手動機器人控制系統設計

孔慶 馬鳳偉 周文婷

濟寧職業技術學院機電工程系，山東 濟寧 272037

手動機器人控制系統設計

孔慶 馬鳳偉 周文婷

濟寧職業技術學院機電工程系，山東 濟寧 272037

手動機器人對于機器人比賽的制勝起著舉足輕重的作用，首先提出了手動機器人控制系統設計方案，然后根據控制方案分別進行了硬件、軟件的設計，最后總結了設計調試過程中的心得體會。

機器人比賽；手動機器人；控制系統

引言

自2002年開始，中央電視臺每年舉行一次全國大學生機器人電視大賽（CCTVROBOCON），迄今為止，CCTVROBOCON已經成功舉辦了十屆。每屆都有不同的主題，根據比賽要求，每個參賽隊要設計1臺或多臺自動機器人，1臺手動機器人。手動機器人將最重要的智能化傳感器和決策系統交給了人，在機器人還不能真正眼觀六路、耳聽八方、反應迅速、身手敏捷的時候，手動機器人不但不能放棄，還應當用于競賽中急難險重的關鍵環節，是自動機器人最重要的合作伙伴[1]。

1 手動機器人控制方案

手動機器人的基本組成模塊有運動機構、機械手、推進機構以及提升機構。運動機構實現手動機器人前進、后退、左右轉向等動作；機械手用來抓取和放置物品；推進機構可使機械手向前或向后運動，用來調節機械手的水平位置；提升機構用來提升機械手或使機械手下降，便于調整機械手的垂直位置。手動機器人控制系統結構如圖1所示。

控制器是整個手動機器人的控制核心，它負責所有指令動作的控制和各模塊之間的協調。由于手動機器人控制對象較為固定和簡單，動作不是很復雜，不需要處理過多的指令，因此可以選用已經非常成熟的工業單片機AT89S52。該單片機存儲形式采用馮!諾依曼結構（Von Neumann），程序存儲區與數據存儲區統一編址，存儲結構簡單，程序編寫量較小，比較容易控制，而且技術相當成熟，可靠性好。

控制鍵盤用于實現對機器人的行進及動作控制，可以采用游戲手柄改裝而成。它的主要功能是產生相應的動作指令，由指令編碼器編碼之后發送到機器人的控制器，控制器對指令解碼后，控制電機完成相應的動作。

圖1 手動機器人控制系統結構框圖

手柄與手動機器人本體不會距離太遠，一般在一兩米以內，可以選擇比較簡單的串行通訊方式。串行通訊操作簡單易控并且比較穩定，接口采用航空接插件的形式，連接可靠。也可以采用USB通訊方式，但這種通訊方式需要另加轉接口。

手動機器人的動作由電機驅動完成，可以選用直流伺服電機作為動力源。直流伺服電機將控制信號轉換成機械軸的轉動，對控制信號的變化反應比較快[2]。

2 控制系統硬件設計

2.1 控制器及其監控模塊

如前所述，控制器采用AT89S52工業單片機，AT89S52包括P0-P3四個端口，共32位輸入輸出（I/O）接口。由于手動機器人動作比較簡單，單片機本身的I/O口足夠用，因此只需要單片機最小系統[3]即可完成控制。為防止在比賽過程中，由于干擾等各種因素出現單片機死機而導致機器人無法正常動作的現象，需外加看門狗電路。復位及電源監控由MAX813芯片來完成如圖2所示。

圖2 Max813應用電路圖

2.2 電源穩壓模塊

鋰電池具有重量輕、放電電壓穩定、工作溫度范圍寬、自放電率低、儲存壽命長、無記憶效應及無公害等優點[4]，因此適宜用作手動機器人的電源。考慮到比賽中可能會出現電池輸出電壓波動以及機器人負載變化的現象，為使機器人能穩定地工作，必須保證控制器供電電壓的穩定性，可以采用穩壓芯片來實現，如圖3所示。

圖3 電源穩壓電路圖

2.3 手柄控制電路

手柄與控制器之間通過串行方式通訊，硬件連接如圖4所示[5]。圖中，ATT用于提供手柄觸發信號；CLOCK是時鐘信號，用于保持數據同步；COMD表示信號流方向；從主機到手柄，用于傳輸控制器對手柄的命令；DATA表示信號流方向:從手柄到主機，用于手柄向控制器傳送動作指令。

2.4 電機驅動模塊

電機的控制主要包括正反轉控制以及PWM調速控制，其硬件驅動如圖5所示。

直流電機的正反轉由M1、M2兩個I/O口控制K1和K2兩個繼電器來實現[6]。當K1公共端接+12V，K2公共端接地時，電機承受正向12V電壓，電機正轉；當K1公共端接地，K2公共端接+12V時，電機承受反向12V電壓，電機反轉。行進中的軟啟動和軟停止采用PWM調速實現，即通過給電機發送一個占空比可調的電壓，改變電機上的平均電壓，即可改變電機的轉速。

考慮到電機工作時的反電動勢會導致單片機死機，可以在電機兩端加瞬態電壓抑制器（TVS）吸收反電動勢[7]。

圖4 手柄與控制器連接圖

圖5 電機驅動電路圖

3 控制系統軟件設計

3.1 程序語言選擇

常用的51單片機編程語言有兩種，一種是匯編語言，一種是C語言。匯編語言是最接近機器碼的一種語言，其主要優點是占用資源少、程序執行效率高[8]。但是匯編語言不易移植，它的可讀性和可維護性不強。而C語言是一種結構化程序設計語言，具有功能豐富的庫函數、運算速度快、編譯效率高、有良好的可移植性，而且可以直接實現對系統硬件的控制[9]。C51是C語言在51系列單片機上的實現，使用特定的編譯器Keil C，C51綜合了C語言和匯編語言的優點，因此，采用C51來編寫控制程序是一個很好的選擇。

3.2 程序設計

為加強程序的可讀性及易維護性，采用模塊化程序設計，即將手動機器人的各個動作分別編寫成子程序供主程序調用。主程序由一個大的循環程序組成，包括手柄與單片機的通訊、判斷按鍵、指令解碼及相應的動作輸出，程序流程圖如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

4 結語

通過不斷地嘗試、不斷地改進解決了系統實際調試過程中出現的一些問題，現將軟硬件調試過程中的經驗總結如下：

（1）在設計電路時，要多查資料，準確把握相關元器件的特性及用法，這樣才能正確地選用器件，在檢查時也容易找出錯誤所在。

（2）安裝時不同作用的導線用不同的顏色、線號加以區別，導線要整齊，以便于修改。當出現問題時，要充分的利用萬用表和示波器來查錯。

（3）程序模塊化，每個模塊編成一個子程序，調試時根據出現的問題鎖定到某一個模塊，只要修改這個模塊就可以了。

[1]（日本）森政弘,鈴木泰博.機器人競賽指南[M].北京:科學出版社,2002.

[2]王曉明.電動機的單片機控制[M]. 北京:北京航空航天大學出版社, 2011.

[3]張克明.MCS-51單片機實用教程[M]. 北京:科學出版社,2010.

[4]王民忠. 締造傳奇—機器人大賽揭秘[M].北京:科學出版社,2004年.

[5]劉穎,李曉龍.單片機與PC手柄的通訊[J].電子世界,2003,(1):38～39.

[6]姚四改.Protel 99 SE電子線路設計教程[M].上海:上海交通大學出版社,2003.

[7]劉南平.現代電子設計與制作技術[M]. 北京:電子工業出版社,2003.

[8]李華等.MCS-51系列單片機實用接口技術[M].北京:北京航空航天大學出版社,2002.

[9]譚浩強.C程序設計[M].北京:清華大學出版社,2000.

A

TP273

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.14.055