MATLAB嵌入式环境的智能移动机器人跟踪控制(3)
（2）硬件组成的设计
本课题基于基础的履带式移动小车，加载超声波传感器、编码器电路、直流电机、STM32开发芯片等元器件，组件一个简易的履带式移动机器人平台，以实现机器人路径规划与跟踪控制。
（3）控制方案设计
1）基于智能特征模型的运动控制方案，学习特征模型的建立，并根据履带式移动机器人的特征模型设计控制规律。
2）PID迭代学习控制控制器，用于履带式移动机器人在运动过程中速度与位置的调整与控制。
（4）控制系统的仿真与实时控制
打开MATLAB，并根据P型迭代学习控制和PID迭代学习控制，分别用C语言编写一个跟踪控制的程序进行仿真。将两种控制方案的仿真结果进行对比，得出更加适合实际情况下移动机器人运动中路径规划的方案。
2. 履带式移动机器人硬件结构
2.1 机器人结构
如图2.1所示的履带式移动机器人，是由本实验室自主研制的机器人。其运动底盘是一个简单的履带式移动小车，通过一个主动轮带动两个从动轮，从而驱动履带的转动使得整个车体运动。机器人的运动主要由STM32芯片控制，硬件配备了超声波传感器来测量履带式移动机器人周边环境中的障碍物距离，用以实现机器人运动过程中的避障功能，光电编码器用以检测驱动主动轮的电机转速是否保持一致，左右电机转速差控制履带式移动机器人的运动转向。
图2.1 履带式移动机器人实物图
2.2 超声波传感器系统
2.2.1 超声波传感器简介
超声波传感器是一种利用超声波作为测量工具完成距离测量的传感器。以人耳能听到的声波频率为分界线，那么频率超过2*104HZ的声波便是超声波。当超声波从一种介质传入另外一种介质时，会发生反射、折射、衍射等现象，碰到运动的物体时会发生多普勒效应。超声波主要特点是频率高、波长短，而且定向能力强大。
超声波传感器是一种检测工具，其需要能够发射超声波和接收超声波的装置。由此看来，该仪器可以实现超声波与电能之间的相互转化。超声波传感器的种类有很多，主要来说可以分为两大类，一类是用电气方式产生超声波，另一类是用机械方式产生超声波[3]。根据实现超声波传感器机电转换的物理效应的不同,可将超声波传感器分为压电式、电动式、电磁式等，压电式传感器在当前理论研究和实际应用中都比较常见；而按照超声波传感器的结构分类,则有收发同体式传感器。本课题中选用压电式收发分体超声波传感器T/R40-16,其实物图片如图2.2所示。
图2.2 超声波模块图
本课题中选用的超声波传感器的型号是T/R40-16，其中T和R分别代表传感器中超声波的发射和接收，数字16代表超声波传感器外壳的直径，而且该传感器工作频率是40KHZ。实际工作过程中，当传感器两端电压的频率等于晶片的共振频率时，输出的能量达到最大。考虑到此种型号传感器的压电晶片共振频率为40KHz，因此超声波工作频率也定为40KHz。
2.2.2 超声波测距原理
超声波测距的原理是已知超声波在空气中的传播速度，记录声波从发射开始直到遇到障碍物反射回来所需要的时间，最后，根据记录的时间差便可以很方便的计算出传感器与障碍物之间的实际距离。幅值检测法、相位检测法和时间差测距法是超声波测量距离的三种最常见的方法。其中，幅值检测法测量是超声波以一定的扇形角进行发送，距离越远则信号越弱，所以可以根据收到的超声波幅度大小来推算距离，该方法的测量精度和抗干扰性最差，但实现起来相对容易。相位检测法也叫做相位法，发送出去的超声波经过传输，接收回来的超声波相当于一列移了相的接收超声波，于是发送器在发送主超声波同时，也会产生“本地移相超声波”与反射回来的接收到的接收超声波比对，当二者完全对齐(同向或者反向对齐)时， “本地移相超声波”相位移动多少就表示所测距离的多少。这种方法虽然精度高，但检测范围有一定的限制。实际生活中使用最广泛的是时间差测距法，该方法计算发送超声波发射到接收之间的时间差，通过计算可得到障碍物距离，但因为受到传感器响应的影响会产生一个死区，限制了最小测距范围。