自主移动机器人平台的设计研究

　　引言

　　随着计算机技术、传感器技术、智能控制技术的发展, 智能型自主移动机器人已得到了国内外的普遍关注, 成为研究的热点。自主移动机器人是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制等多功能为一体的智能综合系统。其环境感知是通过多种传感器对环确的外部信息, 系统的核心控制器根据传感器信息融合的数据对移动机器的运动进行规划和导航。本文以车载工控机为核心控制器, 主要介绍机器人的移动结构设计、传感系统设计和控制系统结构。

　　1 系统体系结构

　　由于机器人系统比较复杂, 包括众多系统且自身重量较重, 因此在设计时, 采用分层结构, 自底向上依次是: 电机运动部分, 电池单元, 接触传感环, 车载工控计算机, 声纳环, 红外传感环, 蓝牙通讯模块, 语音处理模块, 立体双目视觉系统。机器人系统按下面示意图进行布局, 此种布局能保证系统稳定和平稳的运行。为使系统运行具有高稳定性、结构简单的原则,在硬件系统设计时采用模块化设计, 以保证系统具有足够的稳定性, 便于根据实际需要添加新的组件加以完善。图2 为机器人硬件系统, 下边会针对每一块进行详细说明。

　　2 运动控制系统

　　自主移动机器人实验平台运动控制系统主要由移动机构和驱动机构组成。机器人在地面上的移动方式通常有三种: 车轮式、履带式、步行式和复合式。轮式结构的机器人主要有三轮和四轮结构。轮子的分布根据设计要求各不相同, 主要分平行式和正交式。我们设计的机器人车体底盘结构采用四轮结构, 结构图如图3 所示。这种结构与 3 轮车体相比, 其自转中心与车体中心重合, 当 2 个驱动轮以相反速度方向转动时, 车体能绕自身的中心自转, 所以便于在狭窄场合改变方向。这种车轮的布置方式在灵活性和稳定性上都有比较好的表现。但其缺点是前后辅助转向轮有时不能同时着地支撑, 在高速启动和刹车时车体会产生俯仰和前冲, 因此为了克服启动和刹车时的俯仰和前冲, 在设计时我们尽量将车体的重心配置在两个驱动轮连线的附近, 减少惯性带来的影响。驱动方式采用差分驱动, 左右两轮由直流无刷电机+驱动器+编码器+减速器组成, 关于电机参数的确定可以参考下边的公式: 假定机器人的最大行驶速度为 v=1m/s, 利用公式求单个驱动电机功率其中,表示地面对轮子的滚动摩阻力偶, Mt表示驱动轮的驱动力矩。), 此式中K 为安全系数, Mt表示摩擦力矩, v 表示行驶线速度, r2表示驱动的半径, η为齿轮减速器的传动效率。0%, 所以Pt=185.18w实现时, 我们取电机的功率为190w, 额定电压24v, 电机的理想空载转速为2400rpm, 齿轮减速器减速比18: 1, 编码器采用500 线。