張 弛

（武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 湖北 武漢 430070）

1 智能機(jī)器概述

智能作為現(xiàn)代的新發(fā)明，是以后的發(fā)展方向，他可以按照預(yù)先設(shè)定的模式在一個(gè)環(huán)境里自動(dòng)的運(yùn)作，不需要人為的管理，它最適合在那些人類無法工作的環(huán)境中工作，該技術(shù)可以應(yīng)用于無人駕駛機(jī)動(dòng)車，無人生產(chǎn)線，倉庫，服務(wù)機(jī)器人等領(lǐng)域。 所有這些用途正逐步滲入到工業(yè)和社會(huì)的各個(gè)層面，作為20 世紀(jì)自動(dòng)化領(lǐng)域的重大成就，機(jī)器人已經(jīng)和人類社會(huì)的生產(chǎn)、生活不可分。

隨科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步， 智能化和自動(dòng)化技術(shù)越來越普及，各種高科技也廣泛應(yīng)用于機(jī)器人玩具制造領(lǐng)域，使智能機(jī)器人越來越多樣化。 智能機(jī)器人是一個(gè)多種高新技術(shù)的集成體，它融合了機(jī)械、電子、傳感器、計(jì)算機(jī)硬件、軟件、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)。

2 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

MSP430F16x 系列單片機(jī)是德州儀器公司的一款超低功耗FLASH 型16 位RISC 指令集單片機(jī)。 具有16 位寄存器和常數(shù)發(fā)生器， 因而具有最大的代碼效率。 該芯片特有的FLASH 存儲(chǔ)器在線設(shè)計(jì)、開發(fā)調(diào)試及實(shí)際應(yīng)用上都表現(xiàn)出較明顯的優(yōu)點(diǎn)，所以本系統(tǒng)選用MSP430F16x 系列單片機(jī)作為系統(tǒng)核心。

2.1 尋跡、檢測(cè)及測(cè)速模塊電路設(shè)計(jì)

尋跡、檢測(cè)及測(cè)速模塊電路的原理近似，此模塊設(shè)計(jì)中主要用到反射式光電傳感器ST188， 利用被測(cè)物體對(duì)紅外光的反射和吸收來實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物體的測(cè)量和計(jì)數(shù)。 探測(cè)路面黑色尋跡線的原理：光線照射到路面并反射，由于黑線和白紙的反射系數(shù)不同，可根據(jù)接受到反射光強(qiáng)弱由傳感器產(chǎn)生高低電平并最終通過單片機(jī)判斷是否到達(dá)黑線從而尋跡上板或偏離跑道。 設(shè)計(jì)中小車履帶涂成黑白相間的黑白編碼帶，小車電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈對(duì)應(yīng)ST188 檢測(cè)到6 次黑線，因此小車的移動(dòng)速度為v=1.2*N (cm/s)(N 為每秒鐘ST188 檢測(cè)到的脈沖數(shù)，小車黑白線距離為1.2cm）；該模塊的設(shè)計(jì)特色在于單片機(jī)能控制ST188 工作狀態(tài)，解決了ST188 一直處于工作狀態(tài)帶來的電能浪費(fèi)問題。

2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路設(shè)計(jì)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊主要由電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298 組成。 L298N是ST 公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。 內(nèi)含兩個(gè)H 橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電機(jī)、繼電器線圈等感性負(fù)載。IN1、IN2 控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)方向，ENA 輸入PWM 波控制電機(jī)轉(zhuǎn)速；同理，IN3、IN4和ENB 實(shí)現(xiàn)對(duì)另一電機(jī)的控制。 單片機(jī)控制端與L298 之間采用光耦隔離以減少信號(hào)干擾。

2.3 音頻發(fā)聲電路設(shè)計(jì)

音頻發(fā)聲電路主要由LM386 芯片組成。LM386 是專為低損耗電源所設(shè)計(jì)的功率放大器集成電路。 它的內(nèi)建增益為20， 通過pin 1 和pin8 腳位間電容的搭配， 增益最高可達(dá)200。 LM386 輸入電壓范圍為4V～12V，無動(dòng)作時(shí)僅消耗4mA電流。LM386 的IN＋和IN－及OUT 實(shí)質(zhì)上是運(yùn)算放大器的三個(gè)端口。 通過改變滑動(dòng)變阻器RP2 便可改變IN＋和IN－的電壓來改變輸出電壓。 滑動(dòng)變阻器與單片機(jī)P4.0 相連。 輸出經(jīng)過濾波之后與揚(yáng)聲器相連接。 為降低系統(tǒng)功耗使用0.5W 揚(yáng)聲器。 單片機(jī)由P4.0 口輸出PWM 波就能得到聲音提示。

2.4 角度傳感電路

本模塊選用由芬蘭公司生產(chǎn)的TVI SCA60T 單軸高精度傾角傳感器，具有單極5V 供電、高分辨率，低噪聲、工作溫度范圍寬等特點(diǎn)；角度傳感器有效方向，測(cè)量范圍可達(dá)-90 度到90 度，以電壓量輸出。 SCA60T 的7 腳為模擬電壓量輸出端，水平位置時(shí)輸出電壓為2.60V，-90 度時(shí)輸出電壓為0.5V，90度時(shí)輸出電壓為4.48V， 該管腳接單片機(jī)A/D 轉(zhuǎn)換輸入端口P6.0。

3 軟件編程與實(shí)現(xiàn)

小車啟動(dòng)檢測(cè)扇形內(nèi)的黑線并通過黑線檢測(cè)系統(tǒng)尋跡進(jìn)入蹺蹺板上，角度傳感器判斷達(dá)到平衡位置與否，如到達(dá)平衡位置，延時(shí)5 秒后繼續(xù)前進(jìn)，檢測(cè)黑線，到達(dá)B 點(diǎn)聲光報(bào)警，并停留5s，然后后退，檢測(cè)黑線，到達(dá)A點(diǎn)，停止，完成整個(gè)控制過程。

4 結(jié)束語

本文通過對(duì)現(xiàn)有機(jī)器人技術(shù)的研究，在參考了有關(guān)智能小車系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了滿足實(shí)驗(yàn)和實(shí)際工作要求的智能移動(dòng)機(jī)器人, 并搭建了一個(gè)以尋跡和平衡做反饋的導(dǎo)航方式的機(jī)器人控制系統(tǒng)。 在建立了相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，給出了結(jié)合尋跡和平衡檢測(cè)作反饋的機(jī)器人實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制框架和算法。

本設(shè)計(jì)的特色和創(chuàng)新是在程序算法方面，一方面選擇數(shù)字濾波技術(shù)，根據(jù)系統(tǒng)的性質(zhì)和類型，采用中位置平均濾波算法，成功有效的解決了小車系統(tǒng)在啟停的抖動(dòng)和準(zhǔn)平衡區(qū)域蹺蹺板震蕩過程中，角度傳感器采集到的干擾數(shù)據(jù)對(duì)小車運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)造成的誤動(dòng)作。 另一方面，在判斷平衡域的算法方面成功的采用了數(shù)字PID 增量型控制算法，選擇合適的參數(shù)，使平衡域更小，也即更精確；而且使系統(tǒng)的超調(diào)減小、避免振蕩、徹底消除誤差、調(diào)節(jié)速度更加快速，系統(tǒng)的性能更加優(yōu)化。

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