四輪移動機器人控制系統的設計

劉起興，吳欽木

(貴州大學電氣工程學院，貴州 貴陽 550025)

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四輪移動機器人控制系統的設計

劉起興，吳欽木

(貴州大學電氣工程學院，貴州 貴陽 550025)

針對一些中小企業(yè)機器人應用的實際情況，設計了一個四輪移動機器人控制系統，該系統由微控制器模塊、電機驅動模塊、傳感器模塊與無線通信模塊組成.微控制器模塊是控制系統的核心，能無線接收監(jiān)控平臺傳來的指令信號，通過傳感器模塊實時采集機器人移動路徑及其障礙物信號，進行數據分析與處理，通過電機驅動模塊控制機器人循跡運動.實驗表明該控制系統結構簡單，性能可靠，對四輪移動機器人進一步發(fā)展有借鑒作用.

移動機器人；控制系統；微控制器；電機驅動；傳感器

四輪移動機器人是以4個車輪作為移動方式的一種機器人，其研究技術涉及路徑規(guī)劃、導航定位與運動控制等.四輪移動機器人因運動平穩(wěn)、速度快、承載能力大等特點，在軍事、工業(yè)、商業(yè)與農業(yè)等方面廣泛應用，成為世界各國科技工作者研發(fā)的一個熱點.美國Stanford大學研制的四輪移動機器人Stanford Card，用視覺傳感器探測地面上的軌線信號，能按照預先設計的路徑做循跡運動.[1]美國NASA研制的四輪移動機器人Nomad，能接收GPS信號，通過遙控執(zhí)行在南極尋找隕石的工作.[2]IROBOT 公司研制的吸塵器機器人ROOMBA能避開障礙，完成室內清掃任務.[3]我國移動機器人的研究起步雖晚，但國家高度重視，把機器人的研發(fā)列入了“863”高科技發(fā)展規(guī)劃，發(fā)展迅速.中控科技集團研制的海寶機器人能提供迎賓服務，也能為游客提供指路導航服務.[4]2013年玉兔機器人登陸月球，其具有爬坡與越障能力，完成了對月球表面的地理探測任務.雖然我國機器人的科技研究取得了一些重大成果，但目前中小企業(yè)對移動機器人的研發(fā)與應用水平還有待提高.

本文針對一些中小企業(yè)機器人應用的實際情況，設計了一個四輪移動機器人控制系統，它能按預先規(guī)劃好的路徑移動，繞過障礙物，到達目標地.

1　總體設計

圖1　控制系統總體設計

本文設計的四輪移動機器人控制系統能夠完成三項任務：一是路徑規(guī)劃，用錫箔紙鋪設機器人的移動路徑，在路徑上放置一些障礙物以增加機器人移動的難度；二是導航定位，用傳感器探測錫箔紙路徑及其障礙物信息，傳遞給機器人控制系統；三是運動控制，機器人控制系統把傳感器檢測到的路徑信號與目標信號相比較，進行分析處理，發(fā)送指令給執(zhí)行機構，驅動機器人前進、后退、轉向，沿著規(guī)劃好的路徑移動，最終達到目標地，其總體設計方案如圖1所示.

圖1中，微控制器是整個控制系統的核心，其接收監(jiān)控平臺指令與傳感器模塊傳來的信息，并進行相關的數據運算與處理；傳感器模塊負責機器人移動過程中路徑的識別與障礙物探測；電機驅動模塊驅動直流電機，實現機器人的速度和位置控制；電源模塊給機器人控制系統的各個模塊供電，保證控制系統能正常工作.

2　硬件設計

為了提高效率，移動機器人控制系統設計采用了模塊法，整個系統分為微控制器模塊、電機驅動控制模塊、傳感器模塊與無線數據通信模塊.

2.1微控制器模塊

設計選用ATMEL公司的ATmega128單片機作為控制系統的核心，其結構如圖2所示.

圖2　微控制器接口電路

ATmega128是一款高性能、低功耗的8位高檔AVR微控制器，芯片內包含128 kB的可編程Flash程序存儲器，6個8位的并行I/O口，2個串行USART，支持JTAG和ISP編程.時鐘電路由1個16 MHz的外部晶振與2個22PF的瓷片電容組成，其負責為控制系統提供時鐘源.復位電路包含上電復位與手動復位，當微控制器受外界干擾程序跑飛時其有重啟功能.電機驅動模塊接收微控制器的指令，驅動直流電機控制機器人運動.傳感器模塊探測機器人外部環(huán)境信息，傳遞給微控制器分析處理.無線通信模塊建立微控制器與監(jiān)控平臺的溝通渠道，負責兩者之間的通信任務.

2.2電機驅動模塊

電機驅動模塊驅動直流電機，控制機器人運動.選擇直流電機的型號為RS365SH-14713A，用12V的鋰電池供電，為移動機器人的驅動控制提供了方便.

圖3　直流電機驅動電路圖

電機驅動芯片選擇了L298N， 為SGS公司產品，內含2個H橋驅動器，可以驅動2個直流電動機，其驅動電路如圖3所示.+VS引腳接直流電機的+12V電源， 引腳OUT1，OUT2之間， OUT3，OUT4之間可分別接直流電機M， 引腳IN1、IN2、IN3、IN4分別連接ATmega128的IO引腳，以控制直流電機的正反轉.ENA，ENB是控制使能端，控制電機的停轉， L298N的功能邏輯真值表如表1所示.

直流電機的控制通過脈沖寬度調制(PWM)實現，PWM 信號由ATmega128單片機產生，用脈沖計數方法調整 PWM 信號脈寬的占空比，通過占空比的調控實現直流電機的調速，直流電機兩端的平均電壓按下式進行計算.

U=D×US.

(1)

其中:U為直流電機電樞兩端的平均電壓;US為加在直流電機電樞兩端的電源電壓;D為占空比，取值范圍是0

表1　L298N的功能邏輯真值表

2.3傳感器模塊

傳感器模塊有識別機器人移動路徑與探測障礙物的功能，并把檢測到的信息上傳給微處理器.機器人的移動路徑用錫箔紙鋪成，選擇渦流傳感器(LJ8A3-2-Z/AY型)作為路徑識別元件，把2個渦流傳感器安裝在機器人前端下方.渦流傳感器用錫箔紙的金屬特性，動態(tài)監(jiān)測路徑的位置，實現循跡運動.障礙物與終點目標用黑塊標識，選擇紅外傳感器作為障礙物與終點目標的探測儀器，安裝在機器人的正前方.紅外傳感器把檢測到的光信號轉變?yōu)殡娦盘枺_定出障礙物的位置.[7-8]

2.4通信模塊

無線通信模塊是移動機器人與監(jiān)控平臺連接的信息紐帶，在移動機器人控制系統中十分重要.選擇深圳普聯技術有限公司的產品(TP-LINK)實現WIFI無線數據通信，它符合802.11 b標準，傳輸速度達到11 MB/s，信號覆蓋半徑達到100 m.

3　軟件設計

控制系統采用C語言編寫程序，主要完成路徑識別、障礙物躲避與控制機器人移動.機器人控制系統把收到的監(jiān)控平臺指令與傳感器檢測到的路面信號分析處理，發(fā)送指令給直流電機驅動模塊，控制機器人按規(guī)劃好的路徑循跡移動，其流程圖如圖4所示.

圖4　機器人移動流程圖

4　實驗與調試

四輪移動機器人設計完成后進行了硬件與軟件調試.硬件調試步驟為先對照電路圖檢查PCB電路板上有無連線錯接、漏接與短路，再觀察焊點是否牢靠，有無虛焊，再接通電源觀察電路板上的指示燈狀態(tài)及有無冒煙等，最后用萬用表測量關鍵節(jié)點參數是否正常等.硬件檢測合格后進行機器人裝配，裝配好的四輪機器人實物如圖5所示.其結構簡單，裝配緊湊.四輪機器人最上面是綠色PCB電路板，如圖6所示.板上可放置單片機芯片ATmega128與電機驅動芯片L298N等.車輪與PCB板間是一個連接結構，其內部置放了直流電機與電源等.

圖5　四輪移動機器人實物圖

軟件調試以Proteus進行仿真實驗，Proteus是一款單片機仿真與開發(fā)軟件，可以模擬機器人控制系統的運行情況，節(jié)省開發(fā)成本.運用所提供的虛擬示波器、邏輯分析儀與信號發(fā)生器等虛擬儀器進行仿真實驗，重點進行了直流電機驅動模塊的仿真實驗.改變占空比的值，直流電機電樞平均電壓值隨之變化，詳細數據如表2所示.

表2　占空比與直流電機電樞平均電壓的關系

分析表2數據得出，占空比越大，直流電機電樞兩端的平均電壓越大，反之亦然.實驗表明驅動模塊能夠驅動電機移動，可靠性高，實用性強.

5　結論

(1) 本文設計的四輪移動機器人控制系統結構簡單，成本低廉，抗干擾能力強，實驗驗證能夠達到設計要求，能為四輪移動機器人的進一步研發(fā)提供借鑒.

(2) 設計采用了模塊法，把移動機器人控制系統分為微控制器模塊、電機驅動模塊、傳感器模塊與無線通信模塊.設計中既考慮各個模塊的銜接，又考慮每個模塊的獨立性，最后優(yōu)化組合，提高了控制系統的設計效率.

(3) 傳感器模塊性能良好，穩(wěn)定可靠，渦流傳感器能有效探測錫箔紙路徑的信號，紅外傳感器能準確地發(fā)現障礙物信號.

(4) 直流電機驅動模塊產生的扭矩能夠驅動機器人移動，響應快速，穩(wěn)定可靠，但速度控制不夠理想，需要進一步研究.

[1]MORAVEC H P. Stanford Cart and the CMU Rover [J]. Proceeding of the IEEE，1983，71 (7):872-884.

[2]Borenstein J，Everett H R，et al. Mobile Robot Positioning-sensors and Techniques [J].Journal of Robot Systems,1997,14(4):231-249.

[3]Simmons R，Fernandez J L，Goodwin R. Lessons from Xaiver [J]. IEEE Robotics & Automation Magazine，2000，7 (2): 33-39.

[4]孫宏宇.基于的輪式機器人控制系統設計[D].大連:大連理工大學，2013:5-31.

[5]溫箐笛.輪式移動機器人直流伺服控制系統設計[J].科學技術與工程，2012，12(25):6482-6486.

[6]周慧君，韓軍.基于51單片機的輪式移動機器人控制系統設計[J].現代設計與制造技術，2013,10:123-124.

[7]王文憑，李天培，馮根生.一種智能搬運機器人的設計與實現[J].計算機測量與控制，2011，19(2)：395-398.

[8]楊俊駒，林睿，王振華，孫立寧.輪式移動機器人運動控制系統研究與設計[J].現代電子技術，2016，39(2):22-27.

(責任編輯：石紹慶)

The control system design of mobile robot with four-wheel

LIU Qi-xing，WU Qin-mu

(Institute of Electrical Engineering，Guizhou University，Guiyang 550025,China)

Mobile robot with four-wheel is widely used in military，industrial and commercial，its research and development has important scientific significance. The control system of mobile robot with four-wheel is composed of micro controller module，motor drive module，sensor module and wireless communication module，micro controller module is the core of the control system，which can receive through wireless way command signal from the monitor platform，which can real-time acquire path signal and its obstacles from mobile robot by the sensor module，through data analysis and processing，which can control the robot according to the preset trajectory through the motor drive module. Experiments show that the control system has simple structure，reliable performance，which is reference for the further development of mobile robot with four-wheel.

mobile robot；control system；micro controller；motor drive；sensor

1000-1832(2016)03-0074-05

2016-06-12

國家自然科學基金資助項目(51367006).

劉起興(1994—)，男，學生；通信作者：吳欽木(1975—)，男，教授，主要從事電動車驅動系統控制研究.

TP 242[學科代碼]0811

A

[DOI]10.16163/j.cnki.22-1123/n.2016.03.014