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球形机器人队列控制研究.docx

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  • 上传时间:2022-06-02
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    •     球形机器人队列控制研究    廖小鑫 丁雅昊 葛志恒 刘琨摘 要: 队列控制是使机器人在某种特定的环境下维持某种指定队形的控制技术本文主要研究了基于NRF24L01无线射频通信方式的球形机器人队列控制首先对球形机器人的特殊结构进行设计,接着研究了使机器人保持队形的控制方式和准确控制机器人行进路线的算法,最后通过实验测试了球形机器人队列控制的效果Key: 球形机器人;队列控制;运动控制基金项目: 本文系广东省大学生创新创业训练计划项目,编号201613177022;“攀登计划”广东省大学生科技创新培育专项资金,编号PDJH2017B09001.项目背景对于探索多种资源的任务而言,一个机器人往往很难独立完成任务此时多个机器人之间的协作会大大提高完成探索任务的可能性和效率其中,最简单的协作队形就是队列控制,机器人之间没有任何的物理上的连接机器人队列控制可以应用到很多领域:安全巡逻、搜救、空间探测、军事侦察、农业浇灌等多机器人队列控制有着一个机器人所没有的优势例如,在空间探测中,如果只是使用一个机器人,当遇到某种障碍时,就会有很大的风险与机器人失去联系但是,一群具有相同功能模块的机器人通过某种方式相互连接,就可以构成比单个机器人更强的运动、感知和作业能力的集合体机器人[1]。

      当处于复杂多变的环境时,传统的腿式、轮式、履带式机器人由于自身结构的不足,在一些复杂地形难以发挥其作用而球形机器人的结构类似不倒翁,在与障碍物发生碰撞后能够迅速恢复平衡,很好地适应复杂地形本文研究了基于NRF24L01无线射频通信的球形机器人队列控制,首先研究了基于NRF24L01无线射频通信方式的一对多控制队列技术,根据球形机器人的特殊结构设计,设计了基于NRF24L01的精确控制机器人行进的算法实验构造了由两个球形机器人组成的队列,并通过直线行进实验研究测试了该队列的实际控制效果2.系统总体设计2.1 系统构架以PC机、单片机和无线通信模块为上位机,各个机器人与无线通信模块为下位机,构成通信系统(如图1所示)2.2 通信模块选用现在流行的通信模块有蓝牙、WiFi、Zigbee,NRF24L01等,综合考虑通信距离、功耗、成本以及功能实现,本实验选择NRF24L01通信模块NRF24L01无线通信模块是在2.4G到2.5G之间的频道上通信,一共有125个频道,实现两个NRF24L01之间的通信需要配置相同的频道、地址和每次发送的字节数本文研究“一主机多从机”的控制模式,通过跳频通信的方式实现同步稳定控制。

      2.3 通信控制方式在控制端,PC通过单片机连接一个无线通信模块,用于发送指令;在接收端,多个机器人分别配置了多个无线通信模块,用于接受指令球形机器人结构设计与硬件系统3.1 结构选择机器人结构多样,常见的有履带式、轮式、腿式机器人在复杂地形环境下,由于其自身结构的不足,在相较于球形机器人,恢复平衡的能力较差因此,本文是选择球形为机器人的外形结构综合考虑球形机器人的结构特性和运动特性,通过SolidWorks设计了其三维模型3.2 硬件系统本设计构造了两个球形机器人,每个机器人尺寸为,控制器采用8位AVR微控制器,它产生的PWM信号可以通过L298N驱动板传至TTM1直流减速电机3.队列控制软件算法程序设计包含了三个模块第一个是通信模块,是基于NRF24L01的通信协议的设置第二个是运动控制模块,分别设定了球形机器人朝各个方向运动的不同速度参数第三个是闭环反馈模块,通过编码器返回的实际值,在与设定值比较后,反馈信号使机器人调整运动速度和姿态4.队列精确控制为了实现对机器人行进路径的准确控制,构建了减速电机PID控制系统,这个系统由AB相增量式霍尔编码器和单片机构成5.实验5.1 实验设计实验构造了由两个球形机器人组成的队列控制系统,进行了同步跟随实验。

      两个球形机器人相距一定距离并列摆放,后方机器人跟随前方机器人以一定速度前进,并保持相同距离在实验中,两个球形机器人在接收到主机传来的指令后,同时向前加速行进,当速度达到指定速度后保持匀速运动霍尔编码器与单片机构成的PID闭环控制系统会对机器人的运动速度进行调节,使两个机器人之间保持相同距离匀速前进5.2 实验结果及分析在两个球形机器人速度到达稳定时,分别记录机器人左右轮脉冲频率和机器人之间的相距距离实验结果表明,在存在干扰因素的环境中,兩个球形机器人构成的运动系统能够以较稳定的速度保持一定距离向前运动因此,本文所研究的球形机器人队列控制系统是有成效的6.结论本文研究了基于NRF24L01无线射频通信方式的球形机器人队列控制,利用无线射频通信模块设计和实现了PID闭环控制的球形机器人队列系统,获得了较为精确的球形机器人队列控制Reference[1]王兆元,温强华 .机器人队列的分布式协作控制研究.中国科技信息.2011(13):173-174.[2]杨叔子,杨克冲,吴波等.机械工程控制基础.武汉:华中科技大学出版社,2005.[3]孙琪,张越.基于ADAMS的球形机器人运动分析.科学技术工程.2010,10(15):3599-3601.[4]邓宗全,岳明.球形机器人的发展概况综述.机器人技术及应用.2077:27-31.[5]林杰.一种新型全方位球形机器人的研究.苏州大学硕士论文,2006.[6]岳明.双驱动球形机器人及其运动控制的研究.哈尔滨工业大学博士论文.2008.科学与财富2018年1期科学与财富的其它文章关于电力系统继电保护不稳定所产生的原因及解决措施的研究试论小区车位、车库的所有权归属浅谈风电新能源“两个平台”建设与应用论档案行政管理的总目标与任务关于基层档案管理人员与数字化建设的探析云南白药财务报表分析  -全文完-。

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