楊 洋，羅亞輝，康 江，竇新江

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖南長沙410128;2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)東方科技學(xué)院，湖南長沙410128)

自工業(yè)革命以來機械被廣泛運用到各個領(lǐng)域。隨著人類社會生產(chǎn)的發(fā)展，人們越來越需要高智能、高精度的機器完成各類繁重的、高精度、高風(fēng)險的作業(yè)，于是，完成某些特定任務(wù)的機器——機器人逐步發(fā)展起來。移動式機器人需完成某些任務(wù)，其關(guān)鍵在于定位，即機器人必須知道自己現(xiàn)在的位置和將要“行走”的方位。根據(jù)機器人運用的環(huán)境不同，定位精度也大不相同，現(xiàn)有的定位技術(shù)大致可分為航跡推算、信號燈定位、基于地圖的定位、路標(biāo)定位以及視覺定位等幾大類［1，2］。

本文闡述的是一種運用多種傳感器的航跡推算定位技術(shù)。該種定位方式適用于已知航線的行走，能夠準(zhǔn)確的從出發(fā)地快速行進到目的地，具有良好的嵌套性，可以成為某些大型定位系統(tǒng)的基本單元，同時具有抗干擾能力強、維護方便的特點。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用航跡推算原理對移動式機器人進行定位，航跡推算即利用外部傳感器的數(shù)據(jù)實現(xiàn)機器人實時位置和運動方向的估計，短期定位精度高［3］。航跡推算技術(shù)的關(guān)鍵是需測量出機器人單位時間運動的距離以及這段時間內(nèi)機器人航向的變化。在本設(shè)計中，主要采用編碼盤和陀螺儀進行航跡推算來實現(xiàn)定位，系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，由驅(qū)動模塊、傳感器和反饋模塊以及控制模塊等組成，原理框圖如圖1所示。

為提高抗干擾能力，系統(tǒng)各模塊之間相互獨立使用ISP串行通訊進行數(shù)據(jù)通信，每個模塊都與控制系統(tǒng)構(gòu)成一個閉環(huán)單元，控制系統(tǒng)通過算法整合，從而降低了各個單元之間的干擾和誤差的累積。控制系統(tǒng)發(fā)出路線的整體行走方案，再由各個閉環(huán)單元檢測是否按原定計劃實施，當(dāng)出現(xiàn)錯誤和誤差時，系統(tǒng)通過采集的數(shù)據(jù)即刻做出實時調(diào)整，實現(xiàn)快速、準(zhǔn)確定位。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型可以看成是一個平面坐標(biāo)定位，在平面內(nèi)任何一個點的速度可以表示為線速度V和角速度Va，其坐標(biāo)為(x，y)。當(dāng)一個物體在平面內(nèi)從一點移動到另一點時，只要畫出運動軌跡，就可以計算出在該軌跡上任一點的速度和坐標(biāo)，以進行定位。假設(shè)某一運動軌跡方程已知，則需要按其軌跡進行運動定位［4］，其數(shù)學(xué)模型如圖2所示。

圖2 數(shù)學(xué)模型圖

式中，Vx(t)和Vy(t)分別表示x軸和y軸在時間t時的速度，S表示t到t+1時刻的行走路徑，φ(t)表示t時刻x軸速度與速度的夾角。

2 系統(tǒng)電路設(shè)計

2.1 伺服器電路

伺服器是一種電機驅(qū)動器，與普通電機驅(qū)動器不同，該驅(qū)動器可以與電機連接形成閉環(huán)控制單元。伺服器通過實時檢測安裝在電機上的高分辨率光電編碼器的信號計算出電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，通過與目標(biāo)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角進行比較來實時調(diào)整電機運動狀態(tài)［5］。

如圖3所示為伺服器系統(tǒng)硬件電路的信號處理單元。該電路包括了信號整合和信號運算，其中DS26LS32CM實現(xiàn)編碼盤信號的整合，即把4路PWM信號整合成2路PWM信號。由于編碼盤信號是由A、B兩路相位差為90°的PWM組成，通過對DS26LS32CM邏輯使能口的電平控制，可實現(xiàn)輸出端在A、B信號超前或滯后90°時輸出高電平或低電平，以此判斷出電機正反轉(zhuǎn)狀態(tài)。LM629為PID信號算法芯片，通過對編碼盤信號運算和DS26LS32CM輸出信號狀態(tài)分析，芯片可發(fā)出信號使電機一直保持在編碼盤的某一個柵格處，讓電機急停鎖死或準(zhǔn)確運動所需要的柵格數(shù)，實現(xiàn)對機器人移動的準(zhǔn)確控制。HCP—2602為高速光耦芯片，其目的是減少控制端與電機之間的信號干擾。

圖3 伺服器硬件電路原理圖

2.2 光電編碼器電路

光電編碼器是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器，由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分的開通若干個長方形孔，開孔的數(shù)量決定了控制的精度。機器人運動時，光柵盤隨電機旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測并輸出若干脈沖信號，通過采集脈沖個數(shù)后運算即可得出機器人運動路徑長度。

如圖4所示為光電編碼器的外圍采樣電路，主要是通過一個與門和一個D觸發(fā)器來實現(xiàn)對脈沖信號的采集。一般的光電編碼器是由A、B、Z三路信號組成，A和B是兩個前后相位差為90°的脈沖信號，根據(jù)光柵盤的旋轉(zhuǎn)方向，相位差的超前與滯后各不同，因此利用與門將A、B信號整合成一個脈沖信號再利用D觸發(fā)器判斷A、B兩者相位差關(guān)系。當(dāng)光柵盤正轉(zhuǎn)時，A超前B 90°，D2發(fā)光，同時在DirB處檢測到高電平。當(dāng)光柵盤反轉(zhuǎn)時，A滯后B90°，D1發(fā)光，且在DirA處檢測到低電平，再通過單片機的處理就能準(zhǔn)確判斷光柵盤所轉(zhuǎn)過的柵格數(shù)，從而計算出機器人運動路徑的長度。

圖4 光電編碼器硬件原理圖

式中，P1表示正轉(zhuǎn)PWM脈沖個數(shù)，P2表示反轉(zhuǎn)PWM脈沖個數(shù)，n表示編碼盤柵格數(shù)，r表示機器人動力輪半徑。

2.3 陀螺儀硬件電路

設(shè)計中采用三軸陀螺儀對加速度進行測量，積分后即可得到所需的角度偏移量，如圖5所示為陀螺儀硬件原理圖。其工作原理為中央處理單元發(fā)送通信數(shù)據(jù)給陀螺儀使之工作，陀螺儀在機器人發(fā)生角度偏移時測量實際偏移量和理論偏移量的差值，將該值傳送給中央處理單元，由中央處理單元計算出補償值后發(fā)指令給伺服器，使電機進行誤差補償［6］。

圖5 陀螺儀硬件原理圖

圖5中L3G4200D是一個三軸陀螺儀，可以對x、y、z三個方向的角度進行檢測，檢測后的數(shù)據(jù)通過ISP通信傳送將端口SCL、SDA角度信號傳輸給中央處理單元。MMA8451Q是一個速度計，可以實時檢測機器人的運行速度，并用相同方式將運行速度信號傳輸給中央處理單元。之所以在此安裝速度計，是為了降低中央處理單元中CPU的計算量，讓CPU有更多的空間去處理速度與路徑的關(guān)系。TPS62112是低噪音的同步降壓DC—DC轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部集成了N型和P型MOSFET，可進行同步整流，為陀螺儀芯片提供良好的電源環(huán)境。

2.4 中央處理單元

系統(tǒng)使用MEGA128單片機作為主控芯片，該單片機具有2個8位定時器和2個16位定時器以及10路可編程PWM，擁有8個10位ADC通道，因此能夠?qū)崿F(xiàn)對多傳感器的信號采集處理［6］。

如圖6所示為中央處理單元硬件電路原理圖，包括了24 V轉(zhuǎn)5 V的直流穩(wěn)壓電源、晶振電路以及外圍拓展口電路。在電源部分使用LM117穩(wěn)壓管，能夠很好地控制電源紋波，使單片機穩(wěn)定工作。在外圍拓展口部分使用并行總線結(jié)構(gòu)，能夠很方便進行使用和開發(fā)。

如表1所示為中央處理單元中單片機使用的主要端口功能，包括通信與控制信號的發(fā)出以及對編碼盤的計數(shù)。

表1 單片機端口使用說明

3 結(jié)果與分析

為驗證系統(tǒng)的可行性與穩(wěn)定性，使用了一個四輪全向輪結(jié)構(gòu)小車進行測試，測試方案如下:在2 m×2 m的平面場地中設(shè)定A、B兩點，小車在兩點間分別多次作直線運動與弧線運動，每次均將實際運行軌跡與理論軌跡進行比較，并分析定位誤差。

(1)直線運行小車直線運行10次，每次運行出發(fā)地點A均相同，檢測實際運行軌跡與理論軌跡誤差在5 mm以內(nèi)，且小車可以快速定位到C點，而C點在B點誤差圓內(nèi)。

(2)弧線運行小車弧線運行10次，每次運行出發(fā)地點A均相同，檢測實際運行軌跡與理論軌跡最大誤差為1 cm，且小車可以快速定位到C點，而C點在B點誤差圓內(nèi)。

試驗證明，系統(tǒng)可以完成對任意預(yù)設(shè)路徑的快速定位，基本保證到達目的地，其誤差在允許范圍之內(nèi)，且系統(tǒng)充分對CPU資源進行了合理運用，在外圍硬件電路設(shè)計時考慮了最大程度減小外界對系統(tǒng)的干擾，穩(wěn)定性較強，達到了預(yù)期設(shè)計目標(biāo)。

圖6 中央處理單元硬件原理圖

［1］陶敏，陳新，孫振平.移動機器人定位技術(shù)［J］.火力與指揮控制，2010，35(7):169 －172.

［2］羅亞輝，蔣蘋，胡文武.基于多傳感器融合的水田耕作機械定位系統(tǒng)［J］.農(nóng)機化研究，2010，32(4):151－154，185.

［3］秦連升，曹詩詠，李明海.智能車距離控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.儀器儀表用戶，2011，18(5):20 －22.

［4］李潔，龍也.基于雙編碼盤定位的移動式機器人高精度坐標(biāo)矯正方法［J］.電子科學(xué)，2010，15(4):53 －55.

［5］余曉填，楊曦，陳安.基于移動機器人直流電機驅(qū)動電路的設(shè)計與應(yīng)用［J］.微電機，2011，44(11):37 －38.

［6］劉健，李萍.基于MEGA128的運動器設(shè)計與實現(xiàn)［J］.電腦知識與技術(shù)，2009(2):458－459.