地面移动机器人远程监控系统研究.pdf

922023年第16 期地面移动机器人远程监控系统研究平霞，张艳珠1，赵子扬，武炎明（1.沈阳理工大学，辽宁沈阳110 158；2.沈阳航空航天大学，辽宁沈阳摘要：为实现在人在各种各样的环境中进行环境勘探以及取代人在艰难的环境和情况下完成繁重艰巨和危险的任务，本文将地面移动机器人与4 G网络与GPRS网络相结合，建立了地面移动机器人与计算机之间的网络通信。其次，对监控系统进行了模块划分和设计。主要分为三大模块：控制命令发送模块、实时定位模块、视频监控及传输模块。通过该平台，实现了无线传输数据的功能，并远程监控了移动机器人的环境状态和实时对地面移动机器人做出控制。因此，操作员和地面移动机器人可以在复杂的环境下排队运行，完成繁重的任务。关键词：地面移动机器人；远程监控；4 G网络；GPRS网络中图分类号：TP242.2Research on Remote Monitoring System of Ground mobile RobotPing Xia,Zhang Yan-zhu,Zhao Zi-Yang,Wu Yan-Ming?(1.Shenyang Ligong University,Shenyang 110158,China;2.Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China;3.Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China)Abstract:In order to realize the environment exploration in a variety of environments and replace people in difficultenvironments and situations to complete heavy arduous and dangerous tasks,this paper combines the ground mobile robotwith 4G network and GPRS network,and establishes the network communication between the ground mobile robot andthe computer.Secondly,the module of the monitoring system is divided and designed.It is mainly divided into threemodules:control command sending module,real-time positioning module,video monitoring and transmission module.Through this platform,the function of wireless data transmission is realized,and the environment state of the mobile ro-bot is monitored remotely and the ground mobile robot is controlled in real time.As a result,operators and ground mo-bile robots can queue up and run in complex environments to complete heavy tasks.Key words:Ground mobile robot;Remote monitoring;4G network;GPRS network1引言地面移动机器人具有自行组织、自主运行、自主规划的能力,是将环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等技术集成于一体的系统。它主要由传感器、控制器和执行器组成-2 ，综合运用了传感器技术、信息处理、计算机技术和微电子技术等。移动机器人具有移动功能，它可以根据人工智能的相关算法和通过编程与自动控制来执行各项复杂的任务，主要作用是代替人从事危险、恶劣（如辐射、有毒等)环境下作业，并且比一般机器人有更大的机动性、灵活性【3 4 。近年来，智能汽车和移动机器人的稳健性、可靠性都有了很大的提高。在工厂自动化、农业、军事等领域具有广泛的应用前景。随着互联网技术和控制理论的不断发展，通过网络技术对智能移动机器人进行控制已成为热点问题之一。移动机器人远程监控系统的网络化，有效地将移动机器人的信息和控制中心结合起来，实现了远程观察和监控人员对移动机器人的远程控制命令，维护和管理各种传感器数据，通过查看移动机器人的信息上传控制命令，使移动机器人能够安全行驶，这对远程故障诊断技术的发展具有重要的意义。远程监控机器人有望成为移动通信领域作者简介：平霞（1996 一）女，汉族，山西省长治市人，硕士研究生，研究方向：人工智能。通讯作者：武炎明，汉族，安徽宿州人，副教授，沈阳航空航天大学，博士研究生，研究方向智能无人系统。日110 13 6;3.太原理工大学，山西太原0 3 0 0 2 4)文献标识码：A文章编号：16 7 4-9 57 X(2023)16-0092-03的重要组成部分。本文将首先对地面移动机器人底盘部分进行运动学建模和算法控制。移动机器人底盘如图1所示，其中底盘控制采用四轮差速模型，常用的控制算法有PID控制算法 5、滑膜控制算法 6 、模糊PID控制算法 7 等,以上算法虽然可以实现控制结果，但是控制效果往往不太理想,所以本文采用FOC&PID矢量控制方式 8 ，这种控制方式响应快，精度高，可以实现对移动机器人的实时性控制。其次视频远程传输模块采4 G网络传输 ，突破了局域网的限制，可以实现超远距离视频传输功能。最后传感器参数回显即定位模块模块使用GPRS网络 10 实现远程实时定位。图1移动机器人底盘综上所述，本文将采用FOC&PID控制算法实现对移clarke变换内燃机与配件动机器人的控制，采用4 G网络实现对视频的超远距离传FOC&PID控制的流程图如下所示：输，采用GPRS网络实现对地面移动机器人的远程实时定其中，clarke变换公式如下：位，使之可以实现在复杂环境中对地面移动机器人的实时2I.=I.cos(元视频监控定位和控制。32移动机器人车体运动学建模2由于移动机器人要适应各种各样的环境，不论是平整的sin3地表还是崎岖的山路或者是复杂的环境中，都要求有较强的旋转变换公式如公式（6）所示，I控制能力，所以对移动机器人的越野和平稳能力有所要求。与转矩有关，Ia与磁通有关；本文将移动机器人车体抽象为四轮差速车体模型并建立数 Ia_ coso学模型，通过系数V2个V3yF调整来修正模型差d2异完成对车体的姿W。ICR态控制。移动机器d人车体的四轮差速V1X模型如图2 所示。在四轮差速93采集到三相相电流2La、I b、I e一cos(3元）1(4)2元sin3元sinoI.(6)V2xLI。-L-singcosoLIgV对最后一步中的二轴电压量V。、dVs合成电压空间矢量，输人给SVP-3COMCOG公两轴正交电流量(5)旋转变换正交电流量PI调节器输出VaVg逆park变换WM模块，当三相逆变器即SVPWM二轴电压量模块产生的正弦波相位差刚好为12 0 b时，三相合成空间矢量三相正弦波UA、U B、U c 以及开关频率F的关系可由公式频率F的关系可表示为：器 中，前后轮C的速度是同步的。这里，当整个底盘做圆周运动时，取沿底盘几何圆心COG的y轴的点ICR作为圆心。ICR与COG之间的距离与圆周运动的角速度有关。四个轮子到ICR的距离为d;,轮子的实际速度 是侧向滑动速度U和预设目标速度的合成速度，这里i=1,2,3,4。在模型中底盘的速度瞬心在质心COM处，而COM和COG往往是不重合的。可以用COM位置处的线速度U。和角速度w。表示整个底盘的运动速度，其中COM到a图2 移动机器人底盘运动学建模U,=2/3UA(t)+Us(t)e*+Uc(t)ej*整理得公式(5)U,=/2Umei2x/其中,U,是一个旋转的空间矢量,幅值U不变，为相电压的峰值，且以角频率=2元f按逆时针方向旋转，其在三相坐标轴上的投影就是对应的三相正弦量，输出该时刻三相全桥电路的状态编码值，驱动电机转动，三相驱动桥电路如图4 所示。本IVDIVTIVT3U(7)(8)D3VT5ICR的距离为d。U。垂直于ICR-COM线段，。不仅有预设目标速度分量，还有侧向滑动速度分量。底盘中左轮、右轮轴距为,点COM与底盘后端以及前端的距离分别为a和b。当四轮差速底盘设定的左轮、游轮速度分别为V和Vr，且前轮、后轮速度严格同步时,四轮差速底盘的前向运动学关系为：Vi=Uer-W.2V,=Uc+WC21/21/2-V.7L-L-1/c1/cJLV,3移动机器人底盘FOC&PID控制3.1FOC&PID控制算法原理FOC控制算法是磁场定向控制，也被称作矢量控制。FOC控制的其实是电机的电磁场方向。FOC&PID控制框图如图3 所示。Ig.refPId.ref-OUda.BUBd.qa.BPark Trrotorestimatiorposition图3FOC&PID算法的控制框图yD2VT2VT4图4 三相驱动桥电路PID算法是结合比例（Proportional）、积分（Integral)和微分(Differential)三种环节于一体的控制算法，它是连续系统中技术最为成熟、应用最为广泛的一种控制算法。CPID控制的实质就是根据输入的偏差值，按照比例、积分、(1)微分的函数关系进行运算，运算结果用以控制输出位置式(2)PID算法可由公式（9）表达：u(k)=K,e(k)+K,=。e(i)+K p e(k)-e(k-1)(3)(9)PID闭环控制设置了三个闭环控制,分别为电机转速环、电机转矩环和电机位置环。三个闭环控制分别输人电机位置、电流等信息，输出SVPWM信号的占空比。使用FOC&PID算法的控制程序流程图如图5所示。开始Jnv.ParkTd.qUaVDVT6Clarke变换相电流SVPWM3-phaseInvertera.Ba.b.cClarkeTr本三轴一 两轴Park变换两轴一 旋转坐标系估算反电动势正余切电动势一 转子位置BLDC图5FOC&PID算法的控制程序流程图电流闭环PD控制转速闭环PD控制Park逆变换旋转坐标系一静止坐标系SVPWM信号调制模块，更新PWM占空比结束.943.2仿真结果PID控制器的三个参数调节根据电机转速值进行相应的调整。其中P是比例参数，提高系统响应的速度，但是如果P值过大，就会使得系统响应出现震荡，I是积分环节,用来消除静态误差,D是微分环节，用来减小系统超调，克服系统震荡，完成电机驱动器应做到快速响应到控制的期望值并不产生过调或震荡等现象。图6 是无刷电机电流的仿真结果图，图7 是无刷直流电机转速的仿真结果，图8 是无刷直流电机转矩的仿真结果。2023年第16 期图9 数据终端图10 3 6 0 环视高清摄像头模组人的远程定位信息的获取，DTU提供4/5G网络，并将定位信息上传至服务器，上位机从服务器获取定位数据信息。实现过程如图11所示。7服务器通信基站4/SG网络图6 无刷电机电流的仿真结果由图6 可知，电流在0.3 s即处首次趋于稳定运行，在0.5s时即处加人1Nm的负载，在1s即处撤掉负载，电流重新稳定，1.5s时即处，角速度降低给定值，经过调整之后，电流1.6 6 s左右即处又再次进人稳定状态。图7 无刷直流电机转速的仿真结果如图7 所示，无刷直流电机转速在0.3 s左右即处达到首次稳定，在0.5s即处加人1Nm的负载，在1s左右即处撤掉负载，在1.5s即处角速度降低给定值，经过调整之后很快达到了稳定。图8 无刷直流电机转矩的仿真结果图8 所示的电机转矩情况如图6 和图7 一样，经过仿真，达到了可观的控制效果。4移动机器人视频监控回传和实时定位4.1移动机器人基于4 G网络的视频传输传统的视频监控方式为使用无线局域网作为视频流传输的媒介，但是这种方式有着明显的不足是无法突破局域网的限制，实际作业中很多地方没有局域网或者信号弱，那就导致上位机无法实时的监测到移动机器人所处的环境变化，也就对移动机器人的实时控制产生了影响。基于此情况，本文中摄像头使用华为的数据终端来提供4 G网络完成视频流的远程传输，数据终端如图9所示，摄像头采用海康威视前置摄像头和云台摄像头，如图10 所示。4.2移动机器人的实时远程定位实现本论文中采用4/5G网络实现对定位信息的远距离传输。定位模式可以分为基站定位和GPS北斗定位。论文中使用DTU实现用基站定位的方式完成对移动机器通信基站热面移动机器人图11定位信息获取流程5结论本文采用FOC&PID控制方法对移动机器人实现了精准控制，改善了传统控制方式的响应慢、控制精度低的不足，使在复杂的环境中移动机器人可以快速精准的执行上位机发出的控制指令。其次对移动机器人端的视频监控采用4 G网络来传输视频流，可以实现有4 G信号就可实现视频监控功能，突破了局域网的限制。最后对移动机器人的远程定位，使用4/5G网络实现基站定位，不论移动机器人在哪里，只要有基站信号就可以实时获取移动机器人的位置信息。参考文献：1SaeedB.Niku.机器人学导论：分析、系统及应用M.北京：电子工业出版社，2 0 13.2刘奕.基于Android系统的远程机器人控制技术 D.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2 0 13.3郑文赢.移动机器人技术现状与展望 J.信息记录材料,2 0 2 0,2 1(10):2 4-2 5.4王赛，刘子龙.基于4 G网络的移动机器人远程控制研究 J.软件导刊，2 0 19,18(11）：7 1-7 4.5姚立平，吴文明，姜杨阳，谭仲威.一种非线性PID控制算法在温控系统中的应用研究 J.物联网技术，2 0 2 2，12(05):97-103.6王颖，徐建英，陈官如，张晨初.基于快速趋近率的永磁同步电机滑膜控制 J.辽宁科技大学学报，2 0 18，4 1(01):46-51.7刘杰，刘明芹.基于模糊PID控制的永磁同步电机矢量控制研究 J.工业控制计算机，2 0 2 2,3 5（0 1）：152-157.8 王宇.基于STM32的无刷直流电机FOC控制器设计J.信息技术与信息化，2 0 2 2（0 8）：14 4-14 7.9沈立武.基于4 G网络的视频传输业务的应用 J.科技创新与应用,2 0 18（0 4)：14 1-14 4.10黄建伟.通过GPRS网络进行数据的无线传输J.发电设备，2 0 0 8(0 3）：2 6 1-2 6 3.11丁皓，刘浩宇，庄逸，阙孟菲，夏冬阳，丁思吉.基于四轮差速模型的多机器人路径规划J.控制工程：2022:1-8.4/5G网络口超放控界面