摘 要： 針對(duì)高爾夫運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，根據(jù)慎思/反應(yīng)混合范式設(shè)計(jì)了高爾夫球童機(jī)器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)由上位機(jī)" title="上位機(jī)">上位機(jī)系統(tǒng)和底層運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)" title="運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)">運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)構(gòu)成，具有很強(qiáng)的規(guī)劃能力和實(shí)時(shí)性。闡述了高爾夫球童機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)、底層運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和超聲傳感器" title="超聲傳感器">超聲傳感器的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞： 高爾夫球童機(jī)器人 底層運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 單片機(jī) 超聲傳感器配置
隨著人工智能和機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展與成熟，服務(wù)型機(jī)器人已出現(xiàn)在各個(gè)領(lǐng)域。由于高爾夫運(yùn)動(dòng)獨(dú)特的運(yùn)動(dòng)方式和復(fù)雜的場(chǎng)地條件，因而用于高爾夫球場(chǎng)的機(jī)器人研究呈現(xiàn)出巨大的潛力。高爾夫球場(chǎng)面積廣闊，地勢(shì)復(fù)雜，既有平坦的草坪，又有各種各樣的障礙物，而且高爾夫運(yùn)動(dòng)者繁多，所有這些因素都對(duì)機(jī)器人的行走提出了很高的要求。目前世界上研究用于高爾夫球場(chǎng)的機(jī)器人主要有在球場(chǎng)上搜尋高爾夫球的自主移動(dòng)型機(jī)器人和運(yùn)載高爾夫裝備的機(jī)器人。美國(guó)Naval Air Warfare Center Weapons Division和 Golf Group of America聯(lián)合研究設(shè)計(jì)了安裝有GPS的遙控型高爾夫球包車。
與應(yīng)用GPS進(jìn)行導(dǎo)航不同，設(shè)計(jì)的球童機(jī)器人用CCD攝像機(jī)和接近覺(jué)傳感器實(shí)時(shí)采集運(yùn)動(dòng)者和周圍的環(huán)境信息，跟蹤運(yùn)動(dòng)者來(lái)實(shí)現(xiàn)高爾夫球設(shè)備的運(yùn)送。
1 機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)
以機(jī)器人學(xué)中的三種普遍被認(rèn)可的基元——感知、規(guī)劃、執(zhí)行之間的關(guān)系，可將機(jī)器人中智能的組織分為三種形式：分級(jí)范式、反應(yīng)范式和慎思/反應(yīng)混合范式。采用慎思/反應(yīng)混合得到的系統(tǒng)具有規(guī)劃能力，并使得機(jī)器人具有任何與相對(duì)于環(huán)境的全局狀態(tài)相關(guān)的記憶和推理能力。
高爾夫機(jī)器人在跟蹤運(yùn)動(dòng)者行走的過(guò)程中，需要根據(jù)外界環(huán)境信息，自主地規(guī)劃路徑和處理突發(fā)性事件。為了使機(jī)器人具有規(guī)劃能力和實(shí)時(shí)性，采用了慎思/反應(yīng)混合范式對(duì)機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計(jì)，用上位機(jī)系統(tǒng)和底層運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)協(xié)作控制高爾夫機(jī)器人完成行走跟蹤任務(wù)。基于慎思/反應(yīng)混合范式的機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要包括如下兩部分：
(1)上位機(jī)系統(tǒng)：主要由上位機(jī)和視覺(jué)系統(tǒng)構(gòu)成，完成機(jī)器人的導(dǎo)航任務(wù)。上位機(jī)根據(jù)CCD攝像機(jī)和圖像采集卡采集的信息跟蹤運(yùn)動(dòng)者；根據(jù)底層運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)傳送的傳感器和光碼盤信息構(gòu)建地圖，并將規(guī)劃好的路徑傳送至底層運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。
(2)底層運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)：主要由MCS-51系列單片機(jī)的CPU控制板、多種接近覺(jué)傳感器和電機(jī)構(gòu)成。CPU板根據(jù)不同傳感器信息，進(jìn)行反應(yīng)式行為的釋放，或是將傳感器信息送至上位機(jī)系統(tǒng)輔助路徑規(guī)劃和地圖構(gòu)建。執(zhí)行器" title="執(zhí)行器">執(zhí)行器接收命令進(jìn)行行為的執(zhí)行，并反饋光碼盤信息，以供上位機(jī)系統(tǒng)確定機(jī)器人的位置。
2 底層運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
高爾夫球童機(jī)器人的底層運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是基于行為的反應(yīng)范式。它不僅負(fù)責(zé)上位機(jī)和執(zhí)行器之間的通訊，而且采集各種接近覺(jué)傳感器信息，將信息傳送至上位機(jī)系統(tǒng)輔助路徑規(guī)劃和地圖構(gòu)建，或釋放運(yùn)動(dòng)中的反應(yīng)式行為。
底層控制采用MCS-51系列單片機(jī)AT89C52作為核心控制器，另外采用三片AT89C2051分別控制機(jī)器人左右輪的運(yùn)行和多路" title="多路">多路超聲傳感器信息的采集和處理。底層運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件框圖如圖2所示。
AT89C52主要對(duì)各類傳感器進(jìn)行控制和融合，引起執(zhí)行器的反應(yīng)式行為，并通過(guò)串口與上位機(jī)進(jìn)行通訊，將傳感器信息送至上位機(jī)輔助導(dǎo)航，并接受上位機(jī)規(guī)劃的運(yùn)動(dòng)指令，送至執(zhí)行器。程序流程如圖3所示。
3 底層運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的感知器設(shè)計(jì)
在高爾夫球童機(jī)器人行走的過(guò)程中，用各種接近覺(jué)傳感器的融合來(lái)實(shí)現(xiàn)避障的功能。最常用的接近覺(jué)傳感器有超聲傳感器（聲吶）、紅外傳感器和碰撞傳感器。根據(jù)三種傳感器的不同量程和系統(tǒng)功能的要求，用底層控制器對(duì)傳感器進(jìn)行切換和選擇，并對(duì)各組傳感器信息進(jìn)行融合。
由于超聲傳感器可以返回障礙物的實(shí)際位置和距離，價(jià)格低廉，使用方便，故超聲傳感器在移動(dòng)機(jī)器人中有著廣泛的應(yīng)用。在高爾夫球童機(jī)器人中，用獨(dú)立的MCU AT89C2051作為控制器制作超聲電路板，對(duì)多路超聲傳感器進(jìn)行控制和選擇，將測(cè)得的數(shù)據(jù)傳送至底層運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)核心控制器AT89C52。
為了增加聲吶環(huán)探測(cè)的高度范圍，在近期的研究中采用了雙層的布局方法。由于超聲傳感器的波束角約為30°，經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，18個(gè)超聲傳感器能夠很好地完成測(cè)量任務(wù)。多路超聲傳感器配置示意圖如圖4所示。圖中每層各9個(gè)，在同一水平面上的投影為交叉均勻分布，如圖4（a）所示。在本設(shè)計(jì)中用AT89C2051通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)選擇多路超聲傳感器，可以用定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0、T1分別對(duì)兩組超聲傳感器測(cè)距，同時(shí)進(jìn)行計(jì)時(shí)，如圖4（b）所示。
由于人步行的速度約為1.5m/s，因此高爾夫球童機(jī)器人適合的行走速度為1.5～2m/s，一組超聲傳感器在常溫下測(cè)到5米遠(yuǎn)的障礙物需要的時(shí)間約為0.03秒，在此段時(shí)間內(nèi)機(jī)器人可以行走0.045～0.06米。可知機(jī)器人到障礙物的距離和此段時(shí)間內(nèi)機(jī)器人以1.5～2m/s的速度走過(guò)的距離之比約為100:1。可以看出，在機(jī)器人檢測(cè)到障礙物后，有足夠的時(shí)間進(jìn)行聲吶環(huán)掃描和避障。
在對(duì)聲吶環(huán)進(jìn)行掃描時(shí)，需要考慮以下兩方面來(lái)提高超聲傳感器的效率：
（1）在機(jī)器人行走的過(guò)程中，前方的傳感器的作用非常重要，在聲吶環(huán)的一次掃描周期中需要進(jìn)行多次的掃描檢測(cè)。
（2）可以同時(shí)用不同方向上的超聲傳感器進(jìn)行測(cè)量，這
樣既能提高檢測(cè)的效率，又能防止超聲傳感器的串?dāng)_問(wèn)題。
本文為高爾夫球童機(jī)器人的設(shè)計(jì)提出了一個(gè)可行的方案。基于慎思/反應(yīng)混合范式設(shè)計(jì)的高爾夫球童機(jī)器人，通過(guò)視覺(jué)和接近覺(jué)兩類傳感器的信息采集，在上位機(jī)和底層運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制下，能夠自主跟蹤運(yùn)動(dòng)者，處理高爾夫球場(chǎng)的特殊環(huán)境，具有很強(qiáng)的規(guī)劃能力和實(shí)時(shí)性；功能完善，成本低廉，有著良好的應(yīng)用前景。在以后進(jìn)一步的研究中，可以將上位機(jī)用能夠進(jìn)行圖像處理的DSP代替，既可以壓縮成本，又能減輕機(jī)器人車身的重量。
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