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移动机器人结构设计
5 自主运动控制
5.1 控制系统的选用
一个典型的机器人控制系统通常由四个部分组成：控制器，驱动系统，传感器和被控对象(即机械结构本身)。
从前面的机器人总体结构设计得到：前面两个轮是转向轮，后面两个轮是驱动轮，由两台独立的直流电机驱动，分别控制两个驱动轮的转速，可使机器人按照不同方向和速度移动，运动灵活，可控性好。机器人的主要运动状态有直线运动（前进、后退）、左右转弯、原地零半径转弯（360°转向）双轮驱动的机器人实现原地转弯比较容易，只要两个驱动轮以相同的转速朝相反的方向转动，就可以实现机器人的原地转弯。
轮式机器人的两个主动轮分别由两台直流伺服电动机驱动，每台电机与各自驱动的主动轮构成速度闭环，在额定工作载荷的范围内，调节两电机的速度控制电压即可调节轮式移动机器人的运动控制两主动轮驱动电机的转速，从而实现移动机器人的运动方向和运动速度的控制。
根据上一小节有关轮式机器人运动学原理的分析，画了如图所示的运动控制框图。图中的轨迹规划模块根据各种传感器信息产生机器人小车将要运行的一系列状态，作为控制指令发送给运动控制器，运动控制器通过比较机器人小车当前的实际状态和小车将要实现的状态进行比较，利用一定的控制算法产生送给伺服控制器的速度指令信号。伺服控制器、直流伺服电机、光电编码器、速度检测环节组成一个闭环的控制系统，即闭环速度控制。光电编码器与直流伺服电机同轴安装，产生的信号分为两路，一路送至速度检测模块，作为电机速度控制的反馈信号：另一路送至相对位置估计模块，通过对编码器脉冲信号的计数获得左右两轮的相对位置信息，作为运动控制器的反馈信息。
图 5.1 运动控制大体图框
伺服驱动器（servo drives）又称为“伺服控制器”、“伺服放大器”，是用来控制伺服电
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机的一种控制器，其作用类似于变频器作用于普通交流马达，属于伺服系统的一部分，主要应用于高精度的定位系统。一般是通过位置、速度和力矩三种方式对伺服马达进行控制，实现高精度的传动系统定位，目前是传动技术的高端产品。
光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，是目前应用最多的传感器。一般的光电编码器主要由光栅盘和光电探测装置组成。在伺服系统中，由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转．经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号。通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90°的2个通道的光码输出，根据双通道光码的状态变化确定电机的转向。根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式3种。
我采用的光电编码器作为传感器来实现车体方位推算，最大的优点是系统简单并且成本较低，在车轮作纯滚动的情况下，轮轴中心在纵向经过的距离S。应与车轮与地面接触之外缘任一固定点绕车轮圆心0’在环向所经过的距离相等。根据左右两驱动轮电机的光电编码器所发出的脉冲的个数m，而求出车体方位(x(t),y(t),?(t)))。
5.2可行性分析
四轮机构其优点是驱动轮和负载能力更强，具有较高的地面适应能力和稳定性。两轮独立驱动机构是最常用的一种驱动机构。该机构利用一个高精度驱动轮和两个随机轮构成。左右两个驱动轮由两个电动机经过减速器独立驱动，随机轮置于机器人底盘的前方位置。机器人的行进方向由两轮驱动机构的速度差值决定，通过对两个电机施加不同的速度可实现任意方向的驱动，因此可以实现全向移动。这种结构的特点是运动灵活，机构组成简单；当两轮转速大小相等方向相反时，可以实现机器人本体的灵半径回转。
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6 结论与展望
6.1 结论
将近半年的毕业设计快接近尾声，这次毕业设计我的主要任务是有移动式机器人的设计。此次设计和我们以前所做的课程设计大不一样。毕业设计是一项系统工程，比以前的任何一次课程设计都更全面和深入。在本次设计中，从明确设计要求到系统方案的确定，每一步都需要详细的分析和计算，并要做出相应的性能分析。
本文首先从课题出发，了解了国内外机器人发展的现状，然后根据设计题目拟定了一个大体设计方向。然后比较了机器人的种类，特性，能完成的动作，能实习的动作。分析了四轮车式移动机器人的总体机构方案和选择，包括电机的选择，供电系统的选择，齿轮的选择大小等等。然后建立了移动机器人的运动学模型，及运动学进行分析，建立了不考虑滑行、刹车等的四轮机器人理想运动学模型．比较了两种运动规划方法并进行了仿真。为进一步研究四轮车式机器人的运动控制。再然后建立了轮式机器人动力学模型并对轮子的转角转速进行了仿真。
最后对移动机器人自主控制问题进行了研究，分析了怎么使机器人根据规划好的路径运动的实现，简要阐明了它的控制原理。
6.2 不足之处及未来展望
本文仅仅讨论了其中结构与机构方面的内容，论文并不完善，有待于在以下几个方面作进一步的探索和深化：
第一轮式移动机器人应该是一种智能机器人，而本设计还这是在理想状态下设计的移动式机器人，例如机器人的越障能力和行驶机构的参数选取有很密切的关系。在结构形式确定的基础上，有必要对行驶机构的参数作进一步的优化，以求得到越障性能和车体的稳定性。
第二如何将行驶机构和轮式驱动系统结合起来将是控制系统的关键。把控制系统和机械结构充分结合起来，对机器人的研究就更有实际意义。而本文在自主控制系统方面研究的比较浅层次，例如没有提高直流伺服电机的精度，没有处理机器人运动的处理器。控制软件方面也没有进行研究，要确保它的实时性，可靠性，灵活性。
第三在机器人的外部传感器方面没有研究，比如机器人的越障能力，碰壁能力 ，刹车能力，获取外部的信息比较少，只是为了实现机器人的一个总体运动而设计的。
由于自身知识水平和实践环境的有限，过程中有很多的不足之处，与实际运用还有很多的距离。许多问题虽然在老师的帮助下等到了解决，总体的设计还停留在比较浅的层次阶段。这段时间的自我总结让我明白了扎实的理论基础跟实际相结合才能设计出更加实际更加完善的作品。所以以后更要深入理论的学习，培养自己的创新能力，为以后的设计生涯打下基础。
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致 谢
在此论文撰写过程中，要特别感谢我的导师龚常洪的指导与督促，本论文的完成，离不开老师悉心的指导和帮助。他渊博的学识，言简意赅，严谨治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。本论文从得到选题到完成，每一步都是在老师指导下完成的，在此谨向老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。老师的严谨，使得我的论文精益求精，让我从中获得许多知识，他的态度又是那么的和蔼，具有亲和力，我每次去的时候都会给我宝贵的意见，细心与知识的渊博，让我在做毕业设计的时候不敢有丝毫的怠慢。 当然，还要感谢我的同学们，谢谢你们能在我困难的时候及时的伸出援手，每一次遇到困难的时候，是你们在我身边支持我，帮助我。虽然你们也很忙，都在赶着自己的论文，但我有困难请求帮助的时候，你们从来没有拒绝过。谢谢你们在我设计过程中的帮助，没有你们，我的设计之路将更为艰难。
最后，还要感谢我的父母，谢谢他们对我各方面的支持。谢谢他们给了我今天，谢谢他们给了我上大学的机会，没有他们的支持，我可能连写这篇论文的资格都没有。父母是我最大的支持，物质上如此，精神上更是如此。
毕业之际，感谢所有给予我帮助的朋友们，谢谢你们！
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