競賽用搬運(yùn)機(jī)器人控制優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

廖曾喜， 董 胡， 童 欣

(長沙師范學(xué)院 電子與信息工程系, 長沙 410100)

競賽用搬運(yùn)機(jī)器人控制優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

廖曾喜， 董 胡， 童 欣

(長沙師范學(xué)院 電子與信息工程系, 長沙 410100)

近年來，“中國教育機(jī)器人大賽”作為創(chuàng)新教育的一種新形式，在全國有了較大的發(fā)展。作為大賽用的搬運(yùn)機(jī)器人是一種被廣泛研究的機(jī)器人，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)目標(biāo)物體的搬運(yùn)。圍繞搬運(yùn)機(jī)器人比賽的要求，對(duì)控制器、程序下載電路、電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等模塊進(jìn)行選擇和優(yōu)化，采取舵機(jī)帶動(dòng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的方法來實(shí)現(xiàn)物料的夾取，確定了搬運(yùn)機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)方案；同時(shí)給出了搬運(yùn)機(jī)器人的軟件控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)測試表明優(yōu)化設(shè)計(jì)的搬運(yùn)機(jī)器人能更好地完成搬運(yùn)任務(wù)。

創(chuàng)新教育； 搬運(yùn)； 機(jī)器人； 優(yōu)化設(shè)計(jì)； 競賽

0 引言

機(jī)器人技術(shù)是一個(gè)國家科技水平的重要標(biāo)志和體現(xiàn)，它在社會(huì)生產(chǎn)的許多方面都得到了廣泛的應(yīng)用，近年來，隨著計(jì)算機(jī)的廣泛普及，機(jī)器人逐漸由工業(yè)生產(chǎn)，走向了人們的生活，如此廣泛的應(yīng)用使得提高全體國民對(duì)機(jī)器人的理解顯得尤為重要，普及機(jī)器人教育勢在必行。為了普及機(jī)器人科學(xué)技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力，促進(jìn)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外相繼出現(xiàn)了一系列的機(jī)器人競賽，機(jī)器人競賽是一種高技術(shù)對(duì)抗活動(dòng)，它涉及人工智能、智能控制、機(jī)器人、通信、傳感器等多個(gè)領(lǐng)域的前沿研究和技術(shù)融合，集高技術(shù)、娛樂和比賽于一體，引起了社會(huì)的廣泛關(guān)注和極大興趣[1][2]。機(jī)器人競賽和機(jī)器人教育對(duì)高科技社會(huì)的巨大影響已經(jīng)引起了美國、歐洲、日本等發(fā)達(dá)國家和亞洲各國的高度重視，也得到了我國教育界的極大關(guān)注，機(jī)器人賽事不斷。目前，全球每年有一百多項(xiàng)機(jī)器人競賽，參加人員從小學(xué)生、中學(xué)生到大學(xué)生[3]。然而，針對(duì)中國機(jī)器人大賽中的搬運(yùn)比賽項(xiàng)目，目前還沒有一個(gè)公共的硬件平臺(tái)，由于廠家生產(chǎn)的競賽用搬運(yùn)機(jī)器人成本也較高，國內(nèi)對(duì)于競賽用搬運(yùn)機(jī)器人的研究也相對(duì)較少，因此本文考慮優(yōu)化設(shè)計(jì)一款能夠滿足比賽要求的、低成本的、可用于教學(xué)的且搬運(yùn)速度較快的機(jī)器人。

1 競賽用搬運(yùn)機(jī)器人硬件控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 控制器芯片選擇

搬運(yùn)機(jī)器人微控制器芯片使用Atmel公司的AT89S52芯片，它是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K 系統(tǒng)可編程Flash 存儲(chǔ)器，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，256字節(jié)RAM，32位I/O口線等配置，完全滿足本設(shè)計(jì)要求。

1.2 程序下載電路優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)于競賽用搬運(yùn)機(jī)器人，需要在比賽現(xiàn)場進(jìn)行程序下載，由于筆記本電腦因?yàn)榭臻g的限制和其他方面考慮的原因沒有串口，甚至一些臺(tái)式電腦也取消了串口配置[4]。這給參加機(jī)器人競賽現(xiàn)場調(diào)試帶來不便。本設(shè)計(jì)采用USB轉(zhuǎn)串口模塊實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與電腦之間通信，方便程序的下載。程序下載電路，如圖1所示。

圖1 程序下載電路圖

1.3 電源模塊優(yōu)化設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用兩節(jié)3.7 V、3000 mAh的鋰電池供電，為滿足傳感器、單片機(jī)、舵機(jī)正常工作的工作要求，本設(shè)計(jì)將電壓分為7.4 V和5 V二個(gè)檔位。5 V的電壓是通過穩(wěn)壓電路的輸出獲得的，它為單片機(jī)、灰度傳感器、物料顏色傳感器等提供電源。穩(wěn)壓電路，如圖2所示。

圖2 穩(wěn)壓電路圖

1.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路優(yōu)化設(shè)計(jì)

搬運(yùn)機(jī)器人的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用L298N作為驅(qū)動(dòng)芯片，用1片L298N可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)。L298N內(nèi)部包括 H型電路，該電路可以簡單方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)直流減速電機(jī)的控制，簡化了硬件電路的結(jié)構(gòu)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，如圖3所示。

1.5 地面灰度檢測電路優(yōu)化設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)地面灰度傳感器由白光LED和光敏電阻組成。通過發(fā)光二極管LED照亮地面，地面的反射光線被光敏電阻接收，電阻值會(huì)根據(jù)反射光線強(qiáng)弱而發(fā)生變化[5]。地面顏色越深，吸收光線的能力越強(qiáng)，則光敏電阻接受到的反射光線越弱，光敏電阻值越大，則地面灰度傳感器的輸出電壓也越大；反之，地面灰度淺，輸出電壓小。機(jī)器人底部的八個(gè)灰度傳感器H0～H7分別與單片機(jī)的8個(gè)ADC轉(zhuǎn)換輸入通道：ADC0(P1.0)、ADC1(P1.1)、ADC2(P1.2)、ADC3(P1.3)、ADC4(P0.0)、ADC5(P0.1)、ADC6(P0.2)、ADC7(P0.3)相連接，地面灰度檢測電路，如圖4所示。

圖3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖

圖4 地面灰度檢測電路圖

經(jīng)地面灰度傳感器得到的是模擬信號(hào)，然后經(jīng)過片內(nèi)模數(shù)轉(zhuǎn)換得到二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果，地面顏色越深，轉(zhuǎn)換的數(shù)值越大；地面顏色越淺，轉(zhuǎn)換的數(shù)值越小。

1.6 物料顏色檢測電路優(yōu)化設(shè)計(jì)

物料顏色檢測電路，如圖5所示。

圖中LED為白光光源，TCS3200D的S0、S1接高電平，選擇100%的輸出比例因子；S2、S3由單片機(jī) AT89S52的P2.0、P2.1控制，選擇所需的光電二極管類型；使能端OE接低電平；TCS3200的輸出引腳連接到 AT89S52的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1的輸入端(T1)。通過設(shè)置AT89S52定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0為定時(shí)器方式，定時(shí)一段時(shí)間。用計(jì)數(shù)器T1對(duì)TCS3200的輸出脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，確定R、G、B值及顏色。

圖5 物料顏色檢測電路

2 競賽用搬運(yùn)機(jī)器人軟件控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)主程序優(yōu)化設(shè)計(jì)

搬運(yùn)機(jī)器人的控制主程序的主要任務(wù)是完成系統(tǒng)的初始化、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、地面灰度傳感器、物料顏色傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)等。系統(tǒng)初始化，單片機(jī)發(fā)送指令，執(zhí)行相應(yīng)的程序，驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂抓取物塊或機(jī)器人作相應(yīng)的前、后、左、右運(yùn)動(dòng)。當(dāng)傳感器檢測到前方有障礙物時(shí)，信號(hào)反饋給單片機(jī)，進(jìn)入避障處理服務(wù)子程序，實(shí)施避障，主程序流程圖，如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)主程序流程圖

2.2 障礙物檢測程序優(yōu)化設(shè)計(jì)

搬運(yùn)機(jī)器人的障礙物檢測模塊使用的光電傳感器是數(shù)字型傳感器[6][7]，在沒有檢測到障礙物的狀態(tài)下傳感器輸出為高電平，當(dāng)檢測到障礙物時(shí)傳感器輸出為低電平。設(shè)置光電傳感器所連接的I/O口設(shè)置為下降沿觸發(fā)中斷，機(jī)器人運(yùn)行，當(dāng)單片機(jī)檢測到由障礙物引起的中斷的時(shí)候，就可以判斷到底是由哪一路光電傳感器檢測到障礙物，從而確定障礙物所在的具體位置，使機(jī)器人采取相應(yīng)的動(dòng)作避開障礙物。其障礙物檢測程序流程圖，如圖7所示。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方法

實(shí)驗(yàn)設(shè)備有：計(jì)算機(jī)1臺(tái)，搬運(yùn)機(jī)器人1臺(tái)，紅、黃、藍(lán)、黑、白物料各1塊，秒表1塊，搬運(yùn)場地圖1張。按白、黑、紅、黃、藍(lán)的順序擺好物料于比賽地圖上對(duì)應(yīng)位置，調(diào)整好機(jī)器人電源，下載編寫的搬運(yùn)程序，讓機(jī)器人從出發(fā)區(qū)出發(fā)，自動(dòng)尋找物料，觀察機(jī)器人的行進(jìn)路線以及對(duì)物料顏色判斷是否正確，直到機(jī)器人回到出發(fā)區(qū)，記錄機(jī)器人從出發(fā)到停止所用時(shí)間。如此反復(fù)，共測試3次。

圖7 障礙物檢測程序流程圖

3.2 測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

搬運(yùn)機(jī)器人分別進(jìn)行了3次物料搬運(yùn)測試實(shí)驗(yàn)，如表1所示。

表1 搬運(yùn)機(jī)器人測試結(jié)果記錄表

每次搬運(yùn)實(shí)際所花時(shí)間均低于競賽規(guī)定最低時(shí)間，整體測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果良好。此外，競賽用搬運(yùn)機(jī)器人綜合運(yùn)用了多種傳感器，不僅簡化了程序的編寫，而且增進(jìn)了機(jī)器人搬運(yùn)的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。

4 總結(jié)

為了滿足比賽要求的、低成本的、可用于教學(xué)的且搬運(yùn)速度較快的機(jī)器人，以簡單、高效的原則優(yōu)化設(shè)計(jì)了一款基于51單片機(jī)的競賽用搬運(yùn)機(jī)器人。機(jī)器人采用鋰電池供電，擺脫了交流電源束縛；采用USB轉(zhuǎn)串口模塊實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與電腦之間通信，方便程序的下載；機(jī)器人的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用L298N作為驅(qū)動(dòng)芯片，便于實(shí)現(xiàn)對(duì)直流減速電機(jī)的控制，簡化了硬件電路的結(jié)構(gòu)；采用灰度傳感器片內(nèi)模數(shù)轉(zhuǎn)換對(duì)地面顏色進(jìn)行判斷，進(jìn)而選擇機(jī)器人前進(jìn)路線。采取舵機(jī)帶動(dòng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的方法來實(shí)現(xiàn)物料的夾取。同時(shí)給出了搬運(yùn)機(jī)器人的軟件控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)測試表明，優(yōu)化設(shè)計(jì)的搬運(yùn)機(jī)器人能更好地完成搬運(yùn)任務(wù)，完全滿足實(shí)際競賽任務(wù)要求。

[1] 嚴(yán)錫君,趙光辰.面向目標(biāo)搜索的輪式機(jī)器人的設(shè)計(jì)與研究[J].微型電腦應(yīng)用,2014, 30(8):4-7.

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Research and Design of Control Optimization for Transfer Robot Using Competition

Liao Zengxi,Dong Hu,Tong Xin

(Electronic and Information Department, Changsha Normal University, Changsha 410100, China)

Recently, "China Education Robot Competition", as a new form of innovation education, has a larger development in our country. Transfer robot is a kind of robot which is widely researched for competition. Its main purpose is multiple objects transferring. According to the requirements of transferring robot competition, controller, program download circuit, power supply module, motor drive circuit module are all selected and optimized. The material is clipped that steering gear drives the movement of manipulator, and the overall design plan of transferring robot is realized. The optimization design of transfer robot software control system is advised. The experiment is tested and verified the optimization design of transfer robot can complete the task of transferring.

Innovation education; Transfer; robot; Optimization design; Competition

湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(874)；長沙師范學(xué)院大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目(DXYC201612,DXYC2015)

廖曾喜(1996-)，男，長沙師范學(xué)院電子與信息工程系學(xué)生，研究方向：電子設(shè)計(jì)技術(shù) 董 胡(1982-)，男，長沙師范學(xué)院，講師，碩士，研究方向: 嵌入式技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)及信號(hào)處理 童 欣(1983-)，男，長沙師范學(xué)院，講師，碩士，研究方向:電子設(shè)計(jì)與機(jī)器人技術(shù)

1007-757X(2017)03-0021-04

TP339

A

2016.10.27)