1 引言
輪式移動(dòng)機(jī)器人是機(jī)器人研究領(lǐng)域的一項(xiàng)重要內(nèi)容．它集機(jī)械、電子、檢測(cè)技術(shù)與智能控制于一體。在各種移動(dòng)機(jī)構(gòu)中，輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)最為常見(jiàn)。輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)之所以得到廣泛的應(yīng)用。主要是因?yàn)槿菀卓刂破湟苿?dòng)速度和移動(dòng)方向。因此．有必要研制一套完整的輪式機(jī)器人系統(tǒng)。并進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和控制算法研究。筆者設(shè)計(jì)和開發(fā)了基于5l型單片機(jī)的自動(dòng)巡線輪式機(jī)器人控制系統(tǒng)。
摘 要：設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)巡線輪式行走機(jī)器人控制系統(tǒng)，采用AT89S52型單片機(jī)作為主控CPU，外加一個(gè)復(fù)雜可鳊程邏輯器件(CPID)協(xié)助CPU處理數(shù)據(jù)，擴(kuò)展了程序參數(shù)存儲(chǔ)器，能夠進(jìn)行檢測(cè)引導(dǎo)線和直流電機(jī)、舵機(jī)的PWM控制。
關(guān)鍵詞：控制系統(tǒng)；復(fù)雜可編程邏輯器件；存儲(chǔ)器；光電檢測(cè)；脈沖寬度調(diào)制
2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
機(jī)器人控制系統(tǒng)由主控制電路模塊、存儲(chǔ)器模塊、光電檢測(cè)模塊、電機(jī)及舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等部分組成，控制系統(tǒng)的框圖如圖1所示。
3 主控制模塊設(shè)計(jì)
3．1 CPLD設(shè)計(jì)
在機(jī)器人控制系統(tǒng)中．需要控制多個(gè)電動(dòng)機(jī)和行程開關(guān)．還要進(jìn)行光電檢測(cè)．如果所有的任務(wù)都由AT89S52型單片機(jī)來(lái)完成．CPU的負(fù)擔(dān)就會(huì)過(guò)重。影響系統(tǒng)的處理速度。因此擴(kuò)展1個(gè)CPLD．型號(hào)為EPM7128。它屬于．MAX7000系列器件。包括2個(gè)通用1/0口．2個(gè)專用I／O口，專用I／O口可作為每個(gè)宏單元和輸入輸出引腳的高速控制信號(hào)(時(shí)鐘、清除和輸出使能等)，電動(dòng)機(jī)的。PWM信號(hào)也由其產(chǎn)生。
EPM7128的引腳排列如圖2所示。MlP—M4P引腳的輸出為PWM脈寬調(diào)制信號(hào)，M1FB—M4FB引腳為電機(jī)的方向控制信號(hào)，P00一P07接單片機(jī)的PO口，100一1015為擴(kuò)展的2個(gè)通用I／O口，SIl—S17引腳為行程開關(guān)輸入信號(hào)，LI11一LI17引腳為光電探頭輸入信號(hào)。CPLD的編程用VHDL語(yǔ)言，產(chǎn)生1路PWM信號(hào)的部分程序源代碼如下：
單片機(jī)采用24MHz的晶體振蕩器，ALE信號(hào)的頻率fALE=f16=6MHz，最終輸出PWM信號(hào)的引腳MlP的頻率為：
調(diào)節(jié)這個(gè)信號(hào)的占空比可以使直流電動(dòng)機(jī)獲得O-255級(jí)的轉(zhuǎn)速。
3．2 機(jī)器人運(yùn)行參數(shù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展
機(jī)器人運(yùn)行路徑和動(dòng)作可以根據(jù)比賽情況的不同而發(fā)生變化，這樣，每改變1次運(yùn)行參數(shù)就必須對(duì)單片機(jī)的Flash進(jìn)行1次擦寫。為了解決這一問(wèn)題．?dāng)U展了程序參數(shù)存儲(chǔ)器，用來(lái)存放機(jī)器人的運(yùn)行路徑和動(dòng)作參數(shù)．?dāng)U展電路如圖3所示。
其中IC1為24LC08B，是I2E總線的串行E2PROM存儲(chǔ)器，最多能夠存儲(chǔ)lK字節(jié)的數(shù)據(jù)。IC2為MAX3232型電平轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部有1個(gè)電源電壓變換器，可以將計(jì)算機(jī)的電平轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)TTL電平，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與單片機(jī)之間通過(guò)串行口傳輸數(shù)據(jù)，使單片機(jī)完成對(duì)24／LC08B的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)操作。單片機(jī)運(yùn)行時(shí)，直接從24LC08中讀取機(jī)器人的運(yùn)行參數(shù)，控制機(jī)器人運(yùn)行。
4 光電檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)
4．1 光電檢測(cè)過(guò)程
設(shè)計(jì)光電檢測(cè)模塊是為了讓機(jī)器人能夠檢測(cè)地面上的白色引導(dǎo)線。光電檢測(cè)電路主要包括發(fā)射部分和接收部分，其原理如圖4所示。
發(fā)射部分的波形調(diào)制采用了頻率調(diào)制方法。由于發(fā)光二極管的響應(yīng)速度快，其工作頻率可達(dá)幾MHz或十幾MHz，而檢測(cè)系統(tǒng)的調(diào)制頻率在幾十至幾百kHz的范圍內(nèi)，能夠滿足要求。光源驅(qū)動(dòng)主要負(fù)責(zé)把調(diào)制波形放大到足夠的功率去驅(qū)動(dòng)光源發(fā)光。光源采用紅外發(fā)光二極管，工作頻率較高，適合波形為方波的調(diào)制光的發(fā)射。
接收部分采用光敏二極管接收調(diào)制光線，將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。這種電信號(hào)通常較微弱，需進(jìn)行濾波和放大后才能進(jìn)行處理。調(diào)制信號(hào)的放大采用交流放大的形式，可使調(diào)制光信號(hào)與背景光信號(hào)分離，為信號(hào)處理提供方便。調(diào)制信號(hào)處理部分對(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，判斷被檢測(cè)對(duì)象的特性。因此，此模塊的本質(zhì)是將“交流”的、有用的調(diào)制光信號(hào)從“直流”的、無(wú)用的背景光信號(hào)中分離出來(lái)，從而達(dá)到抗干擾的目的。
4．2 光電探頭
光電探頭安裝在機(jī)器人底盤前部，共設(shè)置了5個(gè)檢測(cè)點(diǎn)。從理論上講，檢測(cè)點(diǎn)越多、越密，識(shí)別的準(zhǔn)確性與可靠性就越高，但是硬件的開銷與軟件的復(fù)雜程度也相應(yīng)的增加。采用該巡線系統(tǒng)保證了檢測(cè)的精確度，節(jié)約了硬件的開銷。發(fā)光二極管發(fā)出的調(diào)制光經(jīng)地面反射到光敏二極管。光敏二極管產(chǎn)生的光電流隨反射光的強(qiáng)弱而線性變化。把這種變化檢測(cè)出來(lái)，就可以判斷某一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)是否在白色引導(dǎo)線的上方，從而判斷機(jī)器人和白色引導(dǎo)線的相對(duì)位置。
5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊
機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)件主要是電機(jī)和舵機(jī)，都可以采用PWM進(jìn)行調(diào)速與控制。根據(jù)脈沖編碼器的反饋信號(hào)，對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。直流伺服電機(jī)的控制原理如圖5所示。調(diào)節(jié)：PWM的信號(hào)就能夠快速調(diào)節(jié)舵機(jī)的轉(zhuǎn)角，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的方向控制。
6 結(jié)束語(yǔ)
基于5l型單片機(jī)的自動(dòng)巡線輪式機(jī)器人控制系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)可靠，抗干擾能力強(qiáng)，不僅滿足了機(jī)器人大賽的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)也為智能機(jī)器人搭建了良好的控制平臺(tái)。
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中文摘要:
基于仿生原理，以PIC單片機(jī)為控制器的核心，制作出了動(dòng)作靈活、價(jià)格低廉以及模塊化結(jié)構(gòu)的六足機(jī)器人。該機(jī)器人能夠嚴(yán)格按三角步態(tài)進(jìn)行行走，實(shí)現(xiàn)諸如直線、轉(zhuǎn)彎、躲避障礙物和追蹤物體等行走功 能。文中介紹了該機(jī)器人三角步態(tài)的行走原理、結(jié)構(gòu)組成、控制系統(tǒng)和控制算法。
英文摘要：
This research describes the fabrication of a hexapod bionic robot, controlled by PIC microprocessor, walking based on bionic principle, which has some advantages such as simple, active movements, harmony in walking and etc. This robot has some abilities such as linear walking, turning, avoiding barriers, and tracking object walking etc. The structure, control system and control algorithm of this robot are explained in the paper.
前 言
機(jī)器人技術(shù)是融合了機(jī)械、電子、傳感器、 計(jì)算機(jī)、人工智能等許多學(xué)科的知識(shí)，涉及到當(dāng)今 許多前沿領(lǐng)域的技術(shù)。一些發(fā)達(dá)國(guó)家已把機(jī)器人制 作比賽作為創(chuàng)新教育的戰(zhàn)略性手段。如日本每年都 要舉行諸如“NHK杯大學(xué)生機(jī)器人大賽”、“全日本機(jī) 器人相撲大會(huì)”、“機(jī)器人足球賽”、“全日本電子鼠 走迷宮大賽”等各種類型的機(jī)器人制作比賽，參加 者多為學(xué)生，旨在通過(guò)大賽全面培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能 力、創(chuàng)造能力、合作能力和進(jìn)取精神，同時(shí)也普及智 能機(jī)器人的知識(shí)。 開展機(jī)器人的制作活動(dòng)，是培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng) 新精神和實(shí)踐能力的最佳實(shí)踐活動(dòng)之一，特別是機(jī) 電專業(yè)學(xué)生開展綜合知識(shí)訓(xùn)練的最佳平臺(tái)。目前國(guó) 內(nèi)在機(jī)器人的制作中，較多地選用機(jī)器人公司出售 的產(chǎn)品，通過(guò)積木式的搭配或組裝來(lái)進(jìn)行創(chuàng)意組合 設(shè)計(jì)。這樣方式的特點(diǎn)是設(shè)計(jì)制作方便、快捷， 更適合于創(chuàng)意組合設(shè)計(jì)。但存在著成本較高，且 設(shè)計(jì)的機(jī)器人功能要受到產(chǎn)品本身性能的制約，并 不能充分實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)者的創(chuàng)意和設(shè)想等缺點(diǎn)。 這里強(qiáng)調(diào)大學(xué)生自行動(dòng)手進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、軟 件編程和硬件電路制作，旨在充分發(fā)揮學(xué)生潛在的 創(chuàng)造制作能力。本文基于仿生原理，設(shè)計(jì)制作了兩 套連桿機(jī)構(gòu)作為機(jī)器人的六足，以PIC單片機(jī)為控制 器的核心，小型帶減速器直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，配 置不同類型的傳感器，再加上智能軟件的控制，制 作出了動(dòng)作靈活、價(jià)格低廉、以及模塊化結(jié)構(gòu)的六 足機(jī)器人。文中介紹了該機(jī)器人三角步態(tài)的行走原 理、結(jié)構(gòu)組成、控制系統(tǒng)和控制算法。
2.1 PIC單片機(jī)
美國(guó)Microchip 公司的PIC16 系列單片機(jī)是一 種新型的CMOS 工藝的8 位單片機(jī)。因其功耗低，超 小型，低成本，功能完整和簡(jiǎn)單易學(xué)等特點(diǎn)已經(jīng) 得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。PIC16F84 微控制器屬 于PIC 系列單片機(jī)的中級(jí)產(chǎn)品，18 引腳。內(nèi)置4k × 14 閃速程序存儲(chǔ)器，可多次修改程序，使用起 來(lái)特別方便。具有兩個(gè)I/O 端口（RA 和RB），片 內(nèi)上電復(fù)位、延時(shí)電路、看門狗電路等。基于 PIC16F84 控制器的I/O 口資源的分配如圖5 所 示。
2.3 傳感器模塊
障礙物檢測(cè)傳感器要求檢測(cè)的距離遠(yuǎn)，選用 市場(chǎng)上常見(jiàn)的反射式紅外線傳感器，型號(hào)為 TX05D。該傳感器是一體化的紅外線發(fā)射，接受器 件，它內(nèi)部包含紅外線發(fā)射，接受及信號(hào)放大與 處理電路。信號(hào)輸出端可直接與CPU 端口相連，探 測(cè)距離為2 ～120cm，滿足了機(jī)器人的硬件要求。 PIC16F84單片機(jī)的RB4、RB5 管腳分別與兩只TX05D 傳感器的信號(hào)輸出端相連。 觸角傳感器使用的是普通的微動(dòng)機(jī)械開關(guān)， 用于檢測(cè)紅外傳感器探測(cè)不到的，處于較高位置的 障礙物。當(dāng)機(jī)器人的觸角接觸到障礙物后，觸動(dòng) 機(jī)械開關(guān)，發(fā)出控制信號(hào)，控制機(jī)器人轉(zhuǎn)彎或后 退，躲開處于前方的障礙物。兩只機(jī)械開關(guān)經(jīng)防 抖動(dòng)電路處理后，分別與PIC16F84 單片機(jī)的RB6、 RB7 管腳相連。
4. 結(jié)論
本文基于仿生原理，使用連桿機(jī)構(gòu)作為機(jī)器 人的六足，以PIC單片機(jī)為控制器的核心，小型帶減 速器直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，配置不同類型的傳感 器，再加上智能軟件的控制，制作出了動(dòng)作靈活、價(jià) 格低廉、功能強(qiáng)大以及模塊化結(jié)構(gòu)的六足機(jī)器人。大 量的行走實(shí)驗(yàn)證明，該機(jī)器人能夠嚴(yán)格按三角步態(tài) 的進(jìn)行行走，完成諸如直線、轉(zhuǎn)彎、躲避障礙物和追 蹤物體等行走功能，具有一定的娛樂(lè)性和實(shí)際應(yīng)用 價(jià)值。