一种蛇形机器人闭环控制系统设计

一种蛇形机器人闭环控制系统设计
徐 敏1     邹 莹2
（1 厦门理工学院电子与电气工程系  厦门 361024）
（2北京航空航天大学机器人研究所 北京 100191）

摘  要：针对SolidSnake2蛇形机器人开环控制结构，运动和控制精度不能得到有效保证等问题，提出了一种对底层数据采样的闭环控制结构，分别从蛇形机器人的机械结构、电路硬件结构、舵机控制与反馈信号的采集、单点对多点的广播式多机通信等方面进行分析与设计，经过硬件平台的搭建和软件程序的实现，验证了这种闭环控制结构的可行性，实现了SS-2的闭环控制及局部自主控制，提高了运动和控制精度，这对多机协调的控制应用也具有一定指导意义。
关键词：闭环控制；通信协议；单片机；蛇形机器人
中图分类号：TP242　　　文献标识码：B

1. 引言
基于仿生学理论的先进机器人技术在非结构环境以及极限环境下的应用已成为智能机器人技术研究和发展的重点之一。国内外专家对自然界蛇的结构和运动进行了长时间的观察和研究，发现蛇类的冗余度结构有着独特的灵活性，基于这种结构的蛇类的各种无肢运动形式表现出了相当的地形适应性，具有反馈、感知和自主能力的蛇形机器人，为代替人类很多危险而且复杂的工作提供了新的思路和方法，而同样环境下的车型机器人则可能被卡死或者绊倒；另外，具有传感装置紧贴地面的运动令蛇形机器人具有优于其他类型战场机器人的隐身性能，使得蛇形机器人的战场生存能力大为提高，如果配上多种传感器，蛇形机器人将可以很出色的执行隐蔽的战场侦察任务[1]。
由于蛇形机器人有其独特的的优势和作用，世界各国都抓紧开展蛇形机器人方面的研究，并取得了很多突出的成果。国内如国防科技大学、北京航空航天大学、中科院沈阳自动化研究所等也开展了蛇形机器人的研究, 在控制方式上有采用集中式控制和分布式控制的，但在运动控制和局部自主方面仍有待提高[2]。基于这种情况，闭环控制的研究对于实现蛇形机器人运动控制和局部自主就显得格外重要。如图1所示，由北京航空航天大学机器人研究所开发的SolidSnake系列蛇形机器人，其第二代SS-2蛇形机器人具有三维的运动结构，从动轮运动，典型机具有8单元体16关节灵活运动，驱动部件为舵机，使用主从分布式开环控制，广播式多机通信结构，可以实现蜿蜒游动，蠕动的前进、后退、侧滚、转弯、抬头等等动作，但由于其仍使用开环控制，运动控制不具有反馈，大多数控制数据依赖于上下位机单向通信方式，因此在实际使用中复杂地形环境下难以保证运动的精度。针对这个问题，本文将在该平台的闭环控制与反馈通信上进行一些探索，以实现其闭环控制和局部自主控制，提高运动和控制精度。

2. 蛇形机器人的控制结构
蛇形机器人不同于其他类型机器人的最大特点就是具有多个关节和多个连接的复杂运动，因此它在针对多个关节的协调控制上是一个难点。SS-2蛇形机器人的主要结构包括机械结构、电路结构，以及对它的驱动部件──舵机的控制。
2.1 蛇形机器人的机械结构