ISSN 1002-4956 C N11-2034/T
E x p e rim e n ta l T e c h n o lo g y a n d M a n a g e m e n t
第38卷第4期2021年4月
V o l.38N o.4A p r. 2021
D O l:10.16791/j.c n k i.s j g.2021.04.022轮式巡检机器人实验教学平台设计 司垒，王忠宾，谭超，武子清
(中国矿业大学机电工程学院，江苏徐州221116)
摘要：针对“移动机器人控制与导航技术”课程的实验需求，设计丫一套轮式巡检机器人实验教学平台该实验平台涉及机械设计、运动仿真、路径规划、智能算法、P I D控制器等理论知识利川该实验平台开发丫轮式巡检机器人运动学仿真、全局路径规划、驱动轮速度控制、差速补偿同步控制等实验项D，实验结果验证了机器人硬件 系统、软件设计以及相关控制算法的可行性和冇效性通过该实验教学平台，可以敁著提升学生的创新实践能力。关键词：轮式巡检机器人；路径规划；运动控制；实验教学 中图分类号：T P242文献标识码：A文章编号：1002-4956(2021)04-0104-06
Design of experimental teaching platform for wheeled inspection robot
SI L e i,W A N G Z h o n g b i n，T A N C h a o,W U Z i q i n g
(S c h o o l o f M e c h a t r o n i c E n g i n e e r i n g, C h i n a U n i v e r s i t y o f M i n i n g a n d T e c h n o l o g y, X u z h o u 221116, C h i n a)
Abstract:A c c o r d i n g t o t h e e x p e r i m e n t a l r e q u i r e m e n t s o f t h e“M o b i l e r o b o t c o n t r o l a n d n a v i g a t i o n t e c h n o l o g y”
c o u r s e,a set o f e x p e r i m e n t a l t e a c h i n g p l a t f o r m f o r th e w h e e l e
d i n s p
e c t i o n r o b o t is d e s i g n e d.T h e e x p e r i m e n t a l
p l a t f o r m i n v o l v e s m e c h a n i c a l d e s i g n,m o t i o n s i m u l a t i o n,p a t h p l a n n i n g,s w a r m i n t e l ligence a l g o r i t h m,P I D
c o n t r o l l e r a n
d s o o n.B a s
e d o n t h e e x p e r i m e n t a l p l a t
f o r m, t h e e x p e r i m e n t a l p r o j e c t s s u c h a s k i n e m a t i c s s i m u l a t i o n,
3AS4-12g l o b a l p a t h p l a n n i n g, d r i v e w h e e l s p e e d c o n t r o l a n d differential c o m p e n s a t i o n s y n c h r o n o u s c o n t r o l a r c d e v e l o p e d.
T h e e x p e r i m e n t a l results v e r i f y t h e feasibility a n d e f f e c t i v e n e s s o f t h e r o b o t h a r d w a r e s y s t e m, s o f t w a r e d e s i g n a n d related c o n t r o l a l g o r i t h m s.T h r o u g h t h e e x p e r i m e n t a l t e a c h i n g p l a t f o r m,s t u d e n t s c a n s i g n ificantly i m p r o v e their i n n o v a t i o n a n d p r a c t i c e ability.
K e y w o r d s: w h e e l e d i n s p e c t i o n r o b o t; p a t h p l a n n i n g; m o t i o n co n trol; e x p e r i m e n t a l t e a c h i n g
“移动机器人控制与导航技术”是一门面向机器 人专业方向开设的创新实践类课程，该课程以(4动化 理
论为基础，将机械设计、可编程控制器、测试技术、工业自动化等课程的理论体系进行有效结合，可a著 提高学生对基础理论知识和T.程实际运用的结合能力，亟需一套能系统开展机械结构、嵌人式系统、控 制算法等软硬件设计验证的实验平台
轮式巡检机器人是一种面向特种行业的可代替人 工进行检查、作业的移动装置，一般具有路径规划、运动控制等功能，能够实现特殊场景的全线范围内、定时自动的移动巡检11q在目前的路径规划和运动控制算法中，常用智能算法如蝙蝠算法（b a t a l g o r i t h m, B A )、粒子算法和果蝇优化算法[4_71，以及P I D控制 器等来实现[8#]。为满足“移动机器人控制与导航技 术”课程教学需要，开发了轮式巡检机器人实验平台。该平台吋以开展轮式巡检机器人运动学仿真、全局路 径规划、驱动轮速度控制、差速补偿同步控制等相关 的系统性实验，有利于培养学生综合应用多学科理论 知识解决实际工程问题的能力。
1轮式巡检机器人基本结构
两轮移动机器人底盘布局主要采用两驱动轮同轴
收稿日期：2020-09-21
基金项目：H家级一流专收建设点（教高厅闲〔 2021]7号';1：苏高校品牌G业U!设T程资助项(1 (苏教高函〔 2020〕9号）；江苏高校 优势学科建设T-程项目（苏政办发〔2018〕87号）
作者简介：司垒（1987—），男.江苏徐州，博十，副教授研究力'向为矿山机电装备智能控制、I：业机器人，s U e i C〇〇l@163.c〇m
引文格式：司垒，王忠宾，谭超，等.轮式巡检机器人实验教学平台设计[J].实验技术与管理,2021,38(4): 104-109.
C i t e this article: SI L, W ANG Z B, TAN C, e t a l.
D e sig n of e x p e rim e n ta l te a c h in g p latfo rm fo r w h e e le d in sp e ctio n ro b o t[J].
E xp e rim e n ta l T ech n olo g y a n d M a n a g e m e n t, 2021,38(4): 104-109. (in C h in e se )
司垒.等：轮式巡检机器人实验教，'卜台设计105
式布局，并增加万向轮作为支撑轮保障移动机器人的 机器人硬件系统进行设计，将整个硬件系统分为3层: 稳定性。而根据驱动轮布置位置的不同又可分为驱动 远程操作系统、嵌入式控制系统、底层控制系统巡轮后置、驱动轮中置和驱动轮前置3种.如图1所示 检机器人硬件系统组成如图4所示：
万向轮
驱动轮 (3>驱动轮;r m
万向轮
驱动轮
万向轮 (b)驱动轮中置
图1移动底盘布局图
该实验装置选川图1(C)所示的前置两轮差速模型 底盘的布局方式，前置主动轮选用大直径驱动轮，后 置从动轮选用小直径无动力万向轮，主动轮直径大，
可以提高机器人越障能力，使机器人能够适应恶劣的
T.作环境：在上述机器人底盘上搭建机器人本体，其硬 件布置方案如m 2所示，研制的样机实物如图3所示
图2轮式巡检机器人基本组成
图3轮式巡检机器人样机
2轮式巡检机器人控制系统
2.1硬件系统架构
轮式巡检机器人硬件系统是实现环境感知、动态 决策与规划、行为控制与导航等功能的基础，基于机 器人操作系统（r o b o t o p e r a t i n g s y s t e m,R O S )对巡检
图4轮式巡检机器人硬件系统架构
该系统以嵌人式控制系统为核心，由搭载U b u n t u 和R O S系统的小型计算机作为主控制器，双目摄像头 提供罔像信息、激光雷达和I M U提供地图数据和巡检 机器人本体位姿数据，来实现巡检机器人感知、行为 规划及控制等功能；底层控制系统由D S P控制器、电机驱动、左右轮电机、电机编码器组成，D S P控制器 通过C A N总线与主控制器通信，主要功能是接受控 制指令和传递底层的定位信息，实现机器人的运动控 制；远程操作系统主要由工控机或个人P C组成，实 现对巡检机器人的远程操控和监测：
2.2软件系统设计
根据“移动机器人控制与导航技术”课程实验需 求，巡检机器人运动控制系统主要包括：可视化界面、地图构建和实时定位、路径规划、轨迹跟踪、驱动控 制、坐标转换、融合定位等模块：通过R0S系统接收 各传感器返冋的数据进行处理，根据环境信息和B标 位置规划机器人的行为，并将规划出的结果传递到底 层驱动模块来驱动机器人进行运动运动控制系统具体软件架构如图5所示
R O S Master
路径规划
S f•航路f i
轨迹跟踪
地阳数ffi
位姿
环境位置信息
S L A M顾。
地图构建
实时定位
导航
,
I I t,i.
|初始
1_状态
环境地
实时位S
可视化界面
导航目細
坐标转换
定位数据
融合定位速度指1
驱动控制
图5运动控制系统软件架
上海港区导航构
106实验技术与管理
(1 )可视化界面：R
O S
系统可安装功能强大的可
视化工具R v i z ，其通过阁形化的方式，实时显示机器 人传感器信息、机器人本体运动状态以及周围环境信 息，同时还可以在控制界面中对机器人进行控制。
(2 )地阁构建和实时定位：通过激光雷达实时对 外部环境进行扫描，采集数据，进行算法融合和处理, 构建出全局地图，进而实现机器人的实时定位。
(3 )路径规划：包括全局和局部路径规划。该模 块通过给定的S 标位置，根据定位导航模块提供的环 境地图信息和机器人本体位姿信息，通过全局路径规 划算法规划出一条从起点到终点的无碰撞路径；在运 行过程中如果遇到突然出现的障碍物，可通过局部路 径规划算法规划出新的路径，绕开障碍物后回到全局 规划路径上来:，
(4)轨迹跟踪：将规划出的路径作为参考轨迹， 根据定位信息和速度信息的反馈，通过轨迹跟踪算法 推算出下一时刻机器人的控制速度，并将控制速度传 递给驱动控制模块。
(5 >驱动控制：接收路径规划模块的轨迹参数和 速度控制命令，通过运动解算出两轮驱动速度，并将 驱动指令下发给执行设备。
(6 )坐标转换：该模块主要是实现机器人本体坐 标系和惯性坐标系之间的相互转换，将融合定位模块 得到的本体坐标系的定位数据转换成惯性坐标系下的 定位数据，并将数据传递给S
L A M
模块：
(7)融合定位：该模块采集驱动电机编码器数据 和惯性测M 单元的数据，通过数据融合得到机器人的 位姿信息，并将定位数据传递给坐标转换模块。
3实验项目开发
3.1轮式巡检机器人运动学仿真实验
在机器人T .作平面建立世界坐标系，并对其模型 进行简化.如图6所示(由两驱动轮所连轴线的中点
A /
在坐标系中的位置表示巡检机器人位置信息；前进
方向与A "轴正向夹角0表示机器人的姿态信息。则机
器人的位姿状态信息可由广义坐标向量/»=[jc ，_v , 0]T 来 描述，其中(U
)是M 点在惯性坐标系中的坐标，沒为
航向角机器人底盘后部的万向轮只起支撑作用，既 不影响运动方向也不产生影响运动的力，故在建模时 不考虑，根据物理学质点运动分析法可得移动机器人 运动学方程[1M2]:
X
C O S
00■「
p =
y
G
-
s i n 沒
1
V CO
式中：v 和《分别为机器人的线速度和角速度：则基 于运动学模型的移动机器人的控制输人为9=卜，刎\
在
M A T L A B
-S i m u l i n k 中建立差速驱动移动机器
人运动学仿真模型，对左右轮线速度相同、线速度不 同和线速度相反3种不同运动情况进行仿真实验，得 到机器人轨迹变化和航向角变化曲线，初始设定机器 人两驱动轮中心间距L =50 c m
，起始位姿为（0, 0,
45°)，两轮胎之间无偏角。
本实验要求学生熟悉M
A T L A
B 编程语言和
S i m u l i n k 中各模块的参数设置方法，n ]■以利用S i m u l i n k
建立机器人的运动学模型，并进行仿真分析。图7分 别是左右轮线速度相同、线速度不同和线速度相反3 种不同运动情况下机器人轨迹变化曲线。通过S i m u l i n k 仿真分析可知所建立的差速驱动移动机器人运动学模 型是正确的，能够较好地反映机器人运动过程中的运
图7不同情况下机器人的运动轨
迹
simota司牟，等：轮式巡检机器人实验教学平台设计107
动学特性，为后续的实验开发奠定理论甚础
3.2全局路径规划实验
全局路径规划的目的是为机器人提供一条从起点 到终点、且能够有效避开障碍物的最优运动路线，优 化算法选用B A机器人的路径规划需要满足3个条 件：①路径长度尽可能短；②路径避开障碍物，不与 障碍物发生碰撞；③路径转折点尽可能少，转折角度 要小，使路径较平滑。根据以上分析，选用路径
长短、与障碍物有无碰撞、转折点角度作为评价标准建立适 应度函数
本实验的Q的是让学生熟悉智能优化算法在路 径规划中的优越性及可行性，并能够根据实际应用案 例构建合理的适应度函数，掌握智能优化算法的基 本原理和实现步骤。适应度函数的构建过程如下。
(1 )蝙蝠种的数量w代表可行路径的条数，空 间维度D代表起点到目标点的连线条数：
__d i s t a n c e(p a t h), t、
D------------( 1 ) l o n g r〇b〇t
式中：d i s t a n c e(p a t h)表示起点到目标点的欧氏距离；l〇n g…b。，表示巡检机器人本体的长度。则规划的路径长 度可表示为：
L length 一•广+(乃+| ―乃广(2 )式中：表小•相邻维度蝙蝠个体解的距离之和；
.V, >表示蝙蝠个体第f个点的坐标。
(2 )为了防止规划出的路径与障碍物相交，在适 应度函数中引人惩罚项i punish，利用式（3 )判断（x,+l，乃+1 )与（知乃）形成的路径是否经过障碍物。
d h=
A ix h+
B i y h+
C i
V4+ 5,
(3 )式中：必，为路径到第A个障碍物的距离；)为第 //个障碍物的岡心坐标；A s,，c，为蝙蝠个体第/个点 与第/-I个点形成路径直线的系数。
若所求路径没有通过障碍物，则厂=〇，反之，K= 100〇
_\\00,d h<rh
K i%d h>rh
式中：O，为第A个圆形障碍物的半径。
由此构造适应度函数中惩罚项公式为:
L punish
D
/=1
(3)为了提高规划路径的平滑度，减少转折点，避免机器人在运行过程中转弯角度过大产生波动和冲 击，对每个节点处的偏转角度进行计算，并用来衡量 路径的平滑度：
Z■哪丨e = [180 -a r c c o s’’’卜丨(6 )式中：Aimgle表示路径偏转角度之和；A表不蝙蝠个体 第/个点和第/-I个点形成的向量；|/,I和|/,.+1 |分别是 两向量的模，即第/点相邻两线段的长度
综上所述，本文构造的适应度函数为：
Fitness(p a t h)= yiL,ength+y2I punish+f i L m gk
式中：./;、/2、/；分别代表路径长度、障碍物惩罚 项和路径平滑度函数中的加权系数，其取值均在0〜1，且/l"t/^+/3=l。
图8和9分别是路径规划算法的仿真分析结果和 实验结果。在仿真分析过程中，设置4个障碍物，起 点
（0,0 )，终点（700,400 )，设实验采用路径规划算法 可以有效避开障碍物而到达终点：在实验过程中，设 置了 3个箱体障碍物，通过激光雷达建立环境地图，利用B A生成无碰撞路径实验结果表明，本实验平 台所采用B A对机器人的路径规划效果良好，满足实 验平台对机器人性能要求
(a>初始位姿（b)路径规划
图9路径规划的实验结果
3.3驱动轮速度控制实验
本实验研发的机器人驱动轮由无刷直流伺服电机 驱动。在移动机器人运动控制系统中，大多是对驱动 轮的线速度进行控制，P I D控制器是最常用的控制器_机器人轮速p i d调节过程如m
1〇所示
108
实验技术与管理
期望速度
图10机器人驱动轮速度控制的P ID 框图
本实验主要让学生熟悉P
I D
控制算法的基本原
理，掌握P
I D
参数常用的整定方法和步骤，巩固白动
控制原理理论知识。
在移动机器人运动控制中，利用P
W M
对电机进
行调速，为了保证电机转速的平稳，多采用P
I D
控制
器对P
W M
电子涡轮增压器波形中的占空比进行调节，机器人驱动轮
的期望速度作为给定值，通过电机编码器测量得到驱 动轮实际速度，反馈到P I D
控制器中进行调节，输出
新的P
W M
占空比使其与预定转速更加接近。在
P I D
控制器中，ZCp 、/C ,、心3个参数对其控制效果有重要 的影响，本实验采用Z -N 参数整定法:
图11是轮速的P 1D 控制器响应曲线：在轮速控 制实验过程中，设定速度为5 c m /s ，从图中可以直观 地看出，P
I D
控制器控制的响应速度较快、超调量较
小、稳定性较好：通过整理0〜〇.〇5s 时间段的实验数 据，可以得到P I D
控制器的超调量为13.87%，响应时
间0.002 s ，最大跟踪误差0.068 m
m
，平均跟踪误差
0.042 m m
，实验结果表明采用P
I D
算法控制机器人驱
动轮速度的效果良好，满足实验平台对机器人的性能
要求。
3.4差速补偿同步控制实验
差速驱动的移动机器人采用双电机共同驱动，通 过运动解算模块将机器人整体的期望速度和角速度解 算为左右两轮独立的期望速度，再通过各自的P 1D 控 制器进行控制调节。为了提高移动机器人运动过程中 两驱动电机的N 步性，本实验采用基于灰预测算法 的自适应差速补偿同步控制方法，其控制原理如图12 所示D
图12机器人差速补偿同步控制的原理框图
本实验主要让学生熟悉双电机同步控制的基本思 想，掌握利用灰预测算法实现自适应差速补偿的基 本原理，通过仿真和实验，进一步提高学生的编程能 力和机器人调试能力
白适应差速补偿同步控制结构利用参考模型的思 想，以左轮电机作为参考，将左轮电机的期望速度W
山地单轨运输车与右轮电机的期望速度作相比较得到差速驱动理想 同步偏差e =v L -v R .同时将左轮电机的实际输出速度
v u
与右轮电机实际输出速度v RI做比较得到差速驱动
实际同步偏差ei =v u -v R 丨再将理想同步偏差与实际同 步偏差相比较得到同步误差将同步误差
A e
作为灰预测算法的输入，利用算法预测同步误差A e 的变化趋势，并将得到的预测值补偿给右轮电机，与 右轮电机期望速度及实际输出速度的差值相结合作为 右轮电机P
I D
控制器的输人，通过P
I D
控制器自适应
地调节右轮电机的速度提高右轮电机的动态响应和稳 态精度，使左轮电机和右轮电机的实际输出偏差€，减 小，从I f l 丨使同步误差A e
减小，提高两驱动电机的同 步控制效果。
在
M A T L A B -S i m u l i n k
建立巡检机器人两驱动电
机自适应差速补偿同步控制结构仿真模型，左右轮电 机输入相同幅值的阶跃信号，设置幅值为5，同样设
置左轮电机的响应延迟为〇.〇〇〇 2 s ，右轮电机响应延 迟为0.000 3 s ，仿真得到自适应差速补偿同步控制结 构下左右轮电机的系统阶跃响应曲线，如图13(a )所 示。另外，在左右轮电机输人幅值不同的阶跃信号， 左轮电机设置输人幅值为5，右轮电机设置输入幅值 为3，左右轮的响应延迟设置同上，仿真得到的系统 阶跃响应曲线，如图13(b )所示，系统阶跃信号响应动 态特性如表I
偶极子天线所示:
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