基于单片机的自动巡线轮式机器人控制系统设计

轮式移动机器人机器人研究领域的一项重要内容．它集机械、电子、检测技术与智能控制于一体。在各种移动机构中，轮式移动机构最为常见。轮式移动机构之所以得到广泛的应用。主要是因为容易控制其移动速度和移动方向。因此．有必要研制一套完整的轮式机器人系统。并进行相应的运动规划和控制算法研究。笔者设计和开发了基于5l型单片机的自动巡线轮式机器人控制系统。

2 控制系统总体设计

机器人控制系统由主控制电路模块、存储器模块、光电检测模块、电机及舵机驱动模块等部分组成，控制系统的框图如图1所示。

3 主控制模块设计

3．1 cpld设计

在机器人控制系统中．需要控制多个电动机和行程开关．还要进行光电检测．如果所有的任务都由at89s52型单片机来完成．cpu的负担就会过重。影响系统的处理速度。因此扩展1个cpld．型号为epm7128。它属于．max7000系列器件。包括2个通用1/0口．2个专用i／o口，专用i／o口可作为每个宏单元和输入输出引脚的高速控制信号(时钟、清除和输出使能等)，电动机的。pwm信号也由其产生。

epm7128的引脚排列如图2所示。mlp—m4p引脚的输出为pwm脉宽调制信号，m1fb—m4fb引脚为电机的方向控制信号，p00一p07接单片机的po口，100一1015为扩展的2个通用i／o口，sil—s17引脚为行程开关输入信号，li11一li17引脚为光电探头输入信号。cpld的编程用vhdl语言，产生1路pwm信号的部分程序源代码如下：

单片机采用24mhz的晶体振荡器，ale信号的频率fale=f16=6mhz，最终输出pwm信号的引脚mlp的频率为：

调节这个信号的占空比可以使直流电动机获得o-255级的转速。

3．2 机器人运行参数存储器的扩展

机器人运行路径和动作可以根据比赛情况的不同而发生变化，这样，每改变1次运行参数就必须对单片机的flash进行1次擦写。为了解决这一问题．扩展了程序参数存储器，用来存放机器人的运行路径和动作参数．扩展电路如图3所示。

其中ic1为24lc08b，是i2e总线的串行e2prom存储器，最多能够存储lk字节的数据。ic2为max3232型电平转换器，其内部有1个电源电压变换器，可以将计算机的电平转换为标准ttl电平，实现计算机与单片机之间通过串行口传输数据，使单片机完成对24／lc08b的数据存储操作。单片机运行时，直接从24lc08中读取机器人的运行参数，控制机器人运行。

4 光电检测模块设计

4．1 光电检测过程

设计光电检测模块是为了让机器人能够检测地面上的白色引导线。光电检测电路主要包括发射部分和接收部分，其原理如图4所示。

发射部分的波形调制采用了频率调制方法。由于发光二极管的响应速度快，其工作频率可达几mhz或十几mhz，而检测系统的调制频率在几十至几百khz的范围内，能够满足要求。光源驱动主要负责把调制波形放大到足够的功率去驱动光源发光。光源采用红外发光二极管，工作频率较高，适合波形为方波的调制光的发射。

接收部分采用光敏二极管接收调制光线，将光信号转变为电信号。这种电信号通常较微弱，需进行滤波和放大后才能进行处理。调制信号的放大采用交流放大的形式，可使调制光信号与背景光信号分离，为信号处理提供方便。调制信号处理部分对放大后的信号进行识别，判断被检测对象的特性。因此，此模块的本质是将“交流”的、有用的调制光信号从“直流”的、无用的背景光信号中分离出来，从而达到抗干扰的目的。

4．2 光电探头

光电探头安装在机器人底盘前部，共设置了5个检测点。从理论上讲，检测点越多、越密，识别的准确性与可靠性就越高，但是硬件的开销与软件的复杂程度也相应的增加。采用该巡线系统保证了检测的精确度，节约了硬件的开销。发光二极管发出的调制光经地面反射到光敏二极管。光敏二极管产生的光电流随反射光的强弱而线性变化。把这种变化检测出来，就可以判断某一个检测点是否在白色引导线的上方，从而判断机器人和白色引导线的相对位置。

5 电机驱动模块

机器人的驱动件主要是电机和舵机，都可以采用pwm进行调速与控制。根据脉冲编码器的反馈信号，对机器人的运动状态进行实时控制。直流伺服电机的控制原理如图5所示。调节：pwm的信号就能够快速调节舵机的转角，从而实现机器人的方向控制。

6 结束语

基于5l型单片机的自动巡线轮式机器人控制系统运行平稳可靠，抗干扰能力强，不仅满足了机器人大赛的设计要求，同时也为智能机器人搭建了良好的控制平台。