多功能機(jī)器人的設(shè)計(jì)

常 遠(yuǎn) 董 皓 郎豐濤 金 彬 尹慶慶 山東師范大學(xué) 山東濟(jì)南 250358

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多功能機(jī)器人的設(shè)計(jì)

常 遠(yuǎn) 董 皓 郎豐濤 金 彬 尹慶慶 山東師范大學(xué) 山東濟(jì)南 250358

【文章摘要】

本文采用MSP430系列單片機(jī)為控制核心，探索智能小車機(jī)器人的設(shè)計(jì)原理。硬件方面討論三自由度機(jī)械臂、直流電機(jī)的控制方法，研究無線模塊、車載傳感器的原理與應(yīng)用，設(shè)計(jì)直流穩(wěn)壓模塊；軟件方面基于IAR集成開發(fā)環(huán)境，運(yùn)用PID控制算法和模塊化編程等思想設(shè)計(jì)程序。最終本文提出了能實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)、環(huán)境感知和無線遙控等任務(wù)的硬、軟件設(shè)計(jì)思路與實(shí)現(xiàn)方案。

【關(guān)鍵詞】

機(jī)械臂控制；MSP430；無線遙控；傳感器；PID

0　引言

近幾十年來，科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展與創(chuàng)新，計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、人工智能技術(shù)等領(lǐng)域尤為突出。擁有自主或半自主能力的智能機(jī)器人，是各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域相互交叉的產(chǎn)物，在當(dāng)今科技社會(huì)中最具代表性。

1　硬件設(shè)計(jì)

微處理器最小系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)、環(huán)境感知系統(tǒng)、無線遙控、行走系統(tǒng)和LCD12864顯示六個(gè)功能模塊，加上配套的電源與穩(wěn)壓電路等，構(gòu)成了多功能機(jī)器人的硬件部分。整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)由一塊7.2V（VCC）可充電鎳鉻電池來供電。

1.1MG995舵機(jī)的相關(guān)參數(shù)測(cè)定

本文所使用的MG995舵機(jī)輸出角度與外部控制信號(hào)的關(guān)系，只是在外部控制信號(hào)的頻率提高為了100Hz，其他并無本質(zhì)區(qū)別。例如期望舵機(jī)輸出的角度為0°時(shí)所應(yīng)該給出的PWM信號(hào)占空比：

以上數(shù)據(jù)的得出是基于理想情況，由于安裝時(shí)的誤差及舵機(jī)的離散參數(shù)特性，實(shí)踐中舵機(jī)輸出的角度為0°時(shí)對(duì)應(yīng)的脈寬往往不是15ms，即外部的PWM信號(hào)占空比不是15%。于是本文通過實(shí)驗(yàn)對(duì)三個(gè)舵機(jī)進(jìn)行了角度標(biāo)定，標(biāo)定的結(jié)果如表（1）、表（2）和表（3）所示。

表（1）1#舵機(jī)標(biāo)定結(jié)果

表（2）2#舵機(jī)標(biāo)定結(jié)果

表（3）3#舵機(jī)標(biāo)定結(jié)果

經(jīng)過實(shí)測(cè)，三個(gè)MG995均有較好的線性特性，角度的誤差可以用軟件來調(diào)整，并不影響其正?？刂啤?/p>

2　環(huán)境感知系統(tǒng)

2.1DHT11傳感器簡(jiǎn)介

DHT11將溫度、濕度測(cè)量集成到一塊芯片上，采用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)與溫濕度傳感技術(shù)，具有極高的可靠性和穩(wěn)定性。其溫度測(cè)量精度是2.0℃，濕度的測(cè)量精度為5.0% RH。

2.2煙霧傳感器

本文應(yīng)用MQ-2型煙霧傳感器模塊來完成煙霧檢測(cè)的目標(biāo)。電導(dǎo)率較低且對(duì)可燃?xì)怏w非常敏感的氣敏材料被該型號(hào)傳感器所采用。當(dāng)MQ-2周圍環(huán)境中存在可燃性氣體時(shí)，氣敏材料的電導(dǎo)率會(huì)隨之迅速增大。

2.3無線遙控模塊

無線遙控模塊由編、解碼電路和OOK調(diào)制、解調(diào)電路組成。

2.4行走系統(tǒng)

2.4.1直流電機(jī)的PWM閉環(huán)控制

直流電機(jī)具有起動(dòng)和調(diào)速性能好、調(diào)速范圍廣和過載能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。其控制方式過去常采用模擬法，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字控制成為直流電機(jī)控制的最常用手段。

2.4.2測(cè)速模塊

通過速度檢測(cè)模塊可以實(shí)時(shí)的獲取電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速率，并以此為依據(jù)應(yīng)用控制算法計(jì)算能量輸出，達(dá)到實(shí)際速度快速跟隨期望速度的目的。

2.4.3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)總體框架

軟件設(shè)計(jì)總體框圖如圖（1）所示。

圖（1）軟件設(shè)計(jì)總體框圖

3　電機(jī)控制程序設(shè)計(jì)

PID算法主要分為位置式PID及增量式PID兩種類型，對(duì)于電機(jī)這類大慣量系統(tǒng)經(jīng)典的控制方法是采用增量式。根據(jù)增量式PID控制原理，本文設(shè)計(jì)了用以控制左右電機(jī)的算法并編程實(shí)現(xiàn)，核心公式：

4　總結(jié)

本文所提出關(guān)于多功能機(jī)器人的硬、軟件設(shè)計(jì)思路與實(shí)現(xiàn)方案，較為良好的實(shí)現(xiàn)了搬運(yùn)、環(huán)境感知和無線遙控等目標(biāo)。該項(xiàng)目的研究成果可以用于貨物搬運(yùn)、家居服務(wù)、消防搜救等場(chǎng)合。

【參考文獻(xiàn)】

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