競賽用搬運機器人控制優化設計研究

廖曾喜， 董 胡， 童 欣

(長沙師范學院 電子與信息工程系, 長沙 410100)

競賽用搬運機器人控制優化設計研究

廖曾喜， 董 胡， 童 欣

(長沙師范學院 電子與信息工程系, 長沙 410100)

近年來，“中國教育機器人大賽”作為創新教育的一種新形式，在全國有了較大的發展。作為大賽用的搬運機器人是一種被廣泛研究的機器人，主要實現對多個目標物體的搬運。圍繞搬運機器人比賽的要求，對控制器、程序下載電路、電源模塊、電機驅動電路等模塊進行選擇和優化，采取舵機帶動機械手運動的方法來實現物料的夾取，確定了搬運機器人的總體設計方案；同時給出了搬運機器人的軟件控制系統優化設計。實驗測試表明優化設計的搬運機器人能更好地完成搬運任務。

創新教育； 搬運； 機器人； 優化設計； 競賽

0 引言

機器人技術是一個國家科技水平的重要標志和體現，它在社會生產的許多方面都得到了廣泛的應用，近年來，隨著計算機的廣泛普及，機器人逐漸由工業生產，走向了人們的生活，如此廣泛的應用使得提高全體國民對機器人的理解顯得尤為重要，普及機器人教育勢在必行。為了普及機器人科學技術，培養學生創新能力，促進機器人技術的發展，國內外相繼出現了一系列的機器人競賽，機器人競賽是一種高技術對抗活動，它涉及人工智能、智能控制、機器人、通信、傳感器等多個領域的前沿研究和技術融合，集高技術、娛樂和比賽于一體，引起了社會的廣泛關注和極大興趣[1][2]。機器人競賽和機器人教育對高科技社會的巨大影響已經引起了美國、歐洲、日本等發達國家和亞洲各國的高度重視，也得到了我國教育界的極大關注，機器人賽事不斷。目前，全球每年有一百多項機器人競賽，參加人員從小學生、中學生到大學生[3]。然而，針對中國機器人大賽中的搬運比賽項目，目前還沒有一個公共的硬件平臺，由于廠家生產的競賽用搬運機器人成本也較高，國內對于競賽用搬運機器人的研究也相對較少，因此本文考慮優化設計一款能夠滿足比賽要求的、低成本的、可用于教學的且搬運速度較快的機器人。

1 競賽用搬運機器人硬件控制系統優化設計

1.1 控制器芯片選擇

搬運機器人微控制器芯片使用Atmel公司的AT89S52芯片，它是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K 系統可編程Flash 存儲器，與工業80C51產品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統可編程，亦適于常規編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統可編程Flash，256字節RAM，32位I/O口線等配置，完全滿足本設計要求。

1.2 程序下載電路優化設計

對于競賽用搬運機器人，需要在比賽現場進行程序下載，由于筆記本電腦因為空間的限制和其他方面考慮的原因沒有串口，甚至一些臺式電腦也取消了串口配置[4]。這給參加機器人競賽現場調試帶來不便。本設計采用USB轉串口模塊實現機器人與電腦之間通信，方便程序的下載。程序下載電路，如圖1所示。

圖1 程序下載電路圖

1.3 電源模塊優化設計

本系統采用兩節3.7 V、3000 mAh的鋰電池供電，為滿足傳感器、單片機、舵機正常工作的工作要求，本設計將電壓分為7.4 V和5 V二個檔位。5 V的電壓是通過穩壓電路的輸出獲得的，它為單片機、灰度傳感器、物料顏色傳感器等提供電源。穩壓電路，如圖2所示。

圖2 穩壓電路圖

1.4 電機驅動電路優化設計

搬運機器人的直流電機驅動采用L298N作為驅動芯片，用1片L298N可以同時驅動兩個直流電機。L298N內部包括 H型電路，該電路可以簡單方便地實現對直流減速電機的控制，簡化了硬件電路的結構。電機驅動電路，如圖3所示。

1.5 地面灰度檢測電路優化設計

本設計地面灰度傳感器由白光LED和光敏電阻組成。通過發光二極管LED照亮地面，地面的反射光線被光敏電阻接收，電阻值會根據反射光線強弱而發生變化[5]。地面顏色越深，吸收光線的能力越強，則光敏電阻接受到的反射光線越弱，光敏電阻值越大，則地面灰度傳感器的輸出電壓也越大；反之，地面灰度淺，輸出電壓小。機器人底部的八個灰度傳感器H0～H7分別與單片機的8個ADC轉換輸入通道：ADC0(P1.0)、ADC1(P1.1)、ADC2(P1.2)、ADC3(P1.3)、ADC4(P0.0)、ADC5(P0.1)、ADC6(P0.2)、ADC7(P0.3)相連接，地面灰度檢測電路，如圖4所示。

圖3 電機驅動電路圖

圖4 地面灰度檢測電路圖

經地面灰度傳感器得到的是模擬信號，然后經過片內模數轉換得到二進制數轉換結果，地面顏色越深，轉換的數值越大；地面顏色越淺，轉換的數值越小。

1.6 物料顏色檢測電路優化設計

物料顏色檢測電路，如圖5所示。

圖中LED為白光光源，TCS3200D的S0、S1接高電平，選擇100%的輸出比例因子；S2、S3由單片機 AT89S52的P2.0、P2.1控制，選擇所需的光電二極管類型；使能端OE接低電平；TCS3200的輸出引腳連接到 AT89S52的定時器/計數器1的輸入端(T1)。通過設置AT89S52定時器/計數器0為定時器方式，定時一段時間。用計數器T1對TCS3200的輸出脈沖進行計數，確定R、G、B值及顏色。

圖5 物料顏色檢測電路

2 競賽用搬運機器人軟件控制系統優化設計

2.1 控制系統主程序優化設計

搬運機器人的控制主程序的主要任務是完成系統的初始化、電機驅動、地面灰度傳感器、物料顏色傳感器發送數據等。系統初始化，單片機發送指令，執行相應的程序，驅動機械臂抓取物塊或機器人作相應的前、后、左、右運動。當傳感器檢測到前方有障礙物時，信號反饋給單片機，進入避障處理服務子程序，實施避障，主程序流程圖，如圖6所示。

圖6 系統主程序流程圖

2.2 障礙物檢測程序優化設計

搬運機器人的障礙物檢測模塊使用的光電傳感器是數字型傳感器[6][7]，在沒有檢測到障礙物的狀態下傳感器輸出為高電平，當檢測到障礙物時傳感器輸出為低電平。設置光電傳感器所連接的I/O口設置為下降沿觸發中斷，機器人運行，當單片機檢測到由障礙物引起的中斷的時候，就可以判斷到底是由哪一路光電傳感器檢測到障礙物，從而確定障礙物所在的具體位置，使機器人采取相應的動作避開障礙物。其障礙物檢測程序流程圖，如圖7所示。

3 實驗與分析

3.1 實驗設備與方法

實驗設備有：計算機1臺，搬運機器人1臺，紅、黃、藍、黑、白物料各1塊，秒表1塊，搬運場地圖1張。按白、黑、紅、黃、藍的順序擺好物料于比賽地圖上對應位置，調整好機器人電源，下載編寫的搬運程序，讓機器人從出發區出發，自動尋找物料，觀察機器人的行進路線以及對物料顏色判斷是否正確，直到機器人回到出發區，記錄機器人從出發到停止所用時間。如此反復，共測試3次。

圖7 障礙物檢測程序流程圖

3.2 測試實驗結果與分析

搬運機器人分別進行了3次物料搬運測試實驗，如表1所示。

表1 搬運機器人測試結果記錄表

每次搬運實際所花時間均低于競賽規定最低時間，整體測試實驗結果良好。此外，競賽用搬運機器人綜合運用了多種傳感器，不僅簡化了程序的編寫，而且增進了機器人搬運的準確性與穩定性。

4 總結

為了滿足比賽要求的、低成本的、可用于教學的且搬運速度較快的機器人，以簡單、高效的原則優化設計了一款基于51單片機的競賽用搬運機器人。機器人采用鋰電池供電，擺脫了交流電源束縛；采用USB轉串口模塊實現機器人與電腦之間通信，方便程序的下載；機器人的直流電機驅動采用L298N作為驅動芯片，便于實現對直流減速電機的控制，簡化了硬件電路的結構；采用灰度傳感器片內模數轉換對地面顏色進行判斷，進而選擇機器人前進路線。采取舵機帶動機械手運動的方法來實現物料的夾取。同時給出了搬運機器人的軟件控制系統優化設計。實驗測試表明，優化設計的搬運機器人能更好地完成搬運任務，完全滿足實際競賽任務要求。

[1] 嚴錫君,趙光辰.面向目標搜索的輪式機器人的設計與研究[J].微型電腦應用,2014, 30(8):4-7.

[2] 孫增圻.RoboCup世界杯與中國機器人大賽[J].機器人技術與應用, 2010(4):10-14.

[3] 鄧文紅,李龍,蔡洪斌.三維虛擬機器人運動仿真系統設計[J].計算機應用研究,2013, 30(12):3820-3823.

[4] Wu B, Li L, Zhang X, et al. Method of automatic test for airborne computer based on RS232 serial port [J]. Information & Communications, 2016 (8):102-107.

[5] Kyung K U, Kim Y S, Park S T, et al.Apparatus for sensing pressure using optical waveguide and method thereof [J].2015(9):37-42.

[6] Kinugasa T. Photoelectric conversion apparatus using fixed pattern noises of sensor and memory cells [D].哈爾濱，哈爾濱工業大學.

[7] Park Y J, Yang H, Lim S H, et al. Analog-to-digital conversion circuit,and image sensor including the same [M]. 北京，機械工業出版社,2016(9):22-28.

Research and Design of Control Optimization for Transfer Robot Using Competition

Liao Zengxi,Dong Hu,Tong Xin

(Electronic and Information Department, Changsha Normal University, Changsha 410100, China)

Recently, "China Education Robot Competition", as a new form of innovation education, has a larger development in our country. Transfer robot is a kind of robot which is widely researched for competition. Its main purpose is multiple objects transferring. According to the requirements of transferring robot competition, controller, program download circuit, power supply module, motor drive circuit module are all selected and optimized. The material is clipped that steering gear drives the movement of manipulator, and the overall design plan of transferring robot is realized. The optimization design of transfer robot software control system is advised. The experiment is tested and verified the optimization design of transfer robot can complete the task of transferring.

Innovation education; Transfer; robot; Optimization design; Competition

湖南省大學生研究性學習和創新性實驗項目(874)；長沙師范學院大學生研究性學習和創新性實驗計劃項目(DXYC201612,DXYC2015)

廖曾喜(1996-)，男，長沙師范學院電子與信息工程系學生，研究方向：電子設計技術 董 胡(1982-)，男，長沙師范學院，講師，碩士，研究方向: 嵌入式技術、機器人技術及信號處理 童 欣(1983-)，男，長沙師范學院，講師，碩士，研究方向:電子設計與機器人技術

1007-757X(2017)03-0021-04

TP339

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2016.10.27)