六足機器人畢業設計論文-資料下載頁

　　

【正文】 味著要求單片機產生 12 路的 PPM 波，利用這 12 個 PPM 波來控制舵機的轉動角度。在這里我們可以用 51 單片里的兩個定時器來產生多次中斷的方法獲得這樣的控制的信號。從而完成機器人的前進、后退以及轉彎。在本次設計中，整個系統是以模塊化的設計思想，將對所有舵機調度做成一個獨立的模塊，所有的高層動作都是通過調用底層舵機控制的模塊來完成。 控制系統的硬件設計中央控制模塊是整個控制系統的核心，本次設計采用微處理器AT89S52為核心構成，負責舵機協調動作處理，障礙檢測數據處理等功能。 微處理器 AT89S52 簡介AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS 8位單片機 [10]，片內含SKBI SP(Insystem programmable)的可反復擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器、該器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存儲技術制造、通用的8位CPU和ISP Flash為存儲單元，可為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活、高性價比的解決方案。TA89S52具有如下特點:40個引腳，8KB Flash片內程序存儲器，256Bytes的隨機存儲數據存儲器(RAM)，32個外部雙向輸入/輸出(I/O)口，1個6向量2級中斷結構。3個16位可編程定時計數器，2個全雙工串行通信口，看門狗(WDT),AT89S52設計和配置了振蕩頻率可為OHz并可通過軟件設置的省電模式。在空閑模式下，CPU暫停工作，而RAM、定時計數器、串行口、外中斷系統可繼續工作，掉電模式凍結振蕩器而保存RAM的數據，禁止電路的其他功能直至外中斷激活或硬件復位。該電路具有PDIP、TQFP和PLCC等封裝形式，以適應不同產品的設計要求。常用的AT89S52封裝電路為PDIP形式，其圖如圖42所示。24圖42 AT89S52封裝圖AT89S52具有32個可編程I/O端口，其中，P0口和P1口的前六個引腳分別接12個舵機，來控制舵機的運轉，P3口前兩個引腳接觸位開關。如表41所示。表41 I/O引腳分配表引腳端口 功能分配 接左邊的六個舵機 接右邊的六個舵機 接觸位開關 舵機模塊設計（1）舵機的概述 舵機最早出現在航模運動中。在航空模型中，飛行機的飛行姿態是通過調節發動機和各個控制舵面來實現的。舉個簡單的四通飛機來說，飛機上有以下幾個地方需要控制： ，來控制發動機的拉力（或推力）； 25（安裝在飛機機翼后緣），用來控制飛機的橫滾運動； ，用來控制飛機的俯仰角； ，用來控制飛機的偏航角； 遙控器有四個通道，分別對應四個舵機，而舵機又通過連桿等傳動元件帶動舵面的轉動，從而改變飛機的運動狀態。舵機因此得名：控制舵面的伺服電機。 不僅在航模飛機中，在其他的模型運動中都可以看到它的應用：船模上用來控制尾舵，車模中用來轉向等等。由此可見，凡是需要操作性動作時都可以用舵機來實現 [11]。　 傳統舵機的控制方式以20ms 為一個周期，177。 的脈沖來控制舵機的角度變化，隨著以 CPU 為主的數字革命的興起，現在的舵機已成為模擬舵機和數字舵機并存的局面，但即使是現在的數字舵機，177。 的模擬控制接口，只是控制芯片不再是普通的模擬芯片而已；不能完全發揮現代數字化控制的優勢，這在傳統的遙控競賽等領域，為了保持產品的兼容性，不得不保留模擬接口，而在一些新興的領域完全可以采用新型的全數字接口的純數字舵機。純數字舵機采用全新的單線雙工通訊協議，不僅能執行普通舵機的全部功能，還可以作為一個角度傳感器，監測舵機的實際位置，而且可以多個舵機并聯互不影響。在未來的自動化控制領域有著不可估量的優勢。采用純數字舵機構建的自動化控制系統，不僅可以大幅提升系統性能，而且可以降低系統的生產維護成本，提高產品性價比，增強市場競爭力。（2）舵機的結構和控制 一般來講，舵機主要由以下幾個部分組成， 舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計5k、直流電機、控制電路板等。 工作原理：控制電路板接受來自信號線的控制信號（具體信號待會再講），控制電機轉動，電機帶動一系列齒輪組，減速后傳動至輸出舵盤。舵機的輸出軸和位置反饋電位計是相連的，舵盤轉動的同時，帶動位置反饋電位計，電位計將輸出一個電壓信號到控制電路板，進行反饋，然后控制電路板根據所在位置決定電機的轉動方向和速度，從而達到目標停止。 舵機的控制一般需要一個20ms 左右的時基脈沖，該脈沖的高電平部分一般~ 范圍內的角度控制脈沖部分。以180度角度伺服為例，那么對應的控制關系如表42 所示。表42 時基脈沖與舵機角度對應表脈沖值（ms ） 對應角度（度）0 45 90 135 18026 避障模塊設計動作的能力。為此，必須提高機器人對當前感知環境的快速理解識別及實時避障的能力。 [12]。機器人避障的關鍵問題之一是在運動過程中如何利用傳感器對環境的感知。所以避開障礙物的功能實現，傳感器的選擇將是首要解決的問題。避障傳感器一般有接觸式、和非接觸式的。接觸式傳感器一般用微動開關,當機器人接觸到物體時間可以從產生電位的變化中檢測到。微動開關實質上是一個單刀雙擲開關圖 312 所示。刀 K 與觸點 A、B 關系一個常開、另一個常閉。當碰觸到障礙物時，常開點閉合、常閉合點斷開。圖 43 微動開關示意圖接觸形式傳感器的優勢是在黑暗處或者因障礙物的影響導致無法通過視覺獲取信息的條件下，使機器人具備觸覺功能。 本設計的避開障礙物傳感器采用一對微動開關。安裝在機器人的前部，做成兩個長長的觸角，用來探測前方是否有障礙物。傳感器安裝位置如圖 44 所示。圖 44 微動開關安裝位置圖left, right 分別為左邊和右邊的探測障礙物的傳感器。與單片機引腳對應關系如表 43 所示。27表 43 探測障礙物的傳感器與單片機引腳對應關系表left sensor(左傳感器) P20right sensor(右傳感器) P21總結前三節的內容，就可以做出六足仿生機器人的仿真電路圖了，仿真電路圖如圖45 所示。圖 45 硬件設計仿真圖 控制系統軟件設計軟件設計主要任務是完成全方位的步態的軟件設計，也就是對 12 個舵機的調度和控制。設定一個目標功能：在行進的過程中完成避開障礙物。在完成的避開障礙物的過程中來體現全方位的六足步態。系統軟件的總體流程圖如 46 所示：28開始初始化記錄當前狀態右轉中間有障礙物？左邊有障礙物？是否有障礙物？后退，轉180 度右邊有障礙物？NNYY左轉恢復狀態YNYN圖 46 系統軟件的總體流程圖 單個舵機控制方法從 到 ，相對應舵盤的位置 0~180 度，呈線性變化，如圖 47 所示。290 18090X(ms)Y(度)圖 47 舵盤的位置線性變化圖 對應舵盤的 0 度， 對應舵盤的 180 度。也就是，給舵機提供一定寬度的脈沖，它的輸出軸就會保持在一個相對的角度上，無論外界的轉矩怎樣變化，直到給它提供一個另外寬度的脈沖信號，它才會改變輸出角度到新的對應位置上。舵機內部有一個基準電路，產生周期為 20ms，寬度 的基準信號，有一個比較器，將外加信號與基準信號相比較，判斷方向和大小，從而產生舵機的轉動信號。由此可見，舵機是一種位置伺服的驅動器，轉動范圍不得超過 180 度。舵機實現的是一種定位功能，它的定位功能和較大力矩承受能力適合行走機器人的關節設計。 舵機的控制脈沖如圖 48 所示，t=(~),T=20ms。用單片機的一個定時器產生舵機所需要的控制脈沖，控制脈沖程序流程圖 49 所示。圖 48 舵機的控制脈沖圖30圖 49 控制脈沖程序流程圖流程圖說明：初始化部分：設定定時器初值，定時時間為舵機脈沖寬度時間 t。開中斷，設定中斷優先級。=1：將控制引腳端口置高電平。中斷：判斷是否進入中斷，進入中斷后引腳電平取反。并改變定時器初值，定時間為 Tt。詳細程序如下：include define uchar unsigned chardefine uint unsigned int uint a,b,c,d。 /*a 為舵機 1 的脈沖寬度，單位 1/1000 ms */ /*c、為中間變量*/ /*以下定義輸出管腳*/ sbit p12=P1^2。 sbit p37=P3^7。 /*主程序*/ void main(void) {31TMOD=0x11。 /*設初值*/ p12=1。 a=1620。 b=1620。 /*數值 1620 即對應 ，為舵機的中間 90 度的位置*/ c=a。d=b。 TH0=(a/256)。 TL0=(a%256)。 TH1=(b/256)。 TL1=(b%256)。 /*設定定時器初始計數值*/ EA=1。/*開中斷*/ ET0=1。 TR0=1。EX0=1PX0=0。 PT0=1。/*設定中斷優先級*/ for(。) { /*在這個 for 循環中，可以根據程序需要 在任何時間改變 a、b 值來改變脈寬的輸 出時間，從而控制舵機*/ } } /*以下函數為定時器中斷函數*/ /*定時器 1，控制舵機 1，輸出引腳為 P12，可自定義*/void timer0(void) interrupt 1 using 1 {p12=!p12。 /*輸出取反*/ c=20850c。 /*20850 代表 20 ms，為一個周期的時間*/ TH0=(c/256)。 TL0=(c%256)。 /*重新定義計數初值*/ if(c=508amp。amp。c=2540)c=a。 else c=20850a。 /*判斷脈寬是否在正常范圍之內*/ } 程序中的 162540 等數字為定時器初值。32 多舵機控制 用上述方法采用一個定時器來控制舵機軸的轉角，可以很容易實現。但如果要控制12 個之多的舵機，顯然是不夠現實的。要設計一個即能控制多個舵機，又能盡可能用定時器來精確控制的舵機控制算法。從舵機的控制信號（圖 48）可以知道，變化的時間為 t 的范圍從 ~ 之間，也就是說每一個舵機控制信號至少有 必是低電平且不會發生變化。設 P0 端口上接有 8 個舵機。如果在 20ms 內,首先引腳 p00 置高電平，t ms 后引腳取反，電機轉軸將轉到 t ms 對應的角度。因為 t 的最大取值為 ,所以無論 t 值為多少，在 后將 p00 置成高電平將不會影響 p00 對電機 1 的控制，t ms 后 p00 取反，按照相同方法依次置 p0p0p0p0p0p0p07 置高后取反。不論電機要轉過的角度是多少，對不同引腳控制時間間隔為 ，那么在 20ms 內最多可以控制 8 路信號（20ms/=8） 。舵機控制脈沖如圖 410 所示：（a）(b)圖 410 8 路信號舵機控制脈沖圖運用這種思想方法可以實現對 8 路舵機獨立控制和同時控制。具體的實現方法有兩種，一種是采用延時方法來產生脈沖，另外一種是用定時器的方法。延時的方法不僅占用大量的 CPU 時間，而且最多也只能控制 8 個舵機。所以本設計采用后者。33AT89S52 單片機有三個定時器，其中定時器 0 和定時器 1 兩個為常用定時器。本設計將 12 個電機分成兩組，分別由兩個定時器，定時器 0 和定時器 1 控制 [13]，其中定時器 0控制電機 1~6，定時器 1 控制電機 7~12。單片機內部兩個定時間器同時使用，且設置了同一優先級時，二者肯定在某一時刻會產生沖突這就要求在中斷程序執行時間盡可能短，即使產生沖突也不會影響其功能實現。如圖 410（b）是 8 個舵機在一個周期內電平變化 16 次。每個定時器控制 6 個電機，在一個周期內必須產生 12 次定時器中斷（6 個電機 12 次電平變化） 。定時器在計數時不占用 CPU 時間，且兩個定時器可以并行工作，所以兩個定時器在忽略中斷執行時間時，對電機控制幾乎是并行的。也就是在一個周期時間里（20ms）控制了 12 電機的運動。12個電機控制占用 CPU 的時間為執行 24 次中斷程序的時間。下面是本設計的 12 個舵機控制流程圖（圖 411） 。端口 ~,~ 是舵機控制端口。34圖 411 12 個舵機控制流程圖對流程圖的說明：初始化：舵機的變化角度為 0~180 度，它的初始狀態在 0 度位置，那么電機只能朝一個方向運動。所以初始化的時候，將所有電機的位置定在 90 度的位置。初始化中定時器初值可以任意的。flag1 ,flag2 為兩個標志位。進入中斷后首先判斷標志位，再進入標志位對應的執行程序。flag1=1 時：p00=1。定時器重置初值，定時時間為 p00 高電平持續時間t1，flag1++,break 結束中斷程序flag1=2 時：p00=0。定時器重置初值，定時時間為() flag1++,break 結束中斷程序35flag1=3 時：p01=1。 定時器重置初值，定時時間為 p01 高電平持續時間t2，flag1++,break 結束中斷程序flag1=4 時：p01=0。定時器重置初值，定時時間為() flag1++,break 結束中斷程序flag1=5 時：p02=1。 定時器重置初值，定時時間為 p02 高電平持續時間t3，flag1++,break 結束中斷程序flag1=6 時：