輪足復(fù)合式機(jī)器人直流減速電機(jī)的Proteus設(shè)計(jì)與仿真

徐志勇 葉慶明

摘 要：針對直流減速電機(jī)在工業(yè)中的廣泛應(yīng)用，提出了用AT89C51控制四路直流減速電機(jī)的方法。并利用Proteus優(yōu)秀的仿真功能實(shí)現(xiàn)了硬件的連接及仿真。結(jié)果表明，Proteus仿真結(jié)果與硬件電路實(shí)現(xiàn)結(jié)果基本相同，并成功應(yīng)用在“輪足復(fù)合式機(jī)器人”中。為“輪足復(fù)合式機(jī)器人”的進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：輪足復(fù)合；直流減速電機(jī)；L298；Proteus

1 引言

機(jī)器人技術(shù)集機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、仿生學(xué)、自動控制、多傳感器及人工智能等多門學(xué)科于一體[1]。由于機(jī)器人動作的復(fù)雜性，在機(jī)器人的制作中，機(jī)器人的不同動作往往是由各種各樣的電動機(jī)來完成。電動機(jī)種類繁多，其中，直流減速電機(jī)使用簡單、價(jià)格便宜、動力較大[2]，非常適合作為輪式機(jī)器人的驅(qū)動電機(jī)。本文采用傳統(tǒng)的四輪機(jī)器人為研究對象，機(jī)器人底盤結(jié)構(gòu)如圖1：

為提高機(jī)器人對復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力及動力提供系統(tǒng)，該機(jī)器人采用四輪驅(qū)動的方式完成啟動、停止、轉(zhuǎn)彎等動作。

2 輪足復(fù)合式機(jī)器人

輪組復(fù)合式機(jī)器人（圖2）以煤礦災(zāi)后救援為背景，以提高在災(zāi)后惡劣地形條件下對環(huán)境信息的快速探測能力為目標(biāo)。通過對煤礦井下惡劣環(huán)境的分析和模擬，設(shè)計(jì)出能夠根據(jù)不同地形條件變換運(yùn)動模式，實(shí)現(xiàn)快速移動和越障等的機(jī)器人。該機(jī)器人以四輪形式的小車底盤為底板，四角分布四足，以實(shí)現(xiàn)輪式運(yùn)動、足式運(yùn)動、輪足結(jié)合運(yùn)動等。

3 方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)方案主要包括三個模塊（圖3）：控制模塊、驅(qū)動模塊、執(zhí)行模塊。設(shè)計(jì)電路原理圖如圖4。

3.1 控制模塊

該模塊采用AT89C51作為主控器，實(shí)現(xiàn)對輪足復(fù)合式機(jī)器人核心控制器命令的接收、分析和執(zhí)行。該模塊采用AT89C51的P1、P2準(zhǔn)雙向I/O口作為控制端口，P3口作為與核心控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的接口。

3.2 驅(qū)動模塊

驅(qū)動模塊采用L298N（圖5），L298N是SGS公司的產(chǎn)品，內(nèi)部包含四通道邏輯驅(qū)動電路。是一種兩相和四相電機(jī)的專用驅(qū)動器，即內(nèi)含二個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號。可驅(qū)動46V、2A以下的電機(jī)。L298N邏輯功能如表1

3.3 執(zhí)行模塊

執(zhí)行模塊采用四路12V直流減速電機(jī)驅(qū)動四輪實(shí)現(xiàn)輪式運(yùn)動的不同形式：四輪同時(shí)正轉(zhuǎn)，前進(jìn)；四輪同時(shí)反轉(zhuǎn)，后退；左側(cè)兩輪正轉(zhuǎn)，右側(cè)兩輪反轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)彎；右側(cè)兩輪正轉(zhuǎn)，左側(cè)兩輪反轉(zhuǎn)，左轉(zhuǎn)彎。

4 Proteus軟件介紹及仿真

4.1 proteus軟件仿真

Proteus組合了高級原理布圖、混合模式SPICE仿真[3]，PCB設(shè)計(jì)以及自動布線來實(shí)現(xiàn)一個完整的電子設(shè)計(jì)系統(tǒng)。Proteus產(chǎn)品系列也包含了我們革命性的VSM技術(shù)，用戶可以對基于微控制器的設(shè)計(jì)連同所有的周圍電子器件一起仿真[4]。

通過對電路的分析、設(shè)計(jì)原理圖，在Proteus上搭建原理圖。利用Keil uVision軟件編寫程序，生成*.hex文件。將其下載到AT89C51中進(jìn)行調(diào)試仿真，部分仿真結(jié)果如圖6

4.2 仿真結(jié)果分析

4.2.1 利用Proteus的仿真功能對四路直流減速電機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行了初步的仿真，驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的可行性，為硬件系統(tǒng)的正確搭建做了準(zhǔn)備。

4.2.2 基于軟件的仿真系統(tǒng)與硬件實(shí)物的系統(tǒng)相比，在實(shí)時(shí)性、快速性上有所下降，但是，仿真精度誤差極小，可以忽略。

4.2.3 在仿真設(shè)計(jì)中，沒有考慮機(jī)器人自身的重量以及直流減速電機(jī)輸出軸的阻力矩。因而，硬件系統(tǒng)中，機(jī)器人在啟動、停止過程中存在著一定的延時(shí)和誤差。

4.2.4 相對于Matlab等仿真軟件而言，該軟件仿真在精度、數(shù)據(jù)處理方面有所欠缺，但是，該軟件仿真結(jié)果形象，便于結(jié)果的分析、觀察。

5 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)以AT89C51為控制器，設(shè)計(jì)過程利用了Proteus的高效仿真功能，使得設(shè)計(jì)更方便、更快捷，節(jié)省了大量的時(shí)間和成本，并成功模擬實(shí)現(xiàn)了輪足復(fù)合式機(jī)器人四路直流減速電機(jī)的控制實(shí)驗(yàn)，之后，再將仿真系統(tǒng)移植到相應(yīng)的硬件電路，減少了系統(tǒng)開發(fā)周期，具有一定的推廣價(jià)值。此外，該系統(tǒng)對四路直流減速電機(jī)的控制方法對其他類的機(jī)器人的控制提供了一種借鑒方法。

參考文獻(xiàn)

[1]吳俊.雙足步行機(jī)器人.機(jī)器人.

[2]周海.機(jī)器人用直流減速電機(jī)的選用.

[3]馬潮.AVR單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用實(shí)踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社.

[4]孫麗晶.基于ICC AVR和Proteus軟件平臺的AVR單片機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)流程.