一種輪式移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

一、緒論(一)移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)概述機(jī)器人是一自動(dòng)的、位置可控的、具有編程能力的多功能操作機(jī)。機(jī)器人技術(shù)涉及計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、通訊技術(shù)、人工智能、材料科學(xué)和仿生學(xué)等多類學(xué)科[7]。作為機(jī)器人學(xué)的重要分支，移動(dòng)機(jī)器人能夠運(yùn)動(dòng)到特定位置，執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)，具備環(huán)境感知、實(shí)時(shí)決策和行為控制等功能，擁有很高的軍事、商業(yè)價(jià)值[1-5]。移動(dòng)機(jī)器人按運(yùn)動(dòng)方式分為輪式移動(dòng)機(jī)器人步行移動(dòng)機(jī)器人、履帶式移動(dòng)機(jī)器人、爬行機(jī)器人等；按功能和用途分為醫(yī)療機(jī)器人、軍用機(jī)器人、清沽機(jī)器人等；按作業(yè)空間分為陸地移動(dòng)機(jī)器人、水下機(jī)器人、無(wú)人飛機(jī)和空間機(jī)器人。(二)移動(dòng)機(jī)器人控制技術(shù)動(dòng)態(tài)1.移動(dòng)機(jī)器人控制技術(shù)開(kāi)展概況步入2I世紀(jì)，隨著電子技術(shù)的飛速開(kāi)展，機(jī)器人用傳感器的不斷研制、計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的顯著提高，移動(dòng)機(jī)器人控制技術(shù)逐步得到完善和開(kāi)展。移動(dòng)機(jī)器人從最初的示教模仿型向具備環(huán)境信息感知、在線決策等功能的自治型智能化方向開(kāi)展。移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)性能不斷提高，各類新型移動(dòng)機(jī)器人也紛紛面世。步行式機(jī)器人是指按照邁步方式前進(jìn)的移動(dòng)機(jī)器人，由于符合動(dòng)物的行進(jìn)模式，可很好的在自然環(huán)境中運(yùn)動(dòng)，具有較強(qiáng)的越野性能。如美國(guó)NASA資助研制的丹蒂行走機(jī)器人，主要用于遠(yuǎn)程機(jī)器人探險(xiǎn)，其控制系統(tǒng)涉及環(huán)境感知、障礙物監(jiān)測(cè)、機(jī)械臂控制和超遠(yuǎn)程遙操作等多方面技術(shù)。丹蒂方案的最終目標(biāo)是，為實(shí)現(xiàn)在充滿碎片的月球或其它星球的外表進(jìn)行探險(xiǎn)提供一種運(yùn)動(dòng)機(jī)器人解決方案。輪椅機(jī)器人是指使用了移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的電動(dòng)輪椅[8]。德國(guó)烏爾姆大學(xué)開(kāi)發(fā)一種智能輪椅機(jī)器人，使喪失行動(dòng)能力的人也能外出“走動(dòng)〞。該輪椅機(jī)器人，能夠自動(dòng)識(shí)別和判斷出行駛的前方是否有行人擋路，或是否可能出現(xiàn)行駛不通的情況，自動(dòng)采取繞行動(dòng)作，并能夠提醒擋路的行人讓開(kāi)道路。該機(jī)器人的控制系統(tǒng)，綜合運(yùn)用了多傳感器信息融合、模式識(shí)別、避障、電機(jī)控制和人機(jī)接口等技術(shù)。消防機(jī)器人是指能在高溫、強(qiáng)熱輻射、濃煙、地形復(fù)雜、障礙物多、化學(xué)腐蝕、易燃易爆等惡劣條件下進(jìn)行滅火和救援工作的移動(dòng)機(jī)器人。其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)包括障礙物檢測(cè)、爆等惡劣條件下進(jìn)行滅火和救援工作的移動(dòng)機(jī)器人。其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)包括障礙物檢測(cè)、火焰檢測(cè)和系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)等多項(xiàng)技術(shù)。日本投入應(yīng)用的消防機(jī)器人最多，美、英等國(guó)已研制出能依靠感覺(jué)信息控制的救災(zāi)智能機(jī)器人。我國(guó)上海交大機(jī)器人研究所也在國(guó)家“863〞方案和公安部聯(lián)合投資下，與上海消防所合作開(kāi)發(fā)消防機(jī)器人的產(chǎn)品樣機(jī)。另外，隨著社會(huì)老齡化程度的不斷加劇，仿人機(jī)器人將彌補(bǔ)年輕勞動(dòng)力的缺乏，解決老齡化社會(huì)家庭效勞和醫(yī)療看護(hù)等社會(huì)問(wèn)題[9]。此類效勞型機(jī)器人的控制系統(tǒng)那么綜合運(yùn)用了環(huán)境感知、路徑規(guī)劃、地圖遍歷、避障，防跌落等技術(shù)，以適合在家中使用。如韓國(guó)Yujin機(jī)器人科技公司制造的家用機(jī)器人iRobot，日本歐姆龍公司開(kāi)發(fā)的電子守衛(wèi)恐龍，以及三菱重工推出的可協(xié)助家庭保健和看家的機(jī)器人，都為家用機(jī)器人的市場(chǎng)化進(jìn)程發(fā)揮了重要的作用。2.移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)目前，移動(dòng)機(jī)器人控制技術(shù)的研究熱點(diǎn)和開(kāi)展趨勢(shì)主要包括[1-4]:(1)運(yùn)動(dòng)控制中的路徑規(guī)劃技術(shù)。路徑規(guī)劃是移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航的根本環(huán)節(jié)之一，定義是按照某一性能指標(biāo)搜索一條從起始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)的最優(yōu)或近似最優(yōu)的無(wú)碰路徑。根據(jù)機(jī)器人對(duì)環(huán)境信息感知的程度，路徑規(guī)劃可分為環(huán)境信息完全可知的全局路徑規(guī)劃；環(huán)境信息局部未知甚至完全未知，移動(dòng)機(jī)器人通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)地對(duì)的工作環(huán)境進(jìn)行探測(cè)，以獲取障礙物的位置、形狀和尺寸等信息進(jìn)行的局部路徑規(guī)劃。(2)控制系統(tǒng)中的傳感技術(shù)。移動(dòng)機(jī)器人傳感技術(shù)主要是對(duì)機(jī)器人自身內(nèi)部的位置和方向信息以及外部環(huán)境信息的檢測(cè)和處理。獲取真實(shí)有效的環(huán)境信息，是控制系統(tǒng)進(jìn)行決策的保證。通常采用的傳感器包括分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器。內(nèi)部傳感器主要包括：編碼器、線加速度計(jì)、陀螺儀、磁羅盤等。外部傳感器主要包括：視覺(jué)傳感器、超聲波傳感器、紅外傳感器、接觸和接近傳感器等。(3)控制系統(tǒng)的多傳感器信息融合技術(shù)。多傳感器信息融合是把分卻在不同位置的傳感器所提供的局部環(huán)境的不完整信息加以綜合，消除多傳感器之間可能存在的冗余和矛盾，以降低其不確定性，形成對(duì)系統(tǒng)環(huán)境的相對(duì)完整一致的感知描述，從而提高智能系統(tǒng)決策、規(guī)劃的快速性和正確性，同時(shí)降低決策風(fēng)險(xiǎn)。(4)控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)技術(shù)。重點(diǎn)研究開(kāi)放式、模塊化控制系統(tǒng)。機(jī)器人控制器結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化，以及網(wǎng)絡(luò)式控制器成為研究熱點(diǎn)。編程技術(shù)進(jìn)一步提高在線編程的可操作性，離線編程的人機(jī)界面更加友好、自然語(yǔ)言化編程和圖形化編程的迸一步推廣也是今后研究的重點(diǎn)。(5)控制系統(tǒng)的智能化技術(shù)?？刂葡到y(tǒng)的智能特征包括知識(shí)理解、歸納、推斷、反響和問(wèn)題求解等內(nèi)容。涉及領(lǐng)域包括圖像理解、語(yǔ)音和文字符號(hào)的處理與理解、知識(shí)的表達(dá)和獲取等方面。智能控制方法常使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制方法，但前者往往伴隨著對(duì)存儲(chǔ)容量、運(yùn)算速度的較高要求，這與移動(dòng)機(jī)器人高速高精度運(yùn)動(dòng)控制的要求存在一定差距，故模糊控制方法在機(jī)器人控制方面有著較大的優(yōu)勢(shì)。(三)本課題的意義本課題討論的移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)，具有很高的系統(tǒng)集成度和廣泛的功能擴(kuò)展空間，很好的兼顧了控制系統(tǒng)的通用性和實(shí)用性要求。該控制系統(tǒng)，適用于多種移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)，如家用娛樂(lè)機(jī)器人、展覽用導(dǎo)游機(jī)器人等。并可通過(guò)控制單元的擴(kuò)充和升級(jí)，增加語(yǔ)音識(shí)別、人臉識(shí)別、視覺(jué)追蹤等交互性更強(qiáng)的功能。同時(shí)，該控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)完成，對(duì)于降低上述各類型機(jī)器人的開(kāi)發(fā)難度，縮短從客戶提出需求到完成最終產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。另外，本課題設(shè)計(jì)的移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)，由于集成有通用微控制器開(kāi)發(fā)平臺(tái)、避障模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等多種功能單元，因此，可作為數(shù)字電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、路徑規(guī)劃及人工智能等多學(xué)科多領(lǐng)域的通用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。二、移動(dòng)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型(一)移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式有很多種，主要分為車輪式和步行式兩類。車輪移動(dòng)方式的技術(shù)相對(duì)成熟，控制也較為容易實(shí)現(xiàn)；步行式控制難度較大，但隨著傳感器技術(shù)和微控制器技術(shù)的快速開(kāi)展，該種移動(dòng)方式也得到了較大的開(kāi)展。本文研究的移動(dòng)機(jī)器人采用車輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)。移動(dòng)機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)介，主體局部是基于圓形底座的車架。這種圓形車體結(jié)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程能夠有效降低機(jī)器人與外界障礙發(fā)生碰撞的概率，從而獲得更大的相對(duì)運(yùn)動(dòng)空問(wèn)。機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)車輪安裝于車架底部。避障傳感器分布于車體周圍。車身內(nèi)部自下至上依次固定有系統(tǒng)電源和控制電路。EMBEDAutoCAD.Drawing.16圖2.1移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械局部主要包括車架、車輪、直流減速電機(jī)和相關(guān)連接部件。如圖2.1移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖所示。車架底座選用5mm厚的PVC板，能夠承受系統(tǒng)所需要的重量和強(qiáng)度，它是整個(gè)機(jī)器人的根底局部。車架底座由安裝于車體底部的三個(gè)車輪支撐，三個(gè)車輪構(gòu)成三角平面，符合架構(gòu)穩(wěn)定要求。在移動(dòng)機(jī)器人車架底部安裝有三個(gè)車輪，其中自U輪為從動(dòng)輪，選用直徑為30mm的萬(wàn)向塑膠輪；兩后輪為相互獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)輪，為固定式不可轉(zhuǎn)向輪，選用直徑為45mm硬橡膠輪。為增大摩擦，防止驅(qū)動(dòng)輪打滑，兩后輪分別粘貼有2mm厚的軟海綿。兩個(gè)后輪分別配有獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和減速機(jī)構(gòu)，減速機(jī)構(gòu)采用與驅(qū)動(dòng)電機(jī)集成的減速傳動(dòng)裝置。三個(gè)車輪于車架底板成等邊三角形分布。這種車輪安裝的幾何對(duì)稱性有利于實(shí)現(xiàn)車體的前后左右便捷的零半徑轉(zhuǎn)向，也簡(jiǎn)化了車體姿念的計(jì)算和控制。為測(cè)量驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，其輸出轉(zhuǎn)軸內(nèi)側(cè)底板上裝有與驅(qū)動(dòng)電機(jī)同軸的增量式光電編碼器。該編碼器與驅(qū)動(dòng)輪同速旋轉(zhuǎn)，車輪每旋轉(zhuǎn)一周，編碼器即輸出500個(gè)脈沖信號(hào)。車身的前進(jìn)方向和速度依靠調(diào)節(jié)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)。(二)移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型[10-14]移動(dòng)機(jī)器人采用獨(dú)立雙輪驅(qū)動(dòng)模式，通過(guò)控制左右驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速差實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向等各種根本的動(dòng)作，現(xiàn)建立坐標(biāo)系說(shuō)明移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，具體坐標(biāo)系和運(yùn)動(dòng)參量見(jiàn)圖2.2移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)示意圖。圖2.2移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)示意圖圖2.2中，V代表機(jī)器人質(zhì)心的線速度：VL和VR分別是左右輪的線速度；R為左右輪的半徑；L為兩輪的間距；X,Y代表機(jī)器人質(zhì)心的二維平面坐標(biāo)。那么移動(dòng)機(jī)器人滿足剛體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，運(yùn)動(dòng)方程(2-1)和(2-2)成立。(2-1)(2-2)式(2-1)和式(2-2)中，ωL和ωR分別代表左右輪的角速度，ω為質(zhì)心的角速度，1，v為質(zhì)心的線速度。由式(2-2)可知，當(dāng)VL=VR時(shí)，質(zhì)心的角速度ω為0，即機(jī)器人沿直線運(yùn)動(dòng);當(dāng)VL=VR時(shí)，質(zhì)心的線速度為0，那么機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)身，即此時(shí)機(jī)器人將以零半徑轉(zhuǎn)彎。按照公式(2-2)計(jì)算得到VL和VR即可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制。假設(shè)將式(2-1)代入式(2-2)，可得(2-3)而機(jī)器人的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)方程為(2-4)將式(2-3)代入式(2-4)，得(2-5)方程(2-5)中各變量相互關(guān)聯(lián)，設(shè)計(jì)控制器時(shí)比擬復(fù)雜，為此，先進(jìn)行解耦處理。因?yàn)棣戎慌c質(zhì)心的角速度有關(guān)，X、Y只與質(zhì)心的線速度有關(guān)，故可將控制變量轉(zhuǎn)為質(zhì)心的線速度和角速度。方程如下：(2-6)再將左右輪角速度表示成質(zhì)心的角速度和線速度，即(2-7)由上式可知，根據(jù)移動(dòng)機(jī)器人(質(zhì)心)設(shè)定的目標(biāo)線速度和角速度即可分別求得左右輪的實(shí)時(shí)角速度，從而通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)完成速度調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向和速度的實(shí)時(shí)控制。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，由于編碼器檢測(cè)車輪的旋轉(zhuǎn)的分辨誤差、負(fù)載使車輪的等效半徑產(chǎn)生變化、加速度及旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力使車輪的等效半徑變化以及路面的凹凸和傾斜等因素的影響，使上述公并非嚴(yán)格成立。通常采用多種方法綜合采用的方案來(lái)完成移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制。三、移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)〔一〕移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)方案在移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)中，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)尤為重要?？刂葡到y(tǒng)是整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的靈魂?？刂葡到y(tǒng)的先進(jìn)與否，直接決定了整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)智能化水平的上下。移動(dòng)機(jī)器人的各種功能都在控制系統(tǒng)的統(tǒng)一協(xié)調(diào)下實(shí)現(xiàn)；控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)謀略也決定了整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的功能特點(diǎn)和可擴(kuò)展性[15-21]．本課題設(shè)計(jì)的移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)，具備障礙物檢測(cè)避碰、速度檢測(cè)和調(diào)節(jié)、原地零半徑轉(zhuǎn)向、電源低電壓監(jiān)測(cè)和充電等功能并可工作于實(shí)時(shí)手動(dòng)遙控、預(yù)編程路徑運(yùn)動(dòng)及自動(dòng)沿墻跟蹤等多種模式。圖3.1移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)框圖根據(jù)移動(dòng)機(jī)器人的功能要求，本課題研究的控制系統(tǒng)主要包括：微控制器模塊、避障模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、測(cè)速模塊、遙操作模塊、串行通信模塊及電源模塊等局部?？刂葡到y(tǒng)的總體框圖如圖3.1所示。具體設(shè)計(jì)過(guò)程中，上述各個(gè)模塊力求相對(duì)獨(dú)立，以便系統(tǒng)日常的維護(hù)和今后的升級(jí)。其中：·微控制器模塊作為控制系統(tǒng)的核心，主要進(jìn)行各種信息、數(shù)據(jù)的處理，協(xié)調(diào)系統(tǒng)中各功能模塊完成預(yù)定任務(wù)；·避障模塊由超聲波測(cè)距傳感器和對(duì)射式紅外傳感器組成，主要負(fù)責(zé)移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程的障礙物的檢測(cè)，超聲波傳感器用于遠(yuǎn)距離障礙物檢測(cè)，紅外傳感器用于近距離障礙物檢測(cè)；·電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊負(fù)責(zé)機(jī)器人左右輪的獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，主要由功率轉(zhuǎn)換模塊和微控制器內(nèi)置的PWM單元組成，實(shí)現(xiàn)左右輪的差速控制；·測(cè)速模塊由增量式光電編碼器組成，用于左右輪轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向的實(shí)時(shí)測(cè)量，以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制；編解碼和無(wú)線收發(fā)局部，用于移動(dòng)機(jī)器人遙控模式；·電源模塊負(fù)責(zé)整個(gè)控制系統(tǒng)各局部的電源供應(yīng)，并實(shí)現(xiàn)鋰電池的電量檢測(cè)和充電?！ご型ㄐ拍K包括異步通信、同步通信兩局部，異步通信用于預(yù)編成路徑的下載，同步通信用于預(yù)編成路徑數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和現(xiàn)場(chǎng)溫度的采集以實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距的修正；本章將從各模塊的設(shè)計(jì)原理和功能出發(fā)，闡述各模塊的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。〔二〕微控制器模塊在本課題中，采用微控制器(MicroControllerUnit，MCU)作為移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)的核心。微控制器在整個(gè)系統(tǒng)中扮演的角色類似于人的大腦，主要完成各種信息的運(yùn)算和決策。微控制器是一種嵌入式微處理器，顧名思義，就是將整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一塊芯片中。微控制器一般以某一種CPU內(nèi)核為核心，芯片內(nèi)部集成ROM、EPROM、EEPROM、FLASH、RAM、A/D、D/A、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、看門狗、I/O、串行接口、脈寬調(diào)制器等功能單元。與CPU相比，MCU的最大特點(diǎn)是使PC機(jī)單片化，體積大大減小，功耗和本錢下降，可靠性提高。因此微控制器逐漸成為嵌入式PC系統(tǒng)的主流核心器件。1.微控制器的選用依據(jù)微控制器是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心部件，直接影響到控制系統(tǒng)的功能和性能。因此，合理選用控制系統(tǒng)的核心控制器，對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要[18-19]。在硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)微控制器的選型往往需要考慮諸多因素，本課題的微控制器選用依據(jù)主要包括以下幾個(gè)方面：(1)對(duì)于微控制器類型，目前國(guó)內(nèi)外移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)采用的微控制器有多種，如飛思卡爾微控制器、東芝微控制器，甚至有的設(shè)計(jì)采用更高檔16位、32位微控制器。考慮到本文設(shè)計(jì)的移動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和功能要求，須在高性能計(jì)算與低功耗之間得到很好的平衡。并且該種微控制器的片內(nèi)資源應(yīng)當(dāng)較為豐富，以減小電路板面積并提高整機(jī)穩(wěn)定性。(2)從功能需求上，考慮到移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)作大多采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，因此選用的微控制器應(yīng)具有高精度(分辨率8位以上)PWM功能，以方便實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的調(diào)速控制。此外，為便于日后擴(kuò)展移動(dòng)機(jī)器人的功能，微控制器應(yīng)具有較強(qiáng)的T/O能力。(3)從控制軟件開(kāi)發(fā)支持上，應(yīng)便于開(kāi)發(fā)和調(diào)試應(yīng)用程序，需要較大的存儲(chǔ)空間和更高的運(yùn)行速度。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)電路完成后的程序升級(jí)，微控制器需支持代碼在系統(tǒng)下載功能?；谏鲜鲂枨蠓治?，經(jīng)過(guò)全面調(diào)研、反復(fù)比擬，最終選用了ATMEL公司的ATMEGAl6型微控制器作為本系統(tǒng)的控制核心。ATmegal6是基于增強(qiáng)的AVRRISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集和單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmegal6的數(shù)掘吞吐率高達(dá)1MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾．AVR內(nèi)核具有豐富的指令集和32個(gè)通用工作存放器。所有的存放器都直接與算術(shù)邏輯單元(ALU)相連接，使得一條指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)訪問(wèn)兩個(gè)獨(dú)立的存放器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率，并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的數(shù)掘吞吐率。通過(guò)將8位RISCCPU與系統(tǒng)內(nèi)可編程的Flash集成在一個(gè)芯片內(nèi)，ATmegal6成為一個(gè)功能強(qiáng)大的微控制器，為許多嵌入式控制應(yīng)用提供了靈活而低本錢的解決方案。2.ATMEGAI6微控制器特點(diǎn)1997年，ATMEL挪威設(shè)計(jì)中心出于市場(chǎng)考慮，充分發(fā)揮其Flash技術(shù)優(yōu)勢(shì)，推出全新的精簡(jiǎn)指令集(RISC)微控制器，簡(jiǎn)稱AVR微控制器。ATMEGAl6微控制器主要有以下特點(diǎn)：(1)先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，工作于16MHz時(shí)性能高達(dá)16MIPS；(2)四通道PWM；(3)8路10位ADC；片內(nèi)模擬比擬器；(4)面向字節(jié)的兩線接口；兩個(gè)串行USART；可工作于主機(jī)/從機(jī)模式的SPI串行接口；具有獨(dú)立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器；〔三〕避障模塊移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)行的過(guò)程中，可能在運(yùn)動(dòng)路徑上遇到移動(dòng)或靜止的障礙物。此時(shí)，假設(shè)機(jī)器人無(wú)法檢測(cè)到該障礙物并及時(shí)調(diào)整行進(jìn)路線，就很有可能與之發(fā)生碰撞，進(jìn)而造成機(jī)器人本體的損傷或被碰撞物(人)的損害。因此，移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)必須配有能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)環(huán)境障礙物的傳感器。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外研制的移動(dòng)機(jī)器人，多采用紅外避障傳感器和超聲波測(cè)距傳感器實(shí)現(xiàn)障礙物檢測(cè)嘲[]。紅外傳感器探測(cè)視角小、方向性強(qiáng)，但對(duì)障礙物的顏色(亮度)較為敏感，其探測(cè)敏感度隨著障礙物的顏色不同而有較大差異，一般只用作近距離探測(cè)。超聲波測(cè)距是近年來(lái)開(kāi)展起來(lái)的一種測(cè)距方法，但由于超聲波傳播速度較慢、發(fā)射角度較大等特性，使其探測(cè)方向性較差，故只用以獲得前方障礙物的距離信息，不能提供障礙物的嚴(yán)格邊界信息。綜上分析，考慮到單一傳感器探測(cè)的局限性，在實(shí)際應(yīng)用中，往往通過(guò)綜合運(yùn)用多種傳感器以進(jìn)行信息補(bǔ)償。本課題中，將紅外探測(cè)與超聲波探測(cè)相結(jié)合，利用紅外傳感器探測(cè)近距離障礙物的有無(wú)，超聲波傳感器探測(cè)較遠(yuǎn)障礙物的距離信息。本課題所設(shè)計(jì)的移動(dòng)機(jī)器人，于車體周圍安裝有4個(gè)紅外避障傳感器，分別用于前方避障和側(cè)面尋墻；于車體內(nèi)部，分左右安裝有2個(gè)超聲波測(cè)距傳感器，用于測(cè)量機(jī)器人距前方障礙物的距離信息。具體的安裝位置如圖3.2所示。圖3.2避障傳感器安裝位置示意圖〔四〕電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊移動(dòng)機(jī)器人采用左右兩輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，采用差速轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，每個(gè)車輪分別由一個(gè)直流電機(jī)單獨(dú)控制。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制主要通過(guò)對(duì)這兩個(gè)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，包括速度和轉(zhuǎn)向的控制。本設(shè)計(jì)選用直流力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪。該直流電機(jī)具有優(yōu)良的速度控制性能，具體來(lái)說(shuō)，它有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)具有較大的轉(zhuǎn)矩，以克服傳動(dòng)裝置的摩擦轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩；(2)調(diào)速范圍寬，且運(yùn)行速度平穩(wěn)；(3)具有快速響應(yīng)能力，可以適應(yīng)復(fù)雜的速度變化；(4)電機(jī)的負(fù)載特性硬，有較大的過(guò)載能力，確保運(yùn)行速度不受負(fù)載沖擊的影響。本設(shè)計(jì)選用的電機(jī)為寧波三佳公司的12V直流電機(jī)JS-30VZJ，轉(zhuǎn)速為3000r/m，配有減速比為l：30的減速器。〔五〕光電編碼器測(cè)速模塊測(cè)速元件是速度閉環(huán)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵元件。本設(shè)計(jì)中，采用增量式光電編碼器測(cè)量移動(dòng)機(jī)器人左右兩輪的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而通過(guò)特定算法得到實(shí)時(shí)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的PWM控制量，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的閉環(huán)控制。1.增量式光電編碼器光電編碼器俗稱碼盤，是一種通過(guò)光電轉(zhuǎn)換將軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器，主要用于機(jī)械轉(zhuǎn)角位置和旋轉(zhuǎn)速度的檢測(cè)和控制。光電編碼器的根本結(jié)構(gòu)由旋轉(zhuǎn)軸上的編碼圓盤以及裝在圓盤兩側(cè)的發(fā)光元件和光敏元件組成。圓盤上規(guī)那么地刻有透光和不透光的線條或孔，當(dāng)圓盤隨著轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，光敏元件接收的光通量強(qiáng)弱隨著光線條同步變化，光敏元件波形經(jīng)過(guò)整形輸出變?yōu)槊}沖輸出。一般圓盤上還設(shè)有定相標(biāo)志，產(chǎn)生零信號(hào)，每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生一個(gè)，又稱基準(zhǔn)脈沖。本設(shè)計(jì)選用ZKX-6-50BM7型增量式光電編碼器是一款高精度角位移傳感器，主軸每旋轉(zhuǎn)一周分兩路輸出500個(gè)電壓脈沖信號(hào)Out_A和Out_B。其中，Out_A和Out_B兩路信號(hào)相位差為90度，可通過(guò)Out_A和Out_B的相位關(guān)系，判斷主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。2.移動(dòng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)輪線速度的測(cè)量通常，根掘脈沖計(jì)數(shù)來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速的方法有三種，分別介紹如下[25-27]。(1)M法測(cè)速：在規(guī)定的時(shí)間間隔內(nèi)，測(cè)量所產(chǎn)生的脈沖數(shù)M，來(lái)獲得被測(cè)速度值，這種方法稱為M法，適合于高速測(cè)量場(chǎng)合。(2)T法測(cè)速：測(cè)量相鄰兩個(gè)脈沖的時(shí)間間隔來(lái)確定被測(cè)速度的方法叫做T法測(cè)速，適合于低速時(shí)測(cè)量。(3)M/T法測(cè)速：M/T法是同時(shí)測(cè)量檢測(cè)時(shí)間和在此檢測(cè)時(shí)問(wèn)內(nèi)脈沖發(fā)生器發(fā)送的脈沖數(shù)束確定被測(cè)轉(zhuǎn)速，兼有M法和T法的優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)中基于T法測(cè)量移動(dòng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速。將光電編碼器輸出接至微控制器的外部中斷INT2，那么轉(zhuǎn)動(dòng)引起的每一個(gè)電壓脈沖都會(huì)觸發(fā)微控制器外部中斷。通過(guò)編制中斷子函數(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光電編碼器輸出脈沖個(gè)數(shù)的準(zhǔn)確計(jì)算，經(jīng)換算后即得轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)過(guò)的精確角位移。因此，根據(jù)光電編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)單位角位移所需的時(shí)間，就可求得轉(zhuǎn)動(dòng)軸的角速率，結(jié)合光電編碼器同軸驅(qū)動(dòng)輪的半徑，就可算得移動(dòng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)輪的實(shí)時(shí)線速度。實(shí)際編程中，使用微控制器定時(shí)器0產(chǎn)生的IKHz時(shí)基中斷產(chǎn)生固定時(shí)間段。設(shè)V為t時(shí)間內(nèi)的平均速度，由于計(jì)算速度所需的時(shí)間段足夠小，所以可將平均速度V近似為實(shí)時(shí)速度，那么實(shí)時(shí)速度(3-1)式中，S為驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的位移，n為所經(jīng)歷的固定時(shí)間段的記數(shù)，l為光電編碼器驅(qū)動(dòng)輪的周長(zhǎng)，N為光電編碼器旋轉(zhuǎn)一周輸出的脈沖數(shù)，此處N=500.3.光電編碼器測(cè)速的誤差分析影響光電編碼器計(jì)數(shù)精度的原因在于，編碼器的主碼盤被激振而附加了瞬間的隨機(jī)高頻振動(dòng)，從而引起在透光窗邊沿附近發(fā)生小幅度晃動(dòng)，振動(dòng)的響應(yīng)和頻率與主碼盤本身及激振的頻率有關(guān)。．在瞬間高頻振動(dòng)的時(shí)刻，原來(lái)一個(gè)方波周期內(nèi)可能包含幾個(gè)高頻方波脈沖，如果計(jì)數(shù)電路中不加措施就會(huì)導(dǎo)致計(jì)數(shù)結(jié)果偏離實(shí)際值，引起誤計(jì)數(shù)?！擦尺b操作模塊本課題的移動(dòng)機(jī)器人具備多種工作模式，既可以按照預(yù)先編程的路徑運(yùn)動(dòng)，也可以根據(jù)遙控指令，實(shí)時(shí)調(diào)整自身運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，完成前進(jìn)、后退、停止、轉(zhuǎn)向等根本動(dòng)作。圖3.3遙操作模塊工作原理圖移動(dòng)機(jī)器人遙操作模塊的工作原理如圖3.3所示。按鍵的鍵值被編碼模塊編譯為特定串行碼，此串行碼輸入至發(fā)射電路，作為發(fā)射電路的控制信號(hào)。串行碼由發(fā)射電路調(diào)制到高頻載波，通過(guò)天線向外發(fā)射。接收局部經(jīng)天線收到調(diào)制信號(hào)，該調(diào)制信號(hào)由接收電路處理為特定串行碼，此串行碼包含了操作者的按鍵信息。通過(guò)和編碼模塊配套使用的解碼模塊，即可從串行碼中別離出相應(yīng)鍵值。從而移動(dòng)機(jī)器人根掘操作者的按鍵值，做出相應(yīng)動(dòng)作[28,31,32]．其中，發(fā)射和接收電路采用模塊化的315MHz超再生式RF收發(fā)模塊。RF收發(fā)模塊的引腳分別為DATAOUT/IN、VCC和GND三線接口。只需將編碼器的數(shù)據(jù)輸出端與RF發(fā)射模塊的DATAIN引腳連接，RF接收模塊的DATAOUT引腳與解碼器的數(shù)據(jù)輸入端14連接，系統(tǒng)即可正常工作。編解碼電路選用臺(tái)灣普城公司生產(chǎn)的PT2262／2272專用編解碼芯片。PT2262/2272是一種CMOS工藝制造的低功耗低價(jià)位通用編解碼電路，PT2262/2272最多可有12位(AO-A11)三態(tài)地址端管腳(懸空、接高電平、接低電平)，任意組合可提供531441地址碼。PT2262最多可有6位(DO-D5)數(shù)據(jù)端管腳，設(shè)定的地址碼和數(shù)據(jù)碼從17腳串行輸出，主要用于無(wú)線遙控發(fā)射電路[29,30]。編碼芯片PT2262發(fā)出的編碼信號(hào)由：地址碼、數(shù)掘碼、同步碼組成一個(gè)完整的碼字，解碼芯片PT2272接收到信號(hào)后，其地址碼經(jīng)過(guò)兩次比擬核對(duì)后，VT腳才輸出高電平，與此同時(shí)相應(yīng)的數(shù)掘腳也輸出高電平。因此，微控制器讀取PT2272的數(shù)據(jù)輸出端電平即可獲得操作者的按鍵鍵值。如果發(fā)送端一直按住按鍵，編碼芯片也會(huì)連續(xù)發(fā)射。當(dāng)發(fā)射機(jī)沒(méi)有按鍵按下時(shí)，PT2262不接通電源，其17腳為低電平，所以315MHz的高頻發(fā)射電路不工作，當(dāng)有按鍵按下時(shí)，PT2262得電工作，其第17腳輸出經(jīng)調(diào)制的串行數(shù)掘信號(hào)。當(dāng)17腳為高電平時(shí)315MHz的高頻發(fā)射電路起振并發(fā)射等幅高頻信號(hào)，當(dāng)17腳為低平時(shí)315MHz的高頻發(fā)射電路停止振蕩。所以高頻發(fā)射電路完全受控于PT2262的17腳輸出的數(shù)字信號(hào)，從而對(duì)高頻電路完成幅度鍵控(ASK調(diào)制)相當(dāng)于調(diào)制度為100％的調(diào)幅。以下是主程序中檢測(cè)l鍵是否按下的局部源碼，設(shè)計(jì)中添加了檢測(cè)松開(kāi)按鍵時(shí)產(chǎn)生的上跳沿的功能。#defineK16//PB6#defineK27//PB7#defineK36//PD6#defineK47//PD7If(PINB&BIT(K1)){//specialfunctionsforK1while(PINB&BIT(K1);//waitingforreleaseK1}〔七〕電源模塊作為無(wú)纜工作的移動(dòng)機(jī)器人，必需自帶能源。本課題設(shè)計(jì)的移動(dòng)機(jī)器人，能耗主要來(lái)源于機(jī)器人控制電路和驅(qū)動(dòng)電機(jī)兩局部。其中機(jī)器人控制電路局部使用+5V直流供電，驅(qū)動(dòng)電機(jī)局部那么需要+12V直流供電。綜合考慮移動(dòng)機(jī)器人自重、單次工作時(shí)間以及電池體積、維護(hù)本錢等多方面因素，我們將單節(jié)容量600mAH、額定電壓3．7V的鋰電池4節(jié)串連后使用，作為移動(dòng)機(jī)器人的車載能源。與密封鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池相比，鋰電池具有最高的能量/重量比和能量/體積比。并且，鋰電池具有輸出電流大，無(wú)記憶效應(yīng)、無(wú)污染、電池循環(huán)充放電次數(shù)多(壽命長(zhǎng))等優(yōu)點(diǎn)[33,34]。1.移動(dòng)機(jī)器人電源設(shè)計(jì)如前文所述，采用4節(jié)3.7V鋰電池串連使用可以提供14.8V直流電壓。而機(jī)器人控制電路需要+5V直流供電，驅(qū)動(dòng)電機(jī)局部那么需要+12V直流供電。假設(shè)采用傳統(tǒng)穩(wěn)壓方案，將14.8V直流電壓依次通過(guò)7812、7809、7805得到+12V和+5V電壓，會(huì)存在嚴(yán)重的能源損耗問(wèn)題。這是由于78XX系列穩(wěn)壓塊均采用線性調(diào)壓原理，即輸入高電壓和輸出穩(wěn)壓值之間的壓差全部以發(fā)熱的形式消耗。因此，這種供電方案不適合用于對(duì)能源利用效率要求相對(duì)苛刻的移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)。為了消除線性穩(wěn)壓的弊端，有效提高能源利用效率，本課題采用單片開(kāi)關(guān)式lA穩(wěn)壓電路LM2575-12和LM2575-5作為系統(tǒng)電源的核心。LM2575系列開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓集成電路由美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)，它內(nèi)部集成了一個(gè)固定的振蕩器，只須極少外圍器件便可構(gòu)成一種高效的穩(wěn)壓電路，可大大減小散熱片的體積，而且在大多數(shù)情況下不需散熱片；內(nèi)部有完善的保護(hù)電路，包括電流限制及熱關(guān)斷電路等；芯片可提供外部控制引腳。LM2575系列開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓集成電路最大輸出電流1A：最大輸入電壓為45V；內(nèi)置振蕩頻率54kHz；最大穩(wěn)壓誤差4％；轉(zhuǎn)換效率可達(dá)75％～88％(不同的電壓輸出的效率不同)。在使用LM2575設(shè)計(jì)電路時(shí)，著重考慮了以下幾點(diǎn)：(1)電感的選擇。根掘輸出的電壓檔次、最大輸入電壓Vin(MAX)、最大負(fù)載電流Iload(MAX)等參數(shù)選擇電感時(shí)可參照產(chǎn)品手冊(cè)上相應(yīng)的電感曲線圖來(lái)查找所需采用的電感值。(2)輸入輸出電容的選擇。輸入電容應(yīng)大于47uF，并要求盡量靠近電路：而輸出電容推薦使用的電容量為100uF～470uF，其耐壓值應(yīng)大于額定輸出的1.5～2倍。例如，對(duì)于5V電壓輸出，推薦使用耐壓值為16V的電容。(3)二極管的選擇。二極管的額定電流值應(yīng)大于最大負(fù)載電流的1.2倍，但考慮到負(fù)載短路的情況，二極管的額定電流值應(yīng)大于LM2575的最大電流限制；另外二極管的反向電壓應(yīng)大于最大輸入電壓的1.25倍。(4)控制電路中，紅外一體化接收頭必須有良好的電源濾波，以減少電源紋波對(duì)傳感器內(nèi)部電路的干擾?！舶恕钞惒酱型ㄐ拍K本課題討論的移動(dòng)機(jī)器人，具備離線預(yù)定義運(yùn)動(dòng)路徑的功能。可通過(guò)上位機(jī)應(yīng)用程序?qū)C(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路徑進(jìn)行預(yù)編程，然后將運(yùn)動(dòng)路徑由異步串口下載至機(jī)器人內(nèi)部存儲(chǔ)器。之后，將機(jī)器人切換到預(yù)定義運(yùn)動(dòng)模式，機(jī)器人即可按照事先編程的路徑運(yùn)動(dòng)。此功能對(duì)實(shí)現(xiàn)特定環(huán)境中的嚴(yán)格運(yùn)動(dòng)控制有較大的意義[35]。由于運(yùn)動(dòng)路徑下載過(guò)程中，移動(dòng)機(jī)器人與上位機(jī)位置相對(duì)較近，故本設(shè)計(jì)選用RS-232異步串行口實(shí)現(xiàn)全雙工通信。兩者之間使用三芯屏蔽電纜作為傳輸介質(zhì)。RS-232是為早期公共網(wǎng)數(shù)掘通信制定的標(biāo)準(zhǔn)，以+5V～+15V表示低電平O、-5V～-15V表示高電平1，與現(xiàn)有微控制器邏輯電平不一致，二者之間必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。此處選用MAXIM公司生產(chǎn)的MAX232芯片實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。MAX232芯片具有兩個(gè)接收發(fā)送通道，功耗低、集成度高、+5V電壓供電，僅需外接少量阻容元件，就能實(shí)現(xiàn)微控制器標(biāo)準(zhǔn)電平與RS-232電平的轉(zhuǎn)換。其中，上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)通過(guò)串口2針XRXD進(jìn)入MAX232芯片8腳，轉(zhuǎn)換后由9腳輸出至ATMEGAl6的PDO，即下位機(jī)RXD。下位機(jī)ATMEGAl6發(fā)送的數(shù)據(jù)，通過(guò)PDl即下位機(jī)TXD進(jìn)入MAX232芯片10腳，轉(zhuǎn)換后由7腳輸出到串口3針XTXD，發(fā)送至上位機(jī)。兩者之間通信采用基于幀的傳輸協(xié)議，即串口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)以幀的格式發(fā)送接收。上位機(jī)是主控者，下位機(jī)微控制器是處于從動(dòng)方式。串行通信的數(shù)據(jù)格式采用(4800,N,8,1)，即4800波特率，無(wú)奇偶校驗(yàn)，8位數(shù)掘位，l位停止位。數(shù)據(jù)內(nèi)容選用定長(zhǎng)幀結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)。上位機(jī)發(fā)送的幀包括起始幀和數(shù)據(jù)幀。兩者的幀長(zhǎng)度都為4個(gè)字節(jié)。具體結(jié)構(gòu)如表3.1所示。表3.1異步通信幀的組成起始標(biāo)志位運(yùn)動(dòng)步驟數(shù)OxffOxffOxff0~255左輪轉(zhuǎn)速右輪轉(zhuǎn)速運(yùn)動(dòng)時(shí)間0~2500~2500~2550~255其中，起始幀的前3個(gè)字節(jié)做為起始標(biāo)志，填充Oxff：第4個(gè)字節(jié)指明預(yù)編程運(yùn)動(dòng)路徑中總共包括的步驟數(shù)。數(shù)掘幀的第1、2個(gè)字節(jié)分別為移動(dòng)機(jī)器人左右輪的轉(zhuǎn)速的相對(duì)值，取值范圍0～250，以區(qū)別于起始標(biāo)志位的255；第3、4個(gè)字節(jié)為機(jī)器人保持此種運(yùn)動(dòng)狀念的持續(xù)時(shí)間，單位為lOms，取值范圍0～655s。微控制器將每個(gè)幀數(shù)據(jù)接收并保存于外部存儲(chǔ)器，當(dāng)收到按照預(yù)編程路徑運(yùn)動(dòng)的指令時(shí)，移動(dòng)機(jī)器人只需依次讀取每個(gè)幀的數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換為后一個(gè)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)就可以實(shí)現(xiàn)全部的運(yùn)動(dòng)要求。微控制器局部采用中斷方式接收上位機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，以保證通信的實(shí)時(shí)性。其中，串行通信的中斷效勞程序的流程如圖3.4所示：圖3.4異步通信程序流程圖〔九〕I2C同步串行通信模塊12C(Inter--IntegratedCircuit)總線是一種由PHILIPS公司開(kāi)發(fā)的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備[38,39]。I℃總線最初為音頻和視頻設(shè)備開(kāi)發(fā)，如今主要在效勞器管理中使用，其中包括單個(gè)組件狀態(tài)的通信。例如管理員可對(duì)各個(gè)組件進(jìn)行查詢，以管理系統(tǒng)的配置或掌握組件的功能狀態(tài)?？呻S時(shí)監(jiān)控內(nèi)存、硬盤，網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)溫度等多個(gè)參數(shù)，增加了系統(tǒng)的平安性，方便了管理[36,37]。隨著I2C總線在嵌入式開(kāi)發(fā)中應(yīng)用的普及，很多微控制器件片內(nèi)集成了硬件I2C單元，即通過(guò)硬件產(chǎn)生通信所需的時(shí)序，開(kāi)發(fā)者只需設(shè)定各種根本操作的步驟即可，大大提高了開(kāi)發(fā)效率和微控制器帶寬的利用率。本設(shè)計(jì)所采用的ATMEGAl6內(nèi)部集成有硬件I2C單元。1.I2C總線工作原理I2C總線是由數(shù)掘線SDA和時(shí)鐘SCL構(gòu)成的串行總線，可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。在CPU與被控IC之間、IC與IC之間進(jìn)行雙向傳送，最高傳送速率lOOkbps。各種被控制電路均并聯(lián)在這條總線上，但就像機(jī)一樣只有撥通各自的號(hào)碼才能工作，所以每個(gè)電路和模塊都有唯一的地址。在信息的傳輸過(guò)程中，I2C總線上并接的每一模塊電路既是主控器(或被控器)，又是發(fā)送器(或接收器)，這取決于它所要完成的功能。CPU發(fā)出的控制信號(hào)分為地址碼和控制量?jī)删植?，地址碼用來(lái)選址，即接通需要控制的電路，確定控制的種類；控制量決定該調(diào)整的類別(如比照度、亮度等)及需要調(diào)整的量。這樣，各控制電路雖然掛在同一條總線上，卻彼此獨(dú)立，互不相關(guān)。2.總線根本操作I2C規(guī)程運(yùn)用主/從雙向通訊。器件發(fā)送數(shù)據(jù)到總線上，那么定義為發(fā)送器，器件接收數(shù)據(jù)那么定義為接收器。主器件和從器件都可以工作于接收和發(fā)送狀態(tài)。總線必須由主器件(通常為微控制器)控制，主器件產(chǎn)生串行時(shí)鐘(SCL)控制總線的傳輸方向，并產(chǎn)生起始和停止條件。SDA線上的數(shù)據(jù)狀態(tài)僅在SCL為低電平的期問(wèn)才能改變。I2C總線在傳送數(shù)據(jù)過(guò)程中共有三種類型信號(hào)，它們分別是：開(kāi)始信號(hào)、結(jié)束信號(hào)和應(yīng)答信號(hào)。開(kāi)始信號(hào)：SCL為高電平時(shí)，SDA由高電平向低電平跳變，開(kāi)始傳送數(shù)據(jù)。結(jié)束信號(hào)：SCL為低電平時(shí)，SDA由低電平向高電平跳變，結(jié)束傳送數(shù)據(jù)。應(yīng)答信號(hào)：接收數(shù)據(jù)的IC在接收到8bit數(shù)據(jù)后，向發(fā)送數(shù)據(jù)的IC發(fā)出特定的低電平脈沖，表示已收到數(shù)掘。CPU向受控單元發(fā)出一個(gè)信號(hào)后，等待受控單元發(fā)出一個(gè)應(yīng)答信號(hào)，CPU接收到應(yīng)答信號(hào)后，根據(jù)實(shí)際情況做出是否繼續(xù)傳遞信號(hào)的判斷。其中，I2C總線的開(kāi)始信號(hào)和結(jié)束信號(hào)的時(shí)序如圖3.5所示。圖3.5I2C總線起止信號(hào)時(shí)序圖在起始條件之后，必須是器件的控制字節(jié)，其中高四位為器件類型識(shí)別符，不同的芯片類型有不同的定義；接著三位為片選，最后一位為讀寫(xiě)位，當(dāng)為1時(shí)為讀操作，為0時(shí)為寫(xiě)操作。如表3.2所示。器件類型器件地址讀寫(xiě)標(biāo)志位1010A2A1A0R/W表3.2I2C總線控制字節(jié)結(jié)構(gòu)發(fā)送到SDA線上的每個(gè)字節(jié)必須為8位。每次傳輸可以發(fā)送的字節(jié)數(shù)量不受限制，每個(gè)字節(jié)后必須跟一個(gè)響應(yīng)位，首先傳輸?shù)氖菙?shù)掘的最高位MSB。如果從機(jī)要完成一些其他功能后(例如一個(gè)內(nèi)部中斷效勞程序)就能接收或發(fā)送下一個(gè)完整的數(shù)據(jù)字節(jié)，那么可以通過(guò)將時(shí)鐘線SCL拉低，迫使主機(jī)進(jìn)入等待狀態(tài)。當(dāng)從機(jī)準(zhǔn)備好接收下一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)并釋放時(shí)鐘線SCL后，數(shù)掘傳輸繼續(xù)。3.E2PROM存儲(chǔ)器接口設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中，移動(dòng)機(jī)器人具備按照預(yù)編程路徑運(yùn)動(dòng)的功能。每一運(yùn)動(dòng)步驟需要的信息包括左右輪轉(zhuǎn)速及該步驟的執(zhí)行時(shí)間。其中，左右輪轉(zhuǎn)速各占1個(gè)字節(jié)，執(zhí)行時(shí)間占2個(gè)字節(jié)，故每存儲(chǔ)一個(gè)運(yùn)動(dòng)步驟需4個(gè)字節(jié)的存儲(chǔ)器空間。對(duì)于運(yùn)動(dòng)步驟信息的保存，設(shè)計(jì)時(shí)必須滿足以下幾個(gè)方面：(1)支持在應(yīng)用(IAP)下載功能。即，每次下載新的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)時(shí)，無(wú)需更改機(jī)器人控制器源程序，這使移動(dòng)機(jī)器人產(chǎn)品化后，用戶操作的簡(jiǎn)潔性和產(chǎn)品內(nèi)核的保密性得到了保證。(2)存儲(chǔ)器必須為非揮發(fā)性。即，數(shù)據(jù)掉電不喪失。路徑存儲(chǔ)一次，之后，移動(dòng)機(jī)器人每接收到此工作模式指令，都可以按照該路徑運(yùn)動(dòng)，不需重復(fù)編程。(3)存儲(chǔ)器需要支持按字節(jié)讀寫(xiě)，并且讀寫(xiě)次數(shù)足夠大>100000次。(4)存儲(chǔ)器接口電壓和工作電壓應(yīng)與微控制器電路匹配，接口簡(jiǎn)單。對(duì)照以上要求，ATMEGAl6微控制器片內(nèi)自帶有8k字節(jié)FLASH程序存儲(chǔ)器，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)非代碼段的在應(yīng)用編程，故不能采用；外擴(kuò)FLASH存儲(chǔ)器具有掉電數(shù)據(jù)保存10年，單字節(jié)本錢很低等優(yōu)勢(shì)，但由于FLASH存儲(chǔ)器不支持按字節(jié)讀寫(xiě)，并且讀寫(xiě)次數(shù)<10000次，工作電壓<3.3V，故也不符合設(shè)計(jì)要求。最終，本設(shè)計(jì)中采用CATALYST公司的CAT24WCl6作為外擴(kuò)預(yù)編程路徑存儲(chǔ)器，CAT24WCl6完全符合上述設(shè)計(jì)要求。CAT24WCl6是一個(gè)16K位串行CMOSEZPROM，內(nèi)部含有2048個(gè)8位字節(jié)。CATALYST公司的先進(jìn)CMOS技術(shù)實(shí)質(zhì)上減少了器件的功耗。CAT24WCl6有一個(gè)16字節(jié)的頁(yè)寫(xiě)緩沖器。該器件通過(guò)I℃總線接口進(jìn)行操作，并且芯片內(nèi)部有專門的寫(xiě)保護(hù)功能。圖3.624WCl6E2PROM引腳示意圖CAT24WCl6有DIP、SOIC或TSSOP等多種封裝形式，本設(shè)計(jì)采用DIP-8封裝。其中，AO～A2是器件地址選擇端，通過(guò)將相應(yīng)引腳接高或低以實(shí)現(xiàn)不同存儲(chǔ)器的地址，從而實(shí)現(xiàn)在總線上掛接多個(gè)存儲(chǔ)器；SDA是串行數(shù)據(jù)端，SCL是串行時(shí)鐘端；WP是寫(xiě)保護(hù)使能端，當(dāng)WP引腳接高電平時(shí)，存儲(chǔ)器被寫(xiě)保護(hù)，內(nèi)部數(shù)據(jù)只能讀出，無(wú)法修改，當(dāng)WP引腳接地或懸空時(shí)，那么允許器件進(jìn)行正常的讀、寫(xiě)操作；Vcc、Vss分別為電源正和地。電路連接中，微控制器的SCL(PCO)引腳和SDA(PCI)引腳分別與CAT24WCl6的相應(yīng)6、5腳連接即可。在字節(jié)寫(xiě)模式下，主器件發(fā)送起始命令和從器件地址信息R/W給從器件。在從器件產(chǎn)生應(yīng)答信號(hào)后，主器件發(fā)送CAT24WCl6的字節(jié)地址。主器件在收到從器件的另一個(gè)應(yīng)答信號(hào)后，再發(fā)送數(shù)掘到被尋址的存儲(chǔ)單元。CAT24WCl6再次應(yīng)答并在主器件產(chǎn)生停止信號(hào)后，開(kāi)始內(nèi)部數(shù)掘的擦寫(xiě)。在內(nèi)部擦寫(xiě)過(guò)程中CAT24WCl6不再應(yīng)答主器件的任何請(qǐng)求。在頁(yè)寫(xiě)模式下，CAT24WCl6一次可以寫(xiě)入16個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。頁(yè)寫(xiě)操作的啟動(dòng)和字節(jié)寫(xiě)一樣。不同在于，傳送了1字節(jié)數(shù)掘后并不產(chǎn)生停止信號(hào)，主器件被允許發(fā)送15個(gè)額外的字節(jié)。每發(fā)送一個(gè)字節(jié)數(shù)掘后，CAT24WCl6產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)答位，并將字節(jié)地址低位加1、高位保持不變。如果在發(fā)送停止信號(hào)之前主器件發(fā)送超過(guò)15個(gè)字節(jié)，地址計(jì)數(shù)器將自動(dòng)翻轉(zhuǎn)，先前寫(xiě)入的數(shù)掘被覆蓋。接收到16字節(jié)數(shù)據(jù)和主器件發(fā)送的停止信號(hào)后，CAT24WCl6啟動(dòng)內(nèi)部寫(xiě)周期，將數(shù)據(jù)寫(xiě)到數(shù)據(jù)區(qū)。所有接收的數(shù)據(jù)在一個(gè)寫(xiě)周期內(nèi)寫(xiě)入CAT24WCl6。選擇性讀操作，允許主器件對(duì)存放器的任意字節(jié)進(jìn)行讀操作。主器件首先通過(guò)發(fā)送起始信號(hào)、從器件地址和它想讀取的字節(jié)數(shù)據(jù)的地址，執(zhí)行一個(gè)偽寫(xiě)操作。在CAT24WCl6應(yīng)答之后，主器件重新發(fā)送起始信號(hào)和從器件地址。此時(shí)R/W位置l。CAT24wcl6響應(yīng)并發(fā)送應(yīng)答信號(hào)，然后輸出所要求的一個(gè)8位字節(jié)數(shù)掘。主器件不發(fā)送應(yīng)答信號(hào)但產(chǎn)生一個(gè)停止信號(hào)。連續(xù)讀操作可通過(guò)選擇性讀操作啟動(dòng)。在CAT24WCl6發(fā)送完一個(gè)8位字節(jié)數(shù)掘后，主器件產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)答信號(hào)來(lái)響應(yīng)告知cAT24wCl6主器件要求更多的數(shù)據(jù)。對(duì)應(yīng)每個(gè)主機(jī)產(chǎn)生的應(yīng)答信號(hào)，CAT24WCl6將發(fā)送一個(gè)8位數(shù)據(jù)字節(jié)。當(dāng)主器件不發(fā)送應(yīng)答信號(hào)而發(fā)送停止位時(shí)結(jié)束此操作[39]?！彩诚到y(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)質(zhì)量的上下主要表現(xiàn)在技術(shù)性能、可靠性、適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性四個(gè)方面，其中技術(shù)性和可靠性是最重要的方面。但在系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)工作中，往往特別強(qiáng)調(diào)其技術(shù)性能指標(biāo)而無(wú)視了它的可靠性。而由于可靠性設(shè)計(jì)的不周密，在偶然因素或意外事件的作用下，系統(tǒng)便不能證常工作，從而可能造成災(zāi)難性的后果[40-43]。系統(tǒng)的可靠性保證有賴于完善的可靠性設(shè)計(jì)、嚴(yán)格的部件制作、標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備安裝調(diào)試、正確的操作使用和經(jīng)常性的維護(hù)。1.影晌系統(tǒng)可靠性的因素要提高控制系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，必需依靠一系列可靠性技術(shù)束保證。引起系統(tǒng)故障的原因一般有兩大方面，一是系統(tǒng)運(yùn)行的外界環(huán)境條件通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)部反映出來(lái)的故障，二是系統(tǒng)內(nèi)部自身產(chǎn)生的故障。由環(huán)境條件引起故障的主要因素有：工作電源的異常、環(huán)境溫度的異常、電磁干擾、機(jī)械的沖擊和振動(dòng)等等。由系統(tǒng)內(nèi)部引起故障的因素有：元器件的失效、焊接點(diǎn)的虛焊脫焊、接插件的導(dǎo)電接觸面的氧化或腐蝕、線路連接線的丌路或短路等等。因此結(jié)合引發(fā)系統(tǒng)故障的原因，一般在硬件電路設(shè)計(jì)和軟件程序設(shè)計(jì)中采取相應(yīng)措施提高系統(tǒng)的可靠性。2.采取的措施本運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)充分考慮了可靠性這一指標(biāo)，主要表達(dá)在以下幾個(gè)方面[40-43]：(1)屏蔽技術(shù)本系統(tǒng)中，直流電機(jī)、驅(qū)動(dòng)部件的PWM輸出甚至是微控制器使用的振蕩器，都是電磁干擾的噪聲源。當(dāng)距離較近時(shí)，電磁波會(huì)通過(guò)分布電容和電感藕合到信號(hào)回路而形成電磁干擾；當(dāng)距離較遠(yuǎn)時(shí)，電磁波那么以輻射形式構(gòu)成干擾。針對(duì)上述情況，主要通過(guò)選用高導(dǎo)磁材料做成屏蔽體，使電磁波經(jīng)屏蔽體壁的低磁阻磁路快速衰減，以降低干擾。(2)地線的處理理解產(chǎn)生地線噪聲的機(jī)制對(duì)于減小地線干擾至關(guān)重要，所有地線都有阻抗，和所有電路一樣，電流必須流回其源點(diǎn)，電流通過(guò)地線上的有效阻抗將產(chǎn)生一個(gè)電壓降，這些電壓降就是地線干擾的原因。正確接地是控制系統(tǒng)抑制干擾所必須注意的重要問(wèn)題，在設(shè)計(jì)中假設(shè)能把接地和屏蔽正確的結(jié)合，可很好地消除外界干擾的影響。接地設(shè)計(jì)的根本目的是消除各電路電流流經(jīng)公共地線時(shí)所產(chǎn)生的噪聲電壓，以及免受電磁場(chǎng)和地位差的影響，即使其不能形成地環(huán)路。(3)抑制自感電動(dòng)勢(shì)干擾在本系統(tǒng)中，使用了電動(dòng)機(jī)這種具有較大電感量的器件。當(dāng)電感回路的電流被切斷時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的反電勢(shì)而形成噪聲干擾。這種噪聲不但能產(chǎn)生電磁場(chǎng)干擾其它回路，甚至還有可能擊穿電路中的晶體管之類的器件。對(duì)此在線圈兩端并聯(lián)了二極管束抑制反向自感電勢(shì)的干擾。(4)看門狗技術(shù)[44]微控制器受到干擾而失控，引起程序亂飛，也可能使程序陷入“死循環(huán)〞，導(dǎo)致無(wú)法執(zhí)行正常的程序流程。要使程序擺脫“死循環(huán)〞的困境，通常采用程序監(jiān)視技術(shù)，又稱“看門狗(WatchDog)〞技術(shù)。看門狗實(shí)際上是一個(gè)特殊的定時(shí)器DogTimer，DogTimer按固定速率計(jì)時(shí)，計(jì)滿預(yù)定時(shí)間就發(fā)出溢出脈沖，使微控制器復(fù)位。如果每次在DogTimer溢出前強(qiáng)行使DogTimer清零，就不會(huì)發(fā)出溢出脈沖。清零脈沖由微控制器發(fā)出，在程序中每隔一段語(yǔ)句放一個(gè)清DogTimer的喂狗語(yǔ)句，以保證程序正常運(yùn)行時(shí)DogTimer不會(huì)溢出，一旦程序進(jìn)入一個(gè)不含喂狗語(yǔ)句的死循環(huán)，DogTimer將溢出，導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)位，跳出這個(gè)死循環(huán)，由初始化局部丌始重新執(zhí)行。本設(shè)計(jì)使用ATMEGAl6內(nèi)置的看門狗功能，DogTimer溢出時(shí)間設(shè)定為1.0s。程序在主循環(huán)中每執(zhí)行一個(gè)或幾個(gè)子程序喂一次看門狗，兩次喂狗的時(shí)間不能超過(guò)1.0s。四、總結(jié)本論文首先對(duì)國(guó)內(nèi)外移動(dòng)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，分析了移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究背景和意義。在此根底上，設(shè)計(jì)了移動(dòng)機(jī)器人的控制系統(tǒng)，并提出了基于模糊控制策略的運(yùn)動(dòng)控制方案。在本論文完成過(guò)程中涉及的工作主要包括以下方面：設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)、近距離下均具有很高靈敏度的避障模塊。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。驅(qū)動(dòng)輪的速度通過(guò)同軸安裝的增量式光電編碼器實(shí)時(shí)獲得，作為速度閉環(huán)控制的依據(jù)。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了預(yù)編程路徑存儲(chǔ)模塊。參考文獻(xiàn)[1]李磊，葉濤等．移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)研究現(xiàn)狀與未來(lái)．機(jī)器人．2002年9月：475-480[2]章小兵．宋愛(ài)國(guó)．地面移動(dòng)機(jī)器人研究現(xiàn)狀及開(kāi)展趨勢(shì)．機(jī)器人技術(shù)與府刪，2005年2劃：19-23[3]張明路，丁承君等．移動(dòng)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀與趨勢(shì)．，河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004年4月：110-114[4]徐國(guó)華．譚民．移動(dòng)機(jī)器人的開(kāi)展現(xiàn)狀及其趨勢(shì)．機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2001年第3期：7-14[5]蔡自興．機(jī)器人學(xué)．清華大學(xué)出版社，2000[6]TFong,INourbakhsh.AsurveyofsociallyinteractiverobotsRoboticsandAutonomousSystems，v0l.42。2003，PP.143-166[7]馬光．仿生機(jī)器人的研究進(jìn)展．機(jī)器人，2001年9月：463--465[8]何消華，繭素平．智能輪椅的研究現(xiàn)狀和開(kāi)展趨勢(shì)．機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2003年第2期：12-16[9]譚定忠，千啟明答．清沾機(jī)器人研究開(kāi)展現(xiàn)狀．機(jī)械1：稃師，2004年6月：9-10[10]柳長(zhǎng)安，李國(guó)棟等．籌動(dòng)驅(qū)動(dòng)式移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃．哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003年9月：1095-1097[11]徐俊飽，張培仁：．非完整輪式移動(dòng)機(jī)器人軌跡跟蹤控制研究中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004年6月：336-380[12]金秀慧，伊近云等．基丁通用運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的移動(dòng)機(jī)器人避障路徑規(guī)劃．機(jī)械工程師，2005年第12期：34-35[13]朱向彬，曹作良，移動(dòng)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)建模及返動(dòng)控制仿真．天津理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2005年1期：54-57[14]黃永忠，陳甲爾．兩輪移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)．機(jī)器人，2004年1期：40-43[15]韓人鵬，韋慶．機(jī)器人控制器的一種模塊化設(shè)計(jì)方法，微計(jì)算機(jī)信息，2005年第5期：3-4[16]MasahiroFujita，HiroakiKitano．Areconfigurablerobotplatform．RoboticsandAutonomousSystems29(1999)：119-132[17]ElieMaalouf，MaaroufSaad.Ahigherlevelpathtrackingcontrollerforafour—wheeldifferentiallysteeredmobilerobot．RoboticsandAutonomousS