全地形移动机器人控制系统的软硬件实现要点分析

张明

摘要：全地形移动机器人是一种新兴的移动机器人，它是利用机器人的自主行走和避障功能，在无人控制的条件下，通过机械部件的自动操控实现对地形的勘探、勘测、识别，并在空间上进行作业的一类集多种学科于一体的综合性高科技智能系统。全地形区的环境复杂多变，很难准确地判断周围的情况和障碍物的距离，因此需要有一个可靠的避障方法。而全地形区的复杂性使得其对机器人的要求也变得更加严格，因此有必要研究出能够精确感知地势的传感器设备，帮助使用者更好地躲避障碍，根据自身的实际需求，选择合适的避障方式，从而提高工作效率。

关键词：全地形移动机器人;机械结构;系统设计

引言：

由于社会的发展和科技的进步以及人类生活水平的不断提高，机器人技术也在飞速的发展中逐渐成熟。目前全世界已经有很多国家拥有自主研发的移动机器人，其中大部分的移动机器人都是通过模仿的方式来实现自身的功能要求，但是由于其本身的结构特点，使得其在工作的过程中容易出现问题，从而影响了整个系统的稳定性和可靠性。因此为了能够更好地满足工业生产的需求并获得更多的经济效益，就需要对该课题进行深入的研究与设计。

一、全地形移动机器人控制系统

（一）控制系统概述

根据任务书的要求和给定的参考平台，对全地形移动机器人的机械结构进行了设计。在机械臂的基础上，对驱动机构、机身、支撑轴等的结构和尺寸参数做出了合理的选择。并通过计算确定了各个零件的材料及结构，从而使整个系统的工作性能达到最优。全地形移动机器人的研究内容包括：主要是针对整体的机械手的设计与选型。考虑到机械手的抓举能力，因此需要满足抓取的空间大小，以及能够实现的最大负载。同时还要保证其具有一定的灵活性，以适应不同的环境。尽可能地减小手臂的重量和提升手部的运动速度，以提高其抓举的稳定性。在完成机械手的总设计之后，还应该使它的重心尽量低，以便于减轻手臂的负担并减少臂力。

（二）机械臂控制器

机械臂是机器人的核心部分，它主要由机械臂和驱动机构组成。机械臂的运动控制方式有两种：一是通过伺服电机的旋转来实现对动力源的改变。二是利用舵机的力矩进行线性的转动和直线的摆动来完成对舵机的位置、速度等的调节和设定。本章的任务就是设计出一个全地形移动机器人远程控制系统，并在上位机软件的基础上，使用c#语言开发虚拟样机，并在Windows平台上建立相应的模型库，然后将其运用于实际的工程中。C#程序的编写是基于C#的C语言编程，并且能够根据不同的要求灵活调用，方便快捷。同时也能保证系统的稳定性与可靠性。所以本章的重点就放在如何选择出最合适的C#语言，以及对编程语言的熟练程度。由于本人能力有限，对于一些复杂的工作可能会出现错误，但是最终还是成功地避免了这种失误。因此本章的难点在于传感器的选取与采集，还有数据的处理过程[1]。

二、全地形移动机器人控制系统硬件平台搭建

（一）控制系统整体架构

整个机器人系统由机械臂、机身、驱动器和执行机构组成。机械臂是移动机器人中的关键部件，其性能的好坏直接影响到了机器人的工作效率。驱动部分包括了两个方面：一是电机的传动与控制。二是舵机的控制与协调。全地形轨迹规划是一个复杂的多目标优化问题，在全地形轨迹规划的过程中，需要对多个约束进行综合考虑。由于全地形轨迹规划涉及多变量因素，所以在解决路径跟踪的算法选择时，还需对多约束条件下的参数进行进一步的分析计算。本章将从机械结构的三个主要的模块出发，分别为机械手臂的运动，设计和舵机的转向控制[2]。

（二）驱动部分

由于机器人的驱动方式主要有电机、伺服驱动和前馈电控等，而本文研究的对象是基于全地形移动机器人的机械臂的驱动部分。全地形移动机器人的机械臂的驱动部分由两个部分组成，一个是前轮的传动链，另外一个为后轮的减速机构。前轮的传动链包括主链、从动链以及支撑点。后轮的传动链又分为两大部分，其中一部分为差速齿轮，另一部分为蜗杆减速器。在全地形轨迹中，行走平台的前进和后退的速度都是相同的。在滑台上的前后摆动控制，则可以实现左右滑块的相对独立运动。但是转弯半径过大时，会影响到整体的稳定性。当滑台的转动速率较快时，会使舵机的力矩增大，从而使舵机的行程增加，导致舵机的抖动。因此为了避免这种情况的发生,应适当减小差速的幅度值。对于前驱的机械臂，其具有一定的自锁能力，但其结构复杂，体积大，质量也比较大[3]。

（三）电源板

在全地形机器人的驱动系统中，电池是一个重要的组成部分之一，它是全地形机器人的动力源。目前市场上的锂离子、镣氢、镣镉和镣氢、铅酸蓄电式等，铅酸蓄电式锂电池的充电效率低，且充放电次数有限。而铅酸电池的充放性能好，但其比能量较低，且其对环境的污染较大，所以在本领域应用较少，而主要采用密度大，性能较为稳定的锂电话作为供电电源。因此，本文提出一种全地形移动机器人的底盘结构，并通过轮毂电机的控制实现了对电源地调节与供电。同时轮毂电机的转速较高，能满足不同的复杂工况，并且具有过载保护功能。

[4]。

三、控制系统的软件实现

（一）控制系统的功能

1）全地形移动机器人的运动控制：在六自由度机械臂的基础上，通过传感器采集六自由度机械臂的姿态数据，利用卡尔曼滤波算法对回波信号进行滤波处理，并将其输出为平滑的脉冲序列，然后再使用卡尔曼滤波器对差分置后的差分参数计算出机器人的位置坐标，从而实现对六自由度机械手的实时监控和跟踪。2）全地形移动机器人的驱动：由于全地形移动机器人以脚踩小脚，在行走过程中，脚不可能一直向前行驶，所以需要一个能够检测履带的推土铲，这个推土铲的工作状态，来判断地面的情况进而调整松开的程度来使其继续前进。3）全地形区的控制系统：主要是用来监测四轮小车的运行状况，并根据这些信息来调节电机的转速和转向的速度。还可以设置不同的车速以及方向，当遇到障碍时，及时启动，保证系统的平稳性。

（二）控制界面

全地形移动机器人的控制方式主要有两种，一种是单轴驱动，另一种是双轴驱动。单轴式的机械结构简单，但是其稳定性较差，在复杂环境中，其工作效率较低，在工程应用中也会受到一定的限制。双轴式的机械结构稳定，但由于其自身的旋转运动的复杂性和灵活性，使得系统的整体性能相对较低，本系统对于单轴驱动和双轴驱动分别作了适应性控制，使得无论是单轴驱动还是双轴驱动都能适应本系统。本章的控制界面的设计采用的是超声波传感器模块，超声测距雷达具有较强的实时性，能够对距离进行测量，并且能实现对信号的远距离传输，所以本文选择的是超声测距机器人的核心板作为整个移动机器人的检测平台。

（三）控制系统开发工具

对于全地形移动机器人的控制系统而言,主要是针对其机械臂的运动控制和传感器采集技术进行研究的一种系统。全地形移动机器人的控制系统研发采用的开发工具是基于单片机的开发和单片机的编程来实现的机器人控制系统，通过对整个机械臂的机械结构、自由度等的设计来完成对机械臂的实时监控。本论文中所使用的开发软件有:STC12C5A60S2、KEIL等。这些软件的优点在于可以根据环境的不同变化而灵活的改变程序的运行路径，从而提高了在复杂多变的工作中的执行效率。同时也具有强大的可扩展性，使其能够适用于多种类型的工业生产之中。在硬件方面，由于单片机的功能比较单一,因此在设计时需要考虑到模块化的问题;另外，因为单片机能独立编写，故需将各个部分的电路连接在一起,这样就会导致每个单元的驱动能力都得到增强，这也会降低成本。

四、结束语

通过对全地形移动机器人的研究和分析，设计了一种基于全地形移动机器人的机械臂的运动控制方案，并实现了该机械臂的自主避障功能。在整个系统的硬件和软件设计方面，主要有以下两个部分：一方面，对全地形及导航的相关技术及理论知识做简要的陈述。另一方面，在半自动化的基础上，提出了半人工化的半自适应路径规划算法，并分析了其软件和硬件，以便相关人员参考。

参考文献：

[1]陈俊超,李国臣.全地形移动机器人机械结构及控制系统设计分析[J].科技与创新,2020(12):3.

[2]郑明军,赵晨磊,吴文江,等.全地形移动机器人车身结构分析与优化[J].工程设计学报,2021.

[3]汪步云,彭稳,梁艺,等.全地形移动机器人悬架机构设计及特性分析[J].机械工程学报,2022,58(9):16.

[4]杨继之,乐毅,张加波,等.移动机器人定位精度实时补偿策略研究[J].机械工程学报,2022,58(14):44-53.