劉起興，吳欽木

(貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025)

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四輪移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉起興，吳欽木

(貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025)

針對(duì)一些中小企業(yè)機(jī)器人應(yīng)用的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了一個(gè)四輪移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由微控制器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、傳感器模塊與無(wú)線通信模塊組成.微控制器模塊是控制系統(tǒng)的核心，能無(wú)線接收監(jiān)控平臺(tái)傳來(lái)的指令信號(hào)，通過(guò)傳感器模塊實(shí)時(shí)采集機(jī)器人移動(dòng)路徑及其障礙物信號(hào)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制機(jī)器人循跡運(yùn)動(dòng).實(shí)驗(yàn)表明該控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠，對(duì)四輪移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)一步發(fā)展有借鑒作用.

移動(dòng)機(jī)器人；控制系統(tǒng)；微控制器；電機(jī)驅(qū)動(dòng)；傳感器

四輪移動(dòng)機(jī)器人是以4個(gè)車(chē)輪作為移動(dòng)方式的一種機(jī)器人，其研究技術(shù)涉及路徑規(guī)劃、導(dǎo)航定位與運(yùn)動(dòng)控制等.四輪移動(dòng)機(jī)器人因運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、速度快、承載能力大等特點(diǎn)，在軍事、工業(yè)、商業(yè)與農(nóng)業(yè)等方面廣泛應(yīng)用，成為世界各國(guó)科技工作者研發(fā)的一個(gè)熱點(diǎn).美國(guó)Stanford大學(xué)研制的四輪移動(dòng)機(jī)器人Stanford Card，用視覺(jué)傳感器探測(cè)地面上的軌線信號(hào)，能按照預(yù)先設(shè)計(jì)的路徑做循跡運(yùn)動(dòng).[1]美國(guó)NASA研制的四輪移動(dòng)機(jī)器人Nomad，能接收GPS信號(hào)，通過(guò)遙控執(zhí)行在南極尋找隕石的工作.[2]IROBOT 公司研制的吸塵器機(jī)器人ROOMBA能避開(kāi)障礙，完成室內(nèi)清掃任務(wù).[3]我國(guó)移動(dòng)機(jī)器人的研究起步雖晚，但國(guó)家高度重視，把機(jī)器人的研發(fā)列入了“863”高科技發(fā)展規(guī)劃，發(fā)展迅速.中控科技集團(tuán)研制的海寶機(jī)器人能提供迎賓服務(wù)，也能為游客提供指路導(dǎo)航服務(wù).[4]2013年玉兔機(jī)器人登陸月球，其具有爬坡與越障能力，完成了對(duì)月球表面的地理探測(cè)任務(wù).雖然我國(guó)機(jī)器人的科技研究取得了一些重大成果，但目前中小企業(yè)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的研發(fā)與應(yīng)用水平還有待提高.

本文針對(duì)一些中小企業(yè)機(jī)器人應(yīng)用的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了一個(gè)四輪移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)，它能按預(yù)先規(guī)劃好的路徑移動(dòng)，繞過(guò)障礙物，到達(dá)目標(biāo)地.

1　總體設(shè)計(jì)

圖1　控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的四輪移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)能夠完成三項(xiàng)任務(wù)：一是路徑規(guī)劃，用錫箔紙鋪設(shè)機(jī)器人的移動(dòng)路徑，在路徑上放置一些障礙物以增加機(jī)器人移動(dòng)的難度；二是導(dǎo)航定位，用傳感器探測(cè)錫箔紙路徑及其障礙物信息，傳遞給機(jī)器人控制系統(tǒng)；三是運(yùn)動(dòng)控制，機(jī)器人控制系統(tǒng)把傳感器檢測(cè)到的路徑信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)相比較，進(jìn)行分析處理，發(fā)送指令給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向，沿著規(guī)劃好的路徑移動(dòng)，最終達(dá)到目標(biāo)地，其總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示.

圖1中，微控制器是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，其接收監(jiān)控平臺(tái)指令與傳感器模塊傳來(lái)的信息，并進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)運(yùn)算與處理；傳感器模塊負(fù)責(zé)機(jī)器人移動(dòng)過(guò)程中路徑的識(shí)別與障礙物探測(cè)；電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的速度和位置控制；電源模塊給機(jī)器人控制系統(tǒng)的各個(gè)模塊供電，保證控制系統(tǒng)能正常工作.

2　硬件設(shè)計(jì)

為了提高效率，移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了模塊法，整個(gè)系統(tǒng)分為微控制器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制模塊、傳感器模塊與無(wú)線數(shù)據(jù)通信模塊.

2.1微控制器模塊

設(shè)計(jì)選用ATMEL公司的ATmega128單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心，其結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2　微控制器接口電路

ATmega128是一款高性能、低功耗的8位高檔AVR微控制器，芯片內(nèi)包含128 kB的可編程Flash程序存儲(chǔ)器，6個(gè)8位的并行I/O口，2個(gè)串行USART，支持JTAG和ISP編程.時(shí)鐘電路由1個(gè)16 MHz的外部晶振與2個(gè)22PF的瓷片電容組成，其負(fù)責(zé)為控制系統(tǒng)提供時(shí)鐘源.復(fù)位電路包含上電復(fù)位與手動(dòng)復(fù)位，當(dāng)微控制器受外界干擾程序跑飛時(shí)其有重啟功能.電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊接收微控制器的指令，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng).傳感器模塊探測(cè)機(jī)器人外部環(huán)境信息，傳遞給微控制器分析處理.無(wú)線通信模塊建立微控制器與監(jiān)控平臺(tái)的溝通渠道，負(fù)責(zé)兩者之間的通信任務(wù).

2.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng).選擇直流電機(jī)的型號(hào)為RS365SH-14713A，用12V的鋰電池供電，為移動(dòng)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)控制提供了方便.

圖3　直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖

電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片選擇了L298N， 為SGS公司產(chǎn)品，內(nèi)含2個(gè)H橋驅(qū)動(dòng)器，可以驅(qū)動(dòng)2個(gè)直流電動(dòng)機(jī)，其驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示.+VS引腳接直流電機(jī)的+12V電源， 引腳OUT1，OUT2之間， OUT3，OUT4之間可分別接直流電機(jī)M， 引腳IN1、IN2、IN3、IN4分別連接ATmega128的IO引腳，以控制直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn).ENA，ENB是控制使能端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)， L298N的功能邏輯真值表如表1所示.

直流電機(jī)的控制通過(guò)脈沖寬度調(diào)制(PWM)實(shí)現(xiàn)，PWM 信號(hào)由ATmega128單片機(jī)產(chǎn)生，用脈沖計(jì)數(shù)方法調(diào)整 PWM 信號(hào)脈寬的占空比，通過(guò)占空比的調(diào)控實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的調(diào)速，直流電機(jī)兩端的平均電壓按下式進(jìn)行計(jì)算.

U=D×US.

(1)

其中:U為直流電機(jī)電樞兩端的平均電壓;US為加在直流電機(jī)電樞兩端的電源電壓;D為占空比，取值范圍是0

表1　L298N的功能邏輯真值表

2.3傳感器模塊

傳感器模塊有識(shí)別機(jī)器人移動(dòng)路徑與探測(cè)障礙物的功能，并把檢測(cè)到的信息上傳給微處理器.機(jī)器人的移動(dòng)路徑用錫箔紙鋪成，選擇渦流傳感器(LJ8A3-2-Z/AY型)作為路徑識(shí)別元件，把2個(gè)渦流傳感器安裝在機(jī)器人前端下方.渦流傳感器用錫箔紙的金屬特性，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)路徑的位置，實(shí)現(xiàn)循跡運(yùn)動(dòng).障礙物與終點(diǎn)目標(biāo)用黑塊標(biāo)識(shí)，選擇紅外傳感器作為障礙物與終點(diǎn)目標(biāo)的探測(cè)儀器，安裝在機(jī)器人的正前方.紅外傳感器把檢測(cè)到的光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，確定出障礙物的位置.[7-8]

2.4通信模塊

無(wú)線通信模塊是移動(dòng)機(jī)器人與監(jiān)控平臺(tái)連接的信息紐帶，在移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)中十分重要.選擇深圳普聯(lián)技術(shù)有限公司的產(chǎn)品(TP-LINK)實(shí)現(xiàn)WIFI無(wú)線數(shù)據(jù)通信，它符合802.11 b標(biāo)準(zhǔn)，傳輸速度達(dá)到11 MB/s，信號(hào)覆蓋半徑達(dá)到100 m.

3　軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)采用C語(yǔ)言編寫(xiě)程序，主要完成路徑識(shí)別、障礙物躲避與控制機(jī)器人移動(dòng).機(jī)器人控制系統(tǒng)把收到的監(jiān)控平臺(tái)指令與傳感器檢測(cè)到的路面信號(hào)分析處理，發(fā)送指令給直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，控制機(jī)器人按規(guī)劃好的路徑循跡移動(dòng)，其流程圖如圖4所示.

圖4　機(jī)器人移動(dòng)流程圖

4　實(shí)驗(yàn)與調(diào)試

四輪移動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行了硬件與軟件調(diào)試.硬件調(diào)試步驟為先對(duì)照電路圖檢查PCB電路板上有無(wú)連線錯(cuò)接、漏接與短路，再觀察焊點(diǎn)是否牢靠，有無(wú)虛焊，再接通電源觀察電路板上的指示燈狀態(tài)及有無(wú)冒煙等，最后用萬(wàn)用表測(cè)量關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)參數(shù)是否正常等.硬件檢測(cè)合格后進(jìn)行機(jī)器人裝配，裝配好的四輪機(jī)器人實(shí)物如圖5所示.其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝配緊湊.四輪機(jī)器人最上面是綠色PCB電路板，如圖6所示.板上可放置單片機(jī)芯片ATmega128與電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N等.車(chē)輪與PCB板間是一個(gè)連接結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部置放了直流電機(jī)與電源等.

圖5　四輪移動(dòng)機(jī)器人實(shí)物圖

軟件調(diào)試以Proteus進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，Proteus是一款單片機(jī)仿真與開(kāi)發(fā)軟件，可以模擬機(jī)器人控制系統(tǒng)的運(yùn)行情況，節(jié)省開(kāi)發(fā)成本.運(yùn)用所提供的虛擬示波器、邏輯分析儀與信號(hào)發(fā)生器等虛擬儀器進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)進(jìn)行了直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的仿真實(shí)驗(yàn).改變占空比的值，直流電機(jī)電樞平均電壓值隨之變化，詳細(xì)數(shù)據(jù)如表2所示.

表2　占空比與直流電機(jī)電樞平均電壓的關(guān)系

分析表2數(shù)據(jù)得出，占空比越大，直流電機(jī)電樞兩端的平均電壓越大，反之亦然.實(shí)驗(yàn)表明驅(qū)動(dòng)模塊能夠驅(qū)動(dòng)電機(jī)移動(dòng)，可靠性高，實(shí)用性強(qiáng).

5　結(jié)論

(1) 本文設(shè)計(jì)的四輪移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，抗干擾能力強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，能為四輪移動(dòng)機(jī)器人的進(jìn)一步研發(fā)提供借鑒.

(2) 設(shè)計(jì)采用了模塊法，把移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)分為微控制器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、傳感器模塊與無(wú)線通信模塊.設(shè)計(jì)中既考慮各個(gè)模塊的銜接，又考慮每個(gè)模塊的獨(dú)立性，最后優(yōu)化組合，提高了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效率.

(3) 傳感器模塊性能良好，穩(wěn)定可靠，渦流傳感器能有效探測(cè)錫箔紙路徑的信號(hào)，紅外傳感器能準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)障礙物信號(hào).

(4) 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊產(chǎn)生的扭矩能夠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)，響應(yīng)快速，穩(wěn)定可靠，但速度控制不夠理想，需要進(jìn)一步研究.

[1]MORAVEC H P. Stanford Cart and the CMU Rover [J]. Proceeding of the IEEE，1983，71 (7):872-884.

[2]Borenstein J，Everett H R，et al. Mobile Robot Positioning-sensors and Techniques [J].Journal of Robot Systems,1997,14(4):231-249.

[3]Simmons R，F(xiàn)ernandez J L，Goodwin R. Lessons from Xaiver [J]. IEEE Robotics & Automation Magazine，2000，7 (2): 33-39.

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(責(zé)任編輯：石紹慶)

The control system design of mobile robot with four-wheel

LIU Qi-xing，WU Qin-mu

(Institute of Electrical Engineering，Guizhou University，Guiyang 550025,China)

Mobile robot with four-wheel is widely used in military，industrial and commercial，its research and development has important scientific significance. The control system of mobile robot with four-wheel is composed of micro controller module，motor drive module，sensor module and wireless communication module，micro controller module is the core of the control system，which can receive through wireless way command signal from the monitor platform，which can real-time acquire path signal and its obstacles from mobile robot by the sensor module，through data analysis and processing，which can control the robot according to the preset trajectory through the motor drive module. Experiments show that the control system has simple structure，reliable performance，which is reference for the further development of mobile robot with four-wheel.

mobile robot；control system；micro controller；motor drive；sensor

1000-1832(2016)03-0074-05

2016-06-12

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51367006).

劉起興(1994—)，男，學(xué)生；通信作者：吳欽木(1975—)，男，教授，主要從事電動(dòng)車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制研究.

TP 242[學(xué)科代碼]0811

A

[DOI]10.16163/j.cnki.22-1123/n.2016.03.014