仿生球形两栖机器人多机协同控制系统设计
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  应用科技  2017, Vol. 44 Issue (6): 66-71  DOI: 10.11991/yykj.201610007
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引用本文  

李一顺, 郭健, 李鑫, 等. 仿生球形两栖机器人多机协同控制系统设计[J]. 应用科技, 2017, 44(6), 66-71. DOI: 10.11991/yykj.201610007.
LI Yishun, GUO Jian, LI Xin, et al. Design of a multi-robot cooperative control system for bionic amphibious spherical robots[J]. Applied Science and Technology, 2017, 44(6), 66-71. DOI: 10.11991/yykj.201610007.

基金项目

国家自然科学基金面上项目(61375094);天津理工大学2016年度国家级“大学生创新创业训练计划”项目(201610060010)

通信作者

郭健,E-mail:jianguo@tjut.edu.cn

作者简介

李一顺(1995−),男,本科生;
郭健(1982−),男,副教授,博士

文章历史

收稿日期:2016-10-19
网络出版日期:2017-03-31
仿生球形两栖机器人多机协同控制系统设计
李一顺1, 郭健1, 李鑫1, 孙阔1, 程静1, 周思培1, 杨旭曦1, 郭书祥1,2    
1. 天津理工大学 天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室 医学机器人实验室,天津 300384;
2. 日本香川大学 工学部,香川 高松 761-0396
摘要:为了实现球形两栖机器人的多机协同控制系统,利用无线控制的方式,实现上位机对多台机器人的编队控制及远程控制,从而对球形两栖机器人进行组队完成作业规划并统一控制。通过对通信控制协议的编写,拟建立XBee通信模块与单片机之间的系统连接,并且XBee模块之间也可以进行通信,编写串口通信协议,通过上位机对多个球形两栖机器人进行一对多的多机协同控制。上位机采用图形化的编程软件LabVIEW给无线通信模块XBee的发射端发送控制信号,对下位机上装有XBee模块接收端的多机器人进行协同控制。实验证明,本文设计的多机协同控制系统能对多个机器人进行协同控制,实现不同机器人完成不同任务并协同工作的要求。
关键词多机协同控制系统    球形两栖机器人    远程无线控制    XBee通信    多机协同    LabVIEW    无线通信    通信协议    
Design of a multi-robot cooperative control system for bionic amphibious spherical robots
LI Yishun1, GUO Jian1, LI Xin1, SUN Kuo1, CHENG Jing1, ZHOU Sipei1, YANG Xuxi1, GUO Shuxiang1,2    
1. Tianjin Key Laboratory for Control Theory & Application in Complicated Systems and Biomedical Robot Laboratory, School of Electrical Engineering, Tianjin University of Technology, Tianjin 300384, China;
2. Faculty of Engineering, Kagawa University, Takamatsu 761-0396, Japan
Abstract: In order to realize a multi-robot cooperative control system for bionic amphibious robots, a wireless system can be used to realize formation control and remote control using the host computer for several robots by the way of wireless control. By writing communication control protocols, the system connection between the XBee communication module and single chip microcomputer can be built and communication can be carried out among the XBee modules, achieving the multi-robot cooperative control for several amphibious spherical robots. The host computer uses the graphical programming software LABVIEW to send the control signal to the transmitter of the wireless communication modules XBee, thus the cooperative control of multiple robots with the XBee module receiving terminal on the lower computer is carried out. Based on multi-robot cooperative communication control system, the task of multi-robot cooperative control can be realized. Finally, the developed system can be used to control several robots to achieve different tasks and the collaborative work.
Key words: multi-robot cooperative control system    amphibious spherical robot    remote wireless control    Xbee communication    multi-robot cooperation    LabVIEW    wireless communication    communication protocol    

近年来,随着人类不断地探索和开发丰富的海洋资源,作为海洋探索设备的水下机器人得到了迅猛的发展。水下机器人具有能够适应复杂的水下环境、活动范围大、使用方便等诸多优势,同时也可以用来实现收集样本、水下探测、海底打捞等多重功能。球形机器人也兼备这样的优点,新颖的结构增加了球形机器人的功能性,故水下球形机器人的发展与研究在海洋资源和军事领域拥有广阔的发展前景[1-2]

多机器人系统的研究是当前机器人技术的一个重要发展方向,是指若干个机器人通过合作与协调而完成某一任务的系统。国外在多机器人系统方面研究相当活跃,日本香川大学郭书祥教授的团队在水下机器人的研究上有原始性的创新和贡献[3-4]。国内在多机器人技术方面的研究处于基础理论和技术的研究阶段,但结构和推进方式的创新也同样推进了水下机器人的发展进度[5-6]。北京理工大学在两栖机器人目标识别方面取得了一定突破[7-9]。天津理工大学自动化学院医学机器人实验,也在球形两栖机器人研究方面取得了一定的突破性进展[10-12]

多机器人控制系统通过整合球形两栖机器人的优势,使多台机器人能够同时完成不同任务规划,增强了机器人完成任务的多样性,且控制方式采用图形化操作界面的LabVIEW控制方式。

基于我们的前期工作,设计了仿生球形两栖机器人多机协同控制系统。主要实现对多个球形两栖机器人进行多机协同控制,机器人在陆地上能够进行四足爬行运动,在水中通过喷水电机进行喷水推进的运动,并且可以通过上位机链接通信模块,对球形两栖多机器人进行远程协同控制。解决了机器人远程控制带缆线不方便的问题,实现上位机对多个机器人的协同控制,提高了机器人在各种环境下作业规划的效率。

1 多机协同控制系统的设计 1.1 系统简介

多机协同控制系统框图如图1所示。

该系统由主端部分和从端部分组成。在操作室中,操纵者通过编写协议,通过上位机软件LabVIEW给无线通信模块XBee的发射端发送控制信号(主端部分),对下位机上装有XBee模块接收端的多机器人(从端部分)进行协调控制。同时,也可以实现主机器人通过XBee通信模块对装有XBee通信模块的从机器人进行控制。基于设计的多机协同通信控制系统进行多机协同控制任务。

在多机协同控制系统中,最重要的部分是主端控制器和从端控制器。主端控制器的主要任务是获取并处理操作者发布的指令信息,并将控制信息通过XBee无线模块发射到从端。从端控制器的主要任务是通过XBee无线模块接收主端控制器发送的控制信息,调用相应的控制算法,从而做出相应回应,完成多种指令性任务。

图 1 多机协同控制系统框图
图 2 球形两栖机器人控制系统框图
1.2 球形两栖机器人控制系统设计

AVR Atmega2560作为机器人系统的核心控制器,通过输出8路PWM信号控制8个伺服舵机旋转角度和位置,同时利用2个L298N驱动器控制4个喷水推进器输出推力大小,进而可以综合地控制两栖机器人陆地和水下运动。整个球形两栖机器人控制系统框架如图2所示。

1.3 球形两栖机器人机械结构设计

球形两栖机器人的机械结构设计包括球形两栖机器人的球壳部分以及腿部关节部分。首先通过将舵机固定安装到一字型支架,以及将喷水推进器所带有的舵机固定安装到U型支架,并将一字型支架与U型支架固定安装好,安装完成的腿部关节如图3所示。

图 3 球形两栖机器人的腿部

新型球形两栖机器人的上球壳以及底板均是亚克力材质,其厚度都是3 mm,上半球壳(含向外阔出的2 cm圆环边)的直径为37 cm,下半球壳的直径则为38 cm。质量分别为250、290 g。球壳采用模具加工的方法制作完成。球形两栖机器人机械外壳如图4所示。

图 4 球形两栖机器人的机械结构
1.4 球形两栖机器人硬件结构设计

新型球形两栖机器人的硬件结构设计如图5所示。在本系统中AVR2560作为机器人的控制器,用于控制伺服防水舵机、直流电机和喷水电机来完成机器人在陆地与水中的运动。AVR2560控制XBee模块,来实现上位机对机器人的控制。XBee与AVR2560之间进行串口通信,当机器人的通信模块接收到控制信号之后,执行相应的程序,来满足不同动作需求。

图 5 机器人硬件设计

球形两栖机器人实物图如图6所示。球形两栖机器人由球壳、圆盘和4个驱动器及XBee通信模块组成。每个驱动器包括2个伺服电机和1个喷水电机。因此整个球形两栖机器人总共有8个伺服电机和4个喷水电机。

该机器人样机具有以下特点:

1) 球形两栖机器人采用完全对称的方式进行组装,这样既能保证球体重心在垂直轴上,同时也能便于对机器人进行控制。

2) 球形两栖机器人有良好的防水措施,采用3D打印技术打印防水壳严格密封。

3) 球形两栖机器人在陆地行走时,可以把机器人看作一个四足机器人,利用驱动器单元作为机器人的腿。球形两栖机器人进入水中后,通过调节给直流喷水电机,通过配合使用操作喷水推进器,调节球形两栖机器人的运动速度和改变水下运动方向。

图 6 机器人实物
2 多机协同控制方式设计

传统机器人远程控制采用一对一的控制方式,这种控制方式无法实现对多个机器人进行编队控制的要求,本项目拟设计的多机协同控制系统目的在于提升多机器人执行任务的能力以及满足多种环境的需求,该方案的提出有利于促进对复杂环境下机器人编队执行任务能力的提升。

为了满足对于机器人在复杂环境执行任务的需要,对机器人的任务执行进行多机分配,即每个单位机器人在接收到指令后,执行相应的动作,并且在接到控制信号后,将数据回传给主机器人以达到回环通信的效果。

2.1 多机协同控制系统的设计方案

设计基于XBee通信模块的多机器人协同控制系统,通过对Atmega2560芯片通信协议的编写,拟建立起XBee通信模块与单片机之间的系统联系,并且通过配置XBee通信模块的属性,令不同XBee通信模块之间也可以进行通信。

球形两栖多机器人协同控制系统的上位机控制软件采用的是虚拟仪器LabVIEW2014a软件。传统文本编程语言根据语句和指令的先后顺序决定程序执行顺序,而LabVIEW则采用数据流编程方式,程序框图中节点之间的数据流向决定了VI及函数的执行顺序。VI指虚拟仪器,是LabVIEW的程序模块。

搭载有LabVIEW的上位机,向主端无线通信模块发送控制命令,每台球形两栖子机器人可以通过搭载的从端无线通信模块接收到来自上位机控制模块的控制命令。

通过改变无线通信模块的控制方式,设置无线通信模块所属的网络工作模式,进而固定球形两栖子机器人在球形两栖机器人多机协调系统中的地位为路由器模式,上位机所连接的XBee模块配置为协调器模式球形两栖子机器人在接收到控制指令信号后,能够按照设定的爬行运动方式或转向运动方式有组织的运动。

通过上位机对多个球形两栖机器人进行多机协同控制,上位机采用图形化的编程软件LabVIEW给无线模块XBee的发射端发送控制信号,对下位机装有XBee模块接收端的多机器人进行协同控制。单个机器人的远程控制框图如图7所示。

图 7 上位机对单个机器人的远程控制概念
2.2 球形两栖机器人信息传递方式

球形机器人主控制器可通过采集模块采集信息从而发送预设指令,执行相应程序;其也可以在控制终端的控制下,通过通信模块获得控制终端发送的执行指令,进行相应动作,完成即时的“命令”。球形两栖机器人控制系统示意图如图8所示。

图 8 机器人控制系统示意
2.3 机器人步态爬行的设计

球形两栖机器人的每条腿都具有2个自由度,即水平方向和垂直方向,由2个伺服电机控制摆动方向和角度调整。球形两栖机器人的爬行步态如图9示,图中的纵坐标的1表示机器人腿处在摆动状态,而0表示机器人的腿处在支持相。机器人任一周期内都有3条腿处在支撑相,另外一条腿处在摆动相。机器人在爬行运动时,每次有3条腿处在支撑相,当机器人的重心位于机器人3条腿的区域内,此时机器人的稳定性最好。

图 9 机器人爬行步态图示
2.4 机器人水下运动设计

球形两栖机器人采用多矢量喷水推进系统。机器人进入水中后,陆地上的四足转变成喷水推进电机的4个喷水口,利用喷水推进电机的推动力,采用喷水推进的方式推进机器人进行运动。通过调节AVR单片机的PWM信号,可以实现对伺服电机旋转角度的调节,从而喷水推进器可以根据动作需要,自由调节位置。改变喷水推进器输入电压值,从而调节喷水推力,实现球形两栖机器人在水中的前进后退运动、正反转运动和上浮下潜运动。直流喷水电机喷水推力计算原理图如图10所示。通过测定直流电机的喷水推力,得到不同电压下喷水推力的大小,从而更好地在水下对机器人进行喷水驱动,建立机器人水下运动模型。

图 10 直流喷水电机喷水推力计算原理
3 实验和数据分析

进行了球形两栖机器人多机协同的控制实验,如图11所示。通过对通信控制协议的编写,实现了上位机对多个球形两栖机器人进行多机协同控制。通过上位机发送不同的指令,装有XBee的球形两栖机器人可按指令完成编队陆地四足爬行运动和水中的前进后退运动、正反转运动和上浮下潜运动。实验中测定并确立了机器人陆地和水中的最佳运动关系。

图 11 机器人多机协同控制示意

球形两栖机器人在陆地进行四足爬行运动,主要实现直线行走和转弯避障。通过对其在不同地形下进行实验测定,得到了机器人速度与频率之间的关系。机器人行走速度与频率之间关系如图12所示。通过测定,不同地形直线行走时机器人频率在0~3 Hz之间时,机器人速度随频率增大而增大。3 Hz后,机器人速度随频率的增加减小。为了使机器人高效运行,其频率大小最高不得超出3 Hz。

图 12 机器人大理石路质行走速度与频率之间的关系

编队的球形两栖机器人在水中可整体完成同一动作,也可以分别完成不同动作。其中机器人水中前进运动速度如图13所示,当喷水电机电压在0~7.4 V变化时,机器人直线速度随输入电压增大而增大。在占空比在30%~90%变化时,机器人速度变化近似直线。机器人的其他水中运动也是根据所测定的不同运动下速度与占空比的关系进行调节的。

图 13 机器人水中前进运动速度与占空比关系

同时对ZigBee通信和Bluetooth蓝牙通信及WiFi通信方式做了信噪比和误码率的仿真分析,通信仿真如图14所示。通过对比分析发现,在低信噪比条件下利用基于ZigBee通信协议的XBee模块进行通信,状况更加优越。选择利用基于ZigBee通信协议的XBee模块进行通信,克服了现有技术的不足,是一种结构简单清晰,操作方便的系统和控制方法。通过仿真分析,在多机器人协同控制系统中应用这种通信方式,系统性能会相对稳定,通信效率也有所提高,可以有效地实现仿生球形两栖机器人的协同控制。

图 14 多机器人通信仿真
4 结论

本文提出了一种仿生球形两栖机器人多机协同控制系统。

1) 编写通信控制协议,实现XBee通信模块与单片机之间的通信连接;

2) 设计了主从控制端,通过XBee通信模块实现球形两栖机器人的协同控制;

3) 用LabVIEW编写图形化界面的上位机,实现对多个球形两栖机器人进行一对多的多机协同控制。

最后实验证明了该舵机协同控制系统的有效性和可行性,验证了XBee模块进行通信的优越性。将来,该系统将用于海洋资源开发和军事侦察领域,具有广泛的应用价值和前景。

参考文献
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