機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的通用性設(shè)計(jì)

1、機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的通用性設(shè)計(jì)摘要：針對(duì)機(jī)器人比賽和電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽中機(jī)器人尋線(xiàn)行走的普遍要求，提出了一種通用的尋線(xiàn)行走機(jī)器人的設(shè)計(jì)方法。機(jī)器人的核心控制器包括實(shí)現(xiàn)控制算法的dsp和用于擴(kuò)展功能實(shí)現(xiàn)的cpld；對(duì)來(lái)自光電檢測(cè)傳感器的信號(hào)采用模糊控制規(guī)則進(jìn)行綜合，核心控制器根據(jù)模糊控制器輸出調(diào)整機(jī)器人的行走路線(xiàn)，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)器人尋線(xiàn)行走。關(guān)鍵詞：機(jī)器人dsp模糊控制光電檢測(cè)尋線(xiàn) 在最近的機(jī)器人比賽和電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽中，較多參賽題目要求機(jī)器人沿場(chǎng)地內(nèi)白色或黑色指引線(xiàn)行進(jìn)。一些研究人員提出了基于尋線(xiàn)的機(jī)器人設(shè)計(jì)策略，主要是關(guān)注指引線(xiàn)的檢測(cè)，但對(duì)于機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)未做說(shuō)明。本文在總結(jié)此類(lèi)賽事的基礎(chǔ)上，提出了一種將d

2、sp(digital signal proces$or)和cpldfcomplex programmable logic device)作為核心處理器，采用模糊控制策略處理來(lái)自檢測(cè)指引線(xiàn)傳感器信號(hào)的機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的通用性設(shè)計(jì)方法。1 車(chē)體機(jī)械設(shè)計(jì) 由于機(jī)器人比賽對(duì)參賽機(jī)器人有嚴(yán)格的尺寸限制，需要在有限的空間內(nèi)合理安排各個(gè)機(jī)構(gòu)。本文給出車(chē)體最小尺寸時(shí)驅(qū)動(dòng)輪、光電傳感器以及控制芯片之間的相對(duì)位置，如圖1所示。 機(jī)器人采用雙直流步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，其額定電壓為24v。車(chē)體的前后端分別安裝光電傳感器檢測(cè)板實(shí)現(xiàn)指引線(xiàn)的檢測(cè)。相鄰光電傳感器距離略小于指引線(xiàn)寬度，保證同時(shí)有兩個(gè)傳感器可以檢測(cè)到指引線(xiàn)。2 硬件

3、電路設(shè)計(jì) 這部分主要介紹核心控制器。dsp與功能擴(kuò)展芯片cpld的連接，簡(jiǎn)要介紹其它功能模塊的硬件實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。21 核心控制器設(shè)計(jì) 穩(wěn)壓電路主要由lm7805芯片組成；信號(hào)輸入電路由微動(dòng)開(kāi)關(guān)經(jīng)反相器71hcl4后再送往dsp，微動(dòng)開(kāi)關(guān)輸入電路有去耦電路，輸出信號(hào)加上拉電阻；顯示模塊采用max7219芯片驅(qū)動(dòng)，八位led數(shù)碼管，每個(gè)led對(duì)應(yīng)三個(gè)io端口。22 光電檢謝模塊光電檢測(cè)模塊的功能是將指引線(xiàn)準(zhǔn)確地檢測(cè)出來(lái)。此處主要借助反射式光藕tcrt5000。這是一種自帶發(fā)光二極管和光敏三極管的器件，其集電極電流如與反射距離d之間有圖3所示關(guān)系。 tcrt5000的應(yīng)用電路見(jiàn)如4所

4、示。當(dāng)檢測(cè)到綠色地面時(shí)，由于反射率不高，ic1太小，三極管t2截止而輸出高電平。當(dāng)檢測(cè)到白色地面時(shí)，由于反射率較高，ic1較大，三極管t2飽和而輸出低電平，從而實(shí)現(xiàn)了白線(xiàn)的檢測(cè)。555構(gòu)成了施密特觸發(fā)器，用于去除反射性光耦產(chǎn)生的噪聲和波形的整形。2.3 動(dòng)作電機(jī)控制電路 在機(jī)器人尋線(xiàn)行走過(guò)程中，需要完成規(guī)定的動(dòng)作。這些動(dòng)作的完成不需要控制相應(yīng)動(dòng)作電機(jī)的轉(zhuǎn)速，本文直接利用i/o輸出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器進(jìn)而使直流電機(jī)動(dòng)作。固態(tài)繼電器選用松下電器公司雙刀雙擲(dpdt)型，型號(hào)為ds2y-s-dc5v。盡管此繼電器控制電壓為5v，可與trl的邏輯電平相兼容，但一般ttl芯片的輸出電流還達(dá)不到其輸入

5、電流40ma。集電極開(kāi)路的門(mén)電路(open collector gate，簡(jiǎn)稱(chēng)oc門(mén))可增大輸出電流，并且繼電器兩控制端的輸入電阻剛好可以作為oc門(mén)電路輸出需要的上拉電阻。具體選用具有oc門(mén)結(jié)構(gòu)的芯片uln2003，它是由7個(gè)npn達(dá)林頓管組成的高電壓、高電流達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)器。因?yàn)槊總€(gè)ds2y-s-dc5v提供兩組常開(kāi)端口，因此如果在兩組端口的n0，端口上分別連上電機(jī)電源的正極和地。則可以用兩個(gè)繼電器實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。由于繼電器在切換電壓時(shí)，繼電器線(xiàn)圈會(huì)產(chǎn)生大的反電動(dòng)勢(shì)，需要在繼電器切換電壓的兩端加續(xù)流二極管，以消除切換時(shí)的電火花，避免出現(xiàn)大的浪涌電流，減少繼電器產(chǎn)生的電磁干擾。3 模糊控制策略

6、機(jī)器人的設(shè)計(jì)思想是利用光電檢測(cè)傳感器檢測(cè)車(chē)體偏離指引線(xiàn)的大小來(lái)調(diào)整左右驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的行進(jìn)速度，使機(jī)器人沿指引線(xiàn)行進(jìn)。這恰好符合模糊控制的思想。 根據(jù)隸屬函數(shù)的定義和選取規(guī)則，輸入變量前部位置if和后部位置ib的隸屬度選擇相同，如圖5所示。輸出變量左輪轉(zhuǎn)速oul和右輪轉(zhuǎn)速our的隸屬度選擇相同，如圖6所示。 根據(jù)多次的實(shí)驗(yàn)和修正，得到如表2的左輪轉(zhuǎn)速控制規(guī)則表(右輪的轉(zhuǎn)速控制規(guī)則表內(nèi)容與左輪的轉(zhuǎn)速控制規(guī)則表對(duì)應(yīng)，例如if為rb、ib為lb時(shí)對(duì)應(yīng)的oul為nb，類(lèi)似可得到右輪轉(zhuǎn)速控制規(guī)則表)。模糊推理采用mamdani法。反模糊化采用重心法，最終得到如表3所示的左輪轉(zhuǎn)速控制信號(hào)輸出表(右輪轉(zhuǎn)速控制

7、信號(hào)輸出表可用類(lèi)似于右輪轉(zhuǎn)速控制規(guī)則表推導(dǎo)的方法得到)。在f240存儲(chǔ)空間中以表格的形式存儲(chǔ)表3，根據(jù)輸入可得到相應(yīng)輸出。 上述模糊信號(hào)的獲取通過(guò)epm7128用vhdl語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)，此部分的編程相對(duì)簡(jiǎn)單，不再贅述。由于光電傳感器信號(hào)的改變可以實(shí)時(shí)反映在cpld的輸出上，f240只需定時(shí)讀取此信號(hào)并做相應(yīng)從處理即可。假設(shè)前光電檢測(cè)板和后光電檢測(cè)板的信號(hào)分別保存在re_cpld字節(jié)的高半字節(jié)、低半字節(jié)中，若這兩個(gè)信號(hào)大于lo則保持原數(shù)據(jù)不變，否則根據(jù)信號(hào)的大小計(jì)算此值在轉(zhuǎn)速控制信號(hào)輸出表中的偏移量： ldp #04hlacc #matrixl add adder_ps 其中#04h為保存轉(zhuǎn)速表的

8、頁(yè)面，#matrixl為轉(zhuǎn)速表起始地址在頁(yè)面中的偏移量，adder_ps為查表值相對(duì)轉(zhuǎn)速表起始地址的偏移量。若將查表得到的值變化后保存為控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的定時(shí)器的周期則可以實(shí)時(shí)改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速： ldp #04h lacc ml_tlpr ldp #o0e8h sacl tlpr4 步進(jìn)電機(jī)調(diào)速的實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)是純粹的數(shù)字控制電動(dòng)機(jī)。它將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移，即給一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)一定角度。步進(jìn)電機(jī)控制器的輸入端口有：vdd電機(jī)電源正極；gnd電源地線(xiàn)；opto控制信號(hào)的公共陽(yáng)極；dir電機(jī)方向控制端；free脫機(jī)輸入端；cp脈沖輸入端(cp停止施加脈沖時(shí)，要保證cp為高電平，使內(nèi)部光耦截

9、止)。此處給dir端加高電平，使機(jī)器人只向前行進(jìn)，在程序中只需對(duì)cp端進(jìn)行處理。 脈沖的產(chǎn)生通過(guò)控制io端口的電平變化實(shí)現(xiàn)。在設(shè)定了定時(shí)中斷的各種參數(shù)后，在定時(shí)器中斷處理程序中使一個(gè)標(biāo)志字不停地加1： ldp #04h lacc testl add #1 sacl testl 在主程序中可以設(shè)定行走距離，定時(shí)中斷的時(shí)間間隔決定脈沖的頻率，也即決定步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度： ldp #04h lacc test1 sub #2000 bcnd stop,gt 其中，數(shù)值2000代表機(jī)器人行走的距離單位。利用模糊控制策略，改變控制兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)的定時(shí)器定時(shí)周期的長(zhǎng)短以及行進(jìn)的距離，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的尋線(xiàn)行進(jìn)。 在總結(jié)近期參加的機(jī)器人比賽和電子