循跡機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

羅儒1，張文莉1，于婷2

(1.貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院，貴州貴陽(yáng)550000；2.長(zhǎng)春軌道客車裝備有限責(zé)任公司國(guó)凱公司，吉林長(zhǎng)春130062)

摘要：基于單片機(jī)控制的自動(dòng)循跡機(jī)器人系統(tǒng)可廣泛涉及于探測(cè)、工業(yè)、生活中。循跡機(jī)器人是一個(gè)應(yīng)用傳感器、控制器、驅(qū)動(dòng)及外加擴(kuò)展的自動(dòng)化技術(shù)，按照預(yù)先設(shè)定的模式或者軌跡來(lái)進(jìn)行自動(dòng)循跡導(dǎo)航的高新技術(shù)。設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易循跡小車，采用STC89C52單片機(jī)作為小車的控制芯片；采用TCRT5000紅外光電對(duì)管對(duì)地面黑色軌跡進(jìn)行檢測(cè)，將其信號(hào)反饋回單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)其反饋信號(hào)進(jìn)行分析并采用PWM控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速修正小車的移動(dòng)方向，實(shí)現(xiàn)小車自動(dòng)循跡的目的。

關(guān)鍵詞:STC89C52PWM紅外光電對(duì)管自動(dòng)循跡

中圖分類號(hào)：TP273文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：羅儒(1992-)，男，貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置專業(yè)碩士研究生，研究方向：傳感器技術(shù)。

收稿日期：2015-04-03

Tracking robot control system design

LUO Ru,ZHANG Wenli,YU Ting

Abstract:Automatic tracking robot based on singlechip microcomputer control system can be widely involved in detection, industries and everyday life. Tracking robot is a kind of automation technology which involves the application of sensor, controller, drive and additional devices to realize automatic tracking and navigation according to certain preset mode or path. This paper designs a simple tracking car with STC89C52 single-chip microcomputer as the control chip; Using TCRT5000 infrared double photoelectric cell to test the ground for black trajectory, the signal is sent back to the singlechip microcomputer which then analyzes the signal and adopts PWM to control the dc motor’s speed so as to correct the moving direction of the car, and to achieve the goal of automatic tracking.

Keywords:STC89C52；PWM；infrared double photoelectric cell；automatic tracking

0引言

隨著控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展,智能車在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中已經(jīng)扮演了非常重要的角色。近年來(lái)，智能循跡車在野外、道路、 現(xiàn)代物流及柔性制造系統(tǒng)中都有廣泛運(yùn)用，已成為人工智能領(lǐng)域研究和發(fā)展的熱點(diǎn)。為了適應(yīng)機(jī)電一體化的發(fā)展在汽車智能化方向的發(fā)展要求，提出簡(jiǎn)易智能小車的構(gòu)想，通過(guò)獨(dú)立設(shè)計(jì)并制作一輛具有簡(jiǎn)單智能化的簡(jiǎn)易小車，獲得項(xiàng)目整體設(shè)計(jì)的能力，并掌握多通道多樣化傳感器綜合控制的方法[1]。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

圖1　自動(dòng)循跡機(jī)器人系統(tǒng)總體框圖

循跡機(jī)器人設(shè)計(jì)將設(shè)計(jì)一個(gè)小車，能夠沿著黑線進(jìn)行循跡并沿著黑線軌跡進(jìn)行移動(dòng)。小車采用前左右輪驅(qū)動(dòng)，后車體裝萬(wàn)向輪。前車體左右兩輪采用兩個(gè)直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)改變直流電機(jī)轉(zhuǎn)速改變方向。在車體前部裝有四個(gè)光電對(duì)管紅外傳感器，分別布置于兩個(gè)左車體，兩個(gè)右車體。傳感器感知黑線布局，檢測(cè)到有無(wú)黑線將數(shù)據(jù)傳給主控芯片，主控芯片收到數(shù)據(jù)后根據(jù)算法做出相應(yīng)判斷并控制左右直流電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行左右方向修正[2-3]。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1主控制模塊的設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)使用STC89C52單片機(jī)。STC89C52單片機(jī)是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能的8位微處理器。單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖2所示。

圖2　單片機(jī)最小系統(tǒng)圖

2.2電源電路的設(shè)計(jì)

圖3　三端穩(wěn)壓電路5 V輸出

單片機(jī)需要5 V電壓為其供電，本次小車設(shè)計(jì)采用12鋰電池為整個(gè)小車供電，因此需要將12 V電源轉(zhuǎn)換為5 V為單片機(jī)供電，經(jīng)驗(yàn)證，選取常用的LM7805構(gòu)造一個(gè)三端穩(wěn)壓電路可以滿足單片機(jī)的供電需求[4]。

2.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)

小車使用的是雙12 V直流電機(jī)帶動(dòng)，由于單片機(jī)輸出的信號(hào)功率很弱，無(wú)法直接帶動(dòng)直流電機(jī)的工作，所以我們平時(shí)在用單片機(jī)控制直流電工作時(shí)候，在實(shí)際電路中加入了電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片提高輸入直流電機(jī)的信號(hào)功率，從而能夠控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。采用常見(jiàn)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)。當(dāng)輸入信號(hào)端IN1接高電平，輸入信號(hào)端IN2接低電平時(shí)，與其對(duì)應(yīng)的直流電機(jī)M1則正轉(zhuǎn)。反之當(dāng)IN1端接低電平，IN2端接高電平時(shí)，直流電機(jī)M1反轉(zhuǎn)。同理由IN2與IN3信號(hào)輸入端控制的直流電機(jī)M2也是如此。驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)邏輯如圖4所示。

電機(jī)控制電機(jī)狀態(tài)IN1IN2IN3IN4M1正轉(zhuǎn)10//反轉(zhuǎn)01//制動(dòng)00//制動(dòng)11//停止11//M2正轉(zhuǎn)//10反轉(zhuǎn)//01制動(dòng)//00制動(dòng)//11停止//11

圖4驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)邏輯圖

在小車循跡過(guò)程中，我們需要不斷根據(jù)傳感器模塊循跡得到的信號(hào)進(jìn)行處理，并且修正小車左右運(yùn)動(dòng)軌跡，這里就涉及到了小車的轉(zhuǎn)向問(wèn)題。當(dāng)小車需要往左轉(zhuǎn)時(shí)，右電機(jī)轉(zhuǎn)速高于左電機(jī)；當(dāng)小車需要往右轉(zhuǎn)時(shí)，左電機(jī)轉(zhuǎn)速高于右電機(jī)。那如何來(lái)調(diào)節(jié)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速呢？使單片機(jī)相應(yīng)I/O口輸出不同占空比的PWM波形即可[5-6]。

2.4循跡模塊的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的小車的循跡原理是在地板上貼上黑色膠帶，讓小車沿著黑線行走。黑與白兩種色調(diào)對(duì)于光線的反射系數(shù)不同，所以我們可以通過(guò)對(duì)是否接受到反射光或者反射光線的大小的強(qiáng)弱來(lái)判斷黑線軌跡。采用四個(gè)TCRT紅外光電傳感器置于車前進(jìn)行循跡。紅外探測(cè)法，就是利用紅外線在不同色調(diào)表面上的反射系數(shù)不同，通過(guò)接受反射線與否來(lái)進(jìn)行探測(cè)。當(dāng)紅外線照射到黑線上時(shí)候，紅外線被吸收，接受不到反射線，此時(shí)循跡模塊輸出高電平；當(dāng)紅外線照射在白色上面時(shí)候，反射線能夠被循跡模塊接收到，此時(shí)循跡模塊輸出低電平。當(dāng)檢測(cè)出黑線在車體左方時(shí)候，用單片機(jī)控制電機(jī)使車體向左修正，當(dāng)檢測(cè)出黑線在車體右方時(shí)候，用單片機(jī)控制電機(jī)使車體向右修正。

TCRT5000光電傳感器的工作原理與一般的紅外傳感器一樣，具有一個(gè)紅外發(fā)射管和一個(gè)紅外接收管，當(dāng)發(fā)射管的紅外線信號(hào)經(jīng)過(guò)反射被接收管接收后，接收管上的電阻發(fā)生變化，在電路上一般是以電壓輸出表現(xiàn)出來(lái)，再經(jīng)過(guò)電壓比較器LM339等電路處理后，最終在循跡模塊上以高低電平輸出。電阻的變化取決于接收管接收到的紅外線反射強(qiáng)度，因此不同的色調(diào)所反射回去的信號(hào)大小不同，從而判斷黑線還是白線。

循跡模塊內(nèi)選用LM339作為循跡模塊內(nèi)的電壓比較器處理反射回的紅外線強(qiáng)度。LM339內(nèi)部裝有四個(gè)電壓比較器，是很常見(jiàn)的一種電壓比較器，用它可以很方便的組成各種電壓比較電路和振蕩電路[7-8]。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖5　系統(tǒng)程序流程圖

根據(jù)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)使用模塊化的軟件設(shè)計(jì)，可以大致分為主程序、循跡模塊程序以及直流電機(jī)的PWM轉(zhuǎn)速控制模塊這三個(gè)模塊。由于設(shè)計(jì)到PWM轉(zhuǎn)速控制，并且此次PWM控制采用定時(shí)器0改變輸出信號(hào)占空比實(shí)現(xiàn)，所以主程序一開(kāi)始需要對(duì)定時(shí)器和中斷程序初始化，之后設(shè)定單片機(jī)控制直流電機(jī)正轉(zhuǎn)向前移動(dòng)。然后開(kāi)始循環(huán)調(diào)動(dòng)循跡模塊子程序，不斷掃描循跡模塊傳來(lái)的黑線信號(hào)，再根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)修正小車的移動(dòng)方向[9]。系統(tǒng)流程圖如圖5所示。

3.1PWM脈寬調(diào)制子程序

直流電機(jī)的調(diào)速通常采用PWM脈寬調(diào)制，即用PWM矩形波控制L298N的使能端的開(kāi)關(guān)來(lái)達(dá)到調(diào)速的目的。用定時(shí)器0方式1產(chǎn)生中斷程序?qū)崿F(xiàn)PWM的占空比調(diào)節(jié)。

3.2循跡模塊子程序

設(shè)計(jì)采用4路紅外循跡，將TCRT5000紅外探頭安置于車體前方。檢測(cè)黑線的方位，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)調(diào)試最終決定將小車轉(zhuǎn)向分為五種情況，直線前進(jìn)、左小拐、左大拐、右小拐、右大拐。直線前進(jìn)時(shí)候兩電機(jī)取PWM的占空比80%；左小拐時(shí)候取左電機(jī)占空比5%，右電機(jī)占空比65%；左大拐時(shí)候取左電機(jī)占空比5%，右電機(jī)占空比85%；右小拐時(shí)候取左電機(jī)占空比65%，右電機(jī)占空比5%；右小拐時(shí)候取左電機(jī)占空比85%，右電機(jī)占空比5%。

4結(jié)論

本設(shè)計(jì)采用AT89C52單片機(jī)作為控制芯片，紅外光電對(duì)管及電壓比較器LM339作為循跡模塊傳感器、L298N及直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)模塊，以實(shí)驗(yàn)組裝小車為基礎(chǔ)。小車設(shè)計(jì)模塊構(gòu)造簡(jiǎn)單，軟硬件運(yùn)行穩(wěn)定，同時(shí)還保留多個(gè)I/O口，可以在循跡小車的基礎(chǔ)上，拓展更多的功能，比如避障控制、聲控循跡等等多種功能。循跡機(jī)器人現(xiàn)如今在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，如探測(cè)、軍事、航空等領(lǐng)域。循跡機(jī)器人作為一種智能的高新技術(shù)，其發(fā)展，為人類帶來(lái)了許多的方便。它可以適應(yīng)不同環(huán)境、溫度等條件的工作空間，代替人類完成各種任務(wù)，保障了人的安全、也使得任務(wù)能夠更加精準(zhǔn)、高效率的完成。

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張文莉(1989-)，女，貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院控制理論與控制工程專業(yè)碩士研究生。

于婷(1989-)，女，本科，長(zhǎng)春軌道客車裝備有限責(zé)任公司國(guó)凱公司技術(shù)部制造工程師。