基于智能檢測算法的智能機器人控制系統設計

吳 樺

（江西軟件職業技術大學 江西 南昌 330041）

0 引言

隨著工業4.0時代來臨，在智能算法、虛擬仿真、深度學習等技術加持下，智能機器人的應用領域和服務場景愈加多元化，作用優勢更加明顯。在抗震救災、地質探測、航天事業、運輸搬運機器、快遞分揀等領域都取得了較好的效果，有效地提高了社會生產效率。智能機器人應用場景的多元化及復雜程度導致用戶對智能機器人的控制要求更加嚴格，只有借助更為完善、精細化的控制體系，才能將智能機器人的功能優勢充分挖掘出來，文章依據智能機器人的作業需要，探索了基于ATmega單機片的智能機器人控制系統設計，并借助仿真環境來驗證控制效果。

1 智能機器人系統總體方案設計

1.1 設計目標

本系統設計旨在實現智能機器人的自主化、智能化作業，讓其能在復雜的地面環境中高效完成作業需求。在功能種類方面：一是需要具備自動移動功能，可以自動識別路徑障礙，完成對應的路徑規劃。二是人機交互功能，通過人機交互來實現信息數據的高效傳輸；同時系統軟件也能實時獲取到智能機器人的運行狀態和可觀測數據，便于控制系統更好的調整智能機器人作業狀態和相關任務發布。三是環境探測功能，智能機器人需要借助傳感器對周圍環境進行動態探測，并根據任務要求實時匹配，并借助智能檢測算法生成決策信息。在系統結構上[1]，分為機械結構、驅動系統、探測系統、控制系統；整體系統組成機構如圖1。

圖1 系統組成結構圖

1.2 智能機器人控制系統硬件設計

系統硬件設計是智能機器人控制系統設計的關鍵部分，關乎控制系統的控制力度和有效性。在智能機器人控制系統硬件設計中，包含了微處理器設計、舵機、傳感器模塊電路設計、PCB設計等。

1.2.1 微處理器模塊設計

微處理器作為智能機器人控制系統的核心零部件，決定著機器人的控制精準性和相關控制功能實現。因此在智能機器人控制系統硬件設計中，首先要針對功能需求選擇合適的控制器類型。并考慮到智能機器人的最大電路設計、接口電路設計等功能需要，本系統選用ATmega128單機片作為控制核心；如在接口電路設計中，該單機片可以實現JTAG和ISP兩種形式的在線編程。

1.2.2 舵機、傳感器模塊電路設計

傳感器模塊是智能機器人的眼睛；驅動電路設計就是為了更好地控制智能機器人的傳感器和舵機，從而實現智能機器人的有效控制。在設計中采用的是同步通信方式來實現信息通信效率提高；指的是在信息通信過程中，控制系統發送信息后只有得到智能機器人回應后，才能進行二次信息通信；這樣有效避免了通信堵塞、行為指令控制精準度不夠等問題。在舵機和傳感器連接方式上，采用的多通道串聯，即只有一方供電，另外一方面也能繼續工作。

1.2.3 PCB設計

（1）PCB設計要求

PCB設計及制作影響著智能機器人控制系統的穩定性和可靠性，也對后期的硬件系統調試、維護等起著重要作用。在PCB設計中，需從智能機器人控制系統整體功能出發，充分考慮到各項功能的兼容性，設計出準確性、合理、經濟的印刷電路版。在準確性方面：準確性是PCB設計的核心內容，PCB需要精準的實現系統原理圖的電路關系，確保電氣連接的有效性和精準性，避免出現短路現象。在可靠性方面：PCB設計影響著智能機器人的運行性能，在PCB設計中需要從板材選擇、路線設計、元器件布局等多維度入手來確保PCB的可靠性，增強硬件性能；如在抗干擾問題中，可以從接地線布置、元器件布置來降低干擾源。在經濟性方面：經濟性的合理規劃能夠提高智能機器人控制系統的應用程度，控制功能發揮和經濟優勢才能凸顯控制系統軟件的價值。因此在PCB設計中，在滿足功能需求的同時可以從尺寸、板材等方面入手降低經濟成本。

（2）PCB設計

一是在設計中需要利用好原理圖，生成對應的網絡表，為PCB設計打好基礎。

二是采用PCB編輯器來進行電路板規劃和定義，得到明確的尺寸和輪廓后根據元器件數量來合理布線；如在布線寬度不宜太窄、走線盡量垂直等。同時也需確定好雙面板結構的跨線規劃。

三是在元器件布局設置中，可以采用自動布局的方式借助網絡表將原理圖加載到PCB中，再進行元器件的自動布局。這樣不僅能提高元器件布局的美觀程度，也能避免元器件之間的電磁干擾，實現PCB布局均勻、大小合適。

四是在PCB元器件布局完成后需進行合理布線，在布線前要進行布線規則的詳細制定，可采用手動布線配合自動布線的方式來提高布線效率和精確性。在具體布線過程中，先是要對敏感信號線、時鐘線等重要線進行布置，其次再進行信號線布置；最后要進行屏蔽導線放置、淚滴放置等相關處理來提高電路板的可靠性。

五是設計PXB電路板信號規則，并進行電路檢測和邏輯檢測，最后得到PCB圖。

2 智能機器人控制軟件設計

2.1 系統軟件架構設計

系統軟件設計是實現智能機器人控制的關鍵，高質量的軟件系統開發能夠進一步發揮硬件電路設計的作用。在軟件系統設計中需要考慮到實時性、可靠性、易維護性、可移植性等特點，而軟件架構是實現系統設計的基礎，根據系統軟件的功能定位需設計為多個模塊，最后將各功能模塊進行規劃架構從而形成系統軟件。在本系統軟件架構上主要分為初始化模塊、人機交互模塊、障礙檢測及避障模塊、通信模塊、電機控制模塊[2]。如圖2所示。

圖2 智能機器人軟件架構圖

2.2 初始化設計

初始化模塊設計旨在執行系統硬件的狀態初始化工作，在智能機器人通電運行時執行。其中主要包含端口初始化、串口初始化、舵機控制初始化等。在端口初始化上，采用數據寄存器、方向寄存器等設置某一pin腳為輸入并使能內部上拉電阻；在串口初始化上，通過串口0和1的設置來實現相關控制[3]。在舵機初始化上選用無限旋轉模式、普通模式兩種；無限旋轉模式適用于車輪舵機，普通模式適用于轉向、機械作業方面。在動作初始化上，在通電后完成一次初步的作業動作并恢復作業初始狀態[4]。

2.3 人機交互模塊設計

人機交互模塊設計包括智能機器人數據采集、場景分析、功能服務匹配等內容，同時也能實現控制系統指令高效傳輸；如控制系統通過智能機器人傳感器收集場景數據并傳達對應指令來提高智能機器人作業效率。在模塊系統框架上，為控制系統終端—TSP平臺—大數據平臺—機器人傳感器[5]。在交互指令執行上，智能機器人傳感器將數據信息上傳至大數據平臺，大數據平臺通過智能檢測算法模型基于功能服務進行分析，將處理結果回傳至TSP平臺，TSP平臺根據數據結果判斷指令推送條件從而形成特定的編碼傳至智能機器人控制系統終端[6]。

2.4 障礙檢測及避障模塊設計

障礙檢測及避障模塊設計主要是為了幫助智能機器人更好的檢測障礙，通過障礙物大小、種類等特征識別形成對應的避障路線，提高智能機器人的行駛安全性[7]。本系統為了提高避障模塊的方向性，采用的是紅外線避障檢測方式通過特定數量的脈沖發射和接收量來判斷障礙物情況。具體流程如圖3所示：

圖3 避障模塊流程圖

轉向避障程序代碼：

#Direction control and Package into a function

# left

def robot_turn_left():

GPIO.output(frontMotorEnableGPIO.HIGH)

GPIO.output(11GPIO.HIGH) GPIO.output(7，GPIO.LOW)

backMotorPwm.ChangeDutyCycle(66)

time.sleep(1)

# RIGHT

def robot turn right():

GPIO.output(frontMotorEnableGPIO.HIGH)

GPIO.output(11GPIO.LOW GPIO.output(7GPIO.HIGH)

backMotorPwmChangeDutyCycle(66) time.sleep(1)

2.5 通信模塊設計

本系統采用的是同步通信方式的形式：在通信流程上，首先控制系統向智能機器人舵機發送指令包；其次接收智能機器人傳感器及舵機信息反饋；最后進行下一步指令發送和數據儲存。在整個通信過程中只有第一次通信得到反饋后才能下達第二次指令[8]。

2.6 電機控制模塊設計

電機控制模塊主要是為了實現智能機器人的速度測速和控制，以此來提高智能機器人的穩定性，首先在調速功能實現上，采用的是PWM信號來調節，工作原理是借助輸出波形占比空間來獲取電機電驅端電壓，其次對輸出電壓大小調節來實現電機速度的變化，從而做到智能機器人速度有效控制[9]。最后在電機測速方面本系統主要通過反射式光學編碼器進行測試，對電機單元時間內產生的脈沖數量來輸出波形，形成碼盤條紋、依據公式s=2πr×cnt/（N×T），T為單元周期，N為條紋數，r為智能機器人車輪半徑，s為行進距離，根據距離s和時間周期T從而得出電機速度。

3 智能機器人控制軟件系統調試

3.1 硬件電路調試

硬件電路調試是電路設計的重點內容。只有通過連續性設計才能更好地發現問題，從而找到系統缺陷并進一步完善相關功能，設計出符合目標要求的軟件系統。為了提高開發效率，本次測試采用的是邊安裝邊測試的方式。

（1）電路圖檢測：對PCB板的電路焊接、元器件通電情況、短路等情況，如采用萬用表檢測。

（2）電壓測試：在PCB焊接前需要進行靜態測試，對各芯片、元器件的電源引腳電壓進行檢測，避免出現燒壞。

（3）總體調試：通過仿真器連接來判斷系統工作情況，如果能進入到仿真環境就說明系統軟件正常[10]。

3.2 軟件調試

在軟件調試上，利用仿真測試來進行軟件系統調試，通過驗證相關功能模塊的運行狀態來提高功能模塊開發效率。軟件調試方式常用軟件級仿真和芯片級仿真，由于ATmega128設計有JTAG仿真調試接口如圖4，故本次軟件調試采用芯片級仿真。基本原理是在元器件內部定義一個TAP（Test Access Port：測試訪問口），通過專用的JTAG測試工具對內部節點進行測試。JTAG測試允許多個器件通過JTAG接口串聯在一起，形成一個JTAG鏈，實現對各個器件分別測試。目前JTAG接口還常用于對FLASH等器件進行編程[11]。

圖4 仿真調試JTAG接口電路圖

4 結語

綜上所述，工業4.0時代智能機器人勢必會替代人工從事高頻性、危險性、復雜性等工作領域。其控制系統的設計逐漸受到重視，智能機器人控制系統開發與設計是一項持續性工程，需要隨著智能機器人的應用場景、功能需求進行轉變，要綜合考慮各方面的因素，同時掌握各個子系統的基礎功能和設計要求。本設計實現了基于ATmega系列AVR單片機的智能機器人控制系統開發，并通過障礙檢測及避障功能、速度控制功能、轉向功能、人機交互等模塊來確保智能機器人控制的有效性和準確性。