龍曉莉，謝斌盛，陳新兵，李衛(wèi)平

(1.廣州大學(xué) 實(shí)驗(yàn)中心 網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)代教育技術(shù)中心，廣州 510006；2.惠州學(xué)院 電子信息與電氣工程學(xué)院，廣東 惠州 516000)

0 引言

隨著社會(huì)進(jìn)入人工智能化時(shí)代，越來(lái)越多的機(jī)器人替代工人完成工作，將人工流水線工作轉(zhuǎn)化為全自動(dòng)化工作，在一定程度上提高工業(yè)領(lǐng)域的經(jīng)濟(jì)效益[1-2]。傳統(tǒng)的搬運(yùn)機(jī)器人通過(guò)藍(lán)牙接收控制中心傳輸?shù)目刂泼?，并調(diào)用機(jī)器人自身的結(jié)構(gòu)，完成命令控制，此傳輸途徑會(huì)損耗機(jī)器人的供電電源，并且藍(lán)牙指令傳輸存在發(fā)送時(shí)延，導(dǎo)致機(jī)器人在搬運(yùn)過(guò)程中由于信號(hào)接收延遲，出現(xiàn)與障礙物碰撞的事故，不能很好地保證搬運(yùn)機(jī)器人和貨物的完整性[3-4]。

為了提高搬運(yùn)機(jī)器人的工作效率，減輕工作人員的人工壓力，使搬運(yùn)機(jī)器人在工作過(guò)程中保護(hù)搬運(yùn)物品，本文突破傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提出基于AT89C52單片機(jī)的搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。從搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件區(qū)域和軟件區(qū)域兩方面出發(fā)，硬件區(qū)域設(shè)計(jì)控制器、驅(qū)動(dòng)機(jī)、顯示器、地面勘測(cè)器，為系統(tǒng)軟件區(qū)域提高較高的運(yùn)行基礎(chǔ)，在軟件設(shè)計(jì)中提出調(diào)控機(jī)器人行為波動(dòng)程度和運(yùn)行速度的控制算法，并簡(jiǎn)述與本文設(shè)計(jì)的搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)的單片機(jī)功能，最終完成基于AT89C52單片機(jī)的搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。通過(guò)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，證明了本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以保證搬運(yùn)物品的完整性，使搬運(yùn)機(jī)器人的控制效果得到提高，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人搬運(yùn)動(dòng)作的平滑性。

1 基于AT89C52單片機(jī)的搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的基于AT89C52單片機(jī)的搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件主要由驅(qū)動(dòng)器、控制器、顯示器和地面勘測(cè)器4部分組成，系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于AT89C52單片機(jī)的搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.1 驅(qū)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)機(jī)在搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件區(qū)域的工作是驅(qū)動(dòng)硬件區(qū)域內(nèi)的全部硬件設(shè)備，使得系統(tǒng)與機(jī)器人之間建立驅(qū)動(dòng)連接，為了提高驅(qū)動(dòng)搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)的調(diào)用速度，本文采用HDJK-83系列的驅(qū)動(dòng)機(jī)。驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)

觀察圖2可知，此驅(qū)動(dòng)器采用雙向驅(qū)動(dòng)模式，工作電流為600 mA，工作電壓為3 V，驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)在系統(tǒng)的左區(qū)域，方便檢修，驅(qū)動(dòng)機(jī)內(nèi)置L26芯片，此電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片設(shè)計(jì)了ENA端口、ENB端口、IN1、IN2、IN3、IN4，兩個(gè)端口、4個(gè)接口，驅(qū)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，端口的輸出值必須同為0或者1，否則驅(qū)動(dòng)機(jī)不能正常工作。驅(qū)動(dòng)機(jī)的4個(gè)接口，需要控制驅(qū)動(dòng)機(jī)器人輸出行為，接入相對(duì)應(yīng)控制指令的接口，接口驅(qū)動(dòng)為0狀態(tài)時(shí)，結(jié)束控制。驅(qū)動(dòng)器的脈沖為320 Hz，具有自動(dòng)降噪功能，提高驅(qū)動(dòng)信號(hào)傳輸可靠性[5-6]。驅(qū)動(dòng)器電路圖如圖3所示。

圖3 驅(qū)動(dòng)器電路圖

1.2 控制器

控制器是搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件區(qū)域的主要工作器件，為了使系統(tǒng)的功能達(dá)到本文設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)，硬件區(qū)域采用SPV-DCRC-10控制器[7-8]。此控制器采用離子電池式的3.7 V電池，既可以延長(zhǎng)控制器的單次周期使用時(shí)間，電池的續(xù)航時(shí)間也可以滿足系統(tǒng)的工作需求，此電池的優(yōu)點(diǎn)是如果電池剩余電能不足，會(huì)提出預(yù)警，然后自動(dòng)調(diào)節(jié)PWM模式，進(jìn)行持續(xù)供電，不會(huì)影響系統(tǒng)的工作[9-12]。控制器的工作電流為3 A，工作電壓有效范圍為3～12 V，工作脈寬為56 Hz。控制器工作原理如圖4所示。

圖4 控制器工作原理

觀察圖4可知，為了保證控制器的控制效果，設(shè)置機(jī)器人行為控制精度為3 mm，控制器對(duì)于機(jī)器人手和腳的工作都存在相對(duì)于的控制接口，控制器依次調(diào)用各個(gè)行為接口，完成機(jī)器人連接的動(dòng)作控制[13-15]。

1.3 顯示器設(shè)計(jì)

搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)內(nèi)顯示器的作用是輔助機(jī)器人完成貨物和機(jī)器人之間的識(shí)別，本文采用LCM顯示器，器件分為兩部分，一部分顯示監(jiān)控機(jī)器人所處的環(huán)境，另一部分記錄機(jī)器人所行走的路線。顯示器由USB、PI、P2、I/0接口構(gòu)成，工作電阻為1 000歐姆，顯示器的色準(zhǔn)設(shè)置為小于2的ISP，保證機(jī)器人搬運(yùn)狀態(tài)實(shí)時(shí)的傳輸。顯示器接口如圖5所示。

圖5 顯示器接口

顯示器的功耗為14 W，像素為640*480，外置DR模式的科達(dá)白卡，顯示器的存儲(chǔ)內(nèi)存為64 GB，在一定周期內(nèi)會(huì)清理顯示器內(nèi)的數(shù)據(jù)，保證系統(tǒng)運(yùn)行速度。

1.4 地面勘測(cè)器設(shè)計(jì)

地面勘測(cè)器的設(shè)計(jì)目的是輔助系統(tǒng)完成搬運(yùn)機(jī)器人搬運(yùn)路線和行為方案的制定，本文選擇采用亞超聲模塊結(jié)構(gòu)的JSH地面勘測(cè)器。此器件與控制系統(tǒng)完成信號(hào)傳輸?shù)膮f(xié)議是HTTP協(xié)議，勘測(cè)器的工作電壓為AC220 V，地面掃描頻率為340 Hz，內(nèi)置芯片可以保證儀器差分定位的準(zhǔn)確性[16-18]。地面勘測(cè)器電路圖如圖6所示。

圖6 地面勘測(cè)器電路圖

地面勘測(cè)器的采用精度為0.5的雙軸補(bǔ)償器，為了保證控制系統(tǒng)內(nèi)部信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，地面勘測(cè)器設(shè)計(jì)了專有的通道。

2 基于AT89C52單片機(jī)的搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)是一個(gè)集成電路芯片，對(duì)比普通的芯片，其優(yōu)點(diǎn)在于可以將中央處理器CPU、存儲(chǔ)器、轉(zhuǎn)換器、轉(zhuǎn)換電路等具有相關(guān)的相應(yīng)功能同時(shí)集成在一個(gè)計(jì)算機(jī)芯片內(nèi)部，在保證了各個(gè)器件功能的同時(shí)，節(jié)省系統(tǒng)設(shè)備的占用空間，被廣泛的應(yīng)用到計(jì)算機(jī)設(shè)備中。本文根據(jù)搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)的功能需求，采用AT89C52單機(jī)片完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，單機(jī)片采用串聯(lián)的連接方式與其他器件相互連接，AT89C52單機(jī)片在搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)內(nèi)的工作原理是賦予電路芯片結(jié)構(gòu)內(nèi)的電路口不同的控制任務(wù)，保證控制系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)指令的可靠性。AT89C52單片機(jī)的通信利用信號(hào)轉(zhuǎn)換通道完成，避免單片機(jī)的傳輸信號(hào)與其他硬件設(shè)備的傳輸信號(hào)相互碰撞，終止系統(tǒng)的運(yùn)行。

為了保證搬運(yùn)機(jī)器人控制指令和控制行為的高度匹配，本文設(shè)計(jì)了AT89C52單片機(jī)的搬運(yùn)機(jī)器人控制算法，算法分別控制搬運(yùn)機(jī)器人的行為波動(dòng)程度和搬運(yùn)速度兩部分。

系統(tǒng)在硬件區(qū)域設(shè)計(jì)了器件完成各個(gè)行為控制，控制算法只需要在行為控制上，增加一個(gè)約束條件，控制搬運(yùn)機(jī)器人行為的波動(dòng)程度，因?yàn)椴▌?dòng)等級(jí)存在一定的誤差，所以本文設(shè)計(jì)波動(dòng)變化程度按照百分度計(jì)算，機(jī)器人程度控制計(jì)算公式如下所示：

(1)

其中：L表示搬運(yùn)機(jī)器人的行走幅度；M′表示機(jī)器人的重量；M表示貨物的質(zhì)量；ο表示環(huán)境空間因素；f表示機(jī)器人控制程度。

在以上搬運(yùn)機(jī)器人動(dòng)作行為控制基礎(chǔ)上，本文借助關(guān)系式控制搬運(yùn)機(jī)器人的工作速度，保證搬運(yùn)機(jī)器人的工作效率和安全，公式如下所示：

(2)

其中：V表示搬運(yùn)機(jī)器人的工作速度，T1表示地面勘測(cè)器溢出的時(shí)間；T2表示預(yù)期搬運(yùn)機(jī)器人的搬運(yùn)時(shí)間；σ表示占空比系數(shù)。

基于AT89C52單片機(jī)的搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件區(qū)域器件基本性能的分析和搬運(yùn)機(jī)器人控制算法的簡(jiǎn)述，細(xì)致地總結(jié)出以下搬運(yùn)機(jī)器控制系統(tǒng)的工作流程，如圖7所示。

圖7 基于AT89C52單片機(jī)的搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)工作流程

(1)首先搬運(yùn)機(jī)器人與控制系統(tǒng)相互連接，構(gòu)成一個(gè)可以數(shù)據(jù)傳輸?shù)募軜?gòu)，預(yù)處理操作完成后，機(jī)器人開始接收搬運(yùn)任務(wù)，接收任務(wù)過(guò)程中，系統(tǒng)完成資源的更新、初始化以及其他器件的驅(qū)動(dòng)，在全部任務(wù)接收后，系統(tǒng)對(duì)所有搬運(yùn)任務(wù)進(jìn)行遍歷檢索，計(jì)算出最佳的分組搬運(yùn)策略，并將策略傳輸?shù)娇刂破鲀?nèi)；

(2)控制器接收到全部機(jī)器人的搬運(yùn)策略后，將搬運(yùn)策略進(jìn)行分解，分解為一個(gè)個(gè)簡(jiǎn)單的機(jī)器人動(dòng)作，分解成功后，將搬運(yùn)指令語(yǔ)言利用基于AT89C52單片機(jī)的搬運(yùn)機(jī)器人控制算法完成機(jī)搬運(yùn)機(jī)器人可讀指令的轉(zhuǎn)換；

(3)最后搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)的顯示器和地面勘測(cè)器分別監(jiān)控搬運(yùn)機(jī)器人的搬運(yùn)行為，避免突發(fā)情況發(fā)生，地面勘測(cè)器與最初的環(huán)境不匹配，立即放緩搬運(yùn)機(jī)器人的控制速度，并重新制定發(fā)送控制指令，保證搬運(yùn)機(jī)器人的工作效果和可靠性[19-21]。

在搬運(yùn)機(jī)器人完成搬運(yùn)過(guò)程中，一旦出現(xiàn)外界信號(hào)或者其他介質(zhì)干擾的情況導(dǎo)致機(jī)器人的行走步伐和手臂動(dòng)作出現(xiàn)錯(cuò)亂時(shí)，系統(tǒng)立刻調(diào)用驅(qū)動(dòng)器，重新傳輸控制指令，快速糾正機(jī)器人的錯(cuò)誤行為，使機(jī)器人成功完成搬運(yùn)任務(wù)。

3 實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證本文提出的基于AT89C52單片機(jī)的搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)的有效性，與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。測(cè)試采用基于藍(lán)牙傳輸?shù)陌徇\(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)和基于六自由度教學(xué)的搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)作為對(duì)照系統(tǒng)，共同完成試驗(yàn)，保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的參照性和可靠性。設(shè)定實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

為了達(dá)到試驗(yàn)效果，在試驗(yàn)測(cè)試前準(zhǔn)備3個(gè)相同型號(hào)的搬運(yùn)機(jī)器人機(jī)器，布置3個(gè)空間大小相同且貨物位置分布相同的運(yùn)貨倉(cāng)，3個(gè)計(jì)算機(jī)，分析儀試驗(yàn)器材，另外提前布置好試驗(yàn)測(cè)試環(huán)境。本文設(shè)置的測(cè)試環(huán)境是在需要搬運(yùn)貨物上貼一個(gè)紅外反射燈，另外在另一個(gè)需要搬運(yùn)貨物前南偏北70度的方向設(shè)計(jì)一個(gè)障礙物，采取措施的貨物的位置在3個(gè)空間內(nèi)的相對(duì)位置要相同，障礙物的大小相同，保證試驗(yàn)結(jié)果的科學(xué)性和對(duì)照性。試驗(yàn)前將3個(gè)機(jī)器人分別連入3臺(tái)計(jì)算機(jī)內(nèi)，將3個(gè)系統(tǒng)全部同時(shí)連入一個(gè)總的搬運(yùn)機(jī)器人指令發(fā)布中心，并對(duì)搬運(yùn)機(jī)器人進(jìn)行簡(jiǎn)單行為控制，完成機(jī)器人與控制系統(tǒng)的初始化。選用的系統(tǒng)分別是基于AT89C52單片機(jī)的搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)、基于藍(lán)牙傳輸?shù)陌徇\(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)和基于六自由度教學(xué)的搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)。

3個(gè)系統(tǒng)檢查無(wú)誤后，同一時(shí)間開始試驗(yàn)，測(cè)試設(shè)計(jì)的任務(wù)是分別將貼有紅外燈和設(shè)置障礙附屬的貨物分別搬運(yùn)到貨物A區(qū)234貨柜和B區(qū)6G貨柜，搬運(yùn)機(jī)器人在搬運(yùn)任務(wù)完成后會(huì)向控制中心傳回完成信號(hào)，當(dāng)3個(gè)機(jī)器人全部完成信號(hào)的傳回，結(jié)束試驗(yàn)，整理數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)測(cè)試場(chǎng)地，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

按照以上試驗(yàn)的步驟，得出具體的小結(jié)論如圖8～9所示。

圖8 搬運(yùn)機(jī)器人控制路線實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖9 搬運(yùn)機(jī)器人控制時(shí)間實(shí)驗(yàn)結(jié)果

分析上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：

(1)最先完成任務(wù)的是本文設(shè)計(jì)的搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)，最后完成任務(wù)的是基于藍(lán)牙傳輸?shù)陌徇\(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)；

(2)3個(gè)系統(tǒng)附屬的搬運(yùn)機(jī)器人都將搬運(yùn)物品正確放置在規(guī)定的存儲(chǔ)柜內(nèi)；

(3)在進(jìn)行避繞任務(wù)時(shí)，基于六自由度教學(xué)的搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)和本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)都成功避開障礙物，基于藍(lán)牙傳輸?shù)陌徇\(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)第一次不能避開障礙物，多次完成控制行為才成功繞開；

(4)對(duì)于設(shè)置了紅外的貨物，基于AT89C52單片機(jī)的搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)初次就發(fā)現(xiàn)了目標(biāo)，完成任務(wù)的時(shí)間穩(wěn)定在20 s，基于藍(lán)牙傳輸?shù)陌徇\(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并成功搬運(yùn)花費(fèi)80 s，基于六自由度教學(xué)的搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并成功搬運(yùn)花費(fèi)60 s。

本次測(cè)試試驗(yàn)設(shè)計(jì)的障礙，可以檢測(cè)3個(gè)搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)的調(diào)控是否存在延遲、控制系統(tǒng)發(fā)出的控制指令是否正確，如果正確，就會(huì)避開障礙物，成功完成需要搬運(yùn)貨物的獲取。通過(guò)小結(jié)論(3)可以知道，本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的調(diào)控?zé)o傳輸誤差，并且控制調(diào)度正確，避開障礙物。另外將貨物的放置位置任務(wù)設(shè)計(jì)目的是監(jiān)測(cè)搬運(yùn)機(jī)器人的性能，檢驗(yàn)機(jī)器人的識(shí)別功能。本文設(shè)計(jì)的基于AT89C52單片機(jī)的搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)在工作效率和搬運(yùn)性能方面都達(dá)到要求，具有較高的控制力和識(shí)別力，所以基于AT89C52單片機(jī)的搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)具備推廣意義。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以調(diào)整搬運(yùn)機(jī)器人的動(dòng)作為核心，完成基于AT89C52單片機(jī)的搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)滿足預(yù)期系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的。本文將AT89C52單片機(jī)應(yīng)用到搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)在搬運(yùn)機(jī)器人在工作狀態(tài)開啟后，可以深層次地提高機(jī)器人對(duì)于搬運(yùn)貨物的視覺感覺、觸碰感覺以及控制程度。相信將本文研究成果作為研究理論，可以促進(jìn)機(jī)器人領(lǐng)域的智能化發(fā)展。