單片機自動巡線輪式機器人控制系統設計

??? 輪式移動機器人是機器人研究領域的一項重要內容．它集機械、電子、檢測技術與智能控制于一體。在各種移動機構中，輪式移動機構最為常見。輪式移動機構之所以得到廣泛的應用。主要是因為容易控制其移動速度和移動方向。因此．有必要研制一套完整的輪式機器人系統。并進行相應的運動規劃和控制算法研究。筆者設計和開發了基于51型單片機的自動巡線輪式機器人系統。

　　2? 控制系統總體設計

　　機器人控制系統由主控制電路模塊、存儲器模塊、光電檢測模塊、電機及舵機驅動模塊等部分組成，控制系統的框圖如圖1所示。

控制系統的框圖

　　3? 主控制模塊設計

　　3．1 CPLD設計

　　在機器人控制系統中．需要控制多個電動機和行程開關．還要進行光電檢測．如果所有的任務都由AT89S52型單片機來完成．CPU的負擔就會過重。影響系統的處理速度。因此擴展1個CPLD．型號為 EPM7128。它屬于．MAX7000系列器件。包括2個通用1/0口．2個專用I／O口，專用I／O口可作為每個宏單元和輸入輸出引腳的高速控制信號 (時鐘、清除和輸出使能等)，電動機的。PWM信號也由其產生。

　　EPM7128的引腳排列如圖2所示。MlP—M4P引腳的輸出為PWM脈寬調制信號，M1FB—M4FB引腳為電機的方向控制信號，P00一P07接單片機的PO口，100一1015為擴展的2個通用I／O口，SIL—S17引腳為行程開關輸入信號，LI11一LI17引腳為光電探頭輸入信號。CPLD的編程用VHDL語言，產生1路PWM信號的部分程序源代碼如下：

EPM7128的引腳排列

　　單片機采用24MHz的晶體振蕩器，ALE信號的頻率fALE=f16=6MHz，最終輸出PWM信號的引腳MlP的頻率為：

公式

　　調節這個信號的占空比可以使直流電動機獲得O-255級的轉速。

　　3．2? 機器人運行參數存儲器的擴展

　　機器人運行路徑和動作可以根據比賽情況的不同而發生變化，這樣，每改變1次運行參數就必須對單片機的Flash進行1次擦寫。為了解決這一問題．擴展了程序參數存儲器，用來存放機器人的運行路徑和動作參數．擴展電路如圖3所示。

擴展電路

　　其中IC1為24LC08B，是I2E總線的串行E2PROM存儲器，最多能夠存儲lK字節的數據。IC2為MAX3232型電平轉換器，其內部有1個電源電壓變換器，可以將計算機的電平轉換為標準TTL電平，實現計算機與單片機之間通過串行口傳輸數據，使單片機完成對24／LC08B的數據存儲操作。單片機運行時，直接從24LC08中讀取機器人的運行參數，控制機器人運行。

　　4 光電檢測模塊設計

　　4．1 光電檢測過程

　　設計光電檢測模塊是為了讓機器人能夠檢測地面上的白色引導線。光電檢測電路主要包括發射部分和接收部分，其原理如圖4所示。

光電檢測過程

　　發射部分的波形調制采用了頻率調制方法。由于發光二極管的響應速度快，其工作頻率可達幾MHz或十幾MHz，而檢測系統的調制頻率在幾十至幾百kHz的范圍內，能夠滿足要求。光源驅動主要負責把調制波形放大到足夠的功率去驅動光源發光。光源采用紅外發光二極管，工作頻率較高，適合波形為方波的調制光的發射。

　　接收部分采用光敏二極管接收調制光線，將光信號轉變為電信號。這種電信號通常較微弱，需進行濾波和放大后才能進行處理。調制信號的放大采用交流放大的形式，可使調制光信號與背景光信號分離，為信號處理提供方便。調制信號處理部分對放大后的信號進行識別，判斷被檢測對象的特性。因此，此模塊的本質是將“交流”的、有用的調制光信號從“直流”的、無用的背景光信號中分離出來，從而達到抗干擾的目的。

　　4．2? 光電探頭

　　光電探頭安裝在機器人底盤前部，共設置了5個檢測點。從理論上講，檢測點越多、越密，識別的準確性與可靠性就越高，但是硬件的開銷與軟件的復雜程度也相應的增加。采用該巡線系統保證了檢測的精確度，節約了硬件的開銷。發光二極管發出的調制光經地面反射到光敏二極管。光敏二極管產生的光電流隨反射光的強弱而線性變化。把這種變化檢測出來，就可以判斷某一個檢測點是否在白色引導線的上方，從而判斷機器人和白色引導線的相對位置。

　　5? 電機驅動模塊

　　機器人的驅動件主要是電機和舵機，都可以采用PWM進行調速與控制。根據脈沖編碼器的反饋信號，對機器人的運動狀態進行實時控制。直流伺服電機的控制原理如圖5所示。調節：PWM的信號就能夠快速調節舵機的轉角，從而實現機器人的方向控制。

直流伺服電機的控制原理

　　6? 結束語

　　基于5l型單片機的自動巡線輪式機器人控制系統運行平穩可靠，抗干擾能力強，不僅滿足了機器人大賽的設計要求，同時也為智能機器人搭建了良好的控制平臺。