自動行走機器狗控制系統(tǒng)的設計

盧茹

摘 要：本文提出并研究了對自動行走機器狗在動作上的控制。設計中采用ATMEL公司的AVR系列的ATmegal16單片機作為系統(tǒng)核心部件，并采用9路舵機控制機器狗的動作，從而使機器狗的整個系統(tǒng)設計更加智能化。

關鍵詞：機器狗 單片機 舵機

本課題采用關節(jié)型結構，成功地設計了智能機器狗的本體結構。本機器狗具有前后行、平地側行等基本行走功能。所有的關節(jié)都用Futaba S3003舵機，主要完成腿部和頭部的擺動，充分利用舵機的特性，使舵機具有大力矩、控制簡單、裝配靈活、相對經(jīng)濟的特點。機器狗實物圖如圖1所示。

圖1 機器狗實物圖

一、系統(tǒng)硬件結構設計

1.舵機功能模塊設計

機器狗的每一個關節(jié)都由一個舵機來擔任，通過單片機產(chǎn)生的PWM波形來控制舵機的角度。由于機器狗有9個自由度，所以機器狗身上有9個舵機。要控制機器狗動起來就必須同時控制9個舵機。由于ATmega16內(nèi)部集成只有4路PWM輸出，已經(jīng)不能滿足本系統(tǒng)需求，所以只能通過T0定時器產(chǎn)生20us的溢出中斷配合I/O口，在中斷服務函數(shù)中比較產(chǎn)生占空比在2.5%～12.5%范圍內(nèi)可調(diào)的PWM波形輸出，從電動機的控制線輸入就能同時控制9個舵機在-90°～90°范圍內(nèi)旋轉。由于要同時輸出9路PWM，所以系統(tǒng)采用12MHz外部晶體振蕩器作為時鐘源。

（1）Futaba S3003舵機的簡述。舵機本質(zhì)上是可定位的微型馬達，即微型伺服馬達。當接收到一個位置指令后，它就會運動到指定的位置。它常用于個人機器人模型的可控運動關節(jié)，也常稱這種關節(jié)為自由度，并具有大力矩、控制簡單、裝配靈活、相對經(jīng)濟的特點。

（2）Futaba S3003舵機的控制方式。標準的舵機有三條連接線，分別為電源線、地線、控制線。本舵機的三條線中，紅色為電源線、黑色為地線、白色為控制線。工作電源為4.8～6V。由于舵機在工作中會產(chǎn)生噪聲，所以舵機電源與單片機的電源是相互獨立的。

周期為20ms脈沖信號的正向脈沖寬度與舵機輸出臂位置的關系，如下表所示。

表 周期為20ms脈沖信號的正向脈沖寬度與舵機輸出臂位置的關系

輸入正脈沖寬度 伺服馬達輸出臂位置（。）

t=1.44ms δ=7.2% 0

t=0.89ms δ=4.4% -45

t=2.05ms δ=10% 45

t=0.6ms δ=3% -90

t=2.32ms δ=11.7% 90

2.鍵盤功能模塊設計

本系統(tǒng)需要的按鍵較多，為了減少系統(tǒng)的I/O資源，系統(tǒng)的功能鍵盤設計采用的是4×4矩陣式鍵盤結構。矩陣式鍵盤由行線和列線組成，而按鍵則在行線和列線的交叉處用于連接行線和列線，這樣一個矩陣式鍵盤含有的按鍵個數(shù)就等于鍵盤的行數(shù)和列數(shù)的乘積，只需要8個I/O口就能實現(xiàn)16個按鍵的輸入，這樣就大大減少了系統(tǒng)所需的資源。

鍵盤主要用于機器狗動作的調(diào)試，實際運行時要去掉這個模塊。

3.電源功能模塊設計

本系統(tǒng)的電源共有6V、5V、3.3V三種，其中系統(tǒng)6V電源由4節(jié)1.5V電池串聯(lián)提供，用作舵機的電源輸入。系統(tǒng)的5V電源由7～12V鋰電池通過LM7805穩(wěn)壓提供，用作控制系統(tǒng)的電源輸入和光電傳感器的電源輸入。系統(tǒng)的3.3V電源由系統(tǒng)的5V電源通過LM1117穩(wěn)壓提供，用作語音芯片的電源輸入。其中電阻R1和發(fā)光二極管DS1組成電源工作指示燈。系統(tǒng)電源設計電路原理圖，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)電源的電路原理圖

二、系統(tǒng)軟件設計

1.舵機驅(qū)動程序設計

舵機驅(qū)動程序主要完成對9個舵機的控制，通過ATmega16單片機的T0定時器中斷產(chǎn)生20us的中斷計數(shù)，當中斷計數(shù)到1000時，對計數(shù)值進行清零。在中斷服務函數(shù)中設定一個比較值，當大于比較值時，輸出電平取反，從而達到0.0%～100%的占空比的可調(diào)的脈寬調(diào)制波形輸出（PWM）。Futaba S3003舵機的驅(qū)動只要占空比在2.5%～12.5%范圍就能控制舵機的位置在-90°～90°范圍。

2.鍵盤掃描程序設計

矩陣式鍵盤的處理方式同非矩陣式鍵盤基本相同，但由于矩陣式鍵盤的每個按鍵并不獨立占一個I/O口，因此它的鍵盤識別采用了行掃描法。

行掃描法的基本原理為：程序首先使鍵盤陳列的一條列線為低電平，如果這條線上沒有鍵被按下，則各行線的電平也都為高；如果列線上有鍵被按下，則相應的行線上的電平變?yōu)榈碗娖?，這樣根據(jù)行線和列線的編號就可得到按鍵的鍵值。

3.機器狗運行程序設計

機器狗運行程序是本系統(tǒng)的核心程序之一。由于機器狗的每一個動作都調(diào)過機器狗動作調(diào)試程序，機器狗要執(zhí)行某一個動作時，只需要指定相應的地址調(diào)用其中的數(shù)據(jù)即可。

在程序執(zhí)行時，先讀取起始地址、結束地址、速度、方向，根據(jù)讀取的命令字執(zhí)行機器狗的動作。機器狗要執(zhí)行一個向前走的一套動作中就包含了6個動作，運行時先要執(zhí)行第一個動作，直到完成第一個動作時，再執(zhí)行下一個動作，以此類推，直到完成了6個動作時，向前走的一套動作才能完成。

4.機器狗動作調(diào)試程序設計

機器狗動作調(diào)試程序是本系統(tǒng)的一個重要子程序。機器狗在運行時的每一個動作的數(shù)據(jù)都是通過這一子程序調(diào)試得出的。機器狗動作調(diào)試子程序把機器狗運行的動作拆分為若干個姿勢，并記錄每一個姿勢的數(shù)據(jù)，得出數(shù)據(jù)的好壞直接影響機器狗在運行中動作的靈活性和穩(wěn)定性。

在程序執(zhí)行時，先讀取4×4鍵盤的鍵值，同時可以通過按鍵11來控制舵機轉動的方向。當調(diào)試好一個動作時，按下按鍵15，單片機通過UART串行發(fā)送每一個舵機的數(shù)據(jù)到計算機。

三、小結

本課題主要是研究智能機器狗在動作上的控制，使其能夠?qū)崿F(xiàn)簡單的動作功能。本文論述了整個系統(tǒng)的工作原理以及硬件和軟件的設計方法。在實際應用中，基于舵機的特點，機器狗可以更加智能化，將會給人們的生活帶來更多的方便和樂趣。

參考文獻：

[1]易格斯.適用于機器人的關節(jié)模塊[J].航空制造技術，2009（18）.