基于AT89C52單片機的搬運機器人控制系統設計

龍曉莉，謝斌盛，陳新兵，李衛平

(1.廣州大學 實驗中心 網絡與現代教育技術中心，廣州 510006；2.惠州學院 電子信息與電氣工程學院，廣東 惠州 516000)

0 引言

隨著社會進入人工智能化時代，越來越多的機器人替代工人完成工作，將人工流水線工作轉化為全自動化工作，在一定程度上提高工業領域的經濟效益[1-2]。傳統的搬運機器人通過藍牙接收控制中心傳輸的控制命令，并調用機器人自身的結構，完成命令控制，此傳輸途徑會損耗機器人的供電電源，并且藍牙指令傳輸存在發送時延，導致機器人在搬運過程中由于信號接收延遲，出現與障礙物碰撞的事故，不能很好地保證搬運機器人和貨物的完整性[3-4]。

為了提高搬運機器人的工作效率，減輕工作人員的人工壓力，使搬運機器人在工作過程中保護搬運物品，本文突破傳統的系統設計，提出基于AT89C52單片機的搬運機器人控制系統的設計。從搬運機器人控制系統硬件區域和軟件區域兩方面出發，硬件區域設計控制器、驅動機、顯示器、地面勘測器，為系統軟件區域提高較高的運行基礎，在軟件設計中提出調控機器人行為波動程度和運行速度的控制算法，并簡述與本文設計的搬運機器人控制系統相對應的單片機功能，最終完成基于AT89C52單片機的搬運機器人控制系統的設計。通過設計的實驗測試，證明了本文設計的系統可以保證搬運物品的完整性，使搬運機器人的控制效果得到提高，實現機器人搬運動作的平滑性。

1 基于AT89C52單片機的搬運機器人控制系統硬件設計

本文設計的基于AT89C52單片機的搬運機器人控制系統硬件主要由驅動器、控制器、顯示器和地面勘測器4部分組成，系統的硬件結構如圖1所示。

圖1 基于AT89C52單片機的搬運機器人控制系統硬件結構

1.1 驅動機設計

驅動機在搬運機器人控制系統硬件區域的工作是驅動硬件區域內的全部硬件設備，使得系統與機器人之間建立驅動連接，為了提高驅動搬運機器人控制系統的調用速度，本文采用HDJK-83系列的驅動機。驅動器結構如圖2所示。

圖2 驅動器結構

觀察圖2可知，此驅動器采用雙向驅動模式，工作電流為600 mA，工作電壓為3 V，驅動器設計在系統的左區域，方便檢修，驅動機內置L26芯片，此電機驅動芯片設計了ENA端口、ENB端口、IN1、IN2、IN3、IN4，兩個端口、4個接口，驅動機工作時，端口的輸出值必須同為0或者1，否則驅動機不能正常工作。驅動機的4個接口，需要控制驅動機器人輸出行為，接入相對應控制指令的接口，接口驅動為0狀態時，結束控制。驅動器的脈沖為320 Hz，具有自動降噪功能，提高驅動信號傳輸可靠性[5-6]。驅動器電路圖如圖3所示。

圖3 驅動器電路圖

1.2 控制器

控制器是搬運機器人控制系統硬件區域的主要工作器件，為了使系統的功能達到本文設計的預期目標，硬件區域采用SPV-DCRC-10控制器[7-8]。此控制器采用離子電池式的3.7 V電池，既可以延長控制器的單次周期使用時間，電池的續航時間也可以滿足系統的工作需求，此電池的優點是如果電池剩余電能不足，會提出預警，然后自動調節PWM模式，進行持續供電，不會影響系統的工作[9-12]。控制器的工作電流為3 A，工作電壓有效范圍為3～12 V，工作脈寬為56 Hz。控制器工作原理如圖4所示。

圖4 控制器工作原理

觀察圖4可知，為了保證控制器的控制效果，設置機器人行為控制精度為3 mm，控制器對于機器人手和腳的工作都存在相對于的控制接口，控制器依次調用各個行為接口，完成機器人連接的動作控制[13-15]。

1.3 顯示器設計

搬運機器人控制系統內顯示器的作用是輔助機器人完成貨物和機器人之間的識別，本文采用LCM顯示器，器件分為兩部分，一部分顯示監控機器人所處的環境，另一部分記錄機器人所行走的路線。顯示器由USB、PI、P2、I/0接口構成，工作電阻為1 000歐姆，顯示器的色準設置為小于2的ISP，保證機器人搬運狀態實時的傳輸。顯示器接口如圖5所示。

圖5 顯示器接口

顯示器的功耗為14 W，像素為640*480，外置DR模式的科達白卡，顯示器的存儲內存為64 GB，在一定周期內會清理顯示器內的數據，保證系統運行速度。

1.4 地面勘測器設計

地面勘測器的設計目的是輔助系統完成搬運機器人搬運路線和行為方案的制定，本文選擇采用亞超聲模塊結構的JSH地面勘測器。此器件與控制系統完成信號傳輸的協議是HTTP協議，勘測器的工作電壓為AC220 V，地面掃描頻率為340 Hz，內置芯片可以保證儀器差分定位的準確性[16-18]。地面勘測器電路圖如圖6所示。

圖6 地面勘測器電路圖

地面勘測器的采用精度為0.5的雙軸補償器，為了保證控制系統內部信號傳輸的穩定性，地面勘測器設計了專有的通道。

2 基于AT89C52單片機的搬運機器人控制系統軟件設計

單片機是一個集成電路芯片，對比普通的芯片，其優點在于可以將中央處理器CPU、存儲器、轉換器、轉換電路等具有相關的相應功能同時集成在一個計算機芯片內部，在保證了各個器件功能的同時，節省系統設備的占用空間，被廣泛的應用到計算機設備中。本文根據搬運機器人控制系統的功能需求，采用AT89C52單機片完成系統的設計，單機片采用串聯的連接方式與其他器件相互連接，AT89C52單機片在搬運機器人控制系統內的工作原理是賦予電路芯片結構內的電路口不同的控制任務，保證控制系統內各個指令的可靠性。AT89C52單片機的通信利用信號轉換通道完成，避免單片機的傳輸信號與其他硬件設備的傳輸信號相互碰撞，終止系統的運行。

為了保證搬運機器人控制指令和控制行為的高度匹配，本文設計了AT89C52單片機的搬運機器人控制算法，算法分別控制搬運機器人的行為波動程度和搬運速度兩部分。

系統在硬件區域設計了器件完成各個行為控制，控制算法只需要在行為控制上，增加一個約束條件，控制搬運機器人行為的波動程度，因為波動等級存在一定的誤差，所以本文設計波動變化程度按照百分度計算，機器人程度控制計算公式如下所示：

(1)

其中：L表示搬運機器人的行走幅度；M′表示機器人的重量；M表示貨物的質量；ο表示環境空間因素；f表示機器人控制程度。

在以上搬運機器人動作行為控制基礎上，本文借助關系式控制搬運機器人的工作速度，保證搬運機器人的工作效率和安全，公式如下所示：

(2)

其中：V表示搬運機器人的工作速度，T1表示地面勘測器溢出的時間；T2表示預期搬運機器人的搬運時間；σ表示占空比系數。

基于AT89C52單片機的搬運機器人控制系統硬件區域器件基本性能的分析和搬運機器人控制算法的簡述，細致地總結出以下搬運機器控制系統的工作流程，如圖7所示。

圖7 基于AT89C52單片機的搬運機器人控制系統工作流程

(1)首先搬運機器人與控制系統相互連接，構成一個可以數據傳輸的架構，預處理操作完成后，機器人開始接收搬運任務，接收任務過程中，系統完成資源的更新、初始化以及其他器件的驅動，在全部任務接收后，系統對所有搬運任務進行遍歷檢索，計算出最佳的分組搬運策略，并將策略傳輸到控制器內；

(2)控制器接收到全部機器人的搬運策略后，將搬運策略進行分解，分解為一個個簡單的機器人動作，分解成功后，將搬運指令語言利用基于AT89C52單片機的搬運機器人控制算法完成機搬運機器人可讀指令的轉換；

(3)最后搬運機器人控制系統的顯示器和地面勘測器分別監控搬運機器人的搬運行為，避免突發情況發生，地面勘測器與最初的環境不匹配，立即放緩搬運機器人的控制速度，并重新制定發送控制指令，保證搬運機器人的工作效果和可靠性[19-21]。

在搬運機器人完成搬運過程中，一旦出現外界信號或者其他介質干擾的情況導致機器人的行走步伐和手臂動作出現錯亂時，系統立刻調用驅動器，重新傳輸控制指令，快速糾正機器人的錯誤行為，使機器人成功完成搬運任務。

3 實驗分析

為了驗證本文提出的基于AT89C52單片機的搬運機器人控制系統的有效性，與傳統的控制系統進行實驗研究。測試采用基于藍牙傳輸的搬運機器人控制系統和基于六自由度教學的搬運機器人控制系統作為對照系統，共同完成試驗，保證試驗數據的參照性和可靠性。設定實驗參數如表1所示。

表1 實驗參數

為了達到試驗效果，在試驗測試前準備3個相同型號的搬運機器人機器，布置3個空間大小相同且貨物位置分布相同的運貨倉，3個計算機，分析儀試驗器材，另外提前布置好試驗測試環境。本文設置的測試環境是在需要搬運貨物上貼一個紅外反射燈，另外在另一個需要搬運貨物前南偏北70度的方向設計一個障礙物，采取措施的貨物的位置在3個空間內的相對位置要相同，障礙物的大小相同，保證試驗結果的科學性和對照性。試驗前將3個機器人分別連入3臺計算機內，將3個系統全部同時連入一個總的搬運機器人指令發布中心，并對搬運機器人進行簡單行為控制，完成機器人與控制系統的初始化。選用的系統分別是基于AT89C52單片機的搬運機器人控制系統、基于藍牙傳輸的搬運機器人控制系統和基于六自由度教學的搬運機器人控制系統。

3個系統檢查無誤后，同一時間開始試驗，測試設計的任務是分別將貼有紅外燈和設置障礙附屬的貨物分別搬運到貨物A區234貨柜和B區6G貨柜，搬運機器人在搬運任務完成后會向控制中心傳回完成信號，當3個機器人全部完成信號的傳回，結束試驗，整理數據和實驗測試場地，得出實驗結論。

按照以上試驗的步驟，得出具體的小結論如圖8～9所示。

圖8 搬運機器人控制路線實驗結果

圖9 搬運機器人控制時間實驗結果

分析上述實驗結果可知：

(1)最先完成任務的是本文設計的搬運機器人控制系統，最后完成任務的是基于藍牙傳輸的搬運機器人控制系統；

(2)3個系統附屬的搬運機器人都將搬運物品正確放置在規定的存儲柜內；

(3)在進行避繞任務時，基于六自由度教學的搬運機器人控制系統和本文設計的系統都成功避開障礙物，基于藍牙傳輸的搬運機器人控制系統第一次不能避開障礙物，多次完成控制行為才成功繞開；

(4)對于設置了紅外的貨物，基于AT89C52單片機的搬運機器人控制系統初次就發現了目標，完成任務的時間穩定在20 s，基于藍牙傳輸的搬運機器人控制系統發現目標并成功搬運花費80 s，基于六自由度教學的搬運機器人控制系統發現目標并成功搬運花費60 s。

本次測試試驗設計的障礙，可以檢測3個搬運機器人控制系統的調控是否存在延遲、控制系統發出的控制指令是否正確，如果正確，就會避開障礙物，成功完成需要搬運貨物的獲取。通過小結論(3)可以知道，本文設計系統的調控無傳輸誤差，并且控制調度正確，避開障礙物。另外將貨物的放置位置任務設計目的是監測搬運機器人的性能，檢驗機器人的識別功能。本文設計的基于AT89C52單片機的搬運機器人控制系統在工作效率和搬運性能方面都達到要求，具有較高的控制力和識別力，所以基于AT89C52單片機的搬運機器人控制系統具備推廣意義。

4 結束語

本文以調整搬運機器人的動作為核心，完成基于AT89C52單片機的搬運機器人控制系統的設計，經過試驗測試，驗證了本文設計的系統滿足預期系統設計的目的。本文將AT89C52單片機應用到搬運機器人控制系統中，系統在搬運機器人在工作狀態開啟后，可以深層次地提高機器人對于搬運貨物的視覺感覺、觸碰感覺以及控制程度。相信將本文研究成果作為研究理論，可以促進機器人領域的智能化發展。