多功能機器人的設計

常 遠 董 皓 郎豐濤 金 彬 尹慶慶 山東師范大學 山東濟南 250358

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多功能機器人的設計

常 遠 董 皓 郎豐濤 金 彬 尹慶慶 山東師范大學 山東濟南 250358

【文章摘要】

本文采用MSP430系列單片機為控制核心，探索智能小車機器人的設計原理。硬件方面討論三自由度機械臂、直流電機的控制方法，研究無線模塊、車載傳感器的原理與應用，設計直流穩壓模塊；軟件方面基于IAR集成開發環境，運用PID控制算法和模塊化編程等思想設計程序。最終本文提出了能實現搬運、環境感知和無線遙控等任務的硬、軟件設計思路與實現方案。

【關鍵詞】

機械臂控制；MSP430；無線遙控；傳感器；PID

0　引言

近幾十年來，科學技術不斷發展與創新，計算機技術、電子技術、自動控制技術、人工智能技術等領域尤為突出。擁有自主或半自主能力的智能機器人，是各個學科領域相互交叉的產物，在當今科技社會中最具代表性。

1　硬件設計

微處理器最小系統、執行系統、環境感知系統、無線遙控、行走系統和LCD12864顯示六個功能模塊，加上配套的電源與穩壓電路等，構成了多功能機器人的硬件部分。整個機器人系統由一塊7.2V（VCC）可充電鎳鉻電池來供電。

1.1MG995舵機的相關參數測定

本文所使用的MG995舵機輸出角度與外部控制信號的關系，只是在外部控制信號的頻率提高為了100Hz，其他并無本質區別。例如期望舵機輸出的角度為0°時所應該給出的PWM信號占空比：

以上數據的得出是基于理想情況，由于安裝時的誤差及舵機的離散參數特性，實踐中舵機輸出的角度為0°時對應的脈寬往往不是15ms，即外部的PWM信號占空比不是15%。于是本文通過實驗對三個舵機進行了角度標定，標定的結果如表（1）、表（2）和表（3）所示。

表（1）1#舵機標定結果

表（2）2#舵機標定結果

表（3）3#舵機標定結果

經過實測，三個MG995均有較好的線性特性，角度的誤差可以用軟件來調整，并不影響其正常控制。

2　環境感知系統

2.1DHT11傳感器簡介

DHT11將溫度、濕度測量集成到一塊芯片上，采用專用的數字模塊采集技術與溫濕度傳感技術，具有極高的可靠性和穩定性。其溫度測量精度是2.0℃，濕度的測量精度為5.0% RH。

2.2煙霧傳感器

本文應用MQ-2型煙霧傳感器模塊來完成煙霧檢測的目標。電導率較低且對可燃氣體非常敏感的氣敏材料被該型號傳感器所采用。當MQ-2周圍環境中存在可燃性氣體時，氣敏材料的電導率會隨之迅速增大。

2.3無線遙控模塊

無線遙控模塊由編、解碼電路和OOK調制、解調電路組成。

2.4行走系統

2.4.1直流電機的PWM閉環控制

直流電機具有起動和調速性能好、調速范圍廣和過載能力較強等優點。其控制方式過去常采用模擬法，隨著計算機技術和控制技術的發展，數字控制成為直流電機控制的最常用手段。

2.4.2測速模塊

通過速度檢測模塊可以實時的獲取電機轉動速率，并以此為依據應用控制算法計算能量輸出，達到實際速度快速跟隨期望速度的目的。

2.4.3系統軟件設計總體框架

軟件設計總體框圖如圖（1）所示。

圖（1）軟件設計總體框圖

3　電機控制程序設計

PID算法主要分為位置式PID及增量式PID兩種類型，對于電機這類大慣量系統經典的控制方法是采用增量式。根據增量式PID控制原理，本文設計了用以控制左右電機的算法并編程實現，核心公式：

4　總結

本文所提出關于多功能機器人的硬、軟件設計思路與實現方案，較為良好的實現了搬運、環境感知和無線遙控等目標。該項目的研究成果可以用于貨物搬運、家居服務、消防搜救等場合。

【參考文獻】

［1］付君.移動機器人運動控制系統的設計與實現［J］.科協論壇，2011，（4）∶91-94.

［2］范效瑋，湯臘梅，袁曉紅.無線遙控循跡機器人的設計與實現［J］.湖南工業職業技術學院學報，2013，（6）∶12-14.

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［4］杜紅.基于MSP430的直流電機控制器設計［J］.信息系統工程，2013，（10）∶81-82.

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