一种双足机器人控制系统设计

余有明，莫浩明，余泽煌

（广东工业大学华立学院 广东 广州 511325）

一种双足机器人控制系统设计

余有明，莫浩明，余泽煌

（广东工业大学华立学院 广东 广州 511325）

研究基于嵌入式的双足机器人控制系统设计，以Cortex-M3内核的STM32F013ZET6控制芯片作为系统微控制器，设计出控制系统的总体架构方案。该控制系统结合无线传输、传感器技术与嵌入式技术，以模块化设计实现数据采集、数据传输和指令执行。采用无线射频模块CC1101负责远程操作控制，运用多轴运动处理组件MPU6050监测机器人姿态并实时反馈，并处理数据使得机器人快速调整相应姿态，通过PC终端操作系统及显示结果。经过多次的实验测试，系统各个模块配合良好，实时性好、性能稳定，能够实现自由行走。

机器人；双足行走；自动控制；数据采集

随着科学技术和生活水平的不断提高，以及机器人技术的深入研究，机器人技术因其高效、精准的优点，为人类带来便利。近年来，关于利用机器人技术帮助行动不便人士的研究逐步深入，例如帮助患者步行、上楼梯、跨越障碍物，达到模仿人的动作效果［1］。为行走不便人士带来福音，仿生直立双足机器人有重要的研究价值和意义［2］。但这对机器人控制系统的安全性、稳定性、实时性提出了更加高的要求。因此，以Cortex-M3内核的STM32F013ZET6微处理器为核心，设计出一种实时性好、性能稳定、方便操控的双足机器人控制系统。

1　系统设计

机器人控制系统是由机载控制系统、无线通信系统、PC上位机监控系统组成，其中机载控制系统是本系统设计核心部分。图1为机器人控制系统的总体结构图。PC上位机通过采用CC1101无线模块将控制指令传送到机载控制系统，机载控制系统收到控制指令后执行指令并通过自定义协议加密成数据包后反馈到监控上位机显示，通过实时信息反馈能够了解机器人状态参数，并能完成监控机器人数据采集—数据传输—指令执行的实施，实现智能化监控。

图1　控制系统结构图

1.1系统硬件设计

机载控制系统的主控制器选用具有高性能、低功耗的Cortex-M3内核STM32F013ZET632位处理器，工作频率最高可达到72MHz，拥有16个外部中断，可以满足多路中断处理数据，以及内部多达16个定时器，每个定时器可以4个脉冲计数器，可以完成多路PWM的控制，并且该芯片自带2个I2C通信接口、5个USART接口、3个SPI接口等，通过这些通信接口可以快速地进行数据采集和数据交换，提高机器人控制系统实时性。

控制系统围绕着STM32F013ZET6搭建起主控制处理信息接收以及信息输出的功能，形成机载控制系统。它由电源模块、陀螺仪模块、无线模块、主控模块、加速度计模块、舵机组模块组成，电源部分采用TI的稳压芯片LM2596S，该芯片可以满足多个舵机联合启动以及芯片电源供给，系统并且采用MPU6050模块和角度传感器MMA7361实时采集机器人直立状态通过采用无线模块CC1101进行数据包反馈到监控上位机。机器人通过搭载MPU6050模块、超声波模块、角度传感器等模块可以实现对不同环境下精确数据采集和改变机器人状态等功能［3］。

1.2角度检测设计

采用MPU6050模块和MMA7361角度传感器作为姿态数据采集的传感器，MPU6050模块整合了3轴陀螺仪、3轴加速器，可以通过高达400 kHz快速模式的I2C，最高至20MHz的SPI串行主机接口进行数据交换，模块通过PID算法和卡尔曼滤波算法将角速度和加速计融合计算出角度，该模块用于机器人检测重心方向。并采用具有MMA7361角度传感器频率及解析度高，提供精确的坠落、倾斜、移动、放置、震动和摇摆自我检测等特点。主控芯片通过A/D数模转换并采取归一算法减小零点温漂。该模块采集精度高，用于检测机器人腿部角度，通过腿部角度估算出机器人步伐大小，这样能够更好的控制机器人，增强系统的稳定性［4］。

1.3超声波模块壁障设计

为了更好的保护机器人机身，防止其与物体发生碰撞，系统采用超声波模块HC-05，它具有指向性强，功耗低，采集距离远等优点。主控制器通过使用推挽形式将脉冲信号加到超声波换能器两端，这样可以提高超声波的发射强度，使机器人感知距离更远，同时机器人通过控制安装在超声波上的舵机转动，通过不同角度采集回来的距离进行比较，选择合适路径进行直立行走，实现自动壁障功能。使用超声波模块可以使机器人更好利用活动空间完成任务，机器人捕捉到距离通过无线将距离实时发送到上位机反馈显示。

1.4数据传输系统设计

无线通信系统通过使用主控芯片的USART接口器完成数据发送以及数据接收，将接收到的数据进行解帧得到真正的数据，使得数据传输简单。机器人通信和PC上位机通信采用一致的帧格式协议进行加密，即使用8位数据，一个起始位和一个停止位的形式［5］，为了保证数据准确性和有效性，机器人将采集到数据通过采取加工带有校验功能。为了有利于系统后期的功能拓展和硬件维护，程序和硬件均采用模块化的设计，同时使系统具有规范性和可靠性。系统采用CC1101无线模块作为该电路的数据传输模块，该无线传输模块与微控制器的电路接口采用串行通信原理，硬件连接示意图如图2所示。数据间通信使用标准的RS-232接口，并设计高速光耦隔离PC817模块以及接入频率更高的外部晶振，以提高芯片运行速度和增强EMC电磁兼容性能［6］，使系统更加稳定可靠。通过接收PC上位机的控制指令，完成机器人的控制、数据采集和发送等功能。

图2　CC1101连接示意图

1.5监控上位机设计

监控上位机用于观察机器人实时状态以及实现控制机器人的行走、静态转弯及上下楼梯等操作，PC上位机监控系统对机器人要求有多种监控方式［7］，有PC监控上位机手动控制、遥控指令控制、预先脱机程序智能控制等。控制系统要求能判断中断优先级、而且能够同时实现多任务实施和数据采集，形成动作控制—动作完成—信息反馈，完成机器人的信息接收、信息处理、信息输出等功能，实现人性化、智能化［8］。在目前的嵌入式操作系统中有Linux、UC/OS、UC/GUI等多种，都具备各自的优势［9］。机器人系统要求软件的编写可靠、简单易操作。因此，本系统的采用VB开发一款功能全面的监控上位机。

图3　测试程序界面图

2　控制算法设计

本系统以意法半导体MCU为控制核心，采用C语言对主控制器进行编程算法控制，机器人系统要求程序运行可靠稳定。因此，本系统的程序模块化设计，实现对机器人控制并通过采用经典PID算法进行优化控制。PID算法简单可靠，理论体系完备，而且在长期的应用过程中积攒了大量的使用经验，具有良好的控制效果和较强的鲁棒性，能提供控制量的较优解，实现位置回路控制和姿态回路控制，控制回路包含了X、Y和Z变量，所以需要3个PID独立的算法对回路形成控制，设Kp、Ki、Kd分别为比例项和微分项系数，有式（1）

其中Xρ、Yρ、Zρ是加速度计采集数据积分到的位移量。

在PID控制器在控制的过程中，通过各个独立环节不同的控制作用相互配合，最终输出整个控制器的控制作用，其中：

比例环节：对控制系统的偏差信号会通过放大或缩小一定的比例反应出来，在控制过程中一旦有偏差产生，控制器能迅速抑制偏差对控制效果产生不良影响，对系统的调节精度和相应速度都有很大改善。

积分环节：对于系统稳态误差的消除和误差度的提高有很大作用。同时采集时间常数的大小决定了积分能力的强弱，它们越小，积分能力越强，反之则弱。

微分环节：调节误差的微分输出，误差突变时，能及时控制，反应偏差信号的变

化趋势，并提前引入一个修正信号来抑制偏差信号变得太大。因此其改善系统的动态特性［10］。

通过扩充比例度法整定数字PID控制器参数，扩充比例度法适用于有自平衡特性的受控对象，是对连续-时间PID控制器参数整定的临界比例度法的扩充。通过选取合适的采样周期。采样周期TS的长短会影响采样-数据控制系统的品质，同样是最佳整定，采样数据控制系统的控制品质要低于连续-时间控制系统。因而，控制度总是大于1的，而且控制度越大，相应的采样—数据控制系统的品质越差。控制度的选择要从所设计的系统的控制品质要求出发。实行闭环控制，观察控制效果差异，并作适当的调整以获得比较满意的效果。以下是下位机操作系统的部分代码。

3　系统测试

机器人监控系统也是该控制系统的重要组成部分，PC上位机要求不仅能够给机器人发送控制指令到机器人，并且能接收机器人上的传感器单元（MPU6050模块、超声波模块、角度传感器等）采集到的数据采用数据包的形式进行反馈显示，能够实现上位机和无人机控制程序之间双向通信，完成机器人所需的任务。这次测试机器人控制系统的行走状态，通过实验结果表明机器人成功实现原地踏步、直线行走、静态转弯等动作，系统能够及时响应。

4　结　论

文中设计了基于嵌入式的仿生直立双足机器人控制系统，系统的硬件和软件均采用模块化的设计方法，有利于系统后期的功能拓展和硬件维护，并对MPU6050模块采集回来的角度通过运用PID控制算法和卡尔曼滤波算法解算合成，采用超声波模块检测安全距离实现机器人自我保护的功能，通过各模块相互协助成功地实现了机器人实现原地踏步、直线行走、静态转弯及上下楼梯等运动。系统整体绕着ARM构成的微控制器运转，具有行走稳定、运动迅速、接收信号灵敏等特点。仿生直立机器人涉及到仿生学、运动学、动力学及自动控制理论的综合运用，在临床医学、义肢设计等领域得到更好的发展与应用。

［1］张彤.仿人机器人步行控制及路径规划方法研究［D］.广东：华南理工大学，2010.

［2］史耀强.双足机器人步行仿真与实验研究［D］.上海：上海交通大学，2008.

［3］刘丞.自主移动机器人测控系统关键技术的研究［D］.西安：西安电子科技大学，2009.

［4］朱雅光.基于阻抗控制的多足步行机器人腿部柔顺控制研究［D］.杭州：浙江大学，2014.

［5］姚建伟.基于STM32的服务机器人的集成通信系统研制［D］.武汉：武汉工程大学，2014.

［6］丁敏.电磁干扰及其抑制措施的分析 ［J］.科技传播，2014，16:67-68.

［7］伍延禄.基于嵌入式的移动机器人无线远程控制［D］.北京：北京化工大学，2011.

［8］袁明.多自由度多传感器机器人控制系统研究［D］.西安:长安大学，2013.

［9］郝玉胜.uC/OS-Ⅱ嵌入式操作系统内核移植研究及其实现［D］.兰州：兰州交通大学，2014.

［10］魏建新.足球机器人模糊PID控制算法的应用研究［D］.重庆：重庆理工大学，2012.

Design of biped walking robot controlling system

YU You-ming，MO Hao-ming，YU Ze-huang
（HualiCollege Guangdong University of Technology，Guangzhou 511325，China）

Research of the robot controlsystembased on embedded technology，using Cortex-M3 core STM32F013ZET6chip as the system microcontroller to design the overall system architecture.The system combines wireless transmission，sensor technology and embedded technology to realize data acquisition，data transmission and instruction execution function in modular design.The RF modules CC1101 as responsible for remote control operation，using MPU6050 Multi axis motion processor for acquisition and processing the attitude data，control the robotand display the results through PC terminal.After many times of experiment test，the biped walking robot controlling system has a good real-time performance，high precision and stable performance，isable to achievedon biped walking robotcontrolling.

robot；biped walking；automatic control；data acquisition

TN99

A

1674-6236（2016）19-0092-03

2015-09-30稿件编号：201509194

“攀登计划”广东大学生科技创新培育专项资金资助一般项目（PDJH2015b0944）；“攀登计划”广东大学生科技创新培育专项资金资助重点项目（PDJH2015a09335）；大学生创新创业训练计划项目（201513656048）

余有明（1994—），男，广东佛山人。研究方向:机器人控制技术。