綦黎明，王寶慶，張 寧

（青島大學(xué)附屬醫(yī)院，山東 青島 266003）

1 引言

隨著科技的發(fā)展，越來越多的領(lǐng)域使用機(jī)器人代替人手進(jìn)行工作。尤其在一些危險(xiǎn)的領(lǐng)域，如爆炸后的現(xiàn)場、氣體泄露的空間等會(huì)對偵查人員造成嚴(yán)重生命威脅的地方，用于偵查的機(jī)器人需求越來越大。一般具有控制系統(tǒng)的小車通過搭載偵測儀器便可進(jìn)入現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)作業(yè)，但在一些復(fù)雜環(huán)境下，普通的小車容易出現(xiàn)通信中斷、控制不穩(wěn)定等問題而無法準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的控制，反而增大偵查的難度。為了給偵查作業(yè)提供一個(gè)良好的負(fù)載平臺(tái)，負(fù)載小車必須具備以下兩點(diǎn)要求[1]。

1.1 控制系統(tǒng)可靠性

小車接收到控制終端的指令后，能實(shí)時(shí)執(zhí)行指令的要求，不能存在較長的延遲誤差。將PID算法應(yīng)用于閉環(huán)反饋系統(tǒng)內(nèi)可更好的達(dá)到本性能要求。

1.2 無線通信的可靠性

小車在相對密封的空間內(nèi)行走，只能通過無線通信來或許控制指令和傳送數(shù)據(jù)，保證通信的可靠也是負(fù)載平臺(tái)的一個(gè)重要要求。所以，在該監(jiān)控小車的控制系統(tǒng)中使用89C52單片機(jī)作為控制核心控制器，電機(jī)上安裝碼盤用于反饋數(shù)據(jù)至控制器形成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)[2]，并通過加入了ZigBee通信模塊、測距避障防觸碰模塊等增加了系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性和安全性，滿足監(jiān)控小車在實(shí)際場景的應(yīng)用。

2 PID控制算法

PID 控制器是基于偏差的比例（Proportional）、積分（Integral）和微分（Derivative）的一種線性控制器，它是工業(yè)控制中較為常見的控制器[3]。由于PID控制器算法簡單魯棒性強(qiáng)，因而被廣泛應(yīng)用于不同工業(yè)過程控制系統(tǒng)中。

PID控制器典型的控制結(jié)構(gòu)，如圖1所示。PID控制器和被控對象是系統(tǒng)重要組成部分。PID控制器是一種具有線性系統(tǒng)的控制器，會(huì)通過給定的初始值和實(shí)際輸出值的差值構(gòu)成控制偏差，即：

再通過微分、比例和積分的線性組合組成系統(tǒng)的控制量并對被控對象進(jìn)行控制，如式（2）、式（3）所示。

圖1 PID控制結(jié)構(gòu)圖Fig.1 PID Control Structure Diagram

式中：KP、Ti、Td—PID控制器的比例增益、積分時(shí)間常數(shù)和微分時(shí)間常數(shù)。

這三個(gè)參數(shù)的選取將會(huì)對PID控制系統(tǒng)的控制效果產(chǎn)生直接影響。單片機(jī)接收電機(jī)編碼器反饋的數(shù)據(jù)后，根據(jù)PID算法自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)的輸出量實(shí)現(xiàn)對小車的穩(wěn)定控制。

3 小車控制系統(tǒng)總體分析

小車控制系統(tǒng)采用的是STC公司生產(chǎn)的STC89C52單片機(jī)作為核心控制器，其中PID控制算法由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，將QAZ2000-Zigbee模塊與單片機(jī)的串口相連作為通信模塊，核心控制器收到控制命令后根據(jù)設(shè)定好的通信協(xié)議解析通信指令，轉(zhuǎn)換為單片機(jī)的指令發(fā)送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，通過給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的信號(hào)實(shí)現(xiàn)小車的行走狀態(tài)的控制。小車控制系統(tǒng)主要由電源模塊、通信模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、以及安全避障模塊構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)構(gòu)成圖Fig.2 The Composition Diagram of Control System

4 小車硬件設(shè)計(jì)

該小車控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要圍繞主控制器STC89C52核心控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4.1 電源模塊設(shè)計(jì)

電源是小車系統(tǒng)的動(dòng)力來源，也是控制器的工作的必然需求，因此電源模塊的性能往往影響一個(gè)控制系統(tǒng)的工作性能，因此在進(jìn)行硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要對控制系統(tǒng)中各個(gè)模塊所需要的電源進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和總結(jié)，以便所設(shè)計(jì)的電源能夠符合系統(tǒng)的要求，在本系統(tǒng)中，我們采用的是STC89C52單片機(jī)，所需要的電源電壓為5V，電流大約在（150～500）Ma之間，我們所選用的電機(jī)的額定電壓為24V，額定電流為300Ma，通信模塊的電壓為3.3V，工作電流為150Ma，因此我們接入的電源電壓至少為24V，并且在24V的基礎(chǔ)上完成5V和3.3V的轉(zhuǎn)換。在此系統(tǒng)中電流的需求較小，因此在一般的設(shè)計(jì)中可以滿足電流的要求，主要實(shí)現(xiàn)電壓的轉(zhuǎn)換和穩(wěn)壓[6-7]。電源模塊原理圖，如圖3所示。

圖3 電源模塊原理圖Fig.3 The Schematic Diagram of Power Module

因此采用24V蓄電池為該小車的動(dòng)力源，需要通過24V的電源降壓設(shè)計(jì)，產(chǎn)生5V和3.3V電壓的電源，由24V直接降為5V，降壓的幅度太大，一般的降壓芯片只能在理論上完成，在小車工作工程中，降壓芯片的功率過高，及容易燒壞，因此，采用逐級降壓的方法完成降壓。為了保證系統(tǒng)的可靠，對供入系統(tǒng)的電壓進(jìn)行濾波處理，減少干擾，首先采用78M12降壓芯片，完成24V到12V的降壓，然后在采用78M05完成12V至5V的降壓，并對得到的電壓進(jìn)行濾波處理，保證系統(tǒng)電源的穩(wěn)定可靠。最后采用ASM1117-3.3芯片完成3.3V電壓。致此本系統(tǒng)的電源模塊設(shè)計(jì)完成。

4.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

在進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)之前，首先根據(jù)小車系統(tǒng)的功能要求，進(jìn)行電機(jī)的選擇，在本設(shè)計(jì)中選用ASLONGJGA25-2418直流無刷減速電機(jī)，該電機(jī)具有噪音小，壽命長，調(diào)速性能好等優(yōu)點(diǎn)，并且可以實(shí)現(xiàn)反饋調(diào)速，體積小，非常適合體積較小的小車系統(tǒng)使用。

ASLONGJGA25-2418直流無刷減速電機(jī)的接口分別為：PWM調(diào)速、電源負(fù)極、正反轉(zhuǎn)控制、反饋控制以及電源正極，根據(jù)該電機(jī)的接口以及驅(qū)動(dòng)原理，設(shè)計(jì)了電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，如圖4所示。

圖4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路Fig.4 The Motor Drive Circuit

搭建了符合該小車系統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，如圖4所示。主要完成了電機(jī)的速度控制信號(hào)和方向的控制，當(dāng)系統(tǒng)由控制信號(hào)時(shí)，相應(yīng)的I/O口就被置為高電平，三極管導(dǎo)通，輸出電壓0V。當(dāng)I/O口電平為低電平時(shí)，三極管無法導(dǎo)通，輸出24V，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的PWM控制和方向的控制。但由于主控芯片的I/O電流很小，總體的電流為100多毫安，每一個(gè)I/O口的電流最大為幾十毫安，因此高電平很容易被拉低，控制失靈，因此在電路設(shè)計(jì)時(shí)，在控制I/O出添加上拉電子，保證高電平及時(shí)有效。也保證了控制的安全可靠性[8]。

4.3 通信模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中通信模塊選用QAZ2000XZigbee無線通信模塊，該模塊能通過串口轉(zhuǎn)Zigbee無線數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)無線傳輸。它在TI公司CC2530F256芯片的基礎(chǔ)上，在射頻收發(fā)前端增加了C2591，Zigbee2007/PRO是它內(nèi)部運(yùn)行的協(xié)議棧，因此它具有zigbee協(xié)議的全部特性。該模塊具有如下的優(yōu)點(diǎn)：（1）自動(dòng)組網(wǎng)：模塊上電后自動(dòng)組網(wǎng)，通過協(xié)調(diào)器給路由分配地址，無需人工操作，模塊即使掉電，網(wǎng)絡(luò)也可自動(dòng)進(jìn)行修復(fù)。（2）數(shù)據(jù)透傳：使用串口進(jìn)行傳輸，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在兩個(gè)模塊間通信。（3）靈活性強(qiáng)：出廠設(shè)為路由器模式，用戶可根據(jù)使用要求將其設(shè)為協(xié)調(diào)器或路由器；（4）使用方便：用戶無需詳細(xì)了解zigbee協(xié)議，只需通過串口即可實(shí)現(xiàn)無線傳輸；為此設(shè)計(jì)了接口，如圖5所示。

圖5 無線模塊通信接口Fig.5 The Wireless Module Communication Interface

4.4 測距安全模塊

在小車行進(jìn)過程中，由于小車的工作環(huán)境是任意的，所以在小車前進(jìn)的路線上，存在著許多未知的障礙物，在小車運(yùn)動(dòng)控制操作中很難保證環(huán)境中設(shè)備和小車的安全行駛，所以在本課題的設(shè)計(jì)中增加了主動(dòng)測距避障防觸碰模塊[9]。

常見的測距方式有紅外測距、超聲測距和激光測距其中紅外測距容易受到環(huán)境中可見光的干擾，測距的干擾較大，而激光測距具有準(zhǔn)確率高，使用穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，但是激光傳感器的造價(jià)高、價(jià)格貴，民用代價(jià)大，所以在這里采用超聲波傳感器，超聲傳感器具有價(jià)格低、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)。

在本課題的設(shè)計(jì)過程中，經(jīng)過大量的調(diào)研和對比，最終選用了型號(hào)為：KS103超聲傳感器模塊，模塊的測距范圍（1～800）cm，該模塊的結(jié)構(gòu)和引腳，如圖6所示。

圖6 測距模塊接口Fig.6 The Distance Module Interface

該測距模塊的接頭引腳分別為VCC、GND、SDA/TX、SCL/RX和MODE接腳，其中SDA/TX、SCL/RX分別為TTL電平的發(fā)送和接收接口，由于我們選用的主控模塊的芯片是STC89C52單片機(jī)，該單片機(jī)的串口就是TTL電平，所以選用該超聲模塊可以直接與單片機(jī)的TTL電平相連接，大大簡化了電路的設(shè)計(jì)，同時(shí)在嵌入式的開發(fā)也降低了難度，大大的提高了數(shù)據(jù)的傳送可靠性和準(zhǔn)確率，同時(shí)保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣取?/p>

5 小車控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

小車的控制系統(tǒng)主要的職責(zé)是將操作人員設(shè)計(jì)的規(guī)劃轉(zhuǎn)換為小車的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)小車的期望運(yùn)動(dòng)，同時(shí)小車系統(tǒng)中搭載了超聲測距安全模塊，小車有自主決定的權(quán)利，當(dāng)小車測量到前方的障礙物小于設(shè)定的安全值時(shí)，小車發(fā)出警報(bào)，提醒操作者前方有障礙物，當(dāng)在設(shè)定的時(shí)間，如果操作者沒有改變小車運(yùn)動(dòng)的方向，小車啟動(dòng)安全保護(hù)機(jī)制，剎車停止運(yùn)動(dòng)。小車控制的流程圖[10]，如圖7所示。

圖7 小車控制流程圖Fig.7 TheControl Flow Chart of Vehicle

整個(gè)控制系統(tǒng)的軟件流程圖，如圖7所示。在進(jìn)行小車控制的時(shí)候需要將人的控制意愿轉(zhuǎn)換為小車的運(yùn)動(dòng)效果，所以需要約定好通信協(xié)議，也就是說只有約定好了人和機(jī)器之間的協(xié)議才能進(jìn)行通信，為此設(shè)計(jì)了如表1所示的通信協(xié)議。

表1 通信協(xié)議Tab.1 The Communication Protocol

按照表1的通信協(xié)議編寫控制程序，其中通信的信息包以（0×00）開頭，以（0×23）為包尾，中間兩個(gè)功能碼，分別代表兩個(gè)電機(jī)的功能，其中當(dāng)功能碼在（0～100）的范圍內(nèi)時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，在（-100～0）的范圍內(nèi)時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)。實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的控制，也就實(shí)現(xiàn)了小車的運(yùn)動(dòng)控制。

6 小車運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)

6.1 測距實(shí)驗(yàn)

由于小車工作的環(huán)境中存在著大量的障礙物，并且由于工作環(huán)境的多邊形和未知性，給小車的運(yùn)動(dòng)控制帶來了挑戰(zhàn)，所以在本課題的設(shè)計(jì)中添加了超聲波避障模塊，超聲波避障的原理是通過測量前方障礙物的距離，與設(shè)定的距離進(jìn)行比較，當(dāng)障礙物的距離小于等于設(shè)定的安全距離時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)安全程序，達(dá)到避障的功能。下邊首先通過編寫程序，單獨(dú)的使用超聲波避障模塊測量前方障礙物的距離，并將該距離通過串口顯示在電腦屏幕上。通過在實(shí)驗(yàn)室設(shè)置屏障測試小車控制系統(tǒng)的可靠性，如圖8所示。

圖8 小車實(shí)驗(yàn)場景Fig.8 The Experiment Scene of the Test

實(shí)驗(yàn)測距的結(jié)果，如表2所示。

表2 距離測試結(jié)果Tab.2 The Distance Test Result

通過表2可以得到，超聲波傳感器測量的精度完全滿足本實(shí)驗(yàn)的要求。

6.2 小車運(yùn)動(dòng)安全避障實(shí)驗(yàn)

通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了靜止?fàn)顟B(tài)下超聲波傳感器的測距的可靠性，但是在實(shí)際應(yīng)用中，小車在工作環(huán)境中始終處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，所以對于小車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下避障的可靠性需要進(jìn)一步設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

針對這個(gè)問題設(shè)計(jì)了如下的實(shí)驗(yàn)，設(shè)定小車避障的安全距離為10cm，當(dāng)小車在運(yùn)動(dòng)過程中距離障礙物的距離＜15cm時(shí)，立即停止，測量小車的實(shí)際距離，與設(shè)定的安全距離進(jìn)行比較，通過設(shè)計(jì)以不同的速度運(yùn)動(dòng)，測量最終停止的距離，保障小車運(yùn)行的安全。

通過表3可以得到，小車速度在（0～0.3）m/s的范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，小車能夠自主的完成避障功能。

7 結(jié)語

目前，還沒有一種安全可靠地室內(nèi)定位技術(shù)，但在實(shí)際應(yīng)用中，我們通常希望能夠讓機(jī)器人在未知的環(huán)境中工作，因此，針對機(jī)器人在室內(nèi)未知環(huán)境下工作的需要，設(shè)計(jì)了一套能夠在未知環(huán)境中安全可靠工作的機(jī)器人系統(tǒng)。

該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)有：（1）在系統(tǒng)中為了提高系統(tǒng)的控制的可靠性使用了PID控制算法，并該系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。監(jiān)控小車能在設(shè)定的空間內(nèi)完成操作人員的指定動(dòng)作而且運(yùn)動(dòng)時(shí)平穩(wěn)進(jìn)行，解決了開環(huán)控制系統(tǒng)誤差大、啟動(dòng)急促等缺點(diǎn)。（2）為了保證小車的運(yùn)動(dòng)安全，添加了超聲安全測距模塊，保證了使用的安全可靠，并分別設(shè)計(jì)了靜止?fàn)顟B(tài)下的距離測量實(shí)驗(yàn)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的避障停止實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了本課題設(shè)計(jì)的可靠性和安全性。小車在實(shí)際測試中可以準(zhǔn)確的避開障礙物而且執(zhí)行控制端發(fā)送的命令，滿足其應(yīng)用要求。