盧瑞輝，吳錘紅

(福建農(nóng)林大學 機電工程學院，福建 福州 350002)

2010年優(yōu)酷網(wǎng)站上，網(wǎng)友上傳了日本一家餐廳里的一段視頻：一輛兩輪自平衡自動送餐車在為指定的客人送餐。[1]從視頻中可以看到，這家餐廳只有一臺這種送餐車，還在試驗研究階段，尚未推廣。但是，這些兩輪自平衡小車經(jīng)過改造后，可以快速方便地應用到諸如運輸、代步和承載等環(huán)境當中。這里商機潛力巨大，一些外國公司已經(jīng)將它們商業(yè)化，并投放到了市場。[2]

由于沒有該送餐車的其他相關資料，必須利用自己的方案實現(xiàn)兩輪送餐車送餐的目標。為了做到這一點，最起碼要解決三個問題：首先要解決的也是最關鍵的是平衡運動的問題；其次是送餐車怎么選擇行進路線的，又是怎么樣定位的；最后還要考慮它是如何避開障礙物的。此次，自平衡自動送餐車的研究不是純粹為了送餐，而是為了研究其中的控制策略及控制方法，從而對自動控制理論有一個更好的認識。

一 總體設計規(guī)劃

餐廳模擬環(huán)境，如圖1所示，送餐車的行進路線由事先規(guī)劃好的黑線作為引導。

圖1 餐廳模擬示意圖

經(jīng)過認真的分析研究，確定了自平衡自動送餐車系統(tǒng)的總體設計，其整體框架如圖2所示。在進行具體的電路設計之前，要對MCU STC12C5A60S2的I/O口進行合理分配。這需要充分考慮系統(tǒng)各個輸入輸出情況，做好總體規(guī)劃。

圖2 送餐車硬件總體設計

二 電路設計

自平衡自動送餐車的電路采用模塊設計(如圖3所示)方法。模塊化可以幫助理清思路，總覽全局。不僅有利于電路設計，而且還便于將來PCB電路板的重新拼接，再次利用。系統(tǒng)利用Protel 99SE軟件進行電路設計，大部分主要器件的管腳圖及封裝，該軟件的元件庫都沒有，需要自己根據(jù)元件的實際情況來畫。

圖3 硬件電路圖

自平衡自動送餐車采用可移動的，能充電的12V鋰電池作為供電來源。但是，由于在整個系統(tǒng)中，各個模塊所需要的電壓有可能是不同的。因此電源模塊需要輸出多種不同幅值的電壓，以滿足系統(tǒng)的要求。經(jīng)過對系統(tǒng)的全面分析，可知道電源模塊至少要滿足這兩個要求：提供12V，5V，3.3V這三類幅值的電壓；每種電壓要有一定數(shù)量的引出端子。

自平衡自動送餐車的主控芯片為MCU STC12C5A60 S2，[3]以它為核心組建系統(tǒng)的CPU模塊。該MCU的I/O口較多，可以按組分別把它們引出來，以便與其他外設相連，構建送餐車系統(tǒng)。用5個8芯白色底座分別引出P0，P1，P2，P3，P4口；至于P5只有4個I/O口，需要1個4芯白色底座即可。本次設計將采用的晶振頻率為11.0592MHz。瓷片電容C3起到了穩(wěn)定MCU工作電源的功效。

自平衡自動送餐車姿態(tài)數(shù)據(jù)主要包括車體的傾斜角度和傾斜角速度。這可分別利用加速度傳感器MMA7260和陀螺儀ENC-03MB測得。只有綜合利用這兩個傳感器才能得到所需要的正確信號，用MMA7260測得的傾斜角度來校正ENC-03MB信號積分所得的角度。為了便于程序的編寫，采用以LMV358為主的硬件處理電路對姿態(tài)數(shù)據(jù)進行處理。處理之后的傾斜角度和傾斜角速度信號，用2芯白色底座將O1，O2接到MCU的P1.0(ADC0)，P1.1(ADC1)口，進行A/D轉換。

自平衡自動送餐車有兩個車輪，需要用到一塊L298N驅動芯片。驅動芯片的使能端ENA與ENB都接VCC，也就是說它們始終被鉗位為高電平，其四個輸入端隨時都可以輸入，不受限制。四個輸入端由4芯白色底座從MCU引入，IN1，IN2，IN3，IN4分別對應的接P2.0，P2.1，P2.2，P2.3。二極管D6，D7，D8，D9可起到對MOTOR1的續(xù)流保護作用；二極管D2，D3，D4，D5可起到對MOTOR2的續(xù)流保護作用。另外，為了更加直觀的了解兩個直流電機的正反轉情況，引入了4個LED指示燈。

為了測得電機的轉速利用了兩個光電編碼器搭建了速度檢測模塊電路。該模塊的電路比較簡單，只需要直接將與電機同軸安裝的左右光電編碼器的脈沖輸出接到MCU的脈沖捕獲接口P4.2(CCP0)，P4.3(CCP1)。至于車輪轉速的計算將由軟件編程加以實現(xiàn)。

送餐車的行進定位電路主要由3個光電開關RPR220和1個四電壓比較器LM339M(用了3路，還剩1路)組成?，F(xiàn)以其中一路為例進行介紹。當發(fā)出的紅外光遇到的是白線，紅外光會被反射，RPR220的光電三極管將導通。此時LM339M第一個比較器的反向輸入端的電壓，幅值大約為5V，大于同向輸入端的電壓，比較器的輸出端相當于接地。當發(fā)出的紅外光遇到的是黑線，紅外光會被吸收，RPR220的光電三極管將截止。此時LM339M第一個比較器的反向輸入端的電壓，幅值大約為0V，小于同向輸入端的電壓，比較器的輸出端相當于開路。但是由于在輸出端接了一個上拉電阻，它將向系統(tǒng)輸入高電平信號。另外兩路的原理完全類似，不再贅述。行進定位3路的檢測信號由LO1，LO2，LO3接到MCU 的P2.4，P2.5，P2.6進行傳輸。

送餐車的避障要完成兩個任務，共用到兩個紅外光電傳感器E18-D80NK。一個通過調節(jié)，使它的避障距離為30cm；另一個，則調為60cm。它們的輸出需要接10k的上拉電阻。當障礙物的距離小于避障距離時，傳感器將輸出低電平；當障礙物的距離不小于避障距離時，傳感器將輸出高電平。兩個傳感器的輸出E18OUT1，E18OUT2分別接到MCU P3.2(INT0)，P2.7(INT1)口。

自平衡自動送餐車的相關信息將由YB12864-ZA進行顯示，控制輸入除了四個按鍵之外，還有紅外遙控，其中后者為主要控制輸入，前者為備用。為了便于操作把它們劃分在一起。

三 軟件設計

自平衡自動送餐車的硬件制作完成之后，就可以著手進行系統(tǒng)的軟件開發(fā)了。在進行程序編寫之前，要對系統(tǒng)工作的整體流程有一個宏觀的把握，如圖4所示。這個流程的順利實現(xiàn)，依賴于實際可行的系統(tǒng)控制算法和匯編語言主程序及各功能模塊子程序的設計實現(xiàn)。該系統(tǒng)以Protues 7.7為開發(fā)平臺，結合UltraEdit-32強大的編輯功能，利用STC單片機的專用下載軟件STC-ISP V488下載hex文件，進行程序的編寫調試。

圖4 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)的總體控制算法(如圖5所示)，通過對各控制的耦合，得出一個整合控制量對電機加以控制。

圖5 系統(tǒng)總體控制算法

其中RPR220的檢測控制算法如表1所示，當RPR220發(fā)射的紅外光被吸收時，該路的輸出為高電平。當RPR220發(fā)射的紅外光被反射時，該路的輸出為低電平。根據(jù)3路的輸出情況，采取相應的方向控制策略。除此之外，還需要根據(jù)紅外的輸入，送餐車位置信息，進行零半徑回轉。在回轉的時候，送餐車的運行不受3路RPR220檢測的影響。回轉完成之后，再啟用RPR220檢測控制算法。

表1 RPR220檢測控制算法

避障控制算法分為任務一(緊急任務)和任務而(普通任務)。緊急任務優(yōu)先級別高于普通任務。換句話說，就是在執(zhí)行普通任務的時候，要是出現(xiàn)了緊急任務的響應條件，則立即停止執(zhí)行普通任務而轉為緊急任務。另外，這兩個任務是不可能同時執(zhí)行。是執(zhí)行哪個任務，主要由障礙物的距離決定，如表2所示。兩個E18-D80NK的檢測，共有3種結果。根據(jù)不同的結果，執(zhí)行相應的任務。

表2 E18-D80NK避障控制算法

紅外遙控器沒有輸入的時候，送餐車保持在初始位置，速度給定為零。紅外遙控器輸入為1-5桌的時候，送餐車直接向前行進。紅外遙控器輸入為6-10桌的時候，送餐車先進行零半徑回轉，速度給定為零，再向前行進。

除了姿態(tài)數(shù)據(jù)用硬件電路處理之外，其余的都將用軟件進行處理，最難的也是最關鍵的是PID算法軟件實現(xiàn)問題。原因在于匯編語言沒有自帶的積分運算和微分運算。本系統(tǒng)的控制器采用增量式PID算法，采樣周期為T，比例系數(shù)為kP，積分時間常數(shù)為TI，微分時間常數(shù)為TD。它們之間存在kI=kP×T/TI,kD=kP×TD/T的關系，算法的表達式演算如下：

ΔU(k)=U(k)-U(k-1)

=k{kP1{[e(k)-e(k-1)]+T/TIe(k)+TD/T[e(k)-

2e(k-1)+e(k-2)]}}

(4-1)

在式子(4-1)中，k為采樣時刻序號，U(k)為控制器第k次采樣時刻輸出值，e(k)為第k次采樣時刻偏差值，且k=kp/kp1=2n,在實際的工程應用中，增量式PID參數(shù)調節(jié)可借助于k進行協(xié)調。增量式PID算法對控制對象的擾動較小。盡管系統(tǒng)出現(xiàn)故障，執(zhí)行器也仍能保持前一步的控制狀態(tài)。增量式PID算法操作容易。它不必對偏差值e(k)進行累加，只需輸出作為控制量的ΔU(k)。如果知識了e(k),e(k-1),e(k-2),就可以算出ΔU(k)。再加上U(k-1)，就能算出U(k)。在匯編實現(xiàn)的時候，先將e(k)歷史數(shù)據(jù)存于事先定義好的數(shù)據(jù)存儲單元。然后，通過平移替換的方法對其循環(huán)保存，可有效地傳遞數(shù)據(jù)。

四 整體調試

將各個模塊連接好之后，按下總電源開關，就可以進行自平衡自動送餐車系統(tǒng)的整體調試了。

首先看送餐車能不能保持平衡，然后看看能不能以一定的速度穩(wěn)定運行，在轉彎處能不能順利轉彎，全面檢查是否可以穩(wěn)定的進行平衡運動。之后，將它置于規(guī)劃好的軌跡之內，看它是否可以跟蹤軌跡。還要測試它能不能穩(wěn)定的停在目標位置，實現(xiàn)成功定位。最后還要觀察它可不可以有效的執(zhí)行緊急避障任務和普通避障任務。通過系統(tǒng)開發(fā)平臺，不斷完善，不斷改進，直到完成任務。

五 總結與展望

由于此課題的設計難度比較大，引言部分給出的三個需要解決問題都是一個比較大的課題，都需要花費大量的時間及精力。加之自身能力的因素，及時間的限制，研究條件的制約，本研究主要解決了小車的平衡問題。至于行進路線的選擇和定位策略以及避障這兩個問題，采取了較為簡單的解決方法，要是送餐車可以智能選擇行進路線，不借助地面標示符就可以進行準確定位，清晰辨別客人和障礙物，那系統(tǒng)就更具智能化了。這有待將來選擇更好的控制策略，采用更加適合的控制算法作出研究改進，以期進一步提高送餐車智能化水平。

[1]雙輪自平衡送餐機器人[EB/OL].(2010-12-21).[2011-11-28].http://v.youku.com/v_show/id_XOTk5NzAzMzI=.html.

[2]曹志杰.一種自平衡雙輪移動機器人控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].北京：北京郵電大學，2008，3.

[3]STC12C系列單片機器件手冊[EB/OL] .(2009-06-24) [2012-03-18].http://wenku.baidu.com/link?url=xanDqMIbU6Fw94Vhq_rQ_FNBVSDh1hUEjK4 jaVLXCmZZtLfSkIt5NGq7fYiZMTEM0a6a_eUUIAaNmCaJBanT9q-zOUIJ2-Vu2JQApQ0pABK.