康雅微

（天津機電職業(yè)技術(shù)學院，天津300131）

移動機器人馬達的智能控制，使機器人能夠穩(wěn)定、快速、平滑地行駛和精確地定位。因此，硬件與軟件的選用及配合，就顯得極為重要。本文介紹選用AVR AT mega 128單片機作為核心控制板、內(nèi)置編碼器的DC馬達作為驅(qū)動、雙路H橋馬達驅(qū)動芯片L298作為單電源H橋電路驅(qū)動DC馬達硬件，能夠簡化電路，功能全面穩(wěn)定；軟件編寫采用精度為1/10的圓周、PID算法，實現(xiàn)閉環(huán)控制，使系統(tǒng)更加精確、精準。

1 機器人馬達控制系統(tǒng)框圖

（1）移動機器人馬達的智能控制過程。當單片機mega 128發(fā)出信號后，由于馬達之前未動，反饋信號為0，偏差信號等于單片機發(fā)出信號減去反饋信號，通過PID（比例積分微分）算法，使單片機發(fā)出信號能夠快速、準確地傳遞給L298芯片，最終控制DC馬達旋轉(zhuǎn)。由于馬達內(nèi)置的編碼器，能將旋轉(zhuǎn)的方向和角度以電信號反饋給單片機mega 128，如果偏差信號為0，則說明馬達旋轉(zhuǎn)不能達到預設值，偏差信號越大，則離預設值越遠。利用這個偏差信號，最終達到預設值，實現(xiàn)精確控制。

圖1 機器人馬達控制系統(tǒng)框圖

（2）DC（direct current）馬達。DC（direct current）馬達應用廣泛，由可充電電池供電，攜帶方便，非常適用于移動機器人。機器人DC馬達實際上使用的是DC減速馬達，即在DC馬達上加上一個齒輪箱子，隨著DC減速馬達齒輪比率，來減少馬達旋轉(zhuǎn)速度，馬達轉(zhuǎn)矩增加。根據(jù)齒輪箱子，我們這里選擇的是減速比為1/50、額定轉(zhuǎn)矩為0.19 N·m、旋轉(zhuǎn)速度為102 r/min。4個馬達中只有后方的2個馬達安裝了磁氣式增量型編碼器，根據(jù)編碼器的輸出脈沖A相、B相的相位差，判斷馬達的轉(zhuǎn)向：A相為計數(shù)器，檢測B相的為LOW的情況，馬達按照順時針旋轉(zhuǎn)；若檢測B相的為HIGH的情況，馬達按照逆時針旋轉(zhuǎn)。當馬達旋轉(zhuǎn)1周時，編碼器上發(fā)生13個脈沖信號，由于馬達減速比為1/50，所以馬達旋轉(zhuǎn)1周時發(fā)生650次脈沖，則馬達旋轉(zhuǎn)數(shù)為Z/650。

（3）利用獨立電源控制DC馬達的正反轉(zhuǎn)，H橋型電路是必要的。L298內(nèi)置2路H橋型驅(qū)動馬達電路，最大電源電壓為46 V，能夠驅(qū)動2組DC馬達，每一組可流過2 A的電流。當2組被連接到一排時，能流過的電流高達4 A，機器人4個馬達中同側(cè)的2個使用1個L298 H橋型芯片，4個馬達共需2個芯片即可。

圖2 減速比為1/50馬達特性

（4）單片機mega 128中16位定時器/計數(shù)器實現(xiàn)PWM（Pulse Width Modulation）脈沖寬度調(diào)制。脈沖寬度傳輸信號的變化，取決于PWM調(diào)制方法（保持脈沖的周期不變，只改變高低電平之比），用來控制馬達的電壓，進而控制馬達轉(zhuǎn)速。

圖3 PWM調(diào)制方式

2 軟件優(yōu)化

（1）PID（比例積分微分）控制機器人車輪速度保持固定。

操作控制量=KP×誤差+Ki×誤差累積值+Kd×與旋轉(zhuǎn)誤差的差。

其中，KP，Ki，Kd分別為比例、積分時間、微分時間常數(shù)。

根據(jù)系統(tǒng)響應曲線可得：合理的比例項能實現(xiàn)減少上升時間，使車輪盡快達到目標旋轉(zhuǎn)速度；積分項使得超調(diào)量很小，即誤差在最?。晃⒎猪検窃诒壤棞p少上升時間的同時，也減小過沖，并減小趨穩(wěn)時間。通?？刂朴蠵I、PD和PID。以下兩條語句分別是PID控制右輪和左輪轉(zhuǎn)速的指令。

（2）馬達旋轉(zhuǎn)周數(shù)的細化。馬達旋轉(zhuǎn)一周時發(fā)生650個脈沖，若要馬達繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，只能按650整數(shù)倍，即旋轉(zhuǎn)周數(shù)為整數(shù)。這樣車輪走過的距離，為車輪圓周的整數(shù)倍，顯然若想讓車輪的距離更短，就有些困難了。這里通過軟件編程可以實現(xiàn)1/10圓周的距離。原程序為goal_cnt*=650；修改后的一部分程序為：

3 調(diào)試

使用Atmel公司的AVR Studio集成開發(fā)環(huán)境，通過新建工程建立一個文件并輸入源程序，選擇所用單片機型號及其頻率和優(yōu)化參數(shù)，編譯無誤后，在線串口下載到“機器人”中。安裝好機器人電池，即可根據(jù)已下載好的指令穩(wěn)定運行，精確定位。

4 結(jié)束語

移動機器人馬達的智能控制，不僅需要以ATmega 128為核心的合理硬件架構(gòu)，更需要軟件方面相得益彰的配合，這樣才能發(fā)揮其最大的功能。

[1]梅麗鳳.單片機原理及接口技術(shù)[M].北京：清華大學出版社，2006.

[2]李 軍.51系列單片機高級實例開發(fā)指南[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004.

[3]金鐘夫.AVR ATmega128單片機C程序設計與實踐[M].北京：北京航空航天大學出社，2007.