特種變結(jié)構(gòu)履帶式機(jī)器人的軟件設(shè)計(jì)

曹少泳（北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 機(jī)械與車輛學(xué)院，廣東 珠海519085）

特種變結(jié)構(gòu)履帶式機(jī)器人的軟件設(shè)計(jì)

曹少泳
（北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 機(jī)械與車輛學(xué)院，廣東 珠海519085）

以特種變結(jié)構(gòu)履帶式機(jī)器人為研究對象，結(jié)合機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性能指標(biāo)，搭建了基于STM32的機(jī)器人控制系統(tǒng)。采用模塊化設(shè)計(jì)的思想和策略，針對特種變結(jié)構(gòu)履帶式機(jī)器人的行進(jìn)模塊和可變結(jié)構(gòu)模塊進(jìn)行了軟件設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，采用模塊化結(jié)構(gòu)和C語言編程，編寫了按鍵控制模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、PWM模塊等的應(yīng)用子程序；然后在搭建的硬件平臺上進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所研制的控制系統(tǒng)能夠很好地完成機(jī)器人的前進(jìn)、后退、停止、轉(zhuǎn)彎和變結(jié)構(gòu)等控制任務(wù)，且控制系統(tǒng)工作可靠，性能穩(wěn)定，直流無刷電機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)狀態(tài)良好，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行平滑，能夠很好地滿足機(jī)器人的性能指標(biāo)。

變結(jié)構(gòu)履帶式機(jī)器人；模塊化設(shè)計(jì)；控制系統(tǒng)；軟件設(shè)計(jì)

特種變結(jié)構(gòu)履帶式機(jī)器人的軟件設(shè)計(jì)是該機(jī)器人的核心部分，是實(shí)現(xiàn)控制功能的必要因素之一。

在特種變結(jié)構(gòu)履帶式機(jī)器人的控制系統(tǒng)中，軟件的設(shè)計(jì)采用模塊化思想和C語言編程，這一部分主要包括履帶輪電機(jī)與擺臂電機(jī)調(diào)速方案選擇，履帶輪電機(jī)與擺臂電機(jī)的程序流程規(guī)劃以及程序的編寫[1-4]。

1 特種變結(jié)構(gòu)履帶式機(jī)器人控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

文中是以特種變結(jié)構(gòu)履帶式機(jī)器人為研究平臺，要求對其控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使之能夠?qū)崿F(xiàn)該機(jī)器人的前進(jìn)、后退、停止、轉(zhuǎn)彎和變結(jié)構(gòu)（如圖1所示）等運(yùn)動(dòng)，其控制系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，控制系統(tǒng)系統(tǒng)框圖如圖2所示[5-8]。

由圖2可以得知：特種變結(jié)構(gòu)履帶式機(jī)器人的控制系統(tǒng)主要由主控模塊、A/D控制模塊、按鍵控制模塊以及電機(jī)控制電路模塊組成[9]。

圖1 機(jī)器人變結(jié)構(gòu)時(shí)的狀態(tài)

圖2 特種變結(jié)構(gòu)履帶式機(jī)器人系統(tǒng)組成框圖

2 調(diào)速方案

2.1 履帶輪電機(jī)的調(diào)速方案

文中選用的主動(dòng)輪電機(jī)為2個(gè)無刷直流電機(jī)，由直流電機(jī)的調(diào)速原理我們得知，只需改變電機(jī)電樞電壓即可實(shí)現(xiàn)對電機(jī)調(diào)速[10]。

文中采用4個(gè)三極管組成的H型PWM電路調(diào)速特性優(yōu)越、調(diào)整平滑且能夠?qū)崿F(xiàn)無級調(diào)速，因此本文對特種變結(jié)構(gòu)履帶式機(jī)器人的履帶輪電機(jī)選擇PWM調(diào)速技術(shù)進(jìn)行調(diào)速。而對于PWM信號的產(chǎn)生，通常有兩種方案：一種是通過硬件的方式產(chǎn)生PWM信號；另一種則是通過軟件的方式來產(chǎn)生。文中利用STM32F103VET6的定時(shí)計(jì)數(shù)器外加軟件延時(shí)等方式來實(shí)現(xiàn)PWM信號脈沖寬度的調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速的目的，這種方案能夠方便控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，簡化硬件電路，而且可操作性強(qiáng)[11]。

2.2 擺臂電機(jī)的調(diào)速方案

本設(shè)計(jì)中，采用STM32F103VET6對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行加減速控制，實(shí)際上就是改變輸出脈沖的時(shí)間間隔。STM32F103VET6控制步進(jìn)電機(jī)電脈沖輸出的頻率，有軟件和硬件兩種能夠?qū)崿F(xiàn)。通過對比分析，采用硬件的方法實(shí)現(xiàn)對擺臂電機(jī)的調(diào)速，即利用STM32 F103VET6內(nèi)部的定時(shí)器對擺臂電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。

3 履帶輪電機(jī)程序設(shè)計(jì)

履帶輪電機(jī)程序設(shè)計(jì)主要分為3個(gè)部分，分別為主程序設(shè)計(jì)、按鍵控制子程序設(shè)計(jì)以及A/D控制子程序設(shè)計(jì)[12-13]。

3.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序首先對程序進(jìn)行初始化設(shè)置，然后依次讀取按鍵狀態(tài)以及搖桿狀態(tài)，判斷機(jī)器人履帶輪應(yīng)該執(zhí)行的指令，最后命令機(jī)器人執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。其設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。

圖3 主程序設(shè)計(jì)流程圖

3.2 按鍵子程序設(shè)計(jì)

按鍵控制子程序主要為履帶機(jī)器人的履帶輪電機(jī)設(shè)置3個(gè)按鍵K1、K2和K3，分別用于控制左右兩側(cè)履帶輪電機(jī)的同步啟動(dòng)、反向運(yùn)動(dòng)以及停止。其程序設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。

圖4 按鍵控制子程序流程圖

3.3 A/D控制子程序設(shè)計(jì)

A/D控制子程序是為控制系統(tǒng)設(shè)置2個(gè)搖桿（即2路A/D，通過滑動(dòng)變阻器的形式，把模擬量轉(zhuǎn)為數(shù)字量），通過上下遙控滑動(dòng)搖桿（改變滑動(dòng)變阻器的模擬量從而改變數(shù)字量），來改變左右兩個(gè)履帶主動(dòng)輪的PWM波的占空比，從而改變2個(gè)直流電機(jī)的電樞電壓，實(shí)現(xiàn)控制左輪與右輪的調(diào)速的目的。機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎是通過左右兩輪存在速度差完成。其程序設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。

4 擺臂電機(jī)程序設(shè)計(jì)

擺臂電機(jī)的程序設(shè)計(jì)主要分為3個(gè)部分：主程序設(shè)計(jì)、定時(shí)器中斷子程序設(shè)計(jì)和按鍵控制子程序設(shè)計(jì)。

圖5 A/D控制子程序流程圖

4.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序首先對程序進(jìn)行初始化設(shè)置，然后讀取按鍵狀態(tài)，判斷履帶式機(jī)器人擺臂電機(jī)應(yīng)該執(zhí)行的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而做出相應(yīng)動(dòng)作，做出變結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。擺臂電機(jī)主程序的設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示。

圖6 主程序設(shè)計(jì)流程圖

4.2 定時(shí)器中斷子程序設(shè)計(jì)

定時(shí)器中斷子程序的設(shè)計(jì)是為了實(shí)現(xiàn)擺臂電機(jī)調(diào)速目的，通過硬件的方式改變STM32F103VET6發(fā)出的電脈沖的周期。定時(shí)中斷子程序首先設(shè)置初始定時(shí)周期，然后按照調(diào)速的要求分別設(shè)定中斷次數(shù)，每計(jì)數(shù)一個(gè)定時(shí)周期，中斷次數(shù)減1。當(dāng)中斷次數(shù)為0時(shí)，先判斷電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，若擺臂電機(jī)為運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，則改變電脈沖周期，從而實(shí)現(xiàn)擺臂電機(jī)的調(diào)速；若擺臂電機(jī)為停止?fàn)顟B(tài)時(shí)，則直接中斷返回。其設(shè)計(jì)流程圖如圖7所示。

4.3 按鍵控制子程序設(shè)計(jì)

擺臂電機(jī)按鍵控制子程序主要為履帶機(jī)器人的擺臂電機(jī)設(shè)置5個(gè)按鍵S1、S2、S3、S4和S5組成，分別用于控制擺臂電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止、加速和減速。利用5個(gè)按鍵的協(xié)調(diào)配合，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人越障和上下樓梯。其程序設(shè)計(jì)流程圖如圖8所示。

圖7 定時(shí)器中斷子程序設(shè)計(jì)流程圖

圖8 按鍵控制子程序流程圖

5 特種變結(jié)構(gòu)履帶機(jī)器人控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

由于在特種變結(jié)構(gòu)履帶式機(jī)器人的控制系統(tǒng)中，主控芯片STM32F103VET6無法通過Proteus等軟件進(jìn)行仿真，因此，對控制系統(tǒng)的驗(yàn)證只能通過實(shí)驗(yàn)的方式來進(jìn)行。特種變結(jié)構(gòu)履帶式機(jī)器人的功能目的是實(shí)現(xiàn)該機(jī)器人的前進(jìn)、后退、停止、加減速、轉(zhuǎn)彎和變結(jié)構(gòu)等基本運(yùn)動(dòng)。要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的這一系列運(yùn)動(dòng)，本質(zhì)上是實(shí)現(xiàn)對兩個(gè)履帶輪電機(jī)和一個(gè)擺臂電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速以及停止的配合控制。通過機(jī)器人兩邊履帶輪電機(jī)同步控制實(shí)現(xiàn)其前進(jìn)、后退、加速與減速，控制兩履帶輪電機(jī)之間存在速度差來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，通過控制擺臂電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度來實(shí)現(xiàn)變結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。特種變結(jié)構(gòu)履帶機(jī)器人控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證主要包括對履帶輪電機(jī)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證以及擺臂電機(jī)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[14-19]。

5.1 履帶輪電機(jī)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在本設(shè)計(jì)中，對履帶輪電機(jī)的控制實(shí)驗(yàn)只進(jìn)行一路。首先根據(jù)選型好的硬件，搭建特種變結(jié)構(gòu)履帶式機(jī)器人履帶輪電機(jī)的控制電路。

在履帶輪電機(jī)的控制電路中，A/D控制部分用于左右兩邊履帶輪電機(jī)的速度調(diào)節(jié)，即通過2個(gè)搖桿的同步上下滑動(dòng)來控制機(jī)器人的前進(jìn)與后退，通過2個(gè)搖桿的異步滑動(dòng)使機(jī)器人兩邊履帶輪之間形成速度差，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎；3個(gè)按鍵K1、K2和K3則用于控制左右履帶輪的同使啟動(dòng)、反轉(zhuǎn)與停止。

履帶輪電機(jī)的實(shí)驗(yàn)操作與現(xiàn)象：按下電機(jī)啟動(dòng)按鈕K1，履帶輪電機(jī)開始正轉(zhuǎn)；向上滑動(dòng)搖桿（A/D控制模塊），電機(jī)的轉(zhuǎn)速變快，當(dāng)搖桿滑動(dòng)至最高點(diǎn)時(shí)，PWM控制信號的占空比為1，電機(jī)達(dá)到最大轉(zhuǎn)速；復(fù)位搖桿，電機(jī)轉(zhuǎn)速回到初始狀態(tài)；向下滑動(dòng)搖桿，電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸變慢，當(dāng)搖桿滑動(dòng)到最低點(diǎn)時(shí)，PWM信號的占空比為0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)；按下反轉(zhuǎn)按鍵K2，電機(jī)實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)；按下停止按鍵，電機(jī)停轉(zhuǎn)。

5.2 擺臂電機(jī)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)已經(jīng)選型完的擺臂電機(jī)控制電路的相關(guān)硬件，搭建擺臂電機(jī)控制電路，在擺臂電機(jī)的控制電路中，系統(tǒng)設(shè)定的5個(gè)按鍵主要用于控制擺臂電機(jī)實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止、加速和減速等基本運(yùn)動(dòng)，分別為S1、S2、S3、S4和S5。通過這5個(gè)按鍵的協(xié)調(diào)使用，使機(jī)器人進(jìn)入變結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)其越障以及上下樓梯。但在一般情況下，特種變結(jié)構(gòu)履帶式機(jī)器人在越障以及上下樓梯的過程中，即在進(jìn)行變結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，是不需要進(jìn)行加減速控制。加減速按鍵的設(shè)置是為機(jī)器人的功能擴(kuò)展。加減速按鍵主要在用特殊場合，比如在任務(wù)緊急的情況下，特種變結(jié)構(gòu)履帶式機(jī)器人需要在特定時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)，此刻為實(shí)現(xiàn)快速越障與上下樓梯目的而需要進(jìn)行擺臂電機(jī)加速控制；或在對該機(jī)器人進(jìn)行展示時(shí)，為了向觀眾充分展示機(jī)器人變結(jié)構(gòu)狀態(tài)而進(jìn)行慢動(dòng)作演示，此刻才需要用到減速按鍵。

擺臂電機(jī)的實(shí)驗(yàn)操作與現(xiàn)象：按下正轉(zhuǎn)S1按鍵，擺臂電機(jī)開始正轉(zhuǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)；連續(xù)2次按下加速鍵S4，擺臂電機(jī)的速度發(fā)生連續(xù)變化，實(shí)現(xiàn)三級調(diào)速；連續(xù)2次按下減速按鍵S5，擺臂電機(jī)的速度回到初始狀態(tài)，再連續(xù)2次減速減S5，速度實(shí)現(xiàn)三級減速，擺臂電機(jī)達(dá)到最低速度；按下停止按鍵S3，擺臂電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)；按下反轉(zhuǎn)按鍵S2，擺臂電機(jī)實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)。

6 結(jié) 論

通過實(shí)驗(yàn)表明，履帶輪電機(jī)的控制電路的設(shè)計(jì)能夠很好地完成特種變結(jié)構(gòu)履帶式機(jī)器人的前進(jìn)、后退、停止以及轉(zhuǎn)彎等基本運(yùn)動(dòng)，滿足該機(jī)器人對行進(jìn)功能的要求；擺臂電機(jī)的控制電路的設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)特種變結(jié)構(gòu)履帶式機(jī)器人進(jìn)行變結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，能夠滿足該機(jī)器人進(jìn)行越障與上下樓梯的功能要求。

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Software design of the special variable structure tracked robot

CAO Shao-yong
（School of Mechanical Engineering and Vehicle，Zhuhai College of Bejing Institute of Technology，Zhuhai 519085，China）

According to the special structure of tracked robot， combined with the structure characteristics and performance index of robot，built a robot controller based on STM32.The ideas and methods of modular design，module for travel and variable structure module special variable structure of tracked robot is software design.In the software design of the system，uses the modular structure and C language programming，written application subroutine button control module，A/D conversion module，PWM module and so on；and then in the hardware platform is validated by some experiments.The experimental results show that，the control system which is developed in this paper can easily complete the robot move forward，backward，stop，turn and variable structure control tasks，and the control system is reliable，stable performance，DC brushless motor dynamic response in good condition，step motor running smooth，can satisfy the performance index of the robot very well.

variable structure tracked robot；modular design；control systems；software design

TP242；TN<919.82 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A class="emphasis_bold">919.82 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674－6236（2017）07-0045-04919.82 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1674－6236（2017）07-0045-04

A 文章編號：1674－6236（2017）07-0045-04

2016-03-26稿件編號：201603354

曹少泳（1982—），男，江西九江人，碩士研究生，講師。研究方向：機(jī)械電子、機(jī)器人、電機(jī)與控制。