1機(jī)器人控制技術(shù)與實(shí)踐

2第五章機(jī)器人控制系統(tǒng)5.1機(jī)器人的底層控制5.2機(jī)器人的上層控制5.3機(jī)器人控制的MATLAB仿真3第五章機(jī)器人控制系統(tǒng)

機(jī)器人控制技術(shù)，從廣義上可以分為機(jī)器人的底層控制和上層控制。

底層控制主要是通過(guò)傳感器采集各種基本信息，通過(guò)簡(jiǎn)單的算法實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的簡(jiǎn)單行走，實(shí)質(zhì)包含傳感器的控制、電機(jī)和舵機(jī)控制以及最基礎(chǔ)的PID控制方法；

上層控制主要包含機(jī)器人的路徑規(guī)劃、足式機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃以及多機(jī)器人協(xié)作控制方法等。04機(jī)器人的供電方式5.1機(jī)器人的底層控制

1、PID運(yùn)動(dòng)控制

巡線機(jī)器人如何使用PID？04機(jī)器人的供電方式5.1機(jī)器人的底層控制

1、PID運(yùn)動(dòng)控制04機(jī)器人的供電方式5.1機(jī)器人的底層控制

1、PID運(yùn)動(dòng)控制04機(jī)器人的供電方式3.1機(jī)器人的底層控制PID控制是一種基于偏差“過(guò)去、現(xiàn)在、未來(lái)”信息估計(jì)的有效而簡(jiǎn)單的控制算法。1、PID運(yùn)動(dòng)控制04機(jī)器人的供電方式5.1機(jī)器人的底層控制PID控制是一種基于偏差“過(guò)去、現(xiàn)在、未來(lái)”信息估計(jì)的有效而簡(jiǎn)單的控制算法。

對(duì)偏差按比例、積分和微分通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制1、PID運(yùn)動(dòng)控制04機(jī)器人的供電方式5.1機(jī)器人的底層控制

比例作用的引入是為了及時(shí)成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)，系統(tǒng)偏差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生與其成比例的控制作用，以減小偏差。比例控制反應(yīng)快，但對(duì)某些系統(tǒng)，可能存在穩(wěn)態(tài)誤差，加大比例系數(shù)、系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差減小，但穩(wěn)定性可能變差。隨著比例系數(shù)的增大，穩(wěn)態(tài)誤差減小，同時(shí)動(dòng)態(tài)性能變差，振蕩比較嚴(yán)重。

積分作用的引人是為了使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度，以保證實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)定值的無(wú)靜差跟蹤。

微分作用的引入主要是為了改善控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。微分作用能反映系統(tǒng)偏差的變化率，預(yù)見(jiàn)偏差變化的趨勢(shì)，因此能產(chǎn)生超前的控制作用。直觀而言，微分作用能在偏差還沒(méi)有形成之前，就已經(jīng)消除偏差。因此，微分作用可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。1、PID運(yùn)動(dòng)控制04機(jī)器人的供電方式3.1機(jī)器人的底層控制2、智能PID參數(shù)整定（1）基于繼電反饋的PID參數(shù)自整定

繼電反饋控制結(jié)構(gòu)04機(jī)器人的供電方式5.1機(jī)器人的底層控制2、智能PID參數(shù)整定（2）基于模糊PID控制的參數(shù)自整定模糊PID控制自整定控制器結(jié)構(gòu)04機(jī)器人的供電方式5.1機(jī)器人的底層控制2、智能PID參數(shù)整定（3）基于神經(jīng)網(wǎng)路PID的參數(shù)整定基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)04機(jī)器人的供電方式5.1機(jī)器人的底層控制2、智能PID參數(shù)整定（4）基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模糊PID參數(shù)整定基于神經(jīng)絡(luò)的模糊PID控制系統(tǒng)04機(jī)器人的供電方式5.2機(jī)器人的上層控制1、路徑規(guī)劃?rùn)C(jī)器人通過(guò)各種傳感器獲取環(huán)境信息,利用人工智能進(jìn)行識(shí)別、理解、推理并做出判斷和決策來(lái)完成一定的任務(wù)。

智能機(jī)器人路徑規(guī)劃是指在有障礙物的工作環(huán)境中,如何尋找一條從給定起點(diǎn)到終點(diǎn)適當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)路徑,使機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中能安全、無(wú)碰地繞過(guò)所有障礙物。已知障礙（靜態(tài)）未知障礙（動(dòng)態(tài)）各種比賽機(jī)器人巡邏機(jī)器人戰(zhàn)場(chǎng)機(jī)器人醫(yī)療機(jī)器人排爆機(jī)器人04機(jī)器人的供電方式5.2機(jī)器人的上層控制2、足式機(jī)器人步態(tài)控制（1）固化編程（2）基于模型的方法（3）基于生物控制策略：CPG、遺傳算法、蟻群算法等。04機(jī)器人的供電方式5.2機(jī)器人的上層控制3、多機(jī)器人協(xié)作

有效地組織多個(gè)自主移動(dòng)機(jī)器人通過(guò)一種協(xié)作機(jī)制完成指定的任務(wù)是多協(xié)作機(jī)器人相對(duì)于個(gè)體機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)的最大區(qū)別所在。（1）簡(jiǎn)單協(xié)作：舞蹈機(jī)器人（2）復(fù)雜協(xié)作：利用相關(guān)算法實(shí)現(xiàn)多機(jī)協(xié)作。機(jī)器人1機(jī)器人2機(jī)器人3機(jī)器人404機(jī)器人的供電方式3.2機(jī)器人的上層控制3、多機(jī)器人協(xié)作

有效地組織多個(gè)自主移動(dòng)機(jī)器人通過(guò)一種協(xié)作機(jī)制完成指定的任務(wù)是多協(xié)作機(jī)器人相對(duì)于個(gè)體機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)的最大區(qū)別所在。（1）簡(jiǎn)單協(xié)作：舞蹈機(jī)器人（2）復(fù)雜協(xié)作：利用相關(guān)算法實(shí)現(xiàn)多機(jī)協(xié)作。機(jī)器人1機(jī)器人2機(jī)器人3機(jī)器人4如何定義主從？以多機(jī)救援機(jī)器人為例04機(jī)器人的供電方式5.3機(jī)器人控制的MATLAB仿真基于CPG的雙足機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃算法步態(tài)是指雙足機(jī)器人的每條腿按一定的順序和軌跡的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，是確保步行機(jī)構(gòu)穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素。雙足仿人機(jī)器人主要有兩種步態(tài)，分別是仿人行走運(yùn)動(dòng)步態(tài)和跑步運(yùn)動(dòng)步態(tài)。04機(jī)器人的供電方式5.3機(jī)器人控制的MATLAB仿真基于CPG的雙足機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃算法04機(jī)器人的供電方式5.3機(jī)器人控制的MATLAB仿真基于CPG的雙足機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃算法

仿人步行步態(tài)兩足之間運(yùn)動(dòng)是相互抑制的，故兩者之間為抑制性連接。小結(jié)機(jī)器人的PID控制的原理。機(jī)器人的上層控制方法。機(jī)器人控制的MATLAB仿真。22機(jī)器人控制技術(shù)與實(shí)踐

23第六章輪式巡線機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制作6.1輪式巡線機(jī)器人6.2硬件設(shè)計(jì)6.3軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境 6.4STM32的I/O端口的應(yīng)用6.5系統(tǒng)整體調(diào)試24

輪式移動(dòng)機(jī)器人是最常見(jiàn)的機(jī)器人類(lèi)型，是機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的重要研究發(fā)展方向。輪式機(jī)器人的移動(dòng)方向有時(shí)需要外加環(huán)境標(biāo)識(shí)的引導(dǎo)，其中引導(dǎo)線是一種常用的方式。第六章輪式巡線機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制作256.1輪式巡線機(jī)器人

輪式機(jī)器人是最常見(jiàn)的機(jī)器人，它不僅移動(dòng)速度快、穩(wěn)定性好，而且移動(dòng)方向易于控制，廣泛應(yīng)用于安防、醫(yī)療、工業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域。輪式機(jī)器人為了到達(dá)目的地，有時(shí)需要一定的引導(dǎo)方式，最常見(jiàn)的就是沿著地面引導(dǎo)線行走。266.2硬件設(shè)計(jì)

機(jī)器人包括底盤(pán)結(jié)構(gòu)、舵機(jī)、輪子、傳感器、穩(wěn)壓模塊、電池等。276.2硬件設(shè)計(jì)

1、機(jī)械結(jié)構(gòu)輪式巡線機(jī)器人的主體采用兩輪加萬(wàn)向輪的結(jié)構(gòu)，車(chē)前側(cè)安裝兩個(gè)傳感器，用于檢測(cè)地面信息，車(chē)后側(cè)安裝萬(wàn)向輪實(shí)現(xiàn)車(chē)身穩(wěn)定及轉(zhuǎn)向功能。286.2硬件設(shè)計(jì)

2、電路設(shè)計(jì)輪式巡線機(jī)器人系統(tǒng)的電路主要包括主控板、傳感器、電源、驅(qū)動(dòng)器等組成。296.2硬件設(shè)計(jì)

（1）主控板為了完成輪式巡線機(jī)器人的控制，主控板選用STM32單片機(jī)開(kāi)發(fā)板。與MCS-51等單片機(jī)相比運(yùn)算速度更快、集成度更高、對(duì)數(shù)據(jù)量的處理功能更強(qiáng)大，具有高性能、低功耗、低成本等特性，較適合用于小型機(jī)器人的開(kāi)發(fā)。306.2硬件設(shè)計(jì)

（2）驅(qū)動(dòng)器的選擇適合輪式機(jī)器人驅(qū)動(dòng)的方式主要有速度舵機(jī)和直流電機(jī)等方式。其中，直流電機(jī)轉(zhuǎn)速快、力矩大，更加適合快速移動(dòng)、負(fù)重要求較高的機(jī)器人；速度舵機(jī)控制精度較高，更加適合機(jī)械臂、抓手等高精度定位的領(lǐng)域。316.2硬件設(shè)計(jì)

（3）電源模塊穩(wěn)定的供電電壓是保障硬件電路穩(wěn)定工作的前提。主控制板芯片的工作電壓為2-3.6V，舵機(jī)和小直流電機(jī)的工作電壓為4.8-7.2V，選擇了額定電壓為7.4V的2S鋰電池供電。326.2硬件設(shè)計(jì)

（4）傳感器輪式巡線機(jī)器人的傳感器主要用于探測(cè)，白色地圖中黑色邊界線，所以選用型號(hào)為SEN1595的灰度傳感器。336.2硬件設(shè)計(jì)

（5）電路連接架構(gòu)輪式巡線機(jī)器人控制電路的主要硬件及其主要參數(shù)確定后，可參考下圖將各硬件相連組成機(jī)器人的控制系統(tǒng)，進(jìn)行各模塊的測(cè)試。346.3軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境

Keil是一款基于微控制器的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，是目前ARM內(nèi)核單片機(jī)開(kāi)發(fā)的主流工具。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫(kù)管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器在內(nèi)的完整開(kāi)發(fā)方案，通過(guò)一個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境將這些功能組合在一起。356.3軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境

1、KeilMDK開(kāi)發(fā)環(huán)境的安裝（1）安裝mdk_514.exe以管理員身份安裝，右鍵點(diǎn)擊出現(xiàn)下圖的界面，并根據(jù)提示完成安裝。366.3軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境

（2）安裝Keil.STM32F1xx_DFP.1.0.5.pack為了能在KEIL中對(duì)STM32M3進(jìn)行正常的編程及編譯，需要繼續(xù)安裝相關(guān)的庫(kù)函數(shù)包。376.3軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境

2、下載及調(diào)試軟件（1）代碼下載及調(diào)試程序編譯好后，需要將編譯后的hex文件下載到STM32開(kāi)發(fā)板的主控CPU，程序才能運(yùn)行，執(zhí)行相關(guān)動(dòng)作。STM32開(kāi)發(fā)板下載程序的方法有串口下載和J-Link下載。如果通過(guò)J-Link下載器進(jìn)行下載，則需要準(zhǔn)備J-Link下載器。386.3軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境

2、下載及調(diào)試軟件（2）代碼調(diào)試機(jī)器人調(diào)試的過(guò)程中，遇到問(wèn)題需要進(jìn)一步確認(rèn)原因，此時(shí)需要可視化的調(diào)試工具。396.4STM32的I/O端口的應(yīng)用

STM32-M3單片機(jī)有7組16位的并行I/O口：PA、PB、PC、PD、PE、PF、PG，共112個(gè)，這些端口既可以作為輸入（Input），也可以作為輸出（Output）；可按16位處理，也可按位方式（1位）使用。如果將PA-PG口作為輸入或輸出時(shí)，需要先進(jìn)行相關(guān)的配置。STM32的部分有復(fù)用功能，既有普通的輸入輸出口功能，又能作為串口等復(fù)用功能。406.4STM32的I/O端口的應(yīng)用

一、I/O端口的配置及使用1、I/O端口配置在KeilMDK的頭文件“stm32f10_gpio.h”里，端口定義按照下面的結(jié)構(gòu)體操作：typedefstruct{u16GPIO_Pin;GPIOSpeed_TypeDefGPIO_Speed;GPIOMode_TypeDefGPIO_Mode;}GPIO_InitTypeDef;。416.4STM32的I/O端口的應(yīng)用

2、驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管配置好端口后，可以通過(guò)程序設(shè)置端口輸出電平的高低，這里以端口接一個(gè)發(fā)光二極管為例。要求當(dāng)端口輸出低電平時(shí)，發(fā)光二極管亮；端口輸出高電平時(shí)，發(fā)光二極管滅。#include"stm32f10x.h"#include"led.h"#include"delay.h"intmain（void）{LED_Init（）;//初始化LED，包括端口配置SysTick_Init（）;//初始化時(shí)鐘while（1）{GPIO_SetBits（GPIOD，GPIO_Pin_5）;//PB5輸出高電平Delay_ms（1000）;//延時(shí)500msGPIO_ResetBits（GPIOD，GPIO_Pin_5）;//PB5輸出低電平Delay_ms（1000）;//延時(shí)500ms}}426.4STM32的I/O端口的應(yīng)用

2、驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管配置好端口后，可以通過(guò)程序設(shè)置端口輸出電平的高低，這里以端口接一個(gè)發(fā)光二極管為例。要求當(dāng)端口輸出低電平時(shí)，發(fā)光二極管亮；端口輸出高電平時(shí)，發(fā)光二極管滅。#include"stm32f10x.h"#include"led.h"#include"delay.h"intmain（void）{LED_Init（）;//初始化LED，包括端口配置SysTick_Init（）;//初始化時(shí)鐘while（1）{GPIO_SetBits（GPIOD，GPIO_Pin_5）;//PB5輸出高電平Delay_ms（1000）;//延時(shí)500msGPIO_ResetBits（GPIOD，GPIO_Pin_5）;//PB5輸出低電平Delay_ms（1000）;//延時(shí)500ms}}436.4STM32的I/O端口的應(yīng)用

二、PWM波產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電機(jī)和舵機(jī)需要PWM波來(lái)來(lái)實(shí)現(xiàn)能量、信號(hào)等參數(shù)的調(diào)節(jié)。通過(guò)對(duì)IO口輸出固定頻率的高低電平，是常見(jiàn)的PWM波生成方法，這種方法較適合固定占空比的PWM波。如果機(jī)器人在行走過(guò)程中需要調(diào)速，則一般考慮由定時(shí)器產(chǎn)生PWM波。STM32的定時(shí)器除了TIM6和TIM7，其他的定時(shí)器都可以用來(lái)產(chǎn)生PWM輸出。其中高級(jí)定時(shí)器TIM1和TIM8可以同時(shí)產(chǎn)生7路的PWM輸出。而通用定時(shí)器也能同時(shí)產(chǎn)生4路的PWM輸出。446.4STM32的I/O端口的應(yīng)用

三、舵機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)1、I/O口驅(qū)動(dòng)舵機(jī)控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)速的是高電平持續(xù)的時(shí)間，當(dāng)高電平持續(xù)1.5ms時(shí)，該脈沖序列發(fā)給經(jīng)過(guò)零點(diǎn)標(biāo)定后的舵機(jī)，舵機(jī)不會(huì)旋轉(zhuǎn)。當(dāng)高電平持續(xù)時(shí)間為1.3ms時(shí)，電機(jī)順時(shí)針全速旋轉(zhuǎn)，當(dāng)高電平持續(xù)時(shí)間1.7ms時(shí)，電機(jī)逆時(shí)針全速旋轉(zhuǎn)。下面介紹如何給STM32微控制器編程使PD端口的第9、10腳（PD9、PD10）產(chǎn)生舵機(jī)的控制信號(hào)。456.4STM32的I/O端口的應(yīng)用