移動(dòng)機(jī)器小車(chē)的控制

孫昱放

摘 要：伴隨科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人民生活水平的提高，移動(dòng)機(jī)器小車(chē)在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)和生活中，得到了極為廣泛的應(yīng)用。本文在系統(tǒng)介紹了移動(dòng)機(jī)器小車(chē)的基礎(chǔ)知識(shí)基礎(chǔ)上，重點(diǎn)闡述了移動(dòng)機(jī)器小車(chē)設(shè)計(jì)與被動(dòng)避障、主動(dòng)避障的控制，以及追蹤控制的工作原理和應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：移動(dòng)機(jī)器小車(chē)；控制；制作與設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP24 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）13-0054-03

機(jī)器人逐漸進(jìn)入到人們的生活當(dāng)中，如現(xiàn)在家用的掃地機(jī)器人、飯店使用的洗碗機(jī)等等。機(jī)器人方便了人們的生活，優(yōu)化了人們的生活方式。機(jī)器人在未來(lái)一定可以對(duì)人類(lèi)的生活起到更大的作用。移動(dòng)機(jī)器人在生活中的應(yīng)用逐漸普遍，也引起了我對(duì)它的興趣，我從簡(jiǎn)單的移動(dòng)機(jī)器小車(chē)入手，開(kāi)始學(xué)習(xí)與研究移動(dòng)機(jī)器小車(chē)的控制，從而對(duì)機(jī)器人有更深的理解。

1 移動(dòng)機(jī)器小車(chē)的基礎(chǔ)知識(shí)

移動(dòng)機(jī)器小車(chē)即使用伺服電機(jī)根據(jù)軟件編程的設(shè)定，發(fā)出脈沖控制機(jī)器小車(chē)完成運(yùn)動(dòng)、避障、跟隨等任務(wù)的機(jī)器。

1.1 軟件介紹

BASIC Stamp是由美國(guó)Parallax公司自1992年起所提創(chuàng)的一種微控制器，此種微控制器與其他微控制器不同的地方在于：微控制器中的ROM內(nèi)存內(nèi)建了一套小型、特有的BASIC編程語(yǔ)言直譯器，稱為：PBASIC。

1.2 硬件介紹

伺服電機(jī)：伺服系統(tǒng)是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(biāo)（或給定值）的任意變化的自動(dòng)控制系統(tǒng)。

面包板：面包板是由于板子上有很多小插孔，專(zhuān)為電子電路的無(wú)焊接實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)制造的。電子元器件可根據(jù)需要隨意插入或拔出。

1.3 指令和循環(huán)語(yǔ)句

伺服電機(jī)在收到某一特定的信號(hào)時(shí)，處于靜止?fàn)顟B(tài)。本次使用的伺服電機(jī)在收到脈沖寬度為1.5ms的脈沖信號(hào)時(shí)，處于靜止?fàn)顟B(tài)。在計(jì)算機(jī)上，將使用一個(gè)PULSOUT指令。PAUSE是低電平，PULSOUT輸出的是高電平。

PULSOUT指令：PULSOUT Pin，Time。Time是用來(lái)計(jì)算脈沖寬度的時(shí)間單位數(shù)，時(shí)間單位是2/μs，則零點(diǎn)脈沖寬度為T(mén)ime=0.0015s/0.000002s=750。

要控制脈沖之間的間隔則需要使用PAUSE指令。

PAUSE指令：PAUSE T。T是PAUSE的值，它表示微控制器在執(zhí)行下一條指令之前要等待多久。T的單位是1ms。如要等待0.5秒，則給T賦值為500：PAUSE 500。

要持續(xù)產(chǎn)生脈沖信號(hào)，則還需要用到DO…LOOP循環(huán)語(yǔ)句當(dāng)中。

DO…LOOP語(yǔ)句：

DO

PULSOUT 1，750

PAUSE 500

LOOP

如此則可以循環(huán)運(yùn)行指令。

還有一種FOR…NEXT的語(yǔ)句適用于有限次數(shù)的循環(huán)：

C VAR Word

FOR C=1 TO 200

C=C+1

PULSOUT 1，850

PULSOUT 2，650

PAUSE 20

NEXT

根據(jù)計(jì)算，循環(huán)一次的時(shí)間大概為23ms，循環(huán)200次，則為4.6秒。

1.4 勻速運(yùn)動(dòng)和勻變速運(yùn)動(dòng)的原理以及執(zhí)行方法

勻速運(yùn)動(dòng)：當(dāng)Time參數(shù)的值大于750時(shí)，會(huì)使伺服電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，而當(dāng)Time的值為850時(shí)，則會(huì)全速逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。順時(shí)針?lè)粗嗳弧．?dāng)要?jiǎng)蛩龠\(yùn)動(dòng)時(shí)，可以使用PULSOUT指令使兩個(gè)伺服電機(jī)同時(shí)旋轉(zhuǎn)。由于兩個(gè)電機(jī)對(duì)應(yīng)方向相反，則一個(gè)電機(jī)順時(shí)針輸出，一個(gè)電機(jī)逆時(shí)針輸出可以完成勻速運(yùn)動(dòng)。表1。

DO

PULSOUT 1，850

PULSOUT 2，650

PAUSE 20

LOOP

如果測(cè)量出不同脈沖寬度下行走的距離，可以計(jì)算出小車(chē)的行駛速度。

勻變速運(yùn)動(dòng)：當(dāng)Time輸出的參數(shù)逐漸變化時(shí)，速度也會(huì)由此變化，則依據(jù)此可以進(jìn)行勻變速運(yùn)動(dòng)代碼的編寫(xiě)：

C VAR Word

For C=1 To 100

Pulse out 1，750+1

Pulse out 2，750-1

PAUSE 20

NEXT

在100次循環(huán)后，速度逐漸增加到最大值，完成了一次勻變速運(yùn)動(dòng)。根據(jù)加減的數(shù)值大小算出加速度的大小。

2 被動(dòng)避障

被動(dòng)避障是機(jī)器小車(chē)進(jìn)行的被動(dòng)行為。當(dāng)機(jī)器小車(chē)被障礙阻礙從而被動(dòng)接受到障礙的信號(hào)時(shí)，做出轉(zhuǎn)動(dòng)和避讓。

2.1 被動(dòng)避障的原理

可以通過(guò)一個(gè)感受障礙的裝置，將障礙信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。本次使用了一個(gè)類(lèi)似胡須的裝置來(lái)完成這個(gè)任務(wù)。

胡須是類(lèi)似一個(gè)觸角的金屬絲，彎曲形成一個(gè)環(huán)形，在前面感測(cè)障礙，胡須如同一個(gè)開(kāi)關(guān)，控制著機(jī)器小車(chē)。胡須開(kāi)關(guān)的狀態(tài)值1或0儲(chǔ)存在IN7的變量中。當(dāng)沒(méi)有被按下時(shí)存儲(chǔ)值為1，胡須被按下時(shí)存儲(chǔ)值為0。機(jī)器小車(chē)在行走中，一旦胡須被按下，就代表有障礙物，根據(jù)胡須的不同情況使機(jī)器小車(chē)進(jìn)行不同的動(dòng)作，從而完成被動(dòng)避障。

2.2 被動(dòng)避障使用的代碼以及程序的設(shè)計(jì)

為了使機(jī)器小車(chē)進(jìn)行判斷，需要使用IF…THEN語(yǔ)句：

IF（cundition）THEN…{ELSEIF（CONDITION）}…{ELSE}…ENDIF

可以提前編制一些動(dòng)作的代碼，在程序中使用GOSUB來(lái)進(jìn)行子函數(shù)，這樣在寫(xiě)程序中就簡(jiǎn)潔許多。（IN5為左胡須的存儲(chǔ)器，IN7為右胡須的存儲(chǔ)器）

3 主動(dòng)避障

主動(dòng)避障是機(jī)器小車(chē)進(jìn)行的主動(dòng)行為。當(dāng)機(jī)器小車(chē)在還未接觸到障礙時(shí)主動(dòng)接收到障礙的信號(hào)時(shí)，做出轉(zhuǎn)動(dòng)和避讓。

3.1 主動(dòng)避障的原理

可以通過(guò)一個(gè)紅外感應(yīng)裝置，將障礙信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。我使用了紅外線探測(cè)器完成這項(xiàng)任務(wù)。機(jī)器小車(chē)上使用了紅外線二極管LED作為發(fā)射源，如果有障礙物，則會(huì)對(duì)紅外線進(jìn)行阻礙和反射，如此則機(jī)器小車(chē)上的紅外線探測(cè)器便可以測(cè)得反射回來(lái)的紅外線。為了排除普通光源的干擾，紅外線探測(cè)器內(nèi)部的光濾波器只允許980nm波長(zhǎng)的紅外線通過(guò)，并且紅外線探測(cè)器的電子濾波器只允許38500Hz的電信號(hào)通過(guò)，即只尋找每秒閃爍38500次的紅外線。

3.2 主動(dòng)避障使用的代碼以及程序的設(shè)計(jì)

為了讓紅外線二極管LED發(fā)出所需的和聲信號(hào)，需使用FREQOUT指令。如：

FREQOUT 8，1，38500

這句代碼的指令就是連接到8號(hào)引腳的紅外線二極管LED電路發(fā)送1ms頻率為38500Hz的和聲信號(hào)。

當(dāng)紅外線探測(cè)器接收到紅外信號(hào)時(shí)會(huì)產(chǎn)生存儲(chǔ)值，沒(méi)發(fā)現(xiàn)物體顯示1，發(fā)現(xiàn)物體顯示0。IRDL和IRDR是左右兩個(gè)紅外線探測(cè)器的存儲(chǔ)值。使用下面代碼即可將存儲(chǔ)值儲(chǔ)存到存儲(chǔ)器當(dāng)中。

IRD VARL Bit

IRD=IN9

則主動(dòng)避障的程序代碼為

（定義變量）

IRDL VAR Bit

IRDR VAR Bit

C VAR Byte

（主程序）

DO

FREQOUT8，8，1，38500

IRDL=IN9

FREQOUT8，2，1，38500

IRDL=IN0

IF（IN9=0）AND（IN0=0） THEN 表示前方有障礙

GOSUB BACK

GOSUB LEFT

GOSUB LEFT

ELSEIF（IN9=0） THEN 表示左邊有障礙

GOSUB BACK

GOSUB RIGHT

ELSEIF（IN0=0） THEN 表示右邊有障礙

GOSUB BACK

GOSUB LEFT

ELSE GOSUB GO 無(wú)障礙則持續(xù)前進(jìn)

ENDIF

LOOP

（子函數(shù)）

GO： 表示前進(jìn)的子函數(shù)

PULSOUT 1，850

PULSOUT 2，650

PAUSE 20

RETURN

LEFT： 表示左轉(zhuǎn)的子函數(shù)

FOR C=0 TO 20

PULSOUT 1，650

PULSOUT 2，650

PAUSE 20

NEXT

RETURN

RIGHT：表示右轉(zhuǎn)的子函數(shù)

FOR C=0 TO 20

PULSOUT 1，850

PULSOUT 2，850

PAUSE 20

NEXT

RETURN

BACK： 表示后退的子函數(shù)

FOR C=0 TO 40

PULSOUT 1，650

PULSOUT 2，850

PAUSE 20

NEXT

RETURN

3.3 主動(dòng)避障和被動(dòng)避障的區(qū)別與優(yōu)缺點(diǎn)

主動(dòng)避障沒(méi)有直接接觸到障礙，是提前預(yù)知障礙進(jìn)行避讓?zhuān)槐粍?dòng)避障是直接接觸到障礙，從而進(jìn)行避讓。兩種避障方式的原理不同，但它們的目的相同?？筛鶕?jù)不同的需要和要求進(jìn)行兩種避障方式之間的選擇。主動(dòng)避障避免的直接的撞擊導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失，但是缺點(diǎn)是通過(guò)無(wú)線傳感器接收到的干擾因素較多，成本高。

4 移動(dòng)機(jī)器小車(chē)的距離探測(cè)和追蹤

不同頻率的和聲信號(hào)探測(cè)的距離遠(yuǎn)近也不同，可以發(fā)射多種頻率的和聲信號(hào)，根據(jù)返回的紅外線頻率探測(cè)物體的位置，并使用負(fù)反饋控制系統(tǒng)進(jìn)行追蹤。

4.1 用頻率掃描進(jìn)行編程做距離探測(cè)

頻率特性使得紅外線傳感器在不同的頻率下有不同的靈敏度，導(dǎo)致紅外線探測(cè)的距離不同。如圖1，物體反射了39500Hz、38250Hz和37500Hz的紅外線，根據(jù)接收情況，可以得知物體在區(qū)域2。劃分區(qū)域越多則精度越高，定位也更加準(zhǔn)確，但會(huì)增大計(jì)算量，帶來(lái)不必要的麻煩。由于本次研究目的在于追蹤，不需要過(guò)高的精度，所以以1000hz為最小分度值，劃分為6個(gè)區(qū)域。

當(dāng)信號(hào)反饋時(shí)，有一種頻率的信號(hào)反饋則儲(chǔ)存的數(shù)字是0，無(wú)信號(hào)反饋則為1。如在圖1中物體在區(qū)域2時(shí)，接收到了3種信號(hào)的反饋，而另外兩種信號(hào)的反饋則接受不到，即為3個(gè)0，2個(gè)1，求和的出數(shù)字2，而數(shù)字2對(duì)應(yīng)的便是區(qū)域2。

為了對(duì)紅外線頻率進(jìn)行掃描，要用FREQOUT指令發(fā)送6種不同頻率的紅外線信號(hào)，使用LOOKUP命令可以簡(jiǎn)便的寫(xiě)出。LOOKUP命令的用法定義如下：

LOOKUP Index，[Value0，Value1，…ValueN]，Variable

則代碼可為

IRF VAR Nib

IRD VAR Bit

FOR IRF=1 TO 4

LOOKUP IRF，[37500，38250，39500，40500，41500]，IRF

FREQOUT8，1，IRF

IRD=IN9

NEXT

4.2 移動(dòng)機(jī)器小車(chē)的追蹤控制

這個(gè)任務(wù)是要讓機(jī)器小車(chē)跟隨一個(gè)移動(dòng)的物體。根據(jù)閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制，在落后較遠(yuǎn)時(shí)，機(jī)器小車(chē)能進(jìn)行加速；當(dāng)距離太近的時(shí)候，它也能察覺(jué)并減速。如果距離合適，那么它會(huì)等待直到測(cè)量距離變遠(yuǎn)或者變進(jìn)。

如圖2，我們需要機(jī)器小車(chē)保持2個(gè)區(qū)域的距離，相差4區(qū)域的距離接下來(lái)對(duì)機(jī)器小車(chē)進(jìn)行編程。

由此得出右邊伺服電機(jī)的輸出方程為：

Right servo output=（Right distance set point-Measured right distance）*Kp+Center pulse width

pulseLeft=（SetPoint-distanceLeft）*Kpl+CenterPulse

pulseRight=（SetPoint-distanceRight）*Kpl+CenterPulse

將右邊距離設(shè)置為2，測(cè)量距離由變量distanceRight存儲(chǔ)，Kp為35（比例常數(shù)是根據(jù)伺服電機(jī)特性得出來(lái)的常數(shù)），脈沖寬度為750。

pulseLeft=（2-distanceRight）*35+750

5 結(jié)論

在移動(dòng)機(jī)器小車(chē)的制作與探究中，我學(xué)到了被動(dòng)避障和主動(dòng)避障的原理與設(shè)計(jì)，體會(huì)研究追蹤移動(dòng)機(jī)器小車(chē)的原理，學(xué)會(huì)了使用BASIC stamp 軟件，了解了紅外線二極管LED和紅外線探測(cè)器。我相信在未來(lái)，移動(dòng)機(jī)器小車(chē)的使用會(huì)更加的廣泛，涉及到更多的領(lǐng)域，也將會(huì)有更多的功能。我也要緊跟時(shí)代腳步，在機(jī)器小車(chē)的領(lǐng)域中繼續(xù)探索。

參考文獻(xiàn)

[1]秦志強(qiáng)，侯肖霞，王文斌.基礎(chǔ)機(jī)器小車(chē)制作與編程[M].第二版.北京：電子工業(yè)出版社.