【正文】 外部中斷 1； ALE 地址鎖存允許輸出，存取片外存儲(chǔ)器時(shí)，鎖存低位地址字節(jié)； 復(fù)位輸入引腳。 AVR 微控制器的尋址方式有多種： (1)單一寄存器直接尋址； (2)雙寄存器直接尋址； (3)I/0 直接尋址； (4)數(shù)據(jù)直接尋址； (5)帶位移的數(shù)據(jù)間接尋址； (6)數(shù)據(jù)間接尋址； (7)帶預(yù)減量數(shù)據(jù)間接尋址； (8)帶后增量的數(shù)據(jù)間接導(dǎo)址； (9)常量尋址； 移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)研究 第 32 頁(yè) 共 54 頁(yè) (10)程序直接尋址； (11)程序間接尋址； (12)程序相關(guān)尋址 。此時(shí)，若移動(dòng)機(jī)器人無(wú)法檢測(cè)到該障礙物并及時(shí)調(diào)整行進(jìn)路線，就有可能與之發(fā)生碰撞， 進(jìn)而造成移動(dòng)機(jī)器人本體的損害或被碰撞物的損傷。考慮到單一傳感器探測(cè)的局限性，在實(shí)際應(yīng)用中，往往通過(guò)運(yùn)用多個(gè)傳感器 來(lái)進(jìn)行信息補(bǔ)償。MA40B8R 的實(shí)物圖如圖 所示，內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖 所示 。 40KHz脈沖信號(hào)由 Atmega8515L 產(chǎn)生，其脈沖寬度及脈沖間隔均由軟件控制。機(jī)器人超聲探測(cè)并非檢測(cè)超聲波本身，而是借助超聲波反射測(cè)量空間物體的距離和位置。將調(diào)制后的超聲波發(fā)射出去，若能檢測(cè)到 被測(cè)物體反射回來(lái)的超聲波回波延遲時(shí)間，即可計(jì)算出被測(cè)物體的距離。本 文 采用意法半導(dǎo)體公司的L293D 專用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片作為移動(dòng)機(jī)器人左、右驅(qū)動(dòng)輪的電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。 圖 L293D內(nèi)部電路原理 其中， IN1IN4 為電機(jī)工作控制端分，通過(guò)不同的電壓邏輯組合，分別決定 兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)向； ENABLE ENABLE2 為電機(jī)工作使能端，分別連接至微控制器的兩路 PWM 輸出信號(hào)。亦即，不論電機(jī)正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)， IN1 與 IN2 電平始終絕對(duì)相反， 而兩者相同時(shí)電機(jī)停轉(zhuǎn)，完全可通過(guò)將使能端 EN1 的邏輯電平置零實(shí)現(xiàn)。一種是開關(guān)周期恒定，通過(guò)改變導(dǎo)通脈沖寬度來(lái)改變占空比的方式，即脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation，即 PWM)；另一種方式為導(dǎo)通脈沖寬度恒定，通過(guò)改變開關(guān)頻 率 (f=1/T)來(lái)改變占空比，亦即脈沖頻率調(diào)制 (Pulse Frequency Modulation，即 PFM)。電壓平均值 Uav,可用 式表示： () 圖 PWM控制的示意圖 () 式中 為開關(guān)每次接通的時(shí)間， T為開關(guān)通斷的時(shí)間周期，α為占空比。故本設(shè)計(jì)中，采用 PWM控制方式實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào) 。具體電路如圖 所示，微控制器的硬件 PWM輸出端口 OC1A 和 OC1B 分別接至 L293D 的 EN1 和 EN2 作為使能信號(hào)，通用 IO 口 PA2和PA3 通過(guò)反相器邏輯處理后，接至 L293D 的 IN1~IN4 控制電機(jī)轉(zhuǎn) 。 L293D 的電機(jī)工作控制端真值表，以第 1路的控制信號(hào)為例，具體關(guān)系見表 。并且 L293D 具有發(fā)熱量低、體積小以及節(jié)省印刷電路板面積等優(yōu)點(diǎn)，因此非常適合于本文的設(shè)計(jì)需要。C），則聲速 C=（ +℃） m/s，常溫 20℃下大氣中的聲速 C=340m/s； △ t 表示渡越時(shí)間，單位為 s。 超聲波傳感器的距離檢測(cè)方式有脈沖式和 FMCW（頻率調(diào)制 — 連續(xù) 波）式兩種。脈沖發(fā)送間隔取 決于要求測(cè)量的最大距離及測(cè)量通道數(shù)。檢測(cè)范圍為 ~6m。超聲波收發(fā)換能器，亦即超聲波發(fā)生器和接收器。 當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研制的移動(dòng)機(jī)器人，多采用超聲波傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)障礙物檢測(cè)。指令包括算術(shù)、邏輯運(yùn)算指令 25 條，數(shù)據(jù)傳送指令，條件轉(zhuǎn)移指令和位操作指令各 31條。 ATmega8515L 微控制器的指令系統(tǒng) AVR 微控制器匯編語(yǔ)言源程序一般由偽指令、標(biāo)號(hào)、指令助記符和注釋等部分組成。 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 31 頁(yè) 共 54 頁(yè) D(PD7..PD0) 端口 D為 8位雙向 I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。 移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)研究 第 30 頁(yè) 共 54 頁(yè) 圖中各引腳線的定義如下： VCC 芯片供電（片內(nèi)數(shù)字電路電源）輸入引腳，使用時(shí)連接到電源正極 ； GND 芯片接地引腳，使用時(shí)接地 ； A(PA7..PA0) 端口 A為 8位雙向 I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。如果要在程序存儲(chǔ)器中使用常量表，則常量表可以被設(shè)定在整個(gè) Flash地址空間中 。 CPU 在啟動(dòng)后起一個(gè)時(shí)鐘周期 取出第一條指令，在 周期便執(zhí)行取出的指令，同時(shí)有取出第二條指令，依次進(jìn)行。 系統(tǒng)時(shí)鐘頻率越高，單片機(jī)的執(zhí)行節(jié)拍就越快，處理速度也越快。工作于空閑模式時(shí) CPU 停止工作，而 SRAM、 T/C、 SPI 端口以及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作；掉電模式時(shí)晶體振蕩 器停止振蕩，所有功能除了中斷和硬件復(fù)位之外都停止工作； Standby 模式下只有晶體或諧振振蕩器運(yùn)行，其余功能模塊處于休眠狀態(tài)，使得器件只消耗極少的電流，同時(shí)具有快速啟動(dòng)能力。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)電路完成后的程序升級(jí)，微控制器需支持代碼在系統(tǒng)下載功能。并且該種微控制器的片內(nèi)資源應(yīng)當(dāng)較為豐富，以減小電路板面積并提高整機(jī)穩(wěn)定性。 微控制器的選用依據(jù) 微控制器是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心部件，直接影響到控制系統(tǒng)的功能和性能。 微控制器是一種嵌入式微處理器，顧名思義， 就是將整個(gè)計(jì)算機(jī) 系統(tǒng)集成到一塊芯片中。具體設(shè)計(jì)過(guò)程中，上述各個(gè)模塊力求相對(duì)獨(dú)立，以便系統(tǒng)日常的維護(hù)和今后的升級(jí)?？刂葡到y(tǒng)是整個(gè)移動(dòng)機(jī)器人的靈魂，控制系統(tǒng)的先進(jìn)與否直接決定著整個(gè)移動(dòng)機(jī)器人智能化的高低。 綜合考慮以上因素， 取得太大，機(jī)器人會(huì)在跟蹤過(guò)程中在路徑周圍振蕩，較移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)研究 第 26 頁(yè) 共 54 頁(yè) 難以穩(wěn)定在軌跡上； 取得太小，機(jī)器人的位置收斂到期望路徑上的速度太慢，在路徑的曲率變化比較大時(shí)，對(duì)路徑的跟蹤性比較差，因此應(yīng)選取合適的衰減系數(shù) ，以 使機(jī)器人的位置盡快收斂到期望的路徑 。 將式 ()代入 ()中，可得： 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 25 頁(yè) 共 54 頁(yè) = () 由于是線性定常系統(tǒng)，故可讓控制量 使 z 收斂到 0。因此以下在求機(jī)器人的控制量 v， 時(shí)，假定其中的一個(gè)為已知數(shù)，求取另一個(gè)。易證明該約束是不可積的，因此為一個(gè)非完整約束，不減少系統(tǒng)的自由度。機(jī)器人的位姿描述為 u=u(x,y, ).(x,y)為機(jī)器人的地盤形心，即質(zhì)心在絕對(duì)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)， 為相對(duì) x 軸的姿態(tài)角。過(guò)點(diǎn) B作圓，并外切圓 C于 F點(diǎn)，如圖 所示。由直角三角形的邊關(guān)系可得： () 移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)研究 第 22 頁(yè) 共 54 頁(yè) 圖 時(shí)的路徑設(shè)計(jì) 解方程可得： () 又因?yàn)?,則 () 移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡弧長(zhǎng)為： S= () 時(shí)的路徑設(shè)計(jì) 設(shè)障礙物的寬度為 ，移動(dòng)機(jī)器人的自身寬度為 。在 A 點(diǎn)移動(dòng)機(jī)器人的速度方向沿著 方向。 假設(shè)移動(dòng)機(jī)器人從 O點(diǎn)出發(fā)，目標(biāo)點(diǎn)為 B點(diǎn)，以此建立直角坐標(biāo)系，以 O點(diǎn)為原點(diǎn)，OB為 X軸的正向。 本系統(tǒng)應(yīng)用于簡(jiǎn)單的未知環(huán)境 ，通過(guò)傳感器來(lái)判斷周圍環(huán)境信息，故進(jìn)行動(dòng)態(tài)的路徑規(guī)劃，然后進(jìn)行路徑跟蹤控制。 路徑規(guī)劃方案 在路徑規(guī)劃之前先作如下假設(shè)： （ 1） 移動(dòng)機(jī)器人在路徑上檢測(cè) 到的所有物體都認(rèn)為是障礙物，且障礙物與移動(dòng)機(jī)器人的尺寸屬于一個(gè)數(shù)量級(jí)。路徑規(guī)劃的核心算法就是最短路徑算法，它是計(jì)算機(jī)科學(xué)與地理信息科學(xué)等領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。在前后輪受到式（ ）和式 ()約束的條件下，其運(yùn)動(dòng)也是不受限制的，因此，這些約束是不完整的。對(duì)照式（ ），則有： = 令 ， 則有 = = = = 為判斷矢量場(chǎng) { }的相關(guān)性，計(jì)算得： = = 所以，矢量場(chǎng) { }是線性無(wú)關(guān)的。其中， (x,y)是后輪車軸中點(diǎn)坐標(biāo)。純滾動(dòng)是指輪與地面接觸點(diǎn)的速度在輪平面內(nèi)的分量為零；無(wú)滑動(dòng)是指輪與地面接觸點(diǎn)速度在垂直于輪平面內(nèi)的分量為零。 下式就是一種單鏈系統(tǒng)： () 可以看出，鏈?zhǔn)较到y(tǒng)具有特別的結(jié)構(gòu)，若令 =const 那么系統(tǒng)呈現(xiàn)出線性且成為由驅(qū)動(dòng)從 到 的一條積分鏈，這樣就可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行解耦控制。記Δ是由 ,? , 定義的分布， ?是Δ的對(duì)合，設(shè)?=L 是由 ,? , 構(gòu)成的最小李代數(shù)，則可稱其為可控性李代數(shù)。 非完整系統(tǒng)的可 控性 如果不從約束的觀點(diǎn)（即不能運(yùn)動(dòng)的方向），而是從可以運(yùn)動(dòng)的方向來(lái)考慮，那么就可以選擇一組基，記為： ∈ ,j=1,...m. 其中 m=nk。當(dāng)系統(tǒng)的瞬時(shí)速度限制在 nk維子空間中，但可達(dá)位形的集合不限于位形空間中的某個(gè) nk維超曲面時(shí)，即存在這種非完整約束。具有這種形式的約束稱為 Pfaffian 約束。 設(shè)位形空間 Q是 中廣義坐標(biāo)為 q= , ,....., )的一個(gè)開子集。因此可稱其為幾何約束。 移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)研究 第 14 頁(yè) 共 54 頁(yè) 控制電路板：控制電路板是 移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械的重要部分，移動(dòng)機(jī)器人 的路徑規(guī)劃模塊及 控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)裝置 ，都集成在此控制板上。 1%以內(nèi)。通過(guò) 2個(gè)外部電阻可實(shí)現(xiàn) ～ 輸出電壓范圍。因?yàn)殡姍C(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片 L293 需要 ~8 V電壓，控制板的核心是 ATmega8515 的單片機(jī)，需要穩(wěn)定的 5V 電源，所以必須將電源經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓芯片 AMS1117 穩(wěn)壓、濾波輸出獲得 5v電壓。 （ 3）價(jià)格便宜，節(jié)約成本。它消除的鐵心渦流的能耗，同時(shí)重量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也很小。現(xiàn)在還出現(xiàn)了壓電執(zhí)行器、超聲波執(zhí)行器、形狀記性合金執(zhí)行器和靜電執(zhí)行器等新型執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 (5)經(jīng)濟(jì)性經(jīng)濟(jì)性是任何工程技術(shù)的一個(gè)重要指標(biāo)，控制電動(dòng)機(jī)也毫不例外，況且控制電機(jī)在系統(tǒng)中所占經(jīng)濟(jì)價(jià)值的比例較大，控制電機(jī)的經(jīng)濟(jì)性顯得尤為重要。 電機(jī)的選擇 移動(dòng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)除具有一般電動(dòng)機(jī)基本功能以 外，由于其特殊性，還具有下列特點(diǎn)及要求： (1)可控性，驅(qū)動(dòng)電機(jī)是將控制信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械運(yùn)動(dòng)的原件，可控性非常的重要。 由式（ ），（ ），（ ）得 () 由從動(dòng)輪的受力分析可得： () () 又 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 11 頁(yè) 共 54 頁(yè) () 所以由 ()、 ()、 ()得： () 對(duì)驅(qū)動(dòng)輪和從動(dòng)輪受力分析完后，下面分析車體受力，如圖所示： 圖 圖中， 為除車輪外車體的質(zhì)量。由于我們考慮的是機(jī)器人做直線運(yùn)動(dòng)的情況，所以各個(gè)輪子中心的運(yùn)動(dòng)速度與機(jī)器人的直線運(yùn)動(dòng)速度相同。車架底座由安裝于車體底部的三個(gè)車輪支撐，三個(gè)車輪構(gòu)成三角平面，符合架構(gòu)穩(wěn)定要求。 車體的機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)整個(gè)機(jī)器人的穩(wěn)定性、靈活性和小車的移動(dòng)效果起到非常重要的作 。據(jù)上所述，本論文的輪式移動(dòng)機(jī)器人選擇的方案：本設(shè)計(jì)選用三輪機(jī)構(gòu)，移動(dòng)機(jī)器人底盤的左右兩側(cè)分別安裝直流伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)輪，獨(dú)立驅(qū)動(dòng)；前輪為萬(wàn)向輪，僅起支撐作用，移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)研究 第 8 頁(yè) 共 54 頁(yè) 靠后輪的轉(zhuǎn) 速差實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn) 。在這種情況下，非驅(qū)動(dòng)輪應(yīng)為自由輪。在軌道上運(yùn)行的多采用實(shí)心的剛輪，室內(nèi)路面行駛的多采用充氣輪胎。使其能夠完成預(yù)定的使用功能，既能保證行機(jī)構(gòu)所需 的運(yùn)動(dòng)，又能保證組成零部件的工作可靠，另外還需考慮到設(shè)計(jì)的可行 。 論文的主要內(nèi)容： 第一，移動(dòng)機(jī) 器人的基礎(chǔ)知識(shí)；第二，移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械部分的設(shè)計(jì)研究與運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，詳細(xì)描述了車體的選擇，電機(jī)的選型，傳感器的選型，及運(yùn)動(dòng)學(xué)模型；第三，移動(dòng)機(jī)器人的路徑規(guī)劃研究及其控制算法研究，主要講述了模糊控制算法，并設(shè)計(jì)了避障路徑模糊控制器的設(shè)計(jì)；第四，移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，主要包括：電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，電源設(shè)計(jì)，硬件電路設(shè)計(jì)及系統(tǒng)可靠性分析；第五，移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，主要包括：程序設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)的環(huán)境。比如在 制造業(yè)中，柔性裝配系統(tǒng)（ FAS）是柔性制造系統(tǒng)的主要組成部分，近年來(lái)，為響應(yīng)產(chǎn)