STM32'ye Dayalı Robot Otonom Hareket Kontrol Sisteminin Tasarımı
Shen Youjian, Huang Xiaopeng, Xiao Jiandong, Chen Xuanzhi
(Elektrik ve Otomasyon Mühendisliği Okulu, Shandong Bilim ve Teknoloji Üniversitesi, Qingdao, Shandong 266590)
Arabaya benzeyen robotların otonom hareketi sorununa yönelik olarak, önce holonomik olmayan kısıtlama sistemi altında arabaya benzeyen robotun düşük hızlı hareket sürecinin kinematik modeli ve dinamik modeli oluşturulmuş ve durum analizi için temel araba benzeri mobil robot araştırmasına uygun bir bisiklet modeli seçilmiştir; Yeni mimaride STM32, robot otonom hareket kontrol sisteminin çekirdeği olarak kullanılmış, kontrol sistemi blok şeması verilmiş, donanım tasarımı tamamlanmış, aynı anda ortam konumlandırma ve haritalama tamamlanmış, dinamik Bayes ağı oluşturulmuş ve araba benzeri robotun otonom hareketinin işlevi nihayet gerçekleştirilmiştir. .
Otonom hareket; kinematik modeli; STM32 kontrol sistemi; SLAM
Almanya tarafından 2013 yılında önerilen "Endüstri 4.0" dan başlayarak, robotların akıllı hale getirilmesi gittikçe daha hızlı hale gelecektir. "İnsan-makine işbirliği ve insanlarla entegrasyon", robotik endüstrisinde çözülmesi gereken sonraki problemlerdir. Mevcut endüstriyel robotlar veya profesyoneller Servis robotlarının mobil yetenekleri mükemmel değil, çalışma modu yeterince esnek değil ve özerklik derecesi yüksek değil.
Yukarıdaki yeni durumlara ve robotik alanında karşılaşılan yeni sorunlara dayanarak, bu makale STM32 tabanlı robotik otonom mobil teknolojisi üzerine yapılan araştırmayı kısaca tartışmaktadır. Bu makalenin araştırma amacı, arabaya benzer bir mobil robottur. Kısaca aşağıda görülen robotlar ve mobil robotlar, arabaya benzeyen mobil robota atıfta bulunur ve aksi belirtilmeyecektir.
Araba benzeri bir mobil robotun otonom hareketi, insansız operasyon altında rastgele bir ortamda belirli bir olayı veya bir dizi eylemi tamamlamak için robotun kendi kontrol sistemi aracılığıyla çeşitli veri ve bilgilerin işlenmesi ve çevre algılama teknolojisinin uygulanması anlamına gelir. Otonom karar verme ve robotların bağımsız olarak yürütülmesini sağlamak için gereksinim, çeşitli rastgele engellerden ve potansiyel risklerden kaçınabilmektir [1]. Şu anda, araba benzeri robotların otonom hareketi için temel işlevsel gereksinimler şunlardır: (1) Bilinmeyen bir ortamda kendi konumlandırmasını gerçekleştirin ve ortam algısı ve haritalama gerçekleştirin; (2) Bilinmeyen bir ortamda genel planlama ve davranışla ilgili karar verme; (3) Taşıma Evrim kabiliyetini öğrenen robot mobil kontrol sisteminin tasarımı; (4) Robotlar arasında ağ oluşturma ve işbirliğinin gerçekleştirilmesi; (5) Nihai hedef, "insan-makine işbirliği ve insanlarla entegrasyon" sağlamaktır.
Bu makalede tartışılan robot otonom hareket teknolojisi üç bölüme ayrılmıştır: (1) robotun düşük hızlı otonom hareketinin matematiksel modelinin oluşturulması; (2) STM32'ye dayalı kontrol sisteminin tasarımı; (3) SLAM modeli ve robotun otonom hareketinin ilkesi.
1 Hareket sırasında robot modelleme
Holonomik olmayan kısıtlamalar koşulunda, düşük hızlı hareket kinematiği modeli ve dinamik model dahil olmak üzere araba benzeri mobil robotun düşük hızlı otonom hareket matematiksel modeli oluşturulmuş ve otonom mobil robotun modellenmesini basitleştirmek için bisiklet modeli tanıtılmıştır.
1.1 Holonomik olmayan kısıtlamalar ve tam kısıtlamalar
Holonomik kısıtlamalar ve holonomik olmayan kısıtlamalar, sistem kısıtlamalarının tüm içeriğidir. Holonomic Constraint, sistemin konumunu belirleyen koordinatın türevini içermeyen veya koordinatın türevini içermesine rağmen, dinamik denklemi kullanmadan koordinat türevi olmadan doğrudan bir kısıta entegre edilebilen sistem kısıt denklemini ifade eder; Holonomik Kısıtlama (Holonomik Olmayan Kısıtlama), sistemin konumunu belirleyen koordinatların türevini içeren ve dinamik denklem kullanılmadan koordinat türevi olmadan doğrudan kısıtlamaya entegre edilemeyen sistem kısıtlama denklemini ifade eder. Holonomik olmayan kısıtlamalar, hareket kısıtlamalarını ve dinamik kısıtlamaları içerir. İki tür [2]. Araç benzeri mobil robotlar, holonomik olmayan sistemler olarak adlandırılan, holonomik olmayan kısıtlamalara tabi olan tipik sistemlerdir.
1.2 Mobil robotun matematiksel modeli
Mobil robotlar için, hareket özelliklerini analiz etmek, düzenlemek ve optimize etmek için makul ölçüde basitleştirilmiş ve soyut bir matematiksel modelin oluşturulması gerekir. Bu makale, araba benzeri mobil robotlar üzerinde modelleme analizi ve araştırma yapmak için kinematik ve dinamik modelleri kullanır.Bu model aracılığıyla, araba benzeri mobil robotların zaman ve uzaydaki hareket yasasını inceliyor ve kontrol sistemini tasarlıyoruz.
Mevcut mobil robotların istatistiksel araştırmasına göre, çoğu mobil robotun hızı 30 km / saatin altındadır ve robot, dönme işlemi sırasında yavaşlayacaktır.Bu düşük hızlı tornalama işleminde, yanal ivme çok yüksek olacaktır. Bu nedenle, mobil robotun tekerleklerinin zemine göre holonomik olmayan kısıtlamaları karşıladığı düşünülmektedir. Şekil 1'de gösterildiği gibi, arabaya benzeyen mobil robotun anlık yönlendirme merkezi her zaman robotun arka ekseninin yanal uzatma çizgisi üzerindedir, yani arka eksendeki her noktanın hız yönü her zaman arka eksene ve tüm arka eksene ve arkaya diktir. Tekerleğin enine eksen yönündeki hızı, arabaya benzer mobil robotun holonomik olmayan kısıtlaması olan sıfırdır. Yani, robotun arka ekseninin her noktasındaki hız aşağıdaki gereksinimleri karşılamalıdır:
Bunlar arasında xc ve yc, robotun arka eksenindeki noktaların koordinatlarını temsil eder. Bu durumda, robotun kütle merkezi için kinematik denklemlerini aşağıdaki gibi yazın:
Bunlar arasında, genel kütle merkezi hızıdır; L ön eksenden arka eksene olan mesafedir; , robotun kütle merkezinin yan kayma açısıdır; robotun sapma açısıdır. Araba benzeri mobil robot, holonomik olmayan kısıtlamalara tabi olduğundan, bu kısıtlamalar için karşılık gelen genelleştirilmiş koordinatlar kullanılmalıdır.Bu nedenle, Şekil 1'de, x ve y, genelleştirilmiş koordinat sistemindeki robotun her bir parçasının parçacık sisteminin kütle dağılımının ortalama konumlarıdır. Koordinatlar; R, robotun anlık dönüş yarıçapıdır; S, arka aksın uzunluğudur; p ve q, sırasıyla robotun kütle merkezinden ön ve arka akslara olan mesafeleridir; l, r ve respectively, sırasıyla, robotun sol ön tekerleği, sağ ön tekerleği ve ön ekseninin merkezidir. [3] noktasının karşılık gelen direksiyon açısı.
Araba benzeri robotların planlama ve kontrol problemleri üzerine araştırmalara daha uygun bir matematiksel model elde etmek için, araba benzeri mobil robotların düşük hızlarda kinematik modelinin formu olabildiğince basitleştirilmelidir.Bu nedenle modelin, düşük hızlarda sürerken robotun sadece ana hareketini yansıtması gerekmektedir. Bu nedenle karakteristiktir, tekerleğin yanal hareketi, tekerleğin yere göre holonomik olmayan kısıtlamayı karşılamasını sağlarken göz ardı edilebilir.
Yukarıdaki kinematik model mobil robotun hareketini yansıtabilse de, holonomik olmayan kısıtlamaların koşullarını karşılamak için tekerleğin yan kayma açısının bilinmesi de gereklidir.Bu nedenle, mobil robotun tam matematiksel tanımını tamamlamak için tek başına kinematik modeli yeterli değildir. Dinamik modeller bilgisi tanıtılır. Dinamik bir model oluşturarak, mobil robotun tekerleklerindeki yanal kuvvet hesaplanabilir ve önceki kinematik modelini daha da tamamlayan tekerlek kayma açısının spesifik verileri elde edilebilir. Araştırma probleminin kapsamına ve gerçek duruma göre, mobil robotu daha iyi modellemek için iki model birleştirilebilir ve uygulanabilir.
Bu makalede bahsedilen mobil robotun dinamikleri, hareket kararlılığının iki ana alanına ve robot kontrol sisteminin gerçek kontrol etkisine atıfta bulunmaktadır. Bu bölümün içeriği, robot kontrol sisteminin gerçek kontrol etkisinin bir parçasıdır.
Şu anda, basit düşük serbestlik dereceli modellerden karmaşık 18 serbestlik dereceli modellere kadar çok çeşitli kullanım kararlılığı modelleri bulunmaktadır. Oldukça karmaşık bir dinamik modelin avantajı, mobil robotların doğrusal olmayan özelliklerini ve dinamik yanıt özelliklerini yansıtmasıdır, ancak aynı zamanda, yüksek serbestlik dereceli model daha fazla optik olmayan değişken içerir ve optimizasyon hızı daha yavaştır; basit düşük serbestlik dereceli model daha az içerir Optimizasyon hızı daha hızlıdır. Teorik araştırmayı gerçek koşullarla birleştiren bisiklet modeli, Şekil 2'de gösterildiği gibi ideal bir dinamik model olarak belirlenir.
Şekil 2'de, x ve y, sırasıyla mobil robotun kütle merkezinin uzunlamasına ve yanal hızıdır; , aracın kütle merkezinin sapma açısıdır; · robotun aracın boylamasına eksenine göre sapma hızıdır; ön tekerlek açısıdır; a, b Ön ve arka tekerleklerin lastik yan kayma açılarıdır; Fxa ve Fxb sırasıyla ön ve arka tekerleklerin boylamasına kuvvetleridir; Fya ve Fyb sırasıyla ön ve arka tekerleklerin yanal kuvvetleridir; p ve q sırasıyla hareketli robotun ağırlık merkezleridir. Ön ve arka akslara olan uzaklık; R, mobil robotun kütle merkezindeki anlık dönüş yarıçapıdır.
Bisiklet modeli, araba benzeri mobil robotun basitleştirilmiş bir modellemesidir.Araba benzeri robotun yapısal özelliklerine göre, tekerleklerin eksenel yönünde bu modelin ön tekerlekleri, mobil robotun tüm ön tekerleklerini değiştirmek için kullanılır ve bu modelin arka tekerlekleri mobil yerine kullanılır. Robotun tüm arka tekerlekleri, model yapısı basit olmasına rağmen, araba benzeri mobil robotun uzunlamasına, yanal ve yalpalama hareket özelliklerini hala net bir şekilde yansıtabilir ve bu, temel araba benzeri mobil robotun dinamik araştırması için çok uygundur. Bisiklet modelinin dinamik denklemleri formül (3) [3] 'te gösterilmiştir:
Bunlar arasında m, yarım araç kütlesidir: Jz, robot otonom olarak hareket ettiğinde z ekseni etrafındaki eylemsizlik momentidir ve diğer değişkenler Şekil 2'deki ile aynıdır.
2 STM 32'ye dayalı hareket kontrol sistemi tasarımı
Gömülü kontrol cihazları, basit yapı, kolay kontrol ve nispeten düşük maliyetli avantajlara sahiptir ve giderek daha popüler hale gelmektedir; ARM açık kaynaklı bir ortamdır ve referans için kullanılabilecek çok sayıda araştırma teknolojisi vardır; STM32 mikrodenetleyicileri yüksek maliyet performansına, iyi performansa ve düşük maliyete sahiptir. , Veri işleme ve kontrol ünitesi olarak çok uygun olan düşük güç tüketimi özellikleri ve zengin çok işlevli motor kontrol arayüzü, çeşitli sürücü motorlarının doğru kontrolünü kolaylaştırır. Bu nedenle, kontrol sistemini tasarlamak için kontrol sisteminin çekirdeği olarak STM32 tek çipli mikro bilgisayarı seçin.
2.1 Kontrol sisteminin temel bileşimi
Araba benzeri bir robotun otonom hareket kontrol sistemi iki bölümden oluşur: (1) robotun hareket kontrol işlevini tamamlamak; (2) otonom çevre algısını gerçekleştirmek. Anahtar teknolojiler arasında hareket kontrol teknolojisi, sensör teknolojisi, robot vizyon teknolojisi, çoklu sensör bilgi füzyon teknolojisi, kablosuz ağ iletişim teknolojisi ve sensörleri, kontrolü ve iletişimi entegre eden sistem entegrasyon teknolojisi yer alıyor. Şekil 3, bir robot otonom hareket kontrol sisteminin bir blok diyagramıdır.
Robot otonom hareket kontrol sisteminin tipik bir donanım bileşimi Şekil 4'te gösterilmektedir. Genel yapı, endüstriyel bilgisayarı içeren üst bilgisayarı ve kontrol çekirdeği olarak STM32 yongalı alt sistemi içerir. Üstteki bilgisayar, kodlayıcıdan alt bilgisayara sürekli olarak talimatlar ve geri bildirim sinyalleri gönderir. Alttaki bilgisayar bunu, mobil robotun belirli eylemlerini kontrol etmek için kullanır. Aynı zamanda, robotun vektör hızı ve çeşitli olanlar da dahil olmak üzere, robotun durum bilgilerini ve sensör verilerini üst bilgisayara geri besler. Sensör bilgileri, video bilgileri vb. Üst bilgisayar, bu makalede ayrıntılı olarak açıklanmayan, güçlü işleme kapasitesine sahip endüstriyel bir bilgisayar kullanır.
2.2 Kontrol sisteminin mimarisi
Mimari, kasıtlı, reaktif ve hibrit dahil olmak üzere robotun fiziksel çerçevesi ve akıllı kontrol sisteminin taşıyıcısıdır [4]. Kasıtlı mimarinin güçlü genel kontrol yetenekleri vardır, ancak tepkiselliği zayıftır; reaktif mimarinin dezavantajı, küresel görevler için zayıf yönetim yeteneklerine sahip olmasıdır ve avantajı, sağlamlığı / dönüşüme karşı direnci (Sağlamlık) ve dinamik yanıttır. Yetenek nispeten güçlüdür; hibrit mimari, yukarıdaki iki yapının özelliklerini birleştirir, yalnızca robotun yüksek dinamik yanıt yeteneğine sahip olmakla kalmaz, aynı zamanda özellikle belirsiz bir ortamda robotun otonom hareketi için uygun olan güçlü bir sistem planlama yeteneğine sahiptir.
Robot otonom hareketi, karar verme görevlerinin çeşitli belirsiz ortamlarda tamamlanabilmesini sağlamak için güçlü görev yönetimi yetenekleri ve dinamik ortam yanıt yetenekleri gerektirir. Robotun fonksiyonel gereksinimlerine yanıt olarak, basit yapı, iyi sağlamlık / dönüşüme direnç ve güçlü genişleme kabiliyeti amacına ulaşmak için robotun kontrol sisteminin hibrit bir sistem çerçevesinde tasarlanması belirlenir. Robotun kontrol sistemi mimarisi Şekil 5'de gösterilmektedir [5].
STM32 kontrol sisteminin işlevi, insan-bilgisayar etkileşimi ve uzak sunucu etkileşiminin gerçekleştirilmesinden sorumlu olan görev planlama modülünün en yüksek seviyeye sahip olduğu kasıtlı katmana aittir. Sensör yönetim modülü, sensörün normal çalışmasını sağlamak için sensör verilerini izler. Sıra üreteci ve yürütme izleme modülü, geçiş katmanı olarak kullanılır ve bunların rolü, görevleri ayrıştırmak ve uygulayıcının yürütülmesini denetlemektir. Davranış kontrol modülü, davranış katmanının işlevini tamamlar. Robot algılama modülü temel olarak, doğrudan davranış kitaplığına iletilen veriler ve çevresel haritalama için STM32 kontrol sistemine iletilen bilgiler dahil olmak üzere çeşitli sensör verilerini toplar ve işler. Aktüatör, işin tamamlanmasından sorumludur. Robotun kontrol sistemi yapısı, kasıtlı işleme süreci ile robotun genel yanıt kabiliyetindeki sınırlamayı azaltmak için bir bütün olarak çok parçacıklı bir yazılım çalışma modunu benimser.
3 SLAM modeli ve otonom mobil robot prensibi
Çevresel konumlandırma ve haritalama, otonom robot mobil teknolojisinin gerçekleştirilmesinin anahtarı olarak kabul edilebilir. Mobil robotların Eşzamanlı Yerelleştirme ve Haritalama (SLAM) problemi şu şekilde tanımlanabilir: Robot bilinmeyen bir ortamda hareket etmeye başladığında, başlangıç konumu bilinmez ve hareket ederken konumunu ve harita bilgilerini sürekli olarak tahmin edebilir. Kendi kendine konumlandırmayı gerçekleştirin, aynı anda kendi kendine konumlandırma temelinde artımlı haritalar oluşturun, robotların otonom konumlandırmasını ve gezinmesini gerçekleştirin, konumlandırma ve haritalama aynı anda gerçekleştirilir ve birbirini tamamlar.
Şekil 6: SLAM teori sisteminin genişletilmiş görünümü Mobil robot SLAM problemi iki yön içerir: biri robotun hareketi sırasında robotun konumlandırılması ve durum kontrolü, diğeri ise robotun bulunduğu ortamın bilgi koleksiyonudur. Robot bilinmeyen bir ortamda hareket ettiğinde, sistemde yapılandırılan çeşitli sensörler ve barikatların algılanması, yol işaretlerinin algılanması, çevresel görüntü bilgilerinin toplanması ve kendini konumlandırmayı içeren monte edilmiş kamera ekipmanı aracılığıyla ortamını sürekli olarak algılar. Mobil robot SLAM'ın sistem çalışma süreci Şekil 7'de gösterilmektedir.
Bu tür bir araba mobil robotu, belirli bir aralıktaki küresel bir algılama türüdür. Şekilde, R, robotun algılama yarıçapıdır; Xt, t anında mobil robotun poz durum vektörüdür; wt, t anında yol işareti ve robot tarafından oluşturulan gözlem vektörüdür; sj, j'inci yol işaretinin konum durum vektörüdür; ut, t'den gelir Robot kontrol sisteminin giriş vektörü -1 zamanından t zamanına kadar.
Açıktır ki, hareket sürecinin sürekliliğine göre, sistemin mevcut durumu önceki sistem durumu, gözlem bilgisi ve girdisi ile ilgilidir, yani:
Sistemin durumunun gözlemlenebilirliğine benzer bir şekilde, robotun mevcut hareket durumunun herhangi bir hareket değişikliğine uğrayan önceki tüm durum değişkenlerinin toplamı olduğu varsayılarak, sistemin mevcut hareket durumunun dağılım olasılığı şu şekilde elde edilebilir [6]:
Sistem durumu dağılım formülünden gözlem bilgisi elde etmek için göreceli formül şudur:
Formül (4) ve formül (5) birlikte mobil robotun ve çevrenin dinamik Bayes ağını (DBN) oluşturur. Bu ağ, farklı değişkenleri bitişik zaman adımlarıyla birbirine bağlayacaktır.Ayrıca, büyük veri madenciliği teknolojisi, robotların otonom hareketi sırasında büyük miktarda karakteristik veriyi çıkarmak için uygulanabilir ve bu da araba benzeri robotların otonom hareketlilik teknolojisinin araştırılması için bir temel sağlar. Araba benzeri mobil robotun küresel genel planlama performansına sahip olmasını sağlayın.
4. Sonuç
Bu kontrol sistemi, otonom mobil robotun kontrol çipi olarak STM32'yi kullanır.Tasarım ve uygulama sürecinde, robotun mekanik yapı tasarımı, enerji santrali ekipmanları ve yol planlaması için referans verileri sağlamak üzere kinematik ve dinamik modeller eklenir; SLAM entegre edilmiştir Teknoloji, başlangıçta robotların otonom hareketini gerçekleştirdi. Gelecekte, otonom hareket temelinde, mobil robotları daha otonom, daha akıllı ve hatta daha iyi hizmet vermeleri için daha duygusal hale getirmek için sensör teknolojisi, elektronik teknolojisi, bilgisayar teknolojisi, kontrol teknolojisi ve yapay zeka teknolojisi gibi çok disiplinli teknolojiler eklenecektir. İnsanlar için.
Referanslar
[1] Shen Lincheng, Xu Xin, Zhu Huayong, ve diğerleri. Mobil robotlar için otonom kontrol teknolojisinin teorisi ve teknolojisi M. Beijing: Science Press, 2011.
2 Huang Yonghua, Liao Qizheng, Wei Shimin, ve diğerleri Önden çekişli bisiklet robotunun holonomik olmayan kısıtlamaları J. Journal of Central South University (Natural Science Edition), 2011, 42 (Ek 1): 512-518.
[3] Shen Lincheng, Xu Xin, Zhu Huayong, ve diğerleri Mobil robotlar için otonom kontrol teknolojisinin teorisi ve teknolojisi M. Beijing: Science Press, 2011.
4 Qin Zhibin, Qian Hui, Zhu Miaoliang Otonom mobil robot hibrit mimarisinin bir Çok ajanlı gerçekleştirme yöntemi J. Robot, 2006, 28 (5): 479-481.
5 Song Yongduan, Li Danyong, Cai Wenchuan. Mobil robotların otonom teknolojisi M Beijing. Beijing: Mechanical Industry Press, 2012.
[6] Chen Baifan Dinamik bir ortamda mobil robotların eşzamanlı konumlandırılması ve haritalanması üzerine araştırma D Changsha: Central South University, 2009.
