基于51單片機(jī)的智能快遞機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

聶秀珍

（山西鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030006）

0 引 言

在智能化技術(shù)體系不斷完善的背景下，許多行業(yè)迎來了新的發(fā)展契機(jī)。在此背景下，單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)逐漸凸顯。智能機(jī)器人作為自動(dòng)化裝備和先進(jìn)制造技術(shù)的代表，涉及許多領(lǐng)域?qū)W科的應(yīng)用知識(shí)。將單片機(jī)技術(shù)和智能快遞機(jī)器人控制系統(tǒng)關(guān)聯(lián)在一起，一方面能夠優(yōu)化控制系統(tǒng)性能，提高智能快遞機(jī)器人應(yīng)用過程的平穩(wěn)性，另一方面對(duì)加快機(jī)器人研究速度也有著積極作用。

1 51單片機(jī)相關(guān)內(nèi)容概述

1.1 基本定義

將中央處理器、存儲(chǔ)器以及I/O輸入輸出接口電路等集成在一塊電路芯片上的具有微型計(jì)算機(jī)功能的設(shè)備稱為單片機(jī)。本文主要研究51系列的單片機(jī)，典型應(yīng)用的代表有ATMEL公司生產(chǎn)的AT89系列。51單片機(jī)對(duì)Intel 8031指令系統(tǒng)具有兼容性，在國(guó)內(nèi)應(yīng)用廣泛。而在國(guó)際上把單片機(jī)稱為微控制器，英文全稱為Micro controller unit，簡(jiǎn)寫為MCU。相對(duì)來講，51系列單片機(jī)價(jià)格便宜，體積較小，實(shí)用性廣，性價(jià)比較高，在生活中獲得了廣泛應(yīng)用。

1.2 主要構(gòu)成

51單片機(jī)主要由以下幾部分構(gòu)成。第一，CPU。CPU是單片機(jī)順利運(yùn)行的核心，主要由運(yùn)算和控制邏輯組成，同時(shí)包括中斷系統(tǒng)和部分外部特殊功能寄存器。第二，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM。在51單片機(jī)編寫程序的過程中，通過keil構(gòu)建工程，在keil工程中編寫的程序用于控制、處理51單片機(jī)及外圍器件。在keil程序中會(huì)產(chǎn)生一些過程數(shù)據(jù)和運(yùn)算結(jié)果，這些用于控制和處理結(jié)果的程序數(shù)據(jù)以及結(jié)果，均存放在單片機(jī)內(nèi)部的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM中。第三，程序存儲(chǔ)器ROM。在keil工程構(gòu)建的程序中，一些原始數(shù)據(jù)以及用于控制51單片機(jī)的程序都存放到單片機(jī)內(nèi)部的程序存儲(chǔ)器ROM中。第四，輸入輸出接口I/O口。51單片機(jī)引腳中有4組并行口，每一組有8位共32位引腳，這些I/O引腳可以作為信號(hào)輸入端，也可以作為輸出接口輸出單片機(jī)處理結(jié)果。第五，定時(shí)計(jì)數(shù)器T/C。51單片機(jī)內(nèi)部有兩個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器分別為T0、T1，均為16位。通過設(shè)置寄存器可以具有定時(shí)功能，也可以設(shè)置為計(jì)數(shù)功能。

2 智能快遞機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

2.1 總體方案設(shè)計(jì)

智能快遞機(jī)器人最主要的特點(diǎn)是自主性、適應(yīng)性和交互性。遵照以上原則，智能移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)該具有的功能包括4個(gè)方面。第一，自主移動(dòng)。控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自主移動(dòng)。第二，探測(cè)環(huán)境。機(jī)器人本身具有傳感器設(shè)備，可以通過傳感器的探測(cè)結(jié)果分析機(jī)器人需要的數(shù)據(jù)，如周圍環(huán)境中相關(guān)機(jī)器人的信息。第三，任務(wù)導(dǎo)航。在快遞機(jī)器人工作期間，可以借助系統(tǒng)探測(cè)到的周邊環(huán)境信息重新規(guī)劃行進(jìn)路徑，在確保任務(wù)完成質(zhì)量的基礎(chǔ)上，加快工作的完成速度。第四，人機(jī)交互。這是方案設(shè)計(jì)中的重要功能條件，人們可以借助人機(jī)交互平臺(tái)確定機(jī)器人目前的運(yùn)行狀態(tài)、任務(wù)推進(jìn)情況以及完成數(shù)量等信息，也為機(jī)器人運(yùn)行調(diào)試奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)分析

設(shè)計(jì)快遞機(jī)器人時(shí)，底盤結(jié)構(gòu)主要以4輪結(jié)構(gòu)為主，如圖1所示。為確保快遞機(jī)器人移動(dòng)過程的穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向時(shí)的靈活性，共設(shè)計(jì)了2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪結(jié)構(gòu)。驅(qū)動(dòng)輪保持較高的運(yùn)行獨(dú)立性，2個(gè)方向輪可以靈活擺動(dòng)，以確保快遞機(jī)器人行進(jìn)方向的準(zhǔn)確性。為方便快遞機(jī)器人定位，將底盤中心點(diǎn)作為移動(dòng)過程中的坐標(biāo)記錄點(diǎn)。

圖1 快遞機(jī)器人示意圖

2.2.2 移動(dòng)方式選擇

結(jié)合以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，快遞機(jī)器人移動(dòng)方式的選擇種類較多，如履帶式、步行式以及輪式等。本文設(shè)計(jì)中選擇的移動(dòng)方式為輪式移動(dòng)，且4個(gè)輪子運(yùn)行過程的獨(dú)立性較強(qiáng)，使其具備了較高的移動(dòng)靈便性。在驅(qū)動(dòng)方式方面，選擇3輪差動(dòng)轉(zhuǎn)向式，即有2個(gè)獨(dú)立工作的驅(qū)動(dòng)輪和1個(gè)或2個(gè)（本文選擇的是兩個(gè)）隨動(dòng)輪組成。運(yùn)行時(shí)驅(qū)動(dòng)輪提供前進(jìn)動(dòng)力，而隨動(dòng)輪負(fù)責(zé)調(diào)整方向，確保運(yùn)送任務(wù)的順利推進(jìn)。

2.3 傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.3.1 紅外傳感器

考慮到快遞機(jī)器人工作環(huán)境的特殊性，在機(jī)器人設(shè)計(jì)中需要添加紅外傳感器，主要作用是根據(jù)前方紅外反饋信息，識(shí)別危險(xiǎn)信息（火源），從而提高工作過程的安全性。實(shí)際設(shè)計(jì)中，利用紅外頻率產(chǎn)生電路，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)38 kHz的紅外光。模塊在接收到紅外光后會(huì)對(duì)其進(jìn)行應(yīng)用處理，確定紅外光強(qiáng)度，并識(shí)別產(chǎn)生源，查看源頭屬于自然光還是明火。自然光情況下，機(jī)器人保持正常的工作狀態(tài)；反之，提交給主系統(tǒng)信息重新規(guī)劃路徑，提升路徑行駛的安全性。

2.3.2 光敏傳感器

除了感知熱源外，智能快遞機(jī)器人還需要具備較高的光感性。一般會(huì)在智能機(jī)器人中安裝光敏電阻，根據(jù)關(guān)照強(qiáng)度更改不同的電阻值。為了確保系統(tǒng)的安全性，光敏電阻在無光狀態(tài)下的電阻為幾十萬歐姆，在普通的室內(nèi)光線下電阻為幾千歐姆，而在強(qiáng)光下則為幾十歐姆。利用光敏電阻這一變化規(guī)律，可以大致了解智能快遞機(jī)器人的行駛情況，結(jié)合其他數(shù)據(jù)信息實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，提高機(jī)器人工作狀態(tài)的穩(wěn)定性。

2.3.3 超聲波傳感器

智能快遞機(jī)器人在行進(jìn)過程中也會(huì)遇到一些障礙物，如石頭、倒下的欄桿以及貨物等。此時(shí)需要借助超聲波傳感器完成障礙預(yù)判，以便路線的重新規(guī)劃設(shè)計(jì)。對(duì)于障礙物的檢測(cè)采用超聲波傳感器電路設(shè)計(jì)，其中信號(hào)發(fā)射電路可以采用74HC04型號(hào)反向器。對(duì)于信號(hào)的接收采用接收電路，可以結(jié)合51單片機(jī)采集信息。

在單片機(jī)發(fā)出超聲波信號(hào)時(shí)（頻率為40 kHz），若前方存在障礙物，波長(zhǎng)信號(hào)會(huì)被反彈回來。此時(shí)，根據(jù)信號(hào)指示可以判斷與障礙物之間的距離和障礙物，隨后在硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的幫助下重新規(guī)劃行進(jìn)路線。

2.4 控制器硬件設(shè)計(jì)

2.4.1 硬件平臺(tái)系統(tǒng)

智能快遞機(jī)器人硬件平臺(tái)系統(tǒng)主要由以下幾部分組成。第一，主控制芯片，即51單片機(jī)是系統(tǒng)運(yùn)行的核心。第二，對(duì)于程序的調(diào)試采用JTAG接口，通過JTAG接口下載程序控制機(jī)器人動(dòng)作，并反復(fù)調(diào)試。第三，顯示器模塊，人機(jī)交互的數(shù)據(jù)通過顯示屏操作，可以在顯示屏進(jìn)行控制機(jī)器人動(dòng)作。第四，系統(tǒng)電路包括電源控制線路、紅外控制電路、超聲控制電路、電機(jī)控制電路以及警報(bào)系統(tǒng)電路等，這些電路是維持系統(tǒng)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)[1]。

2.4.2 最小系統(tǒng)電路

在對(duì)智能快遞機(jī)器人進(jìn)行最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意以下內(nèi)容。第一，做好時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)工作，常用的時(shí)鐘電路可以分為有源和無源晶振兩種方式。相比于無源晶振，有源晶振所生成的時(shí)鐘質(zhì)量更高，如HO2B-16便是常用的時(shí)鐘電路類型之一[2]。第二，進(jìn)行電源模塊的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以應(yīng)用直接供電和轉(zhuǎn)換供電兩種方式維持機(jī)器人正常的工作狀態(tài)。前者主要利用9 V電池為系統(tǒng)供電，后者則是利用變壓器將常規(guī)電壓（如220 V、380 V等）轉(zhuǎn)換為9 V電壓完成供電。

2.4.3 人機(jī)接口電路

設(shè)計(jì)人機(jī)接口電路時(shí)，應(yīng)注意以下內(nèi)容。第一，系統(tǒng)顯示模塊是人機(jī)交互的主界面，應(yīng)優(yōu)先選擇電路簡(jiǎn)單的液晶顯示屏，如HD44780、HD44788等都是常用的顯示屏[3]。第二，警報(bào)系統(tǒng)電路。該環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)內(nèi)容比較簡(jiǎn)單，可以將蜂鳴器和51單片機(jī)直接關(guān)聯(lián)在一起，完成警報(bào)聲音的發(fā)出，具體的設(shè)計(jì)電路如圖2所示。

2.4.4 電機(jī)控制電路

設(shè)計(jì)的智能快遞機(jī)器人利用輪式結(jié)構(gòu)完成唯一操作，驅(qū)動(dòng)電流為直流電，因此驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)優(yōu)選性能較強(qiáng)的直流電機(jī)。在電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)過程中，選擇51單片機(jī)作為核心結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，具體的電機(jī)控制如圖3所示。在電路運(yùn)行過程中，會(huì)將其和TTL邏輯電平關(guān)聯(lián)在一起，同時(shí)梳理控制邏輯，從而滿足系統(tǒng)正常的工作所需。

圖2 警報(bào)系統(tǒng)電路示意圖

2.5 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.5.1 系統(tǒng)軟件

進(jìn)行控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)，需要先建立系統(tǒng)軟件框架。實(shí)際設(shè)計(jì)中，該框架需要滿足可靠性、兼容性、實(shí)時(shí)性和可移植性等要求，也為后續(xù)智能快遞機(jī)器人的進(jìn)一步發(fā)展奠定基礎(chǔ)。依托于51單片機(jī)結(jié)構(gòu)，還需要合理選擇系統(tǒng)的開發(fā)工具，包括編譯器、仿真器、集成環(huán)境等內(nèi)容，從而確保軟件系統(tǒng)平臺(tái)的有效性，提升智能快遞機(jī)器人運(yùn)行過程的可靠性。

2.5.2 系統(tǒng)主程序

圖3 電機(jī)控制電路示意圖

如圖4所示，在系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)過程中，可以參照該流程完成常規(guī)性工作內(nèi)容。其中，做好系統(tǒng)初始化工作屬于重要的應(yīng)用內(nèi)容。具體設(shè)計(jì)中，需要注意以下應(yīng)用內(nèi)容。第一，IO初始化，考慮到原系統(tǒng)內(nèi)存在部分未被引入的IO引腳，在系統(tǒng)初始化處理過程中需要對(duì)其進(jìn)行全部配置，以減少未引入IO引腳的干擾性，提高系統(tǒng)工作過程的穩(wěn)定性。第二，系統(tǒng)中斷初始化，主要作用是保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行，若出現(xiàn)一些系統(tǒng)故障，會(huì)及時(shí)中斷程序運(yùn)行，并且向主控制系統(tǒng)做出預(yù)警，起到降低系統(tǒng)損失的作用。

2.5.3 電機(jī)控制程序

在對(duì)電機(jī)控制程序展開設(shè)計(jì)時(shí)，需要注意以下應(yīng)用內(nèi)容。第一，做好PWM調(diào)速程序的設(shè)計(jì)工作，主要作用是動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電機(jī)目前的運(yùn)行轉(zhuǎn)速，從而起到控制智能快遞機(jī)器人位移速度的作用。第二，電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。智能快遞機(jī)器人共有2個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，為確保工作狀態(tài)的穩(wěn)定性，需要對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)，科學(xué)判斷異常數(shù)據(jù)進(jìn)行，推動(dòng)智能系統(tǒng)自我調(diào)節(jié)工作的順利進(jìn)行。

圖4 系統(tǒng)主程序工作示意圖

2.6 路徑規(guī)劃算法設(shè)計(jì)

考慮到智能快遞機(jī)器人未來的工作環(huán)境，在確定路徑規(guī)劃算法時(shí)選擇全局路徑規(guī)劃算法，即機(jī)器人從起點(diǎn)開始進(jìn)行執(zhí)行配送任務(wù)，一直到完成任務(wù)重新回到起始位置。整個(gè)過程需要按照既定路徑完成全局行走。遇到障礙物時(shí)，一般選擇平移幾個(gè)車位或者右轉(zhuǎn)180°移動(dòng)幾個(gè)車位的方式，從而起到合理躲避障礙物的作用。

3 模擬實(shí)驗(yàn)的建立和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，選擇室內(nèi)作為前期的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。在室內(nèi)隨意擺放一些障礙物，提前設(shè)置好行走路線，明確實(shí)驗(yàn)起始位置和終點(diǎn)位置后開始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中需要統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)為快遞機(jī)器人行駛速度、障礙物躲避靈活性、機(jī)器人定位的精準(zhǔn)度以及轉(zhuǎn)向時(shí)偏移角等。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出，現(xiàn)階段設(shè)計(jì)的智能快遞機(jī)器人基本上可以順利完成任務(wù)，能夠躲避障礙物，但是在轉(zhuǎn)角和定位方面存在較大的誤差，是下一階段需要改進(jìn)的地方。

4 結(jié) 論

智能快遞機(jī)器人作為融合了多學(xué)科的技術(shù)成果，具備了非常高的研究?jī)r(jià)值。通過將51單片機(jī)融入智能快遞機(jī)器人設(shè)計(jì)中，為優(yōu)化機(jī)器人性能提供了可靠的數(shù)據(jù)支持，是加快機(jī)器人研究速度的重要途徑之一。