移动机器人入门篇

从零九年开始接触机器人研发，不得不说，有必要写一篇长文了。

 

我在接触机器人前，接触过单片机，那时候的单片机仍是5一、PIC16这种，当时就特别好奇：机器人一个关节须要几颗这样的芯片？这个问题我记得最清楚，由于作了机器人，发现根本不用芯片，整个机器人一个芯片就够了。不过随着认知的不断提高，这个问题很难回答。那咱们就开始咱们的机器人之旅。

 

机器人解释为机器得到了一些人的特色。电视里常常看到的变形金刚、钢铁侠、铁胆火车侠都具备人的形状，更容易被人理解；

 

《特种部队》里出现的机器蜜蜂、《Agents of S.H.I.E.L.D》中的飞行器说是机器人咱们也能够承认，由于这些仿生机器人科技含量很高；

 

波士顿动力（www.bostondynamics.com）的大狗系列也能够说是机器人，即使它是机器人狗。

 

不过你们必定记得机器人瓦力，这部08年安德鲁斯坦顿编导的《机器人总动员》，在无数科技爱好者内心埋下了机器人的种子。瓦力的特色是移动能力依靠履带，视觉能力靠两颗眼睛，具备两个机器人手臂，大脑发达。这种履带式的移动方式，也被目前的不少机器人采用，不过更适合野外，对于室内或者地面情况比较好的情景中，轮式以其高度的灵活性被普遍应用。这就像汽车里只有挖掘机相似的采用履带，而多数汽车都采用轮子。

 

轮式移动机器人在移动机器人应用中占有很大的比例，最近火的一塌糊涂的申通小黄人（http://tv.fanjian.net/110237.html），表明了移动机器人在智能分拣系统中的应用，机器人的规模你们能够根据我国16年313亿件快递量推算。各大物流公司、电商都在积极布局，挖掘人才以及引入技术（http://www.agvbaike.com/cangchujiqiren/2017-03-28/6523.html）。

 

其实这些移动机器人在物流以及电商火以前就存在，只不过名字不一样，好比AGV（https://en.wikipedia.org/wiki/Automated_guided_vehicle)，在20世纪就开始服役。如今仓储物流火了，各大AGV公司开始了变形计。

 

再放眼国内外的机器人竞赛，轮式移动机器人绝对是随处可见。高等院校竞赛中Robocon（http://www.cnrobocon.org/）是亚太区的一项机器人竞赛，由日本发起，目前举办了16届，前面连接是国内赛连接，这项比赛难度高，技术含量高，门槛高，已是一个三高状态，在行业内的承认度也高，每一年为社会输送机器人技术人才数以千计。十几年来，在各个机器人公司的关键岗位，都有Robocon人。参加院校能够是985/211，也能够是高职，下面是16年参赛院校。

 

 

下面附上16年比赛视频，2017年比赛会在5月末开始。

 

国内决赛东北大学VS成都电子科技大学

http://www.iqiyi.com/w_19ruippw4l.html

 

国际赛东北大学VS日本

https://v.qq.com/x/page/e0322raz6tf.html

 

Robocon技术含量高，不过却在行外不为人知。虽然也在CCTV播放，不过在节目强调价值观与娱乐性的今天，娱乐性强的真人秀备受追捧，跑男一个明星至少要几个摄影师，多台录像机以及手持设备。而咱们比赛场上，科技精英们的做品被表现的却差强人意。

 

另外一项机器人比赛Robomaster（https://www.robomasters.com/zh-CN）这几年很火，这项比赛发起者是06年Robocon队员。这位队员建立了大疆公司，目前年营业额过百亿。这项比赛观赏性比较强，行业内广泛认为技术含量较Robocon低，不过这项比赛我并无太多了解，因此没法过多评价。不过能够肯定的是，这项比赛一样培养了一批优秀的机器人精英。

 

此外，Robotac（http://www.robotac.cn/）是面向高等职业院校的机器人竞赛。

 

中小学比赛FLL、WER、VEX、NOC等等，都是移动机器人项目。不得不提，目前机器人行业中，惟有中小学教育这一块是发展的好。公司旁边就有家作乐高机器人培训的，作的有模有样（公众号：小张老师）。

 

移动机器人多种多样，不过移动部分大同小异，咱们将它叫作移动底盘或者移动单元。

 

移动底盘主要由几部分组成：主控制器、电机（马达），电机驱动器，传感器，轮子，机械底盘组成。

 

主控制器主要负责机器人移动的控制，包括了传感器数据的采集，走行决策以及路径的规划。目前主控芯片尚未大一统，有MCU、MPU、PLC、电脑等，MCU具体有意法半导体的STM32系列、恩智浦LPC系列、Arduino系列（分到这里不太妥）、51系列等。不得不说两家公司，一个是伟大的ARM，一个是意法半导体。

 

ARM公司（http://www.arm.com/）是一家芯片受权公司，本身不生成销售芯片，从之前的ARM7~ARM11，再到ARM CORTEX-A系列和M系列，A系列占领了大部分手机市场，能够说大部分手机内核都手机芯片厂商从ARM拿的受权；M系列也厉害，基本代替了之前的8位、16位单片机，M0系列主打低功耗，干掉TI的MSP430，M三、M4是单片机中的战斗机，高性能。

 

这里意法半导体（http://www.stmicroelectronics.com.cn）的STM32系列就是一个赢家。当年各个芯片厂家都有本身的MCU IP，不过意法半导体率先采用ARM M3/M4，配合大量的市场推广，致使如今几乎不多人知道其余厂商M3/M4 的MCU。对于大学市场，意法半导体作到了让不少同窗可能不知道ARM，却知道STM32。Cortex-M系列确实适合于新兴的机器人、智能家居、物联网、智能穿戴等领域。

 

单片机这块编程主流采用C语言，部分汇编；由于没有MMU以及资源不足，没法运行相似linux等操做系统，不过freertos、usos、mqx等小型OS仍是能够的。编程软件目前多采用IDE，好比Keil、IAR等，不过也有不少人直接使用tool train来开发。

 

单片机外设丰富，包括能够控制LED的IO、控制蜂鸣器的PWM、检测开关状态的IO、读取测距传感器数值的AD、多轴协调控制抗干扰的CAN、串行总线SPI、UART、I2C、用来即时的Timer。总之，多种多样的传感器以及其余设备，均可以使用这个控制器来处理。目前能够根据需求采购不一样型号的MCU，而后本身设计SCH、PCB，手焊或者SMT，不过也能够采购开发板，开发板功能全，个大，学习用很是适合。既然提到了硬件设计，那就提下硬件设计的主流的几个软件：altium designer，cadence，pads，protel等等。

 

PLC咱们能够理解为稳定性特别高的单片机。1968年为了取代汽车中大量的继电器，PLC应运而生，不过到如今咱们把它定义为稳定的单片机也并不过度。PLC在工业中被普遍使用，其编程方式也更加适合于电气工程师，就像Arduino更适合于设计同样，相似咱们这些计算机的老帮子来说，不喜欢！PLC内部的资源并无单片机那样丰富，为了提升稳定性，不能什么都搞一堆，单片机中动辄上百的IO，在这里少的可怜。PLC价格也不菲，如今几百块能买一块很好的开发板，不过差很少的PLC得几千上万。PLC的编程语言包括如下五种：梯形图语言（LD）、指令表语言（IL）、功能模块图语言（FBD）、顺序功能流程图语言（SFC）及结构化文本语言（ST）。梯形图用的多，不过对于我来说，更喜欢ST。若是你的机器人稳定性要求特别高，那么用PLC吧。

 

固然，这几年流行起来的Arduino（http://www.arduino.org/）和树莓派（https://www.raspberrypi.org/）也能够用在机器人中。

 

Arduino是为设计师开发的，也能够认为是给一些创客开发的，不须要多少基础，就能完成一个小发明。Arduino只是定义了电路板的封装接口和软件编程接口，因此芯片能够是任意可以知足这些要求的，这里更正下你们对于Arduino的见解：Arduino性能必定很low，这个不对的。对于Arduino编程来说，真是简单透了，一个setup函数，一个loop函数就搞定了。

 

树莓派就是一个微型电脑，以下图，轻松链接显示器。因此树莓派和Arduino不一样，其目的是像小电脑同样驰骋在须要它的战场上。有人用树莓派搭建了服务器集群，不过我想说树莓派也能够用在机器人控制上。最近很火的SLAM技术，不少人能够经过ROS（www.ros.org）体验SLAM的帅呆，这个ROS就能够运行在树莓派上。目前不少自主定位导航机器人基本采用了ROS。树莓派接口丰富，已经出了三代，树莓派3价格也就几百块，只有掌心大小。

                                                     

 

 

笔记本电脑、工控机也会出如今机器人移动底盘上，不过并很少见。

 

轮子轮式机器人不得不提轮子，有了轮子配合一部分机械件就能够想象出机器人的移动底盘了。这个也容易理解，生活中给一个轮子就是独轮车，两个轮子自行车，三个轮子三轮车，四个轮子轿车….

 

机器人中也有生活这种轮子，咱们叫它普通轮子。

 

 

 

这种轮子主要用在差速控制中，也就是两轮同速走直线，不一样转弯走弧线。下面这个玩具机器人就是采用的这样的轮子，一样申通的机器人也是采用的这样的结构。这个轮子由于有电机（马达）带动，因此咱们叫作驱动轮。

 

 

 

轮子轮毂能够采用金属也能够是塑料材料，轮胎采用橡胶或者聚氨酯材料。聚氨酯轮的寿命和负载能力是橡胶轮的4~5倍。

差速轮详细走行算法能够参考http://mp.weixin.qq.com/s/8jT51bC_hCeTmAM8jdYTVg

 

差速轮没法实现机器人的平移，也就是咱们倒车入库费劲的主要缘由。而下面这个轮子结构，就可让倒车入库简单。

 

 

 

这两种轮子的共同点是轮毂上还有小辊子，第一个叫作全方位轮，另外一个是麦克纳姆轮。全方位轮上面的小辊子和轮子方向成90°，而麦克纳姆轮成45°。全方位轮能够组成三轮、四轮结构，而麦克纳姆轮只能成对出现，至少4个。这种轮子能够组成这样的机器人移动底盘。

 

 

三轮结构灵活，不须要浮动机构，不过相对四轮驱动能力和速度弱一些。具体控制方法参考http://mp.weixin.qq.com/s/2dLgQ_i4nnWEZCmaFIxo0g

 

 

四轮结构须要额外的浮动设计，不一样性能好不少，控制方法参考http://mp.weixin.qq.com/s/mgRoaRcUELwfDqg4JkFcjw

 

 

 

这个像不像一台小轿车？停车很方便，，这种轮子可以作到大负载，如今不少工业叉车采用这种。具体控制方法参考http://mp.weixin.qq.com/s/5V0Ie1KLDlOjtRt_NivWvQ

 

这几个移动底盘均可以实现任意方向的平移以及旋转，若是把它用到《速度与激情》里，漂移会编程什么样？

 

轮子还没完，轮式机器人中，地面经过与轮子摩擦给机器人提供牵引力。因此不少时候，驱动力不足就是小马拉大车，不过驱动力十足而摩擦力不够，也是件头疼的事情。另外，因为控制缘由，让驱动轮不打滑很难作到，只是打滑多少的问题。

 

电机（马达）电机这东西有意思，你能够叫它电机，也能够叫它马达。不过常常叫他电机的人会瞧不起叫它马达的人，其实不必。马达是motor的音译，而电机是对motor原理上的翻译。在机器人中，电机很常见，马达也很常见。就在咱们的移动底盘中，它又要登场了。咱们要抛却单驱、双驱、四驱这些概念，由于在咱们这里，咱们要全驱，也就是有轮子就要有电机。因此上面的底盘用到几个电机你们数数就知道。

 

这里咱们只考虑直流供电的电机，由于目前大部分机器人是这样的，使用的电池供电。直流电机中分为有刷电机和无刷电机。

 

有刷电机换向是经过碳刷或者稀有金属刷等完成的，这种机械换向的方式控制简单，不过寿命短、噪音大、耗电多。相对无刷，缺点真是一大把，因此无刷也是趋势，目前来看有刷控制太简单了，整个产业链还并无被无刷替代。

 

直流有刷电机能够简单到玩具车里的普通直流马达，也能够复杂到精密仪器里的伺服电机。他们从控制方式上的区别是一个开环控制，一个闭环控制；硬件上的区别就是电机的指标：功率密度、扭矩、转速、机械时间常数、电压等等。因此5块钱能买到马达，并不稀奇，上万块买到一个电机也要惊讶。一般来说，玩具包括如今大部分中小学教育机器人、大部分机器人竞赛用的都是普通直流电机，而用做伺服的电机由于比较贵，在大众眼中并很少见。

 

因此直流有刷电机的驱动器也能够简单到只实现一个H桥电路板，亦能够复杂到是一个系统。价格是从几十块到上万块都有。国外贵的典型美国Copley http://www.copleycontrols.com/和以色列ELMO http://www.elmomc.com/ 。

 

 

安川电机 http://www.yaskawa.com.cn/

MAXON电机http://www.maxonmotor.com

 

固然若是对性能有要求却又支付不起伺服电机，能够到一些平台淘二手，有些成色仍是能够的。

 

对于机器人移动底盘，咱们一般比较关心两点：速度和加速度。因此在已知机器人重量后，选择电机不能随便算，要根据机器人速度、加速度需求进行计算电机的扭矩和转速，根据系统的电源电压选择合适的电机。电机选好后，选择驱动器也要仔细，第一要看的就是最大持续电流以及温升。最大持续电流必定要知足上面计算好的电机的须要，为何提温升呢？电机驱动器也是有电子器件组成，一般温升10度，器件寿命会减半，这也就是有名的10度原则。因此驱动器选型这一块，可能不少驱动都能作大这个持续电流，不过温升极可能不同。另外就是驱动器控制响应是否快速，是否精准，这些都是驱动器的基本性能指标。

 

无刷电机采用电子换向，因此不是两个电源线，是三根。驱动器有规律的给三根线电压，来控制电机旋转。没有刷的束缚，效率提升了，寿命提升了，不过这些也提升了软件控制难度，若是容易的话，当初也不会发明有刷，而不是无刷。有了驱动器，主控制器能够忽略电机是有刷的仍是无刷的，由于这个对于主控制器来讲透明。主控制器只须要告诉驱动器让电机如何运动就好了。

 

 

上面断断续续的提了电机驱动器，咱们这里只提伺服驱动器。什么叫作伺服呢？伺服就是主控制器让电机怎么运动，电机和驱动器合伙要保证这个，不让主控大人操心，而且要准确，还要迅速，不能拖拖拉拉。因此对于那些性能贼差的电机咱们就不要作伺服了，对于那些不须要精确控制的好比遥控玩具车，咱们也不要用伺服了。伺服电机必定是电机中的精英，机电时常数小、线性度高、始动电圧低。

 

那么这样的电机确定不须要猪同样的队友，驱动器要稳、准、快。也就是对于速度、位置或者力矩的控制要稳、要准、要快。这也就是咱们常说的驱动器的速度环控制、位置环控制以及力矩环控制。

 

 

主控制器想要控制电机，只须要经过通信接口向驱动器发送命令就能够了，这些命令能够简单到是一个模拟信号，一个pwm数字信号，也能够复杂到CAN信号等。无论是什么，根据驱动器和主控制器的说明，一步一步作就能够了。

 

上面要进行伺服控制，电机都须要带传感器来测量速度和位置。传感器能够增量式数字编码器、霍尔传感器、绝对式数字编码器等。不过增量式数字编码器较为常见。一般安装在电机轴上。

 

那么若是咱们要作一个三轮全方位的移动底盘，须要一个主控制器，三个轮子，三个电机，三个驱动器（也有一个驱动器能够驱动多个电机的，在此不讨论）。不过还缺乏电源，若是要锦上添花，还须要些传感器。不过我火烧眉毛的要上传下咱们还没作好的一个底盘。

 

 

上面多了一个定位系统，少了一个主控。另外，图上欧巴不是我。

 

 

锂电池咱们仍是继续说电池吧。目前机器人电池已经基本都是锂电池了，镍氢、铅酸基本不用了，不过前几年的irobot用的是镍氢电池。

 

锂电池学问也很多，首先安装包装来分有圆柱和软包。话说特斯拉用了7200多个圆柱18650拼成了密密麻麻的电池系统。圆柱里面是液态锂化合物，而软包里是固态锂聚合物。锂电池有燃烧、甚至爆炸的危险，这里咱们认为燃烧要比爆炸温柔。因此不少业内人士说圆柱液态锂电池危险，由于它会爆炸，而软包聚合物电池只会燃烧不会爆炸。这个说法好像一直都被大部分人承认，直到三星事件那些少部分人才找到了有力的理由。

 

 

 

锂电池从多方面具备先天的优点，因此如今锂电池才能在大部分场景替换掉了老大哥们。能量密度高，无记忆效应，寿命长等。不过在介绍不一样的锂电池前，咱们要提下锂电池的两个缺点，第一个大倍率充放电容易膨胀，第二个不耐低温。

 

锂电池有不少指标：内阻、标称电压、容量、充放电截止电压、充放电倍率、循环寿命、能量密度、功率密度等。这些一旦电池材料选好，基本就是根据供应商的差别而不一样了。

 

下面说下不一样材料锂电池区别。

钴酸锂：大规模生产，价格昂贵，容量较低，存在必定的安全性问题；

镍酸锂：成本较低，容量较高，但制备困难，材料性能的一致性和重现性差，存在较为严重的安全问题；

三元镍钴锰酸锂：集成上面有点，可逆容量大，结构稳定，安全性较好，循环性能好，合成容易；

磷酸铁锂：不含贵重元素，原料廉价，资源极大丰富；工做电压适中（3.4V）平台特性好，电压极平稳理，论容量大（170mAh/g）；结构稳定，安全性能极佳，高温性能和热稳定性明显优于已知的其它正极材料；循环性能好，无毒。成本、高温性能、安全性方面具备突破。可是能量密度低。

 

咱们关心的电池寿命，标称800次循环，指的是充满后，放电到截止电压算一个循环。

 

标称容量是只1C放电，当达到截止电压时，时间应该达到1小时。

 

锂电池的使用，一般应该是充好电后，静置一段时间再使用。不用时，应该充电储藏，置于充电多少，手册都会给出。

 

据调查，机器人市场，目前采用三元锂和磷酸铁锂居多，软包和圆柱均有。

 

传感器一般咱们采用的传感器多种多样，上面的这些选好后，机器人移动底盘已经能够移动了！不过，也只是可以移动，加个遥控能够手动遥控。要想自动还差一些工序。机器人若是想室内定位，也就是知道本身在哪里，那么得须要定位的传感器，这个时候gps、北斗等室外定位方式确定不行了，这个能够本身研发了，目前市面上室内定位的也就是上面底盘上那个定位系统了，不过那个使咱们开发的，你们也能够本身开发，是基于mems的。

 

臂章呢？简单的就加一圈光电传感器，但是距离2米，这样也行，这些传感器是二值化的，就是有东西就输出高电平，没有东西就低电平；发现哪一个方向有障碍物，那就赶忙躲开。不过这个不许，咱们能够用红外测距传感器测量障碍物的距离，只有距离近时才躲避。这些传感器没法保证无死角，若是障碍物就在扇形盲区，麻烦就大了。那咱们试试激光雷达，能够简单理解为一个可以360度扫描的传感器，扫描距离10米，一秒钟扫描5圈，这回应该够了。因此能够在移动机器人底盘上加个激光雷达来避障。

 

若是把机器人底盘DIY后放在家里，能够添加温湿度传感器来测量温湿度，用一个小的显示屏或者语音播报模块播出来。也能够添加一个煤气检测模块，一旦检测到煤气泄漏，就用蜂鸣器报警。这些传感器均可以链接到主控制器上。移动机器人的好处在于，一旦作好，一切东西均可以作到上面去，编程移动的。再好比放个摄像头，就是一个移动的监控哦~

 

固然也能够安装机械手，不过机械手不是传感器范畴，属于执行器。能够在底盘上添加语音识别模块，而后让机器人帮咱们作些事情。

 

咱们只抛砖引玉，下面是上面未完成底盘的哥哥还有他的女友。