摘 要：本文介绍一种参加首届全国大学生机器人电视大赛的履带式行走机器人仿人智能控制系统。首先通过对机器人跟踪直线数学模型的建立，得出该系统是一个多输入多输出非线性系统，且变量间相互耦合，用传统控制方法难以解决。根据仿人智能控制的基本思想，建立了单片机控制硬件平台，提出了机器人跟踪直线、转弯、准确定位和路线规划的仿人智能控制算法。在此基础上编制了控制软件，通过调试，整定了控制参数，经过试验和参赛的考验，证明该系统简单、实用、可靠。
关键词：履带式行走机器人仿人智能控制单片机控制算法
1问题的提出
为参加中央电视台“首届全国大学生机器人电视大赛”，我们开始该课题的研究。
1.1比赛规则及我们的参赛方案简介
中央电视台“首届全国大学生机器人电视大赛”的比赛场地如图1所示，在深绿色7.2×7.2m2区域分布着高度不等的17个圆筒。深绿色区域有间距90cm，宽度3cm的白色栅格。比赛的输赢由投入圆筒内的赛球所得比分决定，其中投入边缘30cm高圆筒得1分，投入中间60cm高圆筒得2分，投入中心100cm高圆筒得4分。若机器人参赛队用赛球占领了包含中心圆筒在内对角线上五根圆筒，则此队被视作“登顶”成功，赢得该场比赛。比赛时间限制为三分钟，参赛机器人总重不得超过40kg。
我们的参赛方案是：机器人出发后以场地上白线为引导，跟踪白线前进，在预定位置转弯后，继续跟踪白线前进直至到达预定位置，完成投球任务。要实现我们的参赛方案，关键是机器人准确到位，而机器人准确到位的关键是白线的跟踪。
我们开始想用传统控制方法来实现白线跟踪，为此，推导出了系统的数学模型。这是一个多输入多输出的非线性系统。
1.2机器人运动数学模型
1.2.1运动学方程
图2是履带式行走机器人底盘在行进中的位置姿态图。机器人的位置可用其质心坐标(xc，yc)表示，姿态可用姿态角θ表示。假设x轴为机器人跟踪的白线，va和vb分别为两边履带的速度，vc为质心运动速度，p点为瞬时转动中心，ω为瞬时转动角速度。
设履带带轮半径为r，两边带轮的角速度分别为ωa和ωb，角加速度分别为εa和εb，则
1.2.2动力学方程
设带轮a的折合转动惯量为ja，速度阻力系数为ka，摩擦力矩为fa；带轮b的相应参数分别为jb、kb、fb，
式中：ma和mb分别为电机和电机的输出扭矩。
1.2.3电机特性方程
1.2.4系统方程
将(10)、(11)、(14)、(15)式代入(12)、(13)式
由于两边带轮的折合转动惯量、速度阻力系数和摩擦力相差不大，可以认为：
1.3传统控制方法遇到的困难
如图3所示，系统输入为ua和ub，输出为xc，yc和θ。控制要求是：给定时间t＞0，使xc＞xm，｜yc｜＜ym,｜θ｜＜θm;其中，xm、ym和θm是对系统快速性和白线跟踪精度的要求。由(2)、(4)、(6)、(7)和(24)、(25)式可见，该系统是一个多输入多输出的非线性系统，位置参数(xc、yc)和姿态参数θ之间相互耦合，用传统方法设计控制器，困难较大，难以满足参加比赛的进度和可靠性要求。
2仿人智能控制的系统实现
2.1仿人智能控制的基本思想
对于复杂或未知的被控对象，熟练操作该对象的手动控制是一般控制所无法比拟的，仿人智能控制的基本思想就是：在对人的控制结构进行宏观模拟的基础上，进一步研究人的控制行为并加以模拟。一个控制系统的运行，实际上就是控制机构对控制问题的一个求解过程。仿人智能控制通过模拟熟练操作者的控制行为，实现对复杂或未知的被控对象的最佳控制。
2.2硬件结构
系统的硬件结构如图4所示：前、后和侧3组光电传感器采集地面颜色信号，每组各5个，共15个。传感器输出的电压经比较器转换为逻辑电平信号输入单片机。单片机根据输入信息，采用仿人智能算法，输出控制信号，经驱动电路，控制左、右电机运动。在到达预定位置后，依次输出继电器控制信号，完成投球动作。人机接口采用2×2键盘阵列和2位led数码管，可改变系统参数和显示系统所处状态。需要设置的参数存储在eeprom中，可通过键盘进行修改，便于系统参数的整定。
上述硬件结构中，光电传感器模拟驾驶员的眼睛，驱动电路模拟操纵杆，单片机模拟驾驶员的大脑。这是对驾驶员控制结构的模拟。而下面的仿人智能控制算法就是对驾驶员的控制行为的模拟。
2.3仿人智能控制算法
2.3.1直线跟踪算法
驾驶员在驾车跟踪直线时，双眼总是盯着前方的白线，使它位于车头的中间。如果出现了偏差，将根据偏差的大小进行调整。
