機械電子工程畢業(yè)論文-基于聲音的舵機機器人運動控制分析

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　基于聲音的舵機機器人運動控制分析</p><p><b>　　誠信聲明</b></p><p>　　本人鄭重聲明：本論文及其研究工作是本人在指導教師的指導

2、下獨立完成的，在完成論文時所利用的一切資料均已在參考文獻中列出。</p><p>　　學位論文作者簽名： 日期： 年 月 日 </p><p><b>　　畢業(yè)設計任務書</b></p><p>　　設計題目： 基于聲音的舵機機器人的運動控制分析

3、 </p><p>　　1．設計的主要任務及目標</p><p>　　本課題通過研究舵機機器人底層控制程序的控制策略，利用聲音信號對機器人實現(xiàn)控制。</p><p>　　2．設計的基本要求和內(nèi)容</p><p>　　完成舵機機器人控制程序的學習，編寫舵機機器人的控制程序，實現(xiàn)舵機機器人的特定運動。</p>&l

4、t;p>　　完成聲音傳感器與舵機機器人的程序編寫及控制，實現(xiàn)聲音信號向舵機機器人各控制器的傳輸。</p><p>　　完成外部聲響變換與舵機機器人運動的匹配，實現(xiàn)舵機機器人基于聲音的自動運行。</p><p>　　提交設計說明書一份，控制程序及運動仿真過程視頻各一份。</p><p><b>　　3．主要參考文獻</b></p>

5、;<p>　　[1] 濮良貴.機械設計.第八版[M] . 高等教育出版社，2010，6</p><p>　　[2] 孫恒.機械原理.第七版[M] . 高等教育出版社，2012，7</p><p>　　[3] 機器人控制系統(tǒng)的設計與MATLAB仿真[M] . 北京：清華大學出版社，2008，6</p><p><b>　　4．進度安排</

6、b></p><p>　　基于聲音的舵機機器人的運動控制分析</p><p>　　摘 要:舵機是一種位置伺服的驅動器，由于這種機器具有重量輕，體積小，精度高扭矩大等優(yōu)點，因此很適合應用在機器人上作為機器人的驅動?；诼曇艨刂频亩鏅C機器人是研究舵機機器人的一個重要方面。本文以舵機機器人為研究對象，以聲音控制系統(tǒng)為主線，從多個方面對基于聲音的舵機機器人運動控制作了系統(tǒng)的研究。</p

7、><p>　　本文從提高舵機機器人運動控制的實時性出發(fā)，應用Bioloid機器人套件，采用PoboPlus軟件，設計了基于聲音控制的舵機機器人。使用CM-530控制器使得舵機機器人的運動控制得以實現(xiàn)。設計包括了舵機機器人的硬件組裝、PID控制算法的分析、控制程序的編寫、運動過程的分析等過程。</p><p>　　關鍵詞：舵機機器人，運動控制，PoboPlus，PID </p>&

8、lt;p>　　The analyze based on sound on the motion control of the servo robot</p><p>　　Abstract: The steering engine is a position servo driver, and it's suitable for application in robot as a robot driv

9、er because of its light quality, small volume, high accuracy and large torque. The servo robot based on the sound control is an important aspect of researching servo robot. This paper systemically researches the motion c

10、ontrol of servo robot based on the sound control from many aspects with the servo robot being the object and sound control system being the main line.</p><p>　　This paper also applies the Bioloid robot kits

11、and uses the PoboPlus software to design the servo robot based the sound control from the point of improving the instantaneity of the servo robot. Using the CM - 530 controller makes the achievement of servo motion contr

12、ol of robot. The design includes the assembling of servo robot, analysis of PID control algorithm, the writing of control program and the analysis of motion process.</p><p>　　Keywords: servo robot, motion co

13、ntrol, PoboPlus, PID</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1選題的背景及意義1</p><p>　　1.2Bioloid概述1</p><p>　　1.2.1 Biolo

14、id硬件介紹2</p><p>　　1.2.2 Bioloid軟件介紹3</p><p>　　1.3本文章節(jié)安排6</p><p>　　2 舵機機人控制系統(tǒng)硬件設計8</p><p>　　2.1電子元器件選擇8</p><p>　　2.1.1控制器的選擇8</p><p>　　2.1

15、.2舵機的選擇10</p><p>　　2.1.3其他元件的選擇10</p><p>　　2.2舵機機器人控制系統(tǒng)設計11</p><p>　　2.3舵機機器人組裝11</p><p>　　2.4本章小結13</p><p>　　3 舵機的結構及其控制原理13</p><p>　　3

16、.1舵機的內(nèi)部結構13</p><p>　　3.2舵機的工作原理14</p><p>　　3.3 AX-12+舵機的控制15</p><p>　　3.4本章小結15</p><p>　　4 舵機機器人的速度控制15</p><p><b>　　4.1引言15</b></p>

17、<p>　　4.2數(shù)字PID控制算法16</p><p>　　4.3基于數(shù)字PID的機器人速度控制18</p><p>　　4.3.1PID控制的MATLAB仿真19</p><p>　　4.4本章小結23</p><p>　　5 舵機機人控制系統(tǒng)軟件設計23</p><p>　　5.1 Rob

18、oPlus Task程序的編寫23</p><p>　　5.2RoboPlus Motion程序的編寫27</p><p>　　5.3本章小結29</p><p>　　6 總結與展望29</p><p><b>　　6.1總結29</b></p><p><b>　　6.2展

19、望29</b></p><p><b>　　參考文獻31</b></p><p><b>　　致 謝33</b></p><p><b>　　附 錄34</b></p><p><b>　　1 緒論</b></p>

20、<p>　　1.1選題的背景及意義</p><p>　　隨著機器人的技術和微型計算機控制技術的快速速發(fā)展，機器人技術在全世界得到了廣泛的應用，幾乎所有的領域都有計算機的參與。機器人的發(fā)展大致經(jīng)過三代的演變[1]：第一代的機器人是“示教再現(xiàn)型”，這類機器人只擁有記憶、存儲能力，但卻沒有反饋控制能力；第二代機器人是具有一定感覺功能和自適應能力的離線編程機器人；第三代機器人是具有外部環(huán)境和對象感知能力的，它

21、不但可以處理外部復雜的信息，而且可以對自己行為作出自主決策能力。第三代機器人通常裝有多種傳感器，能夠對外部信息進行處理。</p><p>　　當前，實現(xiàn)機器人的運動控制過程還是依靠傳統(tǒng)的鍵盤輸入，即使是有一些機器人已經(jīng)開始使用視覺控制技術，但是由于受到視線和能見度的局限，在光線條件不良或者障礙物阻擋的情況下，視覺控制就會失效。在這種情況下，聽覺系統(tǒng)作為人類感官的重要組成部分，為機器人感知技術的研究提供了新的思路。

22、</p><p>　　聲音控制技術就是通過模擬人耳聽覺機制的模擬，利用聲學傳感裝置接收外界傳來的聲波，再通過特定的裝置將聲音信號進行處理，從而實現(xiàn)聲源位置探測、識別以及目標定位及跟蹤。20世紀80年代以來，聲音控制技術依靠其極強的隱蔽性、良好的適用性、低成本等獨特優(yōu)點，漸漸受到世界各國的重視，在民用與軍用上都有十分廣的應用，如在海戰(zhàn)場水下目標感知和戰(zhàn)場排雷等危險環(huán)境作業(yè)中應用等[2]。</p>&l

23、t;p>　　綜上所訴，人們可以利用聲音控制技術對機器人進行運動控制，研究基于聲音的機器人控制系統(tǒng)。機器人的聲音控制技術將近一步推動機器人的應用范圍，具有廣闊的前景和研究意義。 </p><p>　　1.2Bioloid概述</p><p>　　Bioloid，是一種全方位的機器人套件，能夠依據(jù)使用者想法，來組裝出各種形態(tài)。Bioloid機器人套件的優(yōu)點是可以組裝出各種實體型態(tài)，也可以

24、無限擴充，并提供程序設計界面、控制器、智慧伺服馬達與感測模塊；透過整合應用，幫助設計出機器人行為。</p><p>　　圖1.1 Bioloid機器人套件</p><p>　　1.2.1 Bioloid硬件介紹</p><p>　　硬件架構主要分為CM-530、AX-12+、各感應器、框架和線材。還有連接線、擴充版、外部傳感器、轉接器、無線傳輸模塊等一些額外配件。&

25、lt;/p><p>　　CM-530是Bioloid套件中的核心，用來連接 Dynamixels系列（AX-12+、AX-S1、AX-20等等)以及OLLO組件（Geared Moto BOX、Touch Sensor、LED Module、IR Sensor,etc)和周邊設備（包含各種感應器）。可以使用RoboPlus Motion(動作編輯)編輯和存儲特定動作。可以利用RoboPlus Task(行為控制)執(zhí)行

26、已儲存的動作檔（mtn文件）。也可以寫入任務程序來控制每個組件動作。</p><p>　　AX-12+ 智能型馬達，作為機器人的運動關節(jié)。內(nèi)建了微控器，可以控制速度、旋轉位置感測溫度讀取設定值等。除此之外當馬達旋轉超出當前預設的安全范圍（溫度過高、過載或其他錯誤情況），會自動關閉以避免損壞，并發(fā)出聲音警告使用者。</p><p>　　框架組包括框架、線纜、螺絲、螺帽、軸承、和輪圈等等，能將

27、CM-530和AX-12+銜接起來。</p><p>　　各感應元件：（1）紅外線物體傳感器，感測方法是利用紅外線反射來取得距離數(shù)據(jù)紅外線適合計算所距距離。因為即使在相同距離下，只要光線、彩、亮度不同，反</p><p>　　射數(shù)據(jù)也會大不同。(2)距離傳感器，用于探測物體或距墻壁固定的距離，不受顏色所影響的紅外線距離傳感器，可以感應更準確的距離。</p><p>

28、　　1.2.2 Bioloid軟件介紹</p><p>　　RoboPlus中擁有RoboPlus Task（行為控制）、 RoboPlus Motiom（動作編輯）、 RoboPlus Manager（硬件管理）三部分。</p><p>　　RoboPlus Task通常被用來設計機器人在面對某種事件時所產(chǎn)生的反應，這種反應根據(jù)傳感器所測得的各項數(shù)據(jù)來做判斷，RoboPlus Task使

29、用的編程語言是一種類C語言的程序，其中主要用來透過CM-530等控制器來控制周邊馬達或傳感器，程序內(nèi)部已經(jīng)將大多數(shù)周邊配備編寫成的一個個的函數(shù)庫，必要時只需要呼叫函數(shù)或者變量即可完成操作，有C語言基礎將會更容易使用RoboPlus Task。</p><p>　　行為控制邏輯是銜接輸入與輸出之間關系的，輸入好比人類的五官，耳朵、眼睛、觸覺等（AX-S1傳感器）以及其他的零組傳感器；而大腦（CM-530控制器）接收

30、到外在資料根據(jù)情況作出適合的反應，對機器人來說這就是輸出。行為控制邏輯就是以邏輯思考的方式，來控制輸入輸出的。</p><p>　　圖1.7 RoboPlus Task工作界面</p><p>　　RoboPlus Motiom最大的功能就是簡化程序的編寫，一次控制多樣馬達，一次進行多樣馬達的動作，一次進行連續(xù)動作。行為控制（RoboPlus Task）可以輕而易舉的控制數(shù)量不多的馬達，但

31、到了15、16個以上的馬達數(shù)量，將會控制不易，但動作編輯（RoboPlus Motiom）能夠簡單的實現(xiàn)控制多樣馬達，并且達到連續(xù)動作。使用方法就是用動作編輯（RoboPlus Motiom）設計好的動作再經(jīng)由行為控制（RoboPlus Task）來進行使用，就可以達到所需動作或感應。</p><p>　　Motiom包含了動作頁面、動作旗標、機器人偏移設置等三樣參數(shù)設定。</p><p>

32、;　　動作頁面（Motiom Page）此參數(shù)當執(zhí)行時，代表要求機器人執(zhí)行所指定的動作頁面，當在判斷時表示檢查現(xiàn)在正處于哪一個動作頁面。下面介紹主要功能及限制</p><p>　　? 輸入某個數(shù)字后,則執(zhí)行該數(shù)字所指定的頁面。</p><p>　　? 可以檢查正處于哪個頁面。</p><p>　　? 可以利用Motion的ExitPage來停止動作。</p&g

33、t;<p>　　? 如果確認是否停止動作可以檢查動作旗標。</p><p>　　? 當動作頁面設置為0控制執(zhí)行Exit Page的頁面并停止。</p><p>　　? 當動作頁面設置為-1控制器將執(zhí)行到最后輸入的頁面并停止。</p><p>　　? 動作頁使用數(shù)字1~225之間。</p><p>　　動作旗標（Motion

34、Status）是為了顯示現(xiàn)在是否執(zhí)行Motion動作，如果正在執(zhí)行數(shù)值將會是1，未執(zhí)行則是0。</p><p>　　機器人偏移設置（Joint Offset）是一個陀螺儀姿勢調(diào)整。</p><p>　　圖1.8 RoboPlus Motion工作界面</p><p>　　RoboPlus Manager是機器人控制管理員?？梢詫ynamiexl進行設定，如更改ID

35、、更改動作模式、修改ZigBee對應編號等。</p><p>　　圖1.9 RoboPlus Manager工作界面</p><p>　　1.3本文章節(jié)安排 </p><p>　　本文以舵機機器人系統(tǒng)為平臺，研究在基于聲音傳感器基礎上，編寫控制程序，讓機器人運行特定的動作。實驗采用Bioloid機器人套件為實驗機器人，運行環(huán)境在室內(nèi)，機器人上將配備紅外線物體傳感器、

36、聲音傳感器（集成于控制器CM-530）。在特定運動環(huán)節(jié)，文章將分別利用紅外線物體傳感器和聲音傳感器得到外界信息，然后將信息傳遞到控制器CM-530，進而控制器發(fā)出指令使舵機機器人做出特定的動作。</p><p>　　本文的主要組織結構安排如下：</p><p>　　第1章是緒論，簡述了基于聲音控制舵機機器人的發(fā)展現(xiàn)狀和研究意義，對Bioloid機器人套件的軟件和硬件進行了簡要的介紹。<

37、;/p><p>　　第2章介紹舵機機人控制硬件系統(tǒng)，并提出已此系統(tǒng)作為基于聲音的舵機機器人運動控制平臺。</p><p>　　第3章介紹舵機的內(nèi)部結構、工作原理以及控制方法。</p><p>　　第4章介紹現(xiàn)階段可用的控制方法，說明選用PID算法的理由，將PID算法運用到本實驗中，證明PID算法在本實驗中的可行性。</p><p>　　第5章用行

38、為控制和動作編輯兩種編程相結合的方法來編寫舵機機器人控制程序，并說明了兩種編寫程序所負責編寫的內(nèi)容。</p><p>　　第6章對本論文中的內(nèi)容做了總結和回顧，并對實驗的不足方面提出改進。對舵機機器人的未來發(fā)展方向進行展望。</p><p>　　2 舵機機人控制系統(tǒng)硬件設計</p><p>　　2.1電子元器件選擇</p><p>　　在對舵

39、機機器人系統(tǒng)建立之前，首先應對電子元器件進行選擇。是否能選擇合適的電子元件將會直接影響到所設計的控制系統(tǒng)的性能。</p><p>　　2.1.1控制器的選擇</p><p>　　嵌入式系統(tǒng)中的微處理器和微控制器從二十世紀七十年代研發(fā)至今已經(jīng)擁有40年的發(fā)展歷史了。嵌入式系統(tǒng)最開始的的應用只能是基于單片機，而且那時只是4位的處理器在被使用，應用在一些單線程的程序上，還說不上“系統(tǒng)”這一概念。

40、但是嵌入式系統(tǒng)基于單片機的使用，卻使得家用電器、汽車電子、工業(yè)機械設備、通信設備以及成百上千種產(chǎn)品可以通過嵌入式電子系統(tǒng)獲得更好的實用性能。</p><p>　　當今，嵌入式控制系統(tǒng)中微控制器應用范圍最廣的是單片機，而 MCS-51和 96 系列是單片機中的代表。但由意法半導體公司推出的STM32微電子芯片具有單片機所沒有的優(yōu)點，它具有高性能的內(nèi)核、一流的外設、低功耗以及最大的集成度等特點。[4]。</p&

41、gt;<p>　　除此之外STM32系列采用了業(yè)界領先的哈佛結構（程序和數(shù)據(jù)分開），提供單周期乘法指令和硬件除法指令，內(nèi)置了快速的中斷器等。正是由于STM32使用了這些與MCS-51普通單片機不同的結構，才使得其與普通單片機相比具有如下特點[5]：</p><p>　　1) 完成一次乘法或一次加法在一個指令周期內(nèi)就可以實現(xiàn)；</p><p>　　2) 采用哈佛結構，程序總線和

42、數(shù)據(jù)總線、程序空間和數(shù)據(jù)空間是分開的，這一結構使其可以同時訪問指令和數(shù)據(jù)；</p><p>　　3) 片內(nèi)擁有快速 RAM，可以同時訪問兩塊芯片中RMA；</p><p>　　4) 具有低開銷或無開銷循環(huán)及跳轉的硬件支持；</p><p>　　5) 快速的中斷處理和硬件 I/O 接口支持；</p><p>　　6) 具有在單周期內(nèi)操作的多個硬

43、件地址產(chǎn)生器；</p><p>　　7) 內(nèi)部采用的特殊設計使其支持并執(zhí)行多個操作任務；</p><p>　　8) 支持流水線操作，使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行。</p><p>　　考慮到這種芯片的高性價比以及舵機機器人控制性能的要求，選用有STM32F103芯片的CM-530控制器作為舵機機器人的微控制器。這樣不僅可以大大的提升控制機器人的性能，還可以減

44、少控制器的大小。</p><p>　　圖2.1 CM-530控制器</p><p>　　? PC Link(Serial Cable): 用來連接CM-530和PC。也可以用來與其他PC連接和下載任務程序。</p><p>　　?Communication Device Connection Port：無線模塊（ZIG-110），與紅外線接收器或其他模塊連接使用。&

45、lt;/p><p>　　?Battery Jack：電池插座。</p><p>　　?Power Jack：電源插座。</p><p>　　?Mode LED：顯示操作模式之LED。</p><p>　　?Status LED：顯示狀態(tài)之LED。</p><p>　　?Power LED：顯示電源開關狀態(tài)之LED。<

46、/p><p>　　?Power Switch：電源開關</p><p>　　?MODE Button：模式切換按鈕。</p><p>　　?START Button：執(zhí)行所選擇的模式。</p><p>　　?U/L/D/R Button：程序運行時，發(fā)送指令給機器人使用。</p><p>　　?AX-12+ BUS Por

47、t：AX12+ Dynamixel串接插座。</p><p>　　?Peripheral Devices Connection Port：l連接距離傳感器、觸碰傳感器、紅外線傳感器以及周邊設備。</p><p>　　2.1.2舵機的選擇</p><p>　　傳統(tǒng)的舵機有三條傳輸線,分別是:VDD線、GND及DATA線。VDD和GND線是提供內(nèi)部的直流馬達及控制線路板

48、所需的電源,電壓通常介于7V-10V之間,該電源應盡可能與處理系統(tǒng)的電源分隔開，因為馬達會產(chǎn)生噪音。同時,舵機在重負載時也會拉低放大器的電壓,所以整個系統(tǒng)的電源供應必須合理[6]。在這里本文選用AX-12+舵機，是由于Dynamixe系列中AX-12+專用于機器人伺服電機與傳統(tǒng)的伺服電機相比不但具有位置反饋，而且還具有速度反饋與溫度反饋的功能，支持高速串行網(wǎng)絡.Dynamixel系列中AX-12+專用機器人伺服電機與傳統(tǒng)的伺服電機相比A

49、X12+不但具有位置反饋，而且還具有速度反饋與溫度反饋功能，支持高速串行網(wǎng)絡。Dynamixel系列中AX-12+專用機器人伺服電機與傳統(tǒng)的伺服電機相比AX12+不但具有位置反饋，而且還具有速度反饋與溫度反饋功能，支持高速串行網(wǎng)絡。Dynamixel系列中AX-12+專用機器人伺服電機與傳統(tǒng)的伺服電機相比AX12+不但具有位置反饋，而且還具有速度反饋與溫度反饋功能，支持高速串行網(wǎng)絡。這樣選擇AX-12+就可以更好的完成機器人的驅動任務。

50、</p><p>　　圖2.2 AX-12+硬件電路原理圖 </p><p>　　2.1.3其他元件的選擇</p><p>　　在設計整個控制系統(tǒng)中，使用的控制其中搭配了聲音傳感器，可以判斷聲音的大小。聲音傳感器使用數(shù)字0至255之間，因此最高音量為225。除聲音傳感器外還有聲音計數(shù)器，聲音的計數(shù)方法，判斷法則為高于所設定的參數(shù)數(shù)據(jù)則判斷為一次的聲響，而感應為聲音傳

51、感器，當感測出來時聲音計數(shù)器會+1。此外，本實驗還會用到紅外線物體感測器。</p><p>　　2.2舵機機器人控制系統(tǒng)設計</p><p>　　如圖2.3所示 舵機機器人的控制系統(tǒng)的設計應包括電源模塊、微控制器模塊、舵機驅動模塊、紅外線物體傳感器模塊及聲音傳感器模塊等傳感器模塊組成。</p><p>　　圖2.3舵機機器人控制系統(tǒng)</p><p

52、>　　在整個系統(tǒng)中由電源模塊提供12伏電壓供電給控制器CM-530，又通過聲音傳感器和紅外線傳感器接收外界信息，接收信息后將信息傳給控制器，然后控制器按照PC已經(jīng)編寫好的程序發(fā)出指令，舵機做出設定好的動作。</p><p>　　2.3舵機機器人組裝</p><p>　　本論文應用到Bioloid機器人套件，將機器人套件組裝成四足機械狗。整個機器人用到15個AX-12+舵機，一個CM-

53、530控制器，一個紅外線物體傳感器以及若干框架組。組裝實物如下圖：</p><p><b>　　圖2.4四足機械狗</b></p><p>　　四足機械狗所涉及15個舵機的控制中全部用于關節(jié)，轉動角度為0~300°。 表2-1是四足機械狗的舵機分配表。</p><p>　　2-1四足機械狗的舵機分配表</p><

54、;p><b>　　2.4本章小結</b></p><p>　　本章介紹了舵機機器人硬件的選擇，也對基于聲音的舵機機器人的控制系統(tǒng)做了硬件設計。給出了所要用的實驗器材，尤其是微控制器的選擇。分析了各個模塊與整個系統(tǒng)的關系，將各個模塊整合成一個整體。最后介紹了舵機機器人的組裝過程。 </p><p>　　3 舵機的結構及其控制原理</p><p&

55、gt;　　本文章中所選用的AX-12+數(shù)字伺服電機具有高效能、串接式、連接簡單、全方式360°定位等特點。采用PID控制，適合多關節(jié)系統(tǒng)的應用（如機械手臂，六足、雙足機器人）。</p><p>　　3.1舵機的內(nèi)部結構</p><p>　　舵機是由外殼、電路板、直流電機、齒輪組與位置檢測器組成的。如圖3.1所示。高速轉動的直流電機提供了所需的動力，帶動變速（減速）齒輪組轉動，使之

56、產(chǎn)生高力矩的輸出齒輪組的變速比愈大，伺服馬達的輸出力矩也愈大，越能承受更大的力量，但是齒輪的轉動的速度也會變得很低。</p><p>　　圖3.1 舵機的內(nèi)部結構</p><p>　　3.2舵機的工作原理</p><p>　　舵機是一個典型的閉環(huán)反饋系統(tǒng)，其工作原理如下圖：</p><p>　　圖3.2舵機的工作原理</p>&

57、lt;p>　　減速齒輪組依靠馬達驅動,其終端(輸出端)帶動一個線性的比例電位器作位置檢測,該電位器把轉角坐標轉換為一比例電壓反饋給控制線路板,控制線路板將其與輸入的控制脈沖信號做比較,產(chǎn)生調(diào)整脈沖,并驅動馬達正向或反向地轉動,使齒輪組的輸出位置與期望值相一致,令調(diào)整脈沖趨于零,從而達到使舵機精確工作的目的[7]。</p><p>　　3.3 AX-12+舵機的控制</p><p>　

58、　AX-12+數(shù)字伺服電機不像一般的R/C微伺服電機（舵機）使用PWM（脈沖寬度調(diào)制）控制，其需要使用CM-5 Dynamixel AX12+伺服電機專用控制器控制。當用做關節(jié)電機時，可以旋轉0～300°；當用作輪子驅動時，可以選擇360°連續(xù)旋轉模式。更重要的是AX-12+提供了高達16kg·cm的扭矩，是一般數(shù)字舵機的2倍[8]。</p><p>　　圖3.3

59、 AX-12+與CM-5伺服電機專用控制器控制器接法</p><p><b>　　3.4本章小結</b></p><p>　　本章介紹了舵機的內(nèi)部結構，工作原理即控制方法（PWM傳統(tǒng)舵機的控制方法）。還說明了AX-12+舵機與傳統(tǒng)舵機控制方法的不同點，其具有一般舵機所沒有的優(yōu)點。</p><p>　　4 舵機機器人的速度控制</p>

60、<p><b>　　4.1引言</b></p><p>　　舵機機器人控制有2種方法分別是開環(huán)控制和閉環(huán)控制，在開環(huán)控制中,機器人的運動速度并沒有進行反饋,從而無法確保機器人按照預期的速度前進或后退。但在閉環(huán)控制方法中,通過電位器檢測機器人舵機的轉速,進而可以實時獲得機器人的運動速度,并通過閉環(huán)控制算法控制機器人使其按預定速度進行運動，常用的閉環(huán)控制算法有:自適應控制、模糊控、

61、神經(jīng)網(wǎng)絡控制和PID控制等,其中PID控制是由比例(Proportion)、積分(Integral)、微分(Differential)組成的線性控制器,原理簡單,應用方便,適合用于比較簡單的被控對象,應用該控制算法能夠獲得很好的控制效果,并且構成的控制系統(tǒng)具有良好的控制性[9]。</p><p>　　PID控制理論問世至今己有近70年歷史,它以其技術成熟、應用范圍廣、穩(wěn)定性好、調(diào)整方便、控制靈活而成為工業(yè)控制理論

62、的主要技術之一。本章將采用PID控制算法進行舵機機器人的速度閉環(huán)控制[10]。</p><p>　　4.2數(shù)字PID控制算法[11]</p><p>　　PID是一個閉環(huán)的控制算法。因此在實現(xiàn)PID算法之前，硬件上必須采用閉環(huán)控制，就是有反饋。PID是比例(P)、積分(I)、微分(D)控制算法。但并不是必須同時具備這三種算法，也可所以PD,PI,甚至是P算法控制。下面就對PID算法的原理做

63、簡單介紹：</p><p>　　模擬PID算法的原理如圖4.1所示，其中，w(t)是設定值，y(t)是系統(tǒng)實際輸出值，而e(t)是w(t)與y(t)的偏差值即：</p><p><b>　　(4.1)</b></p><p>　　按其比例、積分、微分通過線性組合構成控制量。其表示如下圖：</p><p>　　圖4.1PI

64、D控制原理</p><p>　　u(t)是PID控制器的輸出和被控對象的輸入，模擬PID控制器規(guī)律為：</p><p><b>　　(4.2)</b></p><p>　　其中KP為比例增益，TI為積分時間常數(shù)，TD為微分時間常數(shù)，u(t)為控制量，e(t)為偏差。</p><p>　　PID算法中各環(huán)節(jié)的作用：<

65、/p><p>　　比例控制可以快速反應誤差，從而使誤差減小，但是比例控制卻不能消除穩(wěn)態(tài)誤差，而且如果KP過大，就會引起系統(tǒng)不穩(wěn)定；積分控制的作用是，只要系統(tǒng)存在誤差，積分控制作用就會不斷積累并輸出控制量從而消除系統(tǒng)誤差，因此只要時間允許，理論上積分控制將能完全消除誤差，但是積分作用過強會使系統(tǒng)超調(diào)量有所增大，甚至會使系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩；微分控制作用是可以減小超調(diào)量，克服振蕩，從而使系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到提高，與此同時加快系統(tǒng)的動

66、作的響應速度，減小調(diào)整時間，從而改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。</p><p>　　由于論文是采用數(shù)字PID控制舵機速度，因此應用數(shù)字PID增量型控制型算法。其求解過程如下：</p><p>　　為了便于計算機的實現(xiàn)，必須把式(4-2)變換成差分方程，為此做如下近似</p><p><b>　?。?.3）</b></p><p>

67、<b>　　(4.4)</b></p><p>　　由式(4-2)、（4-3）、(4-4)可得數(shù)字PID位置控制算式為</p><p><b>　　(4.5)</b></p><p>　　根據(jù)式(4-5)不難寫出第k-1次采樣時的控制算式</p><p><b>　　(4.6)</b

68、></p><p>　　將式(4-5)和（4-6）相減即得到數(shù)字PID增量型控制算式為</p><p><b>　　△</b></p><p><b>　?。?.7）</b></p><p>　　其中KP稱為比例增益，KI=KP稱為積分系數(shù), KD= KP稱為微分系數(shù)。為了方便，可以將（4-7

69、）整理成如下形式</p><p>　　△u(k)=q0e(k)+q1(k-1)+q2e(k-2) (4.8)</p><p>　　其中q0=KP（1+）</p><p>　　q1= - KP(1+2)</p><p>　　q2= KP

70、 (4.9) </p><p>　　從(4-9)可以看出，若整個控制系統(tǒng)確定采樣周期T，選用合理KP、TD、和TI就可以確定增量。</p><p>　　4.3基于數(shù)字PID的機器人速度控制</p><p>

71、;　　本節(jié)將以CM-530控制器，采用數(shù)字PID控制算法，通過對舵機AX-12+的轉速控制來實現(xiàn)舵機機器人的速度控制。</p><p>　　在數(shù)字PID控制算法中，若確定采樣周期T，剩余最重要的工作就是確定KP、TD、和TI三個參數(shù)，因為有上一節(jié)已經(jīng)了解了PID算法中各環(huán)節(jié)的作用就可以明白，這三個參數(shù)選擇將會直接影響控制效果的好壞。參數(shù)整定的實質(zhì)就是利用改變PID控制器參數(shù)使其特性和過程特性達到相互匹配,進而改善

72、系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)指標,達到最好的控制效果。</p><p>　　整定控制器參數(shù)的計算方法歸納起來有工程整定法與理論計算整定法兩類，工程整定法有臨界比例法。試湊法、衰減曲線法、響應曲線法等，該方法的特點是在計算前并不需要知道該過程的數(shù)學模型,直接在過程控制系統(tǒng)中進行現(xiàn)場整定，該整定方法方便簡單、容易掌握；計算簡單理論計算整定法有根軌跡法和對一數(shù)頻率特性法等[12]。</p><p>　　本文

73、的整個PID控制過程的流程圖如圖4.2所示</p><p>　　圖4.2舵機的程序控制圖</p><p>　　本文中由AX-12+舵機的技術手冊得到通訊波特率7343bps~1Mbps，采用的通訊協(xié)議是半雙工異步串行通訊，采用試湊法整定KP、TD、和TI三個參數(shù)的值。數(shù)對控制效果的影響趨勢,反復調(diào)整KP、TD、和TI大小,一般是按照先比例,再積分,最后微分的步驟整定參數(shù)。</p>

74、;<p>　　4.3.1PID控制的MATLAB仿真</p><p>　　MATLAB是由美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)值計算和可視化軟件，它的功能包括數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)可視化、矩陣運算、信號處理和圖形顯示等。MATLAB在數(shù)學類科技應用軟件中在數(shù)值計算方面是首屈一指的，它不僅為用戶構成了一個方便的、界面友好的環(huán)境，而且具有十分豐富的函數(shù)庫。MATLAB和其他高級語言一樣具有良好的接口，同時也可

75、以方便地實現(xiàn)與其他語言程序的混合編寫，使它已經(jīng)成為當今最為流行的科學與工程計算的軟件工具之一，從而受到了廣大用戶的熱烈歡迎[13,14]。</p><p>　　本論文中，采用的舵機是AX-12+該電機的參數(shù)為：額定電壓７Ｖ，轉速ｎ＝15300r/min，電動勢常數(shù)Ce＝0.0173V/(r/min)，電機時間常數(shù)Tｍ ＝0.12S電磁時間常數(shù)Ｔi ＝0.02ｓ。直流電機的傳遞函數(shù)模型為[15]:</p&g

76、t;<p><b>　?。?.10）</b></p><p>　　將電機參數(shù)代入式（4-10），得到舵機的數(shù)學模型為：</p><p><b>　?。?.11）</b></p><p>　　PID應用Matlab參數(shù)整定過程如下[16-20]：</p><p>　?。?）起初，只保留比

77、例系數(shù)Kp而將積分系數(shù)Ti和微分系數(shù)Td置為0。其Matlab的系統(tǒng)控制仿真圖如4.3所示</p><p>　　圖4.3不同Kp下Matlab仿真圖</p><p>　　由仿真結果可知:比例項確實可以減小控制系統(tǒng)產(chǎn)生的偏差，伴隨著Kp的增加,整個系統(tǒng)的響應速度也越來越快。但Kp過大，則系統(tǒng)會產(chǎn)生超調(diào)，震蕩次數(shù)也會有所增多，增加了調(diào)節(jié)時間，使系統(tǒng)穩(wěn)定性也會有所下降。 因此Kp的增大不可能從根

78、本上消除穩(wěn)態(tài)誤差，只能減小。上圖Kp值分別是5,10,15</p><p>　　比例控制Kp Matlab程序如下：</p><p>　　G=tf(400,[1 50 417]);</p><p>　　>> Kp=[5:5:15];</p><p>　　>> for i=1:length(Kp)</p>

79、<p>　　Gc=feedback(Kp(i)*G,1);</p><p><b>　　step(Gc),</b></p><p><b>　　hold on</b></p><p><b>　　end</b></p><p>　　（2）設Kp=10,討論Ti=0.0

80、5~0.15時PID的控制情況，進行Matlab的仿真圖如下：</p><p>　　圖4.4不同Ti下Matlab仿真圖</p><p>　　對于積分系數(shù) Ti的主要作用是消除控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，增強系統(tǒng)的無差度。但隨著Ti的逐漸增大，超調(diào)量會有所減小，系統(tǒng)的響應速度會變的很慢，有時甚至會有積分飽和的現(xiàn)象產(chǎn)生。上圖Ti值分別為0.05，0.10，0.15。</p><p

81、>　　積分控制Ti Matlab程序如下：</p><p>　　G=tf(400,[1 50 417]);</p><p><b>　　Kp=10;</b></p><p>　　Ti=[0.05:0.05:0.15];</p><p>　　>> for i=1:length(Ti)</p>

82、<p>　　Gc=tf(Kp*[Ti(i) 1],[Ti(i) 0]);</p><p>　　Gcc=feedback(Gc*G,1);</p><p>　　step(Gcc),</p><p><b>　　hold on</b></p><p><b>　　end</b></p&

83、gt;<p>　　(3) 微分系數(shù)Td的大小反映的是偏差的變化率，起著預見的作用，從而改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能。微分實驗理論原理與比例、積分一樣。如果Td過大，系統(tǒng)就會提前制動，使調(diào)節(jié)時間變長，于此同時也會使控制系統(tǒng)的抗干擾能力有所下降。</p><p>　　G=tf(400,[1 50 417]);</p><p>　　Kp=10;Ti=0.1</p><p

84、>　　Td=[0.005:0.005:0.015];</p><p>　　>> for i=1:length(Td)</p><p>　　Gc=tf(Kp*[Ti*Td(i) Ti 1],[Ti 0]);</p><p>　　Gcc=feedback(Gc*G,1);</p><p>　　step(Gcc),</p&g

85、t;<p><b>　　hold on</b></p><p><b>　　end</b></p><p>　　經(jīng)過這樣不停的反復實驗最終可以確定PID的各個參數(shù)Kp=10,Ti=0.1,Td=0.01。</p><p>　　從而達到應用PID控制法來控制舵機速度。</p><p>&

86、lt;b>　　4.4本章小結</b></p><p>　　本章介紹了PID控制算法及其控制原理，將PID算法和AX-12+舵機的控制結合起來，說明了PID控制算法的優(yōu)越性和應用的廣泛性。</p><p>　　5 舵機機人控制系統(tǒng)軟件設計</p><p>　　舵機機器人控制系統(tǒng)中軟件設計是最重要的部分，所有舵機運行狀況都是有控制系統(tǒng)軟件設計的。本文的

87、控制系統(tǒng)是基于STM32F103為主要元件的硬件之上進行設計的，因此在實驗時直接使用了基于STM32F103開發(fā)的CM-530控制器。本控制系統(tǒng)軟件設計主要包括；程序編寫、調(diào)試、修改、整合等步驟。</p><p>　　5.1 RoboPlus Task程序的編寫</p><p>　　RoboPlus Task的程序命令語法和一般的C語言語法非常相似（稱為類C語言），另外還有額外獨立開發(fā)的外

88、部無窮循環(huán)函數(shù)（CallBack函數(shù)），可以雙向多工運作，雖然第二工作函數(shù)中有許多的判斷語言無法使用，且不能和主程序做太多關聯(lián)（會發(fā)生錯誤），但實質(zhì)的應用層面卻比傳統(tǒng)的C語言的架構程序來的好上很多。下面介紹命令句：</p><p>　　Start&End ：啟動&結束命令句</p><p>　　Start/Exit Program ：開始和結束的命令</p>

89、<p>　　“{“&”}”：區(qū)塊命令，主要在定義范圍</p><p>　　// ：注解，主要是使用者加以說明程序用，不會執(zhí)行</p><p>　　Execute ：執(zhí)行/運算命令句</p><p>　　Compute ：運算命令句，包含數(shù)字運算、邏輯運算等</p><p>　　Load ：加載命令句，左側的數(shù)值將會等于右

90、側數(shù)值</p><p>　　Label ：標簽，主要是用來跳躍之用</p><p>　　Jump ：跳躍，能夠跳躍至指定的標簽位置</p><p>　　Condition ：判斷命令句</p><p>　　If/Else If/Else ：用于判斷內(nèi)容的命令</p><p>　　Loap ：循環(huán)命令句</p>

91、;<p>　　Endless Loap：無限回圈</p><p>　　Condition Loop ：條件循環(huán)，條件達成則執(zhí)行循環(huán)</p><p>　　Count Loop ：次數(shù)循環(huán)，可以指定次數(shù)的循環(huán)</p><p>　　Break Loop ：跳出循環(huán)，強制離開回圈之前的命令句</p><p>　　Conditional

92、Stand ：等待循環(huán)，條件滿足時將鎖定在這個循環(huán)中，直到條件解除</p><p>　　Function ：子程序/函數(shù)命令句</p><p>　　Make CallBack ：創(chuàng)造獨立的無窮循環(huán)</p><p>　　Make Function ：創(chuàng)造一個子程序</p><p>　　Call Function ：呼叫子程序</p>

93、<p>　　Exit Function ：離開子程序（只要是子程序都必須使用）、</p><p>　　在任何的程式一般都要事先設計流程圖，不能憑空想象，所以必須制作一個流程圖來設計所需的程式走向繪制流程圖的最大好處在于循序漸進的方式來達到所需的功能，能避免將許多重復性的元件、架構再次撰寫、浪費記憶空間進而增加了程式讀取執(zhí)行效率，圖5.1給出了程序的動作流程圖。在程序開始之前，必須進行設定初始化。由于

94、本控制系統(tǒng)用到了15個舵機，所以在初始化階段就要包括對電機ID、電機轉速以及電機的轉動角度的初始化。舵機ID初始化就是讀取讀取舵機的ID設計，確定ID號。</p><p>　　圖5.1程序動作流程圖（1）</p><p>　　圖5.2程序動作流程圖（2）</p><p>　　圖5.3程序動作流程圖（3）</p><p>　　在整個程序動作流程

95、圖中，由RoboPlus Task建立起整個程序架構。由于所組裝的舵機機器人用到了15個電機，數(shù)量較多，因此僅僅依靠RoboPlus Task來編程控制15個電機是不便的。所以用RoboPlus Motion來編寫具體的動作即上述框架中的動作1到動作11。</p><p>　　在確定程序的框架圖后，就可以根據(jù)框架圖來編寫設計程序，具體程序代碼在附錄。</p><p>　　5.2RoboPl

96、us Motion程序的編寫</p><p>　　本論文中所設計的舵機機器人的動作共有11個，具體動作編輯在附錄。其具體的編輯過程如下: </p><p>　　如圖5.2機器人的動作設計可以借由右下角的兩個燈泡（一個亮，一個滅）來控制機器人馬達的啟動和不啟動。在不啟動狀態(tài)下，可以搬動機器人馬達關節(jié)，來設計自己所需的動作。然后將所設計的動作的關節(jié)值傳送給控制器，控制器將動作關節(jié)值保存在所設計

97、動作頁面。</p><p>　　圖5.2 舵機機器人動作編輯界面 </p><p>　　在動作設計上必須要參考流程圖的設計，也就是說不能把所有動作串連在一起，所以在動作編輯器上使用相同的方法簡化程序。簡化的這部分程序可以省略掉大部分連續(xù)馬達動作，如果但使用行為控制邏輯控制全部馬達是非常費時的，因此可以使用行為控制邏輯控制動作編輯器元件代替掉許多馬達的控制，從而簡化程序的編寫。</p&

98、gt;<p><b>　　5.3本章小結</b></p><p>　　本章介紹了舵機機器人的軟件設計過程，由RoboPlus Task建立編寫程序的框架，主要包括機器人動作的先后順序、各傳感器的控制程序、舵機的初始設計等。使用RoboPlus Motion來設計具體動作。</p><p><b>　　6 總結與展望 </b><

99、;/p><p><b>　　6.1總結</b></p><p>　　基于聲音控制的舵機機器人是多技術相結合的一個融合體。隨著機器人技術的不斷發(fā)展，對對舵機機器人的理論研究也越來越深入。本文以Bioloid機器人套件為實驗平臺，以舵機機器人的聲音控制系統(tǒng)的結構為主線，編寫了基于聲音的舵機機器人的控制程序，在此基礎上對舵機機器人的運動做出了分析。論文研究的主要內(nèi)容如下：<

100、;/p><p>　?。?）以舵機機器人為背景，設計了基于CM-530微控制器的舵機機器人的運動控制系統(tǒng)。它以STM320芯片為核心，運用PID控制控制算法和DynamixelAX12+伺服電機專用控制器控制CM-530，完成了舵機的控制。將舵機硬件設計和軟件編寫結合起來，實現(xiàn)了舵機機器人特定動作的運行，并通過聲音傳感器和紅外線物體傳感器將外界反饋信號傳給控制器，使舵機機器人根據(jù)外界情況作出動作。</p>

101、<p>　?。?）應用了舵機機器人的動作平臺，可以對任意的舵機機器人進行動作設計，通過串口通信可以實時控制舵機機器人的動作，并能將舵機機器人動作產(chǎn)生的數(shù)據(jù)傳送回電腦，以便對機器人的動作做出分析。</p><p>　?。?）對常用的控制算法作了簡單介紹，重點說明了AX-12+舵機所應用的PID控制算法。詳細地論述了該算法的實現(xiàn)在舵機機器人運動中的應用。</p><p><b

102、>　　6.2展望 </b></p><p>　　本文所介紹的工作主要是通過聲音傳感器對舵機機器人的控制，使其做出特定的動作。基本上完成了任務書中的要求，但仍由去多地方需進一步改進和研究：</p><p>　　(1)本論文試驗中所應用的CM-530控制器是基于STM320芯片設計的，雖然可以較好地控制舵機機器人的運動，但仍有很大的發(fā)展空間。從提高舵機的控制速度與效果出發(fā)，我

103、們可以應用更為高級的芯片，當然這樣成本也會有所增加，但卻可以保證更好的控制效果。 </p><p>　?。?）機器人的聽覺效果直接影響到本實驗的進行，這就對聲音傳感器的靈敏度提出要求，聲音傳感器的效果不僅在于接收外界信息的敏感度，更在于抗干擾能力的強弱，因此對聲音傳感器的改進也是巨大的。</p><p>　　（3）本文對舵機機器人的控制進了簡單討論，舵機所采用的PID控制法可以很好的控制舵

104、機，但仍存在一定的局限性。這里可以尋求更好的控制方法。</p><p>　　由于本文作者知識水平的不足，希望能再進一步的的學習后針對以上三點做出改進，從而能夠更好的控制舵機機器人。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 王宏，艾海舟. 移動機器人體結構與系統(tǒng)設計[J].機器人，1993,15（1）：49～54

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113、oll:MARCELDEKKER,INC,2003.</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　時間如白駒過隙，轉眼四年間的大學生活馬上就要結束了?；叵肫鹱蛉兆诮淌覂A聽老師諄諄教誨，而今天就要離開親愛的母校，心中感慨萬千。</p><p>　　本論文是在劉嘉認真老師悉心指導下完成，特別感謝劉嘉老師這半年來對我畢業(yè)設計