【正文】 文設(shè)計的移動機器人結(jié)構(gòu)特點和功能要求，須在高性能計算與低功耗之間得到很好的平衡。(2) 從功能需求上，考慮到移動機器人的運動和動作大多采用直流電機驅(qū)動，因此選用的微控制器應具有高精度(分辨率 8 位以上)PWM 功能，以方便實現(xiàn)直流電機的調(diào)速控制。(3) 從控制軟件開發(fā)支持上，應便于開發(fā)和調(diào)試應用程序，需要較大的存儲空間和更高的運行速度?；谏鲜鲂枨蠓治?，經(jīng)過全面調(diào)研、反復比較，最終選用 ATMEL 公司的ATMEGAI6 型微控制器作為本系統(tǒng)的控制核心。由于其先進的指令集和單時鐘周期指令執(zhí)行時間，ATmegal6 的數(shù)據(jù)吞吐率高達111MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。所有的寄存器都直接與算術(shù)邏輯單元(ALU)相連接，使得一條指令可以在一個時鐘周期內(nèi)同時訪問兩個獨立的寄存器。 通過將 8 位 RISC CPU 與系統(tǒng)內(nèi)可編程的 Flash 集成在一個芯片內(nèi)，ATmegal6 成為一個功能強大的微控制器，為許多嵌入式控制應用提供了靈活而低成本的解決方案。ATMEGA16 微控制器主要有以下特點：(1)先進的 RISC 結(jié)構(gòu)，工作于 16MHz 時性能高達 16MIPS；(2)四通道 PWM； (3)8 路 10 位 ADC；片內(nèi)模擬比較器；(4)面向字節(jié)的兩線接口；兩個串行 USART；可工作于主機/ 從機模式的 SPI 串行接口；(5)具有獨立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器。(1)復位電路的設(shè)計ATMEGA16 已經(jīng)內(nèi)置了上電復位設(shè)計。但考慮移動機器人的可靠性要求，在設(shè)計時添加了一只 0. luF 的電容以消除干擾和雜波。第三章 移動機器人的控制系統(tǒng)設(shè)計12圖 3. 2 復位電路的原理圖D3 (1N4148)的作用有兩個：一方面將復位輸入的最高電壓鉗在 VCC+0. 5V 左右，另一方面當系統(tǒng)斷電時，將 R0 (10K)電阻短路，讓 C0 快速放電，讓下一次來電時，能產(chǎn)生有效的復位。(2)晶振電路的設(shè)計ATMEGAI6 已經(jīng)內(nèi)置 RC 振蕩線路，可以產(chǎn)生 1M，2M ，4M，8M 的振蕩頻率。具體電路見圖 3. 3 晶振電路示意圖。Mega 微控制器系列實際使用中，這兩只小電容不接也能正常工作。13(3) AD 轉(zhuǎn)換濾波電路的設(shè)計AD 轉(zhuǎn)換濾波電路的示意圖見圖 。官方文檔推薦在 VCC 串上一只 l0uH 的電感(L1)，然后接一只 0. luF 的電容 (C4)到地。也可以從外面輸入?yún)⒖茧妷海缭诳墒褂?TL431 基準電壓源。在 AREF 腳接一只 0. luF 的電容(C3)到地，起到參考電壓濾波的作用。使用雙排 25 插座。第三章 移動機器人的控制系統(tǒng)設(shè)計14圖 3. 5 ISP 下載接口電路原理圖JTAG 仿真接口也是使用雙排 25 插座，需要四只 l0K 的上拉電阻，原理圖見圖 3. 6 。 電機驅(qū)動模塊 移動機器人采用左右兩方輪子獨立驅(qū)動，采用差速轉(zhuǎn)向機構(gòu)，每個車輪分別由一個直流電機和一個步進電機單獨控制。本設(shè)計選用直流力矩電機驅(qū)動車輪。 本設(shè)計選用的電機為寧波三佳公司的 12V 直流電機 JS30YZJ，轉(zhuǎn)速為3000r/min，配有減速比為 1:30 的減速器。其中勵磁控制方法在低速時受磁極飽和的限制，在高速時受換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強度的限制，并且勵磁線圈電感較大，動態(tài)響應較差，所以這種控制方法用得很少。而在對直流電動機電樞電壓的控制和驅(qū)動中，對半導體器件的使用上又可分為兩種方式：線性放大驅(qū)動和開關(guān)驅(qū)動方式。這種方式的優(yōu)點是：控制原理簡單，輸出波動小，線性好，對鄰近電路干擾??；但是功率器件在線性區(qū)工作時由于產(chǎn)生熱量會消耗大部分電功率，效率和散熱問題嚴重，因此這種方式只適合用于微小功率直流電動機的驅(qū)動。開關(guān)驅(qū)動方式是使半導體器件工作在開關(guān)狀態(tài)，通過調(diào)節(jié)電動機電樞的等效工作電壓，實現(xiàn)電機調(diào)速。 可控開關(guān) S 以一定時間間隔重復地接通和斷開，當 S 接通時，供電電源 Vs 通過開關(guān) S 施加到電動機兩端，電源向電機提供能量，電動機儲能；當開關(guān) S 斷開時，中斷了供電電源 Vs 向電動機提供電能，但在開關(guān) S 接通期間電樞電感所儲存的能量此時通過續(xù)流二極管 VD 使電動機電流繼續(xù)流通。T?? 由上式可見 ，改變開關(guān)接通時間和開關(guān)周期 的比例亦即改變脈沖的占空比，ton T電動機兩端的電壓平均值也隨之改變，因而電動機轉(zhuǎn)速得到了控制。一種是開關(guān)周期恒定，通過改變導通脈沖寬度來改變。由于 PFM 控制是依靠脈沖頻率來改變占空比的，當遇到某個特殊的頻率下的機械諧振時，常導致系統(tǒng)震動和出現(xiàn)音頻嘯叫聲，這一嚴重的缺點導致 PFM 控制在伺服系統(tǒng)中不適用。 電機驅(qū)動電路直流電機工作所需的電流、電壓較大，且轉(zhuǎn)動方向的改變需要通過調(diào)整所加電壓的極性實現(xiàn)，因此必須通過專門的電機驅(qū)動電路進行控制。L293D 符合 TTL 邏輯電平接口標準，可用來驅(qū)動大功率感性負載，比如繼電器、直流和步進電機和開關(guān)電源晶體管，可以通過邏輯設(shè)定實現(xiàn)電機驅(qū)動電壓的極性轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)向調(diào)整。L293D 內(nèi)部電路原理如圖 3. 7 所示。 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 3. 1表 3. 1 L293D 控制端真值表控制端電平ENA IN1 IN2電機工作情況H H L 正轉(zhuǎn)H L H 反轉(zhuǎn)H H HH L L剎車L X X 停車 結(jié)合表 可知，當且僅當 INl 與 IN2 反相的情況下，電機才工作 (轉(zhuǎn)動)。 故在本設(shè)計中，在微控制器的通用 IO 口和 L293D 控制端之間添加了兩個反相器，從而實現(xiàn)了單電機單線控制轉(zhuǎn)向的功能，簡化了微控制器的程序設(shè)計和硬件端口資源分配。第三章 移動機器人的控制系統(tǒng)設(shè)計18圖 電機驅(qū)動電路原理圖 硬件實現(xiàn) PWM 的方法 ATMEGAI6 內(nèi)部集成有 4 通道硬件 PWM 單元，分別為 OC0, OClA, OC1B 和OC2。PWM 信號的分別率采用 8 位，可實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速 0～255 級的線性平穩(wěn)調(diào)速。其時序如圖 所示。計數(shù)器從 BOTTOM 計到 TOP，然后立即回到 BOTTOM重新開始。 由于使用了單邊斜坡模式，快速 PWM 模式的工作頻率比使用雙斜坡的相位修正PWM 模式高一倍。高頻可以減小外部元器件(電感，電容)的物理尺寸，從而降低系統(tǒng)成本。其中，產(chǎn)生 2 通道 8 位 PWM 信號的初始化代碼如下：//TIMERI initializeprescale：1024//WGM: 5)PWM 8bit fast， TOP=Ox00FFvoid timedl _init (void){DDRD=0x30； //設(shè)定 PD5 PD4 為輸出端口TCCRIB=0x00； //關(guān)閉定時器 1TCNT1=0； //設(shè)置初值OCR1A=0；OCR1B=0；TCCRlA=0x81；TCCRlB=0x09； //設(shè)置工作模式，啟動定時器} 光電編碼器測速模塊測速元件是速度閉環(huán)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵元件。 增量式光電編碼器光電編碼器俗稱碼盤，是一種通過光電轉(zhuǎn)換將軸上的機械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器，主要用于機械轉(zhuǎn)角位置和旋轉(zhuǎn)速度的檢測和控制。圓盤上規(guī)則地刻有透光和不透光的線條或孔，當圓盤隨著轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時，光敏元件接收的光通量強弱隨著光線條同步變化，光敏元件波形經(jīng)過整形輸出變?yōu)槊}沖輸出。本設(shè)計選用 ZKX650BM7 型增量式光電編碼器是一款高精度角位移傳感器，主軸每旋轉(zhuǎn)一周分兩路輸出 500 個電壓脈沖信號 Out_A 和 Out_B。 移動機器人驅(qū)動輪線速度的測量通常，根據(jù)脈沖計數(shù)來測量轉(zhuǎn)速的方法有三種，分別介紹如下：(l) M 法測速：在規(guī)定的時間間隔內(nèi)，測量所產(chǎn)生的脈沖數(shù) m，來獲得被測速度值，這種方法稱為 M 法，適合于高速測量場合。 (3) M/T 法測速：M/T 法是同時測量檢測時間和在此檢測時間內(nèi)脈沖發(fā)生器發(fā)送的脈沖數(shù)來確定被測轉(zhuǎn)速，兼有 M 法和 T 法的優(yōu)點。 將光電編碼器輸出接至微控制器的外部中斷 INT2，則轉(zhuǎn)動引起的每一個電壓脈沖都會觸發(fā)微控制器外部中斷。 因此，根據(jù)光電編碼器轉(zhuǎn)動單位角位移所需的時間，就可求得轉(zhuǎn)動軸的角速率，結(jié)合光電編碼器同軸驅(qū)動輪的半徑，就可算得移動機器人驅(qū)動輪的實時線速度。設(shè) V 為 t 時間內(nèi)的平均速度，由于計算速度所需的時間段足夠小，所以可將平均速度 V 近似為實時速度，則實時速度21 (32)nTNltSv?式中，S 為驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的位移，n 為所經(jīng)歷的固定時間段的記數(shù)，l 為光電編碼器驅(qū)動輪的周長，N 為光電編碼器旋轉(zhuǎn)一周輸出的脈沖數(shù)，此處 N=500。因此，識別光電編碼器主軸的轉(zhuǎn)向是實現(xiàn)移動機器人運動控制的必須要求。具體鑒相電路原理圖如圖 3. 11 所示。根據(jù) D 觸發(fā)器的功能定義，在輸入時鐘信號 Out_A 的每個脈沖上跳沿，觸發(fā)器的輸出W2 被控制端 D 的輸入信號 Out_B 置位。第三章 移動機器人的控制系統(tǒng)設(shè)計22 圖 3. 11 光電編碼器正轉(zhuǎn)時鑒相電路輸入輸出示意 正轉(zhuǎn)時，Out_A 信號的相位超前 Out_B 信號 90 度，Wl 輸出始終為高電平。因此，通過讀取 Wl 的電壓高低，就可以判別光電編碼器的轉(zhuǎn)向，亦即車輪的轉(zhuǎn)向。 光電編碼器測速的誤差分析 影響光電編碼器計數(shù)精度的原因在于，編碼器的主碼盤被激振而附加了瞬間的隨機高頻振動，從而引起在透光窗邊沿附近發(fā)生小幅度晃動，振動的響應和頻率與主碼盤本身及激振的頻率有關(guān)。 遙操作模塊 本課題研究的移動機器人具備多種工作模式，既可以按照預先編程的路徑運動，也可以根據(jù)遙控指令，實時調(diào)整自身運動狀態(tài)，完成前進、后退、停止、轉(zhuǎn)向等基本動作。按鍵的鍵值被編碼模塊編譯為RF 發(fā)射模塊4 路按鍵PT2262編碼電路微控制器RF 接收模塊PT2262編碼電路23特定串行碼，此串行碼輸入至發(fā)射電路，作為發(fā)射電路的控制信號。接收部分經(jīng)天線收到調(diào)制信號，該調(diào)制信號由接收電路處理為特定串行碼，此串行碼包含了操作者的按鍵信息。從而移動機器人根據(jù)操作者的按鍵值，做出相應動作。RF 收發(fā)模塊的引腳分別為 DATA OUT/IN， VCC 和 GND 三線接口。 編解碼電路選用臺灣普城公司生產(chǎn)的 PT2262/2272 專用編解碼芯片。PT2262 最多可有 6 位(D0D5)數(shù)據(jù)端管腳，設(shè)定的地址碼和數(shù)據(jù)碼從 17 腳串行輸出，主要用于無線遙控發(fā)射電路。 因此，微控制器讀取 PT2272 的數(shù)據(jù)輸出端電平即可獲得操作者的按鍵鍵值。當發(fā)射機沒有按鍵按下時，PT2262 不接通電源，其 17 腳為低電平，所以 315MHz 的高頻發(fā)射電路不工作，當有按鍵按下時，PT2262 得電工作，其第 17 腳輸出經(jīng)調(diào)制的串行數(shù)據(jù)信號。所以高頻發(fā)射電路完全受控于 PT2262 的 17 腳輸出的數(shù)字信號，從而對高頻電路完成幅度鍵控(ASK 調(diào)制)相當于調(diào)制度為 100%的調(diào)幅。defiue K1 6 //PB6defiue K2 7 //PB7defiue K3 6 //PD6defiue K4 7 //PD7if (PINBamp。BIT (Kl))； //waiting for release Kl} 電源模塊 作為無纜工作的移動機器人，必需自帶能源。其中機器人控制電路部分使用+5V 直流供電，驅(qū)動電機部分則需要 +12 直流供電。與密封鉛酸電池、鎳福電池、鎳氫電池相比，埋電池具有最高的能量/重量比和能量/體積比。 移動機器人電源設(shè)計 如前文所述，采用 4 節(jié) 埋電池串連使用可以提供 直流電壓。 若采用傳統(tǒng)穩(wěn)壓方案，將 直流電壓依次通過 7812，7809，7805 得到+12V和+5V 電壓，會存在嚴重的能源損耗問題。因此，這種供電方案不適合用于對能源利用效率要求相對苛刻的移動機器人系統(tǒng)。 LM2575 系列開關(guān)穩(wěn)壓集成電路由美國國家半導體公司生產(chǎn)，它內(nèi)部集成了一個固定的振蕩器，只須極少外圍器件便可構(gòu)成一種高效的穩(wěn)壓電路，可大大減小散熱片的體積，而且在大多數(shù)情況下不需散熱片；內(nèi)部有完善的保護電路，包括電流限制及熱關(guān)斷電路等；芯片可提供外部控制引腳。本設(shè)計中，具體的通過 LM2575 實現(xiàn)供電的電路原理圖如圖 所示。 在使用 LM2575 設(shè)計電路時，著重考慮了以下幾點： (l)電感的選擇。 (2)輸入輸出電容的選擇。例F?10如，對于 V 電壓輸出，推薦使用耐壓值為 16V 的電容。二極管的額定電流值應大于最大負載電流的 1. 2 倍，但考慮到負載短路的情況，二極管的額定電流值應大于 LM2575 的最大電流限制；另外二極管的反向電壓應大于最大輸入電壓的 倍。 充電電路設(shè)計 移動機器人工作過程中，若檢測到自身電量不足，則機器人將發(fā)出聲光報警，提醒操作者及時充電。 埋電池采用恒流充電的方法充電，