基于單片機的小型全地形履帶車控制系統設計

為一款小型全地形履帶車設計了控制系統，可以控制履帶車在全地形路況下載運物品到達指定位置。控制系統采用模塊化結構，通過人的遙控，主控制器控制電機驅動模塊通過利用調速控制和反饋調速的總信號調壓的方式改變向車兩側電機供給的電能來驅動履帶車，實現全地形載運貨物的功能。

【關鍵詞】PID控制 雙電機驅動 DC轉DC 紅外線遙控

從2007年到2015年，我國快遞業呈現出強勁的增長態勢，快遞業務量年均增長 40%以上，2015年我國快遞業業務量達到了206億件，同比增長48%[1-2]。分揀站點作為快遞業務重要的一環，經常因為貨物繁多而堆積如山，站點內需要小型可操縱載運物品的裝置來將分揀后的快件運送到站內相應位置；另外，隨著我國社會步入老齡化，在家庭生活中，特別是對于老年人需要一種可在全地形環境下幫助人搬運物品的輕便裝置。

針對這種情況，設計出一種小型遙控操縱的搬運小型物品用全地形履帶車。履帶車設計為由人在不超過以20m為圓心的區域內通過手持無線遙控器實時對車的運動進行遙控，實現其全地形（包括翻越小型障礙、上樓梯等）負重前進、轉向、倒退進行載運，到達指定位置。整車采用雙電機驅動和履帶設計，自重約為15 kg，長925 mm、寬550 mm-750 mm（在此范圍內可調）、高310 mm，可承載40 kg的貨物。整個車由機體部分、電機和傳動及行駛部分、電子控制部分等三部分組成。履帶車整體示意圖如圖1所示。

目前，搬運物品的智能車控制系統多是小型循跡車控制系統，如王登貴的基于MCU的智能搬運車控制系統設計與研究[3]與郭偉的自動尋跡搬運車控制系統設計與實現[4]，通過控控制系統控制模型車循跡運動，但其設計無法滿足各種復雜路況下載運偏重型物品；還有張培明的智能搬運車控制系統研究[5]和董雷剛的復雜路況下的智能循跡小車方案設計[6]，這些設計解決了復雜都實現了搬運車在復雜路況下沿指定路線載運貨物的問題，但是不適用于控制搬運車到達隨意指定位置。本文設計的是適用于全地形搬運貨物至任意地點的小型履帶車的控制系統。

1 控制系統的總體設計

根據履帶車的要求，設計出遙控履帶車控制系統主要以89C52單片機為主控制器芯片，由紅外線通信模塊、主控制器模塊、電機驅動模塊、供電電源模塊四部分構成。

系統的運行流程大致分為四步：紅外線通訊、單片機處理、電機驅動和電機執行，系統每次刷新時間是10 ms，完成上一次流程即刻進入下一次循環。具體為：打開履帶車上的電源開關，單片機開始對包括紅外線通信、電機驅動和編碼器等接口進行初始化，按下按鍵使遙控器發出的前進、后退和轉彎指令，經紅外線發射接收模塊的調制和解調后，將運動信號發送給單片機；單片機會對輸入信號進行辨別運算，發出履帶車做相應運動所需的不同信號；在單片機對接收到的信號進行運算處理之后，輸出信號會控制兩側電機驅動向電機電源的供給，進而控制電機運轉，最后實現控制履帶遙控車載運的功能。控制系統總框圖如圖2所示。

當兩側電機驅動車運動時，碼盤編碼器會將兩側運動速度返回至主控制器，通過主控制器改變對電機驅動的指令消除轉速差。如果需要對履帶遙控車進行調速，可按下遙控器上調速按鍵發出的高中低速信號至主控制器，通過主控制器的脈沖輸出控制電機驅動，最后實現電機調速。前進和后退的切換則可通過調節電機驅動模塊里的轉換開關實現。

2 硬件電路設計

2.1 紅外線無線通訊模塊

紅外線無線通信模塊主要用作從遙控器發送控制指令至主控制器。

紅外線通信是一種利用紅外線來傳輸信號的通信方式。紅外通信是利用950 nm近紅外波段的紅外線作為傳遞信息的媒體，即通信信道。發送端將基帶二進制信號調制為一系列的脈沖串信號，通過紅外發射管發射紅外信號。紅外線具有容量大，保密性強，抗電磁干擾性能好，設備結構簡單、體積小、重量輕、價格低。

設計用到的一對紅外線通訊編碼/解碼芯片PT2262/PT2272，是一對帶地址、數據編碼功能的無線遙控發射/接收芯片。發射芯片PT2262將載波振蕩器、編碼器和發射單元集成與一身，使發射電路變得十分簡潔。接收芯片PT2272 M4，以四路非鎖定形式輸出，即當發射信號消失時，其對應輸出位即變為低電平即輸出的電平是瞬時的，且與發射端相對應，可以實時電動控制。

從發射模塊可以進行四路遙控，分別是前行、分級調速、左轉和右轉。進而控制接收模塊的九路輸出，與主控制器進行通訊。紅外線無線通信模塊原理圖如圖3所示。

2.2 主控制器模塊

主控制器模塊主要用作對指令信號的接收與處理。

設計用到的控制器核心為STC89C52RC單片機，用于對輸入信號的處理和輸出控制信號，其最小系統是由以89C52單片機為主的，再加上復位電路、振蕩電路和5V電源等組成的控制模塊。復位電路包括自動上電復位和手動復位，可以使單片機的狀態還原成初始狀態；單片機上各個部件運行都是以時鐘頻率為基準，而晶振電路的作用就是為系統提供穩定的時鐘信號，設計使用的是11.0592 MHz的晶振作為振蕩源和50 pf的電容構成振蕩電路。

STC89C52RC單片機共32位I/O接線口。在控制系統中，P0組用于公共端接線，P1組用于紅外線通訊端接線，P2組用于指令輸出端接線，P3組用于與編碼器通訊的接線。主控制器模塊原理圖如圖4所示。

2.3 電機驅動模塊

電機驅動模塊主要用作處理主控制器指令信號，為電機提供可調電源。

電機是一種將電能轉化為動能的執行機構。電機驅動模塊接單片機輸出的一個某長度的脈沖信號，可以通過脈沖改變控數字電位器的阻值來控制電機驅動電路對24 V電源向電機提供不同固定值的電壓，控制電機的轉動。履帶車的左、右兩側履帶各自由一個電機驅動，兩個電機協同作業，從而達到控制履帶遙控車轉向、直行等運動的目的。

2.3.1 電機及電池的選擇

根據整車設計，要求電機的功率為150W，轉速為200 rpm，選擇臺松DC2 V正反轉調速90型3-15 K 200 W直流齒輪減速電機。其基本參數如表1。

所選電機在150 w及以上功率的情況下工作，要求履帶車可以在這種情況下連續工作3小時以上，因此選擇了優貝特24 V 20 ah定制式鋰電池。

2.3.2 電機驅動的設計

設計所用到的24 V直流齒輪減速電機，是一種直流大力矩調速正反轉減速電機。電機在調速時采用調壓調速，可以盡量減小噪音和履帶遙控車在負載運行時的震動。減速電機的驅動電路是一塊由電位器改變電壓值的電源轉換模塊，主要由通用時基電路NE555P、N溝道P75NF75三極管、L7812CV三端穩壓集成塊和數字電位器構成。其中NE555P時基電路由數字電位器器完成特點振蕩延時作用；P75NF75三極管是導電方式增強型的三極管；L7812CV集成塊是DC 12-24 V的輸入輸出穩壓管；數字電壓器是可調共100階100 kΩ的數字電阻。

通過各個原件的協同工作，保證了電機運行。電機驅動電路原理圖如圖5所示。

2.3.3 車兩側電機同步的設計

由于履帶車左右履帶分別由兩側的電機驅動，為保證兩側電機同步。系統在兩個電機轉軸前端延長部分分別用聯軸器連上碼盤編碼器，讀取左右電機的不同瞬時轉速數據，再經過主控制器模擬PID運算，輸出控制信號對電機轉速進行控制，實現同步功能。

編碼器是將信號或數據進行編制、轉換為可用以通訊、傳輸和存儲的信號形式的設備。編碼器把角位移或直線位移轉換成電信號，前者稱為碼盤，后者稱為碼尺。按照工作原理編碼器可分為增量式和絕對式兩類。增量式編碼器是將位移轉換成周期性的電信號，再把這個電信號轉變成計數脈沖，用脈沖的個數表示位移的大小。絕對式編碼器的每一個位置對應一個確定的數字碼，因此它的示值只與測量的起始和終止位置有關，而與測量的中間過程無關。

根據系統同步設計的要求，選擇的編碼器是歐姆龍E6A2 CS5C 100 p/r脈沖光電增量式碼盤編碼器。編碼器軸徑4 mm，電壓12-24 V DC，分辨率100 p/r。編碼器實物圖如圖6所示。它將電機旋轉的角位移轉換成周期性的電信號，再把這個電信號轉變成計數脈沖，用脈沖的個數表示電機轉動的圈數。

該型號編碼器有3條引線，其中1條是A相脈沖輸出線，1條是COM端線，1條是電源線（OC門輸出型）。編碼器的電源直接接外接電源，如圖7所示。電源“-”端與編碼器的COM端連接，“+ ”與編碼器的電源端連接；編碼器的COM端與主控制器輸入COM端連接；A相脈沖輸出線直接與主控制器的輸入端連接，脈沖信號直接輸入給主控制器，利用主控制器的計數器對其脈沖信號進行計數，以獲得測量結果。

2.4 供電電源模塊

供電電源模塊主要用作對主控制器模塊和電機驅動模塊提供專用電源。

設計的供電電源模塊由三路專用的供電電源提供給履帶遙控車。一路24V電源由電池經DC24/12-DC5降壓模塊降壓之后，為其提供穩定可靠的5V專用電源，所用到的降壓模塊主要由高效率大電流降壓芯片TPS40057、TPCA8016-H MOSFET N通道構成，被降電壓經過N通道的邏輯電平門最后通過大電流降壓芯片TPS40057（TPS40057原理圖如圖8所示）進行降壓，為主控制器提供電源；另一路直接連接24V電源正負極至電機驅動模塊正負端子，由電機驅動模塊控制對電機供電；最后一路直接向編碼器供電。

3 軟件設計

設計采用Keil μVision4進行編程實現。設計中系統軟件包括主函數和電機驅動函數函數。對單片機和一些外圍器件需要進行初始化才能正常使用的器件進行初始化和重新賦值一些變量，初始化完后進去死循環，如果不進入死循環程序運行一次就會退出，如果加入死循環程序就會不斷地進行循環達到實時檢測執行的目的。

程序主要完成系統、遙控模塊初始化和控制電機運作等功能。

系統初始化由定時器10 ms的定時，對單片機和遙控模塊等進行初始化和重新賦值。初始化完后進入主程序。首先檢查是否接收到遙控信號，如有信號，由單片機對其進行處理。由于電機驅動采用數字電位器調壓的方式，單片機I/O口段時間發送一段脈沖信號對應電位器的某一阻值，從而改變電機驅動模塊對電機提供電源的電壓值達到控制電機的目的。履帶車兩側編碼器會在車不同運行狀態下返回兩側不同速度數據，經主控制器對該階段反饋的速度數據進行pid運算比較，對數字電位器進行微調，實現對兩電機同步的要求。程序流程圖見圖9。

4 結論

為一小型全地形履帶車設計了其控制系統。該控制系統應用到履帶車上，在額定載重、全地形工況下，履帶車載運貨物行進、轉向和變速的操控性能良好，能夠在穩定的跨越草地、石子路、樓梯等障礙的同時保持車兩側履帶速度同步，保持了履帶車的設計運載能力。所設計的控制系統完全滿足履帶車運行控制的要求。

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作者簡介

龐根蒂（1995-），男，四川省德陽市人。大學本科學歷。2013級自動化專業學生。

作者單位

1.沈陽理工大學 遼寧省沈陽市 110159

2.沈陽理工大學汽車與交通學院 遼寧省沈陽市 110159