基于簡單路徑規(guī)劃的避障輪式移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)

1、基于簡單路徑規(guī)劃的避障輪式移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)1. 系統(tǒng)概述本設(shè)計(jì)的目的是設(shè)計(jì)一種基于簡單路徑規(guī)劃的避障輪式移動(dòng)機(jī)器人，完成在簡單環(huán)境下的避障跟蹤任務(wù)。通過超聲測距系統(tǒng)，測量小車與障礙物之間的距離。小車由兩個(gè)直流電機(jī)分別對(duì)兩輪進(jìn)行驅(qū)動(dòng)；同時(shí)，通過電子羅盤系統(tǒng)，通過主控單片機(jī)的控制，進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整；通過光電測速系統(tǒng)測量小車行進(jìn)速度，并反饋給主控單片機(jī)，從而實(shí)時(shí)改變小車速度。2. 設(shè)計(jì)方案本設(shè)計(jì)的移動(dòng)機(jī)器人按照其功能可分為四個(gè)子系統(tǒng)（圖1）：直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)、電子羅盤子系統(tǒng)、光電測速子系統(tǒng)和超聲測距子系統(tǒng)。其中，直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)采用集成電路驅(qū)動(dòng)器L293D控制機(jī)器人左右兩個(gè)

2、直流電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)可以正轉(zhuǎn)也可以反轉(zhuǎn)，L293D的使能信號(hào)和方向控制信號(hào)由型號(hào)為AT89C52的51系列單片機(jī)的并行I/O口使能或驅(qū)動(dòng)。電機(jī)的調(diào)速采用脈寬調(diào)制( PWM )方式進(jìn)行，PWM信號(hào)時(shí)序由單片機(jī)定時(shí)器（可用T0、T1和T2）產(chǎn)生。電子羅盤子系統(tǒng)選用電子羅盤、電子指南針相關(guān)檢測地磁的數(shù)字羅盤芯片，提取地磁偏轉(zhuǎn)信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換或其它變換轉(zhuǎn)換為二軸地磁偏角數(shù)字量采用串行傳輸方式傳送給主控單片機(jī)。光電測速子系統(tǒng)選用紅外對(duì)管并配合安裝于車輪上的光電碼盤檢測車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角位移，并與單片機(jī)定時(shí)器配合計(jì)算出機(jī)器人小車移動(dòng)的線速度和加速度，并將其傳送給主控單片機(jī)。超聲測距子系統(tǒng)選用超聲換能裝置，并采用

3、帶鎖相環(huán)的音頻譯碼集成芯片LM567，將小車距離障礙物的距離檢測出來，并將其傳送給主控單片機(jī)。避障輪式移動(dòng)機(jī)器人超聲測距子系統(tǒng)光電測速子系統(tǒng)電子羅盤子系統(tǒng)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)圖1. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由于移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，軟硬件任務(wù)結(jié)合緊密，必須綜合考慮軟硬件資源，合理分配整個(gè)設(shè)計(jì)過程。下圖2說明了整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作流程。圖2. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作流程這里，我選取直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)作為詳細(xì)設(shè)計(jì)部分。3. 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)3.1 硬件選擇3.1.1 AT89C52單片機(jī)是整個(gè)小車系統(tǒng)的核心，控制所有模塊，本系統(tǒng)采用型號(hào)為AT89C52（圖3）的51系列單片機(jī)。AT89C52是美國ATMEL公

4、司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8k bytes 的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和256 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，與標(biāo)準(zhǔn)MCS-51 指令系統(tǒng)及8052產(chǎn)品引腳兼容，片內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU）和Flash 存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大AT89C52 單片機(jī)適合于許多較為復(fù)雜控制應(yīng)用場合。其主要性能參數(shù)：·與MCS-51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容；·8k字節(jié)可重擦寫Flash閃速存儲(chǔ)器；·1000次擦寫周期；·全靜態(tài)操作：0Hz-24MHz；·三級(jí)加密

5、程序存儲(chǔ)器；·256×8字節(jié)內(nèi)部RAM；·32個(gè)可編程I/O口線；·3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器；·8個(gè)中斷源；·可編程串行UART通道；·低功耗空閑和掉電模式.AT89C52提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash 閃速存儲(chǔ)器，256字節(jié)內(nèi)部RAM，32 個(gè)I/O 口線，3 個(gè)16 位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6 向量兩級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，AT89C52 可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式。空閑方式停止CPU 的工作，但允許RAM，定時(shí)/計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作

6、。掉電方式保存RAM 中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。圖3 AT89C52引腳排列圖3.1.2 L293D本設(shè)計(jì)采用的是雙輪差速控制方式，每個(gè)車輪分別由一個(gè)直流電機(jī)單獨(dú)控制，移動(dòng)機(jī)器人的速度和轉(zhuǎn)向的控制主要是通過對(duì)這兩個(gè)電機(jī)的控制來實(shí)現(xiàn)的。我們采用集成電路驅(qū)動(dòng)器L293D控制機(jī)器人左右兩個(gè)直流電動(dòng)機(jī)。L293D是美國德州儀器生產(chǎn)的一款電機(jī)控制器件,該器件具有4個(gè)大電流半H驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)可以在4.5 V36 V電壓的下提供高達(dá)600 mA的電流。該器件主要用于驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載,如繼電器、螺線管、直流或者雙極性步進(jìn)電機(jī)等。L293D具有如下特性：·每個(gè)

7、電機(jī)可提供高達(dá)600 mA的驅(qū)動(dòng)電流；·每個(gè)驅(qū)動(dòng)提供高達(dá)1.2 A的脈沖電流；·寬電壓范圍4.5 V36 V；·隔離的邏輯電平電源；·熱耗少；·內(nèi)部ESD保護(hù)；·抗噪性能好.L293D的引腳排列如圖4所示圖4. L293D引腳排列圖引腳2、7、10、15為控制信號(hào)輸入端，用于控制電機(jī)的工作狀態(tài)。而引腳3、6、11、14為電機(jī)控制輸出端，用于直接控制電機(jī)的動(dòng)作。該器件的所有輸入與TTL兼容，其輸出采用達(dá)林頓晶體管接收器和偽達(dá)林頓源構(gòu)成的“圖騰柱”驅(qū)動(dòng)電路。電機(jī)驅(qū)動(dòng)使能由引腳1控制電機(jī)1，引腳9控制電機(jī)2。當(dāng)EN引腳置為高電平，與之相對(duì)應(yīng)

8、的電機(jī)就處于使能狀態(tài)，從而激活電機(jī)控制輸出。與VS 端口隔離的VSS 端口可提供邏輯輸入，以減小電源功耗。L293D可以工作在070的范圍內(nèi)。3.2 硬件設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì)電路如圖5所示。圖5. 電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)電路采用2個(gè)橋式電路的芯片L293D直接控制2個(gè)電機(jī)。L293D是驅(qū)動(dòng)二相和四相步進(jìn)電機(jī)的專用芯片，即內(nèi)含2個(gè)H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)，可驅(qū)動(dòng)36V、2A以下的電機(jī)。L293D可驅(qū)動(dòng)2個(gè)電機(jī)，3、6和11、14腳之間分別接2個(gè)電動(dòng)機(jī)。2、7、10、15腳接輸入控制電平，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，ENA、ENB接控制使能端，控制電機(jī)停轉(zhuǎn)。單片機(jī)輸出2組PWM波，每1組P

9、WM波用來控制1個(gè)電機(jī)的速度。另外2個(gè)I/O口可以控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)?？刂品椒ㄅc控制電路都比較簡單。即2、7腳控制第1個(gè)電機(jī)的方向，輸入的ENA控制第1個(gè)電機(jī)的速度；10、15腳控制第2個(gè)電機(jī)的方向，輸入的ENB控制第2個(gè)電機(jī)的速度。單片機(jī)P1口對(duì)L293D的控制如下表所示：表1. P1口對(duì)L293D控制信號(hào)P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5電機(jī)運(yùn)動(dòng)*00停止010111前進(jìn)101011后退100111左轉(zhuǎn)011011右轉(zhuǎn)脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation-PWM)控制，通常配合橋式驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速，非常簡單，且調(diào)速范圍大。它的原理就是脈沖寬度調(diào)制將

10、輸出信號(hào)的基本周期固定，通過調(diào)整基本周期內(nèi)高電平工作周期的大小來控制輸出功率。電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電機(jī)兩端電壓成正比例，而電機(jī)兩端的電壓與控制波形的占空比成正比，因此電機(jī)的速度與占空比成正比，占空比越大，電機(jī)轉(zhuǎn)得越快，當(dāng)占空比達(dá)到1時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速最大。在實(shí)際制作過程中采用軟件模擬PWM輸出調(diào)制的方法，控制信號(hào)的頻率不需太高，一般在1.5 kHz以下為宜。本設(shè)計(jì)最終采用的信號(hào)頻率為1 kHz，在小車正常直線行進(jìn)過程中，使能端直接接高電平，電機(jī)全速轉(zhuǎn)動(dòng)。在轉(zhuǎn)彎時(shí)才進(jìn)行占空比調(diào)制，占空比的大小決定了小車轉(zhuǎn)向的快慢，占空比太小時(shí)，電機(jī)幾乎不轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)向最快，但有可能使小車搖擺不定；占空比太大時(shí)，2電機(jī)轉(zhuǎn)速差很小，小

11、車將轉(zhuǎn)向很慢。3.3 軟件設(shè)計(jì)主控單片機(jī)AT89C52主要用于接收控制信號(hào)并執(zhí)行相應(yīng)操作。主要包括小車的停止、前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等。下圖5給出了移動(dòng)機(jī)器人主控軟件設(shè)計(jì)流程。系統(tǒng)初始化掃描控制信號(hào)判斷控制信號(hào)類型前進(jìn)停止右轉(zhuǎn)左轉(zhuǎn)后退 圖5. 主控軟件流程圖以下給出單片機(jī)通過L293D控制電機(jī)的接口程序代碼：.public_F_MotoRun_F_MotoRun:.procpush bp tosp;bp=sp+3;r1=bp+1;r3=0xf3ff;P_IOA_Dir=r3;P_IOA_Attrib=r3;r4=0xffff;P_IOA_Data=r4;run:cmp r1,0;jnz lef

12、t;/IOB3 input1 IOB4 input2 IOB5 input3 IOB6 input4 IOB0 En1IOB1 En2r2=0x002b;/0000 0000 0010 1011r1=P_IOB_Data;r1=r1|r2;r2=0xffaf;/1111 1111 1010 1111r1=r1&r2;P_IOB_Data=r1;jmp finish;left:cmp r1,1;jnz right;r2=0x000b;/0000 0000 0000 1011r1=P_IOB_Data;r1=r1|r2;r2=0xff8f;/1111 1111 1000 1111r1=r1

13、&r2;P_IOB_Data=r1;jmp finish;right:cmp r1,2;jnz stop;r2=0x0023;/0000 0000 0010 0011r1=P_IOB_Data;r1=r1|r2;r2=0xffa7;/1111 1111 1010 0111r1=r1&r2;P_IOB_Data=r1;jmp finish;stop:r1=0x0000;/0000 0000 0000 0000P_TimerA_Ctrl=r1;P_TimerB_Ctrl=r1;r2=0xff87;/1111 1111 1000 0111r1=P_IOB_Data;r1=r1&r2;P_IOB_Data=r1;finish:pop bp fromsp;call_ClearWatchDogretf.endp4. 結(jié)束語經(jīng)過一個(gè)學(xué)期的學(xué)習(xí)，從對(duì)移動(dòng)機(jī)器人一無所知到有所了解，再到對(duì)其整體構(gòu)架和內(nèi)部組成有了一定的了解，這個(gè)過程是艱辛的，也是快樂的。本設(shè)計(jì)中，主要對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中包括軟硬件的設(shè)計(jì)。由于是第一次接觸到這個(gè)領(lǐng)域，其中肯定存在許多的缺點(diǎn)和不足，還望指