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        基于STC12C5A60S2單片機窄足的小機器人

        2017-03-20 02:36:03姜云鵬
        知音勵志·社科版 2017年2期
        關(guān)鍵詞:舵機灰度角度

        此款窄足竟步機器人為四自由度機器人,以STC12C5A60S2為控制芯片,以RDS3115MG作為運動舵機,以灰度尋線傳感器作為檢測器件,以航模電池作為能源動力。文章首先從機器人整體系統(tǒng)出發(fā),制定了總體設(shè)計方案,再根據(jù)總體方案進行了關(guān)鍵器件的選型,最后完成了各部分機構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計工作。經(jīng)過硬件設(shè)計、組裝,軟件設(shè)計、編寫,整體調(diào)試,最終實現(xiàn)窄足竟步機器人的功能。

        【關(guān)鍵詞】窄足竟步機器人;STC12C5A60S2;角度調(diào)整算法

        1 硬件設(shè)計

        1.1 控制模塊設(shè)計

        STC12C5A60S2

        STC12C5A60S2單片機屬于增強型51,他兼容傳統(tǒng)的51單片機,但是它與傳統(tǒng)51相比,在速度性能與資源方面都有了很大的提升。在眾多的51系列單片機中,要算國內(nèi)STC 公司的1T增強系列更具有競爭力,因他不但和8051指令、管腳完全兼容,而且其片內(nèi)的具有大容量程序存儲器且是FLASH工藝的,如STC12C5A60S2單片機內(nèi)部就自帶高達60K FLASHROM,這種工藝的存儲器用戶可以用電的方式瞬間擦除、改寫。而且STC系列單片機支持串口程序燒寫。顯而易見,這種單片機對開發(fā)設(shè)備的要求很低,開發(fā)時間也大大縮短。寫入單片機內(nèi)的程序還可以進行加密,這又很好地保護了你的勞動成果。

        1.2 電路設(shè)計

        穩(wěn)壓板上的主要部件LM2596:

        LM2596系列是德州儀器(TI)生產(chǎn)的3A電流輸出降壓開關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片,它內(nèi)含固定頻率振蕩器(150KHZ)和基準(zhǔn)穩(wěn)壓器(1.23v),并具有完善的保護電路、電流限制、熱關(guān)斷電路等。利用該器件只需極少的外圍器件便可構(gòu)成高效穩(wěn)壓電路。提供的有:3.3V、5V、12V及可調(diào)(-ADJ)等多個電壓檔次產(chǎn)品。

        1.3 尋跡模塊設(shè)計

        灰度傳感器的工作原理:

        利用物體不同的反光率,從而改變光敏電阻的阻值而引起其兩端電壓的變化,實現(xiàn)信號的產(chǎn)生或改變。大多作為機器人的傳感器,比如巡跡小車就是使用灰度傳感器 作為信號輸入?;叶葌鞲衅髟谘槽E小車上的應(yīng)用,巡跡小車是利用跑道上綠白之間的色差實現(xiàn)灰度傳感器輸入不同的信號到單片機。

        紅外傳感器的工作原理:

        由于比賽要求繞過障礙物,小組成員決定選用紅外傳感器,紅外傳感器具有如下性質(zhì)與優(yōu)點:

        利用紅外線的物理性質(zhì)來進行測量的傳感器。紅外線又稱紅外光,它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性質(zhì)。任何物質(zhì),只要它本身具有一定的溫度(高于絕對零度),都能輻射紅外線。紅外線傳感器測量時不與被測物體直接接觸,因而不存在摩擦,并且有靈敏度高,反應(yīng)快等優(yōu)點。

        1.4 運動模塊設(shè)計設(shè)計

        根據(jù)所學(xué)知識,及生活中的經(jīng)驗,機器人主體結(jié)構(gòu)設(shè)計適合采用4舵機結(jié)構(gòu),相對6舵機結(jié)構(gòu)重心低,行走快捷穩(wěn)健,足形狀采用交叉足。此款雙足竟步機器人選用交叉足,為了保持穩(wěn)定性。我們選擇在雙腳出安放鋁板,為了增加重量和是機器人穩(wěn)定運行。

        2 軟件設(shè)計

        交叉足機器人有四個自由度,采用四個舵機通過設(shè)定其角度來完成直行,左偏,右偏,轉(zhuǎn)彎等動作。

        2.1 舵機的角度控制

        舵機有三根線,分別是電源線、地線和信號線,電源與地之間為6V的電壓,信號線為PWM輸入來控制舵機的角度。

        比如我們選擇一個單片機的引腳,通過設(shè)置定時器讓其產(chǎn)生1.5MS的高電平,然后再產(chǎn)生18.5MS的低電平的20MS的周期信號,那么舵機就會轉(zhuǎn)到90度角度了,高電平時間0.5MS到2.5MS之間不同的信號對應(yīng)不同的角度。

        對于如何更好的產(chǎn)生PWM信號來精確地控制的舵機旋轉(zhuǎn)的角度,這里我們采用了一種新的更加高效的方法。傳統(tǒng)的方法為在定時器中斷函數(shù)中設(shè)定變量來計時執(zhí)行函數(shù),這樣不容易實現(xiàn)精確的時間控制,自然舵機的角度就不能實現(xiàn)精確地控制。在設(shè)計的工程中,我們利用TH0和TH1寄存器,如果系統(tǒng)的晶振為12M,那么TH0自增或者自減1就是精確的1us。

        2.2 舵機的速度控制

        在整個動作中,如果不對舵機的速度進行控制,那么走起來就會很抖,很不穩(wěn)定,所以有必要來對舵機的速度進行控制使之既能穩(wěn)定又能快速的完成動作目標(biāo)。但是舵機本身速度不能通過硬件控制,所以只能通過軟件來進行控制。

        對舵機的速度,我們采用差補法來進行控制,設(shè)定舵機的起始角度和終止角度分別為point_aim和point_now,將角度差通過分成更小的角度來完成,便可以達到減速的效果。

        2.3 動作分析

        機器人要完成動作分為直走,左偏,右偏,左轉(zhuǎn)彎四大動作,都是靠四個舵機的角度的轉(zhuǎn)換來完成的,我們將機器人分為上下兩部分,上面為左腰右腰,下面為左腳右腳,機器人的每個動作我們可以用動作組來完成,每行動作組就是機器人的一個狀態(tài),以微秒為單位,那么四個舵機中值點分別是1520、1500、1460、1470,增大數(shù)值則舵機就會逆時針旋轉(zhuǎn)一個角度,反之順時針。

        進行算法調(diào)整的重要性,由于每次開始左旋轉(zhuǎn)的位置方向都能保證每次都一樣,那么這樣的一個系統(tǒng)隨機性就會很大,跑偏的可能性就會很大,因此經(jīng)小組討論后決定化隨機為確定,每次轉(zhuǎn)過黑線后都會踩到黑線。調(diào)整算法需要靠A灰度傳感器來完成,抬起的角度使灰度傳感器可以檢測到黑白線,然后右腳進行右偏,使會灰度傳感器偏離黑色區(qū)域,即達到安全區(qū)域,為了避免轉(zhuǎn)出之后機身前進的方向偏左,需要進行兩側(cè)角度調(diào)整,這樣一來,每次調(diào)整的最后都會使機身朝向正前方,回到之前轉(zhuǎn)彎之前,使用角度調(diào)整從一定程度上那個提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

        參考文獻

        [1]聶榮等.實例解析PCB設(shè)計技巧[M].北京:機械工業(yè)出版社,2006[2]競賽秘書處,電磁組競賽車模路徑檢測設(shè)計參考方案(版本1.0).2010(01).

        [2]閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社,1998.

        作者簡介

        姜云鵬(1995-),男,大學(xué)本科學(xué)歷。山東省煙臺市海陽市人。就讀于山東科技大學(xué)。研究方向為電氣工程及其自動化。

        李振民(1995)男,山東省臨沂市郯城縣人,本科學(xué)歷。就讀于山東科技大學(xué)。研究方向為機械設(shè)計制造及其自動化。

        作者單位

        山東科技大學(xué) 山東省青島市 266590

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