基于雙單片機(jī)控制的布錐機(jī)器人小車設(shè)計(jì)

唐 煒，張 鵬，高 陽(yáng)，石明耀，曾 澤，袁 哲

（1.江蘇科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.江蘇科技大學(xué)南徐學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)的交警和路政等部門在道路上布設(shè)路錐主要依靠人工操作，當(dāng)線路較長(zhǎng)時(shí)整個(gè)布設(shè)過(guò)程煩瑣、勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低，若采用機(jī)械化布錐則將大大縮短作業(yè)時(shí)間［1］。布錐機(jī)器人是以道路路錐布設(shè)為目標(biāo)，具有自動(dòng)行走和搬運(yùn)物體功能的智能機(jī)器人［2-3］。在此，研究一種采用雙單片機(jī)進(jìn)行協(xié)同控制的機(jī)器人小車，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下模擬道路路錐的自動(dòng)布設(shè)。

1 機(jī)械本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 本體結(jié)構(gòu)

布錐小車采用有機(jī)玻璃作車身，車體后部用支座固定2個(gè)同型號(hào)直流電機(jī)，電機(jī)輸出軸配備減速齒輪組，輸出扭矩大，分別驅(qū)動(dòng)左右兩車輪，車體前部安裝有萬(wàn)向輪起支撐作用［4］。此設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)使得小車能做到任意角度轉(zhuǎn)向，而無(wú)需采用煩瑣的差速器和舵機(jī)即可實(shí)現(xiàn)原地回轉(zhuǎn)。同時(shí)，軸驅(qū)動(dòng)輪和萬(wàn)向輪形成了三點(diǎn)結(jié)構(gòu)，可使小車運(yùn)動(dòng)過(guò)程較為平穩(wěn)，為車載機(jī)械手平穩(wěn)裝夾物體創(chuàng)造了條件。

車載機(jī)械手由機(jī)械臂和機(jī)械爪組成，其中機(jī)械臂有2個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，機(jī)械爪有1個(gè)張合關(guān)節(jié)，所有關(guān)節(jié)均由MG995舵機(jī)驅(qū)動(dòng)。機(jī)械臂通過(guò)一個(gè)平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)與機(jī)械爪相連，平行四邊形連桿設(shè)計(jì)的巧妙之處在于使機(jī)械爪始終垂直于小車面向下，保證車載機(jī)械手可完成半球面范圍內(nèi)任意位置物體的垂直方向抓放與夾持，以實(shí)現(xiàn)將車上路錐搬運(yùn)到車旁地面的動(dòng)作。

1.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，運(yùn)用Pro／E軟件對(duì)小車和機(jī)械手進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，便于在設(shè)計(jì)階段及時(shí)發(fā)現(xiàn)位移和干涉等問(wèn)題，降低開發(fā)成本。在裝配時(shí)，采用“先分塊裝配、再總裝配”的原則，即先完成底盤、機(jī)械手和機(jī)械爪等分塊的裝配，然后再將各分塊總裝到小車底盤上。

在Pro／E Mechanism環(huán)境下，定義舵機(jī)和電機(jī)為伺服電動(dòng)機(jī)，設(shè)定相關(guān)參數(shù)后，運(yùn)用Pro／E提供的干涉檢查、軌跡曲線和測(cè)量等功能對(duì)小車進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析［5］。以機(jī)械爪爪尖內(nèi)表面（路錐夾緊面）上一點(diǎn)作為測(cè)量點(diǎn)，測(cè)量其速度是否平穩(wěn)，通過(guò)“仿真→機(jī)構(gòu)分析→調(diào)整小車參數(shù)→仿真”的循環(huán)過(guò)程，不斷優(yōu)化布錐小車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最終獲得可使機(jī)械手平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)及尺寸。小車機(jī)械手運(yùn)動(dòng)仿真軌跡曲線如圖1所示。其中，a點(diǎn)為機(jī)械手歸位的位置，b點(diǎn)為機(jī)械手下降抓取路錐的位置，c點(diǎn)為機(jī)械手下降將路錐放置在車旁路面的位置。

圖1 小車機(jī)械手運(yùn)動(dòng)仿真軌跡

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

小車控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。它以雙單片機(jī)為控制核心，主、從單片機(jī)分別為STC12C5A60S2和STC10F08XE。主單片機(jī)模塊通過(guò)專門電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)2路直流電機(jī)，利用測(cè)速傳感器檢測(cè)電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，為其速度PID控制環(huán)節(jié)提供反饋，并依據(jù)紅外傳感器反饋的路面軌跡信息，動(dòng)態(tài)局部調(diào)整小車行駛方向以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循跡。從單片機(jī)模塊通過(guò)控制3路舵機(jī)旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)機(jī)械手完成三維空間動(dòng)作。兩單片機(jī)之間采用自定義通訊協(xié)議進(jìn)行雙向交互，使小車和機(jī)械手實(shí)現(xiàn)協(xié)同控制［6］。

圖2 小車控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)跡

2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用SGS公司專用H橋集成芯片L298，其輸出電流為2A，最高電流為4A，最高工作電壓為36V，可通過(guò)直接調(diào)節(jié)輸入電源控制輸出電壓［7］。系統(tǒng)采用5V電源為芯片提供工作電壓，以驅(qū)動(dòng)車輪旋轉(zhuǎn)。對(duì)應(yīng)接口電路如圖3所示。其中，IN1和IN3為PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端；IN2和IN4為轉(zhuǎn)向控制輸入端，高電平時(shí)正轉(zhuǎn)，低電平時(shí)反轉(zhuǎn)；1Y1，1Y2和2Y1，2Y2為控制輸出端，分別接驅(qū)動(dòng)電機(jī)兩端。IN1～I(xiàn)N4引腳分別與主單片機(jī)相應(yīng)I／O口相連，通過(guò)主單片機(jī)控制L298芯片的輸出，來(lái)驅(qū)動(dòng)兩直流電機(jī)而實(shí)現(xiàn)小車行走。

圖3 L298芯片接口電路

2.3 傳感器

系統(tǒng)將4個(gè)TCRT5000反射式紅外光電傳感器用于檢測(cè)路徑，且呈弧形間隔布置在小車底盤前部。傳感器分布如圖4所示，黑色區(qū)域表示小車路面行駛軌跡。小車運(yùn)動(dòng)時(shí)，紅外傳感器不斷向地面發(fā)射紅外光。當(dāng)紅外光遇到淺色地面時(shí)發(fā)生漫反射，紅外接收管會(huì)接收到反射光，則會(huì)導(dǎo)通光電三極管；當(dāng)紅外光遇到黑線軌跡時(shí)將被吸收，接收管無(wú)法接收到反射信號(hào)，三極管處于截止?fàn)顟B(tài)。故利用紅外傳感器輸出狀態(tài)就可判斷出小車相對(duì)于軌跡的位置。對(duì)應(yīng)的檢測(cè)電路如圖5所示。

圖4 傳感器分布

圖5 路徑檢測(cè)電路

同時(shí)，在每個(gè)直流電機(jī)輸出軸外側(cè)安裝2個(gè)A3144霍爾傳感器，電機(jī)輸出軸尾部固定一個(gè)磁鐵，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)向及實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測(cè)。每次磁鐵轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)靠近霍爾傳感器時(shí)便產(chǎn)生1個(gè)脈沖信號(hào)，由于采用了齒輪減速組，最終車輪每轉(zhuǎn)1圈會(huì)產(chǎn)生60個(gè)脈沖信號(hào)。將此脈沖信號(hào)送入單片機(jī)脈沖累加器的外部引腳，經(jīng)過(guò)換算便可計(jì)算出小車實(shí)際速度，從而反饋給PID控制環(huán)節(jié)。由于磁鐵先后經(jīng)過(guò)2個(gè)霍爾傳感器，故利用2路脈沖信號(hào)的相位差便可以判斷出電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。

2.4 單片機(jī)對(duì)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)控制

機(jī)械手為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)布錐，必須完成4個(gè)動(dòng)作：機(jī)械爪抓取并夾持路錐→機(jī)械臂轉(zhuǎn)動(dòng)至車旁路面→機(jī)械爪松開→機(jī)械臂歸位。系統(tǒng)機(jī)械手采用從單片機(jī)STC10F08XE為核心控制器，通過(guò)串口接收主單片機(jī)指令后控制舵機(jī)，完成抓取、搬運(yùn)和放下路錐等動(dòng)作。

舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動(dòng)器，適用于需要角度不斷變化并保持的控制系統(tǒng)。舵機(jī)控制信號(hào)由輸入通道進(jìn)入信號(hào)調(diào)制電路，獲得一個(gè)直流偏置電壓，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。該電壓差輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，同時(shí)帶動(dòng)電位器旋轉(zhuǎn)，直到電壓差為零，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

系統(tǒng)采用MG995舵機(jī)，該舵機(jī)控制采用周期為20ms的PWM信號(hào)，當(dāng)PWM占空比改變時(shí)，舵機(jī)轉(zhuǎn)軸的角度發(fā)生改變，角度變化與脈沖寬度的變化成正比，脈寬為0.5～2.5ms，分別線性對(duì)應(yīng)著0°～180°的位置。由于舵機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中要從電源吸納較大的電流，若舵機(jī)與單片機(jī)控制器共用一個(gè)電源，舵機(jī)會(huì)對(duì)單片機(jī)產(chǎn)生干擾而產(chǎn)生抖舵現(xiàn)象。在此，舵機(jī)與單片機(jī)控制器采用2個(gè)電源供電，兩者不共地，通過(guò)光耦隔離，并且機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制采用單步控制方式，以保證其運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包括小車的主單片機(jī)運(yùn)動(dòng)控制和機(jī)械手的從單片機(jī)運(yùn)動(dòng)控制。兩單片機(jī)之間通過(guò)串口進(jìn)行通訊，以確保小車底盤循跡和機(jī)械手抓放物體等動(dòng)作能夠協(xié)調(diào)完成，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)布放路錐的全過(guò)程。軟件設(shè)計(jì)基于Keil C51進(jìn)行。

3.1 小車運(yùn)動(dòng)控制策略

小車循跡功能由前端4個(gè)反射式紅外光電傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)將中間2個(gè)定義為第1級(jí)轉(zhuǎn)向控制傳感器，外側(cè)2個(gè)定義為第2級(jí)轉(zhuǎn)向控制傳感器。小車前進(jìn)時(shí)，黑線始終保持在2個(gè)第1級(jí)傳感器之間，此時(shí)小車處于高速直行狀態(tài)。當(dāng)小車稍微偏離黑線時(shí)，第1級(jí)傳感器會(huì)檢測(cè)到黑線，這時(shí)單片機(jī)會(huì)根據(jù)檢測(cè)到的狀態(tài)對(duì)小車的軌跡稍作糾正，使黑線重新回到第1級(jí)傳感器之間。第2級(jí)傳感器作為第1級(jí)的補(bǔ)充，是為了防止小車由于慣性過(guò)大而導(dǎo)致的小車偏離軌跡程度過(guò)大，因此當(dāng)?shù)?級(jí)傳感器檢測(cè)到黑線時(shí)，單片機(jī)會(huì)對(duì)小車軌跡做出較大糾正。小車具體控制策略如表1所示［8］。

表1 小車控制策略

3.2 電機(jī)轉(zhuǎn)速PID調(diào)節(jié)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)是機(jī)器人小車前進(jìn)的動(dòng)力，對(duì)電機(jī)速度控制的好壞，直接影響到小車運(yùn)行的穩(wěn)定性和快速性。在此，電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)采用增量式PID控制算法。在連續(xù)系統(tǒng)中，模擬PID控制器是一種線性調(diào)節(jié)器，其微分方程為：

KP為比例增益；TI為積分時(shí)間常數(shù)；TD為微分時(shí)間常數(shù)；u（t）為控制量；e（t）為偏差。將模擬PID控制器數(shù)字化后，可得到增量式PID算法為：

3.3 小車與機(jī)械手的協(xié)同控制

主、從單片機(jī)之間雙向通信必須實(shí)時(shí)可靠：小車在規(guī)劃好的路徑上循跡行駛，在遇到4個(gè)傳感器都檢測(cè)到黑線的情況時(shí)自動(dòng)停止，這意味著已到達(dá)布錐位置，主單片機(jī)立即給從單片機(jī)發(fā)送指令，以改變3個(gè)舵機(jī)相關(guān)轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)，使3個(gè)舵機(jī)協(xié)調(diào)配合以完成機(jī)械手預(yù)定動(dòng)作。主、從單片機(jī)協(xié)同控制流程如圖6所示。

圖6 主、從單片機(jī)協(xié)同控制流程

主、從單片機(jī)之間采用自定義通訊協(xié)議［9］。如主單片機(jī)發(fā)送給從單片機(jī)代碼為“＃03A70！”，其具體含義如下：“＃”代表雙單片機(jī)之間的握手指令開始；“03”代表3號(hào)舵機(jī)；“70”表示舵機(jī)旋轉(zhuǎn)70°；“！”代表該握手指令結(jié)束。機(jī)械手完成動(dòng)作后，會(huì)回到初始位置，并且從單片機(jī)通過(guò)串口給主單片機(jī)發(fā)送約定好的握手信號(hào)“00”，即要求小車?yán)^續(xù)循跡前行。直到下一次4個(gè)傳感器都檢測(cè)到黑線軌跡為止（開始下次布錐）。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)布錐機(jī)器人小車進(jìn)行了大量的測(cè)試，主要包括機(jī)械本體測(cè)試、系統(tǒng)硬／軟件測(cè)試、聯(lián)調(diào)測(cè)試以及各項(xiàng)控制參數(shù)的確定等，經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)試與優(yōu)化，該裝置可成功模擬路錐自動(dòng)布設(shè)的全過(guò)程，達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期。實(shí)驗(yàn)表明，機(jī)器人小車本體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制系統(tǒng)工作可靠、運(yùn)行效果良好，可實(shí)現(xiàn)小車行走與機(jī)械手動(dòng)作的無(wú)縫銜接。尤其是車載機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及雙單片機(jī)之間的協(xié)同控制具有一定的創(chuàng)新性，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法對(duì)實(shí)際道路的布錐自動(dòng)化也具有一定參考價(jià)值。

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