小型地面移动机器人控制系统设计
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【关键词】移动机器人要求不断提高，其应用领域 也不断扩大。 从机器人应用环境出发，将机器人可分为两大类，即工业 机器人和特种机器人。 工业机器人是指面向工业领域的多关节机械手 或多自由度机器人；而特种机器人则是除工业机器人之外的，用于非 制造业并服务于人类的各种先进机器人[1]。 王田苗等人提出小型地面 移动机器人具有体积小、便于携带、可靠性高、隐蔽性强、适应性强等 特点已成为特种机器人的重要分支[2]。 在反恐防暴、拆除炸弹、军事侦 察、消防探测和国防等领域中应用非常广泛，因此小型地面移动机器 人的研究是机器人技术研究的一个重要方向。 小型地面移动机器人行 走部分可分为三类：轮式、履带式、腿式等[3]。 其中，轮式机器人速度快、 控制灵活，但越障能力有限，在冰面、雪地、泥地等特殊地面的行进性 能不足；履带式抓地性能好，爬坡能力强，能满足湿地、砂石地等复杂 地面条件的运动要求， 但是无法保证轻量化的要求和保障高通过能 力；腿式行走机构，适应能力强，但控制复杂，不适于对灵活性、快速性 要求高的场合。 为了提高小型地面移动机器人的地面适应能力，根据 小型地面移动机器人的作业特点设计了轮腿式地面移动机器人。 虽然 在移动机器人运动学研究方面前人已经做了大量的工作，但是大都集 中在轮式和履带式地面移动机器人的运动学建模和分析上面，目前美 国的凯斯西储大 学[4]，北 京 航 空 航 天 大 学 进 行 了 轮 式 腿 小 型 地 面 移 动 机器人的研究[5]。 针对这种情况，本文在参照北京航空航天大学设计的 轮式腿小型地面移动机器人基础上，设计了轮式腿小型地面移动机器 人的控制系统。
3 基于虚拟仪器技术的系统软件设计
1 小型地面移动机器人机械结构及其工作原理
小型地面移动机器人的机构直接影响机器人性能指标。 合理的优 化的机械结构设计不仅能提高机器人的可靠性，也可以减少实际应用 中出现不可靠现象。 小型地面移动机器人要具有轻量化、行走稳定、结 构紧凑、越障能力强等特点，综合考虑小型地面移动机器人动态性能、 机械结构的设计和布局、行走装置的结构设计等因素，采用综合有效 地方案来进行设计，小型地面移动机器人整体机构如图 1 所示。
轮式腿为一个不完全的轮式结构。 每个轮上均匀分布三个腿式结 构，彼此之间角度相差 120°。 当机器人运 动 时 ，对 角 的 轮 式 腿 结 构 同 时落地，起到支撑整个身体的作用，这样就可以在运动中保持机器人 的稳定性。 通过左右两侧轮式腿的差速控制，可以使机器人完成直线 行走和转向等运动[5]。 机器人的行走机构由两个直流电机进行驱动，在 转向时电机转速不同以实现转向动作。 这样不仅可以很好的控制机器 人的移动，还降低了机器人的质量。
机器人系统的控制程序主要包括三部分： 主控部分串行通信程 序、串行通信程序和定时器中断子程序。 主控程序主要完成下列工作： 各芯片初始化；为单片机和上位机间开放串行端口；判断上位机输出 的程序指令；驱动芯片读取数据和命令。
串行通信程序包括数据接收发送子程序和串行中断子程序，数据 接收和发送采用中断方式，不做过多分析。 串行中断子程序是控制电 机的关键， 它用作来区别接收到的信息是用来驱动哪个电机的动作， 从而协调运动的连续性。 因此采用了流向控制标志位的方式判断接收 信息的流向。
2012 年 第 35 期
ＳＣＩＥＮＣＥ ＆ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ
○本刊重稿○
科技信息
小型地面移动机器人控制系统设计
高 智 1 朱 丽 2 王舒扬 1 陈立岩 1 （1．长春工业大学软件职业技术学院 吉林 长春 130012；2．吉林农业大学 吉林 长春 130012）
【摘 要】结合特种机器人在复杂路面作业情况，确定了轮式腿结构作为小型地面移动机器人行走机构，设计开发了小型地面移动机器人 控制系统。 采用上下位机无线控制方式对小型地面移动机器人进行控制 ，实现人机分离，克服了有线控制的局限性。 上位机为 PC 机，下位机为 单片机，采用 LabVIEW 软件开发了控制系统界面。 试验表明：设计开发的小型地面移动机器人控制系统人机界面友好，操作方便，工作可靠。
制。 小型地面移动机器人采用上下 位 机 控 制 方 式 ， 上 位 机 为 PC 机 ，
下位机为单片机。 小型地面移动机器人的运动通过调整左右驱动轮来 实现的，机器人载体通过无线通讯发送数据给上位机并接受上位机命 令，过单片机将数据发送给电机专用控制芯片，由控制芯片产生的调 节信号发送给电机驱动芯片，再电机驱动芯片驱动电机，完成运动。 机 器人的侦察观测通过摄像头加超声红外动态测距避障系统来完成的。 图像识别通过摄像装置来完成， 但是摄像装置的角度和转动有限制， 所以辅以超声红外动态测距避障系统，对于摄像装置侦察范围外的障 碍物进行测距和定位，避免碰撞。 摄像头在光线微弱和无光状态下中 失去工作能力，超声红外动态测距避障系统能够弥补这一不足。 能够 在任何条件下对障碍物进行测距和探测， 通过无线传输可以直接在 PC 机上进行显示，以方便定位和避开障碍物。
LabVIEW 是应用于 Windows 平台上的图像化编程语言， 广 泛 地 应用于测控系 统 开 发 中 ， 它 已 经 成 为 图 形 化 编 程 语 言 的 工 业 标 准[6]。 LabVIEW 程序还非常容易和各种数据通信以及 与 大 数 通 用 标 准 的 实 时数据库连接， 为先进的测试与仪器提供了最佳的开发平台， 基于 LabVIEW 开发的测控系统，在科研与工程的各个领域得到广泛应用[7]。 小型地面移动机器人控制系统软件以 LabVIEW 为开发平台， 开发了 用户界面、数据采集、图像采集、运动控制等功能模块。 小型地面移动 机 器 人 系 统 用 户 界 面 如 图 2，在 界 面 中 ，利 用 LabVIEW 软 件 的 面 板 ， 使用者可以很直观地观察测量参数的实时值，而且可以很方便地对机 器人进行控制。 其用户界面主要用于控制机器人的动作、数据采集，以 简化操作达到机器人正常使用的目的。
3 基于虚拟仪器技术的系统软件设计
1 小型地面移动机器人机械结构及其工作原理
小型地面移动机器人的机构直接影响机器人性能指标。 合理的优 化的机械结构设计不仅能提高机器人的可靠性，也可以减少实际应用 中出现不可靠现象。 小型地面移动机器人要具有轻量化、行走稳定、结 构紧凑、越障能力强等特点，综合考虑小型地面移动机器人动态性能、 机械结构的设计和布局、行走装置的结构设计等因素，采用综合有效 地方案来进行设计，小型地面移动机器人整体机构如图 1 所示。
轮式腿为一个不完全的轮式结构。 每个轮上均匀分布三个腿式结 构，彼此之间角度相差 120°。 当机器人运 动 时 ，对 角 的 轮 式 腿 结 构 同 时落地，起到支撑整个身体的作用，这样就可以在运动中保持机器人 的稳定性。 通过左右两侧轮式腿的差速控制，可以使机器人完成直线 行走和转向等运动[5]。 机器人的行走机构由两个直流电机进行驱动，在 转向时电机转速不同以实现转向动作。 这样不仅可以很好的控制机器 人的移动，还降低了机器人的质量。
机器人系统的控制程序主要包括三部分： 主控部分串行通信程 序、串行通信程序和定时器中断子程序。 主控程序主要完成下列工作： 各芯片初始化；为单片机和上位机间开放串行端口；判断上位机输出 的程序指令；驱动芯片读取数据和命令。
串行通信程序包括数据接收发送子程序和串行中断子程序，数据 接收和发送采用中断方式，不做过多分析。 串行中断子程序是控制电 机的关键， 它用作来区别接收到的信息是用来驱动哪个电机的动作， 从而协调运动的连续性。 因此采用了流向控制标志位的方式判断接收 信息的流向。
2012 年 第 35 期
ＳＣＩＥＮＣＥ ＆ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ
○本刊重稿○
科技信息
小型地面移动机器人控制系统设计
高 智 1 朱 丽 2 王舒扬 1 陈立岩 1 （1．长春工业大学软件职业技术学院 吉林 长春 130012；2．吉林农业大学 吉林 长春 130012）
【摘 要】结合特种机器人在复杂路面作业情况，确定了轮式腿结构作为小型地面移动机器人行走机构，设计开发了小型地面移动机器人 控制系统。 采用上下位机无线控制方式对小型地面移动机器人进行控制 ，实现人机分离，克服了有线控制的局限性。 上位机为 PC 机，下位机为 单片机，采用 LabVIEW 软件开发了控制系统界面。 试验表明：设计开发的小型地面移动机器人控制系统人机界面友好，操作方便，工作可靠。
制。 小型地面移动机器人采用上下 位 机 控 制 方 式 ， 上 位 机 为 PC 机 ，
下位机为单片机。 小型地面移动机器人的运动通过调整左右驱动轮来 实现的，机器人载体通过无线通讯发送数据给上位机并接受上位机命 令，过单片机将数据发送给电机专用控制芯片，由控制芯片产生的调 节信号发送给电机驱动芯片，再电机驱动芯片驱动电机，完成运动。 机 器人的侦察观测通过摄像头加超声红外动态测距避障系统来完成的。 图像识别通过摄像装置来完成， 但是摄像装置的角度和转动有限制， 所以辅以超声红外动态测距避障系统，对于摄像装置侦察范围外的障 碍物进行测距和定位，避免碰撞。 摄像头在光线微弱和无光状态下中 失去工作能力，超声红外动态测距避障系统能够弥补这一不足。 能够 在任何条件下对障碍物进行测距和探测， 通过无线传输可以直接在 PC 机上进行显示，以方便定位和避开障碍物。
LabVIEW 是应用于 Windows 平台上的图像化编程语言， 广 泛 地 应用于测控系 统 开 发 中 ， 它 已 经 成 为 图 形 化 编 程 语 言 的 工 业 标 准[6]。 LabVIEW 程序还非常容易和各种数据通信以及 与 大 数 通 用 标 准 的 实 时数据库连接， 为先进的测试与仪器提供了最佳的开发平台， 基于 LabVIEW 开发的测控系统，在科研与工程的各个领域得到广泛应用[7]。 小型地面移动机器人控制系统软件以 LabVIEW 为开发平台， 开发了 用户界面、数据采集、图像采集、运动控制等功能模块。 小型地面移动 机 器 人 系 统 用 户 界 面 如 图 2，在 界 面 中 ，利 用 LabVIEW 软 件 的 面 板 ， 使用者可以很直观地观察测量参数的实时值，而且可以很方便地对机 器人进行控制。 其用户界面主要用于控制机器人的动作、数据采集，以 简化操作达到机器人正常使用的目的。
