基于电磁导航的高速轮式机器人控制系统的设计与实现-AGV吧

1引言

电磁导航轮式移动机器人涉及了机械、电磁导航、自动控制及计算机等多个技术领域，是一个综合的智能系统。电磁导航是一种可靠、精度较高的引导方式，通过在导线上加载低频、低压电流产生磁场，实现对具有磁场强度检测功能的机器人的引导。磁场是一个三维矢量，其在空间具有一定的方向性和对称性，并且不易受声光等外界因素干扰。因此，电磁导航原理简单可靠，容易实现，具有广阔的应用前景。

2硬件设计

2.1总体设计

轮式机器人采用三轮式结构，前轮为万向轮，横向运动阻力小。后轮为两个驱动轮，每个驱动轮都有独立的执行机构（RS380直流有刷电机），组成了轮式移动机器人的差速驱动系统。该结构使机器人转向灵活，在高速行驶时仍能够在狭小的空间内以较小的转弯半径转向。两个驱动轮距离为15.5cm，电感线圈到差速轮轴线的水平距离为40cm。控制电路采用7.2V镍铬电池供电。轮式机器人以电感线圈为传感器检测电磁信号强度判断方向偏差用来调整驱动轮的差速，完成沿着电磁引导线的路径跟踪运动。

2.2电磁信号检测电路设计

电磁导航引导线为一条通有100mA、20kHz交变电流的漆包线，周围产生变化的磁场。电磁信号检测电路主要包含谐振选频电路、放大电路和检波电路三部分。电磁检测传感器是由10mH高精度工字型电感与6.33nF电容并联，组成谐振频率为20kHz的LC谐振电路。谐振电路通带中心位于20kHz，只有频率位于带宽内的信号才能通过传感器，送往放大电路，大大提高了检测电路的信噪比。放大电路采用INA129仪表运算放大器方案，直接放大差分信号，共模抑制比高。最终，单片机通过对峰值检波电路输出的电压信号进行A/D转换获得电磁信号的强度。

3抑制电机驱动系统电磁干扰（EMl)研究

电机驱动系统中MOSFET开启与关断产生的EMI较强，对电路特别是电磁信号检测电路以及A/D转换等会产生较大的不利影响，降低了路径检测的精度。针对MOSFET开启与关断产生的EMI，分析了MOSFET组成的H桥输出的电压波形，提出了抑制其EMI及减电磁干扰对传感器影响的方法。电压波形近似为梯形，为了方便研究，将其简化为上升沿与下降沿都为线性，且时间相等的理想等腰梯形波。记电压处于高半幅值的时间为th，上升沿时间为tr，下降沿时间为t（t=t），电压幅值为A，周期为T。则该理想电压脉冲的时域表达式为：

由式（2）可知梯形波的幅频特性幅值只与A及t有关。A等于电源电压，除非更换不同电压的电源，A不会有大幅变化。越大，EMI越小。t的增大可以通过增大MOSFET栅极控制电阻的阻值来实现。但是tr偏大会造成MOSFET开关损耗过大，所以需要在保证MOSFET开关损耗在正常范围内的前提下，选取合理的栅极控制电阻的阻值来减小EMI。

通过空间磁场传播的EMI对电磁检测传感器信号采集的干扰非常严重。根据傅里叶级数展开理论与电磁检测传感器谐振选频电路的特性可知：可以通过选取合适的PWM频率，避免电机驱动输出的电压脉冲的谐波信号频率处于电磁检测传感器的通带范围内，来减小EMI对电磁信号检测的影响。图1为不同频率PWM控制下的电机驱动对电磁信号检测电路产生的干扰信号幅值。

在设置PWM频率时，应避开20kHz的整数分频来减小电压脉冲的谐波对电磁检测电路的干扰。同时，为避免PWM频率过高引起MOSFET损耗过大，最终选择的PWM频率范围为13-17kHz。

4路径信息的检测

4.1方向偏差算法

图2为改进的电感线圈排布方案示意图。五个水平电感线圈L1-L5等间距一字排布，轴线与电磁引导线垂直，用于获取方向的偏差。L6与L7为辅助电感线圈，轴线平行于引导线放置，用于在急弯辅助判断方向，防止机器人丢失路径信息。

使用了一种改进的传感器寻线算法：方向偏差e由基本偏差E1和相对偏差组成。找到L1-L5中电动势最大（离电磁引导线最近）的电感线圈（记为M)，基本偏差E1便是机器人在直道上无方向偏差时M的电动势与标定的最大电动势的差值。相对偏差反映了M相对于电磁引导线的偏移，是由M的左右两个电感线圈电动势（分别记为EL和En）计算得到。则计算方向偏差e的算法为：

其中：EM为电感M的实时电动势的值，k为常系数。当M为L1或L5时，式（3）不再适用，此时机器人方向已经严重偏离电磁引导线，可将e设定为偏差的上限或下限。该电感线圈排布方案与寻线算法克服了传统方案寻线范围小和容易丢失路径信息的缺点，并且无论在直道还是弯道都有着较高的灵敏度，能够很好地满足机器人做高速轨迹跟踪运动时的寻线要求。

4.2路径曲率的检测

使用MPU6500陀螺仪检测机器人横摆角速度0、编码器检测机器人运动速度v，可以计算得到路径的近似曲率C：

C=|ω/v|

路径的类型可以根据曲率的大小来判断。针对使用单门限比较来判断路径类型存在的抗干扰能力差的问题，在单门限比较的基础上增加了一个死区。当曲率的大小在死区范围内时沿用上一次的路径类型判断，使路径类型判断具有了“继电特性”。

5控制策略

5.1速度控制

期望速度v根据路径的类型和方向偏差动态设定，其表达式为：

V=V_max士[k_p×e_(k))+k_d×(e_(k)-e_(k-1))] (5）

其中：V_max最高期望速度。k_p和k_d分别为比例项系数和微分项系数，e_(k)和e_(k-1)分别为当前控制周期的方向偏差和上一个控制周期的方向偏差。

V_max的值可以根据当前路径类型是弯道还是直道分别设定。期望速度还与方向偏差的微分相关联，使期望速度具有预判性，能够使机器人进弯道提前减速，出弯道提前加速，实现了更好的快速通过弯道策略。使用编码器测量机器人左右驱动轮速度v_L和V_R，取平均值作为速度控制器的反馈。速度控制采用PID算法，稳态误差小，鲁棒性强，实现简单，整定好合适的参数即可获得良好的控制效果。

5.2方向控制

由于转动惯量的存在，轮式机器人在转向时很容易发生转向过冲。传统的单环PID控制差速难以在超调量小与快速响应方面都取得良好的控制效果。因此，提出了一个改进的差速控制策略：使用串级PID控制差速，方向环为外环，横摆角速度环为内环。图3为差速串级控制系统框图。

外环控制周期为20ms，使用积分分离式PID，静态误差小，使机器人能够在直线行驶时有着较高的轨迹跟踪精度，在弯道有较快的响应并且避免了积分饱和、超调量大等问题。内环使用PI控制器，控制周期为2ms，采样与控制频率高，增大了系统带宽，改善了机器人方向控制系统的动态特性，提高了响应速度。将方向控制输出量u山与速度控制输出量u.叠加后控制电机，即可实现对轮式机器人的速度与方向控制。左右电机的控制信号（u_L和u_R）分别为：

u_L=u_s+u_d （6）

u_R=u_s-u_d （7）

6结束语

研究了高速路径跟踪运动的电磁导航轮式机器人的电磁传感器设计、路径检测算法、电机驱动的EMI与控制算法。EMI的抑制为机器人的稳定可靠控制创造了有利条件。改进的传感器布局和路径检测算法拓宽了路径检测范围并提高了灵敏度。提出的差速转向串级控制改善了差速转向控制系统的控制质量，性能明显优于传统的单环PID控制。提出的速度控制策略改善了机器人的弯道行驶性能。该研究对提高电磁导航式轮式机器人路径跟踪的行驶速度有着一定的意义。