用于机器人控制器设计的控制性能评估系统及其使用流程的制作方法

本发明涉及控制性能评估系统领域，具体涉及一种用于机器人控制器设计的控制性能评估系统及其使用流程。

背景技术：

轮式机器人的执行机构为车轮，一般由固连在其上的电机驱动，是一种应用极为广泛的机器人，在工业领域、航天领域有着极为广泛的应用。特别，随着近些年，儿童教育的兴起，轮式机器人广泛地应用于儿童早教机构、儿童机器人编程竞技。在此领域，一般要求轮式机器人跟踪期望轨迹，评价轮式机器人控制器控制性能的准则一般为跟踪期望轨迹的误差和跟踪速度。

当前，在轮式机器人的控制器设计中，尤其是期望行驶轨迹跟踪的控制器设计中，采用基于经验的设计方式，即完成控制器软件设计后，将轮式机器人放置于测量场地，使其跟踪期望轨迹，观测轮式机器人的行驶速度、跟踪误差，根据人的主观测结构调整控制器结构、标定控制参数。使用上述基于主观观测的调整方式，既不能定量分析轮式机器人的运行速度、期望行驶轨迹跟踪误差，又不能获取控制器状态机器人如计算的跟踪误差、控制输出机器人，导致控制器设计效率较低，控制精度不能提高，不能最大化发挥轮式机器人运动速度、轨迹跟踪潜力。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述问题，提供一种用于轮式机器人控制器设计的控制性能评估系统，实现轮式机器人控制器开发过程中的位置、状态信息、控制器内部信息的发送，控制精度评估，以及数据存储与调用。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现：

一种用于机器人控制器设计的控制性能评估系统，包括机器人，所述机器人上设置有状态测量模块，还包括固定在测量场地的位置测量模块以及数据接收与处理模块；

所述状态测量模块监测机器人的运动状态；

所述位置测量模块监测机器人的空间位置；

所述数据接收与处理模块接收数据显示、控制器性能分析。

进一步地，所述机器人为轮式机器人。

进一步地，所述状态测量模块设有测量机器人的三轴加速度信号的惯性传感器；

所述状态测量模块还设有速度、方向计算模块；

所述状态测量模块还设有控制器接口，以采集控制器内部状态，计算的机器人位置信号、轨迹跟踪误差、控制输出；

所述状态测量模块还设有与数据接收与处理模块无线通信的无线通信接口，发送机器人的状态、控制器状态信息；

状态测量模块固定在轮式机器人上，其模组构成与对应的功能如下：

1)具有陀螺仪模组，用于采集轮式机器人的三个轴向加速度、三个转向角速度；

2)具有无线数据收发模组，用于向位置测量模块发送无线数据，以定位轮式机器人在测量场地中的位置；

3)具有电源管理模组，用于将输入电源调整为与各个模组匹配的电源；

4)具有与轮式机器人控制器通信的接口，用于采集轮式机器人控制器内部状态，如计算的期望轨迹跟踪误差、计算的轮式机器速度、控制器输出的控制量；

5)具有单片机，用于采集陀螺仪输出信号，采集控制器输出的状态，并将数据打包，发送到数据接收与处理模块。

进一步地，所述用于测量机器人在测试场地中位置的位置测量模块，包括相同结构、放置于不同位置的多个模块，每个模块均具有无线信号接收功能，且能够以较高地精度输出接收信号的强度，多个模块通过高速总线互连，传递接收的信号强度，基于多个模块的信号强度信息，计算机器人的位置，并通过总线传递给数据接收与处理模块；

位置测量模块由三个硬件结构相同的模块构成，固定在测试场地上，其模组构成与对应的功能如下：

1)具有无线数据收发模组，用于接收状态测量模块发送的无线数据，并测量接收强度；

2)具有总线接口，用于将接收到无线数据、测量的信号强度发送给另外两个位置测量模块；

3)其中一个位置测量模块具有轮式机器人位置计算功能，即根据三个位置测量模块接收到地无线信号强度，通过三角定位方法，计算轮式机器人位置。

进一步地，所述位置测量模块在同一圆周上均匀分布。

进一步地，所述位置测量模块数量为三个。

进一步地，所述数据接收与处理模块接收状态测量模块输出的机器人的速度、控制器内部状态数据；所述数据接收与处理模块还接收位置测量模块输出的机器人位置信息，并实时显示机器人在测试场地上运动位置和状态；

所述数据接收与处理模块还显示机器人轨迹跟踪精度、速度、控制器内部数据；

数据接收与处理模块通过总线连接计算机，具有人机交互界面，其模组构成与对应的功能如下：

1)具有无线数据收发模组，用于状态测量模块发送的轮式机器人状态信息和位置测量模块发送的轮式机器人位置信息；

2)具有人机交互界面，用于实时显示轮式机器轨迹跟踪误差、轮式机器人运动速度、轮式机器人。

进一步地，所述数据接收与处理模块还存储与调用测量数据。

本发明的轮式机器人控制器控制性能评估系统的使用流程。

1)将状态测量模块固定在轮式机器人上，并且将连接轮式机器人控制器的通信接口，以读取控制器状态。

2)将位置测量模块测量模块固定到测试场地中，分别固定到测试场地的三个位置，要求所有的测量模块均在期望轨迹的外侧，以提高位置测量精度，并且连接各个位置测量模块的通信总线，用于传输无线信号接收强度。

3)将数据接收与处理模块通过总线连接到电脑上，以将接收和处理之后的数据传输到电脑人机交互界面上，用于轮式机器人运动状态、跟踪误差、控制量的实时显示。

4)为控制性能评估系统上电。

5)在电脑人机交互界面上可以观察到状态测量模块、位置测量模块的连接状态，并且可以显示轮式机器人的位置之后，证明通信已经可靠连接。

6)将轮式机器人放置于期望行驶轨迹的原点，在电脑的人机交互界面上，设置为原点，即将位置归零。

7)使能轮式机器人控制器，在其控制下，沿期望行驶轨迹行驶。

8)在电脑人机交互界面上，观察轮式机器人的实时运动轨迹、跟踪误差、运动速度等信息，作为评估轮式机器人控制器控制性能的依据。

9)在电脑人机交互界面上，存储测试数据。并且在电脑人机交互界面上，可以调出以前的测试数据，用于数据对比分析。

本发明的有益效果是：

实现轮式机器人控制器开发过程中的位置、状态信息、控制器内部信息的发送，控制精度评估，以及数据存储与调用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所述性能评估系统的组成示意图；

图2为本发明所述机器人的结构示意图；

图3为本发明所述状态测量模块结构图；

图4为本发明所述状态测量模块与控制器的通信接口；

图5为本发明所述测量模块程序流程图；

图6为本发明所述测量测量模块硬件结构图；

图7为本发明所述测量模块程序流程图；

图8为本发明所述数据接收与处理模块硬件结构图；

图9为本发明所述数据接收与处理程序流程图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1-机器人，2-状态测量模块，3-位置测量模块，4-数据接收与处理模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-9所示，本发明为一种用于机器人控制器设计的控制性能评估系统，其特征在于：包括机器人1，机器人1上设置有状态测量模块2，还包括固定在测量场地的位置测量模块3以及数据接收与处理模块4；

状态测量模块2监测机器人的运动状态；

位置测量模块3监测机器人的空间位置；

数据接收与处理模块4接收数据显示、控制器性能分析。

其中，机器人1为轮式机器人。

其中，状态测量模块2设有测量机器人的三轴加速度信号的惯性传感器；

状态测量模块2还设有速度、方向计算模块；

状态测量模块2还设有控制器接口，以采集控制器内部状态，计算的机器人位置信号、轨迹跟踪误差、控制输出；

状态测量模块2还设有与数据接收与处理模块3无线通信的无线通信接口，发送机器人的状态、控制器状态信息。

其中，用于测量机器人在测试场地中位置的位置测量模块3，包括相同结构、放置于不同位置的多个模块，每个模块均具有无线信号接收功能，且能够以较高地精度输出接收信号的强度，多个模块通过高速总线互连，传递接收的信号强度，基于多个模块的信号强度信息，计算机器人的位置，并通过总线传递给数据接收与处理模块4。

其中，位置测量模块3在同一圆周上均匀分布。

其中，位置测量模块3数量为三个。

其中，数据接收与处理模块4接收状态测量模块2输出的机器人的速度、控制器内部状态数据；数据接收与处理模块4还接收位置测量模块3输出的机器人位置信息，并实时显示机器人1在测试场地上运动位置和状态；

数据接收与处理模块4还显示机器人1轨迹跟踪精度、速度、控制器内部数据。

其中，数据接收与处理模块4还存储与调用测量数据。

本实施例的一个具体应用为：

如图1所示，本发明的用于轮式机器人控制器设计的控制性能评估系统包括三个主要模块，分别为安装在轮式机器人上的状态测量模块机器人2机器人，固定在测量场地的位置测量模块机器人3机器人，连接在电脑上的数据接收与处理模块机器人4机器人构成。

在本实施方式中，被控制的轮式机器人为基于乐高ev3的轮式机器人，其示意图如图2所示，其中乐高ev3作为轮式机器人的控制器，运行控制算法/软件。此机器人由两个色彩传感器用于检测期望行驶轨迹，当色彩传感器位于期望行驶轨迹之上时，输出为1，当不在期望行驶轨迹之上时，输出为0。机器人由电机驱动，两个后轮分别固连一个驱动电机，机器人的转向由两个电机的差速实现。

固定在轮式机器上的状态测量模块结构图如图3所示。其核心为负责信号采集、处理与收发的单片机，在本具体实施方式中，选择的单片机为st公司的stm32f407zg，控制核心为cortex-m4f架构，32位处理器，支持单精度浮点运算，具有丰富的io口和总线接口，满足测量模块功能需求。陀螺仪为invensense公司的mpu-6050，集成了3轴微机械结构的加速度计和角速度计，通过i2c接口进行数据传输。无线收发模组为采用zigbee通讯协议的无线模组。机器人控制接口用于接收机器人控制器发送的内部状态，在本实施方式中，接口通讯方式采用i2c通讯接口，通讯连接示意图如图4所示，其中sda、scl分别为i2c的数据总线和同步时钟，分别通过78k的电阻上拉到5v电源。

状态测量模块的程序功能如下：

通过机器人控制器接口采集机器人控制器发送的内部状态，包括计算的行驶轨迹跟踪误差、控制量等；

采集陀螺仪输出信号，获取轮式机器人运动加速度、转向速度信息；

数据打包，通过无线形式向发外发送，发送给数据接收与处理模块和位置测量模块。

状态测量模块的程序流程图如图5所示。程序中设置的控制周期为10ms，在每个控制周期中，采集陀螺仪输出信号，机器人控制器内部状态，并将数据打包，通过无线收发模组发送数据报文到位置测量模块和数据接收与处理模块。

位置测量模块由三个硬件结构相同的模组构成，其中一个模组的硬件结构图如图6所示。在本具体实施方式中，选择的单片机为st公司的stm32f407zg，无线收发模组支持zigbee通信协议，总线接口采用can总线，波特率为1mb/s。

位置测量模块接收状态测量模块的报文，通过三个模组的信号接收强度计算轮式机器人的绝对位置，并将测量的位置信息通过总线传输到数据接收与处理模块，其程序流程图如图7所示。其中接收无线信号强度由zigbee模块输出。通过三个模组接收到的信号强度s1，s2，s3，对应轮式机器人到三个模组的跟踪为d1，d2，d3，则由如下计算公式，其中(x1,y1)、(x2,y2)和(x3,y3)分别为三个测量模组的坐标，通过极大似然计算方法，即可计算得到轮式机器人的当前位置(x,y)。

数据接收与处理模块连接电脑，向电脑发送接收的轮式机器人状态信息、位置信息，以及控制器内部状态，其硬件结构如图8所示，在本具体实施方式中，选择的单片机为st公司的stm32f407zg，无线收发模组支持zigbee通信协议，与电脑的通讯接口采用usb接口，与位置测量模块的通信采用can总线接口。其程序流程图如图9所示，通过zigbee无线接口采集状态采集模块发送的轮式机器人状态和控制器内部状态，通过can总线接口采集位置测量模块发送的轮式机器人位置，通过usb接口向电脑传送数据。

电脑上的人机交互界面实时显示轮式机器人与参与轨迹的相对位置，能够用于控制测试流程，包括设置原点、开始测试、停止测试、保存数据，还能够通过的曲线显示轮式机器人控制过程中的轨迹跟踪误差、控制量等信息。

使用本发明进行轮式机器人控制器控制性能评估，按以下流程进行。

首先，将轮式机器摆放到期望行驶轨迹的原点，将三个位置测量模块模组摆放到期望行驶轨迹外侧三点，系统上电，在人机交互界面上，点击原点，将轮式机器人当前位置设置为原点。

接着，开启轮式机器人控制器，在控制器控制下，轮式机器人沿期望轨迹行驶，此时界面上实时显式轮式机器人位置，显示轮式机器人的轨迹跟踪误差。

轮式机器人行驶完成后，在操作界面上可选择要观测的曲线，如x轴轨迹跟踪误差、y轴轨迹跟踪误差、测量的期望行驶轨迹跟踪误差、控制器计算的跟踪误差、控制器计算的控制量等。并且在曲线上设置有光标，通过鼠标选择曲线上的点，可以左侧显示光标位置的时间、曲线值，便于控制器控制性能的精确评估。点击保存按钮可将当前的测试数据保存于指定格式，如csv格式、txt格式，便于数据的后处理

上述操作中，相比较传统方式，实现轮式机器人控制器开发过程中的位置、状态信息、控制器内部信息的发送，控制精度评估，以及数据存储与调用。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料过着特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。