自主式移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)是指根據(jù)指令任務(wù)及環(huán)境信息進(jìn)行自主路徑規(guī)劃，并且在任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中不斷采集局部環(huán)境信息，做出決策，從而實(shí)現(xiàn)安全行駛并準(zhǔn)確到達(dá)目標(biāo)地點(diǎn)的智能系統(tǒng)。本文以L(fǎng)PC2119為控制核心，介紹了一種輪式移動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案。該機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用超聲傳感器、光敏傳感器、碰撞傳感器采集外部環(huán)境信息，采用PTR2000實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人與計(jì)算機(jī)通信，從而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)信息的反饋和計(jì)算機(jī)控制命令的發(fā)送。

LPC2119是Philips公司推出的支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的 ARM7TDMI-S微處理器，嵌入128KB高速Flash存儲(chǔ)器。它采用3級(jí)流水線(xiàn)技術(shù)，取指、譯碼和執(zhí)行同時(shí)進(jìn)行，能夠并行處理指令，提高CPU運(yùn)行速度。由于其具有非常小的尺寸和極低的功耗，非常適合小型化應(yīng)用。片內(nèi)多達(dá)64KB的SRAM，具有較大的緩沖區(qū)規(guī)模和強(qiáng)大的處理能力。LPC2119 內(nèi)部集成2個(gè)CAN控制器、2個(gè)32位定時(shí)計(jì)數(shù)器和4個(gè)ADC單元電路。

1 硬件結(jié)構(gòu)

控制器 LPC2119主要用來(lái)產(chǎn)生2路PWM信號(hào)以及處理傳感器信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)小車(chē)的智能控制。本系統(tǒng)采用IR2110作為H橋電路驅(qū)動(dòng)芯片，用4片 STP60NE06搭接H橋電路驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，并利用光電編碼器檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速；采用16路超聲傳感器系統(tǒng)作為系統(tǒng)的避碰和簡(jiǎn)單測(cè)距；采用光敏傳感器實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)光源的感知和尋找；采用碰撞傳感器感知碰撞，使機(jī)器人能做出急時(shí)處理；采用無(wú)線(xiàn)通信芯片PTR2000實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與計(jì)算機(jī)的無(wú)線(xiàn)通信。

1.1 電機(jī)的PWM控制

IR2110是美國(guó)IR(International Rectifier)公司推出的一種雙通道、高壓、高速的功率器件柵極驅(qū)動(dòng)的單片式集成驅(qū)動(dòng)器。它把驅(qū)動(dòng)高壓側(cè)和低壓側(cè)MOSFET或IGBT所需的絕大部分功能集成在一個(gè)高性能的封裝內(nèi)，外接很少的分立元件即能提供極快的開(kāi)關(guān)速度和極低的功耗。其特點(diǎn)在于：將輸入邏輯信號(hào)轉(zhuǎn)換成同相位低阻抗輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，可驅(qū)動(dòng)同一橋臂上的2路輸出，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，響應(yīng)速度快；工作電壓較高，可達(dá)600V；內(nèi)設(shè)欠壓封鎖；成本低、易于調(diào)試；電路芯片體積小，為DIP14 封裝。高壓側(cè)驅(qū)動(dòng)采用外部自舉電容上電，與其他IC驅(qū)動(dòng)電路相比，在設(shè)計(jì)上大大減少了驅(qū)動(dòng)變壓器和電容的數(shù)目，降低了產(chǎn)品成本，減小了體積，提高了系統(tǒng)的可靠性。這種適用于驅(qū)動(dòng)功率MOSFET和IGBT的自舉式集成電路，在電源變換、電機(jī)調(diào)速等功率驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。

LPC2119單片機(jī)的PWM功能建立在標(biāo)準(zhǔn)定時(shí)器上，它具有32位的定時(shí)控制器及預(yù)分頻控制器、7個(gè)匹配控制器，可實(shí)現(xiàn)6個(gè)單邊PWM或3個(gè)雙邊PWM 輸出，也可以使用這兩種類(lèi)型的混合輸出。此系統(tǒng)使用端口PWM0和PWM1輸出兩路PWM信號(hào)，分別控制移動(dòng)機(jī)器人的2個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。PWM信號(hào)經(jīng)過(guò)光電耦合器形成兩路相位相差180°的信號(hào)加到IR2110的HIN和LIN引腳上，實(shí)現(xiàn)對(duì)同一橋臂上的兩個(gè)MOSFET開(kāi)關(guān)的控制，原理如圖1所示。

 

HIN為高電平期間，Q1、Q4導(dǎo)通，在直流電機(jī)上加正向工作電壓；HIN為低電平期間，LIN端輸入高電平，Q2、Q3導(dǎo)通，在直流電機(jī)上加反向工作電壓。因此電樞上的工作電壓是雙極性矩形脈沖波形。由于機(jī)械慣性的作用，矩形脈沖電壓的平均值決定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。

1.2 超聲傳感器系統(tǒng)

為減輕控制器LPC2119的負(fù)擔(dān)，超聲傳感器系統(tǒng)由Atmel公司的AT89C1051單片機(jī)控制。1051單片機(jī)是含有一個(gè)1KB 可編程E2PROM的高性能微控制器，它與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MCS-51的指令和引腳兼容。它為很多嵌入式控制應(yīng)用提供了一個(gè)高度靈活、有效的解決方案。AT89C1051有以下特點(diǎn)：1KB的E2PROM、128B的RAM、15根I/O線(xiàn)、2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、5個(gè)二級(jí)向量中斷結(jié)構(gòu)、1個(gè)全雙向的串行口且內(nèi)含精密模擬比較器和片內(nèi)振蕩器，具有4.25~5.5V的電壓工作范圍及24MHz工作頻率，同時(shí)還具有加密陣列的二級(jí)程序存儲(chǔ)器加鎖、掉電和時(shí)鐘電路等。此外，AT89C1051還支持兩種軟件設(shè)置的電源節(jié)電方式?？臻e時(shí)，CPU停止，而RAM、定時(shí)/ 計(jì)數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電時(shí)，保存RAM的內(nèi)容，但振蕩器停振以禁止芯片其他功能，直到下一次硬件復(fù)位。

1051控制每 60ms發(fā)送一路超聲波，檢測(cè)回波時(shí)間，并完成距離的計(jì)算。這樣16路超聲波循環(huán)檢測(cè)一次約為1s，在常溫時(shí)超聲波的速度約為344m/s，可以計(jì)算出障礙物的距離，最后將超聲波傳感器編號(hào)及距離信息傳送給LPC2119。

超聲波發(fā)射及接收子系統(tǒng)如圖2所示。1051利用P1.0引腳向外發(fā)送 40kHz的脈沖信號(hào)，此信號(hào)作為4－16譯碼器74HC154的使能信號(hào)，引腳P1.1~P1.4作為譯碼信號(hào)，分別對(duì)應(yīng)編號(hào)0~15的超聲波傳感器。此信號(hào)經(jīng)過(guò)9013放大后推動(dòng)換能器產(chǎn)生40kHz的超聲波信號(hào)。

 

LM567是一片鎖相環(huán)電路，其5、6腳外接的電阻和電容決定了內(nèi)部壓控振蕩器的中心頻率f2，f2≈1/1.1RC。其1、2腳分別通過(guò)電容器接地，形成輸出濾波網(wǎng)絡(luò)和環(huán)路單級(jí)低通濾波網(wǎng)絡(luò)。2腳所接電容決定鎖相環(huán)路的捕捉帶寬：電容值越大，環(huán)路帶寬越窄。LM567的工作電壓為4.75～9V，工作頻率從直流到500kHz，靜態(tài)工作電流約8mA。

超聲子系統(tǒng)基本功能為：當(dāng)接收器接收到超聲波回波時(shí)，產(chǎn)生交流小信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)過(guò)LM358組成2級(jí)放大電路后，幅值達(dá)25mV以上。當(dāng)LM567的3腳輸入幅度 ≥25mV、頻率為40kHz的信號(hào)時(shí)，8腳由高電平變成低電平，此低電平信號(hào)被連接到1051的INT0引腳產(chǎn)生中斷信號(hào)。1051在超聲波發(fā)送時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器，在INT0中斷時(shí)關(guān)閉定時(shí)器，由此可以得到超聲波的傳播時(shí)間，并計(jì)算出障礙物距離。

應(yīng)用本系統(tǒng)對(duì)測(cè)量范圍為30~400cm的平面物體做了多次測(cè)量發(fā)現(xiàn)，其最大誤差為0.5cm，且重復(fù)性好。如果加大超聲波發(fā)射的驅(qū)動(dòng)電流，接收部分的放大電路再加一級(jí)，可以使檢測(cè)距離增大到 600cm。

1.3 無(wú)線(xiàn)通信子系統(tǒng)

此系統(tǒng)選用微小型、低功耗、 19.2kbps的無(wú)線(xiàn)收發(fā)MODEM芯片PTR2000實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與計(jì)算機(jī)的無(wú)線(xiàn)通信。該芯片的工作頻率為國(guó)際通用的數(shù)傳頻段433MHz，采用FSK 調(diào)制，可連接到計(jì)算機(jī)的RS232接口。系統(tǒng)采用的通信協(xié)議如下：

　　[開(kāi)始字符] [數(shù)據(jù)1] [數(shù)據(jù)2]……[校驗(yàn)和] [結(jié)束字符]

將PTR2000的DO、DIN引腳分別與LPC2119的TXD0(13引腳)和RXD0(14引腳)相連，作為串行通信的通道。CS為 PTR2000模塊的頻率選擇信號(hào)；PWR為模塊節(jié)能引腳，正常工作為高電平。TXEN是模塊發(fā)射接收控制，由LPC2119的I/O口控制。 PTR2000是收發(fā)一體的集成芯片，采用3.3V供電，可以與LPC2119無(wú)縫連接。PTR2000作為發(fā)射端與PC機(jī)相連時(shí)，需要通過(guò)一個(gè)電平轉(zhuǎn)換器(本文為MAX3232)轉(zhuǎn)換成RS-232電平。PLC2119可以通過(guò)把輸出口置1或清0將無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊PTR2000設(shè)置為發(fā)送或接收狀態(tài)；可通過(guò)VB的MSComm控件的RTSEnable屬性實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)算機(jī)串口的控制。

1.4 光敏傳感器子系統(tǒng)

機(jī)器人使用的光敏傳感器為硫化鎘光電管(CDS)。硫化鎘光電管的電阻值隨著照射的表面光的多少而變化，光線(xiàn)越強(qiáng)，電阻值越小。硫化鎘光電管通常也稱(chēng)為光敏電阻。CDS的電阻值對(duì)較少的光線(xiàn)就能產(chǎn)生較大的變化，是機(jī)器人系統(tǒng)較為常用的一種光敏傳感器。在機(jī)器人車(chē)體上平均分布8個(gè)同樣的光敏傳感器，感知機(jī)器人周?chē)墓鈴?qiáng)變化。通過(guò)采集各傳感器的輸出電壓，由軟件算法確定機(jī)器人的路徑，使機(jī)器人總是朝光線(xiàn)更強(qiáng)的方向行走，實(shí)現(xiàn)對(duì)光源的尋找。

將一個(gè)精密電阻與CDS器件串聯(lián)，該電阻起分壓作用，將CDS器件的電阻值轉(zhuǎn)換成應(yīng)對(duì)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器件(ADC)適當(dāng)?shù)碾妷褐?。CDS器件的分壓輸出給ADC，隨后電壓值轉(zhuǎn)換為數(shù)字值。當(dāng)更多的光線(xiàn)照在CDS器件上時(shí)，其電阻和ADC上輸出的電壓值都會(huì)減小。一般取這個(gè)精密電阻的阻值與CDS器件的最大電阻值相等。

2 軟件編程

因任務(wù)不同，系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)有所不同。本移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的任務(wù)是在已知大小且光線(xiàn)較暗的封閉環(huán)境中自主尋找光源。

系統(tǒng)軟件在啟動(dòng)后先進(jìn)行系統(tǒng)的自檢和初始化，然后進(jìn)行路徑的規(guī)劃。先橫向遍歷整個(gè)環(huán)境，如果發(fā)現(xiàn)光源，機(jī)器人停止運(yùn)動(dòng)，等待命令；如果沒(méi)有找到光源，再縱向遍歷整個(gè)環(huán)境，如果發(fā)現(xiàn)光源，機(jī)器人停止運(yùn)動(dòng)；如果還是沒(méi)有找到，就顯示出錯(cuò)信息。當(dāng)超聲波子系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)前方有障礙物或機(jī)器人與障礙物發(fā)生碰撞時(shí)，將產(chǎn)生外部中斷，終止程序的運(yùn)行，控制器LPC2119將收到障礙物距離或碰撞信息，并由此重新規(guī)劃路徑，由此實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自主運(yùn)行。

本設(shè)計(jì)是一個(gè)基于ARM7微處理器的車(chē)載嵌入式系統(tǒng)，不僅滿(mǎn)足了移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)的要求而且為機(jī)器人的轉(zhuǎn)型應(yīng)用提供了良好的技術(shù)支持。在此基礎(chǔ)上可以加入各種先進(jìn)的控制算法，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的智能化。

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作者： 宋長(zhǎng)會(huì) 趙國(guó)良 李濤 任楨 （哈爾濱工程大學(xué),自動(dòng)化學(xué)院,黑龍江,哈爾濱,150001）