自動(dòng)巡線輪式機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1 引言

輪式移動(dòng)機(jī)器人是機(jī)器人研究領(lǐng)域的一項(xiàng)重要內(nèi)容.它集機(jī)械、電子、檢測(cè)技術(shù)與智能控制于一體。在各種移動(dòng)機(jī)構(gòu)中，輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)最為常見。輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)之所以得到廣泛的應(yīng)用。主要是因?yàn)槿菀卓刂破湟苿?dòng)速度和移動(dòng)方向。因此.有必要研制一套完整的輪式機(jī)器人系統(tǒng)。并進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和控制算法研究。筆者設(shè)計(jì)和開發(fā)了基于5l型單片機(jī)的自動(dòng)巡線輪式機(jī)器人控制系統(tǒng)。

2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

機(jī)器人控制系統(tǒng)由主控制電路模塊、存儲(chǔ)器模塊、光電檢測(cè)模塊、電機(jī)及舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等部分組成，控制系統(tǒng)的框圖如圖1所示。

3 主控制模塊設(shè)計(jì)

3.1 CPLD設(shè)計(jì)

在機(jī)器人控制系統(tǒng)中.需要控制多個(gè)電動(dòng)機(jī)和行程開關(guān).還要進(jìn)行光電檢測(cè).如果所有的任務(wù)都由AT89S52型單片機(jī)來(lái)完成.CPU的負(fù)擔(dān)就會(huì)過(guò)重。影響系統(tǒng)的處理速度。因此擴(kuò)展1個(gè)CPLD.型號(hào)為EPM7128。它屬于.MAX7000系列器件。包括2個(gè)通用1/0口.2個(gè)專用I/O口，專用I/O口可作為每個(gè)宏單元和輸入輸出引腳的高速控制信號(hào)(時(shí)鐘、清除和輸出使能等)，電動(dòng)機(jī)的。PWM信號(hào)也由其產(chǎn)生。

EPM7128的引腳排列如圖2所示。MlP—M4P引腳的輸出為PWM脈寬調(diào)制信號(hào)，M1FB—M4FB引腳為電機(jī)的方向控制信號(hào)，P00一P07接單片機(jī)的PO口，100一1015為擴(kuò)展的2個(gè)通用I/O口，SIl—S17引腳為行程開關(guān)輸入信號(hào)，LI11一LI17引腳為光電探頭輸入信號(hào)。CPLD的編程用VHDL語(yǔ)言，產(chǎn)生1路PWM信號(hào)的部分程序源代碼如下：

單片機(jī)采用24MHz的晶體振蕩器，ALE信號(hào)的頻率fALE=f16=6MHz，最終輸出PWM信號(hào)的引腳MlP的頻率為：

調(diào)節(jié)這個(gè)信號(hào)的占空比可以使直流電動(dòng)機(jī)獲得O-255級(jí)的轉(zhuǎn)速。

3.2 機(jī)器人運(yùn)行參數(shù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展

機(jī)器人運(yùn)行路徑和動(dòng)作可以根據(jù)比賽情況的不同而發(fā)生變化，這樣，每改變1次運(yùn)行參數(shù)就必須對(duì)單片機(jī)的Flash進(jìn)行1次擦寫。為了解決這一問題.擴(kuò)展了程序參數(shù)存儲(chǔ)器，用來(lái)存放機(jī)器人的運(yùn)行路徑和動(dòng)作參數(shù).擴(kuò)展電路如圖3所示。

其中IC1為24LC08B，是I2E總線的串行E2PROM存儲(chǔ)器，最多能夠存儲(chǔ)lK字節(jié)的數(shù)據(jù)。IC2為MAX3232型電平轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部有1個(gè)電源電壓變換器，可以將計(jì)算機(jī)的電平轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)TTL電平，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與單片機(jī)之間通過(guò)串行口傳輸數(shù)據(jù)，使單片機(jī)完成對(duì)24/LC08B的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)操作。單片機(jī)運(yùn)行時(shí)，直接從24LC08中讀取機(jī)器人的運(yùn)行參數(shù)，控制機(jī)器人運(yùn)行。

4 光電檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

4.1 光電檢測(cè)過(guò)程

設(shè)計(jì)光電檢測(cè)模塊是為了讓機(jī)器人能夠檢測(cè)地面上的白色引導(dǎo)線。光電檢測(cè)電路主要包括發(fā)射部分和接收部分，其原理如圖4所示。

發(fā)射部分的波形調(diào)制采用了頻率調(diào)制方法。由于發(fā)光二極管的響應(yīng)速度快，其工作頻率可達(dá)幾MHz或十幾MHz，而檢測(cè)系統(tǒng)的調(diào)制頻率在幾十至幾百kHz的范圍內(nèi)，能夠滿足要求。光源驅(qū)動(dòng)主要負(fù)責(zé)把調(diào)制波形放大到足夠的功率去驅(qū)動(dòng)光源發(fā)光。光源采用紅外發(fā)光二極管，工作頻率較高，適合波形為方波的調(diào)制光的發(fā)射。

接收部分采用光敏二極管接收調(diào)制光線，將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。這種電信號(hào)通常較微弱，需進(jìn)行濾波和放大后才能進(jìn)行處理。調(diào)制信號(hào)的放大采用交流放大的形式，可使調(diào)制光信號(hào)與背景光信號(hào)分離，為信號(hào)處理提供方便。調(diào)制信號(hào)處理部分對(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，判斷被檢測(cè)對(duì)象的特性。因此，此模塊的本質(zhì)是將“交流”的、有用的調(diào)制光信號(hào)從“直流”的、無(wú)用的背景光信號(hào)中分離出來(lái)，從而達(dá)到抗干擾的目的。

4.2 光電探頭

光電探頭安裝在機(jī)器人底盤前部，共設(shè)置了5個(gè)檢測(cè)點(diǎn)。從理論上講，檢測(cè)點(diǎn)越多、越密，識(shí)別的準(zhǔn)確性與可靠性就越高，但是硬件的開銷與軟件的復(fù)雜程度也相應(yīng)的增加。采用該巡線系統(tǒng)保證了檢測(cè)的精確度，節(jié)約了硬件的開銷。發(fā)光二極管發(fā)出的調(diào)制光經(jīng)地面反射到光敏二極管。光敏二極管產(chǎn)生的光電流隨反射光的強(qiáng)弱而線性變化。把這種變化檢測(cè)出來(lái)，就可以判斷某一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)是否在白色引導(dǎo)線的上方，從而判斷機(jī)器人和白色引導(dǎo)線的相對(duì)位置。

5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)件主要是電機(jī)和舵機(jī)，都可以采用PWM進(jìn)行調(diào)速與控制。根據(jù)脈沖編碼器的反饋信號(hào)，對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。直流伺服電機(jī)的控制原理如圖5所示。調(diào)節(jié)：PWM的信號(hào)就能夠快速調(diào)節(jié)舵機(jī)的轉(zhuǎn)角，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的方向控制。

6 結(jié)束語(yǔ)

基于5l型單片機(jī)的自動(dòng)巡線輪式機(jī)器人控制系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)可靠，抗干擾能力強(qiáng)，不僅滿足了機(jī)器人大賽的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)也為智能機(jī)器人搭建了良好的控制平臺(tái)。