馮蓉珍

（蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息系，江蘇 蘇州 215009）

0 引言

機器人小車是一個集環(huán)境感知、動態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多功能于一體的綜合系統(tǒng)。隨著傳感技術(shù)、計算機科學(xué)、人工智能及其他相關(guān)學(xué)科的迅速發(fā)展，機器人小車正向著智能化的方向發(fā)展[1]。智能機器人小車必須具有感知周圍環(huán)境、進行任務(wù)規(guī)劃和決策的能力，特別是在上下坡、彎道等不同的環(huán)境中需要實現(xiàn)速度控制、避開障礙物及沿某軌跡自主行走等功能，因此系統(tǒng)必須具有豐富的傳感器、功能強大的控制器以及靈活精確的驅(qū)動系統(tǒng)。本文設(shè)計了一種基于AT-mega128單片機的智能機器人小車控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)將實時檢測到小車運行速度和設(shè)定速度的差值進行含bang-bang成分的PID運算，產(chǎn)生PWM信號控制電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)對車速的快速調(diào)整和精確控制。同時利用灰度傳感器檢測地面灰度使得小車沿特定軌跡自主行走，在行走的同時還利用紅外傳感器檢測障礙物，實現(xiàn)避障功能。

1 系統(tǒng)組成和控制原理

1.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由上位機和下位機組成。上位機包括PC、無線數(shù)據(jù)發(fā)射模塊和無線圖像接收模塊，下位機由CMOS攝像頭、測速模塊、單片機系統(tǒng)、紅外避障傳感器、地面灰度傳感器、PWM調(diào)速與電機驅(qū)動控制模塊等部分組成。整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。搭載在小車上的CMOS攝像頭獲取道路的實時信息并通過無線通信發(fā)送給上位機；上位機對傳來的路況圖像進行處理，計算出小車的最佳運行速度并通過無線數(shù)據(jù)發(fā)送模塊將該速度值發(fā)送給下位單片機；下位單片機收到設(shè)定的速度值后，進行PID運算并產(chǎn)生PWM信號控制車速快速準(zhǔn)確地達到設(shè)定值。本文主要探討下位單片機控制系統(tǒng)的設(shè)計。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 控制原理和流程

PID控制器的參數(shù)整定是本控制系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容，它是指根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間大小。PID控制器的參數(shù)整定方法主要有理論計算整定法和工程整定法。一般采用工程整定法，該方法主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。無論采用哪一種方法，都需要在實際運行中進行最后的調(diào)整與完善[2]。本系統(tǒng)采用臨界比例法，首先預(yù)設(shè)一個夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作，然后僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下此時的比例放大系統(tǒng)和臨界振蕩周期，最后在一定的控制度下根據(jù)“齊格勒-尼克爾斯經(jīng)驗法”可計算得到PID控制器的參數(shù)Kp，Ki，Kd。

本系統(tǒng)對直流電機的調(diào)速控制采用引入了含bang-bang成分的PID算法來實現(xiàn)閉環(huán)控制小車速度，原理如圖2所示。

式中：U（k）是第 k 次輸出量，U（k）-U（k-1）為輸出增量，ek是第k次偏差，ek-1是第k-1次偏差。

圖2 增量式PID速度控制框圖

上位機把設(shè)定車速rk通過無線數(shù)據(jù)發(fā)送模塊發(fā)送給ATmega128單片機。單片機將測速模塊輸入的脈沖信號經(jīng)過計算得到實際車速Vk，Vk和rk之差ek被輸入到PID控制器，通過PID運算后得出一個增量△U（k），根據(jù)該增量控制單片機內(nèi)部的PWM直接輸出一個脈沖寬度隨U（k）變化的PWM信號，從而控制電機的轉(zhuǎn)速。

為了加快電機的響應(yīng)速度，算法中還引入bang-bang成分，當(dāng)車速大于/小于設(shè)定值的某一比例時電機將以最小或最大速度運轉(zhuǎn)，即當(dāng)|rk-Vk|/rk>M（M 一般取 0．3～0．5） 成立時，算法將跳出 PID 控制模式，直接采用bang-bang的方式控制電機，這就使得小車的加減速比單純使用PID控制算法更加迅速。

除了運行速度，小車運行的穩(wěn)定性也很重要。這就要求小車能夠根據(jù)行駛道路的復(fù)雜程度，如彎道、上下坡、直道等來實時給出小車的最佳運行速度，使之能穩(wěn)定安全行駛，避免沖出彎道、爬不上坡或下坡速度過快而沖出道路等情況發(fā)生，這是由上位機根據(jù)無線攝像頭發(fā)送的圖像信息通過圖像處理完成的。

避障模塊中的紅外傳感器由一對紅外發(fā)射器和接收器組成，發(fā)射器發(fā)射紅外光線如遇障礙物則被反射回來，接收器接收到被反射的紅外線后輸出一高電平給單片機，單片機根據(jù)這個電平通過電機驅(qū)動與控制模塊控制小車自主躲避障礙物。

尋跡模塊中的三個灰度傳感器分別檢測地面灰度，把該灰度值發(fā)送給單片機自帶的A/D端口，通過A/D轉(zhuǎn)換后得到一個數(shù)值。單片機根據(jù)地面灰度值通過電機驅(qū)動與控制模塊控制小車沿著某種顏色的軌跡行走。

2 硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件以ATmega128單片機為控制核心，主要由單片機最小系統(tǒng)電路、測速電路、紅外避障電路、紅外尋跡電路、電機調(diào)速和驅(qū)動電路等組成。

2.1 單片機最小系統(tǒng)電路

單片機部分是整個系統(tǒng)的控制核心。從滿足系統(tǒng)功能方面考慮，本系統(tǒng)選擇Atmel公司生產(chǎn)的ATmega128單片機，它是AVR系列單片機中的高檔型，采用RISC結(jié)構(gòu)，具有128K字節(jié)的支持ISP編程的FLASH存貯器和4K字節(jié)的片內(nèi)SRAM，它還具有六個PWM通道，可實現(xiàn)任意2～16位、相位和頻率可調(diào)的PWM脈寬調(diào)制輸出，八通道10位A/D轉(zhuǎn)換和兩個全雙工硬件串口USART[3]，方便和上位機獨立通訊。

單片機最小系統(tǒng)電路包括單片機復(fù)位、晶振等外圍電路。它負責(zé)將測速、避障等電路產(chǎn)生的輸入信號進行處理并通過自帶的硬PWM輸出控制信號給驅(qū)動放大電路，從而控制電機轉(zhuǎn)速，此方式產(chǎn)生的PWM信號比用定時器中斷產(chǎn)生的PWM信號實時性更好，而且不會占用系統(tǒng)的定時器資源，這也是本系統(tǒng)采用ATmega128單片機的原因之一。同時ATmega128內(nèi)部自帶10位A/D轉(zhuǎn)換器，可以將尋跡傳感器檢測到的地面灰度電壓值進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，從而對地面灰度值進行量化，實現(xiàn)小車尋跡功能。

2.2 測速電路

測速模塊由黑白碼盤和光電傳感器組成。黑白碼盤貼在驅(qū)動輪的輪盤上，光電傳感器位于碼盤同側(cè)，如圖3所示。當(dāng)光電傳感器中發(fā)射的紅外光投射到碼盤的黑白條紋上時，將被間隔地反射到傳感器接收端，接收端收到與輪子轉(zhuǎn)速成正比的光電脈沖信號，從而在傳感器的輸出端產(chǎn)生一定頻率的電脈沖信號，通過一非門輸入到單片機的外部中斷口。通過單片機對脈沖計數(shù)就可算出小車的移動距離L，L=∏*D*N/M（D為驅(qū)動輪外徑，M為碼盤的黑白條紋數(shù)，N為實測的電脈沖正負跳變次數(shù)），小車的行駛速度Vk=L/T（T為單位時間間隔）。通過對一次時間間隔內(nèi)接收到的脈沖個數(shù)進行計數(shù)，再通過上式計算即可得到小車實際運行速度Vk。

圖3 黑白碼盤與光電傳感器

2.3 紅外避障電路

紅外避障電路的基本工作原理為晶振通過電容與非門產(chǎn)生一38Khz的脈沖信號，該信號作為載波控制紅外二極管將信號發(fā)射出去，遇到障礙物反射回來的信號被一體化接收頭接收并輸出高電平，若無障礙物則無返回信號，輸出低電平。單片機通過查詢信號輸入引腳的狀態(tài)來判斷是否有障礙物并輸出相應(yīng)的控制信號，控制電機運行方向和速度。可以在小車不同方向上安裝紅外避障傳感器，本系統(tǒng)在小車的左前方和右前方各安裝一對。

2.4 紅外尋跡電路

本系統(tǒng)配有3路紅外收發(fā)一體灰度傳感器，發(fā)射管向地面發(fā)射紅外光線，接收管根據(jù)接收到的紅外光線的強弱，輸出某個電壓值，該電壓值輸入到單片機的A/D口，進行A/D轉(zhuǎn)換后得到一個0～1 023的數(shù)值，數(shù)值大小反映地面不同灰度，每種顏色都對應(yīng)于一個數(shù)值范圍。例如，白色灰度值為 0～20，黑色為 1 000～1 023，單片機根據(jù)這些數(shù)值能判斷出傳感器所在地面的顏色，從而控制小車沿某種顏色的地面行走。3路傳感器并排放置，間距可根據(jù)顏色線寬度調(diào)整。

2.5 電機控制及調(diào)速模塊

電機控制及調(diào)速模塊原理如圖4所示。圖中INPUT1～INPUT4為輸入控制的TTL電平信號，此4路信號經(jīng)功放U7放大后驅(qū)動兩個電機，INPUT1和INPUT2控制小車左邊電機，INPUT3和INPUT4控制右邊電機，控制信號和電機轉(zhuǎn)動方向關(guān)系如表 1所示（表中“1”表示高電平，“0”表示低電平）。對電機的調(diào)速通過PWM實現(xiàn)，當(dāng)INPUT1～INPUT4輸入的不是恒定的高低電平而是脈沖寬度可調(diào)的脈沖波形時，電機轉(zhuǎn)動的速度就變?yōu)榭烧{(diào)，脈沖占空比越小則電機速度越慢，反之速度越快。

圖4 電機控制及調(diào)速模塊原理圖

表1 控制信號和電機轉(zhuǎn)動方向關(guān)系表

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件由主程序和定時器中斷子程序、外部中斷子程序等組成。主程序主要進行一些變量的初始化、開中斷并等待定時器中斷和外部中斷的發(fā)生。PWM輸出、PID算法處理等均在T0中斷子程序中完成，其程序流程如圖5所示。外部中斷子程序負責(zé)對光電傳感器產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)。

首先判斷小車是否處于尋跡狀態(tài)，如果是則調(diào)用尋跡子程序：根據(jù)安裝在小車底部的三個灰度傳感器檢測到的地面灰度值來控制小車的運行方向。例如，假設(shè)要求小車沿著白線自主行走，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換后的值介于0～20之間時，說明傳感器在白線上。若左側(cè)傳感器在白線上，說明小車在白線右側(cè)，應(yīng)控制小車偏向左行走；若中間的傳感器在白線上，小車應(yīng)繼續(xù)直行；若右側(cè)傳感器在白線上，應(yīng)控制小車偏向右行走；若三個傳感器都不在白線上，應(yīng)按某種算法行走，直到有一個傳感器在白線上為止。同樣，如果要讓小車沿其他顏色線行走，則應(yīng)該根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換后的值是否在此顏色對應(yīng)的灰度值范圍，來控制小車的運動方向。

若不在尋跡狀態(tài)下，則調(diào)用避障子程序：單片機根據(jù)左右兩側(cè)傳感器傳來的信號，判斷正前方是否有障礙物，如果有，控制小車以設(shè)定速度后退并大幅度右轉(zhuǎn)，沒有則判斷左前方是否有障礙物；如果左前方有障礙物，以設(shè)定速度后退并小幅度右轉(zhuǎn)，沒有則繼續(xù)判斷右前方是否有障礙物；如果右前方有障礙物，以設(shè)定速度后退并小幅度左轉(zhuǎn)，否則說明無障礙物，調(diào)用調(diào)速子程序。

調(diào)速子程序流程如圖6所示。首先根據(jù)脈沖計數(shù)值計算出小車當(dāng)前的實際車速Vk，把Vk和設(shè)定速度 rk 進行比較，假設(shè) P=（rk-Vk）/rk，如果 P>0．5，說明當(dāng)前車速離設(shè)定速度較遠，需要快速達到設(shè)定值，因此輸出最大設(shè)定PWM值；若0<=P<=0．5，則按照PID運算后輸出某個脈沖寬度的PWM值，控制電機快速達到設(shè)定值；若-0．3<=P<0，說明實際車速超過了設(shè)定速度某個范圍，則以最小設(shè)定 PWM 值來控制小車減速； 若-0．5<=P<-0．3，說明小車可能是下坡，需要減速以避免小車沖出軌道，因此讓電機停轉(zhuǎn)；若P<-0．5，說明坡度很陡，此時電機應(yīng)反轉(zhuǎn)以快速降低車速，一般這種情況很少出現(xiàn)，P 在-0．3～-0．5 之間時已得到了修正。

圖5 定時器中斷程序流程圖

圖6 調(diào)速子程序流程圖

4 結(jié)束語

本智能小車控制系統(tǒng)以Atmega128單片機為控制核心，采用bang-bang+PID控制算法精確快速地控制小車速度，使之完成上下坡、走彎道等任務(wù)。同時還采用了紅外避障和尋跡傳感器，提高了小車行駛的安全性和智能性。該智能小車已成功應(yīng)用于機器人競賽并取得較好成績。本小車還可作為移動機器人的載體，在功能上稍作擴展后即可應(yīng)用于小區(qū)巡邏、實地勘測、智能玩具等領(lǐng)域。

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