搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u11310搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)案例 130731搬運(yùn)機(jī)器人電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 155392.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 8119293.仿真或?qū)嵨镏谱骷皽y(cè)試 141搬運(yùn)機(jī)器人電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.1硬件設(shè)計(jì)1.1.1電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊搬運(yùn)機(jī)器人電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，源自意法半導(dǎo)體集團(tuán)旗下品牌產(chǎn)品，是一款可接受高電壓、大電流的雙路全橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，工作電壓可達(dá)46V，輸出電流最高可至4A，采用Multiwatt15腳封裝，接受標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)，它有兩個(gè)激活的控制終端，可以在不受輸入信號(hào)影響的情況下，通過(guò)打開(kāi)蓋子動(dòng)態(tài)調(diào)整電路的工作模式。它有一個(gè)邏輯效果登錄終端，通過(guò)內(nèi)置電壓調(diào)節(jié)器78mo5，使內(nèi)部邏輯電路在低電壓下工作，還可以驅(qū)動(dòng)邏輯電壓5V到外部。為避免損壞調(diào)壓芯片，當(dāng)使用12V以上電壓時(shí)，一定要使用外部5V接口獨(dú)立供電。L298N，是一種高壓電機(jī)，可以驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。一個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片可以控制兩個(gè)直流減速電機(jī)同時(shí)做不同的動(dòng)作。它能在5V到46v的電壓范圍內(nèi)提供2A的電流，并具有自身過(guò)熱和檢測(cè)反饋的功能。L298N可以直接控制直流減速電機(jī)，通過(guò)向主控芯片輸入I/O來(lái)設(shè)定控制水平，然后驅(qū)動(dòng)電機(jī)前進(jìn)，也可以控制電機(jī)反轉(zhuǎn)，操作簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，可滿足直流發(fā)動(dòng)機(jī)大電流運(yùn)行條件。L298N通過(guò)控制主控芯片上的I/O輸入端，直接通過(guò)電源來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓，即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止，由于電路簡(jiǎn)單，使用方便，通常情況下L298N可直接驅(qū)動(dòng)繼電器（四路）、螺線管、電磁閥、直流電機(jī)（兩臺(tái)）以及步進(jìn)電機(jī)（一臺(tái)兩相或四相）。主要特點(diǎn)是：·發(fā)熱量低·抗干擾能力強(qiáng)·驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)（高電壓、大電流）·可靠性高（使用大容量濾波電容，續(xù)流保護(hù)二極管可過(guò)熱自斷和反饋檢測(cè)）·工作電壓高（最高可至46V）·輸出電流大（瞬間峰值電流可達(dá)3A，持續(xù)工作電流為2A）·額定功率25W（電壓X電流）L298N是一款雙H橋發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，每個(gè)H橋可以提供2A電流，電源部分的供電范圍為2.5-48v，邏輯部分5v供電，接受5VTTL電平，一般情況下電源部分的電壓應(yīng)大于6V，否則芯片無(wú)法正常工作。H橋是將負(fù)載和輸出兩端的電壓/電流反過(guò)來(lái)的電子電路，在搬運(yùn)機(jī)器人中可以使用，也可以用于其它情況。前后直流穩(wěn)定器、速度控制、供電系統(tǒng)的步進(jìn)控制（雙極步進(jìn)電機(jī)還需要包括兩個(gè)H橋控制器）、大多數(shù)直流轉(zhuǎn)換器（例如逆變器、變頻器、直流轉(zhuǎn)換器）等其他電子產(chǎn)品。H橋是典型的直流電機(jī)控制電路，因?yàn)殡娐沸螤钆c字母H相似，所以被命名為“H橋”。由4個(gè)三極管構(gòu)成的H的4個(gè)垂直腿，電機(jī)是H中的橫杠。H橋電路可以以分立元件的形式構(gòu)建，也可以集成到集成電路中，“H橋”這個(gè)名字來(lái)源于它的電路。兩個(gè)并聯(lián)支路和一個(gè)負(fù)載接入/電路輸出支路似乎形成了一個(gè)類似“H”的電路結(jié)構(gòu)。圖1.1L298N電路圖L298N的引腳9是邏輯語(yǔ)句電壓VSS是邏輯電源電壓。引腳4是電源電壓，是運(yùn)行部件的輸入電壓。VSS的最小輸入電壓為2.5V，最大為36V。Vs的最高電壓也是36V，但經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，vs的電壓應(yīng)該高于VSS的電壓，否則有時(shí)會(huì)出現(xiàn)失控現(xiàn)象。它的針腳2,3,13,14為L(zhǎng)298N芯片輸入到直流減速電機(jī)輸出，引腳2和3可以控制兩相直流電機(jī)，可以控制兩個(gè)電功機(jī)。同樣，插腳13和14控制直流電機(jī)。插腳6和11是電動(dòng)機(jī)使能接線腳。插腳5、7、10和12是L298N芯片的單個(gè)微型計(jì)算機(jī)的輸入插腳。下表是其使能、輸入引腳和輸出引腳的邏輯關(guān)系：圖1.2控制邏輯表圖1.3L298N引腳圖1.1.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路我們知道，搬運(yùn)機(jī)器人需要作出一些動(dòng)作來(lái)進(jìn)行工作，這些運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)也會(huì)產(chǎn)生許多影響，電機(jī)在這其中起著關(guān)鍵的作用。我們需要控制電機(jī)的因素有：正反轉(zhuǎn)和電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，兩個(gè)電機(jī)獨(dú)立運(yùn)行，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，采用兩種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng):方案一：使用雙極型D/A轉(zhuǎn)換芯片單片機(jī)采用8位并口輸出數(shù)字量，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換為-5V到+5V的輸出電壓，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速控制。電機(jī)的正反轉(zhuǎn)由輸出電壓的極性決定。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是單片機(jī)編程簡(jiǎn)單，只需在8位并口上輸出相應(yīng)的數(shù)字量，電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分直接進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換循環(huán)。當(dāng)輸出為0時(shí)，反轉(zhuǎn)速度最大，輸出128電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出255電機(jī)具有最大行進(jìn)速度。但是，這個(gè)系統(tǒng)的缺點(diǎn)非常明顯。一是需要與專用的D/A轉(zhuǎn)換芯片對(duì)應(yīng)的周邊電路，電路復(fù)雜，模擬電路容易受到環(huán)境的干擾，容易造成控制精度低的問(wèn)題。第二，在本系統(tǒng)中，一個(gè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的電路占據(jù)一個(gè)8個(gè)并行端口，即8個(gè)MCU引腳，這是對(duì)MCU資源的浪費(fèi)，雖然數(shù)據(jù)可以通過(guò)串口發(fā)送，然后用專用的D/A芯片轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)，這將大大增加硬件電路的成本和復(fù)雜性，降低穩(wěn)定性。方案二：電機(jī)控制由H橋驅(qū)動(dòng)電路H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)的工作原理易于理解。使用四個(gè)晶體管形成電流H橋。電機(jī)與中間的電橋連接，4個(gè)晶體管相互結(jié)合，使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生相反的電流，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。電機(jī)的速度由晶體管柵極的導(dǎo)通時(shí)間和截止時(shí)間的比率來(lái)控制。該速度控制方法被稱為“脈沖寬度調(diào)制”（PWM），電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度由PWM波的占空比控制。H橋驅(qū)動(dòng)器有一個(gè)專用的驅(qū)動(dòng)芯片，通常使用的是L298、l293等，直流電機(jī)可以由L298N直接驅(qū)動(dòng)，這是一個(gè)雙H橋驅(qū)動(dòng)芯片，圖1.4顯示了一個(gè)采用L298N驅(qū)動(dòng)的雙電機(jī)電路。圖1.4L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖L298N使用5V電源供電（VCC），電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源VS輸入范圍是4-40V，ENA和ENB分別輸入電機(jī)1和電機(jī)2的驅(qū)動(dòng)PWM信號(hào)，IN1,IN2,IN3,IN4為兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向的控制。下面以左輪電機(jī)示例：L298N采用5V電源來(lái)供電（VCC），輸入?yún)^(qū)的電機(jī)電源范圍為5-40v，ENA和ENB分別為電機(jī)1號(hào)和電機(jī)2號(hào)輸入驅(qū)動(dòng)的PWM信號(hào)，IN1、IN2、IN3、IN4分別為控制兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，用連接左側(cè)車輪的電機(jī)作為示例：ENA=1，IN1=1，IN2=0時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)；ENA=1，IN1=0，IN2=1時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)；ENA=1，IN1=1，IN2=1時(shí)，電機(jī)急停；ENA=1，IN1=0，IN2=0時(shí)，電機(jī)不動(dòng)作；ENA=0時(shí)，電機(jī)不動(dòng)作；右車輪電機(jī)的轉(zhuǎn)向與左車輪完全相同。在該電路中，八個(gè)二極管D1、D2、D3、D4、D9、D10、D11和D12的作用是防止電機(jī)啟動(dòng)和停止時(shí)，電機(jī)電樞輸出產(chǎn)生的反向電能燒壞芯片或發(fā)動(dòng)機(jī)。對(duì)于這八個(gè)二極管來(lái)說(shuō)，它們最主要的作用是快速恢復(fù)周期來(lái)保證電路能夠正常運(yùn)行，在這種前提下最好的選擇就是肖特基二極管，選擇功率大于1A的，有利于電路的穩(wěn)定工作。1.1.3保護(hù)電路設(shè)計(jì)圖1.5保護(hù)電路在感性負(fù)載電路中，當(dāng)負(fù)載的電源啟動(dòng)或負(fù)載必須關(guān)閉時(shí)，負(fù)載容量將產(chǎn)生感應(yīng)電流，即自感電動(dòng)勢(shì)。特別是負(fù)載關(guān)閉時(shí)，產(chǎn)生的反向電壓比輸入電壓高n倍，繞組中產(chǎn)生的自感電流和電壓對(duì)開(kāi)關(guān)構(gòu)成致命的威脅，因此在設(shè)計(jì)中我們?cè)噲D找到釋放它的方法來(lái)保護(hù)開(kāi)關(guān)。圖中大量二極管是發(fā)動(dòng)機(jī)繞組自感流的放電通道。在感性負(fù)載電路中，當(dāng)負(fù)載的電源需要啟動(dòng)或者是關(guān)閉電源時(shí)，感應(yīng)電流就會(huì)在負(fù)載電感上產(chǎn)生，即自感電動(dòng)勢(shì)。自感電流與輸入電流的方向正相反，特別是切斷負(fù)載電流時(shí)產(chǎn)生的反電壓比輸入的電壓高N倍，繞組產(chǎn)生的自感電流和電壓對(duì)驅(qū)動(dòng)器的開(kāi)關(guān)構(gòu)成致命的威脅。在L298N的原理圖中，大量的二極管是用來(lái)給電機(jī)回路中自感電流用來(lái)放電的。由于電機(jī)經(jīng)常要正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，每個(gè)繞組兩端的正、負(fù)自感電壓隨著正、反旋轉(zhuǎn)交替變化，其自身的感應(yīng)電流也從1端流向2端，再?gòu)?端流向1端。例如，A繞組在電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，從A1到A2的自燃電流A2為正，當(dāng)電流閉合時(shí)，A2A1為負(fù)，感應(yīng)電流從A2流到A1。通過(guò)放電二極管，A2端的正向電流可以通過(guò)D2流向+12V，D2和D5接地，因?yàn)锳1是負(fù)壓而接通地線，因此D2和D5形成一個(gè)自感電流的通道，釋放到供電回路。D2、D5這條通道，不但可以釋放繞組的感生電流，迅速拉低A2--A1之間的電壓、保護(hù)功率開(kāi)關(guān)器件，而且還為電源充電。當(dāng)電感線圈被施加并切斷時(shí)，線圈的兩端會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)于當(dāng)前電源電壓一倍的反電壓，其極性與當(dāng)前電源電壓相反。該逆電壓被施加到L298的開(kāi)關(guān)上，會(huì)導(dǎo)致L298的開(kāi)關(guān)關(guān)閉。因此，為了建立放電通道并保護(hù)開(kāi)關(guān)，應(yīng)該釋放由感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的高壓和電流。D1、D6、D2、D5這兩個(gè)組的作用分別是：當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，A1為正，A2為地，電流流向?yàn)锳1到A2。當(dāng)斷開(kāi)電流時(shí)，電機(jī)停止時(shí)，在A繞組上會(huì)產(chǎn)生感生電壓，感生電壓A2為正A1為負(fù)（類似電池），與正端（A2）連接的D2沿正向?qū)āＡ硪环矫?，與負(fù)端（A1）連接的D5反向?qū)ǎ关?fù)端接地，C3、C2電容，能夠?yàn)楦猩娏魈峁┮粋€(gè)泄放的位置 。此時(shí)，C3、C2作為能量?jī)?chǔ)存裝置吸收自感電流并儲(chǔ)存。反轉(zhuǎn)時(shí)與正轉(zhuǎn)相反，電機(jī)反轉(zhuǎn)電源切斷時(shí)D1和D6起作用。

電路中的二極管提供L298的保護(hù)，同時(shí)為感應(yīng)電流向電源電路充電以提供信道。C2、C3不僅是過(guò)濾電容，也是能量?jī)?chǔ)存裝置。2.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)2.1避障流程圖在搬運(yùn)機(jī)器人中的碰撞傳感器，可以看做是機(jī)器人外表的一層皮膚。在遇到障礙物之后，搬運(yùn)機(jī)器人就可以做出相應(yīng)的反應(yīng)來(lái)規(guī)避。對(duì)于碰撞傳感器的軟件程序設(shè)計(jì)，主要是通過(guò)主程序中的循環(huán)函數(shù)，使其一直處于死循環(huán)中，PE口電平處于一直被讀取狀態(tài)，然后通過(guò)判斷函數(shù)判斷四個(gè)開(kāi)關(guān)的開(kāi)閉狀態(tài)。中央處理器檢測(cè)PE端口的規(guī)則是，檢測(cè)二進(jìn)制數(shù)就可以判斷搬運(yùn)機(jī)器人的哪個(gè)方向上發(fā)生碰撞，如果檢測(cè)出為0010的二進(jìn)制數(shù)，則說(shuō)明是左側(cè)前方發(fā)生碰撞，如果檢測(cè)出為0001的二進(jìn)制數(shù)，則說(shuō)明是右側(cè)前方發(fā)生碰撞，如果檢測(cè)出為1000的二進(jìn)制數(shù)，說(shuō)明在左側(cè)后方發(fā)生了碰撞。如果檢測(cè)出為0100的二進(jìn)制數(shù)，則右側(cè)后方會(huì)發(fā)生碰撞。在其他四個(gè)方位上放生了碰撞的話，就需要去計(jì)算得到一個(gè)數(shù)值，然后檢測(cè)數(shù)值，就可以得知是哪個(gè)方向上發(fā)生碰撞，從而做出下一步動(dòng)作。通過(guò)碰撞傳感器的檢測(cè)后，下一步就是要去實(shí)現(xiàn)對(duì)于障礙物的避讓，如果搬運(yùn)機(jī)器人無(wú)法接觸到障礙物，那避讓程序就無(wú)法進(jìn)行，碰撞傳感器不起作用，這是碰撞避障的弊端。執(zhí)行模擬程序后，系統(tǒng)開(kāi)始動(dòng)作，繼續(xù)掃描傳感器的信號(hào)。例：在模擬中，按下搬運(yùn)機(jī)器人右前方的的碰撞傳感器按鈕，PE3口電平會(huì)因傳感器而降低，中央處理器會(huì)感受到該處的電平變化，機(jī)器人右前方碰撞傳感器動(dòng)作，隨后控制電機(jī)，驅(qū)動(dòng)輪上的雙電機(jī)首先實(shí)現(xiàn)減速，搬運(yùn)機(jī)器人速度降低，隨后通過(guò)加速右輪的電機(jī)，左輪電機(jī)不做動(dòng)作，則右輪轉(zhuǎn)速高于左輪轉(zhuǎn)速，機(jī)器人開(kāi)始左轉(zhuǎn)。左轉(zhuǎn)時(shí)，兩個(gè)電機(jī)的速度很容易分辨，左右車輪轉(zhuǎn)速不一致時(shí)，機(jī)器人向左拐，這樣就完成了避免障礙的過(guò)程。每個(gè)方向上的避障過(guò)程基本類似，當(dāng)前方有障礙物時(shí)，搬運(yùn)機(jī)器人就會(huì)通過(guò)降低電機(jī)速度來(lái)實(shí)現(xiàn)剎車，如果是后面有障礙物，機(jī)器人撞倒后就會(huì)加速，加快駛離障礙物，恢復(fù)正常的行駛。對(duì)于紅外傳感器，其作用極其重要，它相當(dāng)于搬運(yùn)機(jī)器人的眼睛。紅外傳感器由紅外線傳輸管和紅外線接收管兩個(gè)裝置構(gòu)成，從插針的位置圖可以看出紅外線接收管正對(duì)著搬運(yùn)機(jī)器人。紅外線傳輸管在紅外線接收管的兩側(cè)，構(gòu)成搬運(yùn)機(jī)器人的“眼睛”。搬運(yùn)機(jī)器人最重要的就是紅外傳感器。對(duì)于躲避障礙而言，它起到至關(guān)重要的作用。紅外傳感器避障和碰撞傳感器有這近乎一樣的程序，其中只有一項(xiàng)是不同的，那就是兩個(gè)傳感器中的行程開(kāi)關(guān)的實(shí)現(xiàn)機(jī)制不一，但是程序的流動(dòng)是相同的。在正常流程中，如果按下紅外傳感器位于右前方的按鈕，則根據(jù)機(jī)器人右前方向的紅外線傳感器檢測(cè)到障礙物反射的38Khz紅外線時(shí)、光耦合輸出端和非門模擬紅外接收管輸出的低電平，PA2口電平因傳感器降低，電平的變化被傳輸至單片機(jī)上，在發(fā)現(xiàn)右前方有障礙物之后。程序首先做出反應(yīng)，與碰撞傳感器流程一致，第一時(shí)間小車的驅(qū)動(dòng)輪上的電機(jī)同時(shí)減速，搬運(yùn)機(jī)器人的行進(jìn)速度迅速減低，隨后單片機(jī)控制機(jī)器人開(kāi)始避障，右電機(jī)迅速提速，左電機(jī)保持原有速度不變，左右電機(jī)行程轉(zhuǎn)速差，控制搬運(yùn)機(jī)器人開(kāi)始左轉(zhuǎn)，規(guī)避障礙物。紅外避障程序基本就是這樣，與碰撞避障的區(qū)別就在于，紅外避障是不需要與障礙物接觸，這也是紅外避障的最大優(yōu)點(diǎn)。避障系統(tǒng)控制流程圖如下：圖2.1避障流程圖2.2循跡與智能跟隨流程機(jī)器人在被研究出來(lái)后，人們就逐漸想將其智能化，自主化，所以搬運(yùn)機(jī)器人的智能跟隨就在其應(yīng)用當(dāng)中有重要地位。該功能可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人跟人行走。為了是搬運(yùn)機(jī)器人能夠完全的跟人行走，也是為了它的智能化水平的提升。會(huì)采用紅外傳感器來(lái)完成這一個(gè)項(xiàng)目，在程序運(yùn)行的開(kāi)始，將人或者需要一定的物體放在機(jī)器人的跟前，機(jī)器人便會(huì)上千跟隨。參照障礙物的移動(dòng)，當(dāng)前方物體移動(dòng)時(shí)，搬運(yùn)機(jī)器人也會(huì)跟隨移動(dòng)。如果物體在其他方位移動(dòng)，例如：物體在右前方進(jìn)行移動(dòng)，那搬運(yùn)機(jī)器人就會(huì)先選擇轉(zhuǎn)向，隨后繼續(xù)向前跟隨?；叶葌鞲衅髯鳛闄C(jī)器人的最后一個(gè)檢測(cè)模塊，也是機(jī)器人的第三個(gè)眼睛，當(dāng)紅外傳感器或者碰撞傳感器檢測(cè)到有障礙物時(shí)，就可以進(jìn)行規(guī)避，而采用灰度傳感器是為了獲得不同數(shù)據(jù)，在不同的環(huán)境中，根據(jù)三個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)綜合，來(lái)完成相應(yīng)的動(dòng)作，例如：讓機(jī)