智能机器人控制系统的设计研究

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1、智能机器人控制系统的设计研究［摘要］智能移动机器人集感知环境、动态决策与规划、行为控制与执行等多功能于一体，可以在极少人工干预或没有人工干预的条件下，在一定的环境屮进行有冃的移动来完成指定的任务，具有路径规划、导航、信息融合和检测、自主决策等类似人类活动的人工智能。正是由于其高度自主智能，集多学科知识于一体，具有机动性好、环境感知能力强等特点，对智能移动机器人的研究必将成为促进人工智能、生命科学以及机器人学的发展动力。本论文设计机器人控制系统的体系结构，结合系统功能特点对智能移动机器人控制系统的软硬件设计进行研究。［关键词］智能移动机器人;控制系统;结构;设计中图分类号:TP242文献标识

2、码：A文章编号：1009-914X(2016)27-0107-01引言移动机器人的研究起始于斯坦福，之后美国、日本等国家也都相继进行了深入的研究。相对来说，中国的起步时间比较晚，但是进步却比较快，取得的成果也较为明显。但是不可否认，其中最关键的环节，就是控制系统的设计。在这方面，我国与发达国家相比，还有较大的距离，仍有许多需要改进和提高之处。一、控制系统结构及设计原则智能移动机器人控制系统结构一般是由机器人的实现功能、控制形式、本体三方面确定。一般分为以下三种类型：(1)单CPU控制方式：采用一台功能强的PC机实现机器人全部控制功能，但因其需要大量的计算处理，所以这种控制结构的速度慢。(2

3、)2级CPU控制方式：一级CPU是主机，任务是人机接口和数据运算，并将运算结果放到公用内存屮，供二级CPU读取;二级CPU任务是完成位置控制，仅通过公用的内存交换数据，很难扩展更多功能的CPU。(3)多CPU控制：目前大多数智能机器人都采用上、下位机分布式结构。上位机负责控制系统的决策和运算，下位机由多个微控制器组成，每个微控制器含有一个CPU控制相应设备运行与数据通讯采集，这些微控制器和主控机是通过标准总线联系。这种结构的控制器工作速度快，性能优良。分布式控制系统为开放式控制系统，可以根据实际需求增加微控制器个数来满足控制系统性能需求。不同的设计方式满足不同的控制要求，一般情况下遵从以下

4、原则：(1)结构简单、易于维护、更换备用件吋间尽量短。(2)系统要模块化、标准化，易于扩展，因此多采用标准总线结构。(3)可靠性保障，按照可靠性方法对系统进行分析。(4)中断响应能力强、反应迅速，特别在软件中使中断延迟函数的时间尽量短。(5)尽量利用成熟的开发环境，尤其在软件程序设计尽量使用高级语言。二、智能移动机器人控制系统设计1、电源电压电路设计芯片与器件工作电压并不相同，如伺服驱动机工作电压+24V,超声传感器供电电源+12V、红外传感器供电为+5V、单片机的一般工作电压为+5V等，其中相同电压作用也各不相同，逻辑供电电源+5V,功率电路电源也为+5V。因此不仅设计不同等级的电压，同

5、时模拟部分与数字部分的屯压需要进行隔离，高频与低频、易受干扰信号与产生干扰信号线进行隔离，用DC/DC电源模块将电池组与电路实现电压转换与隔离。DC/DC模块电源体积小巧、性能优良、使用方便，在通信网络、工业和过程控制、医疗、国防、航空航天等领域得到广泛的应用。DC/DC模块调整直流P丽控制输出电压。在选择电源转换模块时，要考虑以下因素：(1)实际所需工作温度范围，不同材料、制造工艺造成温度等级不同，可以根据使用功率、封装形式、温度范围进行选择，尺寸和输出形式符合机器人要求。(2)使用功率是电池组额定功率的30〜80%，在这个功率范围屮的模块电源比较充分且稳定可靠，负载太重对可靠性不利，太

6、轻造成能源浪费。(3)避免与机械结构屮金属接触造成短路。2、处理器的选择选择处理器主要从以下几点考虑。1)处理数据的能力处理器模块需要对传感器模块采集到的数据进行处理和分析，经常会使用如PID控制、数字滤波等算法，对处理器的数裾处理能力耍求较高。在这点上单片机难以担此大任，因此将目光放在了适合于数字信号处理的微控制器上。2）丰富的外设资源移动机器人从采集外部信号到对数据的处理分析，以及对执行机构的控制，机器人要完成这一整套的任务，核心处理器无疑都要参与进去。不管这些感知系统和执行任务的机构是什么，核心处理器需要与它们“交流”，核心处理器一般都是数字量输入输出，感知系统的输入输出信号，或是数

7、字量或是模拟量，为了实现可靠的“交流”，模拟量要经过A/D转换后才能够被处理器准确的识别处理。添加相应的外围电路和器件确实可以实现转换，但是从成本和设计的复杂度来说无疑都会有所提高，核心处理器具有丰富的外设资源，可以节约成本、减少设计的复杂度。3）软件和硬件幵发难度从实际角度考虑，如果可以缩短开发周期，将会提高工作效率、加快产品使用的进度。选择的核心控制器软件和硬件幵发难度小，容易学习和使川、方便代码的调试，都会在一定程