盧瑞輝，吳錘紅

(福建農(nóng)林大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，福建 福州 350002)

2010年優(yōu)酷網(wǎng)站上，網(wǎng)友上傳了日本一家餐廳里的一段視頻：一輛兩輪自平衡自動(dòng)送餐車在為指定的客人送餐。[1]從視頻中可以看到，這家餐廳只有一臺(tái)這種送餐車，還在試驗(yàn)研究階段，尚未推廣。但是，這些兩輪自平衡小車經(jīng)過改造后，可以快速方便地應(yīng)用到諸如運(yùn)輸、代步和承載等環(huán)境當(dāng)中。這里商機(jī)潛力巨大，一些外國公司已經(jīng)將它們商業(yè)化，并投放到了市場(chǎng)。[2]

由于沒有該送餐車的其他相關(guān)資料，必須利用自己的方案實(shí)現(xiàn)兩輪送餐車送餐的目標(biāo)。為了做到這一點(diǎn)，最起碼要解決三個(gè)問題：首先要解決的也是最關(guān)鍵的是平衡運(yùn)動(dòng)的問題；其次是送餐車怎么選擇行進(jìn)路線的，又是怎么樣定位的；最后還要考慮它是如何避開障礙物的。此次，自平衡自動(dòng)送餐車的研究不是純粹為了送餐，而是為了研究其中的控制策略及控制方法，從而對(duì)自動(dòng)控制理論有一個(gè)更好的認(rèn)識(shí)。

一 總體設(shè)計(jì)規(guī)劃

餐廳模擬環(huán)境，如圖1所示，送餐車的行進(jìn)路線由事先規(guī)劃好的黑線作為引導(dǎo)。

圖1 餐廳模擬示意圖

經(jīng)過認(rèn)真的分析研究，確定了自平衡自動(dòng)送餐車系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，其整體框架如圖2所示。在進(jìn)行具體的電路設(shè)計(jì)之前，要對(duì)MCU STC12C5A60S2的I/O口進(jìn)行合理分配。這需要充分考慮系統(tǒng)各個(gè)輸入輸出情況，做好總體規(guī)劃。

圖2 送餐車硬件總體設(shè)計(jì)

二 電路設(shè)計(jì)

自平衡自動(dòng)送餐車的電路采用模塊設(shè)計(jì)(如圖3所示)方法。模塊化可以幫助理清思路，總覽全局。不僅有利于電路設(shè)計(jì)，而且還便于將來PCB電路板的重新拼接，再次利用。系統(tǒng)利用Protel 99SE軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，大部分主要器件的管腳圖及封裝，該軟件的元件庫都沒有，需要自己根據(jù)元件的實(shí)際情況來畫。

圖3 硬件電路圖

自平衡自動(dòng)送餐車采用可移動(dòng)的，能充電的12V鋰電池作為供電來源。但是，由于在整個(gè)系統(tǒng)中，各個(gè)模塊所需要的電壓有可能是不同的。因此電源模塊需要輸出多種不同幅值的電壓，以滿足系統(tǒng)的要求。經(jīng)過對(duì)系統(tǒng)的全面分析，可知道電源模塊至少要滿足這兩個(gè)要求：提供12V，5V，3.3V這三類幅值的電壓；每種電壓要有一定數(shù)量的引出端子。

自平衡自動(dòng)送餐車的主控芯片為MCU STC12C5A60 S2，[3]以它為核心組建系統(tǒng)的CPU模塊。該MCU的I/O口較多，可以按組分別把它們引出來，以便與其他外設(shè)相連，構(gòu)建送餐車系統(tǒng)。用5個(gè)8芯白色底座分別引出P0，P1，P2，P3，P4口；至于P5只有4個(gè)I/O口，需要1個(gè)4芯白色底座即可。本次設(shè)計(jì)將采用的晶振頻率為11.0592MHz。瓷片電容C3起到了穩(wěn)定MCU工作電源的功效。

自平衡自動(dòng)送餐車姿態(tài)數(shù)據(jù)主要包括車體的傾斜角度和傾斜角速度。這可分別利用加速度傳感器MMA7260和陀螺儀ENC-03MB測(cè)得。只有綜合利用這兩個(gè)傳感器才能得到所需要的正確信號(hào)，用MMA7260測(cè)得的傾斜角度來校正ENC-03MB信號(hào)積分所得的角度。為了便于程序的編寫，采用以LMV358為主的硬件處理電路對(duì)姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。處理之后的傾斜角度和傾斜角速度信號(hào)，用2芯白色底座將O1，O2接到MCU的P1.0(ADC0)，P1.1(ADC1)口，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

自平衡自動(dòng)送餐車有兩個(gè)車輪，需要用到一塊L298N驅(qū)動(dòng)芯片。驅(qū)動(dòng)芯片的使能端ENA與ENB都接VCC，也就是說它們始終被鉗位為高電平，其四個(gè)輸入端隨時(shí)都可以輸入，不受限制。四個(gè)輸入端由4芯白色底座從MCU引入，IN1，IN2，IN3，IN4分別對(duì)應(yīng)的接P2.0，P2.1，P2.2，P2.3。二極管D6，D7，D8，D9可起到對(duì)MOTOR1的續(xù)流保護(hù)作用；二極管D2，D3，D4，D5可起到對(duì)MOTOR2的續(xù)流保護(hù)作用。另外，為了更加直觀的了解兩個(gè)直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)情況，引入了4個(gè)LED指示燈。

為了測(cè)得電機(jī)的轉(zhuǎn)速利用了兩個(gè)光電編碼器搭建了速度檢測(cè)模塊電路。該模塊的電路比較簡單，只需要直接將與電機(jī)同軸安裝的左右光電編碼器的脈沖輸出接到MCU的脈沖捕獲接口P4.2(CCP0)，P4.3(CCP1)。至于車輪轉(zhuǎn)速的計(jì)算將由軟件編程加以實(shí)現(xiàn)。

送餐車的行進(jìn)定位電路主要由3個(gè)光電開關(guān)RPR220和1個(gè)四電壓比較器LM339M(用了3路，還剩1路)組成。現(xiàn)以其中一路為例進(jìn)行介紹。當(dāng)發(fā)出的紅外光遇到的是白線，紅外光會(huì)被反射，RPR220的光電三極管將導(dǎo)通。此時(shí)LM339M第一個(gè)比較器的反向輸入端的電壓，幅值大約為5V，大于同向輸入端的電壓，比較器的輸出端相當(dāng)于接地。當(dāng)發(fā)出的紅外光遇到的是黑線，紅外光會(huì)被吸收，RPR220的光電三極管將截止。此時(shí)LM339M第一個(gè)比較器的反向輸入端的電壓，幅值大約為0V，小于同向輸入端的電壓，比較器的輸出端相當(dāng)于開路。但是由于在輸出端接了一個(gè)上拉電阻，它將向系統(tǒng)輸入高電平信號(hào)。另外兩路的原理完全類似，不再贅述。行進(jìn)定位3路的檢測(cè)信號(hào)由LO1，LO2，LO3接到MCU 的P2.4，P2.5，P2.6進(jìn)行傳輸。

送餐車的避障要完成兩個(gè)任務(wù)，共用到兩個(gè)紅外光電傳感器E18-D80NK。一個(gè)通過調(diào)節(jié)，使它的避障距離為30cm；另一個(gè)，則調(diào)為60cm。它們的輸出需要接10k的上拉電阻。當(dāng)障礙物的距離小于避障距離時(shí)，傳感器將輸出低電平；當(dāng)障礙物的距離不小于避障距離時(shí)，傳感器將輸出高電平。兩個(gè)傳感器的輸出E18OUT1，E18OUT2分別接到MCU P3.2(INT0)，P2.7(INT1)口。

自平衡自動(dòng)送餐車的相關(guān)信息將由YB12864-ZA進(jìn)行顯示，控制輸入除了四個(gè)按鍵之外，還有紅外遙控，其中后者為主要控制輸入，前者為備用。為了便于操作把它們劃分在一起。

三 軟件設(shè)計(jì)

自平衡自動(dòng)送餐車的硬件制作完成之后，就可以著手進(jìn)行系統(tǒng)的軟件開發(fā)了。在進(jìn)行程序編寫之前，要對(duì)系統(tǒng)工作的整體流程有一個(gè)宏觀的把握，如圖4所示。這個(gè)流程的順利實(shí)現(xiàn)，依賴于實(shí)際可行的系統(tǒng)控制算法和匯編語言主程序及各功能模塊子程序的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)以Protues 7.7為開發(fā)平臺(tái)，結(jié)合UltraEdit-32強(qiáng)大的編輯功能，利用STC單片機(jī)的專用下載軟件STC-ISP V488下載hex文件，進(jìn)行程序的編寫調(diào)試。

圖4 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)的總體控制算法(如圖5所示)，通過對(duì)各控制的耦合，得出一個(gè)整合控制量對(duì)電機(jī)加以控制。

圖5 系統(tǒng)總體控制算法

其中RPR220的檢測(cè)控制算法如表1所示，當(dāng)RPR220發(fā)射的紅外光被吸收時(shí)，該路的輸出為高電平。當(dāng)RPR220發(fā)射的紅外光被反射時(shí)，該路的輸出為低電平。根據(jù)3路的輸出情況，采取相應(yīng)的方向控制策略。除此之外，還需要根據(jù)紅外的輸入，送餐車位置信息，進(jìn)行零半徑回轉(zhuǎn)。在回轉(zhuǎn)的時(shí)候，送餐車的運(yùn)行不受3路RPR220檢測(cè)的影響?；剞D(zhuǎn)完成之后，再啟用RPR220檢測(cè)控制算法。

表1 RPR220檢測(cè)控制算法

避障控制算法分為任務(wù)一(緊急任務(wù))和任務(wù)而(普通任務(wù))。緊急任務(wù)優(yōu)先級(jí)別高于普通任務(wù)。換句話說，就是在執(zhí)行普通任務(wù)的時(shí)候，要是出現(xiàn)了緊急任務(wù)的響應(yīng)條件，則立即停止執(zhí)行普通任務(wù)而轉(zhuǎn)為緊急任務(wù)。另外，這兩個(gè)任務(wù)是不可能同時(shí)執(zhí)行。是執(zhí)行哪個(gè)任務(wù)，主要由障礙物的距離決定，如表2所示。兩個(gè)E18-D80NK的檢測(cè)，共有3種結(jié)果。根據(jù)不同的結(jié)果，執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)。

表2 E18-D80NK避障控制算法

紅外遙控器沒有輸入的時(shí)候，送餐車保持在初始位置，速度給定為零。紅外遙控器輸入為1-5桌的時(shí)候，送餐車直接向前行進(jìn)。紅外遙控器輸入為6-10桌的時(shí)候，送餐車先進(jìn)行零半徑回轉(zhuǎn)，速度給定為零，再向前行進(jìn)。

除了姿態(tài)數(shù)據(jù)用硬件電路處理之外，其余的都將用軟件進(jìn)行處理，最難的也是最關(guān)鍵的是PID算法軟件實(shí)現(xiàn)問題。原因在于匯編語言沒有自帶的積分運(yùn)算和微分運(yùn)算。本系統(tǒng)的控制器采用增量式PID算法，采樣周期為T，比例系數(shù)為kP，積分時(shí)間常數(shù)為TI，微分時(shí)間常數(shù)為TD。它們之間存在kI=kP×T/TI,kD=kP×TD/T的關(guān)系，算法的表達(dá)式演算如下：

ΔU(k)=U(k)-U(k-1)

=k{kP1{[e(k)-e(k-1)]+T/TIe(k)+TD/T[e(k)-

2e(k-1)+e(k-2)]}}

(4-1)

在式子(4-1)中，k為采樣時(shí)刻序號(hào)，U(k)為控制器第k次采樣時(shí)刻輸出值，e(k)為第k次采樣時(shí)刻偏差值，且k=kp/kp1=2n,在實(shí)際的工程應(yīng)用中，增量式PID參數(shù)調(diào)節(jié)可借助于k進(jìn)行協(xié)調(diào)。增量式PID算法對(duì)控制對(duì)象的擾動(dòng)較小。盡管系統(tǒng)出現(xiàn)故障，執(zhí)行器也仍能保持前一步的控制狀態(tài)。增量式PID算法操作容易。它不必對(duì)偏差值e(k)進(jìn)行累加，只需輸出作為控制量的ΔU(k)。如果知識(shí)了e(k),e(k-1),e(k-2),就可以算出ΔU(k)。再加上U(k-1)，就能算出U(k)。在匯編實(shí)現(xiàn)的時(shí)候，先將e(k)歷史數(shù)據(jù)存于事先定義好的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元。然后，通過平移替換的方法對(duì)其循環(huán)保存，可有效地傳遞數(shù)據(jù)。

四 整體調(diào)試

將各個(gè)模塊連接好之后，按下總電源開關(guān)，就可以進(jìn)行自平衡自動(dòng)送餐車系統(tǒng)的整體調(diào)試了。

首先看送餐車能不能保持平衡，然后看看能不能以一定的速度穩(wěn)定運(yùn)行，在轉(zhuǎn)彎處能不能順利轉(zhuǎn)彎，全面檢查是否可以穩(wěn)定的進(jìn)行平衡運(yùn)動(dòng)。之后，將它置于規(guī)劃好的軌跡之內(nèi)，看它是否可以跟蹤軌跡。還要測(cè)試它能不能穩(wěn)定的停在目標(biāo)位置，實(shí)現(xiàn)成功定位。最后還要觀察它可不可以有效的執(zhí)行緊急避障任務(wù)和普通避障任務(wù)。通過系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)，不斷完善，不斷改進(jìn)，直到完成任務(wù)。

五 總結(jié)與展望

由于此課題的設(shè)計(jì)難度比較大，引言部分給出的三個(gè)需要解決問題都是一個(gè)比較大的課題，都需要花費(fèi)大量的時(shí)間及精力。加之自身能力的因素，及時(shí)間的限制，研究條件的制約，本研究主要解決了小車的平衡問題。至于行進(jìn)路線的選擇和定位策略以及避障這兩個(gè)問題，采取了較為簡單的解決方法，要是送餐車可以智能選擇行進(jìn)路線，不借助地面標(biāo)示符就可以進(jìn)行準(zhǔn)確定位，清晰辨別客人和障礙物，那系統(tǒng)就更具智能化了。這有待將來選擇更好的控制策略，采用更加適合的控制算法作出研究改進(jìn)，以期進(jìn)一步提高送餐車智能化水平。

[1]雙輪自平衡送餐機(jī)器人[EB/OL].(2010-12-21).[2011-11-28].http://v.youku.com/v_show/id_XOTk5NzAzMzI=.html.

[2]曹志杰.一種自平衡雙輪移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北京：北京郵電大學(xué)，2008，3.

[3]STC12C系列單片機(jī)器件手冊(cè)[EB/OL] .(2009-06-24) [2012-03-18].http://wenku.baidu.com/link?url=xanDqMIbU6Fw94Vhq_rQ_FNBVSDh1hUEjK4 jaVLXCmZZtLfSkIt5NGq7fYiZMTEM0a6a_eUUIAaNmCaJBanT9q-zOUIJ2-Vu2JQApQ0pABK.