【正文】 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) 。一種是開關(guān)周期恒定，通過改變導(dǎo)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(dǎo)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)。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 通過反相器邏輯處理后，接至 L293D 的 IN1~IN4 控制電機(jī)轉(zhuǎn) 。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)，完全可通過將使能端 EN1 的邏輯電平置零實(shí)現(xiàn)。 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 。 圖 L293D內(nèi)部電路原理 其中， IN1IN4 為電機(jī)工作控制端分，通過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)。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。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)。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。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(shí)間，即可計(jì)算出被測物體的距離。 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。機(jī)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。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)。 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。檢測范圍為 ~6m。MA40B8R 的實(shí)物圖如圖 所示，內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖 所示 。超聲波收發(fā)換能器，亦即超聲波發(fā)生器和接收器。考慮到單一傳感器探測的局限性，在實(shí)際應(yīng)用中，往往通過運(yùn)用多個(gè)傳感器 來進(jìn)行信息補(bǔ)償。 當(dāng)前國內(nèi)外研制的移動(dòng)機(jī)器人，多采用超聲波傳感器來實(shí)現(xiàn)障礙物檢測。此時(shí)，若移動(dòng)機(jī)器人無法檢測到該障礙物并及時(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。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。 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 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 。 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(biāo)號(hào)、指令助記符和注釋等部分組成。其輸出緩沖器具有對(duì)稱 的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流 ； XTAL2 片內(nèi)反向振蕩放大器的輸出端； XTAL1 反向振蕩放大器與片內(nèi)時(shí)鐘操作電路的輸入端； RXD 串行輸入通道； TXD 串行輸出通道； INT0 外部中斷 0； INT1 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。 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 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。其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流 ； 圖 ATmega8515L微控制器的芯片引腳配置圖 C(PC7..PC0) 端口 C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 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(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。 AVR中的通用寄存器和 I/O 寄存器，其功能、特點(diǎn)及使用方法涉及整個(gè) AVR 單片機(jī)的全部功能和特 。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 。 這 3 個(gè)存儲(chǔ)器之間互相獨(dú)立，物理結(jié)構(gòu)也不相同。 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。因此， AVR 片內(nèi)的 WDT 是獨(dú)立硬件形式的看門狗，使用 AVR 可以省掉外部的 WDT 芯片。 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。系統(tǒng)時(shí)鐘 為控制器提供時(shí)鐘脈沖，是控制器的心臟。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。 ATmega8515L 微控制器特點(diǎn) 1997 年， ATMEL 挪威設(shè)計(jì)中心出于市場考慮 充分發(fā)揮其 Flash 技術(shù)優(yōu)勢(shì)，精簡指令集（ RISC）微控制器，簡稱 AVR 微控制器。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。此外，為便于 日后擴(kuò)展移動(dòng)機(jī)器人的功能，微控制器應(yīng)具有較強(qiáng)的 I/O 能力。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。在硬件的 設(shè)計(jì)過程中，對(duì)微控制器的選型往往需要考慮諸多因素，本文中的微控制器選用主要包括以下幾個(gè)方面： (1)對(duì)于微控制器類型，目前國內(nèi)外移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)采用的微控制器有多種，如飛思卡爾微控制器、東芝微控制器，甚至有的設(shè)計(jì)采用更高檔 16 位、 32 位微控制器。 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。與 CPU 相比， MCU 的最大特點(diǎn)是使 PC機(jī)單片化，體積大大減小，功能和成本下降， 可靠性提高。 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。 在本文中 采用微控制器（ MicroController Unit,MCU）作為移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)的核心。具體設(shè)計(jì)過程中，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)。 本課題研究的控制系統(tǒng)主要由以下模塊構(gòu)成：微控制器模塊、模糊避障模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、測速模塊、電源模塊、存儲(chǔ)模塊等部分?？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。在簡單的未知環(huán)境中，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行的路徑設(shè)計(jì)與規(guī)劃，并通過路徑控制來減少其可能產(chǎn)生的偏差。 綜合考慮以上因素， 取得太大，機(jī)器人會(huì)在跟蹤過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 共 54 頁 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 。 把式（ ）代入（ ）得： = （ ） 由二階微分方程求解公式可知，它的特征方程為： + + =0 () 當(dāng) 式 ()的兩 個(gè)根 為兩個(gè)不相等的實(shí)根時(shí)， z= () 當(dāng)式 ()的兩個(gè)根 為兩個(gè)相等的實(shí)根時(shí)，即 時(shí)， z= () 當(dāng)式 ()的兩個(gè)根 為一對(duì)共軛復(fù)根，即 = 時(shí)， z= () 對(duì)于以上任何一種情況，只要保證 為正、常數(shù)，則以上三種情況下的微分方程的解都是衰減的，即當(dāng) t 時(shí)， z 0, 0,意味著機(jī)器人的位置收斂到期望路徑上，且其運(yùn)動(dòng)方向?yàn)槠谕窂降那芯€方向，并且其衰減的速度由 共同決定。 將式 ()代入 ()中，可得： 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 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。 假設(shè)機(jī)器人以恒定速度 v 運(yùn)動(dòng)， v 為常數(shù)，以下推導(dǎo) 的控制率。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)?？梢赃x擇合適的控制量 v，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)移。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。此處 v、 為控制變化量。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。 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 23 頁 共 54 頁 圖 時(shí)的路徑設(shè)計(jì) 路徑跟蹤控制又稱為軌跡控制 ，沿著所 設(shè)計(jì)的幾何路徑進(jìn)行移動(dòng)控制的基本思路是先求出軌跡目標(biāo)值和現(xiàn)時(shí)位姿的偏差，然后發(fā)出一個(gè)控制命令，發(fā)送給機(jī)器人的控制系統(tǒng)，使其偏差減小。過點(diǎn) B作圓，并外切圓 C于 F點(diǎn)，如圖 所示。在 A點(diǎn)移動(dòng)機(jī)器人的速度方向沿著 方向，由于移動(dòng)機(jī)器人的自身特性，其轉(zhuǎn)彎路徑只能為一光滑連續(xù)曲線，且其各個(gè)點(diǎn)的一階導(dǎo)數(shù)均存在。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 共 54 頁 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 。所以過 A 點(diǎn)做一圓心在垂直于 的直線 上的圓切于以 為半徑的圓，如圖 所示。在 A 點(diǎn)移動(dòng)機(jī)器人的速度方向沿著 方向。設(shè) A、 C點(diǎn)之間的距離為 d，其值可由傳感器確定，而 A點(diǎn)距離目標(biāo)點(diǎn) B點(diǎn)也是可知的，故根據(jù)障礙物出現(xiàn)的位置分為兩種情況進(jìn)行路徑設(shè)計(jì)。 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。 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 21 頁 共 54 頁 如果環(huán)境事先對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)來說是未知的或部分未知的，但機(jī)器人配備有實(shí)時(shí)的傳感器，則路徑規(guī)劃是動(dòng)態(tài)進(jìn)行的，并表現(xiàn)出一種“ 探索性 ” 的特點(diǎn)。 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(jìn)行動(dòng)態(tài)的路徑規(guī)劃，然后進(jìn)行路徑跟蹤控制。 （ 3）討論的路徑規(guī)劃方案排除在出發(fā)點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)及其附近有障礙物的情況。 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 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)劃是移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)中不可缺少的重要組成部分，它反映了機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中與周圍環(huán)境的交互能力，是移動(dòng)機(jī)器人完成任務(wù)的基礎(chǔ)和安全保障。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)。 小結(jié) 本章內(nèi)容主要介紹了移動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，首先明確提出了移動(dòng)機(jī)器人的三輪式結(jié)構(gòu)，繼而對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇進(jìn)行了詳細(xì)的分析，最后建立移動(dòng)機(jī)器人在理想狀態(tài)下的數(shù)學(xué)模型。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。根據(jù) Chow 定理，該系統(tǒng)是可控的。對(duì)照式（ ），則有： = 令 ， 則有 = =