單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)研究——輪式移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

米秀杰

MI Xiu-jie

（長春職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長春 130033）

0 引言

機(jī)器人技術(shù)是一種面向未來的現(xiàn)代化技術(shù)，機(jī)器人技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、基因技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等一樣，屬于高新技術(shù)。機(jī)器人的定義是多種多樣的，在英文中機(jī)器人名為Robot，在1920年捷克作家卡雷爾·卡佩克（Karel Capek）的劇本《Rossum's Universal Robots》中首次出現(xiàn)，劇本中文意思為“羅薩姆的萬能機(jī)器人”。Robot為劇中的機(jī)器人，在捷克語中意為“苦力”，“奴隸”，英文的Robot 由此而來。1979年美國機(jī)器人協(xié)會將機(jī)器人定義為：“可重復(fù)編程的多功能操縱器，設(shè)計(jì)成通過不同的編程動(dòng)作為執(zhí)行多種任務(wù)移動(dòng)原料、部件、工具或?qū)ｉT的設(shè)備。我國科學(xué)家對機(jī)器人的定義是：“機(jī)器人是一種自動(dòng)化的機(jī)器，所不同的是這種機(jī)器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動(dòng)作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動(dòng)化機(jī)器”。

1 輪式移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

輪式移動(dòng)機(jī)器人（Wheeled Mobile Robot-WMR）系統(tǒng)主要包括：機(jī)械結(jié)構(gòu)、直流伺服電機(jī)、電源、測速元件、CCD攝像頭、微控制器、功率驅(qū)動(dòng)模塊等。

1.1 移動(dòng)機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)

1.1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

機(jī)器人的移動(dòng)方式有很多種，但大致就分為兩種：車輪式和足步式兩種，車輪移動(dòng)方式的大部分技術(shù)比較成熟，控制也比較容易，而足步行走方式控制要困難得多，但隨著傳感器技術(shù)與微控制器的發(fā)展，已經(jīng)有了很大的進(jìn)展。

本文所研究的WMR采用車輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)。它有三個(gè)車輪，其中前輪為從動(dòng)輪，為萬向自由輪，選用直徑為100mm的萬向夾板輪；后兩輪為驅(qū)動(dòng)輪，固定式不可轉(zhuǎn)向，且相互獨(dú)立，選用硬橡膠夾板輪，直徑為200mm。兩個(gè)后輪各由一個(gè)200mm長的軸和軸承座固定在底板上，每個(gè)輪子有獨(dú)立的電氣驅(qū)動(dòng)模塊和變速機(jī)構(gòu)，變速機(jī)構(gòu)采用鏈條傳動(dòng)裝置。

機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)較為簡單，外觀上主體有圓形底座、長方形保護(hù)殼與攝像頭等。底座選用8mm厚的鋁板，能夠承受系統(tǒng)所需要的重量和強(qiáng)度，輪子、電機(jī)及傳動(dòng)裝置與碼盤等都固定在其上。保護(hù)殼為3 mm厚的鋁板，上面固定有鋁型材支架，里面裝有控制驅(qū)動(dòng)電路板和供電電源模塊。總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 WMR的總體結(jié)構(gòu)

1.1.2 電氣結(jié)構(gòu)

輪式移動(dòng)機(jī)器人的電氣結(jié)構(gòu)，包括電源模塊、傳感器及其接口、控制電路、CCD攝像頭、直流伺服電機(jī)等。

1）電源

WMR是獨(dú)立行走的系統(tǒng)，控制電路板和光電編碼器需要有+5 V的電壓，功率驅(qū)動(dòng)模塊需要有12V電壓，電機(jī)額定電樞電壓和勵(lì)磁電壓為24V。本課題中選用了4個(gè)12V的蓄電池，分為兩組，一組串聯(lián)為電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)，一組通過電源模塊為控制器和傳感器供電。

2）傳感器

本課題中采用的光電編碼器用來檢測機(jī)器人移動(dòng)速度，檢測機(jī)器人所處環(huán)境及狀況的是外部傳感器，用來攝取環(huán)境信息的攝像頭，用來檢測當(dāng)前障礙物距離的超聲波傳感器，有軌引導(dǎo)中使用的電磁感應(yīng)器，都是外部傳感器。

3）控制電路

控制系統(tǒng)中主要采用了ATMEL公司的AT90S8515微控制器，主要因?yàn)樗袃陕稰WM輸出，非常適合用來控制兩個(gè)直流伺服電機(jī)?？刂齐娐分羞€包括光電編碼器計(jì)數(shù)模塊、串行通訊模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、按鍵模塊等。

4）CCD攝像機(jī)及鏡頭

CCD攝像機(jī)采用臺灣敏通公司生產(chǎn)的MINTRON6482PD型攝像機(jī)，工作電壓為直流12V。將它安裝在移動(dòng)機(jī)器人的正前方，鏡頭的視場范圍為車體前方大約0.5米到10米。攝像機(jī)安裝在車體前端的柱子上，高度可以自由調(diào)節(jié)，鏡頭的安裝位置根據(jù)目標(biāo)的質(zhì)心高度來定，考慮到搜索目標(biāo)主要是地面目標(biāo)，鏡頭稍微向下傾斜。為了使目標(biāo)成像能有一定的清晰度，本課題中選用了焦距為6mm的固定焦距鏡頭，有很大的景深，調(diào)好像距范圍后，就能使目標(biāo)在鏡頭前0.9~10m的范圍內(nèi)有良好的清晰度。

1.2 機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.2.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文主要研究移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的移動(dòng)控制，未涉及機(jī)械手操作等特定任務(wù)實(shí)現(xiàn)控制。移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)本身對位置伺服的要求比較高，對速度也有一定的控制要求，所以一般都采用閉環(huán)控制?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2.2 AT90S8515控制器介紹

AT90S8515是基于AVR增強(qiáng)性能、RISC結(jié)構(gòu)的低功耗、CMOS技術(shù)、八位微控制器（Enhanced RISC Microcontrollers）。AVR核為32個(gè)通用寄存器與豐富指令集。32個(gè)寄存器全部與運(yùn)算邏輯單元連接，使得可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行一條指令訪問到兩個(gè)獨(dú)立寄存器。

AT90S8515具有8K字節(jié)可下載的Flash存儲器，512字節(jié)的RAM，32條通用I/O線，512字節(jié)EEPROM，帶比較模式的靈活性定時(shí)器，可編程的串行UART，內(nèi)部及外部中斷，帶內(nèi)部晶振的可編程看門狗（WDT）定時(shí)器；一個(gè)為下載程序而設(shè)計(jì)的SPI串行口，以及2個(gè)可通過軟件選擇的省電模式。四個(gè)8位雙向I/O口A，B，C，D，A，B，C口中每個(gè)引腳內(nèi)部都有上拉電阻，輸出緩沖器可以吸收20mA的電流，A,C口除可用作通用I/O口功能外，還可以類似51系列一樣，使用外部SRAM時(shí)，前者作為復(fù)用的地址/數(shù)據(jù)口，后者作為地址輸出，D口還具有其它許多功能。

總之，以AT90S8515作為嵌入式高效微控制器，無需額外的程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、PWM控制專用芯片，大為簡化了系統(tǒng)的硬件，其內(nèi)部的看門狗電路及相應(yīng)指令控制，提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性，與51系列單片機(jī)相比，性能上要強(qiáng)得多。

1.2.3 硬件設(shè)計(jì)

課堂中，教師提供實(shí)驗(yàn)器材，鼓勵(lì)學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，小組討論制定實(shí)驗(yàn)方案。同時(shí)，教師巡視指導(dǎo)，選取實(shí)驗(yàn)方案展示，并組織其他小組進(jìn)行討論、補(bǔ)充、修正，確定方案。最后，教師可以選擇用表格的形式（表1）直觀呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)步驟，使學(xué)生認(rèn)識到確定、控制變量與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)之間的關(guān)系，促進(jìn)學(xué)生對控制變量的理解和運(yùn)用，幫助其領(lǐng)會實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路，提高科學(xué)思維能力。

1）LEC5OE光電編碼器及測速

光電編碼器俗稱碼盤，是一種通過光電轉(zhuǎn)換將軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。光電編碼器的基本結(jié)構(gòu)由旋轉(zhuǎn)軸上的編碼圓盤以及裝在圓盤兩側(cè)的發(fā)光元件和光敏元件組成。圓盤上規(guī)則地刻有透光和不透光的線條或孔，當(dāng)圓盤隨著轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，光敏元件接收的光通量強(qiáng)弱隨著光線條同步變化，光敏元件波形經(jīng)過整形輸出變?yōu)槊}沖輸出。一般圓盤上還設(shè)有定相標(biāo)志，產(chǎn)生零信號，每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生一個(gè)，又稱基準(zhǔn)脈沖。此外為判斷旋轉(zhuǎn)方向，可提供A，B兩路相位相差90°的脈沖信號。

本系統(tǒng)中所采用的是增量式光電編碼器LEC-2400BM-GOSE作為WMR的速度檢測傳感器。它的主要技術(shù)指標(biāo)為：

（1）每轉(zhuǎn)輸出2400個(gè)幅值為5V、占空比為50%的脈沖信號

（2）零位脈沖信號寬度：1±0.5p

（3）信號位置精度：0.1p

2）光電編碼器的計(jì)數(shù)與鑒向

本系統(tǒng)采用的增量式光電編碼器，在同等精度下較絕對式編碼盤有結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜，設(shè)計(jì)硬件電路簡單等優(yōu)點(diǎn)。光碼盤主要有兩種基本的計(jì)量方法，方法一，根據(jù)A（B）相脈沖信號的邏輯電平值進(jìn)行計(jì)數(shù)操作，并判斷出光碼盤的運(yùn)動(dòng)方向，若為高電平，則認(rèn)為光碼盤正轉(zhuǎn)，計(jì)數(shù)器加1；若為低電平，則認(rèn)為光碼盤逆轉(zhuǎn)，計(jì)數(shù)器減1。硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)，該方法只需一組雙向可逆計(jì)數(shù)器。方法二，光碼盤正轉(zhuǎn)時(shí)，A相脈沖上跳沿對應(yīng)B相脈沖為高電平，則一組計(jì)數(shù)器加1；光碼盤逆轉(zhuǎn)時(shí)，B相脈沖上跳沿對應(yīng)A相脈沖為高電平，則另一組計(jì)數(shù)器加1，兩組計(jì)數(shù)器的結(jié)果相減即可確定絕對位移量和方向。這種方法需要二組計(jì)數(shù)器，且不能直接給出方向狀態(tài)信息或最終方向結(jié)果。

1.3.1 鍵盤掃描程序

鍵盤掃描程序流程圖如圖3所示。初始化時(shí)將PD4、 PD6定義為輸出、高電平，PC4~PC7定義成輸入，正常情況下為高電平。當(dāng)掃描按鍵時(shí)，依次將PD4和PD6置為低電平，讀PC4、PC7值，從而識別有無鍵按下以及哪個(gè)鍵被按下。相應(yīng)鍵的功能定義有：啟動(dòng)、停止、直行、繞行、左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎、加速、減速（均在預(yù)先設(shè)置的速度等信息情況下）。

1.3.2 光電編碼脈沖計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)速讀取程序

轉(zhuǎn)速讀取程序流程圖如圖4所示。

1.3.3 主控程序

給出程序流程如圖所示。系統(tǒng)的初始化在進(jìn)行Il0口初始化，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器初始化，數(shù)據(jù)參數(shù)初始化包括給定轉(zhuǎn)速初始化，默認(rèn)移動(dòng)機(jī)器人行進(jìn)方式初始化、PID參數(shù)初始化等。程序設(shè)計(jì)中，為了避免使用浮點(diǎn)數(shù)出現(xiàn)大量代碼而執(zhí)行效率低，在數(shù)據(jù)運(yùn)算處理中，大多采用整型。在很多情況下，能忽略小數(shù)點(diǎn)部分對整個(gè)數(shù)值的影響，就省略小數(shù)點(diǎn)部分，改為整型數(shù)。如果中間變量為浮點(diǎn)型且不能忽略小數(shù)點(diǎn)，可將中間變量乘以2n或更直觀的10n，轉(zhuǎn)換為長整型數(shù)，其中乘以2 n可以使用移位方式實(shí)現(xiàn)，速度快，而乘以10n生成的代碼量較大而速度較慢。在最后運(yùn)算時(shí)除去相應(yīng)的2n或10n恢復(fù)原值。程序經(jīng)ICE200仿真調(diào)試驗(yàn)證無誤后，使用RF810編程器寫入AT90S8515。

流程圖如圖5所示。

圖4 轉(zhuǎn)速讀取程序流程圖

圖5 主控程序流程

2 結(jié)束語

機(jī)器人能做許多人類無法做的工作，它無需像人類那樣的工作環(huán)境，只要機(jī)器不壞，可以長時(shí)間的進(jìn)行工作。但機(jī)器人在自由度，靈巧度，傳感能力等方面有其局限性，相信在不斷的發(fā)展中，這些方面將得到逐步的改善。

[1]吳瑞詳.機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2000.

[2]蔣新松.機(jī)器人與工業(yè)自動(dòng)化[M].石家莊：河北教育出版社,2003.

[3]朱世強(qiáng).機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用[M].杭州：浙江大學(xué)出版社,2000.