張騏

（徐州工程學(xué)院，江蘇 徐州 221000）

1 簡介

本文描述的是一臺(tái)使用無刷直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)輪的輪式機(jī)器人。該機(jī)器人采用經(jīng)典的三輪設(shè)計(jì)，包含兩個(gè)前輪和一個(gè)支撐輪，可以圍繞位于機(jī)器人后部的垂直軸自由旋轉(zhuǎn)，此設(shè)計(jì)可以方便地控制機(jī)器人的位置和移動(dòng)速度。機(jī)器人主體上有一個(gè)開/關(guān)按鈕，一個(gè)用于與計(jì)算機(jī)通信的Wi-Fi天線。該機(jī)器人由鋰聚合物電池供電，容量為3000mAh，可連續(xù)工作8小時(shí)。機(jī)器人的外觀如圖1。

控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)思想圍繞使用型號(hào)為ATmega128A的微控制器控制無刷直流電機(jī)展開。單板機(jī)根據(jù)從傳感器接收的信號(hào)產(chǎn)生控制動(dòng)作，通過RS-232協(xié)議發(fā)送給下級(jí)控制板。下級(jí)控制板配有兩個(gè)微控制器，其中一個(gè)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集，另一個(gè)用于執(zhí)行操作命令，將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為矩形脈沖（PWM）信號(hào)，并作為輪式機(jī)器人電動(dòng)機(jī)輪控制板的輸入信號(hào)。電動(dòng)機(jī)輪的控制系統(tǒng)采用P控制器和PID控制器共同作用調(diào)節(jié)。

2 工作原理

2.1 無刷直流電機(jī)換向

圖1 機(jī)器人的外觀

我們選擇無刷直流電機(jī)作為輪式機(jī)器人的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪。為了簡化描述，我們僅討論三繞組型三相無刷直流電機(jī)。為了引起轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，必須以一定的順序使電流通過定子繞組，也就是說，電流的方向決定了繞組產(chǎn)生的磁場的方向，再由旋轉(zhuǎn)的磁場帶動(dòng)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)。所以，只要在特定的時(shí)間按照一定的順序改變通過繞組中的電流，就能改變磁場的極性，從而帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)。無刷直流電機(jī)采用電子方式實(shí)現(xiàn)繞組電流換向。最簡單的方法是根據(jù)位于電機(jī)內(nèi)部的位置傳感器的狀態(tài)，找到所需輸出的對(duì)應(yīng)的狀態(tài)。三相無刷直流電機(jī)有六個(gè)換向狀態(tài)，三個(gè)霍爾傳感器相隔電角度放置，當(dāng)其感受N和S兩個(gè)不同極性磁場的作用時(shí)，會(huì)呈現(xiàn)出高電平“1”和低電平“0”兩種輸出狀態(tài)。輸出的三個(gè)信號(hào)用3位二進(jìn)制的編碼表示。

2.2 使用霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的控制

三個(gè)數(shù)字霍爾傳感器的輸出作為轉(zhuǎn)子位置的編碼器，將磁體的位置和極性信息發(fā)送給邏輯電路，作用于驅(qū)動(dòng)電路。要讓電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來，首先要根據(jù)霍爾傳感器輸出的轉(zhuǎn)子目前所在位置，依照定子繞線決定導(dǎo)通（或關(guān)斷）晶體管的順序，使電流依序流經(jīng)電機(jī)繞組，并產(chǎn)生相應(yīng)地旋轉(zhuǎn)磁場，再帶動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。直到電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到霍爾傳感器輸出另一組位置信號(hào)時(shí)，再導(dǎo)通（或關(guān)斷）下一組晶體管。即根據(jù)旋轉(zhuǎn)磁體的位置，每對(duì)功率管會(huì)相應(yīng)地導(dǎo)通或關(guān)斷，從而在正確的時(shí)間，以正確的順序?yàn)殡姍C(jī)繞組提供電流。為了使無刷直流電機(jī)的速度可變，必須在繞組的兩端加以可變電壓。通過控制PWM信號(hào)不同的占空比，控制繞組上的平均電壓，從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。在控制系統(tǒng)中應(yīng)用單片機(jī)時(shí)，也可以實(shí)現(xiàn)電橋上的PWM控制?？刂破鲿?huì)根據(jù)驅(qū)動(dòng)器設(shè)定的速度與霍爾傳感器信號(hào)的變化速度進(jìn)行比對(duì)，用以決定下一組晶體管的導(dǎo)通（或關(guān)斷）的情況，以及導(dǎo)通（或關(guān)斷）的時(shí)間。導(dǎo)通時(shí)間增加，速度增大，反之亦然。

3 構(gòu)建輪式機(jī)器人控制系統(tǒng)

3.1 設(shè)計(jì)速度反饋回路

為了調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)輪的旋轉(zhuǎn)速度，開發(fā)了一種雙回路控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由具有PID控制器的外部速度控制電路和具有P控制器的內(nèi)部電流控制電路組成。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 電動(dòng)機(jī)輪速控制系統(tǒng)的示意圖

3.2 機(jī)輪速度控制板的搭建

為了實(shí)現(xiàn)該控制系統(tǒng)，開發(fā)并制造了基于8位Atmel ATmega128A微控制器的控制板?？刂葡到y(tǒng)由Atmel ATmega128A微控制器、典型的六管構(gòu)成的三相橋式逆變器和IR2132驅(qū)動(dòng)器組成。ATmega128A是一款基于AVR增強(qiáng)型RISC架構(gòu)的低功耗CMOS 8位微控制器，可以每秒執(zhí)行100萬條指令，其外部還設(shè)有兩個(gè)8位和兩個(gè)16位具有比較功能和PWM模式的定時(shí)計(jì)數(shù)器，完全滿足了帶有PID控制器的外部速度控制電路的控制要求。高速光電耦合器用于輸入和輸出之間需要高電壓隔離的模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)接口。這里選用HCPL-2531型號(hào)的光電耦合器，連接微控制器和無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路兩部分，同時(shí)，較晶體管具有更好的抗干擾性和隔離性。

無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路選用IR2132作為驅(qū)動(dòng)器。IR2132是一款用于MOS晶體管和IGBT晶體管的高壓，高速驅(qū)動(dòng)器，具有獨(dú)立的上層輸出通道和下層輸出通道。IR2132最大的優(yōu)點(diǎn)在于只需1個(gè)供電電源，即可同時(shí)控制六個(gè)大功率管的導(dǎo)通和關(guān)斷順序。HIN1-HIN3，LIN1-LIN3是逆變器上橋臂和下橋臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端，低電平有效，HO1-HO3，LO1-LO3則為信號(hào)輸出端。IR2132內(nèi)部具有電流保護(hù)電路，F(xiàn)AULT引腳在過流或欠壓狀態(tài)會(huì)輸出制動(dòng)信號(hào)，關(guān)斷輸出信號(hào)。IR2132內(nèi)部還具有電流比較電路，設(shè)定電機(jī)比較電流，使其適用于對(duì)不同功率電機(jī)的控制。系統(tǒng)工作時(shí)，使用場效應(yīng)晶體管的橋式逆變器向電動(dòng)機(jī)繞組提供電壓。位于控制板上的非接觸式霍爾傳感器用于測(cè)量電機(jī)電流。借助安裝在機(jī)輪內(nèi)部的霍爾傳感器的信號(hào)，通過計(jì)算隨脈沖周期增加而調(diào)整的速度值來確定機(jī)輪的旋轉(zhuǎn)速度。給定的速度信號(hào)為寬度可變且頻率恒定為50Hz的脈沖信號(hào)。為便于調(diào)試微控制器程序，控制板上安裝了電位計(jì)，撥動(dòng)開關(guān)和用于與計(jì)算機(jī)通信的串行端口連接器。微控制器程序是用C語言編寫的。選擇塊算法作為電動(dòng)機(jī)繞組電流換向的算法。在這種情況下，在機(jī)輪中的霍爾傳感器的狀態(tài)能精確地規(guī)定換向時(shí)間，從而保證恒定的同步。所以即使發(fā)動(dòng)機(jī)已停止，也不需要重新同步，而只需增加繞組兩端的電壓，即改變輸入逆變器晶體管的柵極的PWM信號(hào)即可，也就構(gòu)成了具有P控制器的內(nèi)部電流控制電路。輪式機(jī)器人有兩個(gè)控制板，每個(gè)電機(jī)輪一個(gè)。

4 下級(jí)控制板的設(shè)計(jì)

第三節(jié)所介紹的電動(dòng)機(jī)機(jī)輪速度控制板，其實(shí)是從下級(jí)控制板接收信號(hào)并開始工作的。這個(gè)下級(jí)控制板安裝有兩個(gè)通過I2C協(xié)議連接的8位微控制器，加速度計(jì)，陀螺儀，壓力傳感器，指南針，GPS接收器，以及一個(gè)超聲波測(cè)距儀。其中第一個(gè)微控制器從以上所有的傳感器中接收并處理數(shù)據(jù)，再通過I2C接口以恒定的頻率將它們傳輸給第二個(gè)傳感器。第二個(gè)微控制器電機(jī)輪速度控制板相連，從電機(jī)輪速度控制板獲取當(dāng)前機(jī)輪的轉(zhuǎn)速值，并向控制板發(fā)送轉(zhuǎn)速要求。還可以通過RS-232串行協(xié)議向單板計(jì)算機(jī)發(fā)送傳感器讀數(shù)和兩個(gè)電機(jī)輪的速度。單板機(jī)，也就是上級(jí)控制系統(tǒng)發(fā)出控制信號(hào)，經(jīng)過下級(jí)控制板，使兩個(gè)電機(jī)輪能從相應(yīng)地速度控制板接收任務(wù)。除此之外，這個(gè)下級(jí)控制板也可以看作是用于連接上級(jí)和下級(jí)元件之間的緩沖板。

5 空間移動(dòng)設(shè)想

除了針對(duì)以上速度和通信控制系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)，該三輪機(jī)器人項(xiàng)目正在開發(fā)空間移動(dòng)和模式識(shí)別程序。在文章起始處的控制系統(tǒng)示意圖中，單板機(jī)除了與下級(jí)控制板相連，還配有一個(gè)深度傳感器和一個(gè)RGB相機(jī)。希望三輪機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)避開障礙物獨(dú)立行走的功能，甚至可以基于從機(jī)器人到周圍物體的距離的測(cè)量，在困難條件下找出最佳運(yùn)動(dòng)路線。使用深度相機(jī)，可以基于從機(jī)器人到物體的距離的測(cè)量來在困難條件下構(gòu)建最佳運(yùn)動(dòng)軌跡。

深度傳感器向空間發(fā)射紅外線，并使用帶紅外濾光片的相機(jī)讀取物體輪廓，以獲得周圍空間深度的圖片。使用Qt開發(fā)的OpenNI，可以識(shí)別機(jī)器人前方對(duì)象的輪廓。同時(shí)，使用RGB相機(jī)解決模式識(shí)別的問題，先識(shí)別一種顏色的區(qū)域，再在該區(qū)域里尋找另一種顏色的區(qū)域，如果能夠找到，則圖像識(shí)別完成。

6 結(jié)語

加入深度傳感器和RGB相機(jī)后，這將會(huì)是一臺(tái)具有計(jì)算機(jī)視覺的三輪機(jī)器人。機(jī)器人可以使用周圍空間的三維掃描儀自主移動(dòng)，或者沿預(yù)定路徑移動(dòng)，或者按照某種方式移動(dòng)，還可以根據(jù)來自Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的計(jì)算機(jī)的操作員命令移動(dòng)。這些計(jì)劃將進(jìn)一步改善這臺(tái)人工智能機(jī)器人，使其在工業(yè)領(lǐng)域甚至其他領(lǐng)域具有更廣闊的應(yīng)用景。