RoboCup救援机器人研究——遥控机器人本地控制系统设计与实现

摘要

RoboCup救援机器人比赛是一个研究和测试机器人灾后救援关键技术的国际性平台,受复杂的救援作业环境以及当前机器人技术限制,要让机器人全自主完成搜救工作还不现实,目前主要采用遥控方式进行搜救。
　　 本文研究救援机器人总体需求,设计并实现机器人本地控制系统整体构架、机器人直流伺服电机控制器,实现机器人与操作站之间的无线通信,并对机器人运动控制进行一定的研究。
　　 论文首先介绍救援机器人相关技术发展现状、应用环境及RoboCup救援机器人比赛规则要求,在分析遥控救援机器人本地控制系统功能需求的基础上,结合用于灾后复杂地形环境下救援机器人机构多关节化带来的对控制系统应具有良好扩展性的特别需求,采用分布式控制思想设计基于CANopen协议的控制系统总体结构,主控单元软件运行平台采用基于Linux／Xenomai双内核操作系统。
　　 关节电机驱动控制器是实现机器人各种运动控制功能的最小单元,论文根据救援应用环境,分析了该单元的控制、驱动和保护等功能需求,参考CANopen相关设备规范,选用DSC设计实现了电流、速度及位置闭环控制的CANopen运动控制从站,并独立测试了电机驱动控制器的控制性能。
　　 信息采集与集成是实现机器人感知的重要环节,论文介绍了主控单元对机器人所需感知的机器人姿态、环境障碍、驱动状态及位置等信息的采集与集成；并实现了基于WiFi的遥控操作站与机器人控制系统之间的命令和反馈信息传输机制,比较了几种传输协议在不同无线信号状态下视频信号传输性能。
　　 机动性是救援机器人的关键性能之一,根据实际运行过程中的实时运算要求,论文介绍了采用履带机器人运动学模型的移动控制方法,以及基于AHRS姿态角校正转向滑移率的里程计设计实现；分析了机器人在典型障碍类型中的越障性能,选用稳定锥方法判定机器人倾翻稳定性,进而设计了楼梯、台阶等典型障碍的越障动作规划,通过实验结果证明其有效性；分析了救援机器人在非结构障碍地形下的机动性问题,得出有效的防倾翻控制方式；分析了救援机器人的作业要求,设计实现了采用粗调+精调的机械手控制方式,通过控制机械手末端传感器模块较好地满足了探测伤员的任务要求。