移动机器人曾是机器人爱好者与电影制片商多年的宠儿，近来世界各地发生的一系列事件可能会使它成为下一个重要技术。
要 点
●军队、执法部门、工业组织用无人驾驶移动机器人将大大减少在有害环境中作业的人员数量;
●用于移动机器人的嵌入式控制系统包括自主系统到人参与决策的系统;
●设计师必须从数百种直流、交流和步进电机中做出选择，以满足每种应用的特殊需求;
●现成的开发工具包可以简化电机机械特性与嵌入系统应用的整合工作。
虽然移动机器人的概念和工作硬件已经出现了几十年，但最近不断发生的自然灾害和持续的军事冲突又促使设计师以新的眼光去审视这一技术的能力。在有害环境或有潜在危险条件下用机电设备替代一个或多个人员的这一想法，已成为军事、执法部门、航天以及勘测项目中的重要内容。移动机器人技术的范围广泛，从带摄像头的独轮车，到携有军事装备的无人驾驶飞机，它可以挽救无数人的生命，因此成为最有希望的新开发项目。这类应用有硬件资源的限制，需要实时工作、紧凑的机械设计、电池工作，以及经济的软件，这些要求都是嵌入系统设计要考虑的问题。因此，机器人控制系统的设计对嵌入系统设计团队来说是符合逻辑的下一个步骤。
当前的产品代表了移动机器人设计的前沿技术。例如，iRobot 公司坚固的轻型 PackBot EOD（排爆）机器人可完成排除爆炸装置、处理有害物质、搜索与监视，以及拯救人质任务，可用于投弹小组、SWAT（特殊武器与战术）小组，以及军队单位（图 1）。PackBot 的操作系统可以向任何方向延伸至 2m 距离，拆除临时爆炸物、军用器械、地雷，以及其他燃烧装置。一个操作者即可携带及部署 PackBot EOD，其重量只有约 53 磅。机身内有8个货仓，每个货仓都装有可互换的有效载荷模块，如视频、音频、化学以及生物传感器、地雷探测器、探地雷达以及额外电源。坚固的操控单元可以进行无线遥控管理以及传感器显示。iRobot 公司首席执行官和创始人之一的 Colin Angle 很强调机器人技术的成本效益，他说：“由于美国介入了全球的冲突，使得我们的军事资源与财政资源远远超出了我们原来的规划。我们一半以上的现役部队部署在海外，过去四年里，还动员了三个预备役部队中的一个。财政费用正呈指数增长，需要用基本的技术变革来控制成本与人力需求。”
DARPA（美国国防高级研究计划局）将目光投向用无人车辆经过敌占区来提供供应与装备的项目，发起了 2005 年 10 月 8 日的 Grand Challenge 大赛（图 2）。该比赛的目的是加快地面车辆自主行驶技术的研发，该技术将有助于拯救战场上士兵的生命。以最快速度穿越 Southwest Mojave 沙漠的团队将赢得200万美元的大奖。DARPA 局长 Anthony J Tether 认为：“这一比赛项目对美国的创造能力是一个考验。它吸引了许多个人与团体，包括研发组织、工业、政府、武装部队、学术界以及专业社团，还有很多学生、私人发明家和汽车爱好者。”斯坦福大学的团队用它的“Stanley”机器人汽车将奖金收入囊中，该团队采用内燃机推动的车辆Wolkswagen Touareg R5，它在不到七小时内完成了 132 英里的路程，平均速度为 19.1 mph。Stanley 上有7块奔腾 M 处理器，一个全球定位系统，一个雷达系统，4个激光测距仪，以及一个立体摄像系统。另外，它还有一个惯性测量单元，用以估算车辆相对于地面的倾斜程度。完成整个行程的还有另外4支队伍。
机器人运动
运动控制是机器人的基础，设计师经常采用计算机控制的电机或致动器。嵌入式系统设计师在电子应用初期就采用电磁控制电路，为电机、继电器、螺线管和扬声器提供激励，但现今的运动控制技术则更加复杂，因为系统要求多个电机或致动器之间的协调实现精确运动。设计师通常选用直流电机或步进电机作精密运动控制。可以将每种类型电机用于开环情况下，或使用电机自身反馈或设备中其它部分的反馈，以保证精度。每种类型的电机都有无数种变体，它们有各自的优点、缺点以及最适宜的应用。
步进电机是最流行的机器人运动控制设备，因为它们能够以非连续的步长进行运动，产生精确的角度位置信息，也相对比较容易控制。步进电机的转子由按照串联电极排列的永磁体构成，它们决定了每步的大小。定子中含有多个绕组，产生的磁场与转子的永磁体之间产生互相作用。控制电路产生的一个脉冲序列使定子绕组的电源接通和中断，电机便产生正向或反向旋转。定子脉冲序列反向就会改变旋转方向，而由脉冲的频率控制旋转速度。要使一个步进电机旋转，必须不断地使绕组通电和断电。反之，如果一个绕组持续给予能量，则电机会停止旋转，通过
无刷霍尔效应
直流电机的一个最常见变体可以消除电致噪声，电刷也易于维护，但牺牲了控制器的简单性。无刷直流电机基本上是一个同步电机，转子采用永磁体，定子使用绕组。定子绕组排列成三相 Y 型连接，具有不规则四边形的转矩特性。通电后的定子绕组会产生电磁极性，吸引转子，产生转矩。当在定子相位上施加合宜顺序的电压时，就可以在定子上建立并维持一个旋转磁场。定子电流必须与转子磁场同步才能产生转矩。大多数无刷直流电机采用霍尔效应传感器来读取电机的旋转位置，使控制器以合适的顺序切换三个绕组相位的通断，从而产生旋转运动。
当运动控制问题变得越来越复杂时，如需要协调运动或复杂的运动模式，设计师就会转而用专用处理器或 DSP 来计算实时的轨道。例如，Technosoft 公司的 MCK240 DSP 运动控制工具包是一个用于德州仪器公司 TMS320F240 DSP 控制器的评估与开发包。该工具包带有一个板内的 50W、三相变换器，以及一个带霍尔传感器的无刷电机和一个 500 线的译码器。用变换器低侧脚或直流路径的内置电流反馈能够开发和实现大量的控制算法，包括无传感器方案。PC 与 DSP 板之间的所有通信均通过 RS-232 接口进行，采用闪存内的监控软件完成下载、上载、调试和检查功能。该工具包含有一个图形化的运动控制、评估以及分析软件包，以及一套立即可用的范例（图 3）。MCK240 价格约为 1250 美元。
另有几家运动控制供应商为移动机器人系统提供现成控制器。Roboteq 公司提供基于微计算机的双通道直流电机控制器，它可以在电压高至 40V 时直接提供每通道 60A 的连续驱动电流。AX3500 面向移动机器车辆的设计者，包括自动导向车辆、水下遥控作业车，以及用于爆炸、有害物质处理、军队和监控应用的移动机器人（图 4）。OEM 版本有一个 4.2×6.75英寸电路板，可从一个串行接口或标准遥控无线电接受机器人应用程序的指令。开发者可以使用 AX3500 串行口连接单板机、无线调制解调器或无线局域网适配器，设计出完全自主运动或半自主的机器人。控制器的两个通道可以独立工作，也可以将两个通道合并起来，协调车辆两侧的运动，从而确定车辆的方向和旋转。电机以开环或闭环的速度或位置模式工作。AX3500 包括用于两个正交译码器的输入和用于速度与里程测量的四个限位开关。AX3500 具有智能电流检测功能，以及自动将每通道的功率输出限制为高达 60A 的用户预设值。AX3500 已有现货，每只单价为 395 美元，附带有一个接口电缆和以PC为基础的配置软件。
业余爱好的贡献
移动机器人收到来自工程师和玩战斗机器人娱乐游戏爱好者的大量研发、软件以及试错测试工作成果。这些战斗机器人使用了直流电机、电池和遥控电子装置，以及各种压制和摧毁对方的武器。这些机器人的身手灵活与否直接依赖于直流电机控制器。多家公司都提供现成的控制器，可支持战斗状态下所需的高压与大电流。有一个项目对设计工程师来说是最有用的，这就是 OSMC（开放源电机控制器）项目。该项目起始于互联网上的一个合作，试图为采用永久磁铁直流电机的战斗机器人设计并实现一种大功率、H 桥电机控制系统。你可以购买套件，或从 www.robot-power.com 免费下载 OSMC 电路板的图解、元器件列表和软件。另外还可以加入 OSMC 项目，最新项目进展请关注 http://g
