基于飛思卡爾控制器的光電循跡機(jī)器人設(shè)計(jì)

阮殿旭

（沙洲職業(yè)工學(xué)院，江蘇 張家港 215600）

0 引言

移動(dòng)機(jī)器人是涉及機(jī)械、電子、微傳感器、微機(jī)控制，控制工程技術(shù)等多個(gè)學(xué)科的綜合性系統(tǒng)，是現(xiàn)在智能移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究方向之一[1-4]。隨著工業(yè)智能化及物流行業(yè)的快速發(fā)展，物流移動(dòng)機(jī)器人正在進(jìn)行技術(shù)革新，發(fā)展的趨勢(shì)智能化、集群化、模塊化等[5]。由于傳統(tǒng)的循跡移動(dòng)機(jī)器人速度快、成本高；低成本時(shí)，運(yùn)行效果又不理想[6-7]。針對(duì)此問題，本文提出了一種基于飛思卡爾控制器的智能輪式循跡機(jī)器人設(shè)計(jì)方案。

1 移動(dòng)機(jī)器人的整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用飛思卡爾控制器KL25為核心，結(jié)合相應(yīng)傳感器、數(shù)字舵機(jī)、動(dòng)力鋰電池及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路，通過自動(dòng)控制技術(shù)，自主識(shí)別運(yùn)行路徑，控制移動(dòng)機(jī)器人自主識(shí)別運(yùn)行線路，并高速穩(wěn)定地行駛到目的地。

輪式循跡機(jī)器人是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖1所示?？刂葡到y(tǒng)的輸入包括路徑信息、機(jī)器人的運(yùn)行速度信息和轉(zhuǎn)向信息；輸出包括轉(zhuǎn)向控制信息輸出和速度控制輸出。路徑信息和速度信息通過光電傳感器和測速編碼器將信號(hào)傳送到控制器，經(jīng)過控制器的處理決策以后，輸出控制移動(dòng)機(jī)器人的轉(zhuǎn)向和速度。整個(gè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，可以實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)定的運(yùn)行。

圖1 機(jī)器人系統(tǒng)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

輪式移動(dòng)機(jī)器人的控制部分以飛思卡爾K25L為核心，該控制器采用ARM Cortex-M0+內(nèi)核，頻率為8MHZ,128KB閃存，16KB SRAM，具有多種通信方式，同時(shí)具備OpenSDA接口功能，方便調(diào)試。

控制系統(tǒng)的硬件模塊包括：電源穩(wěn)壓管理模塊，路徑信息識(shí)別模塊，速度檢測模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，信號(hào)校正模塊，調(diào)試接口模塊等。硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 移動(dòng)機(jī)器人硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1 電源模塊

移動(dòng)機(jī)器人使用7.4V的2S動(dòng)力鋰電池作為電源，通過穩(wěn)壓電路產(chǎn)生穩(wěn)定的5V電壓供給控制器和傳感器，舵機(jī)等則直接使用7.4V電壓，可以提高舵機(jī)等靈敏度和動(dòng)力。5V穩(wěn)壓電路采用TL494穩(wěn)壓芯片，13腳輸出5V電壓誤差可以達(dá)到0.05V。

2.2 光電傳感單元

采用紅外光電傳感器，其由紅外線發(fā)射、光敏接收管組成。光敏接收管的阻值對(duì)光線強(qiáng)度變化非常敏感，隨著接受到的光線的強(qiáng)弱，接收管的阻值可以從幾千歐到幾百千歐變化，當(dāng)紅外光線發(fā)射到地面時(shí)，地面上的路徑和周圍不一致，產(chǎn)生的反射強(qiáng)度也不一樣，位于不同位置的紅外傳感器，就可以根據(jù)反射光的強(qiáng)度不同產(chǎn)生不同的阻值，從而來區(qū)分地面的路徑引導(dǎo)信息。

3 軟件設(shè)計(jì)

移動(dòng)機(jī)器人為了克服在快速移動(dòng)時(shí)二值判斷連續(xù)性差，運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性不足的缺點(diǎn)，本系統(tǒng)采用慢速移動(dòng)二值判斷和快速運(yùn)動(dòng)連續(xù)識(shí)別相結(jié)合的信號(hào)處理算法。

圖3 機(jī)器人控制流程圖

根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況，預(yù)先設(shè)定一個(gè)速度閾值，當(dāng)實(shí)際運(yùn)行速度小于閾值時(shí)，紅外傳感器根據(jù)檢測數(shù)值判斷為兩種（引導(dǎo)路徑和其他地面）；當(dāng)實(shí)際運(yùn)行速度大于設(shè)定閾值時(shí)，紅外光電傳感器的輸出信號(hào)與路面對(duì)光線的反射率及傳感器與引導(dǎo)標(biāo)記的水平距離有定量關(guān)系，根據(jù)這種關(guān)系，就可以推出傳感器輸出信號(hào)與引導(dǎo)標(biāo)記線偏移距離關(guān)系，從而獲得車身中心相對(duì)于黑線的更精確的位置，得到連續(xù)分布的路徑信息，克服了二值判斷時(shí)，大量細(xì)節(jié)信息的缺失問題。

移動(dòng)機(jī)器人使用的飛思卡爾控制器，為了實(shí)現(xiàn)控制算法的程序?qū)崿F(xiàn)，需要使用離散PID算法來控制舵機(jī)的速度，關(guān)系式如下：

式中e(n) 表示機(jī)器人在運(yùn)行的實(shí)際速度和給定速度差值信息。

4 結(jié)論

本文介紹一種采用了飛思卡爾控制器，通過在不同運(yùn)動(dòng)速度的情況下，使用不同的路徑分析方法，精確控制機(jī)器人完成快速和慢速時(shí)的循跡，通過離散PID算法完成電機(jī)速度控制，通過測試驗(yàn)證達(dá)到了預(yù)期要求，在必要時(shí)可以提高路徑檢測精度，同時(shí)保證運(yùn)行的流暢穩(wěn)定性。