(河北工程大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038)

0 引言

隨著自動(dòng)化技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，智能設(shè)備的研究和應(yīng)用將會(huì)對(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。近年來，智能機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中發(fā)揮著重要的作用，因此，智能設(shè)備也成為了人工智能領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[1-2]。本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的自適應(yīng)智能循跡系統(tǒng)能夠使智能機(jī)器人在給定的具有多種背景色的區(qū)域內(nèi)沿著白色引導(dǎo)線穩(wěn)定行進(jìn)，通過及時(shí)調(diào)整機(jī)器人的前進(jìn)方向和行進(jìn)速度，有效消除行進(jìn)過程中產(chǎn)生的累積誤差，引導(dǎo)機(jī)器人準(zhǔn)確、快速地到達(dá)目的地。

1 系統(tǒng)基本原理及總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的循跡系統(tǒng)采用傳感器探測法，即通過傳感器輸出的電壓高低來區(qū)別引導(dǎo)線和背景色。當(dāng)輸出電壓為高電平時(shí)，為背景色；反之，則為白色引導(dǎo)線[3]。同時(shí)，利用光電旋轉(zhuǎn)編碼器采集車速信息并發(fā)送給主控制器。主控制器通過分時(shí)掃描的方法提取傳感器采集到的路徑信息，并接收車速信息，經(jīng)過各種算法綜合處理，得到當(dāng)前智能機(jī)器人和引導(dǎo)線的相對(duì)位置信息，并采用模糊控制算法和PID控制算法對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和轉(zhuǎn)向舵機(jī)進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)智能機(jī)器人的自主循跡[4]。系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 循跡系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 路徑識(shí)別模塊

系統(tǒng)中用于路徑信息采集的傳感器是一種反射式光電傳感器，其工作原理圖如圖2所示。

在傳感器中，解調(diào)電路內(nèi)部實(shí)際是一個(gè)施密特觸發(fā)器，只有當(dāng)接收到的反射光強(qiáng)大于一定門限值時(shí)，解調(diào)管的信號(hào)端才會(huì)產(chǎn)生一個(gè)低電平。設(shè)計(jì)中使用單片機(jī)調(diào)制PWM信號(hào)替代調(diào)制管對(duì)發(fā)光二極管D2進(jìn)行調(diào)制，可以通過軟件程序來調(diào)節(jié)PWM信號(hào)的占空比。此外，在選擇光源顏色時(shí)，發(fā)現(xiàn)紫色光束不僅具有較高的反光率，而且在實(shí)際環(huán)境中應(yīng)用較少，能夠提高系統(tǒng)的抗干擾性。

圖2 反射式光電傳感器原理圖

在制作電路板時(shí)，將16個(gè)傳感器按照“一”字型非均勻地分布在條形電路板上。選取智能機(jī)器人的幾何中心為定點(diǎn)O，并依次等角度畫射線，射線與電路板水平線相交的位置即為各傳感器的位置。在該系統(tǒng)中，智能機(jī)器人長度為30 cm，傳感器所在的電路板長度為22 cm，探出距離為10 cm。系統(tǒng)位置參數(shù)圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)位置參數(shù)示意圖

由圖3可知，檢測到的最大偏角為：

(1)

將16個(gè)光電傳感器從左到右的序號(hào)分別記為(-8，-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，1，2，3，4，5，6，7，8)，則每個(gè)光電傳感器到智能機(jī)器人中軸線的距離為：

(2)

通過計(jì)算，得到各個(gè)光電傳感器的排列位置表如表1所示。

表1 光電傳感器排列位置表

在掃描傳感器的狀態(tài)信息時(shí)，為了防止相鄰傳感器之間互相影響，采用雙3～8譯碼器實(shí)現(xiàn)分時(shí)掃描控制，在提高掃描速度的同時(shí)節(jié)約ATmega16L單片機(jī)的CPU引腳。將兩個(gè)74LS138譯碼器的E3端口用單片機(jī)控制，分別與單片機(jī)的PA1、PA2端口相連，既可以分開掃描,又可以并行掃描，在增加設(shè)計(jì)靈活性的同時(shí)，也便于調(diào)試和檢錯(cuò)。

2.2 車速檢測模塊

為了對(duì)檢測到的車速進(jìn)行PID控制，車速檢測模塊采用松野電氣生產(chǎn)的SY-ES40-RB360型光電旋轉(zhuǎn)編碼器來采集車速信息，其理論依據(jù)是編碼器輸出的脈沖個(gè)數(shù)與電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度成正比。該編碼器不僅硬件電路簡單，而且信號(hào)采集速度快、精度高、分辨率為360脈沖/轉(zhuǎn)。因此，根據(jù)一定時(shí)間內(nèi)光電旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖數(shù)能計(jì)算出車速，具體公式如下：

(3)

式中：V為當(dāng)前的車速；D為車輪直徑；N為采樣時(shí)間內(nèi)編碼器所輸出的脈沖數(shù)；T為采樣周期。

2.3 主控制器模塊

主控制器是循跡系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)完成傳感器轉(zhuǎn)換電路信號(hào)的接收、路徑和車速信息的處理以及智能機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度、方向的控制等功能[5]。本設(shè)計(jì)選用的ATmega16L微控制器的I/O口具體分配為：PA1、PA2分別為雙譯碼器的使能端有效信號(hào)的輸出，PB0～PB2、PB4～PB6用于控制3～8譯碼器U1、U2的輸入端信號(hào)，通過這8個(gè)I/O口即可實(shí)現(xiàn)對(duì)16路光電傳感器的掃描控制；PA0用于車速檢測的輸入口；PB3用于舵機(jī)的PWM控制信號(hào)輸出；PD4和PD5用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的PWM控制信號(hào)輸出，可分別連在電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的使能端EN1和EN2，PD1、PD0、PD6和PD7分別與電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的IN1、IN2、IN3、IN4相連。

2.4 電機(jī)控制模塊

智能機(jī)器人的電機(jī)系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)和轉(zhuǎn)向舵機(jī)。該系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用直流電機(jī)，并采用L293D作為驅(qū)動(dòng)芯片。L293D可同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī),其中3、6腳和11、14 腳之間分別接1個(gè)電機(jī)，2、7、10、15腳接輸入控制電平以控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，EN1、EN2端接控制使能端以控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)。主控制器輸出兩組PWM波分別控制兩個(gè)電機(jī)的速度。由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速與供給電機(jī)的電壓成正比，而電機(jī)的電壓與PWM控制波形的占空比成正比，因此電機(jī)的轉(zhuǎn)速與PWM占空比成正比[6-7]。

L293D的引腳示意圖如圖4所示。

圖4 L293D的引腳示意圖

循跡系統(tǒng)選取HS- 425BB 型舵機(jī)作為轉(zhuǎn)向控制元件，以單片機(jī)的PB3作為PWM信號(hào)輸出端，采用PWM 信號(hào)開環(huán)控制可以滿足PWM 信號(hào)與角度相對(duì)應(yīng)的要求，控制電路簡單且能滿足控制要求。

2.5 電源穩(wěn)壓模塊和通信模塊

循跡系統(tǒng)各模塊所需的電壓和電流容量不同，因此電源穩(wěn)壓模塊應(yīng)包含多個(gè)穩(wěn)壓電路：①LM2596為5 V電壓的穩(wěn)壓芯片，將電壓供給主控制器ATmega16L單片機(jī)、路徑識(shí)別模塊以及車速檢測模塊；②LM338為6 V 電壓的穩(wěn)壓芯片，將電壓供給轉(zhuǎn)向舵機(jī)控制模塊；③將電源電壓12 V 直接用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)。此外，系統(tǒng)選用了上海桑銳電子科技有限公司的SRWF-1型微功率無線通信模塊。該模塊提供多種接口方式，可滿足ATmega16L的使用需求，便于在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)參數(shù)的實(shí)時(shí)發(fā)送。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件流程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件程序包含有模塊初始化、工作狀態(tài)判斷、自適應(yīng)學(xué)習(xí)、路徑掃描、車速檢測、濾波算法等模塊的設(shè)計(jì)，其流程圖如圖5所示。

圖5 軟件程序流程圖

3.2 自適應(yīng)學(xué)習(xí)思想的應(yīng)用

在該循跡系統(tǒng)中，應(yīng)用自適應(yīng)學(xué)習(xí)思想的目的是使每路傳感器僅對(duì)白色敏感而對(duì)背景色不敏感。傳感器對(duì)PWM占空比的敏感度曲線如圖6所示。圖6中，A′、E′和B′、D′分別為傳感器能夠檢測到白色和背景色的臨界占空比，C′為使傳感器對(duì)白色、背景色的敏感度達(dá)到最高的理論值。

圖6 敏感度曲線圖

從圖6可以看出，在理論最高點(diǎn)C′兩側(cè)都存在可以作為自適應(yīng)的部分，為了提高發(fā)光二極管的發(fā)光亮度，選取D′～E′部分作為自適應(yīng)部分。當(dāng)進(jìn)行白色自適應(yīng)學(xué)習(xí)時(shí)，通過程序控制使PWM[5-6]的占空比從99%向下遞減直到檢測到的狀態(tài)為低電平，此時(shí)占空比就是檢測到白色引導(dǎo)線的臨界值占空比E′并保存到相應(yīng)數(shù)組。背景色自適應(yīng)過程類似，但是由于解調(diào)管在C′兩側(cè)對(duì)背景色都很敏感，而且每個(gè)解調(diào)管的特性也不完全一樣。C′只是一個(gè)理論參考值，因此在實(shí)際測試過程中找到D′的有效方法就是將PWM占空比從1%開始遞增直到恰好能夠檢測到背景色;之后繼續(xù)增加占空比直到再次檢測不到背景色，此時(shí)的臨界占空比即為D′。將E′和D′求均值就能得到對(duì)白色敏感但是對(duì)背景色不敏感的占空比，而且排除了臨界點(diǎn)波動(dòng)帶來的干擾。

3.3 舵機(jī)轉(zhuǎn)向控制策略

系統(tǒng)采用雙P控制來實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)的轉(zhuǎn)向控制。智能機(jī)器人與引導(dǎo)線位置關(guān)系可以由位置偏差d方向偏差α來描述，因此，將參數(shù)d和α作為雙P控制算法的輸入量。同時(shí)，對(duì)智能機(jī)器人轉(zhuǎn)向的控制是通過對(duì)舵機(jī)轉(zhuǎn)角的控制來實(shí)現(xiàn)的，而舵機(jī)轉(zhuǎn)角的控制則是通過改變PWM的占空比來實(shí)現(xiàn)的，因此雙P控制算法的輸出量為PWM的占空比。舵機(jī)轉(zhuǎn)角與PWM計(jì)數(shù)值的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖7所示。

圖7 舵機(jī)轉(zhuǎn)角與PWM計(jì)數(shù)值的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖

當(dāng)某個(gè)傳感器檢測到白色引導(dǎo)線時(shí)，根據(jù)表1，就能得出d值，通過以下幾個(gè)公式，即可得到α值和PWM的計(jì)數(shù)值。

(4)

(5)

Ang=A1×α+A2×d

(6)

PWM=750+(Ang×50/9)

(7)

式中：Ang為舵機(jī)的當(dāng)前轉(zhuǎn)角值；A1和A2為角度偏差和位置偏差的系數(shù)。

根據(jù)PID調(diào)節(jié)規(guī)律，可以通過測試確定A1和A2。

3.4 電機(jī)速度控制策略

利用上述轉(zhuǎn)角信息，建立一個(gè)雙輸入單輸出的模糊控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。雙輸入為機(jī)器人轉(zhuǎn)角值A(chǔ)ng和轉(zhuǎn)角增量值A(chǔ)ng-a，單輸出為PWM占空比pwm-d，建立的模糊控制規(guī)則如表2所示。

表2 PWM占空比模糊控制規(guī)則表

在表2的基礎(chǔ)上，對(duì)測得的速度用閉環(huán)PID控制算法進(jìn)行調(diào)整，保證機(jī)器人的速度在各種負(fù)載和供電變化的情況下平穩(wěn)、快速地達(dá)到預(yù)定速度。電機(jī)控制系統(tǒng)原理圖如圖8所示。

圖8 電機(jī)控制系統(tǒng)原理圖

采用的PID控制器為：

(8)

式中：e(n)為系統(tǒng)的設(shè)定速度與測速傳感器測得的當(dāng)前速度之差，設(shè)定速度可通過查詢模糊控制規(guī)則表得到，當(dāng)前速度由光電旋轉(zhuǎn)編碼器檢測得到；u(n)為當(dāng)前電機(jī)電壓的控制量，它以PWM信號(hào)的方式控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速；KP、KI和KD分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)，三者都可以通過試驗(yàn)方式確定。

4 系統(tǒng)功能測試

功能測試的場地圖如圖9所示。

圖9 功能測試場地圖

實(shí)測表明，循跡系統(tǒng)在工作時(shí)對(duì)外部光強(qiáng)很敏感。因此，將不同測試環(huán)境的光照強(qiáng)度進(jìn)行測量，并分別進(jìn)行功能測試，得到的測試結(jié)果如表3所示。

表3 光線強(qiáng)度與循跡功能關(guān)系表

為了提高系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性，循跡系統(tǒng)需要安裝遮光裝置。考慮到測試場地以及實(shí)際使用環(huán)境的地面狀況，循跡系統(tǒng)在上坡、下坡時(shí)都有遮光需求。因此，遮光裝置應(yīng)該使用材質(zhì)較軟的不透光材料。通過測試表明，不同材料的遮光裝置具有不同的遮光效果，對(duì)循跡系統(tǒng)的循跡精度有不同的影響，本文僅對(duì)黑色的軟塑料紙、棉布、薄海綿三種材質(zhì)的遮光裝置的遮光效果進(jìn)行對(duì)比研究，結(jié)果如表4所示。

表4 遮光裝置對(duì)循跡系統(tǒng)循跡功能的影響

從表4可以看出，安裝有遮光裝置的循跡系統(tǒng)的循跡偏差明顯變小，其中薄海綿的遮光效果最好，而且能夠變形，滿足在不同坡度地面上的遮光需求。

設(shè)定測試路徑為A→B→C→D→E→F→G→H，測試結(jié)果表明,該循跡系統(tǒng)能夠在具有多種不同顏色的環(huán)境背景下從起始點(diǎn)準(zhǔn)確到達(dá)目的地，而且在各段路徑上的循跡精度都在±2 mm內(nèi)。通過多次測試(N≥100)，得到各個(gè)線段上的循跡偏差統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表5所示。

表5 不同類型引導(dǎo)線上的循跡偏差對(duì)比

測試表明，安裝有遮光裝置的循跡系統(tǒng)具有良好的循跡效果，能夠有效排除周圍環(huán)境光強(qiáng)的干擾，在不同坡度的地面上準(zhǔn)確循跡。

5 結(jié)束語

本文所設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的自適應(yīng)智能循跡系統(tǒng)不僅創(chuàng)新性地應(yīng)用了自適應(yīng)思想，使得智能機(jī)器人能夠適應(yīng)不同的背景色。路徑信息采集模塊有效利用雙譯碼器，實(shí)現(xiàn)分時(shí)掃描，提高掃描速度。安裝的遮光裝置有效排除了周圍環(huán)境光線強(qiáng)度帶來的干擾。實(shí)測表明，該循跡系統(tǒng)具有很高的實(shí)用價(jià)值，能夠適應(yīng)不同坡度、不同背景色的地面環(huán)境。系統(tǒng)采取了多種防干擾措施，循跡精度高、掃描速度快，可廣泛應(yīng)用于各種智能設(shè)備。

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