謝 靖

（南陽(yáng)農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院，河南 南陽(yáng) 473000）

在實(shí)際生活中，人們需要進(jìn)行各種各樣的作業(yè)，而對(duì)于某些作業(yè)來(lái)說(shuō)，由于其工作環(huán)境的復(fù)雜性，可能會(huì)對(duì)人類(lèi)的生命安全造成威脅，為了確保工作人員的生命安全，便需要利用機(jī)器人來(lái)代替人類(lèi)從事這些工作。而相比于履帶式機(jī)器人與輪式機(jī)器人來(lái)說(shuō)，六足機(jī)器人無(wú)疑更適用于各種復(fù)雜環(huán)境下的危險(xiǎn)作業(yè)，這也使其廣泛用于勘察、搶險(xiǎn)等危險(xiǎn)作業(yè)中。目前所使用的六足機(jī)器人多路舵機(jī)主要是通過(guò)分時(shí)控制算法或排序算法來(lái)達(dá)到自動(dòng)避障目的，但這些算法的精度較低，而且數(shù)量也較為有限，這使六足機(jī)器人在某些情況下難以滿(mǎn)足避障要求。因此，需要進(jìn)一步對(duì)六足機(jī)器人進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。

1 基于單片機(jī)的六足機(jī)器人自動(dòng)避障控制方案的制定

在六足機(jī)器人中共包括6個(gè)足，各個(gè)足中具備3個(gè)關(guān)節(jié)，而舵機(jī)便是分別安裝到足中的各個(gè)關(guān)節(jié)當(dāng)中，通過(guò)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)來(lái)帶動(dòng)關(guān)節(jié)，進(jìn)而使六足機(jī)器人實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由于在各個(gè)足中分別安裝有3個(gè)舵機(jī)，通過(guò)對(duì)這些舵機(jī)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)控制，能夠使六足機(jī)器人中的每個(gè)足端部都能到達(dá)地面可達(dá)范圍中的任何一點(diǎn)。在步態(tài)設(shè)計(jì)中，六足機(jī)器人主要是以三角步態(tài)進(jìn)行向前行走的，六足機(jī)器人在向前行走時(shí)，其右前足、左中足與右后足起到支撐地面的作用，可將這三足視為第一組，而右中足、左前足與左后足則抬起呈邁步姿態(tài)，視為第二組，通過(guò)這兩組足之間的交替往復(fù)運(yùn)動(dòng)，便實(shí)現(xiàn)了六足機(jī)器人的向前行走。六足機(jī)器人在轉(zhuǎn)彎過(guò)程中時(shí)，主要包括兩種轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)，分別是自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)，六足機(jī)器人在自轉(zhuǎn)時(shí)，第一組足主要起到支撐地面的作用，而第二組足則沿著某一方向進(jìn)行特定角度的旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)完畢后，該組足落于地面，并起到支撐地面作用，隨后第一組足抬起并重復(fù)第二組足的動(dòng)作，此時(shí)旋轉(zhuǎn)方向是一致的，通過(guò)這兩組之間的動(dòng)作交替來(lái)實(shí)現(xiàn)六足機(jī)器人的自轉(zhuǎn)動(dòng)作。而六足機(jī)器人的公轉(zhuǎn)動(dòng)作與自動(dòng)動(dòng)作基本相同，不過(guò)其在進(jìn)行公轉(zhuǎn)動(dòng)作時(shí)，六足機(jī)器人的左右兩側(cè)的足在邁步距離上不等。在六足機(jī)器人的自動(dòng)避障動(dòng)作中，主要是由舵機(jī)來(lái)對(duì)其足部關(guān)節(jié)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的，舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度最大可以達(dá)到180度，舵機(jī)的工作額定電壓為3.6～6 V，其能夠?yàn)榱銠C(jī)器人提供1.6 kg每公分的力矩，舵機(jī)的角度則是由脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）信號(hào)進(jìn)行控制的，該信號(hào)的周期間隔為20 ms，PWM信號(hào)的高電平范圍保持在0.5～2.5 ms，其高電平時(shí)間線(xiàn)性分別和舵機(jī)中的9-0度至90度相對(duì)應(yīng)，各個(gè)舵機(jī)的角度控制都分別是由不同I/O中的PWM占空比來(lái)決定的，從而使六足機(jī)器人能夠得以正常向前行走[1]。

2 基于單片機(jī)的六足機(jī)器人自動(dòng)避障控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 電路設(shè)計(jì)

在基于單片機(jī)的六足機(jī)器人自動(dòng)避障控制系統(tǒng)中，主要是通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)方法來(lái)對(duì)其電路進(jìn)行設(shè)計(jì)的，在電路系統(tǒng)中，其主控芯片為STC12C5A60S2，并通過(guò)51單片機(jī)的使用來(lái)作為其核心最小系統(tǒng)。在六足機(jī)器人中共設(shè)置有18個(gè)舵機(jī)，每個(gè)舵機(jī)中分別安裝有兩節(jié)的18650電池，該電池能夠?yàn)槎鏅C(jī)提供3.7 V的電壓，并且各節(jié)電池能夠?yàn)?路舵機(jī)提供電源。在電路系統(tǒng)的51單機(jī)片中同時(shí)還擴(kuò)展有18個(gè)I/O接口，這些I/O接口的一端均與各個(gè)舵機(jī)中的信號(hào)線(xiàn)進(jìn)行連接，其中，無(wú)線(xiàn)遙控模塊與4個(gè)I/O接口進(jìn)行連接，而紅外線(xiàn)避障傳感器中安裝有2個(gè)I/O接口。在基于單片機(jī)的六足機(jī)器人自動(dòng)避障電路系統(tǒng)中，其串口通信模塊為PL2303，并與串口TXD/RXD進(jìn)行連接。

2.2 舵機(jī)控制算法的設(shè)計(jì)

在六足機(jī)器人的自動(dòng)避障控制中，對(duì)舵機(jī)的控制主要是通過(guò)相應(yīng)的控制算法來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這也使控制算法的設(shè)計(jì)變得十分關(guān)鍵，其直接決定了六足機(jī)器人的自動(dòng)避障能力。在舵機(jī)控制中，除了其自身的20 ms周期以外，還需要在信號(hào)線(xiàn)中注入一個(gè)0.5～2.5 ms時(shí)延的高電平，高電平的電壓為5 V，其他時(shí)間則是PWM信號(hào)中的低電平，對(duì)高電平時(shí)延進(jìn)行控制與調(diào)節(jié)，能夠使舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度得到相應(yīng)控制。由于在該自動(dòng)避障控制系統(tǒng)中采用了51單片機(jī)來(lái)作為最小系統(tǒng)，而在該系統(tǒng)的外部則設(shè)置有相應(yīng)的晶振體，而該晶振體是11.059 2 M，再加上機(jī)器自身的周期是1.085 07 μs，進(jìn)而可知基于單片機(jī)的六足機(jī)器人自動(dòng)避障控制系統(tǒng)對(duì)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的控制精度最高能達(dá)到0.1度。一般來(lái)說(shuō)，在控制系統(tǒng)中通過(guò)相應(yīng)定時(shí)器的使用來(lái)對(duì)多路舵機(jī)信號(hào)進(jìn)行生成的方法共有兩個(gè)，第一個(gè)方法是對(duì)舵機(jī)中的高電平時(shí)間進(jìn)行排序，當(dāng)六足機(jī)器人足中的某一舵機(jī)周期剛剛開(kāi)始時(shí)，對(duì)全部舵機(jī)中的PWM信號(hào)電平進(jìn)行提高，并對(duì)定時(shí)器中舵機(jī)的最少高電平時(shí)延時(shí)間進(jìn)行設(shè)置。此時(shí)，單片機(jī)會(huì)在定時(shí)器中斷以后，會(huì)將高電平時(shí)延時(shí)間中的最長(zhǎng)時(shí)間與第二長(zhǎng)時(shí)間的差值設(shè)置給定時(shí)器，通過(guò)這種賦值方式，直至最后一組時(shí)間也同樣被賦值以后，則舵機(jī)信號(hào)中的最大電平時(shí)延會(huì)被拉低，此時(shí)再對(duì)定時(shí)器進(jìn)行賦值，該賦值對(duì)應(yīng)最長(zhǎng)時(shí)間和20 ms之間的時(shí)間差。第二個(gè)方法是將舵機(jī)周期20 ms進(jìn)行8個(gè)時(shí)間段的劃分，每個(gè)時(shí)間段均為2.5 ms，而在這8個(gè)時(shí)間段中便包含有舵機(jī)的高電平信號(hào)，此時(shí)再根據(jù)這8個(gè)時(shí)間段中高電平時(shí)間與2.5 ms之間的差對(duì)定時(shí)器進(jìn)行依次賦值即可。

從理論上進(jìn)行分析可以了解到，第一個(gè)方法能夠?qū)θ我舛嗦愤M(jìn)行控制，不過(guò)通過(guò)對(duì)該方法進(jìn)行實(shí)踐可以了解到，隨著舵機(jī)數(shù)量的不斷增加，排序后在同一足中相鄰位置的舵機(jī)在高電平時(shí)間差上也會(huì)相應(yīng)減少，進(jìn)而導(dǎo)致定時(shí)器的中斷時(shí)間減少，此時(shí)定時(shí)誤差也就隨之增大。因此，在采用這種方法時(shí)，必須要在確保精度的前提下來(lái)對(duì)PWM舵機(jī)信號(hào)進(jìn)行生成。而第二個(gè)方法中，由于是將20 ms劃分成了8個(gè)時(shí)間段，這也使其只能對(duì)有限數(shù)量的舵機(jī)進(jìn)行控制，不過(guò)該方法在控制精度上能夠得到保證。因此，要想在滿(mǎn)足舵機(jī)控制精度的前提下來(lái)對(duì)18個(gè)舵機(jī)進(jìn)行同時(shí)控制，應(yīng)將上述兩種方法進(jìn)行結(jié)合應(yīng)用，也就是所謂的3×6法。通過(guò)第二種方法進(jìn)行6個(gè)時(shí)間段的劃分，每個(gè)時(shí)間段均為2.5 ms，然后在各個(gè)時(shí)間段中設(shè)置3段高電平，以此達(dá)到18個(gè)舵機(jī)的同時(shí)控制，而且也能使舵機(jī)中的PWM信號(hào)滿(mǎn)足相應(yīng)的精度要求。

2.3 模塊設(shè)計(jì)

在基于單片機(jī)的六足機(jī)器人自動(dòng)避障控制系統(tǒng)中，主要是通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)方式來(lái)對(duì)其自動(dòng)避障功能進(jìn)行控制的，在該控制系統(tǒng)中共包括4個(gè)模塊，分別是避障模塊、無(wú)線(xiàn)遙控模塊、串口通信模塊以及數(shù)據(jù)接收模塊。在避障模塊中，主要使用了兩個(gè)E18-D50NK光電式傳感器，該傳感器分別安裝在六足機(jī)器人的左右前方，在各個(gè)傳感器中分別設(shè)置有VCC，OUT，GND 3個(gè)引腳，VCC引腳與4.5～5 V的電壓相連接，OUT引腳是輸出信號(hào)，其在正常狀態(tài)時(shí)為5 V的高電平，當(dāng)六足機(jī)器人在遇到障礙時(shí)，則該引腳會(huì)生成低電平。避障模塊是利用51單片來(lái)對(duì)所有I/O口的狀態(tài)進(jìn)行判定的，進(jìn)而準(zhǔn)確分析六足機(jī)器人的前方是否存在障礙物，然后根據(jù)分析結(jié)果來(lái)合理地選擇避開(kāi)方式。在無(wú)線(xiàn)遙控模塊的設(shè)計(jì)中，該模塊主要為MX-J05V點(diǎn)動(dòng)方式，無(wú)線(xiàn)遙控模塊由相應(yīng)的遙控器進(jìn)行控制，在遙控器中設(shè)置有4個(gè)按鈕，在該模塊中，數(shù)據(jù)位D1D2D3D4分別與51單片機(jī)中的I/O口相接，其在正常狀態(tài)時(shí)為低電平，當(dāng)遙控器按鈕被按動(dòng)時(shí)，則對(duì)應(yīng)I/O口中的數(shù)據(jù)位會(huì)轉(zhuǎn)變成高電平。在串口通信模塊設(shè)計(jì)中集成有RS232接口，該接口能夠?qū)OM端口中的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使其成為T(mén)TL電平，并利用51單片機(jī)對(duì)PC機(jī)中的控制命令進(jìn)行接收。在數(shù)據(jù)接收模塊中，主要是以串口通信方式來(lái)實(shí)現(xiàn)51單片機(jī)和上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信的。上位機(jī)會(huì)將報(bào)文傳輸?shù)较挛粰C(jī)中，該報(bào)文包含有5個(gè)字節(jié)，這5個(gè)字節(jié)主要包括起止符#、舵機(jī)號(hào)、控制位、舵機(jī)角度以及終止符＄，下位機(jī)會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，并在接收到終止符時(shí)，對(duì)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后做出反應(yīng)[2]。

3 結(jié)語(yǔ)

本文在基于單片機(jī)的六足機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通過(guò)3×6法來(lái)對(duì)舵機(jī)進(jìn)行控制，以此在確保PWM信號(hào)精度的同時(shí)，完成對(duì)18個(gè)舵機(jī)的同時(shí)控制，并通過(guò)上位機(jī)中三大模式的設(shè)計(jì)來(lái)達(dá)到舵機(jī)的多樣化控制，使六足機(jī)器人在自動(dòng)避障中能夠進(jìn)行許多復(fù)雜的動(dòng)作。在該控制系統(tǒng)中，通過(guò)51單片機(jī)的使用來(lái)確保I/O端口、串口中端及定時(shí)器中斷等功能的實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而為其他類(lèi)型的智能機(jī)器人在自動(dòng)避障控制系統(tǒng)的研發(fā)中起到一定的參考作用。

[參考文獻(xiàn)]

[1]梁美彥，薛太林，王昱，等.基于Android控制的智能六足機(jī)器人動(dòng)力學(xué)建模及實(shí)現(xiàn)[J].測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào)，2017（6）：498-504.

[2]魏春莉，李強(qiáng).基于六足探測(cè)機(jī)器人的自動(dòng)避障控制[J].機(jī)電工程，2008（1）：40-43.