基于嵌入式的新型爬行机器人控制系统的研究

丁亚峰 王洪宇 江潇

1.1机器人控制系统的研究热点和发展现状

机器人的机械结构和控制系统是相辅相成、密不可分的整体。如果把机器人的机械结构看作是“身体”，那么其“神经系统”就是机器人的整个控制系统。归纳总结，良好的机器人控制系统需要具备以下几个特点：

第一，对多个关节的自由度协调控制。

第二，模块化设计。采用模块化的设计方法，只需要在原有控制系统的基础上对软件功能模块进行添加、修改、升级。

第三，具有很强的实时性。

第四，良好的人机界面。作为控制系统的重要组成部分，人机界面主要用于系统和用户之间的信息交换，充当它们对话的接口和媒介。

目前，市面上系統有许多缺点：一是系统开放性较低，很难再添加一些组件，实现机器人功能扩展；二是系统的改造成本很高甚至无法改造。

1.2模块化设计及软件模块化

对产品进行模块化设计，需要依次完成以下步骤：

第一、模块的划分。根据产品的功用，将其合理得划分多个独立的模块；

第二、模块的创建。根据每个模块的功能要求进行结构设计；

第三、模块组合。合理的对各个功能模块进行重组，最终实现产品的功用。

1.3 控制系统的功能模块划分及三层结构模型

这三个工作层分别有如下特点：

（1）人机接口层作为系统和用户之间的交互接口，是控制系统的最顶层。

（2）通讯层作为控制系统的中间层，主要是用于充当其他两层信息交换的桥梁。其次它还预留了许多通用接口，提高了控制系统的扩展性。

（3）功能层主要在管道外爬行机器人的本体上。

1.4 爬行机器人控制系统设计的关键点

在对控制系统进行设计时，我们要综合考虑各方面的因素，包括控制系统各个模块之间的协作、通信以及整个系统的成本、稳定性、实用性和扩展性等。经过以上一系列的综合分析，本设计主要包括以下几个关键技术：

（1）主控制器的选用以及其外围电路设计

作为整个控制系统的控制“中枢”，主控板的设计质量对系统整体性能的好坏有着极其重要的影响。其外围电路的设计，则必须兼顾各个模块的工作特点和整个系统的扩展性。

（2）自平衡策略设计

机器人在管道上行走，主要靠行走滚轮的驱动力平衡重力产生的阻力矩。在水平管道行走时，无可避免的会出现重心的偏移，导致机器人姿态倾斜。所以，针对这一特点设计了一套自动平衡策略，以保证管道机器人的稳定行走。

（3）各个工作层的主程序设计

各个工作层之间的通讯、协作和各种运动控制策略的实现都需要通过程序设计来实现。