基于飛思卡爾控制器的光電循跡機器人設(shè)計

阮殿旭

（沙洲職業(yè)工學(xué)院，江蘇 張家港 215600）

0 引言

移動機器人是涉及機械、電子、微傳感器、微機控制，控制工程技術(shù)等多個學(xué)科的綜合性系統(tǒng)，是現(xiàn)在智能移動機器人領(lǐng)域的熱點研究方向之一[1-4]。隨著工業(yè)智能化及物流行業(yè)的快速發(fā)展，物流移動機器人正在進行技術(shù)革新，發(fā)展的趨勢智能化、集群化、模塊化等[5]。由于傳統(tǒng)的循跡移動機器人速度快、成本高；低成本時，運行效果又不理想[6-7]。針對此問題，本文提出了一種基于飛思卡爾控制器的智能輪式循跡機器人設(shè)計方案。

1 移動機器人的整體系統(tǒng)設(shè)計

采用飛思卡爾控制器KL25為核心，結(jié)合相應(yīng)傳感器、數(shù)字舵機、動力鋰電池及相應(yīng)的驅(qū)動電路，通過自動控制技術(shù)，自主識別運行路徑，控制移動機器人自主識別運行線路，并高速穩(wěn)定地行駛到目的地。

輪式循跡機器人是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖1所示。控制系統(tǒng)的輸入包括路徑信息、機器人的運行速度信息和轉(zhuǎn)向信息；輸出包括轉(zhuǎn)向控制信息輸出和速度控制輸出。路徑信息和速度信息通過光電傳感器和測速編碼器將信號傳送到控制器，經(jīng)過控制器的處理決策以后，輸出控制移動機器人的轉(zhuǎn)向和速度。整個系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，可以實現(xiàn)快速穩(wěn)定的運行。

圖1 機器人系統(tǒng)框圖

2 硬件設(shè)計

輪式移動機器人的控制部分以飛思卡爾K25L為核心，該控制器采用ARM Cortex-M0+內(nèi)核，頻率為8MHZ,128KB閃存，16KB SRAM，具有多種通信方式，同時具備OpenSDA接口功能，方便調(diào)試。

控制系統(tǒng)的硬件模塊包括：電源穩(wěn)壓管理模塊，路徑信息識別模塊，速度檢測模塊，電機驅(qū)動模塊，信號校正模塊，調(diào)試接口模塊等。硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 移動機器人硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1 電源模塊

移動機器人使用7.4V的2S動力鋰電池作為電源，通過穩(wěn)壓電路產(chǎn)生穩(wěn)定的5V電壓供給控制器和傳感器，舵機等則直接使用7.4V電壓，可以提高舵機等靈敏度和動力。5V穩(wěn)壓電路采用TL494穩(wěn)壓芯片，13腳輸出5V電壓誤差可以達到0.05V。

2.2 光電傳感單元

采用紅外光電傳感器，其由紅外線發(fā)射、光敏接收管組成。光敏接收管的阻值對光線強度變化非常敏感，隨著接受到的光線的強弱，接收管的阻值可以從幾千歐到幾百千歐變化，當紅外光線發(fā)射到地面時，地面上的路徑和周圍不一致，產(chǎn)生的反射強度也不一樣，位于不同位置的紅外傳感器，就可以根據(jù)反射光的強度不同產(chǎn)生不同的阻值，從而來區(qū)分地面的路徑引導(dǎo)信息。

3 軟件設(shè)計

移動機器人為了克服在快速移動時二值判斷連續(xù)性差，運動穩(wěn)定性不足的缺點，本系統(tǒng)采用慢速移動二值判斷和快速運動連續(xù)識別相結(jié)合的信號處理算法。

圖3 機器人控制流程圖

根據(jù)實際運行情況，預(yù)先設(shè)定一個速度閾值，當實際運行速度小于閾值時，紅外傳感器根據(jù)檢測數(shù)值判斷為兩種（引導(dǎo)路徑和其他地面）；當實際運行速度大于設(shè)定閾值時，紅外光電傳感器的輸出信號與路面對光線的反射率及傳感器與引導(dǎo)標記的水平距離有定量關(guān)系，根據(jù)這種關(guān)系，就可以推出傳感器輸出信號與引導(dǎo)標記線偏移距離關(guān)系，從而獲得車身中心相對于黑線的更精確的位置，得到連續(xù)分布的路徑信息，克服了二值判斷時，大量細節(jié)信息的缺失問題。

移動機器人使用的飛思卡爾控制器，為了實現(xiàn)控制算法的程序?qū)崿F(xiàn)，需要使用離散PID算法來控制舵機的速度，關(guān)系式如下：

式中e(n) 表示機器人在運行的實際速度和給定速度差值信息。

4 結(jié)論

本文介紹一種采用了飛思卡爾控制器，通過在不同運動速度的情況下，使用不同的路徑分析方法，精確控制機器人完成快速和慢速時的循跡，通過離散PID算法完成電機速度控制，通過測試驗證達到了預(yù)期要求，在必要時可以提高路徑檢測精度，同時保證運行的流暢穩(wěn)定性。