基于負壓的移動機器人系統(tǒng)研究與設計

周豪 王龍 劉杰 胡宇閣 段文軒

摘 要：本文主要設計基于負壓的移動機器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)由 STC32G12K128微控制器為核心控制單元，通過8個電磁傳感器采集電磁導線的信號以識別路徑，使用帶方向編碼器檢測車輪的實時速度，實現(xiàn)了對移動機器人運動速度和運動方向的閉環(huán)控制，并且使用霍爾傳感器檢測斑馬線位置以實現(xiàn)入庫。結合物理模型對行車最優(yōu)路徑進行規(guī)劃，利用PID控制算法調(diào)節(jié)雙電機輸出，達到對轉向、速度和差速的控制。

關鍵詞：負壓；最優(yōu)路徑；PID控制

一、負壓移動機器人系統(tǒng)總體結構設計

該系統(tǒng)以STC32單片機作為核心控制器，在IAR開發(fā)環(huán)境中進行軟件開發(fā)。通過電感采集電磁信息，經(jīng)過整流檢波后傳入STC32微控制器，進行進一步處理獲得主要的路徑信息；通過編碼器來檢測車速，并通過單片機進行正交解碼進行脈沖計算獲得速度和路程；轉向舵機采用PD控制；驅動電機采用PI控制，通過PWM控制驅動電路調(diào)整電機的功率；而車速的目標值由默認值、運行安全方案和基于圖像處理的優(yōu)化策略進行綜合控制；本次路徑中元素繁多，為了更好得采集路徑元素的信息增加傳感器是必然的，選擇紅外模塊進行測距，利用陀螺儀獲取車身姿態(tài)實現(xiàn)出入車庫，提高判斷穩(wěn)定性。系統(tǒng)總體結構如圖1所示。

二、負壓移動機器人系統(tǒng)硬件設計

（一）驅動模塊設計

該系統(tǒng)有兩個直流電機，采用MOS管組成全橋驅動來驅動直流電機，MOS管型號為TPNIR403NL，它具有集成度高、外接電路少、內(nèi)阻小等特點。利用8片IR組成兩個全橋驅動分別驅動兩個直流電機.驅動電路如圖2所示。

（二）信號隔離模塊設計

電機在頻繁控速的過程中可能會產(chǎn)生很大的沖擊電流，在電機調(diào)速設計中，為了保護單片機，防止驅動故障造成大面積硬件損壞，因此單片機到電機驅動模塊的輸入之間必須做好隔離措施，隔離器件包括光耦隔離器和數(shù)字隔離器等，在綜合考慮了電路體積、供電、響應速度后，選用了SN74HC125pwr數(shù)字隔離器作為電機驅動信號的隔離，電路如圖3所示。

（三）電路板設計

綜合考慮驅動性能、重心、維修難易等因素，本文選擇將電路板模塊化設計，采用主控板、驅動、運放板分離的方法，另外這樣單獨設計驅動板也可以在驅動板上可以留出足夠的布線空間來保證驅動的性能，同時，主控板、驅動板和運放板的分離極大的降低了維修的難度。

三、負壓移動機器人系統(tǒng)軟件設計

在工程實際中，應用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制。PID控制器以其結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術之一。當被控對象的結構和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學模型時，控制理論的其它技術難以采用時，系統(tǒng)控制器的結構和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應用PID控制技術最為方便。PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值與實際輸出值構成控制偏差。將偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制，故稱PID控制器，原理框圖如圖5所示。

圖5 控制框圖

【參考文獻】

[1] 李林琛， 蔣小平，等.基于 PID 控制的移動機器人路徑跟蹤[J].激光雜志， 2016， 37（02）： 110-112..

[2] 吳善強. 低噪聲負壓吸附爬壁機器人系統(tǒng)的研究[D].哈爾濱工業(yè)大學，2007.