楊 進，劉麗華

(廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州510430)

1 引言

智能移動機器人集成了機械、電子、計算機、自動控制、人工智能等多學(xué)科的研究成果，在當前機器人研究領(lǐng)域具有突出地位［1］。其執(zhí)行元件的伺服系統(tǒng)的性能將決定機器人的性能，伺服系統(tǒng)的開發(fā)也是機器人開發(fā)過程中難度最大的。目前，應(yīng)用于移動機器人的執(zhí)行元件有步進電機、有刷直流電機和無刷直流電機。步進電機多建立開環(huán)控制，對負載的變化不能做出響應(yīng)，只適合于開發(fā)平地使用的機器人。直流電機具有更好的機械特性，與光電編碼器配合使用建立伺服控制閉環(huán)能在一定的負載范圍內(nèi)實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)電機電樞電壓。

ATmega8L微處理器是一款高性能、低功耗的8位AVR微處理器，采用先進的 RISC結(jié)構(gòu)［2］。ATmega8L具有:8K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，擦寫壽命達10000次;512字節(jié)的EEPROM，擦寫壽命達100000次;1K字節(jié)的片內(nèi)SRAM;兩個具有獨立預(yù)分頻器的8位定時器/計數(shù)器，其中之一有比較功能;一個具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時器/計數(shù)器;6路10位逐次比較式ADC(PDIP封裝);獨立振蕩器的實時計數(shù)器 RTC;三通道PWM;兩個可編程的串行USART等［3］。

采用ATmega8L微處理器作為智能移動機器人的控制核心，采用光電編碼器、光纖放大器、光電開關(guān)等傳感器作為信息反饋器件，基于嵌入式分層控制方法，設(shè)計出移動機器人的控制系統(tǒng)。采用AVR－GCC編譯軟件［4］編程，實現(xiàn)該機器人能夠在不被干預(yù)的情況下，自動找到運行的路徑，并在行進的過程中自動避開障礙物，體現(xiàn)出一定的智能性。同時，通過遙控模塊還可以實現(xiàn)人工遙控模式的運行方式。下面將詳細介紹機器人控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)重點，并重點介紹機器人執(zhí)行元件的伺服系統(tǒng)。

2 智能移動機器人控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

移動機器人的控制系統(tǒng)采用嵌入式分層控制［5］的系統(tǒng)結(jié)構(gòu):主、從控制器都是采用ATmega8L微處理器;主控制器接收控制指令，并采集光纖放大器和光電開關(guān)所反饋的環(huán)境信息，經(jīng)過一系列的邏輯處理，得到對應(yīng)的電機速度控制值;從機則接收主機所傳給的速度目標值，并實時控制電機的轉(zhuǎn)動速度;在兩級控制間通過DMX512串行通信協(xié)議［6］，實現(xiàn)數(shù)據(jù)準確穩(wěn)定地傳輸。

如圖1所示，左側(cè)結(jié)構(gòu)框圖為信息管理層的結(jié)構(gòu)。左側(cè)光纖放大器和右側(cè)光纖放大器分別反饋回一個模擬量信號，該信號將隨所探測到的顏色變化而變化。ATmega8L微處理器通過內(nèi)部10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集這兩個信號，并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。設(shè)定一個閥值，微處理器將分別對高于和低于該閥值的信號賦予一個邏輯量，用于區(qū)別軌跡區(qū)域和背景區(qū)域，從而識別出運行的軌跡。而光電開關(guān)將發(fā)射紅外線，經(jīng)障礙物反射，被傳感器檢測到，從而發(fā)生開關(guān)信號的變化，微處理器將根據(jù)邏輯陣列確定障礙物相對機器人的方向，并調(diào)用避障子程序躲避該障礙物。另外遙控模塊將向主控制器傳遞遙控指令，主要包括速度的設(shè)置和運行模式的切換等。

右側(cè)結(jié)構(gòu)圖為伺服控制層，存在一個速度控制閉環(huán)。伺服控制系統(tǒng)的執(zhí)行元件為無刷直流旋轉(zhuǎn)電機，系統(tǒng)的控制量是電機的轉(zhuǎn)速。反饋元件采用旋轉(zhuǎn)式光電編碼器，反饋信號為光電編碼器的脈沖信號(A、B兩相)。以ATmega8L微處理器作為計算控制單元，并在程序中設(shè)定速度采樣頻率為2KHz左右。在每個采樣周期內(nèi)，微處理器計數(shù)編碼器反饋的脈沖數(shù)。通過比較A、B兩相脈沖狀態(tài)的變化并計數(shù)脈沖數(shù)，得到實時的速度值，再與目標速度數(shù)據(jù)比較，經(jīng)過離散PID調(diào)解器計算，求得對電機的控制字。該控制字將修改單片機輸出的PWM信號的占空比值，并通過OC1A和OC1B引腳輸出兩路PWM信號。經(jīng)過對應(yīng)的兩路H橋驅(qū)動電路［7］放大后，改變了兩路電機的電樞電壓有效值，從而實現(xiàn)速度的閉環(huán)控制。

圖1 機器人控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

3 伺服控制電路

圖2為伺服系統(tǒng)的控制電路。其中，系統(tǒng)供電為12伏直流電源，12伏電壓是作為電機的驅(qū)動電壓。12伏電壓通過三端穩(wěn)壓塊LM7805［8］可以獲得穩(wěn)定的5伏電壓，為ATmega8L微處理器和伺服電機的光電編碼器提供額定的工作電壓。

ATmega8L微處理器使用8M赫茲晶振作為時鐘源，采用上電復(fù)位方式。ATmega8L微處理器作為控制核心，通過INT0和PD4引腳接收左側(cè)伺服電機的反饋信號，通過INT1和PD5接收右側(cè)電機的反饋信號;并通過 OC1A和OC1B引腳輸出兩路PWM信號，通過PC0和PC1輸出電機的方向控制信號。并且，微處理器通過RXD、TXD引腳和主控制層的控制器實現(xiàn)串行通信，接收主控制層發(fā)送的電機速度目標值，并向主控制層返回電機的運行實時情況。在電路中，每路信號都外接上拉電阻。另外，并設(shè)計有ISP接口，可以使用通用的AVR ISP編程器很方便地下載程序。

4 伺服系統(tǒng)控制

4.1 電機速度的檢測

機器人采用直流電機驅(qū)動，并通過相對式旋轉(zhuǎn)光電編碼器反饋位置信號。光電編碼器采用的是HEDS－5540型號，為500線，輸出A、B、Z三相TTL信號，其中A、B兩相信號相差1/4周期，如圖3所示。左側(cè)光電編碼器的A相信號與INT0(INT1)相連，B相信號則與PD4(PD5)連接，右側(cè)光電編碼器的A相信號與INT1相連，B相信號則與PD5連接。微控制器通過A相信號上升沿觸發(fā)外部中斷，其外部中斷初始化程序為:

MCUCR=0x0f;

GICR=0xc0;

圖2 伺服系統(tǒng)的控制電路

圖3 編碼器TTL信號

外部中斷子程序則對反饋的A、B信號進行計數(shù)，獲得速度值，其流程圖如4所示。

圖4 定時器0比較中斷子程序流程圖

速度的采樣時間為0.5ms，由八位計時/計數(shù)器2的溢出中斷設(shè)定。每次執(zhí)行溢出中斷子程序，都初始化速度值為0。

4.2 PI調(diào)節(jié)器

微控制器通過串行通信，接收到信息管理層傳送的電機速度目標值(V_object)。電機當前速度值(V_current)與目標值的偏差(Δei)作為變量，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器的運算，得到電機電樞電壓［9］的有效值ui，該值將直接改變輸出PWM信號的占空比。

其中，KP為比例增益，KI為積分增益。

本文使用 Ziegler－Nichols方法整定 KP、KI的取值。該方法整定比例增益KP的思想是，首先置KI=0，然后增加KP直至系統(tǒng)開始震蕩，并記錄系統(tǒng)震蕩頻率ωm，將所得KP值乘以0.6，即為整定后的比例增益KP。KI的整定公式為:

由于電機最大轉(zhuǎn)速的限制和積分項的存在，在伺服控制中，將出現(xiàn)“飽和”現(xiàn)象［10］，控制量被限制在一個有限的范圍內(nèi)，即umin≤u≤umax。積分飽和將導(dǎo)致超調(diào)量和系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間增加。本文中，采用了積分分離法來解決。

積分分離法的基本思路是，當偏差大于某個規(guī)定的門限值時，取消積分作用，從而使積分不至于過大。只有當Δei較小時，才引入積分作用，以消除靜態(tài)誤差。其算法公式(1)變換為:

式中，稱KL為邏輯系數(shù)

5 實驗(Experiment)

按電路圖完成系統(tǒng)控制電路的制作。如圖5所示，機器人通過車載蓄電池供電，由兩塊控制電路板控制，一塊為按圖2所設(shè)計的信息控制電路，另一塊為伺服控制電路。使用WinAVR軟件按流程圖編寫好程序后，通過ISP下載線將機器碼分別下載到兩個ATmega8L微處理器中。在圖5中，a圖為機器人自動沿黃色描繪的跡線運動，b圖為機器人自動沿著墻體運行。

6 結(jié)束語

基于AVR微控制器開發(fā)出一臺智能移動機器人，實驗結(jié)果顯示機器人能夠可靠地自動避開障礙物并找到自己運行的目標。通過伺服驅(qū)動，機器人能平穩(wěn)較快速地前行，還具有清晰的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而且開發(fā)的成本低廉，所以該機器人的技術(shù)尤其適用于開發(fā)自動化教學(xué)設(shè)備。同時，該機器人技術(shù)還可以廣泛應(yīng)用于其他自動設(shè)備的開發(fā)。

［1］徐國華，譚民.移動機器人的發(fā)展現(xiàn)狀及其趨勢［J］.機器人技術(shù)與應(yīng)用，2001(3):7－14.

［2］徐玉，韓波，李平.基于AVR的舵機控制其設(shè)計［J］.工業(yè)控制計算機，2004(11):38－40.

［3］ATmega8芯片數(shù)據(jù)官方手冊［DB/OL］.http://www.atmel.com/.

［4］馬潮，詹衛(wèi)前，耿德根.ATmega8原理及應(yīng)用手冊［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2003.

［5］韓大鵬，韋慶.機器人控制器的一種模塊化設(shè)計方法［J］.微計算機信息，2005(5):3 －4.

［6］趙文峰.控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2002.

［7］何希才，姜余祥.電動機控制電路應(yīng)用實例［M］.北京:中國電力出版社，2005.

［8］閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京:高等教育出版社，1998.

［9］從爽，李澤湘.實用運動控制技術(shù)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2006.

［10］楊樹興，李擎，蘇中，等.計算機控制系統(tǒng)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2006.