自动跑位和数据采集机器人.doc

自动跑位和数据采集机器人 　　本文介绍了一种可以自动跑位并进行数据采集的运动机器人，该运动机器人可以根据输入的场地信息自动生成定位图，然后应用姿态检测模块和光流传感器模块实现机器人自动跑位到定位图中指定的位置并完成指定的任务。为了保障机器人跑位的灵活性和准确性，机器人采用麦克纳姆轮，其作用可以保证机器人可以灵活地向四个方向自由地运动。经过实验研究和检测，该机器人达到了研制的要求和目的。 　　【关键词】运动机器人 麦克纳姆轮 姿态检测 光流传感器 陀螺仪 　　在需要针对某些大型场地的某些参数进行检测的环节，往往需要在大量的指定位置进行测量，如果利用人工方式进行检测，工作效率低下，还难以保证检测数据的准确性，因此考虑采用机器人自动跑位，自动在这些点位上对某些参数进行检测。如果结合数据自动处理、上传，就能够实现全自动的检测。本文仅针对该机器人的设计、制作进行阐述。 　　1 详细设计 　　1.1 总体方案 　　该运动机器人的实物图如图1和图2所示。 　　为了实现机器人行驶速度和行驶距离的闭环控制，在四个车轮均安装了测速码盘，采用PID控制算法，以实现机器人的速度闭环和位移闭环控制。 　　PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其输入e （t）与输出u （t）的关系为 　　u（t）=kp[e（t）+1/TI∫e（t）dt+TD*de（t）/dt] 　　式中积分的上下限分别是0和t 　　因此它的传递函数为：G（s）=U（s）/E（s）=kp[1+1/（TI*s）+TD*s] 　　其中kp为比例系?担?TI为积分时间常数；TD为微分时间常数。 　　本系统运动机器人的位移和速度闭环PID控制原理如图3所示。 　　图3中，控制给定值为行驶速度/位移，编码器测得的速度和位移值作为反馈，经过PID计算后得到控制输入量，控制输入量作用于控制对象，进而使机器人按照设定的速度/位移行驶。 　　1.2 定位导航系统 　　定位导航系统是运动机器人的“眼睛”，用于机器人运动定位，以达到是机器人可以在场内自动行驶的目的。本系统中要求定位导航系统能够： 　　（1）感知机器人方位。 　　（2）检测机器人运动位移。 　　为此，本系统中开发了姿态检测模块和光流传感器模块，以实现机器人的方向和位移监测，为下一步进行机器人路径规划提供反馈信息。 　　1.2.1 姿态检测模块 　　为了控制运动机器人在移动过程中的行驶方向，需要加入姿态检测模块，以实现运动方向的闭环控制。 　　惯性测量元件是能够测量重力方向或姿态角变化快慢的传感器，可用于检测转轴不固定或无固定转轴物体的角位移或角速度。因此，惯性测量元件常用于机器人系统、船舶、导弹、人造卫星、飞机等的姿态测量。常见的惯性测量元件包括倾角仪、电子罗盘、加速度计、陀螺仪等。 　　加速度计用于测量与惯性有关的加速度，一个典型的例子就是重力加速度，可以由输出的加速度值测量倾角，包括俯仰角和横滚角。基本的工作原理是加速度计静止时，加速度计输出作用于灵敏轴上的重力加速度值，即重力加速度在此方向上的分量。具体关系如图4所示。 　　加速度计输出与重力加速度的关系可表示为： 　　ax=g sinφ 　　ay=g cosφ 　　陀螺仪用于检测刚体转动产生的角速度或角位移的传感器，即使没有装在转动轴上，也能检测刚体的角速度或角位移。陀螺仪输出为绕灵敏轴的角速度，对其积分就可以得到姿态角，可用于测量俯仰角、横滚角和偏航角。陀螺仪的动态响应好，但是存在漂移和噪声，导致累积误差随着时间的推移而逐渐增大。 　　为了结合两种传感器的优点，通过将二者数据进行卡尔曼滤波，再经过四元数姿态结算，就可得到准确、实时的姿态角度信息。 　　（1）姿态检测传感器。姿态检测传感器采用MPU-6000（6050）芯片。MPU-6000（6050）为全球首例整合性6轴运动处理组件，相较于多组件方案，免除了组合陀螺仪与加速器时之轴间差的问题，减少了大量的封装空间。 　　MPU-60X0 对陀螺仪和加速度计分别用了三个16位的ADC，将其测量的模拟量转化为可输出的数字量。为了精确跟踪快速和慢速的运动，传感器的测量范围都是用户可控的，陀螺仪可测范围为±250，±500，±1000，±2000°/秒（dps），加速度计可测范围为±2，±4，±8，±16g。一个片上1024字节的FIFO，有助于降低系统功耗。和所有设备寄存器之间的通信采用400kHz的I2C接口或1MHz的SPI接口（SPI仅MPU-6000可用）。对于需要高速传输的应用，对寄存器的读取和中断可用20MHz的SPI。另外，片上还内嵌了一个温度传感器和在工作环境下仅有±1%变动的振荡器。芯片尺寸4×4×0.9mm，采用QFN封装（无