章安福

（廣州市工貿(mào)技師學(xué)院，廣東廣州，510000）

0 引言

世界技能大賽由世界技能組織舉辦，被譽(yù)為“技能奧林匹克”，是世界技能組織成員展示和交流職業(yè)技能的重要平臺。職業(yè)院校作為培養(yǎng)技能型人才主陣地，大力發(fā)展和弘揚(yáng)職業(yè)教育是制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的必經(jīng)之路，移動機(jī)器人項(xiàng)目作為制造與工程技術(shù)領(lǐng)域的項(xiàng)目之一，推廣移動機(jī)器人項(xiàng)目的技術(shù)應(yīng)用，對培養(yǎng)具有工程思維的技能人才有著積極的意義。

1 傳感器介紹與編程實(shí)現(xiàn)

■1.1 紅外傳感器

紅外測距傳感器是一種傳感裝置，是用紅外線為介質(zhì)的測量系統(tǒng)，測量范圍廣，響應(yīng)時間短。紅外測距傳感器是由一個紅外信號發(fā)射二極管和一個接收二極管組成，通過發(fā)射二極管發(fā)射出的紅外光，在照射到物體后會發(fā)生反射的原理，反射光被接收二極管吸收，通過接收二極管吸收光線的強(qiáng)弱情況，由信號處電路處理后轉(zhuǎn)換為與物體的距離。

夏普GP2Y0A21YK0F傳感器紅外測距傳感器三個管腳，GND管腳接控制器的GND中，Vcc管腳接控制器的+5V中，Vo管腳接控制器的AI（模擬量輸入）信號中，紅外測距傳感器接收的數(shù)據(jù)為電壓值，電壓值與距離值的對應(yīng)關(guān)系如圖1所示，電壓與距離關(guān)系通過曲線擬合得出數(shù)學(xué)關(guān)系。

圖1 電壓值與距離值的對應(yīng)關(guān)系圖

新建一個程序，調(diào)用出編寫紅外測距傳感器所需的函數(shù)。因?yàn)榧t外測距傳感器讀取的數(shù)據(jù)是電壓值，用myRIO自帶的模擬量輸入快速VI編寫，其中紅外測距傳感器的信號線接在myRIO上端口要與程序端口對應(yīng)，否則無法讀取相應(yīng)值。紅外測距傳感器對光線比較敏感，會造成紅外信號發(fā)生抖動，這時候要加一個均值濾波，采樣點(diǎn)數(shù)給10個點(diǎn)即可，這樣可以較好地抑制抖動，最終實(shí)現(xiàn)程序如圖2所示。

圖2 紅外傳感器均值濾波測試程序

■1.2 巡線傳感器

套件中提供的是4路紅外巡線傳感器，其原理為紅外發(fā)射管發(fā)射的光線遇到不同色彩的表面反射率不同，發(fā)射的光線遇到亮色彩地面時會產(chǎn)生較強(qiáng)反射，接收管接收到強(qiáng)反射光，經(jīng)內(nèi)部電路處理后輸出低電平；當(dāng)發(fā)射的光線遇到暗色彩地面時則呈弱反射，接收管接收較弱的反射光，經(jīng)內(nèi)部電路處理后輸出高電平，紅外巡線傳感器有一個6P杜邦插針用于提供接地（GND）、電源（5 V）和信號（SIG），S1-S4四個管腳分別接控制器的AIO（數(shù)字量輸入）信號中。紅外巡線傳感器接收的數(shù)據(jù)為電壓值，所以我們判斷是否檢測到黑線，只需要判斷電壓是否大于某一個值就可以了。

新建一個程序，調(diào)用出編寫紅外巡線傳感器所需的函數(shù)。使用myRIO自帶的模擬量輸入快速VI編寫，程序端口對應(yīng)，紅外巡線傳感器有4個信號通道，所以端口也要選擇4個。由于紅外測距傳感器對光線超級敏感，會造成不同光線輸出的電壓不一樣，導(dǎo)致巡線失敗，所以我們要對紅外測距傳感器進(jìn)行誤差校準(zhǔn)。且校準(zhǔn)參數(shù)可實(shí)時改變。

■1.3 九軸姿態(tài)傳感器

九軸姿態(tài)傳感器，其組成由3軸加速度計(jì)、3軸陀螺儀和3軸電子羅盤（地磁傳感器）三個部分，他們各自的作用不同，相互配合。在使用過程中，需要對三種傳感器反饋的數(shù)值進(jìn)行融合處理，從而得到較為理想的姿態(tài)數(shù)據(jù)。navX-Micro九軸姿態(tài)傳感器四個管腳，GND管腳接控制器的GND中，5V管腳接控制器的+5V中，SCL管腳接控制器的SCL信號中, SDA管腳接控制器的SDA信號中。navX-Micro姿態(tài)傳感器自帶的32位ARM處理器融合了軟件算法，而在機(jī)器人在平面場地運(yùn)動過程中只需要自身的角度，所以我們只需要通過I2C總線與ARM處理器通訊，將它寄存器里的Yaw（角度）數(shù)據(jù)讀出來即可。

圖3 校準(zhǔn)參數(shù)可調(diào)的巡線傳感器程序

新建調(diào)用navX-Micro九軸姿態(tài)傳感器所需的函數(shù)，將傳感器的通訊線接在myRIO相應(yīng)端口要，I2C快速VI可以選擇Write模式、Read模式和WriteRead模式。navXMicro響應(yīng)I2C總線上的7位地址50（0x32）,讀取角度的寄存器地址為0x16-0x17,給角度清零的寄存器地址為0x80。navX-Micro九軸姿態(tài)傳感器的角度讀取范圍為-180-0-+180，所以超過-180是回跳到+180，超過+180是回跳到-180，這屬于正?，F(xiàn)象。

navX-Micro九軸姿態(tài)傳感器除了軟件復(fù)位外，還可以進(jìn)行硬件復(fù)位，只要在硬件上按一下RST按鈕，然后等待一會即可復(fù)位。

■1.4 超聲波測距傳感器

超聲波傳感器是將超聲波信號轉(zhuǎn)換成其他能量信號(通常是電信號)的傳感器，超聲波測距傳感器通過發(fā)送和接收超聲波，利用時間差和聲音傳播速度計(jì)算出與前方障礙物的距離。聲波在空氣中的傳播的速度會收環(huán)境影響，假設(shè)測試環(huán)境中聲波傳播速度為V，由myRIO的處理器測量出發(fā)射聲波與接收聲波的時間差為Δt，則可以推算出超聲波傳感器與障礙物的距離S，即：S=V·Δt /2。

PING超聲波測距傳感器三個管腳，其中SIG管腳接控制器的DI0接口。根據(jù)超聲波測距傳感的器時序圖來編寫程序。初始化信號端口，然后發(fā)送觸發(fā)脈沖，給2μs低電平，再給5μs高電平，然后置為低電平，接著等待750μs后，不斷查詢是否有上升沿輸出，如果沒有輸出上升沿，查詢50次之后結(jié)束，如果輸出上升沿，則等待輸出下降沿，并記錄等待的時間，最大等待時間為18.5ms。將等待時間經(jīng)轉(zhuǎn)換函數(shù)計(jì)算出距離即可。

新建程序，調(diào)用出編寫超聲波所需的函數(shù)，創(chuàng)建枚舉狀態(tài)，把等待函數(shù)設(shè)為us。最后連線即可。因?yàn)槌暡y距傳感器程序?qū)嵲赗T上編寫，RT自帶的時鐘周期會根據(jù)自身運(yùn)行情況及輸入電壓發(fā)生變化，所以讀取出來的數(shù)值一致性較差，這屬于正?，F(xiàn)象。如需更準(zhǔn)確的讀取，以同樣的處理方法，在myRIO平臺的FPGA上編寫程序即可。

2 電機(jī)控制方法與編程實(shí)現(xiàn)

■2.1 直流減速電機(jī)

直流減速電機(jī)是在機(jī)器人設(shè)計(jì)中比較常見動力裝置,是由電機(jī)和減速箱組合起來的傳動機(jī)構(gòu)，減速箱又分為普通減速箱、蝸輪蝸桿減速箱及中間減速箱，減速箱可以降低電機(jī)的轉(zhuǎn)速，獲得較大的轉(zhuǎn)動力矩。

圖4 九軸姿態(tài)傳感器控制程序

圖5 PING超聲波傳感器工作原理示意圖

圖6 PING超聲波等待下降沿程序

使用的直流減速電機(jī)轉(zhuǎn)速為100 rpm ，扭矩為700 ozin，具有內(nèi)置的高分辨率霍爾效應(yīng)編碼器，用于精確的電機(jī)控制，并配有編碼器電纜，電機(jī)的使用需要相應(yīng)的驅(qū)動板進(jìn)行調(diào)速，MXP-MD2是對應(yīng)的雙通道電機(jī)驅(qū)動板，具有大電流輸出和過載保護(hù)功能。電機(jī)兩根電源線顏色分別為紅色與黑色，紅色接驅(qū)動板的M0+，黑色接驅(qū)動板的M0-。編碼器接到相應(yīng)管腳上，用于對于電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)整，一般在近幾屆比賽中，使用脈寬調(diào)制（PWM）的方法，在控制電機(jī)的時候，電機(jī)驅(qū)動板并非持續(xù)地給電機(jī)通電，而是通過一個頻率區(qū)間或固定頻率的方波脈沖控制驅(qū)動板給電機(jī)通電，占空比的不同決定電機(jī)在每個控制周期中的得電時間，從而起到調(diào)速作用，具體程序編寫如圖7所示。

圖7 直流減速電機(jī)控制程序

■2.2 舵機(jī)

舵機(jī)又稱為伺服電機(jī)，舵機(jī)上的控制電路板接受來自信號線的控制信號（PWM），控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)動，直流電機(jī)帶動齒輪組，減速后傳動至輸出舵盤。舵機(jī)的輸出軸和位置反饋電位器是相連的，舵盤轉(zhuǎn)動的同時，帶動位置反饋電位器，電位器將輸出一個電壓信號到控制電路板，進(jìn)行反饋，然后控制電路根據(jù)所在位置決定電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向和速度，從而實(shí)現(xiàn)舵機(jī)角度位置的控制。

常見的舵控制由脈沖周期為20ms的方波，控制高電平的區(qū)間范圍為0.5ms～2.5ms,不同的占空比對應(yīng)著不同的控制角度。HS-7985MG大扭力數(shù)碼舵機(jī)使用了新一代的可編程電路，配合高性能空心杯電機(jī)，雙滾珠軸承等，具有可編程的過載保護(hù)功能。

在使用myRIO控制舵機(jī)時，直流電機(jī)并非持續(xù)地得電，而是通過一個頻率區(qū)間的方波脈沖控制電機(jī)得電，0.5ms～2.5ms的方波信號能對直流電機(jī)起到調(diào)速作用，然后反饋電位器反饋舵機(jī)轉(zhuǎn)動的位置，到了目標(biāo)位置后，從而切斷直流電機(jī)的信號，內(nèi)部直流電機(jī)停，則舵機(jī)停，實(shí)現(xiàn)控制時，調(diào)用出控制舵機(jī)所需的函數(shù)，頻率給定50Hz，改變占空比即可調(diào)整785舵機(jī)的位置，以實(shí)際控制抓取為例，抓取動作實(shí)現(xiàn)是有最大行程的，所以我們需要測試極限位置的最大占空比與最小占空比，不能讓舵機(jī)因機(jī)械限位而導(dǎo)致堵轉(zhuǎn)。并將設(shè)置值轉(zhuǎn)換，設(shè)定抓取閉合時設(shè)置值為0，抓取開啟式最大行程時設(shè)置值為100，所以設(shè)置值（set）在0～100之間。

圖8 舵機(jī)實(shí)現(xiàn)抓取控制程序