一種蛇形機器人閉環控制系統設計
徐 敏1???? 鄒 瑩2
（1 廈門理工學院電子與電氣工程系? 廈門 361024）
（2北京航空航天大學機器人研究所 北京 100191）

摘? 要：針對SolidSnake2蛇形機器人開環控制結構，運動和控制精度不能得到有效保證等問題，提出了一種對底層數據采樣的閉環控制結構，分別從蛇形機器人的機械結構、電路硬件結構、舵機控制與反饋信號的采集、單點對多點的廣播式多機通信等方面進行分析與設計，經過硬件平臺的搭建和軟件程序的實現，驗證了這種閉環控制結構的可行性，實現了SS-2的閉環控制及局部自主控制，提高了運動和控制精度，這對多機協調的控制應用也具有一定指導意義。
關鍵詞：閉環控制；通信協議；單片機；蛇形機器人
中圖分類號：TP242　　　文獻標識碼：B

1. 引言
基于仿生學理論的先進機器人技術在非結構環境以及極限環境下的應用已成為智能機器人技術研究和發展的重點之一。國內外專家對自然界蛇的結構和運動進行了長時間的觀察和研究，發現蛇類的冗余度結構有著獨特的靈活性，基于這種結構的蛇類的各種無肢運動形式表現出了相當的地形適應性，具有反饋、感知和自主能力的蛇形機器人，為代替人類很多危險而且復雜的工作提供了新的思路和方法，而同樣環境下的車型機器人則可能被卡死或者絆倒；另外，具有傳感裝置緊貼地面的運動令蛇形機器人具有優于其他類型戰場機器人的隱身性能，使得蛇形機器人的戰場生存能力大為提高，如果配上多種傳感器，蛇形機器人將可以很出色的執行隱蔽的戰場偵察任務[1]。
由于蛇形機器人有其獨特的的優勢和作用，世界各國都抓緊開展蛇形機器人方面的研究，并取得了很多突出的成果。國內如國防科技大學、北京航空航天大學、中科院沈陽自動化研究所等也開展了蛇形機器人的研究, 在控制方式上有采用集中式控制和分布式控制的，但在運動控制和局部自主方面仍有待提高[2]。基于這種情況，閉環控制的研究對于實現蛇形機器人運動控制和局部自主就顯得格外重要。如圖1所示，由北京航空航天大學機器人研究所開發的SolidSnake系列蛇形機器人，其第二代SS-2蛇形機器人具有三維的運動結構，從動輪運動，典型機具有8單元體16關節靈活運動，驅動部件為舵機，使用主從分布式開環控制，廣播式多機通信結構，可以實現蜿蜒游動，蠕動的前進、后退、側滾、轉彎、抬頭等等動作，但由于其仍使用開環控制，運動控制不具有反饋，大多數控制數據依賴于上下位機單向通信方式，因此在實際使用中復雜地形環境下難以保證運動的精度。針對這個問題，本文將在該平臺的閉環控制與反饋通信上進行一些探索，以實現其閉環控制和局部自主控制，提高運動和控制精度。

2. 蛇形機器人的控制結構
蛇形機器人不同于其他類型機器人的最大特點就是具有多個關節和多個連接的復雜運動，因此它在針對多個關節的協調控制上是一個難點。SS-2蛇形機器人的主要結構包括機械結構、電路結構，以及對它的驅動部件──舵機的控制。
2.1 蛇形機器人的機械結構