自循迹轮式移动机器人的控制系统设计论文大学论文.docx

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自循迹轮式移动机器人的控制系统设计论文大学论文

摘要

随着社会发展和科技进步，机器人在当前生产生活中得到了越来越广泛的应用。

尤其是一种具有道路记忆功能、使用灵活方便、应用范围较广的轮式移动机器人。

本研究是一种基于瑞萨H8单片机的自循迹轮式智能车的设计与实现，研究具有人类认知机理的环境感知、信息融合、规划与决策、智能控制等理论与方法，本文所述的智能车控制系统可以分为两个大的子控制系统，它们分别是方向控制系统和速度控制系统。

其核心控制单元为瑞萨公司H8系列8位单片机H8/3048F-ONE，系统采用反射式红外传感器检测赛道白线，在运行过程中能够识别赛道的不同情况，并能够根据信息反馈即时控制智能车的方向和速度，在预定的路径上进行快速移动。

智能车的设计要达到竞速和巡线的目的，竞速环节主要包括动力提供，速度控制两部分；巡线环节包括路面信息，转向控制两部分。

通过对智能车运动模型的建立与分析，本文详细阐述了方向控制系统与速度控制系统等重要控制系统的实现方法，使智能车能够完整通过直道、弯道、坡道和换道的过程，快速稳定的寻白线行驶。

关键词：

H8单片机自循迹运动模型控制系统

Abstract

Withthesocialdevelopmentandscientificandtechnologicalprogress,Robotinthecurrentproductionandlifehasbeenmorewidelyused.Inparticular,thewheeledmobilerobotiswithmemoryfunction,usedofflexible,widerangeofapplication.ThisstudyisbasedonRenesasH8MCUwheeledself-trackingdesignandrealizationofintelligentvehicle,Researchofthetheoriesandmethodsaboutenvironmentalperception,informationfusion,planninganddecision-makingandintelligentcontrolwhichlikeMechanismofhumancognition.Thisintelligentvehiclecontrolsystemdescribedcanbedividedintotwomajorsub-controlsystem,Theyarethedirectionandspeedcontrolsystem.ThecorecontrolunitfortheRenesasH8seriesof8-bitmicrocontrollerH8/3048F-ONE.Systemusesinfraredsensorstodetecttrackreflectivewhitelines,duringoperationtoidentifythedifferentcircumstancescircuit.Andaccordingtothefeedbackcontrolthedirectionandspeedofsmartcarsreal-time.Fastmovingonthepredeterminedpath.Intelligentvehicledesigntoachievethepurposeofracingandthetransmissionline.RacinglinksincludepowerprovidedandSpeedcontrol;Transmissionlinelinksincludingroadinformationandsteeringcontrol.Throughthemovementmodelingandanalysisonsmartvehicle.Thispaperdescribesthedirectionandspeedcontrolsystemandotherimportantrealization.Sotheintelligentvehiclecanthroughthestraight,curved,rampandlanechangingprocess.Fastandstablesearchingthewhite lane.

Keywords：

H8MCUself-trackingmotionmodelcontrolsystem

绪论

智能机器人具有识别、推理、规划和学习等智能机制，它可以把感知和行动智能化结合起来，因此能在非特定的环境下作业。

智能化机器人具有感知功能与识别、判断及规划功能。

而感知本身，就是人类和动物所具有的低级智能。

因此机器人的智能分为两个层次：

具有感觉、识别、理解、和判断功能；具有总结经验和学习的功能。

随着社会进步的步伐日益加快，对自动化的需求正在从制造业向工程、社会、生活等广泛领域扩展。

原来在工厂结构化环境下工作的自动化机器或工业机器人，适合于大规模、较少柔性和变动的生产环境，对智能程度并无过高要求，而在广泛领域内所需的自动机器，则要满足不同的非结构环境下的不同需求，必须具有综合集成和自主的能力，向以技术集成为特征的智能机器人发展。

信息技术需要载体，用信息化改造传统工业和各行各业，最后都要落实到用自动机器去完成信息的物化，机器人就是其载体之一。

另一方面，信息技术的发展，特别是高性能计算机、通讯网络和电子器件、模式识别和信号处理、软件等技术的进展，又可促进机器人本身‘智力’和‘体质’的增强，为机器人向智能化、多样化发展创造条件，机器人技术与信息技术的这种互动发展在信息技术飞速发展的今天更为突出，这种机器人的高科技含量不断得到提升，始终处于高科技的前沿。

机器人由于本身具有无限的想像空间，历来是概念创新、技术创新的源泉，可根据需要设想出具有对应功能的智能机器人，而且这种想象空间由低到高，永无止境。

当前，由于自动化的概念正在急速向广泛领域扩展，而信息技术的发展又极大的提高了机器人的在智能程度，使这种想象空间的扩展有了需求和实现的可能，从而会更加激励围绕机器人的概念创新和技术创新，并蕴含着产生各种竞争前核心技术的可能性，从而必然是国际科技创新的重要竞争点[1]。

未来的智能机器人技术将沿着自主性、智能通信和适应性三个方向发展。

本课题主要是研究在瑞萨单片机RenesasH8/3048F-ONEMCU作为控制单元，RY3048F-ONE作为底板的基础上进行自循迹轮式移动机器人控制系统设计。

1课题要求及总体设计方案

1.1课题要求

随着社会发展和科技进步，机器人在当前生产生活中得到了越来越广泛的应用。

此次设计是针对一种具有道路识别功能、使用灵活方便、应用范围较广的轮式移动机器人。

该模型由四轮驱动，运行过程中能够自动识别路径，并由电机、舵机、红外传感器及编码器协调控制速度和方向。

1.2课题主要内容及设计方案

1.2.1课题主要内容

本课题的主要内容是设计并制作一个具备自循迹功能的四轮移动机器人，在预定的路径上进行快速移动。

在不移动预定路径的前提条件下能够快速稳定地从起点到终点的运动控制，速度能够达到2m/s。

具体技术要求如下：

（1）采用RenesasH8/3048F-ONEMCU作为主版微控制单元。

（2）电源采用5号碱性电池或者5号（镍氢、镍镉、锂电子等）充电电池来

充当电源，数量不可超过8节。

（3）轮式机器人的外形尺寸要控制在：

宽300mm、高150mm以内。

（4）识别的路径表面，由黑白灰三色组成。

由内至外为：

白色中心线宽20mm、

两侧灰线宽10mm、外侧黑色宽100mm、最外侧的路肩白线宽30mm。

（5）路径由直道、弯道、连续S弯、直角弯、变道、坡道等构成。

1.2.2总体设计方案

本设计最终实现的是一个自循迹轮式机器人，设计采用Renesas公司的8位单片机H8/3048F-ONE为核心控制器，由电源模块、路径识别模块、车速检测模块、转向控制模块和电机驱动模块组成。

为处理好决策与运动控制之间的关系，采用了三级控制的策略，即将控制系统分为组织级、协调级和执行级对机器人进行控制。

组织级根据传感器提供的信息，对机器人自身状态和所处环境进行分析，运算后给出机器人的运动规划；协调级根据组织级发出的动作指令，结合机器人自身的运动特性、电机特性及码盘信息，向执行级发出指令和数据；执行级则根据协调级输出的期望值驱动电机工作，完成机器人的行走与动作控制。

组织级的软件设计包括硬件初始化、传感信号的采集与处理、系统状态判断、运动决策等；协调级的软件则包括码盘信号的处理及速度控制等。

在组织级采用了模糊控制的策略,协调级则采用PID算法对驱动电机进行速度控制[2]。

智能车控制系统总体结构如图1-1所示；智能车安装包括电池部分的安装，舵机的安装，传感器的安装以及车速检测模块的安装，智能车结构如图1-2所示[3]。

图1-1智能车控制系统总体结构

图1-2模型车结构示意图

2系统硬件设计及实现

2.1硬件组成及各部分作用

机器人的系统硬件主要包括单片机、运动控制芯片、传感器、直流电机、舵机及编码器。

单片机主要对传感器检测的各种信息进行处理并按照程序对其他外围器件进行协调控制，运动控制芯片则根据编码器的反馈信息专门对驱动电机进行精确控制。

单片机：

采用瑞萨8位单片机H8/3048F-ONE为控制核心芯片，其主要特点是片内硬件资源非常丰富、高速、低耗、大容量、易于拓展、支持C语言编程，H8/3048系列特别适合电池供电设备的使用。

是主控制模块的主要器件，可以利用PWM模块产生PWM调制信号来控制电机和舵机，通过A/D转换器获取位置传感器的信息和车速传感器的信息。

电源：

电源是电源模块的构成，是一个系统正常工作的基础，因此电源的设计至关重要。

智能车中接受供电的部分包括：

路径识别模块、转向舵机模块、电机驱动模块、车速检测模块。

寻迹智能车使用8节5号2000mAh充电电池作为系统主电源。

由于系统各模块所需电压和电流容量不同，因此需要通过不同的DC-DC转换电路实现电压调节。

为防止电机和舵机等大功率器件在反复启动状态下对系统产生干扰，主要功能模块均采用单独供电。

微控制器的工作电压由LM2940稳定在5V，舵机的工作电压由可调集成稳压器LM350调节在6V，而驱动电机电源为电池组电压。

传感器：

智能车路径识别模块的设计是整个智能车设计中的重要的一部分,而此部分就是靠传感器来实现，其作用相当于人的眼睛和耳朵。

考虑到要使车辆的行驶过程稳定，寻迹智能车采用8对反射式红外传感器作为路径识别元件。

每对传感器由红外发射管和红外接收管组成，水平均匀分布在智能车前部的传感器板上,传感器间距约为20mm。

系统针对红外路径识别前瞻能力较弱的缺点，将传感器板前伸至距车头30cm处，使得智能车的“预判”性能大大增强。

这样不仅能保证车有足够的前瞻性，还可以牢牢“钳”住白线，使车在跑直线时快速平稳，不会摇晃。

编码器：

车速的检测是对车速进行闭环控制的基础，直接影响到将来控制的效果。

本设计采用的是在后轴中点位置再增设一个均匀分布有黑白条纹的编码盘的测速轮的方法，根据光电反射原理，在车轮转动时，红外接收管接收到反射光强弱高低变化，通过A/D传感器将车速信息传递到单片机相应接口。

车速检测模块检测模型车在前进和后退不同行驶方向时速度的大小和方向。

舵机：

转向控制系统中最重要的部分就是舵机。

舵机的主要作用是控制智能车的转向，其过程是单片机首先通过A/D转换器将传感器采集的路面信息进行处理，再通过PWM技术对智能车的舵机进行适时的控制。

本文所述的智能车采用较为独特的前轴转向方式，将舵机输出盘固定在智能车前轴的中点上，利用舵机转动带动智能车转向。

智能车舵机的转向是由PWM来控制的，当红外传感器检测到的信号满足舵机脉冲占空比要求时，舵机就会使前轮转动一定的角度，8个红外传感器在智能车前对称排开。

舵机对每个传感器做出的反应也是不一样的，中间的起到正舵的作用是使智能车沿着跑道行驶，越靠近对称轴的传感器要求智能车的转向角度越小，越远离对称轴的传感器要求智能车的转向角度越大。

电机：

寻迹智能车采用四轮驱动方式，由四个RC-260型直流电机分别对每个车轮进行独立驱动。

在智能车行驶的过程中，由于四个车轮能够同时提供抓地力，因此智能车的动力性和行驶稳定性得到大大增强。

对于电机的控制采用了基于“H”桥驱动电路的PWM控制。

电机驱动模块选用大功率场效应晶体管IRL3803作为H桥开关元件。

经测试，当IRL3803的栅源电压VGS为16V时，其导通电阻仅有6mΩ左右，因此可以管压降显著降低，电机的驱动功率得到有效提高。

系统对电机采用全桥驱动，因此可以在智能车速度过快时对电机实施反向制动，从而迅速降低车速。

实验证明，当智能车车速由70%降至40%时（PWM占空比），采用全桥驱动方式，电机响应时间仅为0.2s左右，减速效果十分显著[4]。

2.2舵机的工作原理及驱动

2.2.1舵机的工作原理

舵机简单的说就是集成了直流电机、电机控制器和减速器等，并封装在一个便于安装的外壳里的伺服单元。

能够利用简单的输入信号比较精确的转动给定角度的电机系统。

舵机的主体结构主要有以下几个部分：

外壳、减速齿轮组、电机、电位器、控制电路。

舵机的工作原理是：

PWM信号由接收通道进入信号解调电路进行解调，获得一个直流偏置电压。

该直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出送入电机驱动集成电路，以驱动电机正反转。

当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转直到电压差为O，电机停止转动。

舵机的控制信号是PWM信号，利用占空比的变化改变舵机的位置。

减速齿轮组是由马达驱动，其终端（输出端）带动一个线性的比例电位器作位置检测，该电位器把转角坐标转换为一比例电压反馈给控制线路板，控制线路板将其与输入的控制脉冲信号比较，产生调整脉冲，并驱动马达正向或反向地转动，使齿轮组的输出位置与期望值相符，将调整脉冲趋于为0，从而达到使舵机精确定位的目的。

典型20ms周期性脉冲的正脉冲宽度与舵机的输出轴转角关系如图2-1所示。

舵机的原理如图2-2所示。

图2-1舵机输出轴转角与输入信号脉冲宽度的关系

比例电压

图2-2舵机的原理图

2.2.2舵机的驱动

本方案采用单片机产生PWM来达到对舵机的控制，PWM（PulseWidthModulation）是脉冲宽度调制的英文缩写，利用大功率晶体管的开关作用，将恒定的直流电源电压变成一定频率的方波电压，并加在直流电机的电枢上，通过对脉冲宽度的控制，改变电枢的平均电压来控制电机的转速。

直流电机的转速大小取决于加在其上的平均电压，平均电压越大，转速越快。

因而通过改变PWM波，也即改变平均电压的大小，就可以控制直流电机的转速。

单片机系统实现对舵机输出转角的控制，必须首先完成两个任务：

首先是产生基本的PWM周期信号，本设计是产生20ms的周期信号；其次是脉宽的调整，即单片机模拟PWM信号的输出，并且调整占空比。

标准的舵机有3条导线，分别是：

电源线、地线、控制线。

电源线和地线用于提供舵机内部的直流电机和控制线路所需的能源．电压通常介于4～6V，一般取5V。

注意，给舵机供电电源应能提供足够的功率。

控制线的输入是一个宽度可调的周期性方波脉冲信号，方波脉冲信号的周期为20ms（即频率为50Hz）。

当方波的脉冲宽度改变时，舵机转轴的角度发生改变，角度变化与脉冲宽度的变化成正比。

实验中要求赛车沿着黑线前进，不能偏离黑线一定的距离。

舵机的方向控制对于赛车安全稳定前进的重要性不言而喻，对于舵机各种参数的测试显得尤为重要包括舵机机械性能的调整、舵机工作性能与温度的有关性，PWM波占空比与角度参数关系的标定，这些稳定的舵机性能是角度控制的有力保证。

2.2.3舵机的标定和修正

舵机作为一种简单的位置伺服系统，其规范程度比较低。

在将舵机应用于机器人关节驱动的时候，需要对关节进行精确的角度控制，所以需要设计一套标定方法，对舵机的脉宽——转角关系进行标定。

使用标定系统对舵机进行标定，对每10度记录一次脉宽值，测定范围从0-180度，每次传送的角度信息都是从起始位置到目的位置的角度。

实际系统中，为了保护舵机，在舵机两个方向分别留了安全裕量，选定舵机控制从10-170度，所以不会出现超过这个范围而造成舵机烧掉。

舵机是整个赛车系统非常脆弱却又极为重要的部件，多次运行舵机容易出现零漂现象，其稳定性较差，严重影响了赛车的性能。

可以对舵机进行机械上的调整改善舵机性能，调整主要是垫高舵机的安放位置，通过机械方式，利用舵机的输出转矩余量，将角度进行放大，加快舵机响应速度；实验证明这对舵机的灵活性与稳定性都有较大的提高。

由于舵机正常运行的速度极限为45度，未进行机械调整以前，赛车运行2-3圈后即出现零漂、滞后等问题，调整后滞后性大大减小，运行时间也有所增加，不易出现零漂问题[5]。

2.3传感器的工作原理及控制

2.3.1传感器的工作原理

本设计采用反射式红外传感器，利用黑线对红外线的吸收，白线对红外线的发射来实现的。

红外反射式光电传感器由一个发射管和一个接收管组成，LED发出红外线，照射到赛道上，利用漫反射原理，采用与发射管配对的接收管采集反射回来的红外光线，采集得到模拟电压，相应于不同的路面条件（主要是反射程度），接收管接收到地面漫反射红外线后其两端电压将有所不同。

其电压大小与路面情况有关：

当路面的颜色为白色时，反射光较强，电压较高；当路面的颜色为黑色时，反射光较弱，电压较低。

送回单片机的AD口，然后通过AD/DA转换器变成数字信号，由于红外线有明显的不同，因此可以区分出黑线与白板便能够通过程序来判断赛道的路况。

传感器系统通过将多个传感器进行合理配置,利用多传感器提供的综合信息,对外界环境进行判断和分析,决定避障策略、路线规划和动作调整。

在正常情况下,机器人利用光电传感器检测车体偏离导航线的程度，对行进速度进行调整，使机器人保持正确的运动轨迹。

2.3.2传感器的采集及处理

在本系统中，对车体前沿的8个红外传感器进行编码，左1和右1传感器分别紧贴导航线的两侧。

当机器人沿导航线向正前方行进时，其编码值应为0，即无偏差。

由于左右轮的不一致，机器人所读取的传感器编码将在正负码值之间变化。

MCU通过它提供的信号发出指令，通过传感器板上面的单排LED现实其状态，并控制智能车其它部件协同工作。

单排LED原理：

通过接收路面反射的主动发射的已知特性的光线强度进行路面类别和颜色的识别，如图2-3所示。

单排LED，从安装看：

贴地式，抬起式；从信号格式看：

模拟式，数字式；从信号传输看：

直流式，调制式；从信号定位看：

发射管定位，接收管定位。

间隔

图2-3单排LED示意图

由于MCU信息处理及机械结构上存在延时，故在车速较快的情况下需要提前知道赛道的信息，故通过传感器伸长板将传感器前伸，以提高赛道信息的前瞻量[6]。

2.4电机的工作原理及驱动

2.4.1电机的选择

电机是机器人的主要动力机构，因此选择一款合适的电机来驱动机器人十分重要。

按照电机的特点，一般可将其分为直流电机、步进电机和舵机。

步进电机：

步进电机本质上是一种低速电机，所以它有一个优点能实现精确运动，一旦到达指定位置后就能保持在那里。

但也存在它的缺陷，功率与自重比小，体积大，较难与车轮装配，负载能力低，功率小，控制复杂。

在同等功率条件下，步进电机的尺寸显得比直流电机要大且笨重，步进电机的输出转矩通常也不够强劲，因此不推荐把它用在超过两磅重的机器人上。

舵机：

舵机由直流电机、高效而轻便的齿轮箱以及控制电机速度和方向的控制器构成。

它易于安装，容易与车轮装配，借口简单，但功率不高，负载能力较低，速度调节范围较小，一般适用于小型机器人和步行机器人。

直流电机：

直流电机实际上是机器人平台的标准电机，有着极宽的功率调节范围、适用性好、率大、接口简单、具有很高的性价比，是一种最为通用的电机。

到目前为止，直流电机仍是输出功率最强劲的电机。

适合较大型机器人。

根据机器人所要完成的任务，我们选用直流电机，并且是自身带有齿轮减速器的电机，这样不但可以方便的将车轮的速度降至足够低，而且用较小的功率就能获得更强的输出。

2.4.2电机的工作原理

图2-4直流电机的内部结构

在绕有线圈的铁心（转子）的外周，有相同数目的定子（永久磁铁）相向包围。

通过整流器的电刷转子断续的得到电流，转子与定子的永久磁铁反复相吸、排斥，结果无论它们的相互位置如何，转子始终能够沿着一定的方向回转。

在永久磁铁（N、S极）之间的线圈有电流通过时，产生电磁力，对应于永久磁铁产生的磁场，N极产生向上的力，S极产生向下的力，从而使线圈动作。

结果导致线圈旋转。

在线圈转动的同时，整流器也随之旋转，这样就能保证电流流向的自动切换以便维持转子向同一方向的连续转动。

于是，线圈中不断的产生相同方向的旋转力。

根据弗莱明（Fleming）左手法则，电机产生转矩，而电机一旦开始回转，就使线圈磁场中转动，再由弗莱明右手法则，应该有电压产生，称之为反电动势，外部所施加的电压克服反电动势，线圈中就有电流流过[7]。

2.4.3电机驱动

直流电机驱动中使用最广泛的就是H型全桥驱动电路，如图2-5所示。

图2-5H型全桥驱动电路

当开关Q1与Q4闭合时，负载电流从电源由A流向B，此时负载端A点相对于B点是正电位，电机两端承受正向电压。

开关Q1与Q4由控制逻辑来同步工作，在开关Q1与Q4闭合期间，控制逻辑使另一对开关Q2与Q3处于断开状态。

反之，当开关Q2与Q3闭合时，开关Q1与Q4断开，此时，负载电流从电源U由B流向A，负载端B点相对于A点是正电位，电机两端承受反向电压。

通过调节PWM信号的占空比就可改变电机电枢两端的平均电压，从而控制电机的转速或方向[8]。

2.5车体结构

2.5.1硬件电路板的功能需求分析

（1）电源部分：

MCU板、红外传感器板、速度传感器、舵机、四个轮子的电机；

（2）电机驱动：

安全、快速响应、低损耗；

（3）人机交互：

按键、拨码开关、LED、蜂鸣器；

（4）与外界机构的接口：

MCU板、红外传感器板、速度传感器、舵机、四个轮子

的电机、电池、串口、车体安装孔位；

（5）传感器：

7+1个反射式传感器，主要由S7136组成。

2.5.2结构需求分析

表2-6结构需求分析

设计要求

考虑因素

总重1000g以内

转向、加速度

总宽190mm左右

转向

总长480mm左右

转向

高度尽量低

重心

车轮设计方案要能保证车轮无偏摆

稳定性、加速度

齿轮啮合应做好

选择合适的模数和减速比

在结构上考虑强度及刚度问题

选择合适的材料

结构需求分析如上表2-6所示。

成品性能分析：

（1）能够正常跑完赛道全程。

（2）最大速度>=2m/s。

（3）有较强的走直线能力。

（4）转弯灵活，反应迅速。

（5）能够适应一定程度的坡度，探测部分爬坡不受影响。

底盘设计：

底盘是整个赛车的承载基体，支承着舵机、电机、电池组、电路板等组件。

车架的设计主要有以下几个方面：

车