一種輪式移動機器人的控制系統設計畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 timedl _init (void){DDRD=0x30； //設定 PD5 PD4 為輸出端口TCCRIB=0x00； //關閉定時器 1TCNT1=0； //設置初值OCR1A=0；OCR1B=0；TCCRlA=0x81；TCCRlB=0x09； //設置工作模式，啟動定時器} 光電編碼器測速模塊測速元件是速度閉環控制系統的關鍵元件。本設計中，采用增量式光電編碼器測量移動機器人左右兩方輪子的實時轉速，進而通過特定算法得到實時電機驅動模塊的 PWM 控制量，實現運動機器人運動的閉環第三章 移動機器人的控制系統設計20控制。 增量式光電編碼器光電編碼器俗稱碼盤，是一種通過光電轉換將軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖或數字量的傳感器，主要用于機械轉角位置和旋轉速度的檢測和控制。光電編碼器的基本結構由旋轉軸上的編碼圓盤以及裝在圓盤兩側的發光元件和光敏元件組成。圓盤上規則地刻有透光和不透光的線條或孔，當圓盤隨著轉軸旋轉時，光敏元件接收的光通量強弱隨著光線條同步變化，光敏元件波形經過整形輸出變為脈沖輸出。一般圓盤上還設有定相標志，產生零信號，每轉一圈產生一個，又稱基準脈沖。本設計選用 ZKX650BM7 型增量式光電編碼器是一款高精度角位移傳感器，主軸每旋轉一周分兩路輸出 500 個電壓脈沖信號 Out_A 和 Out_B。其中，Out_A 和 Out_B兩路信號相位差為 90 度，可通過 Out_A 和 Out_B 的相位關系，判斷主軸的轉動方向。 移動機器人驅動輪線速度的測量通常，根據脈沖計數來測量轉速的方法有三種，分別介紹如下：(l) M 法測速：在規定的時間間隔內，測量所產生的脈沖數 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。(2) T 法測速：測量相鄰兩個脈沖的時間間隔來確定被測速度的方法叫做 T 法測速，適合于低速時測量。 (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脈沖發生器發送的脈沖數來確定被測轉速，兼有 M 法和 T 法的優點。 本設計中基于 T 法測量移動機器人驅動電機的實時轉速。 將光電編碼器輸出接至微控制器的外部中斷 INT2，則轉動引起的每一個電壓脈沖都會觸發微控制器外部中斷。通過編制中斷子函數，就可以實現對光電編碼器輸出脈沖個數的準確計算，經換算后即得轉動軸轉過的精確角位移。 因此，根據光電編碼器轉動單位角位移所需的時間，就可求得轉動軸的角速率，結合光電編碼器同軸驅動輪的半徑，就可算得移動機器人驅動輪的實時線速度。實際編程中，使用微控制器定時器 0 產生的 1KHz 時基中斷產生固定時間段。設 V 為 t 時間內的平均速度，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 為驅動輪轉動產生的位移，n 為所經歷的固定時間段的記數，l 為光電編碼器驅動輪的周長，N 為光電編碼器旋轉一周輸出的脈沖數，此處 N=500。 光電編碼器的鑒相 光電編碼器與機器人的驅動車輪同軸安裝，該軸的正反轉代表了移動機器人前進和后退兩種相反的運動方向。因此，識別光電編碼器主軸的轉向是實現移動機器人運動控制的必須要求。通過對光電編碼器所輸出的相位差 90 度的兩路電壓脈沖信號 Out_A 和 Out_B 進行鑒相，就能夠判別車輪正轉或反轉。具體鑒相電路原理圖如圖 3. 11 所示。圖 3. 10 鑒相電路原理圖 光電編碼器輸出的 Out_A 和 Out_B 分別接至 D 觸發器時鐘端 Clk 和控制端 D。根據 D 觸發器的功能定義，在輸入時鐘信號 Out_A 的每個脈沖上跳沿，觸發器的輸出W2 被控制端 D 的輸入信號 Out_B 置位。圖 3. 12 示意了光電編碼器正轉時，Out_A、Out_B 的信號波形和鑒相電路的輸出。第三章 移動機器人的控制系統設計22 圖 3. 11 光電編碼器正轉時鑒相電路輸入輸出示意 正轉時，Out_A 信號的相位超前 Out_B 信號 90 度，Wl 輸出始終為高電平。反轉時，Out_A 信號的相位延后 Out_B 信號 90 度，Wl 輸出始終為低電平。因此，通過讀取 Wl 的電壓高低，就可以判別光電編碼器的轉向，亦即車輪的轉向。 實際電路設計中，將 D 觸發器的輸出端 Wl 與微控制器 PBO 引腳連接。 光電編碼器測速的誤差分析 影響光電編碼器計數精度的原因在于，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。 在瞬間高頻振動的時刻，原來一個方波周期內可能包含幾個高頻方波脈沖，如果計數電路中不加措施就會導致計數結果偏離實際值，引起誤計數。 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，也可以根據遙控指令，實時調整自身運動狀態，完成前進、后退、停止、轉向等基本動作。 圖 3. 12 遙操作模塊工作原理圖 移動機器人遙操作模塊的工作原理如圖 所示。按鍵的鍵值被編碼模塊編譯為RF 發射模塊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，此串行碼輸入至發射電路，作為發射電路的控制信號。串行碼由發射電路調制到高頻載波，通過天線向外發射。接收部分經天線收到調制信號，該調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。通過和編碼模塊配套使用的解碼模塊，即可從串行碼中分離出相應鍵值。從而移動機器人根據操作者的按鍵值，做出相應動作。 其中，發射和接收電路采用模塊化的 315MHz 超再生式 RF 收發模塊。RF 收發模塊的引腳分別為 DATA OUT/IN， VCC 和 GND 三線接口。只需將編碼器的數據輸出端與 RF 發射模塊的 DATA IN 引腳連接，RF 接收模塊的 DATA OUT 引腳與解碼器的數據輸入端 14 連接，系統即可正常工作。 編解碼電路選用臺灣普城公司生產的 PT2262/2272 專用編解碼芯片。PT2262/2272是一種 CMOS 工藝制造的低功耗低價位通用編解碼電路，PT2262/2272 最多可有 12 位(A0All)三態地址端管腳(懸空、接高電平、接低電平)，任意組合可提供 531441 地址碼。PT2262 最多可有 6 位(D0D5)數據端管腳，設定的地址碼和數據碼從 17 腳串行輸出，主要用于無線遙控發射電路。 編碼芯片 PT2262 發出的編碼信號由：地址碼、數據碼、同步碼組成一個完整的碼字，解碼芯片 PT2272 接收到信號后，其地址碼經過兩次比較核對后，VT 腳才輸出高電平，與此同時相應的數據腳也輸出高電平。 因此，微控制器讀取 PT2272 的數據輸出端電平即可獲得操作者的按鍵鍵值。 如果發送端一直按住按鍵，編碼芯片也會連續發射。當發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 腳輸出經調制的串行數據信號。當 17 腳為高電平時 315MHz 的高頻發射電路起振并發射等幅高頻信號，當 17 腳為低平時 315MHz的高頻發射電路停止振蕩。所以高頻發射電路完全受控于 PT2262 的 17 腳輸出的數字信號，從而對高頻電路完成幅度鍵控(ASK 調制)相當于調制度為 100%的調幅。 以下是主程序中檢測 1 鍵是否按下的部分源碼。defiue K1 6 //PB6defiue K2 7 //PB7defiue K3 6 //PD6defiue K4 7 //PD7if (PINBamp。BIT (K1)) {第三章 移動機器人的控制系統設計24//special functions for Klwhile (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。 本課題設計的移動機器人，能耗主要來源于機器人控制電路和驅動電機兩部分。其中機器人控制電路部分使用+5V 直流供電，驅動電機部分則需要 +12 直流供電。 綜合考慮移動機器人自重、單次工作時間以及電池體積、維護成本等多方面因素，我們將單節容量 600mAH，額定電壓 的鏗電池 4 節串連后使用，作為移動機器人的車載能源。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。并且，埋電池具有輸出電流大，無記憶效應、無污染、電池循環充放電次數多(壽命長) 等優點。 移動機器人電源設計 如前文所述，采用 4 節 埋電池串連使用可以提供 直流電壓。而機器人控制電路需要+5V 直流供電，驅動電機部分則需要+12V 直流供電。 若采用傳統穩壓方案，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。這是由于 78XX 系列穩壓塊均采用線性調壓原理，即輸入高電壓和輸出穩壓值之間的壓差全部以發熱的形式消耗。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。 為了消除線性穩壓的弊端，有效提高能源利用效率，本課題采用單片開關式 1A 穩壓電路 LM257512 和 LM25755 作為系統電源的核心。 LM2575 系列開關穩壓集成電路由美國國家半導體公司生產，它內部集成了一個固定的振蕩器，只須極少外圍器件便可構成一種高效的穩壓電路，可大大減小散熱片的體積，而且在大多數情況下不需散熱片；內部有完善的保護電路，包括電流限制及熱關斷電路等；芯片可提供外部控制引腳。 LM2575 系列開關穩壓集成電路最大輸出電流 1A；最大輸入電壓為 45V；內置振蕩頻率 54kHz；最大穩壓誤差 4；轉換效率可達 75 %～88%( 不同的電壓輸出的效率不同)。本設計中，具體的通過 LM2575 實現供電的電路原理圖如圖 所示。25 圖 3. 13 移動機器人電源部分電路原理圖 其中，Vin 引腳是未穩壓電壓輸入端；OUTPUT 引腳是開關電壓輸出，接電感及肖特基二極管；GND 引腳是電源地；FEEDBACK 引腳是反饋輸入端，將穩壓輸出的電壓接到反饋輸入端的目的是同內部電壓基準比較，若電壓偏低，則用放大器來控制內部振蕩器以提高輸出占空比，從而提高輸出電壓；ON/OFF 引腳是控制輸入端，接低電平時，穩壓電路工作；接高電平時，穩壓電路關斷。 在使用 LM2575 設計電路時，著重考慮了以下幾點： (l)電感的選擇。根據輸出的電壓檔次、最大輸入電壓 Vin(MAX)、最大負載電流ILoad( MAX )等參數選擇電感時可參照產品手冊上相應的電感曲線圖來查找所需采用的電感值。 (2)輸入輸出電容的選擇。輸入電容應大于 ，并要求盡量靠近電路；而輸出F?47電容推薦使用的電容量為 ～ ，其耐壓值應大于額定輸出的 ～2 倍。例F?10如，對于 V 電壓輸出，推薦使用耐壓值為 16V 的電容。 (3)二極管的選擇。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。 (4)控制電路中，紅外一體化接收頭必須有良好的電源濾波，以減少電源紋波對傳感器內部電路的干擾。 充電電路設計 移動機器人工作過程中，若檢測到自身電量不足，則機器人將發出聲光報警，提醒操作者及時充電。設計中，上述功能主要通過電池電壓檢測、電池充電電路及聲光報警電路三部分實現。 埋電池采用恒流充電的方法充電，最大充電電流與單節電池的容量 C 有關。最大第三章 移動機器人的控制系統設計26充電電流往往以電池容量的數值來表示。例如，電池的容量 750mAH，充電電流為750mA，則充電電流為 1C (l 倍的電池容量)；若充電電流為 C/10，則充電電流即為電池容量除以 10。本設計中充電電流為 ，即 300mA。 埋電池充電條件要求嚴格，充電控制要求精度高，對過充電的承受能力差。因此，埋電池的充電電路必須符合其充電特性要求，即對停止充電的判定必須嚴格準確。 電池的不同應用場合及工作環境限制了對判斷停止充電的方法的選擇。有時候溫度不容易測得，但可以測得電壓，或者是其他情況。常用的停止充電方法包括以下幾種： (1) t 方法：時間是決定何時停止充電的最簡單的方法。通常用于快速充電時的后備方案。有時也作為普通充電(1416 小時)方法的基本方案。適用于各種電池。 (2) V 方法：當電壓超出上限時停止充電。通常與恒定電流充電配合使用。最大電流由電池決定，通常為 1C。為了防止充電時電流過大導致電池過熱，此時電流限制是非常關鍵的。這個方法是埋電池的基本充電和停止方案。對于 NiCd 電池和 NiMH 電池本方法可以作為后備的判斷停止充電方案。 (3) dV/dt