李正中，張青松，鄧 翱，盧 陽，董培武

LI Zheng-zhong, ZHANG Qing-song, DENG Ao, LU Yang, DONG Pei-wu

（重慶科技學(xué)院 自動化系，重慶 401331）

1 爬樓機器人結(jié)構(gòu)

現(xiàn)有輪式機器人具有較好的水平移動能力，但其越障性能較差，難以滿足現(xiàn)場工作的復(fù)雜環(huán)境要求。為了使爬樓機器人能自主探知障礙，并調(diào)整運動狀態(tài)，其硬件系統(tǒng)應(yīng)包括以下功能模塊：主控模塊、驅(qū)動模塊、障礙檢測模塊、電源模塊等。爬樓機器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。本系統(tǒng)以STC89C52單片機為控制核心，通過紅外傳感器探測爬樓機器人周圍有無障礙以及車體離障礙的距離等信息，經(jīng)CPU處理后產(chǎn)生行進控制信號和爬樓控制信號，分別實現(xiàn)直流電機的行進PWM調(diào)速控制和步進電機的爬樓越障控制[1,2]。

圖1 爬樓機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 爬樓機器人的硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

輪組式爬樓機器人的整體結(jié)構(gòu)由兩部份組成，包括位于機器人中問部位由兩個輪組驅(qū)動的主車架，及輪組機構(gòu)。主車架由一根車軸及輔助支撐部分組成。機器人的控制部分固定于主車軸四周的支撐機構(gòu)上，移動時和主軸一起同步旋轉(zhuǎn)。輪組結(jié)構(gòu)由兩個雙層的”Y”型鋁制支架構(gòu)成，三個等長的輪輻互成120o夾角，如圖2所示。主軸和用于越障的步進電機分別位于固定于輪輻的交點的內(nèi)外側(cè)。車輪的傳動部分位于各輪輻的端點處，由大減速比的直流電機直接驅(qū)動輪子運動。從而通過輪組的翻轉(zhuǎn)與步進電機的配合實現(xiàn)機器人水平運動及爬樓動作。

圖2 輪組結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 控制電路設(shè)計

該電路采用STC89C52單片機作為控制芯片，各控制部分使用模塊化的設(shè)計結(jié)構(gòu)。為了提高整個系統(tǒng)的可靠性，其輸入部分采用無線輸入控制與鍵盤輸入控制兩種形式相結(jié)合的方式。

2.3 電機驅(qū)動電路設(shè)計

本機器人輪輻處使用直流減速電機，采用集成芯片L298來驅(qū)動左右兩組直流減速電機。L298驅(qū)動電路原理圖如圖3所示。其中，控制器產(chǎn)生的兩路PWM信號分別接于L298的ENA和ENB引腳，用于調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速。同時IN1、IN2、IN3、IN4端口是L298邏輯控制端口，通過IN1到IN4電平的高低不同控制OUT1、OUT2電機的動作。

圖3 直流電機驅(qū)動電路圖

為了增大機器人樓爬越障時的力矩，提高其越障的成功率。因此輪組軸心處采用步進電機實現(xiàn)爬樓及越障功能。所用步進電機為四相步進電機，采用單極性直流電源供電。對步進電機的各相繞組按合適的時序通電，使步進電機步進轉(zhuǎn)動。通過控制驅(qū)動模塊ULN2003芯片10～13引腳電平的高低變化，控制CON1輸出端口的通電時序來實現(xiàn)步進電機正傳、反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)動角度。步進電機驅(qū)動器原理圖如圖4所示。

圖4 步進電機驅(qū)動電路圖

2.4 無線控制電路設(shè)計

爬樓機器人運動過程中可接受按鍵信號和無線信號，用以控制直流、步進電機正反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)機器人在水平面的直線、轉(zhuǎn)彎等運動以及爬樓越障等動作。該無線信號控制模塊采用NRF24L01模塊，該模塊可工作于2.4 GHz～2.5 GHz ISM頻段，內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊,其中輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。無線控制模塊接線圖如圖5所示。

圖5 無線控制電路圖

2.5 傳感器電路

樓梯檢測采用紅外測距傳感器模塊，用以實現(xiàn)機器人自主檢測障礙、翻越障礙的能力。紅外測距模塊利用紅外對管發(fā)射與接收紅外線，判斷機器人與障礙物之間的間距，為機器人下一步的運動方式提供依據(jù)[3,4]。采用霍爾傳感器可實現(xiàn)測速功能，將檢測到的數(shù)據(jù)傳送到單片機經(jīng)校正算法處理后輸出校正信號。為了減少傳感器之間的相互干擾，傳感器的打開與關(guān)閉用處理器控制，確保不出現(xiàn)兩個以上傳感器同時打開的情況，消除相互干擾。紅外測距及測速電路接線圖如圖6所示。

圖6 測距及測速電路圖

2.6 電源電路設(shè)計

電源的設(shè)計采用了電池組和電壓轉(zhuǎn)換電路來實現(xiàn)不同元器件對電壓的要求。處理器、傳感器、運放處理電路、電機驅(qū)動芯片供電均采用5V供電，而對于電機則直接用可充電鋰電池組供電，電機兩端最大電壓可以達到11V，在電機的承受范圍內(nèi)，并且能夠提高電機的最大轉(zhuǎn)速。電源部分的電路如圖7所示。

圖7 電源模塊

3 爬樓機器人的軟件設(shè)計

根據(jù)爬樓機器人運動軌跡和控制要求，系統(tǒng)的控制程序要包括控制主程序、樓梯檢測子程序和爬樓子程序等。主程序流程圖如圖8所示。運動控制主程序完成運動過程處理、數(shù)據(jù)信息采集與處理，樓梯檢測子程序通過紅外測距系統(tǒng)實現(xiàn)樓梯的識別，并調(diào)用爬樓子程序完成機器人的爬樓運行過程，其流程圖如圖9所示。

圖8 控制系統(tǒng)主程序

圖9 爬樓控制子程序

4 結(jié)束語

完成設(shè)計之后，對爬樓機器人進行了整體測試和實驗，結(jié)果顯示基本達到預(yù)期效果。在機器人正常行駛過程中，固定在Y型支架頂端的直流電動機在PWM技術(shù)控制下實現(xiàn)機器人的變速行走。若前方有樓梯則控制固定在Y型支架中心軸上的步進電機，使Y型支架旋轉(zhuǎn)一個角度，從而實現(xiàn)了機器人的爬樓運行。同時這種結(jié)構(gòu)模式也能實現(xiàn)機器人翻越各種類型障礙物，適合在各種不規(guī)則區(qū)域行走。具有較強的實際應(yīng)用價值。

[1]李菊葉.小型機器人避障的設(shè)計與實現(xiàn)[J].北華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2012.13(2).

[2]殷春武.主從履帶復(fù)合式機器人越障研究[J].計算機工程,2012.38(23).

[3]雷艷敏,朱齊丹,等.基于激光測距儀的障礙物檢測的仿真研究[J].計算機工程與設(shè)計,2012.33(2).

[4]丁偉,李海波.一種移動機器人避障與追蹤技術(shù)研究[J].制造業(yè)自動化,2012.34.