基于ATmega128的智能機(jī)器人小車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馮蓉珍

（蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息系，江蘇 蘇州 215009）

0 引言

機(jī)器人小車是一個(gè)集環(huán)境感知、動(dòng)態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多功能于一體的綜合系統(tǒng)。隨著傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、人工智能及其他相關(guān)學(xué)科的迅速發(fā)展，機(jī)器人小車正向著智能化的方向發(fā)展[1]。智能機(jī)器人小車必須具有感知周圍環(huán)境、進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃和決策的能力，特別是在上下坡、彎道等不同的環(huán)境中需要實(shí)現(xiàn)速度控制、避開(kāi)障礙物及沿某軌跡自主行走等功能，因此系統(tǒng)必須具有豐富的傳感器、功能強(qiáng)大的控制器以及靈活精確的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。本文設(shè)計(jì)了一種基于AT-mega128單片機(jī)的智能機(jī)器人小車控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)將實(shí)時(shí)檢測(cè)到小車運(yùn)行速度和設(shè)定速度的差值進(jìn)行含bang-bang成分的PID運(yùn)算，產(chǎn)生PWM信號(hào)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對(duì)車速的快速調(diào)整和精確控制。同時(shí)利用灰度傳感器檢測(cè)地面灰度使得小車沿特定軌跡自主行走，在行走的同時(shí)還利用紅外傳感器檢測(cè)障礙物，實(shí)現(xiàn)避障功能。

1 系統(tǒng)組成和控制原理

1.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)組成。上位機(jī)包括PC、無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)射模塊和無(wú)線圖像接收模塊，下位機(jī)由CMOS攝像頭、測(cè)速模塊、單片機(jī)系統(tǒng)、紅外避障傳感器、地面灰度傳感器、PWM調(diào)速與電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制模塊等部分組成。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。搭載在小車上的CMOS攝像頭獲取道路的實(shí)時(shí)信息并通過(guò)無(wú)線通信發(fā)送給上位機(jī)；上位機(jī)對(duì)傳來(lái)的路況圖像進(jìn)行處理，計(jì)算出小車的最佳運(yùn)行速度并通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送模塊將該速度值發(fā)送給下位單片機(jī)；下位單片機(jī)收到設(shè)定的速度值后，進(jìn)行PID運(yùn)算并產(chǎn)生PWM信號(hào)控制車速快速準(zhǔn)確地達(dá)到設(shè)定值。本文主要探討下位單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 控制原理和流程

PID控制器的參數(shù)整定是本控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，它是指根據(jù)被控過(guò)程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間大小。PID控制器的參數(shù)整定方法主要有理論計(jì)算整定法和工程整定法。一般采用工程整定法，該方法主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。無(wú)論采用哪一種方法，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后的調(diào)整與完善[2]。本系統(tǒng)采用臨界比例法，首先預(yù)設(shè)一個(gè)夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作，然后僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下此時(shí)的比例放大系統(tǒng)和臨界振蕩周期，最后在一定的控制度下根據(jù)“齊格勒-尼克爾斯經(jīng)驗(yàn)法”可計(jì)算得到PID控制器的參數(shù)Kp，Ki，Kd。

本系統(tǒng)對(duì)直流電機(jī)的調(diào)速控制采用引入了含bang-bang成分的PID算法來(lái)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制小車速度，原理如圖2所示。

式中：U（k）是第 k 次輸出量，U（k）-U（k-1）為輸出增量，ek是第k次偏差，ek-1是第k-1次偏差。

圖2 增量式PID速度控制框圖

上位機(jī)把設(shè)定車速rk通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送模塊發(fā)送給ATmega128單片機(jī)。單片機(jī)將測(cè)速模塊輸入的脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)計(jì)算得到實(shí)際車速Vk，Vk和rk之差ek被輸入到PID控制器，通過(guò)PID運(yùn)算后得出一個(gè)增量△U（k），根據(jù)該增量控制單片機(jī)內(nèi)部的PWM直接輸出一個(gè)脈沖寬度隨U（k）變化的PWM信號(hào)，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

為了加快電機(jī)的響應(yīng)速度，算法中還引入bang-bang成分，當(dāng)車速大于/小于設(shè)定值的某一比例時(shí)電機(jī)將以最小或最大速度運(yùn)轉(zhuǎn)，即當(dāng)|rk-Vk|/rk>M（M 一般取 0．3～0．5） 成立時(shí)，算法將跳出 PID 控制模式，直接采用bang-bang的方式控制電機(jī)，這就使得小車的加減速比單純使用PID控制算法更加迅速。

除了運(yùn)行速度，小車運(yùn)行的穩(wěn)定性也很重要。這就要求小車能夠根據(jù)行駛道路的復(fù)雜程度，如彎道、上下坡、直道等來(lái)實(shí)時(shí)給出小車的最佳運(yùn)行速度，使之能穩(wěn)定安全行駛，避免沖出彎道、爬不上坡或下坡速度過(guò)快而沖出道路等情況發(fā)生，這是由上位機(jī)根據(jù)無(wú)線攝像頭發(fā)送的圖像信息通過(guò)圖像處理完成的。

避障模塊中的紅外傳感器由一對(duì)紅外發(fā)射器和接收器組成，發(fā)射器發(fā)射紅外光線如遇障礙物則被反射回來(lái)，接收器接收到被反射的紅外線后輸出一高電平給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)這個(gè)電平通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制模塊控制小車自主躲避障礙物。

尋跡模塊中的三個(gè)灰度傳感器分別檢測(cè)地面灰度，把該灰度值發(fā)送給單片機(jī)自帶的A/D端口，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后得到一個(gè)數(shù)值。單片機(jī)根據(jù)地面灰度值通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制模塊控制小車沿著某種顏色的軌跡行走。

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件以ATmega128單片機(jī)為控制核心，主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、測(cè)速電路、紅外避障電路、紅外尋跡電路、電機(jī)調(diào)速和驅(qū)動(dòng)電路等組成。

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路

單片機(jī)部分是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心。從滿足系統(tǒng)功能方面考慮，本系統(tǒng)選擇Atmel公司生產(chǎn)的ATmega128單片機(jī)，它是AVR系列單片機(jī)中的高檔型，采用RISC結(jié)構(gòu)，具有128K字節(jié)的支持ISP編程的FLASH存貯器和4K字節(jié)的片內(nèi)SRAM，它還具有六個(gè)PWM通道，可實(shí)現(xiàn)任意2～16位、相位和頻率可調(diào)的PWM脈寬調(diào)制輸出，八通道10位A/D轉(zhuǎn)換和兩個(gè)全雙工硬件串口USART[3]，方便和上位機(jī)獨(dú)立通訊。

單片機(jī)最小系統(tǒng)電路包括單片機(jī)復(fù)位、晶振等外圍電路。它負(fù)責(zé)將測(cè)速、避障等電路產(chǎn)生的輸入信號(hào)進(jìn)行處理并通過(guò)自帶的硬PWM輸出控制信號(hào)給驅(qū)動(dòng)放大電路，從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，此方式產(chǎn)生的PWM信號(hào)比用定時(shí)器中斷產(chǎn)生的PWM信號(hào)實(shí)時(shí)性更好，而且不會(huì)占用系統(tǒng)的定時(shí)器資源，這也是本系統(tǒng)采用ATmega128單片機(jī)的原因之一。同時(shí)ATmega128內(nèi)部自帶10位A/D轉(zhuǎn)換器，可以將尋跡傳感器檢測(cè)到的地面灰度電壓值進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，從而對(duì)地面灰度值進(jìn)行量化，實(shí)現(xiàn)小車尋跡功能。

2.2 測(cè)速電路

測(cè)速模塊由黑白碼盤和光電傳感器組成。黑白碼盤貼在驅(qū)動(dòng)輪的輪盤上，光電傳感器位于碼盤同側(cè)，如圖3所示。當(dāng)光電傳感器中發(fā)射的紅外光投射到碼盤的黑白條紋上時(shí)，將被間隔地反射到傳感器接收端，接收端收到與輪子轉(zhuǎn)速成正比的光電脈沖信號(hào)，從而在傳感器的輸出端產(chǎn)生一定頻率的電脈沖信號(hào)，通過(guò)一非門輸入到單片機(jī)的外部中斷口。通過(guò)單片機(jī)對(duì)脈沖計(jì)數(shù)就可算出小車的移動(dòng)距離L，L=∏*D*N/M（D為驅(qū)動(dòng)輪外徑，M為碼盤的黑白條紋數(shù)，N為實(shí)測(cè)的電脈沖正負(fù)跳變次數(shù)），小車的行駛速度Vk=L/T（T為單位時(shí)間間隔）。通過(guò)對(duì)一次時(shí)間間隔內(nèi)接收到的脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，再通過(guò)上式計(jì)算即可得到小車實(shí)際運(yùn)行速度Vk。

圖3 黑白碼盤與光電傳感器

2.3 紅外避障電路

紅外避障電路的基本工作原理為晶振通過(guò)電容與非門產(chǎn)生一38Khz的脈沖信號(hào)，該信號(hào)作為載波控制紅外二極管將信號(hào)發(fā)射出去，遇到障礙物反射回來(lái)的信號(hào)被一體化接收頭接收并輸出高電平，若無(wú)障礙物則無(wú)返回信號(hào)，輸出低電平。單片機(jī)通過(guò)查詢信號(hào)輸入引腳的狀態(tài)來(lái)判斷是否有障礙物并輸出相應(yīng)的控制信號(hào)，控制電機(jī)運(yùn)行方向和速度?？梢栽谛≤嚥煌较蛏习惭b紅外避障傳感器，本系統(tǒng)在小車的左前方和右前方各安裝一對(duì)。

2.4 紅外尋跡電路

本系統(tǒng)配有3路紅外收發(fā)一體灰度傳感器，發(fā)射管向地面發(fā)射紅外光線，接收管根據(jù)接收到的紅外光線的強(qiáng)弱，輸出某個(gè)電壓值，該電壓值輸入到單片機(jī)的A/D口，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后得到一個(gè)0～1 023的數(shù)值，數(shù)值大小反映地面不同灰度，每種顏色都對(duì)應(yīng)于一個(gè)數(shù)值范圍。例如，白色灰度值為 0～20，黑色為 1 000～1 023，單片機(jī)根據(jù)這些數(shù)值能判斷出傳感器所在地面的顏色，從而控制小車沿某種顏色的地面行走。3路傳感器并排放置，間距可根據(jù)顏色線寬度調(diào)整。

2.5 電機(jī)控制及調(diào)速模塊

電機(jī)控制及調(diào)速模塊原理如圖4所示。圖中INPUT1～I(xiàn)NPUT4為輸入控制的TTL電平信號(hào)，此4路信號(hào)經(jīng)功放U7放大后驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)，INPUT1和INPUT2控制小車左邊電機(jī)，INPUT3和INPUT4控制右邊電機(jī)，控制信號(hào)和電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向關(guān)系如表 1所示（表中“1”表示高電平，“0”表示低電平）。對(duì)電機(jī)的調(diào)速通過(guò)PWM實(shí)現(xiàn)，當(dāng)INPUT1～I(xiàn)NPUT4輸入的不是恒定的高低電平而是脈沖寬度可調(diào)的脈沖波形時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度就變?yōu)榭烧{(diào)，脈沖占空比越小則電機(jī)速度越慢，反之速度越快。

圖4 電機(jī)控制及調(diào)速模塊原理圖

表1 控制信號(hào)和電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向關(guān)系表

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件由主程序和定時(shí)器中斷子程序、外部中斷子程序等組成。主程序主要進(jìn)行一些變量的初始化、開(kāi)中斷并等待定時(shí)器中斷和外部中斷的發(fā)生。PWM輸出、PID算法處理等均在T0中斷子程序中完成，其程序流程如圖5所示。外部中斷子程序負(fù)責(zé)對(duì)光電傳感器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。

首先判斷小車是否處于尋跡狀態(tài)，如果是則調(diào)用尋跡子程序：根據(jù)安裝在小車底部的三個(gè)灰度傳感器檢測(cè)到的地面灰度值來(lái)控制小車的運(yùn)行方向。例如，假設(shè)要求小車沿著白線自主行走，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換后的值介于0～20之間時(shí)，說(shuō)明傳感器在白線上。若左側(cè)傳感器在白線上，說(shuō)明小車在白線右側(cè)，應(yīng)控制小車偏向左行走；若中間的傳感器在白線上，小車應(yīng)繼續(xù)直行；若右側(cè)傳感器在白線上，應(yīng)控制小車偏向右行走；若三個(gè)傳感器都不在白線上，應(yīng)按某種算法行走，直到有一個(gè)傳感器在白線上為止。同樣，如果要讓小車沿其他顏色線行走，則應(yīng)該根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換后的值是否在此顏色對(duì)應(yīng)的灰度值范圍，來(lái)控制小車的運(yùn)動(dòng)方向。

若不在尋跡狀態(tài)下，則調(diào)用避障子程序：?jiǎn)纹瑱C(jī)根據(jù)左右兩側(cè)傳感器傳來(lái)的信號(hào)，判斷正前方是否有障礙物，如果有，控制小車以設(shè)定速度后退并大幅度右轉(zhuǎn)，沒(méi)有則判斷左前方是否有障礙物；如果左前方有障礙物，以設(shè)定速度后退并小幅度右轉(zhuǎn)，沒(méi)有則繼續(xù)判斷右前方是否有障礙物；如果右前方有障礙物，以設(shè)定速度后退并小幅度左轉(zhuǎn)，否則說(shuō)明無(wú)障礙物，調(diào)用調(diào)速子程序。

調(diào)速子程序流程如圖6所示。首先根據(jù)脈沖計(jì)數(shù)值計(jì)算出小車當(dāng)前的實(shí)際車速Vk，把Vk和設(shè)定速度 rk 進(jìn)行比較，假設(shè) P=（rk-Vk）/rk，如果 P>0．5，說(shuō)明當(dāng)前車速離設(shè)定速度較遠(yuǎn)，需要快速達(dá)到設(shè)定值，因此輸出最大設(shè)定PWM值；若0<=P<=0．5，則按照PID運(yùn)算后輸出某個(gè)脈沖寬度的PWM值，控制電機(jī)快速達(dá)到設(shè)定值；若-0．3<=P<0，說(shuō)明實(shí)際車速超過(guò)了設(shè)定速度某個(gè)范圍，則以最小設(shè)定 PWM 值來(lái)控制小車減速； 若-0．5<=P<-0．3，說(shuō)明小車可能是下坡，需要減速以避免小車沖出軌道，因此讓電機(jī)停轉(zhuǎn)；若P<-0．5，說(shuō)明坡度很陡，此時(shí)電機(jī)應(yīng)反轉(zhuǎn)以快速降低車速，一般這種情況很少出現(xiàn)，P 在-0．3～-0．5 之間時(shí)已得到了修正。

圖5 定時(shí)器中斷程序流程圖

圖6 調(diào)速子程序流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本智能小車控制系統(tǒng)以Atmega128單片機(jī)為控制核心，采用bang-bang+PID控制算法精確快速地控制小車速度，使之完成上下坡、走彎道等任務(wù)。同時(shí)還采用了紅外避障和尋跡傳感器，提高了小車行駛的安全性和智能性。該智能小車已成功應(yīng)用于機(jī)器人競(jìng)賽并取得較好成績(jī)。本小車還可作為移動(dòng)機(jī)器人的載體，在功能上稍作擴(kuò)展后即可應(yīng)用于小區(qū)巡邏、實(shí)地勘測(cè)、智能玩具等領(lǐng)域。

［1］朱孟強(qiáng)，盧博友，雷永鋒，周茂雷．基于ARM的智能機(jī)器人小車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．微計(jì)算機(jī)信息，2008，24（5-2）：239．

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［3］馬潮．高檔8位單片機(jī)ATmega128原理與開(kāi)發(fā)應(yīng)用指南（上）［M］．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004．

［4］李朝青．單片機(jī)原理及接口技術(shù)［M］．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1994．

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