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智能控制应用于机器人行业中(3篇)

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第一篇:机器人设计中智能控制的应用

摘要:

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。

关键词:

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2018注册送白菜网站性、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。

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400kHz快速送体验机无需申请的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。

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。

2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。

3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2018注册送白菜网站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。

参考文献:

[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.

作者:余有明 莫浩明 余泽煌 单位:广东工业大学华立学院

第二篇:智能控制在机器人行业中的应用

摘要:

我国对于机器人的研究起步较晚,技术相对比较落后,为了提升机器人行业发展的速度,国家制定了相应的政策,鼓励智能控制的发展及在机器人行业中的普及。本文对智能控制技术的发展历程及主要算法进行介绍,并提出了智能控制在机器人行业中的具体应用方法,以期促进我国机器人行业的发展,缩小与国际先进技术之间的差距。

关键词:

智能控制;机器人;原理;应用

1引言

机器人的研究与应用自20世纪以来得到了普遍发展,改变了人们传统的手工作业方式,使得各行各业向着自动化的方向发展。可以说,机器人的出现在很大程度上改变了人类的生活,伴随着科技的进步,机器人行业得以迅速发展,使得人们的思维也发生了一定变化。作为自动化控制技术史上的一个重要里程碑,智能控制技术的诞生颠覆了控制技术的概念。在智能控制技术中,结合了计算机技术、智能技术以及人工神经网络技术等多方面的先进技术,该技术与机器人的结合极大地促进了机器人行业的发展,因此对智能控制在机器人行业中的应用进行研究具有现实意义。

2智能控制技术

智能控制技术的诞生使得人们的生活发生了翻天覆地的变化,应用范围广泛,作为其应用领域之一的机器人行业,其发展方向也发生了改变。在智能控制技术的发展历程中,主要经历了两个阶段,一是对最基本理论方法的研究,二是通过综合多种理论方法达到更加理想的效果,也就是智能控制技术的集成化发展[1]。在智能控制技术中,应用到的算法主要有以下两种:一是遗传算法,二是蚁群算法。所谓遗传算法指的是以生物学遗传机制与进化论原理为基础,从而展开一种并行随机搜索的优化算法。在这种算法中,主要根据选取的适配值函数完成对个体的筛选,保留适配值高的个体,从而组成一个新群体,这种新群体不仅具备了上一代信息,而且优于上一代,通过此方式不断循环,不断提升群体中的个体适应度,直到符合条件为止;而蚁群算法所依赖的是群体智慧,其主要原理与蚂蚁寻找食物所走的路线相似,为蚂蚁制定几条路线,领头蚂蚁选择次数最多的路线即为最优路线。该算法主要应用于工业系统,尤其是在配电网的优化规划中应用中更为普遍。最近几年,人工智能与机器人技术发展比较迅速,广大学者们又开始对智能控制进行重点研究。一些智能控制系统像专家控制、模糊控制、神经控制以及故障诊断等已经逐渐应用于工业控制、机器人控制等的各个过程[2]。这种国际形势使得国内的智能控制研究开始活跃,经常举办一些有关的学术会议以及其他的学术活动,也涌现出了一系列的研究成果,种种迹象表明,智能控制在我国已经作为一种独立学科而发展起来了。在智能控制技术的发展历程中,人工神经网络在环境感知和路径规划方面应用广泛,它的发展对于丰富其理论起了极大的促进作用,它在机器人行业中的应用极大提升了其人性化。在复杂环境中怎样使机器人能够选取一种最优路线成为当前学者研究的热点问题,即所谓的路径规划问题。在地质勘探中,对于路径规划的应用比较普遍,机器人能够在复杂的环境中代替人类完成一些高难度任务。在此有必要介绍一些神经网络在局部路径规划中的应用。所谓局部路径规划也可以称之为动态碰壁规划,在全局规划的前提下,通过对即时采集的局部环境信息进行分析,在最短时间内制定出躲避障碍物路线。可以看出,局部路径规划是感知空间到行动空间的映射。这种映射关系的实现方法灵活多样,无法用一个固定的公式来表达。因此,在这一过程中使用神经网络最为合适,同时还可以引进模糊算法、遗传算法等使神经网络的类型丰富,从而更完美地实现局部规划。

3智能控制在机器人行业中的应用

伴随着计算机技术的发展,在机器人领域的科技发展愈加全面,把人工智能及传感器等技术应用于机器人行业就是其中的而一个例子。从动力学原因分析,机器人行业的有关技术呈现出非线性及动态性特点,对于机器人的控制技术也必须具备多样化的特点,这就需要在机器人行业中必须引进智能控制技术。

3.1对机器人行动路线的控制

根据机器人的机械原理分类,一种腿部由四条连杆和动轮组成的机器人,在移动过程中主要依靠对滚轮的角度进行控制来实现。在对该种机器人的移动路线进行设定时,一般的控制器根本无法实现对非线性系统的控制,这就需要采用智能控制技术的作用,主要是模糊神经网络自适应控制的方法在此种控制中发挥了极大作用。通过该控制送体验机无需申请的使用,机器人的系统误差被控制在了一定的范围之内,而且对机器人移动路线的控制更加精准。

3.2机器人的行动计划

在十字路口要想对多个机器人的行动进行控制,就要对机器人的回避与协调问题进行考虑。智能控制理论在此问题中能够解决机器人的集中式路线设计和分布式行动特点这些难题。根据每个机器人在单独行动时的路线,在单路行动路线不变的基础上采用分布式行动特点进行设计,使机器人在有可能发生碰撞的区域进行避让,通过这种设计思想,也就避免了多个机器人的碰撞[3]。此种方式的应用,充分说明智能控制能够很好地解决多个机器人行动时的回避与协调问题。

4结语

在我国,智能控制技术正在处于发展阶段,其技术并不成熟,机器人行业作为其应用的主要方面之一,在其设计中如果能够结合多种智能控制技术的应用,能够促使机器人行业获得新的发展,为人类提供更大的便利。

参考文献:

[1]武星,楼佩煌,杨雷等.基于视野状态分析的机器人路径跟踪智能预测控制[J].机器人,2009,31(04):357-364.

[2]蔡自兴.智能控制及移动机器人研究进展[J].中南大学学报(自然科学版),2005,36(05):721-726.

[3]谢存禧,颜波,张铁等.磁悬浮伺服的机器人装配夹具及其智能控制[J].机器人,2001,23(05):442-446.

作者:王頔 单位:安阳工学院

第三篇:机器人领域中智能控制的应用

摘要:

智能控制理论是工业发展的必然产物,随着工业水平的不断发展,传统工程生产中人工主导已经成为过去时,机器人正在成为当前工业生产的重要组成部分。本文简述了智能控制的发展过程,并对传统控制理论存在的弊端进行了分析,同时对智能控制在机器人领域中的应用加以介绍。

关键词:

智能控制;机器人;现代控制

1智能控制的发展

智能控制是自动控制技术发展的高级产物,它集合了人工智能、系统控制、信息通信、神经物理学、计算机技术等多种学科,是当前科技领域一种新型的高级的学科。随着智能控制的不断发展,该技术所显现出来的优势已经得到了广泛认可。现阶段有关智能控制的定义尚未达成统一,IEEE控制系统协会归纳总结为:智能控制系统是一种高度集成的系统,它能够实现模拟人类学习和自适应等功能,能够完成控制者设定工作。从智能控制性质上来讲,它具有一定的学习与记忆能力,能够在一定程度上自我适应周围环境的变化;能够更为有效的处理多种信息和数据,最大限度的降低信息处理不确定性;能够自我选择更为有效和准确的处理方式,完成预定工作和生产内容,并达到要求目标。从总体上来看,智能控制共经历了四个发展阶段:萌芽、发展初期、迅速发展时期、新时期。

2传统控制理论的弊端

相较于一些发达国家而言,我国智能控制理论尚处于起步阶段。为了能够更好的适应当前工业发展的需求,我国政府在近些年也出台了一系列政策,围绕我国工业实际情况来支持智能控制的进步。现阶段,我国智能控制领域的研究主要集中在自动化理论、技术及应用几个方面,重点发展具有一定优势的技术,以优势带动劣势,尽可能的在较短时间内缩小与先进国家智能控制的差距。传统控制理论在工业生产中所存在的弊端主要有以下几个方面:

(1)传统控制理论基础是线性系统,对于工业生产中经常出现的复杂、非线性等变量无法得以可靠控制,也不便于构建数学模型来解决实际问题。

(2)传统控制理论更多是在理想条件下所得出的,而实际生产环境与之有着根本性的区别。

(3)基于传统控制理论研发的机器人无法自我获取有效的数学模型,进而在运行过程中的动作与实际存在着一定程度的偏差。传统控制理论在这些方面存在的弊端直接限制了工业水平的发展,因此深入研究现代控制理论,发展智能控制成为必然。智能控制理论可以采用Matlab来进行数学建模,结合一系列约束条件,将“人”的思想传递给模型进而实现可靠控制,完成预定目标。这种建模过程可以分为两大步骤:首先是模型的建立与形式化,能够真是反应实际情况的模型,通过人为思考来对实际工作环境与内容进行充分理解;其次是形式化模型的分析与操作,以便可靠控制整个生产流程。随着现代控制理论的不断发展,数学建模已经得到了非常广泛的应用,尤其是在人工智能与仿真的结合上,模型的概念已经根深蒂固。从某种意义上来说,智能控制就是人工智能与控制工程的深入结合。

3智能控制在机器人领域中的应用

传统工业生产线主要依靠人工操作,受控制技术的限制这种传统生产方式效率低下而且成本高,无法满足现代工业生产的要求。近些年来,随着计算机技术、通信技术、控制理论的不断发展,自动化程度已经成为评定一个国家工业化水平的标准,智能机器人正在逐步取代人工成为生产线上的主导。通过给机器人预先设定程序算法,控制其执行所指定的工作。

3.1机器人视觉伺服控制

从当前实际情况来看,智能控制已经是控制理论发展的高级阶段,将智能控制技术与机器人视觉伺服系统相结合是该领域的重要课题之一。研究人员Well将四点特征、傅里叶算子与几何矩阵作为机器人神经网络的输入参数,并在六自由度机器中中进行了全面定位实验。从实验结果来看,机器人能够进行全局图像分析,更好的去适应实际工业生产环境,提高整个工作过程中的定位精度。Sun采用Kohonen网络和BP网络来实现机器人视觉控制。Kohonen网络通过两个摄像机实时记录周围环境变化,并将这些信息转换为视觉信号来进行全局控制;BP网络则是通过安装在机器人手臂上的两个末端摄像机来采集视觉信号,实现机器人的局部控制。F.L.Lewis基于无源理论进行了FunctionalLinkNeuralNetwork网络研究,从机器人动力学的角度出发,深入谈老了该网络的自实行控制算法。这种算法能够从根本上逼近实际误差,进而避免机器人在工作中可能出现的控制震颤。国内唐润宏等研究人员在视觉伺服系统中加入了FCMAC控制算法,这种算法的主要特点就是能够对动态目标进行可靠跟踪,对静态目标进行准确定位。谢冬梅等研究人员采用BP神经网络来代替图像雅克比矩阵和机器人雅克比矩阵,进而简化机器人控制系统中的冗余变量,更好的实现机器人操作定位于跟踪效果。

3.2机器人运动规划控制

实际工业生产过程中需要多个不同功能的机器人相互协作,这就需要对机器人的运动进行规划设置。现阶段主要采用集中与分布相结合的方法来控制路径和速度分解。机器人运动规划系统分为上下两级,上级系统主要是用来对机器人运动路径进行集中规划,下级系统主要是对机器人运动路径进行分布控制。所谓集中规划,即是只为生产过程中所使用的每一个机器人制定相应的路径规则,规划其运动的起点位置和终点目标。但集中规划控制需要设定一个前提,即假定机器人运动路线上没有任何障碍。同时机器人运动规划控制还需要一套完整的交通规则,运动范围内要制定优先级策略,就是说不同功能机器人在运动过程中相遇哪一个优先通过,这种规则还可以协调和规划机器人的运动速度,避免相互之间形成干扰。

4结束语

机器人是当前自动控制领域的一个重要研究内容,工业控制中机器人的广泛应用极大地提高了工作效率和质量。智能控制理论的不断发展给机器人应用提供了更为广阔的想象空间,笔者在今后的工作中将继续致力于该领域的研究工作,以期能够获得更多更有价值的研究成果。

参考文献:

[1]林祥勇.智能控制在机器人中的应用[J].哈尔滨师范大学自然科学学报,2013(06):37-40.

[2]路浩,吕安松.焊接机器人及其在高速列车智能制造中的应用[J].焊接技术,2015(11):53-56.

[3]孙凤英,王珊珊.论智能控制在机器人领域应用研究[J].科技展望,2016(14):14.

作者:王敏 单位:天津中德应用技术大学

智能控制应用于机器人行业中(3篇)责任编辑:冯紫嫣    阅读:人次

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