小型地面移動機器人是上一世紀90年代提出的一種新型的機器人，由于其在軍事偵察、反恐防暴、防核化及污染等危險與惡劣環境作業中廣闊的應用前景，使其迅速成為一個重要的研究熱點。小型地面移動機器人具有體積小，成本低，生存能力強，運動靈活等特點。由于其應用場合特殊，所以特別要求這類機器人重量輕、體積小、能耗低、實時性好、操作實用可靠。

本文介紹了一種具有多運動模式的小型輪履復合式移動機器人，并結合危險環境下移動機器人的應用要求，對其控制系統的設計與實現進行闡述。

研制完成的小型地面移動機器人采用了輪履復合機構，如圖1所示。這種機構為其提供了多種運動模式:輪式、履帶式、腿式以及其它多種運動姿態，這為機器人在復雜環境中的運動提供了必要的機構保證。它不僅可以利用輪子進行高速運動，而且可以利用四個獨立控制的擺臂實現爬越臺階、樓梯、凸臺等越障運動。多種運動模式極大地提高了機器人的越障能力和環境適應能力。機器人控制系統采用了ARM＋DSP結構的嵌入式控制系統以及遙控/半自主的工作方式，使得機器人工作更具實用性，而嵌入式控制系統則保證了控制系統重量輕，體積小、實時性好、可靠性高的要求。

圖1 小型地面移動機器人外形圖

控制系統功能要求

小型地面移動機器人的控制系統將硬件系統、傳感器、驅動控制以及遙操作控制等綜合起來，集成驅動、控制、傳感和能源等于一體，首先要求具有小型化、輕量化的特點，因此要求控制系統尺寸小、重量輕、功耗低，能集成在機器人本體內。其次，實時性是對控制系統的另一個基本要求，對于在不確定環境下的信息采集、處理以及相應越障動作的規劃與處理對機器人控制系統的實時性提出了更高的要求。另外，要實現一個全自主的移動機器人的運動控制將有諸多工程和技術方面的實際困難。遙控加半自主的工作方式是目前普遍采用的最實用的控制方式，是解決機器人智能發展水平與復雜任務要求之間矛盾的一條有效途徑。為了在復雜環境中獲取有效的信息，機器人必須配置各種類型的傳感器。所以，針對機器人系統的作業性能要求，配備合適的傳感器系統作為移動機器人的感知系統是非常重要的。

依據機器人系統的總體結構，整個機器人系統由移動平臺、車載控制系統、遙操作系統和傳感檢測四大部分組成。對機器人控制系統的總體要求可歸結為:

接受高層的指令實現機器人運動;

實現機器人4個擺臂的獨立控制和同步聯動控制，并可以完成運動模式的切換與姿態控制;

控制系統小型化、輕量化、操作靈活方便;

系統靈活性好，實時性高，具有良好的開發性和可擴展性;

具有遙控半自主的工作方式;

具有視覺反饋功能;

具有感知自身狀態和環境的傳感系統，為遙操作或機器人行為決策提供依據。
控制系統體系結構

系統組成

從系統角度看，移動機器人由近端操作人員、遠端移動機器人和運動環境現場所構成，整個系統的組成示意圖如圖2所示，由此構成了人－機器人－環境三者相互緊密聯系的一個整體。

操作人員在遙操作端根據作業任務要求，通過遙操作平臺的人機交互接口，借助反饋信息控制機器人完成特定的作業任務。遠端機器人的反饋信息包括了運動現場的環境信息，如路面的起伏變化、障礙物狀況、室內外環境狀況等，也包括了機器人自身的位姿信息，如運動速度、加速度、各擺臂的關節角度變化、機器人本體姿態等，而操作人員依據終端反饋的信息，根據特定作業任務的要求發送操作與控制指令信息，控制機器人前進、后退、轉向、擺臂擺動、切換運動模式、越障等運動。

圖2 系統組成示意圖

體系結構

控制系統采用了分層遞階的體系結構，使得機器人系統可以從最高層的遙操作端到低層的伺服運動控制與傳感檢測，依照其功能特點逐步分層。具體劃分為管理協調層、運動規劃層，運動控制層和傳感反饋層，如圖3所示。

圖3 機器人系統分層體系結構

管理協調層位于系統的最頂層，具有最高的智能水平，由操作人員通過遙操作平臺負責對整個機器人的管理與控制。規劃控制層由機器人的中央控制機器計算機擔任，根據作業任務指示以及傳感系統的反饋信息，進行運動規劃，形成具體的作業指令。運動控制層負責完成機器人的伺服控制與運動執行，它由分布在MOBIT本體內的驅動控制器、軸角編碼器和伺服電機等伺服環路組成，將來自任務規劃層的動作序列轉換成各關節的協調動作，通過發送運動控制命令給電機驅動器，并通過獲取電機光電碼盤信號完成對電機的伺服控制驅動各電機運動，從而完成操作人員所賦予的作業任務。傳感反饋層位于移動機器人的最底層，用于與環境的直接交互，其功能是獲取環境信息和機器人自身狀態信息，經A/D轉換后通過總線和I/O通道分別傳送給運動規劃層和運動控制層。

ARM+DSP控制模式

車載計算機系統是整個系統中最重要的部分。由于小型地面移動機器人在體積、重量等方面的限制和低功耗、高性能、實時性等方面的要求，所以對車載計算機控制系統的設計必須采用合適的控制系統、軟硬件結構及其有效的控制模式。目前機器人控制系統，根據其硬件構成和控制信息處理方式不同，可分為:單機集中控制、雙機主從控制、單機＋多軸運動控制卡、多機主從分布控制方式等多種模式。

根據控制器的實現模式及其特性的分析，結合MOBIT機器人在體積、重量、功耗、實時性等方面的要求以及現有計算機技術的發展狀況，本文提出了基于ARM+DSP為控制模式的嵌入式控制系統，其結構如圖4所示。

圖4 ARM+DSP控制結構

一方面，這種多機主從分布控制方式具有很高的工作速度和控制性能，對于任務的均衡、提高實時性等都有著明顯的優勢，更容易實現分層結構與分布控制。另外，各種高性能嵌入式器件的發展，為構造嵌入式機器人控制系統提供了硬件基礎。設計中采用了上下兩級分布、CAN總線通訊的體系結構，系統的上位計算機由嵌入式ARM7構成，并通過CAN總線與DSP相連，整個嵌入式計算機控制系統置于移動機器人本體內部，構成移動機器人的運動控制系統。ARM7作為機器人主控計算機負責系統的初始化、遠程通訊、人機交互、組織管理、任務規劃以及與下位機DSP的通訊。各DSP接受來自上位機的控制指令，按規定的協議進行轉換、解釋，并通過電機伺服控制器完成對電機的伺服控制。DSP在執行運動指令的同時還將運動的執行情況反饋給上位計算機，與上位機進行信息交換。采用嵌入式系統，其處理能力接近PC機的水平，但整體體積更小，另外，基于PC的控制系統通常采用Windows操作系統，其實時性需要由底層的硬件平臺來保證，而嵌入式控制器內嵌實時操作系統(RTOS)，具有實時性、低成本、小型化、專用化和高可靠性的優點，完全保證了控制系統的實時性要求。

控制系統硬件設計

硬件構成

圖5表示機器人控制系統總體硬件結構圖。在遙操作端，通過無線通訊實現遙操作計算機與機器人上位主控計算機的通訊，以便能夠對機器人本體的狀態及環境信息進行監控，并控制機器人運動。上位計算機采用了基于三星ARM7TMDI芯片的ARM7開發板EC2020作為運動規劃層處理系統，下位機采用DSP2812芯片作為運動控制層的處理器負責實時性要求較高的伺服驅動控制，上下位機通過CAN總線來通訊。驅動器采用了專用直流有刷電機驅動器并通過和電機集成的差分式光電碼盤來完成。考慮到運動控制層的開放性、可擴展性以及將來其它傳感器的接入，系統共使用8片DSP芯片，采用分布式控制方式，每個DSP芯片使用PID算法單獨控制一臺電機。機器人的傳感器系統包括有:CCD、雙軸傾角儀、羅盤、超聲傳感器以及與電機集成的光電碼盤。

圖5 控制系統硬件組成
ARM7

隨著對高處理能力、實時多任務、網絡通信、超低功耗需求的增長，高端嵌入式處理器已經得到了普遍的重視和應用。基于RISC架構的ARM處理器以其高速度、低功耗、高性能、小體積等諸多優點而成為各類產品中選用較多的嵌入式處理器。特別是以ARM微處理器所構成的嵌入式系統以其優越的特性迎合了智能機器人對于體積、重量、功耗、實時性等方面的不斷要求。

筆者選用了基于ARM7TMDI芯片的ARM7開發板EC2020作為運動規劃層主控計算機構成嵌入式控制系統，如圖6所示。EC2020是一款功能強大的微功耗的嵌入式數據采集控制器，具備豐富的外圍接口(調試接口、A/D、I/O、USB、CAN、PWM、鍵盤、LCD等)，可廣泛應用于工程車輛運行參數控制、電力系統及各種環境監控領域，價格低廉、品質優良、可靠性高，是一款微功耗一體化控制器。EC2020板載RS485串行接口和CAN總線接口，通過無線串行通訊收發器與遙操作計算機進行無線串行通訊，通過CAN總線與運動控制層處理器和傳感反饋層進行通訊。

圖6 ARM7開發板EC2020

DSP2812

下位機采用DSP2812芯片作為運動控制層的處理器負責實時性要求較高的伺服驅動控制。目前，采用高速、高性能的DSP進行機器人控制已逐步成為主要的控制方式之一。采用高性能DSP伺服控制不僅充分發揮其信號處理能力強、實時性高等特點，而且更適合于智能移動機器人的小型化、強功能的要求。

DSP作為機器人控制器在高精度伺服控制中的應用主要體現在:
D
SP用于機器人的運動控制系統，特別適合解決與復雜的算法有關的控制問題。

在智能機器人中使用DSP，將大大地提高機器人在目標識別、運動規劃、避障能力等方面的能力。

對于小型機器人更能顯示出芯片重量輕、體積小、功能強的特點，為實現機器人的小型化、輕量化提供了很好的條件。

使用DSP芯片開發的伺服控制系統，完全可以滿足通訊的要求，而且除了可以完成伺服控制以外，還可以實現如故障處理、報警等功能。

TMS320DSP2812除了具有一般DSP的優點外，它還采用高性能靜態CMOS技術，電壓從5V降為3.3V，減少了功耗。并且指令執行速度提高到40MIPS，使其可以通過采用高級控制算法如模糊控制、卡爾曼濾波以及狀態控制等來提高系統的性能，而且它具有電機控制應用所必需的外設。相比專為數字電機控制而設計的TMS320LF2407A來說，TMS320DSP2812的處理速度LF2407的5倍，其AD轉換模塊為12位，轉換精度更高。在機器人系統中，選用了DSP2812作為運動控制層的處理器，其主要優點體現在:高精度、高可靠性、高集成度以及高靈活性。圖7所示為DSP2812電機控制板。

圖7 　DSP2812電機控制板

伺服控制

在控制器設計中既考慮了與主控制器ARM7的協調通訊，又考慮了機器人的實時控制性能、伺服控制精度，并且能在伺服控制器上進行控制優化和將來的功能擴展。從圖4可以看出，基于ARM+DSP的網絡直流伺服驅動器是用于對機器人的8個電機進行伺服控制。

采用直流有刷電機(Maxon DC Motor)作為執行元件，具有體積小、輸出力矩大、控制簡便等特點。增量式光電碼盤具有測量精度高，機械結構簡單的特點，在機器人設計中被廣泛采用。碼盤集成于電機尾部，屬于差分型增量式光電碼盤。兩路正交的編碼脈沖信號經DSP4倍頻后，電機每轉將輸出4000個脈沖信號，這將大大提高機器人的控制精度。DSP運動控制單元的系統結構如圖8所示。驅動器采用了專用直流有刷電機驅動器并通過光電碼盤來完成。所選用的電機驅動器內部采用PWM原理對電機的轉速進行控制，同時設計有電流限制電路，避免了PID算法在電機剛啟動時將全壓作為輸入而引起電流過載。

機器人的運動控制包括4個履帶和輪子的運動控制以及4個擺臂的擺動控制，控制方法相同，其速度和輸出力矩的區別依賴于與電機集成的減速器的差別。

圖8 電機控制單元結構圖

CAN總線通訊

移動機器人控制中很重要的一個方面是組成系統的通訊網絡結構。CAN總線(Controller Area Network)是一種有效支持分布式控制和實時控制的串行通信網絡，已成為一種總線標準。它是一種多主總線，通信介質可以是雙絞線、同軸電纜或光纖，通信速率可達1Mbps，通信距離可達10km。其最大特點是糾錯能力強，支持差分收發和高實時性高可靠性，已在工業自動化、建筑物環境控制、機床、醫療設備、機器人等領域得到了較廣泛的應用。

機器人控制的信息量大，對通信方面的要求很高，要保證各種信息在控制系統中及時準確的傳輸，通信工具的選擇十分重要。設計中充分利用了TMS320DSP2812中CAN總線模塊的功能，將8個下位機DSP控制板與主控計算機ARM7一起構成一個基于CAN 總線結構的控制網絡，以實現數據的高速傳輸，其總線網絡如圖9所示。

在機器人控制系統中，由于要實現復雜的運動控制，除了機器人的前、后、轉向運動以外還包括各個擺臂的運動，而且各個擺臂的控制要準確、可靠，各個運動要實現協調控制以便完成復雜的越障動作。采用CAN總線通訊方式使得與機器人各部件相連每一個CAN總線控制器都同時具有數據傳輸和現場控制功能，各個DSP與ARM間的通信實時性得以保證。各底層DSP控制器通過總線連接，只要所有器件都遵守相同的通訊協議，就可以穩定可靠的進行信息傳輸。這種通訊方式降低了連線的復雜程度，提高了通訊速度，增強了系統的穩定性。由于只用兩根線進行通訊，結構十分靈活，可以滿足設計要求。

圖9 控制系統CAN總線網絡
傳感器系統

由于系統要求機器人可以實現半自主的運動，所以，機器人系統包括了必要的傳感器系統。

視覺傳感器

視覺系統作為移動機器人實時感知遠端環境信息以及為機器人自主運動提供豐富的信息的重要手段，是機器人不可或缺的部分。考慮到視覺傳輸、處理量大，對主控計算機的容量、速度等要求很高，設計中采用了單獨的視覺處理計算機來完成視覺系統的處理與傳輸。
測距傳感器

測距傳感器筆者選擇了高精度的超聲傳感測距傳感器(SRF08 Ultra sonic range finder)，如圖10所示，作為感知機器人與環境障礙的距離信息。該傳感器的檢測范圍可以從最短的3cm到最遠的6m范圍內檢測距離信息，遠距離的檢測通過障礙物的感知和測距來完成避障、跟墻等運動，而近距離的檢測則可以用于和障礙物的交互越障。另外，該傳感器還具有體積小、重量輕、工作穩定可靠等特點，屬于高性能超聲傳感器一類。

圖10 SRF08 Ultra sonic range finder

姿態感知傳感器

除了要能夠感知復雜地形的存在之外，機器人還要能夠獲取足夠的有關自身狀態的信息。一個重要的狀態信息是車體的姿態信息，也就是車體相對于水平面的俯仰和側傾情況。這兩個角度的變化將直觀地反映出機器人的穩定狀態。為此選用集成兩個方向的AT-201-SC雙軸傾角儀，分別檢測與主車體縱向平行的俯仰角和與主車體側向平行側傾角,如圖11所示。

圖11表演 AT-201-SC雙軸傾角儀

除此以外，還配置了光電接觸開關、羅盤等。針對MOBIT的自主越障來說，對傳感器的要求可能會更加復雜。因為在越障過程中，機器人與地形的直接物理接觸的感知對機器人越障來說是至關重要的。觸覺傳感器通過機器人與障礙的物理接觸來探知障礙，這是最簡單、有效的方式。但采用什么樣的觸覺傳感器也是一個需要深入研究的問題，在此不做進一步探討。
遙操作控制與實驗

機器人以遙控/半自主的方式工作。遙控方式以其實用、可靠而成為機器人遠程控制的基本功能。圖12為該機器人具有圖形交互特點的遠程監控遙操作界面。

目前已經完成了機器人輪式運動、履帶運動等基本運動實驗以及爬越臺階、樓梯、復位等越障實驗。所有的實驗工作表明，該機器人具有多種不同的運動模式和良好的運動特性及越障能力，控制系統滿足機器人對半自主導航及遙操作的要求。

圖12 遙操作監控界面

結語

本文結合系統的功能要求，構建了遙控/半自主操作控制方式的機器人控制系統，提出了基于ARM+DSP為控制模式的CAN總線通訊的嵌入式控制系統，保證了硬件系統具有良好的可擴展性、靈活性、實時性、低功耗的特點，并滿足其尺寸小、重量輕、性能高等要求，完成了整個控制系統的設計，并設計完成了包括超聲傳感器、CCD、傾角儀、羅盤等傳感器在內的機器人傳感系統。實驗工作驗證了控制系統的有效性。這種移動機器人平臺可用于軍事偵察、探測、警戒、巡邏或公安、武警系統解決突發事件，有著廣泛的應用前景