周豪 王龍 劉杰 胡宇閣 段文軒

摘 要：本文主要設(shè)計(jì)基于負(fù)壓的移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)由 STC32G12K128微控制器為核心控制單元，通過(guò)8個(gè)電磁傳感器采集電磁導(dǎo)線的信號(hào)以識(shí)別路徑，使用帶方向編碼器檢測(cè)車輪的實(shí)時(shí)速度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向的閉環(huán)控制，并且使用霍爾傳感器檢測(cè)斑馬線位置以實(shí)現(xiàn)入庫(kù)。結(jié)合物理模型對(duì)行車最優(yōu)路徑進(jìn)行規(guī)劃，利用PID控制算法調(diào)節(jié)雙電機(jī)輸出，達(dá)到對(duì)轉(zhuǎn)向、速度和差速的控制。

關(guān)鍵詞：負(fù)壓；最優(yōu)路徑；PID控制

一、負(fù)壓移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)以STC32單片機(jī)作為核心控制器，在IAR開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行軟件開發(fā)。通過(guò)電感采集電磁信息，經(jīng)過(guò)整流檢波后傳入STC32微控制器，進(jìn)行進(jìn)一步處理獲得主要的路徑信息；通過(guò)編碼器來(lái)檢測(cè)車速，并通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行正交解碼進(jìn)行脈沖計(jì)算獲得速度和路程；轉(zhuǎn)向舵機(jī)采用PD控制；驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用PI控制，通過(guò)PWM控制驅(qū)動(dòng)電路調(diào)整電機(jī)的功率；而車速的目標(biāo)值由默認(rèn)值、運(yùn)行安全方案和基于圖像處理的優(yōu)化策略進(jìn)行綜合控制；本次路徑中元素繁多，為了更好得采集路徑元素的信息增加傳感器是必然的，選擇紅外模塊進(jìn)行測(cè)距，利用陀螺儀獲取車身姿態(tài)實(shí)現(xiàn)出入車庫(kù)，提高判斷穩(wěn)定性。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

二、負(fù)壓移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（一）驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)有兩個(gè)直流電機(jī)，采用MOS管組成全橋驅(qū)動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，MOS管型號(hào)為TPNIR403NL，它具有集成度高、外接電路少、內(nèi)阻小等特點(diǎn)。利用8片IR組成兩個(gè)全橋驅(qū)動(dòng)分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī).驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。

（二）信號(hào)隔離模塊設(shè)計(jì)

電機(jī)在頻繁控速的過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流，在電機(jī)調(diào)速設(shè)計(jì)中，為了保護(hù)單片機(jī)，防止驅(qū)動(dòng)故障造成大面積硬件損壞，因此單片機(jī)到電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的輸入之間必須做好隔離措施，隔離器件包括光耦隔離器和數(shù)字隔離器等，在綜合考慮了電路體積、供電、響應(yīng)速度后，選用了SN74HC125pwr數(shù)字隔離器作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的隔離，電路如圖3所示。

（三）電路板設(shè)計(jì)

綜合考慮驅(qū)動(dòng)性能、重心、維修難易等因素，本文選擇將電路板模塊化設(shè)計(jì)，采用主控板、驅(qū)動(dòng)、運(yùn)放板分離的方法，另外這樣單獨(dú)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)板也可以在驅(qū)動(dòng)板上可以留出足夠的布線空間來(lái)保證驅(qū)動(dòng)的性能，同時(shí)，主控板、驅(qū)動(dòng)板和運(yùn)放板的分離極大的降低了維修的難度。

三、負(fù)壓移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱PID控制。PID控制器以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值與實(shí)際輸出值構(gòu)成控制偏差。將偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，故稱PID控制器，原理框圖如圖5所示。

圖5 控制框圖

【參考文獻(xiàn)】

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