轮式移动机器人控制电路设计

闫瑞涛　　史洁

（黑龙江农业经济职业学院　　黑龙江牡丹江　　１５７０４１）

摘　要：介绍了轮式移动机器人实际试验中的主要电路原理以及各主要部件的工作原理，并调试了电机、传感器、数字罗盘等。通过试验，验证了轮式移动机器人规划的可行性，成功实现避障功能，并准确到达目标点。关键词：轮式移动机器人　　控制　　硬件电路设计　　传感器　　数字罗盘

中图分类号：Ｔ

Ｐ

２

４

　　文献标识码：Ａ

　　文章编号：１６７３－０５３４（２００７）０６（ａ）－０００６－０３

本移动机器人以８０３１单片机为控制系统的核心，因为单片机控制的主要优点有：

⑴单片机的功能完善。单片机内部包含了计算机的所有基本功能，运算速度高，实时控制功能特别强，能满足很多应用领域对硬件的功能要求。

⑵单片机的体积小。由于单片机应用系统结构简单，体积小，因此能够满足多种场合的要求。

⑶单片机系统可靠性高。其信息传输线大多数在芯片内部，因此不易受到外界的干扰。

⑷使用方便，性能价格比高。单片机系统扩展方便，应用系统的硬件设计非常简单，各种单片机的开发工具具有很强的调试功能和辅助设计手段，使得单片机的应用极为方便，而且单片机的性能价格比高于一般的微型系统。

图１　　　控制系统硬件框图

图２　　　光电开关的布置图３　　　传感器的固定

１　硬件电路设计

选用了８０３１单片机作为主ＣＰＵ，由于本电路耗电量较大的是电机，电机的功耗无法消除，比较可行的做法是采用功耗较低的芯片，选用８９Ｃ５２单片机。

对电路的基本功能要求如下：

⑴能够给电机提供２个方向信号，２个脉冲信号（控制行走机构）；

⑵能够通过对脉冲的个数对电机进行开环位移控制；

⑶能够方便地对电机进行速度控制；⑷能够与数字罗盘进行通信；⑸能够接收光电开关的信息。

为满足以上要求，需要大量的计数器和脉冲发生器，以及扩展足够数量的Ｉ／Ｏ口，并考虑到与主芯片之间的连接，主要选择了

８１５５

和

８２５３，选择情况如表

１

所示。

　　　　　表１　　主要芯片的选择理由

２　传感器

外界传感器由于其接触与非接触状态取得的消息不同，又可分为非接触传感器与接触传感器。移动机器人在运动空间要探测自身与周围环境物体之间的相对位置，要用到一种接近觉传感器，它是也属于外界传感器，它的使用对机器人在工作过程中适时地进行轨迹规划与防止机器人与外界物体碰撞很有意义的。

接近觉是机器人接近物体所感知的距离物体远近程度的信息，它具有视觉和触觉的中间功能，能敏感对象物和障碍物的位置、姿态、运动等。这种传感器主要有以下三个作用：

⑴在接近对象物前得到必要的信息，以便准备后续动作；

⑵发现前方障碍物时限制行程，避免碰撞；⑶获取对象物表面各点间距离的信息，从而测出对象物表面形状。

接近觉传感器有光电式、电磁式、气压式、电容式和超声波式。

红外式接近觉传感器的基本工作原理：它包括两个组成部分——发送器与接收器。发送器往往为红外发光二极管，而接收器一般为光敏晶体管。发送器向某物发出一束红外光后，该物体发射红外光，并被接收器所接收。通过反射与接收达到判断物体的存在的目的，经过信号处理与解算，又可获得其相对距离，从而确定其位置。红外式接近传感器的明显优点是在于它的发送器与接收器都很小，因此可以方便安装在机器人的各个部位。且它的应答性好，维修方便，是目前应用较多的—种接近觉传感器。一般把它用于移动机器人的路径探测和躲避障碍物。

本机器人的底盘上布置了５个红外线光电开关Ｅ１８－Ｄ３０Ｂ１，其布置如图２所示，其固定见图３所示。

设定传感器感应有效距离为６００ｍｍ，通过

传感器判断障碍物以后，其转弯规则如表

２

所

示。

　　　　　　　　　表

２　　　转弯规则

其中，传感器的信号０表示低电平，前方有障碍物；信号１表示高电平，前方没有障碍物。在路径规划规则中，Ｌｅｆｔ、Ｒｉｇｈｔ分别起始时向左、向右转弯。

３　数字罗盘

３．１　性能简介

ＴＤＣＭ３是一款高性能、低损耗的数字罗盘，一旦主机提出请求，它通过串口连接向主机系统传输数据。ＴＤＣＭ３内有一个高度集成的标定程序用来补偿周围有铁磁介质引起的失真。

它主要应用于交通工具指南针；ＰＤＡ、移动电话、望远镜；导航系统以及仿真实体。它还具有探测失真功能，即当有磁介质干扰等将会显示一个警告标记，并妥善处理当前的电信号，具有自动标定算法库。

⑴主要性能

误差　　　　　±　　　３ｏ精度　　　　　±　　０．５ｏ重复度　　　±　　　３ｏ

整个电路板由１２Ｖ工业电池供电，经稳压管７８０８和７８０５降为５Ｖ。８９Ｃ５２由１１．０５９ＭＨｚ的晶振驱动（主要考虑到要与数字罗盘通信），采用上电复位。而通过试验发现用单片机本身的Ｐ口因功率太小无法驱动光电耦合器，必须用８１５５的Ｉ／Ｏ口来驱动。由于要接受行程开关信号，控制８２５３的ＧＡＴＥ，电机的方向和继电器，需要扩充一定数量的Ｉ／Ｏ口。

机器人行走机构的硬件控制系统的基本组成结构如图１所示。

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高　新　技　术

⑵能量供应

所需电压　　　３Ｖ～５Ｖ

所需电流　　　休眠模式　　１ｕＡ　　　　　　　　　　标定模式　　８ｍＡ⑶通信

ＴＤＣＭ３提供２４００，４８００，９６００，１９２００波特率４

个等级的频率。

⑷管脚设定

电子罗盘的管脚如图

４

所示。

　图

５　　　普通模式波形图

　　　　　　　　　　　图４　　　管脚设定

在实际应用中，将罗盘直接安装在它本身的调试电路板上。而在上电状态下，调试电路板将ＲＴＳ脚经电阻接高电平。为使ＲＴＳ脚可置低电平，我用光电耦合器将其接地。光电耦合器的通断决定ＲＴＳ脚的电平：光电耦合器接通时ＲＴＳ脚为低电平；光电耦合器断开时ＲＴＳ脚为高电平。

ＲＸＤ接单片机的ＴＸ脚，接收单片机的通信信号；ＴＸ接单片机的ＲＸ脚，向单片机传送罗盘所测得的数据。 ３．２　操作步骤

当设备上电时，ＴＤＣＭ３就准备好了输出。当设备第一次启用时他可能需要标定。ＴＤＣＭ３还为用户提供３个程序，它们是普通、连续和标定模式。一般情况下，ＴＤＣＭ３进入睡眠模式以节省能量。

⑴普通模式

当主机通过ＲＴＳ管脚向设备发出请求，设备就会输出。在主机给设备发出脉冲请求前，ＲＸ脚必须保持高电平，图５为普通模式波形表。

主机接受到的是３个连续字节。第一字节是状态字节，状态字节表示ＴＤＣＭ３的状态，在正常状态下，状态字节等于８０Ｈ，当查出失真时，状态字节等于８１Ｈ，这时必须要标定；第二个是罗盘测得角度值的高字节；第三个是罗盘测得角度值的低字节。即罗盘传输的

３

个字节为：

则罗盘的转角为：

　　　　　　　　（１）

⑵连续模式

当主机把ＲＴＳ脚设为低电平时，数字罗盘将要进入连续模式。它将自动输出数据，如果连续模式一旦开启就不能返回到睡眠模式。

⑶标定模式

当状态字节等于８１Ｈ时扭曲被发现，这时用户就需要执行标定。

当主机通过ＲＴＳ脚给罗盘信号，同时ＲＸ脚必须置低电平，这时模块进入标定状态，把模块旋转两周。接着让主机置ＲＸ管脚为高电平（模块将会回复ＲＤＹ），之后模块将会返回到睡眠模式。３．３　罗盘的接收

图６　　　连续模式波形图

单片机程序一旦启动后，就需要不停地接收罗盘数据，故把罗盘设为连续模式，这样可以给程序控制减少很多麻烦。

当主机把ＲＴＳ脚设为低电平时，同时ＲＸ一直保持高电平，数字罗盘就将进入连续模式，将自动输出数据，如连续模式波形图６所示。

在启动罗盘之前，必须对单片机内一些相关寄存器进行设置，使其满足通信要求，然后串行口便以９６００波特率开始通信。此时将罗盘的ＲＴＳ脚置高电平，罗盘片进入连续模式，开始通过串行口向单片机传输数据。

一般接收到的罗盘数据并不是所需要的角度值，必须经过处理才能使用。处理方法如下：

第一步，先检测ＱＨ值是否超过２，因为正确的ＱＨ只能小于２，如果超过这表明通讯发生错误则重新接收，否则很可能导致接收到的角度值太大甚至溢出使机器人在角度反馈下疯转。

第二步，要判断相对于上一次接收到的角度，罗盘的读值是否发生骤变。因为罗盘的

Ｏ

读值只有，一旦大于３６度又从０Ｏ开始。为保持读数的连续性必须不断的对读数值进行补偿。这里的全局变量ＱＣ便是补偿变量。

最后，根据罗盘提供的变换公式将ＱＨ、ＱＬ的值转化为实际角度值，加上补偿ＱＣ，再减去初始角度ＱＯ就得到机器人相对参考位置

的相对角度。初始角度ＱＯ即是程序刚开始运行时机器人所在位置的罗盘读值。３．４　罗盘的标定

当状态字节等于８１Ｈ时扭曲被发现，这时就需要执行标定。执行标定时，主机通过ＲＴＳ脚给罗盘信号（同时ＲＸ脚必须置低电平），这时模块进入标定状态，把机器人旋转两周。接着让主机置ＲＸ管脚为高电平，模块将会回复ＲＤＹ。模块将会返回到睡眠模式，参考图７。

４　抗干扰设计

本系统采取的抗干扰措施如下：

⑴每个Ｉ／Ｏ元件加一个去耦电容，布线时去耦电容接到芯片的电源地上且引脚尽量短；

⑵布线时，线路尽量短且少，以减少电线之间的分布电容，尽量减少信号线的过孔；

⑶在电源与地之间接退耦电容以消除直流电源和地线中的脉冲干扰及高次谐干扰；

⑷使用４５ｏ折线布线，不使用９０ｏ折线以减少高频信号发射；

⑸使用满足系统要求的最低频率时钟，时钟产生器尽量靠近用到该时钟的器件。时钟线尽量短且在石英晶振下应加大接地的面积而不应走其他信号线；

⑹为了增强抗干扰能力，加粗了电源线

和

地

线

。

⑺为增强电路板的抗干扰性，采用芯片

图７　　　标定模式波形图

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ＳＮ７５１７４将电路板与电机的驱动器隔离，防止电机的功率波动对电路板产生干扰。

５　电机的选择与调试

为获得良好的机械和电气性能，选用了德国ＦＡＵＬＨＡＢＥＲ公司生产的２６５７型直流伺服电机，并且为其配备了专用的１４／１的减速器、码盘和ＭＣＤＣ２８０５型驱动器，工作电压２４Ｖ。这套电机具有体积小、重量轻、出力大、控制简便等优点。２８０５型驱动器有电压、步进等几种控制模式。为了实现较精确的位移和角度控制，采用了步进控制模式，该模式控制起来相对简便、实用。

由于当电机在步进模式下工作时，电机控制性能好，位移量与脉冲数成正比，可用开环方式驱动而无需反馈，仅与脉冲频率有关，而且无累积定位误差，每转一周都有固定的步数，在不丢步的情况下运行，其步距误差不会长期积累。因此在本系统中，通过计算机的２３２串行口编程设定，控制电机按步进方式运行。

在电机调试中，发现当ＰＩ值选择不恰当时，会出现强烈的振荡，电机工作十分不稳定。通过反复调试和试验不断调节电机的ＰＩ值，发现当设定Ｐ值为５，Ｉ值为１５时，电机工作稳定，不再出现强烈的振荡现象。在本系统中，电机每转一圈的步数为１４００。其接线如图８所示，安装如图９所示。

电机共需要两个控制信号：方向和脉冲信号。用＋５Ｖ和ＧＮＤ作为方向信号来控制电机的正反转动方向；用不同频率的脉冲作为脉冲信号来控制电机的转动速度。

驱动器、电机和光电码盘本身就组成了一个闭环反馈系统，在不丢步的境况下，只要输入相应个数的脉冲，电机就转相应的角度。

图８　　　电机与驱动器接线图

图

９　　　电机的安装

　图１１　　　系统工作流程图

证了轮式移动机器人规划的可行性，成功实现避障功能，并准确到达目标点。

参考文献

图１０　　　机器人的底盘机构

６　试验

采用单片机系统进行了一系列的试验，以验证所设计的路径。试验所用机器人底盘如图１０所示。

系统的工作流程图如图１１所示。

从试验结果来看，机器人成功实现了避障的功能，并且能较准确的到达目标位置。

７　结语

本文介绍了实际试验中的主要电路原理以及各主要部件的工作原理，并调试了电机、传感器、数字罗盘等。通过试验，验

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（上接

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分进行加密、签名等操作，以便任意顺序加密和认证ＸＭＬ文档中的部分信息。ＸＭＬ安全技术主要涉及ＸＭＬ加密、ＸＭＬ签名、ＸＫＭＳ（ＸＭＬ　Ｋｅｙ　ＭａｎａｇｅｍｅｎｔＳｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ）、ＳＡＭＬ（Ｓｅｃｕｒｉｔｙ　Ａｓｓｅｒ－ｔｉｏｎ　Ｍａｒｋｕｐ　Ｌａｎｇｕａｇｅ）和ＸＡＣＭＬ（Ｅｘｔｅｎｓｉｂｌｅ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ＭａｒｋｕｐＬａｎｇｕａｇｅ）等几个方面。

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５　总结与展望

网格和移动代理都是新一代的分布式计算技术。网格主要强调资源的汇集和计算能力的增强，而移动代理主要侧重减少网络通信流量和程序的主动运行。由于目前大多数移动代理技术只能在单个域内实现资源代理，因此，我们提出了基于ＭＡＳＩＦ的跨域移动代理机制，它不仅能工作在单个域内，也能在Ｉｎｔｅｒｎｅｔ上任何域内很好的工作，满足用户的要求。相信在广大网格专家的共同研究下，跨域移动资源代理会得到广泛的应用，将会对我们的生活、工作和科研产生不可估量的影响。

参考文献

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