基于輪式驅(qū)動的教學(xué)機器人研制

梁明亮， 孫逸潔

（鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系，河南鄭州 450052）

0 引言

教學(xué)機器人是指應(yīng)用于學(xué)校教學(xué)、創(chuàng)新教育和科研服務(wù)的機器人［1］。近年來，在全國高等教育教學(xué)實踐環(huán)節(jié)中，以教學(xué)機器人為平臺的創(chuàng)新教學(xué)活動日益增多，針對機器人創(chuàng)新教育［2］、技能競賽和科研的需要，研究開發(fā)了一種基于四輪驅(qū)動的智能教育機器人［3］。該機器人涉及ARM嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)、控制技術(shù)、計算信息處理、電機驅(qū)動、人工智能、無線網(wǎng)絡(luò)通信等多個學(xué)科和領(lǐng)域［4］，控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，能夠滿足創(chuàng)新教育實踐的需要。

1 總體設(shè)計方案

以嵌入式為主要控制技術(shù)設(shè)計教學(xué)機器人，系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1所示。系統(tǒng)主要由S3C2440A主控制器［5］、紅外線尋跡模塊、驅(qū)動電路、直流電機、行走機構(gòu)、傳感器探測模塊、和電源組成。

主控制器以S3C2440A嵌入式處理器為核心，在機器人智能控制中起主導(dǎo)作用。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

紅外線尋跡模塊使用反射式紅外發(fā)射-接收一體管采集路面信息，尋跡信號傳送給S3C2440A主控制器，通過嵌入式軟件計算處理后，實現(xiàn)對黑線或白線的尋跡。CMOS攝像頭用于圖像的采集，處理器S3C2440A收到圖像后，進行圖像分析、處理，通過無線網(wǎng)卡完成圖像的遠(yuǎn)程傳送、標(biāo)志物形狀和顏色的識別。傳感器檢測模塊用于完成溫度、溫度、距離、光照、光頻率的測量功能。

主控制器的控制軟件是基于ARM9嵌入式開發(fā)環(huán)境，在移植Linux操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行C語言的應(yīng)用程序開發(fā)。機器人通過尋跡方式到達各地形標(biāo)志物，通過CMOS攝像頭對標(biāo)志物進行拍照和物理量的探測，使用WiFi無線網(wǎng)卡以無線通訊方式向PC上位機發(fā)送溫度、距離、光強等探測數(shù)據(jù)和標(biāo)志物圖像。

驅(qū)動電路實現(xiàn)對電機的驅(qū)動和控制，主要由AVR單片機ATmega16L處理器、電機驅(qū)動構(gòu)成;電機上安裝編碼器，用于檢測機器人速度，送給AVR單片機進行分析和處理;行走機構(gòu)采用四輪結(jié)構(gòu)，包括車架和四個車輪。機器人車架上固定有三層電路板，從上到下依次為S3C2440A核心板、主控制器主板和驅(qū)動板。機器人供電為直流12V，采用鋰電充電電池，共2組。

2 硬件設(shè)計

2.1 主控制器

主控制器由S3C2440A核心電路板和主板組成，核心板通過雙排插針與主板進行電氣連接。核心板采用六層電路板設(shè)計，元件排列緊湊。核心板上設(shè)計有微處理器（S3C2440A）、SDRAM 存儲電路（HY57V561620FTP）、SDRAM 存儲器、Nor Flash、Nand Flash、復(fù)位電路和1.25 V直流電源產(chǎn)生電路等。

2.2 紅外線尋跡模塊

軌跡控制的應(yīng)用成果很多［6］，本系統(tǒng)使用反射式紅外發(fā)射-接收一體管進行教學(xué)機器人的路面尋跡［7］。利用紅外線對不同顏色的反射能力不同的特性，采用紅外線光電傳感器采集尋跡信號［8］。本系統(tǒng)顏色信號主要是黑、白兩種情況。尋跡板中設(shè)計有8組相同的紅外傳感器，圖2為其中一組電路圖。

圖2 尋跡電路

當(dāng)紅傳感器 OPB10359檢測出的信號后，經(jīng)LM339電壓比較器進行電壓比較和整形后，轉(zhuǎn)換為邏輯電平（高電平為+3.3 V），作為機器人運動時路面的探測信息輸出，8路信號分別為VOUT1到VOUT8。8路尋跡信號通過JP1插座送到主控制器S3C2440A的I/O口，經(jīng)控制器處理后，輸出指令控制機器人沿指定軌跡運動。

2.3 傳感器探測模塊

傳感器探測模塊包括測距、測光、測溫等各種傳感器電路，電路可擴展，以適應(yīng)教學(xué)機器人在導(dǎo)航過程中具有自主避障［9］、智能探測和二次創(chuàng)新擴展功能。

采用超聲波和PSD兩種測距法。超聲測距采用時差法：即通過檢測發(fā)射的超聲波與其遇到障礙物后產(chǎn)生回波之間的時間差Δt，求出障礙物的距離d=cΔt/2，其中 c=331.4+ΔT，為超聲波速度，ΔT 為與環(huán)境溫度相關(guān)的換算值。利用PSD的最大特性——位置傳感特性和三角測量法，構(gòu)成測距傳感器。采用GP2Y0A21YK傳感器，其內(nèi)置LED（紅外發(fā)光二極管）和位置檢測器（Position Sensitive Detector，PSD）的模塊，通過改變輸出直流電壓輸出傳感器前面放置物體的距離［10］。

采用熱電堆式（Thermopile）紅外溫度傳感器進行溫度探測，選用TS118-3型紅外溫度傳感器。TS118-3變送的溫度信號送給LF347運放芯片進行處理，通過IIC接口芯片AD7955輸出標(biāo)準(zhǔn)IIC信號，最后送到S3C2440A進行處理。

2.4 攝像頭接口電路

S3C2440A處理器中集成有Camera接口，機器人的圖像采集器件選用OmniVision公司的CMOS圖像傳感器OV9650，直接與S3C2440A芯片的Camera接口連接。OV9650具有標(biāo)準(zhǔn)的 SCCB（Serial Camera Control Bus）接口，130萬像素，通過該接口可以設(shè)置輸出圖像像素的大小，輸出色度、YcbCr順序等參數(shù)。

2.5 驅(qū)動電路

選用高性能、低功耗的8位 AVR微處理器Atmega16L作為驅(qū)動電路的處理器。

Atmega16L實現(xiàn)與S3C2440A的串行通信，實時接收S3C2440A的指令，進行一定的分析和算法處理后發(fā)出PWM信號，輸出給以L298N為主要器件構(gòu)成的電機驅(qū)動電路。直流電機是機器人行走的動力來源，直接決定機器人的速度，對機器人速度的控制就是對直流電機的控制［11］。設(shè)計中采用直流減速電機，型號為Namiki 22CL-3501PG。如圖3為左輪電機驅(qū)動電路，其中M1、M2為左輪的2個電機。

圖3 電機驅(qū)動電路

采用 L298N作為直流電機驅(qū)動芯片［12］，L298N是內(nèi)含2個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動器。圖3中，74HC245起信號放大和緩沖作用，L298進行電流放大，Atmega16L單片機通過調(diào)節(jié)PWM信號的占空比實現(xiàn)對電機的調(diào)速與轉(zhuǎn)向。

為保證L298N驅(qū)動芯片正常工作，在其與每個直流電機之間加入四支續(xù)流二極管（BR1、BR2），用以將電機中反向電動勢產(chǎn)生的電流分流到地或電源正極，以免反向電動勢對L298N產(chǎn)生損害。L298的第1和15腳接電流采樣電阻 R2、R3，形成 I1、I2電流傳感信號，通過LM358運算放大器放大后產(chǎn)生模擬電壓信號ADM1、ADM2，送到 Atmega16L中進行電流的測量和分析，以動態(tài)控制電機的電流及速度。

2.6 電源電路

機器人運行時不需交流電源，采用2組鋰充電電池供電，每組鋰電池的電壓約12 V，主控制器和電機驅(qū)動電路所需的電源是相互獨立的。

3 軟件設(shè)計

主要有ARM9處理器Linux操作系統(tǒng)的移植、基于Linux的驅(qū)動程序及應(yīng)用程序的開發(fā)、基于AVR單片機的電機控制程序的設(shè)計等。

3.1 Linux的移植及驅(qū)動程序的開發(fā)

（1）搭建基于linux系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境。

（2）BootLoader引導(dǎo)程序的配置和移植。主控制器采用ARM9嵌入式系統(tǒng)，通過BootlLoader完成對主控制器電路板上的 S3C2440A、HY57V561620FTP（SDRAM）、K9F1208（Flash）、串行口等進行初始化［13］。當(dāng)教育機器人啟動時，先運行BootLoader，再運行操作系統(tǒng)內(nèi)核，分配內(nèi)存空間的映射，將機器人系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個合適的狀態(tài)，正確完成硬件系統(tǒng)的初始化和linux的引導(dǎo)。

（3）內(nèi)核和文件系統(tǒng)的裁剪、移植和下載。

（4）驅(qū)動程序的開發(fā)。包括CMOS攝像頭驅(qū)動、ADC驅(qū)動、IIC驅(qū)動、用于尋跡的GPIO驅(qū)動等。

3.2 無線通信協(xié)議的設(shè)計

教學(xué)機器人通過無線網(wǎng)卡與PC機上位機采用無線網(wǎng)絡(luò)傳輸。無線網(wǎng)絡(luò)采用標(biāo)準(zhǔn)的802.11g標(biāo)準(zhǔn)，無線接入點IP和網(wǎng)關(guān)由確定，如確定機器人的IP地址為 192.168.1.10，并配置好網(wǎng)關(guān)。

通信底層協(xié)議采用標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議完成PC機上位機和機器人通信，其中PC機作為TCP的服務(wù)器端，機器人作為TCP的客戶端。

在應(yīng)用層通信協(xié)議上，增加ACK確認(rèn)機制的通信模式來增加通信的可靠性。機器人向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)報文，PC上位機收到數(shù)據(jù)報文后向機器人發(fā)送一個確認(rèn)數(shù)據(jù)供機器人處理。除傳輸圖片數(shù)據(jù)外，應(yīng)用層數(shù)據(jù)每次傳輸采用長度固定為40 Byte，數(shù)據(jù)不夠的用0x00補滿。圖像通過2次通信過程來完成，第一次機器人發(fā)出上傳圖像請求報文，上位機接受請求后返回接收請求數(shù)據(jù)報，機器人收到接收請求數(shù)據(jù)報文后發(fā)送圖像數(shù)據(jù)，圖像大小為高128像素、寬160像素。

3.3 直流電機控制軟件

系統(tǒng)主控制器不直接驅(qū)動電機，通過ARM9處理器S3C2440A以串行通信方式發(fā)送命令給AVR單片機ATmega16L，由AVR單片機控制電機和處理編碼器信息。采用AVR單片機的C語言進行電機控制軟件設(shè)計。ATmega16L輸出脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）信號來改變電機的轉(zhuǎn)速。電機兩端的電壓與控制波形的占空比成正比，因此電機的速度與占空比成比例，占空比越大，電機轉(zhuǎn)得越快。

AVR單片機在對直流電機的控制中，在采集電流反饋值和電機轉(zhuǎn)速的基礎(chǔ)上，采用了PID的控制算法，算式如下：

式中：Kp，Ki，Kd分別為調(diào)節(jié)器的比例、積分和微分系數(shù);e（t）是PID算法的輸入;u（t）是輸出［14］。

對電機速度的控制采用模糊PID控制［15］，AVR單片機程序根據(jù)測速系統(tǒng)反饋回來的左、右輪電機當(dāng)前速度值和設(shè)定速度值進行比較，針對不同情況適當(dāng)改變Kp，Ki，Kd參數(shù)，進而控制輸出2組PWM信號的占空比，實現(xiàn)調(diào)速和改變轉(zhuǎn)向作用，使系統(tǒng)始終處較好工作狀態(tài)，達到加速、減速靈敏以及穩(wěn)定性好的目的。

教學(xué)機器人屬于典型的時變、非線性、模型不確定復(fù)雜系統(tǒng)。將機器人行駛的道路歸納為直道、大彎道、“S”型小彎道三種類型。利用教學(xué)機器人在相同的路況下其特性基本不變，可分別確定這3種道路參數(shù)下的最佳PID參數(shù)。研制過程中，根據(jù)多次實驗、測試和分析，總結(jié)為：在直道上系統(tǒng)取Kp=3，Ki=5，Kd=0，測試環(huán)境為一條長度為4 m的長直道;在大彎道上系統(tǒng)取Kp=10，Ki=1，Kd=1，彎道半徑為 70-140 cm的弧線;在“S”型小彎道上系統(tǒng)取 Kp=7，Ki=4，Kd=3，測試環(huán)境為3個90°圓弧構(gòu)成的“S”型小彎道。

4 結(jié)語

通過對教學(xué)機器人的測試和運行，機器人能通過尋跡方式穩(wěn)定行駛，在到達各地形標(biāo)志物時，能對不同標(biāo)志物進行溫度、距離、光頻率的測量，并通過無線網(wǎng)絡(luò)向PC上位機發(fā)送數(shù)據(jù)或圖像，PC機上位機上顯示的溫度、距離數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，標(biāo)志物圖片清晰。使用S3C2440A嵌入式處理器和Linux操作系統(tǒng)增強了機器人的智能化水平，確保了對系統(tǒng)的運行速度和轉(zhuǎn)向控制的精確性。該機器人平臺在教育部全國職業(yè)院校技能大賽機器人賽項中控制準(zhǔn)確、運行穩(wěn)定，獲得了全國一等獎的好成績，系統(tǒng)各項功能的實現(xiàn)驗證了軟、硬件設(shè)計的可行性。該機器人系統(tǒng)具有技術(shù)先進性和功能可擴展性，以機器人技術(shù)為實踐教學(xué)平臺，對于培養(yǎng)大學(xué)生的科技創(chuàng)新意識和能力［16］有著重要的意義。

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