分别是底盘机构、提升机构和伸缩臂机构。

机器人结构图

2.1 底盘

机器人的运动需要靠底盘来实现，此机器人采用的底盘为全方位轮底盘，此种底盘的方向特性较好，只要控制合适，便可向任意方向运动，如图 3所示。该全向轮对的小轮外圆与大轮外圆重合，因此有较好的平滑性，并且采用类似于瑞典轮的双片式结构，两片单整轮交错拼接在一起，实现互补，从而避免了单轮无法避免的小轮与小轮之间的间隙，从而使得全向轮运行更加平滑。但此种底盘运动的平稳性取决于大轮上小轮的个数，小轮个数愈多，类似的多变性效应愈小，运动平稳性愈好。

机器人底盘

2.2 提升机构

机器人到场地特定位置拾取和放下叶子需要提升机构来调整手爪的高度。机器人的提升机构如图 4所示，提升机构包括导向机构和传动机构。导向机构采用的是直线导轨导向，目前导轨导向作用运用最为成熟，只需克服滚动摩擦力，具有摩擦力小、刚性好、不易卡死、提升稳定的优点，机构如图 5所示。传动部分采用的是直流电机同步带传动，如图 6所示。由于直线导轨摩擦力小，因此电机做功只需克服负载的重力即可，直流电机满足要求。同步带依靠带和带轮上的齿相互啮合来到达传动目的，其安装方便，传动平稳，没有滑动，能保证固定的传动比；带的预紧力较小，轴和轴承上受的载荷小；带的质量小，柔性好，且所用带轮的直径可以较小，因此采用了同步带。