孔慶 馬鳳偉 周文婷

濟寧職業(yè)技術學院機電工程系，山東 濟寧 272037

手動機器人控制系統(tǒng)設計

孔慶 馬鳳偉 周文婷

濟寧職業(yè)技術學院機電工程系，山東 濟寧 272037

手動機器人對于機器人比賽的制勝起著舉足輕重的作用，首先提出了手動機器人控制系統(tǒng)設計方案，然后根據(jù)控制方案分別進行了硬件、軟件的設計，最后總結了設計調(diào)試過程中的心得體會。

機器人比賽；手動機器人；控制系統(tǒng)

引言

自2002年開始，中央電視臺每年舉行一次全國大學生機器人電視大賽（CCTVROBOCON），迄今為止，CCTVROBOCON已經(jīng)成功舉辦了十屆。每屆都有不同的主題，根據(jù)比賽要求，每個參賽隊要設計1臺或多臺自動機器人，1臺手動機器人。手動機器人將最重要的智能化傳感器和決策系統(tǒng)交給了人，在機器人還不能真正眼觀六路、耳聽八方、反應迅速、身手敏捷的時候，手動機器人不但不能放棄，還應當用于競賽中急難險重的關鍵環(huán)節(jié)，是自動機器人最重要的合作伙伴[1]。

1 手動機器人控制方案

手動機器人的基本組成模塊有運動機構、機械手、推進機構以及提升機構。運動機構實現(xiàn)手動機器人前進、后退、左右轉(zhuǎn)向等動作；機械手用來抓取和放置物品；推進機構可使機械手向前或向后運動，用來調(diào)節(jié)機械手的水平位置；提升機構用來提升機械手或使機械手下降，便于調(diào)整機械手的垂直位置。手動機器人控制系統(tǒng)結構如圖1所示。

控制器是整個手動機器人的控制核心，它負責所有指令動作的控制和各模塊之間的協(xié)調(diào)。由于手動機器人控制對象較為固定和簡單，動作不是很復雜，不需要處理過多的指令，因此可以選用已經(jīng)非常成熟的工業(yè)單片機AT89S52。該單片機存儲形式采用馮!諾依曼結構（Von Neumann），程序存儲區(qū)與數(shù)據(jù)存儲區(qū)統(tǒng)一編址，存儲結構簡單，程序編寫量較小，比較容易控制，而且技術相當成熟，可靠性好。

控制鍵盤用于實現(xiàn)對機器人的行進及動作控制，可以采用游戲手柄改裝而成。它的主要功能是產(chǎn)生相應的動作指令，由指令編碼器編碼之后發(fā)送到機器人的控制器，控制器對指令解碼后，控制電機完成相應的動作。

圖1 手動機器人控制系統(tǒng)結構框圖

手柄與手動機器人本體不會距離太遠，一般在一兩米以內(nèi)，可以選擇比較簡單的串行通訊方式。串行通訊操作簡單易控并且比較穩(wěn)定，接口采用航空接插件的形式，連接可靠。也可以采用USB通訊方式，但這種通訊方式需要另加轉(zhuǎn)接口。

手動機器人的動作由電機驅(qū)動完成，可以選用直流伺服電機作為動力源。直流伺服電機將控制信號轉(zhuǎn)換成機械軸的轉(zhuǎn)動，對控制信號的變化反應比較快[2]。

2 控制系統(tǒng)硬件設計

2.1 控制器及其監(jiān)控模塊

如前所述，控制器采用AT89S52工業(yè)單片機，AT89S52包括P0-P3四個端口，共32位輸入輸出（I/O）接口。由于手動機器人動作比較簡單，單片機本身的I/O口足夠用，因此只需要單片機最小系統(tǒng)[3]即可完成控制。為防止在比賽過程中，由于干擾等各種因素出現(xiàn)單片機死機而導致機器人無法正常動作的現(xiàn)象，需外加看門狗電路。復位及電源監(jiān)控由MAX813芯片來完成如圖2所示。

圖2 Max813應用電路圖

2.2 電源穩(wěn)壓模塊

鋰電池具有重量輕、放電電壓穩(wěn)定、工作溫度范圍寬、自放電率低、儲存壽命長、無記憶效應及無公害等優(yōu)點[4]，因此適宜用作手動機器人的電源?？紤]到比賽中可能會出現(xiàn)電池輸出電壓波動以及機器人負載變化的現(xiàn)象，為使機器人能穩(wěn)定地工作，必須保證控制器供電電壓的穩(wěn)定性，可以采用穩(wěn)壓芯片來實現(xiàn)，如圖3所示。

圖3 電源穩(wěn)壓電路圖

2.3 手柄控制電路

手柄與控制器之間通過串行方式通訊，硬件連接如圖4所示[5]。圖中，ATT用于提供手柄觸發(fā)信號；CLOCK是時鐘信號，用于保持數(shù)據(jù)同步；COMD表示信號流方向；從主機到手柄，用于傳輸控制器對手柄的命令；DATA表示信號流方向:從手柄到主機，用于手柄向控制器傳送動作指令。

2.4 電機驅(qū)動模塊

電機的控制主要包括正反轉(zhuǎn)控制以及PWM調(diào)速控制，其硬件驅(qū)動如圖5所示。

直流電機的正反轉(zhuǎn)由M1、M2兩個I/O口控制K1和K2兩個繼電器來實現(xiàn)[6]。當K1公共端接+12V，K2公共端接地時，電機承受正向12V電壓，電機正轉(zhuǎn)；當K1公共端接地，K2公共端接+12V時，電機承受反向12V電壓，電機反轉(zhuǎn)。行進中的軟啟動和軟停止采用PWM調(diào)速實現(xiàn)，即通過給電機發(fā)送一個占空比可調(diào)的電壓，改變電機上的平均電壓，即可改變電機的轉(zhuǎn)速。

考慮到電機工作時的反電動勢會導致單片機死機，可以在電機兩端加瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）吸收反電動勢[7]。

圖4 手柄與控制器連接圖

圖5 電機驅(qū)動電路圖

3 控制系統(tǒng)軟件設計

3.1 程序語言選擇

常用的51單片機編程語言有兩種，一種是匯編語言，一種是C語言。匯編語言是最接近機器碼的一種語言，其主要優(yōu)點是占用資源少、程序執(zhí)行效率高[8]。但是匯編語言不易移植，它的可讀性和可維護性不強。而C語言是一種結構化程序設計語言，具有功能豐富的庫函數(shù)、運算速度快、編譯效率高、有良好的可移植性，而且可以直接實現(xiàn)對系統(tǒng)硬件的控制[9]。C51是C語言在51系列單片機上的實現(xiàn)，使用特定的編譯器Keil C，C51綜合了C語言和匯編語言的優(yōu)點，因此，采用C51來編寫控制程序是一個很好的選擇。

3.2 程序設計

為加強程序的可讀性及易維護性，采用模塊化程序設計，即將手動機器人的各個動作分別編寫成子程序供主程序調(diào)用。主程序由一個大的循環(huán)程序組成，包括手柄與單片機的通訊、判斷按鍵、指令解碼及相應的動作輸出，程序流程圖如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

4 結語

通過不斷地嘗試、不斷地改進解決了系統(tǒng)實際調(diào)試過程中出現(xiàn)的一些問題，現(xiàn)將軟硬件調(diào)試過程中的經(jīng)驗總結如下：

（1）在設計電路時，要多查資料，準確把握相關元器件的特性及用法，這樣才能正確地選用器件，在檢查時也容易找出錯誤所在。

（2）安裝時不同作用的導線用不同的顏色、線號加以區(qū)別，導線要整齊，以便于修改。當出現(xiàn)問題時，要充分的利用萬用表和示波器來查錯。

（3）程序模塊化，每個模塊編成一個子程序，調(diào)試時根據(jù)出現(xiàn)的問題鎖定到某一個模塊，只要修改這個模塊就可以了。

[1]（日本）森政弘,鈴木泰博.機器人競賽指南[M].北京:科學出版社,2002.

[2]王曉明.電動機的單片機控制[M]. 北京:北京航空航天大學出版社, 2011.

[3]張克明.MCS-51單片機實用教程[M]. 北京:科學出版社,2010.

[4]王民忠. 締造傳奇—機器人大賽揭秘[M].北京:科學出版社,2004年.

[5]劉穎,李曉龍.單片機與PC手柄的通訊[J].電子世界,2003,(1):38～39.

[6]姚四改.Protel 99 SE電子線路設計教程[M].上海:上海交通大學出版社,2003.

[7]劉南平.現(xiàn)代電子設計與制作技術[M]. 北京:電子工業(yè)出版社,2003.

[8]李華等.MCS-51系列單片機實用接口技術[M].北京:北京航空航天大學出版社,2002.

[9]譚浩強.C程序設計[M].北京:清華大學出版社,2000.

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TP273

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.14.055