【正文】 外部中斷 1； ALE 地址鎖存允許輸出，存取片外存儲器時，鎖存低位地址字節(jié)； 復位輸入引腳。 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)間接導址； (9)常量尋址； 移動機器人控制系統(tǒng)研究 第 32 頁 共 54 頁 (10)程序直接尋址； (11)程序間接尋址； (12)程序相關(guān)尋址 。此時，若移動機器人無法檢測到該障礙物并及時調(diào)整行進路線，就有可能與之發(fā)生碰撞， 進而造成移動機器人本體的損害或被碰撞物的損傷?？紤]到單一傳感器探測的局限性，在實際應(yīng)用中，往往通過運用多個傳感器 來進行信息補償。MA40B8R 的實物圖如圖 所示，內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖 所示 。 40KHz脈沖信號由 Atmega8515L 產(chǎn)生，其脈沖寬度及脈沖間隔均由軟件控制。機器人超聲探測并非檢測超聲波本身，而是借助超聲波反射測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，若能檢測到 被測物體反射回來的超聲波回波延遲時間，即可計算出被測物體的距離。本 文 采用意法半導體公司的L293D 專用電機驅(qū)動芯片作為移動機器人左、右驅(qū)動輪的電機的驅(qū)動。 圖 L293D內(nèi)部電路原理 其中， IN1IN4 為電機工作控制端分，通過不同的電壓邏輯組合，分別決定 兩個電機的轉(zhuǎn)向； ENABLE ENABLE2 為電機工作使能端，分別連接至微控制器的兩路 PWM 輸出信號。亦即，不論電機正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)， IN1 與 IN2 電平始終絕對相反， 而兩者相同時電機停轉(zhuǎn)，完全可通過將使能端 EN1 的邏輯電平置零實現(xiàn)。一種是開關(guān)周期恒定，通過改變導通脈沖寬度來改變占空比的方式，即脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation，即 PWM)；另一種方式為導通脈沖寬度恒定，通過改變開關(guān)頻 率 (f=1/T)來改變占空比，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)每次接通的時間， T為開關(guān)通斷的時間周期，α為占空比。故本設(shè)計中，采用 PWM控制方式實現(xiàn)電機調(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，通用 IO 口 PA2和PA3 通過反相器邏輯處理后，接至 L293D 的 IN1~IN4 控制電機轉(zhuǎn) 。 L293D 的電機工作控制端真值表，以第 1路的控制信號為例，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，因此非常適合于本文的設(shè)計需要。C），則聲速 C=（ +℃） m/s，常溫 20℃下大氣中的聲速 C=340m/s； △ t 表示渡越時間，單位為 s。 超聲波傳感器的距離檢測方式有脈沖式和 FMCW（頻率調(diào)制 — 連續(xù) 波）式兩種。脈沖發(fā)送間隔取 決于要求測量的最大距離及測量通道數(shù)。檢測范圍為 ~6m。超聲波收發(fā)換能器，亦即超聲波發(fā)生器和接收器。 當前國內(nèi)外研制的移動機器人，多采用超聲波傳感器來實現(xiàn)障礙物檢測。指令包括算術(shù)、邏輯運算指令 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 微控制器匯編語言源程序一般由偽指令、標號、指令助記符和注釋等部分組成。 華北科技學院畢業(yè)設(shè)計 第 31 頁 共 54 頁 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。 移動機器人控制系統(tǒng)研究 第 30 頁 共 54 頁 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，使用時連接到電源正極 ； GND 芯片接地引腳，使用時接地 ； 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。如果要在程序存儲器中使用常量表，則常量表可以被設(shè)定在整個 Flash地址空間中 。 CPU 在啟動后起一個時鐘周期 取出第一條指令，在 周期便執(zhí)行取出的指令，同時有取出第二條指令，依次進行。 系統(tǒng)時鐘頻率越高，單片機的執(zhí)行節(jié)拍就越快，處理速度也越快。工作于空閑模式時 CPU 停止工作，而 SRAM、 T/C、 SPI 端口以及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作；掉電模式時晶體振蕩 器停止振蕩，所有功能除了中斷和硬件復位之外都停止工作； Standby 模式下只有晶體或諧振振蕩器運行，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，同時具有快速啟動能力。同時，為實現(xiàn)電路完成后的程序升級，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)當較為豐富，以減小電路板面積并提高整機穩(wěn)定性。 微控制器的選用依據(jù) 微控制器是整個控制系統(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， 就是將整個計算機 系統(tǒng)集成到一塊芯片中。具體設(shè)計過程中，上述各個模塊力求相對獨立，以便系統(tǒng)日常的維護和今后的升級?？刂葡到y(tǒng)是整個移動機器人的靈魂，控制系統(tǒng)的先進與否直接決定著整個移動機器人智能化的高低。 綜合考慮以上因素， 取得太大，機器人會在跟蹤過程中在路徑周圍振蕩，較移動機器人控制系統(tǒng)研究 第 26 頁 共 54 頁 難以穩(wěn)定在軌跡上； 取得太小，機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，對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： 華北科技學院畢業(yè)設(shè)計 第 25 頁 共 54 頁 = () 由于是線性定常系統(tǒng)，故可讓控制量 使 z 收斂到 0。因此以下在求機器人的控制量 v， 時，假定其中的一個為已知數(shù)，求取另一個。易證明該約束是不可積的，因此為一個非完整約束，不減少系統(tǒng)的自由度。機器人的位姿描述為 u=u(x,y, ).(x,y)為機器人的地盤形心，即質(zhì)心在絕對坐標系中的坐標， 為相對 x 軸的姿態(tài)角。過點 B作圓，并外切圓 C于 F點，如圖 所示。由直角三角形的邊關(guān)系可得： () 移動機器人控制系統(tǒng)研究 第 22 頁 共 54 頁 圖 時的路徑設(shè)計 解方程可得： () 又因為 ,則 () 移動機器人的運動軌跡弧長為： S= () 時的路徑設(shè)計 設(shè)障礙物的寬度為 ，移動機器人的自身寬度為 。在 A 點移動機器人的速度方向沿著 方向。 假設(shè)移動機器人從 O點出發(fā)，目標點為 B點，以此建立直角坐標系，以 O點為原點，OB為 X軸的正向。 本系統(tǒng)應(yīng)用于簡單的未知環(huán)境 ，通過傳感器來判斷周圍環(huán)境信息，故進行動態(tài)的路徑規(guī)劃，然后進行路徑跟蹤控制。 路徑規(guī)劃方案 在路徑規(guī)劃之前先作如下假設(shè)： （ 1） 移動機器人在路徑上檢測 到的所有物體都認為是障礙物，且障礙物與移動機器人的尺寸屬于一個數(shù)量級。路徑規(guī)劃的核心算法就是最短路徑算法，它是計算機科學與地理信息科學等領(lǐng)域研究的熱點。在前后輪受到式（ ）和式 ()約束的條件下，其運動也是不受限制的，因此，這些約束是不完整的。對照式（ ），則有： = 令 ， 則有 = = = = 為判斷矢量場 { }的相關(guān)性，計算得： = = 所以，矢量場 { }是線性無關(guān)的。其中， (x,y)是后輪車軸中點坐標。純滾動是指輪與地面接觸點的速度在輪平面內(nèi)的分量為零；無滑動是指輪與地面接觸點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，鏈式系統(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)動從 到 的一條積分鏈，這樣就可以對系統(tǒng)進行解耦控制。記Δ是由 ,? , 定義的分布， ?是Δ的對合，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（即不能運動的方向），而是從可以運動的方向來考慮，那么就可以選擇一組基，記為： ∈ ,j=1,...m. 其中 m=nk。當系統(tǒng)的瞬時速度限制在 nk維子空間中，但可達位形的集合不限于位形空間中的某個 nk維超曲面時，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 中廣義坐標為 q= , ,....., )的一個開子集。因此可稱其為幾何約束。 移動機器人控制系統(tǒng)研究 第 14 頁 共 54 頁 控制電路板：控制電路板是 移動機器人機械的重要部分，移動機器人 的路徑規(guī)劃模塊及 控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和檢測裝置 ，都集成在此控制板上。 1%以內(nèi)。通過 2個外部電阻可實現(xiàn) ～ 輸出電壓范圍。因為電機的驅(qū)動芯片 L293 需要 ~8 V電壓，控制板的核心是 ATmega8515 的單片機，需要穩(wěn)定的 5V 電源，所以必須將電源經(jīng)過穩(wěn)壓芯片 AMS1117 穩(wěn)壓、濾波輸出獲得 5v電壓。 （ 3）價格便宜，節(jié)約成本。它消除的鐵心渦流的能耗，同時重量和轉(zhuǎn)動慣量也很小。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)行機構(gòu)。 (5)經(jīng)濟性經(jīng)濟性是任何工程技術(shù)的一個重要指標，控制電動機也毫不例外，況且控制電機在系統(tǒng)中所占經(jīng)濟價值的比例較大，控制電機的經(jīng)濟性顯得尤為重要。 電機的選擇 移動機器人驅(qū)動系統(tǒng)的電機除具有一般電動機基本功能以 外，由于其特殊性，還具有下列特點及要求： (1)可控性，驅(qū)動電機是將控制信號轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械運動的原件，可控性非常的重要。 由式（ ），（ ），（ ）得 () 由從動輪的受力分析可得： () () 又 華北科技學院畢業(yè)設(shè)計 第 11 頁 共 54 頁 () 所以由 ()、 ()、 ()得： () 對驅(qū)動輪和從動輪受力分析完后，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器人做直線運動的情況，所以各個輪子中心的運動速度與機器人的直線運動速度相同。車架底座由安裝于車體底部的三個車輪支撐，三個車輪構(gòu)成三角平面，符合架構(gòu)穩(wěn)定要求。 車體的機械結(jié)構(gòu)對整個機器人的穩(wěn)定性、靈活性和小車的移動效果起到非常重要的作 。據(jù)上所述，本論文的輪式移動機器人選擇的方案：本設(shè)計選用三輪機構(gòu)，移動機器人底盤的左右兩側(cè)分別安裝直流伺服電機的驅(qū)動輪，獨立驅(qū)動；前輪為萬向輪，僅起支撐作用，移動機器人控制系統(tǒng)研究 第 8 頁 共 54 頁 靠后輪的轉(zhuǎn) 速差實現(xiàn)轉(zhuǎn) 。在這種情況下，非驅(qū)動輪應(yīng)為自由輪。在軌道上運行的多采用實心的剛輪，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，既能保證行機構(gòu)所需 的運動，又能保證組成零部件的工作可靠，另外還需考慮到設(shè)計的可行 。 論文的主要內(nèi)容： 第一，移動機 器人的基礎(chǔ)知識；第二，移動機器人機械部分的設(shè)計研究與運動學模型，詳細描述了車體的選擇，電機的選型，傳感器的選型，及運動學模型；第三，移動機器人的路徑規(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)計了避障路徑模糊控制器的設(shè)計；第四，移動機器人控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計，主要包括：電機驅(qū)動電路設(shè)計，電源設(shè)計，硬件電路設(shè)計及系統(tǒng)可靠性分析；第五，移動機器人控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計，主要包括：程序設(shè)計及其實現(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，為響應(yīng)產(chǎn)