陳桐煥 賴忠喜 金煒翔

（臺州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 浙江省臺州市 318000）

1 引言

2021年浙江省第五屆機(jī)器人競賽中的運(yùn)輸機(jī)器人對抗賽比賽場地如圖1所示，大小為4000×3200mm，場地地面噴涂了黑色啞光漆，并粘貼了若干寬為30mm的白色引導(dǎo)線，引導(dǎo)線圍成的基本方格邊長是400mm。場地上有11個黃色的圓環(huán)和兩種顏色的增益環(huán)。競賽分三輪，其中第一輪是在沒有對手的情況下上場比賽，當(dāng)在一分區(qū)、二分區(qū)和三分區(qū)分別收集到兩個圓環(huán)時，即取得滿分完成搬運(yùn)任務(wù)。在第二、三輪競賽中，要求在4分鐘的比賽時間內(nèi)，各隊(duì)需要盡可能多的收集場上的圓環(huán)到本隊(duì)的收集區(qū)，最后總分高的一隊(duì)勝出。

圖1：運(yùn)輸對抗場地示意圖

2 小車整體方案設(shè)計

浙江省大學(xué)生機(jī)器人競賽要求設(shè)計的運(yùn)輸機(jī)器人小車具有自主直線循跡、左右轉(zhuǎn)彎90度、路徑規(guī)劃、抓取圓環(huán)、把圓環(huán)套在桿子上和推圓環(huán)等功能。根據(jù)此要求，對小車各模塊進(jìn)行設(shè)計，圖2為運(yùn)輸機(jī)器人小車的整體結(jié)構(gòu)框圖，小車由主控模塊、PWM電機(jī)驅(qū)動模塊、傳感器模塊、動作執(zhí)行模塊、DC/DC電源模塊、聚合物鋰電池、鍵盤模塊和OLED顯示模塊等構(gòu)成。小車的底板材料采用5MM的亞克力板，在動力方面采用四個24V900轉(zhuǎn)（最大扭矩為120kg.cm）的直流電機(jī)，輪胎采用直徑為55MM摩擦力大的駝峰胎，傳感器模塊由12路循跡傳感器和2路激光傳感器所構(gòu)成，其中12路循跡傳感器用于小車直線循跡，前后2路激光傳感器用于小車左右轉(zhuǎn)90度。聚合物鋰電池選用14.8V（4S）3300MAH的航模電池。采用三自由度的舵機(jī)機(jī)械臂來完成抓圓環(huán)和套圓環(huán)的任務(wù)，采用兩個舵機(jī)和兩塊自制亞克力板來完成推圓環(huán)的任務(wù)。小車在工作時，STM32主控模塊會根據(jù)循跡、激光等傳感器采集的信息，給電機(jī)、舵機(jī)等模塊下發(fā)指令并使其完成相應(yīng)動作，從而完成圓環(huán)的收集任務(wù)。

圖2：運(yùn)輸機(jī)器人小車整體結(jié)構(gòu)框圖

3 小車硬件設(shè)計

3.1 主控模塊的選擇

運(yùn)輸機(jī)器人小車的主控模塊采用STM32F103VET6單片機(jī)，該芯片是意法半導(dǎo)體推出的一款基于cortex-M3內(nèi)核架構(gòu)的ARM單片機(jī)芯片，具有實(shí)時性優(yōu)異，外設(shè)豐富及價格低等特點(diǎn)。STM32F103VET6單片機(jī)最高工作頻率可達(dá)72Mhz，內(nèi)部有512Kflash和64k RAM等，集成了80個I/O口，8個定時器（每個定時器有4個PWM通道），2個IIC接口，3個USART串口等資源，可滿足設(shè)計要求。

3.2 DC/DC電源模塊的設(shè)計

該機(jī)器人小車以14.8V航模鋰電池作為電源，直接給PWM電機(jī)驅(qū)動模塊提供電源，其它模塊所需要的供電電源為5V和3.3V，其中5V主要為傳感器模塊和舵機(jī)提供電源，3.3V主要為STM32單片機(jī)、鍵盤模塊和OLED顯示器提供電源，14.8V轉(zhuǎn)5V的轉(zhuǎn)換芯片采用TI公司生產(chǎn)的LM2596S-5.0穩(wěn)壓器。該芯片是降壓開關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片，能夠輸出3A的驅(qū)動電流，同時具有很好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性，只需要極少的外圍器件便可構(gòu)成高效穩(wěn)壓電路。5V轉(zhuǎn)3V的轉(zhuǎn)換芯片選用LDO穩(wěn)壓芯片XC6209B33，該芯片體積小巧，帶負(fù)載能力強(qiáng)勁，具有高紋波抑制和低輸入輸出壓差的特性，即使負(fù)載變化也能保證電路穩(wěn)定的工作。

3.3 傳感器模塊的設(shè)計

傳感器模塊由12路紅外循跡傳感器和2路的激光傳感器所構(gòu)成，紅外循跡傳感器采用了紅外反射式傳感器ST188,如圖3所示為1路紅外循跡傳感器電路原理圖。其中R1為限流電阻選取600歐姆，由于單個傳感器在檢測過程中會出現(xiàn)較大的死區(qū)電壓，因此在該傳感器后加上電壓比較器當(dāng)作輔助電路，通過改變R33滑動變阻器的大小就可以改變ST188的測量靈敏度。激光傳感器采用納茵特激光傳感器，其具有測量速度快、精度高和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，2路激光傳感器分別安裝在小車的正前方和正后方，主要用于檢測小車左右轉(zhuǎn)90度是否到位。

圖3：1路紅外循跡傳感器電路原理圖

3.4 PWM電機(jī)驅(qū)動模塊的設(shè)計

PWM電機(jī)驅(qū)動模塊采用英飛凌的BTN7971驅(qū)動芯片，BTN7971是大功率集成半橋驅(qū)動芯片，在單一封裝中集成了PMOS和NMOS高低側(cè)功率開關(guān)以及門驅(qū)動器，還集成了邏輯控制電路和一些保護(hù)檢測功能，具有大電流、低阻抗、驅(qū)動能力強(qiáng)、高性能、發(fā)熱小等眾多優(yōu)點(diǎn)，并且電路簡單，容易布局連線。本設(shè)計中，小車左邊兩個電機(jī)由兩片BTN7971B芯片組成的一個全橋驅(qū)動電路來進(jìn)行驅(qū)動，右邊兩個電機(jī)驅(qū)動電路與左邊完全相同。

PWM電機(jī)驅(qū)動電路原理圖如圖4所示，圖中OUT_1和OUT_2接到直流電機(jī)的兩端，BTNL_EN、PEML_1和PEML_2引腳都接到STM32單片機(jī)I/O口上，其中BTN_EN為使能端口，當(dāng)其端口為低電平時芯片就進(jìn)入休眠狀態(tài)停止工作，當(dāng)該端口為高電平時，則驅(qū)動芯片正常工作，PEML_1和PEML_2為控制信號，兩者配合使用，當(dāng)PWML_1設(shè)置為高或低電平信號時，分別表示對電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)控制，PEML_2是脈沖寬度調(diào)制信號，STM32單片機(jī)會根據(jù)PID控制算法來調(diào)整其輸出脈沖占空比的大小，從而達(dá)到調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。在鋰電池的電源與地之間接100UF和100NF的電容，用于濾除電源的雜波和交流成分，減少電機(jī)造成的抖動。

圖4：PWM電機(jī)驅(qū)動電路原理圖

3.5 其它模塊的設(shè)計

動作執(zhí)行機(jī)構(gòu)的舵機(jī)全部采用jx6221大扭矩金屬齒輪數(shù)字舵機(jī)，其具有控制精度高和響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，該舵機(jī)工作電壓為4.8-6.0V,轉(zhuǎn)動角度為180°，死區(qū)設(shè)定為2um，尺寸為40.5×20.2×38 mm，重量62g，在工作過程中，STM32單片機(jī)通過TIM3的 4個通道和TIM4的第1個通道輸出PWM波來控制5個舵機(jī)的動作。

鍵盤模塊是由三個獨(dú)立按鍵和三個電阻所構(gòu)成，STM32單片機(jī)通過I/O端口電平的高低來判斷按鍵是否按下，通過按不同的按鍵，小車可以選擇不同的控制程序，從而確保小車在第二、三輪運(yùn)輸對抗賽中獲勝。OLED顯示模塊采用0.96寸的OLED液晶顯示器模塊，通過I2C接口與主控模塊實(shí)現(xiàn)通信，用于顯示各種調(diào)試信息和運(yùn)動狀態(tài)信息等。

4 小車軟件設(shè)計

本系統(tǒng)以KEIL uVision5作為程序編程軟件，采用模塊化的編程方法來編寫具體的程序代碼，運(yùn)輸機(jī)器人小車軟件設(shè)計主要包括硬件底層功能子程序和機(jī)器人執(zhí)行動作子程序，具體設(shè)計的函數(shù)如圖5所示。在圖5所編寫的函數(shù)基礎(chǔ)上，根據(jù)不同的路徑規(guī)劃和控制策略編寫不同的控制程序，來完成相關(guān)的比賽任務(wù)。

圖5：運(yùn)輸機(jī)器人小車軟件設(shè)計框架

4.1 直線循跡函數(shù)

運(yùn)輸機(jī)器人小車直線尋跡函數(shù)使用PID 閉環(huán)控制，其編程思路如下：

首先對每一路循跡傳感器賦予一個偏差值，如圖6所示。

圖6：循跡傳感器賦予的偏差值

其次對每一路循跡傳感器進(jìn)行采集，若循跡傳感器檢測到白線時，就將對應(yīng)的偏差值加到總的偏差值上，并將檢測到白線的循跡路數(shù)加1，若循跡傳感器檢測到黑線時，則不做任何處理，當(dāng)12路循跡傳感器采集之后再將總的偏差值除以檢測到白線的循跡傳感器總路數(shù)作為PID控制的當(dāng)前偏差值。

最后通過PID算法調(diào)整左右輪的轉(zhuǎn)速，使小車在偏離直線時能夠準(zhǔn)確且速地返回預(yù)定軌跡。具體程序如下所示。

4.2 直行n個路口停止函數(shù)

直行n個路口停止函數(shù)編程思路為：小車若沒有檢測到十字路口，則一直循跡走直線，當(dāng)檢測到十字路口時，為避免誤判斷，延時10MS再次判斷是否在十字路口，如果小車還在十字路口，小車?yán)^續(xù)循跡走直線，一直當(dāng)小車走出十字路口為止，如果小車不在十字路口，則表示小車已經(jīng)走過了一個路口，然后通過do…while語句依次循環(huán)走完n個路口再停止。具體程序如下所示。

圖7為運(yùn)輸機(jī)器人小車實(shí)物圖。

圖7：運(yùn)輸機(jī)器人小車實(shí)物圖

5 總結(jié)

本文設(shè)計并制作了一輛運(yùn)輸機(jī)器人小車，包含實(shí)現(xiàn)直線循跡、左右轉(zhuǎn)90度、圓環(huán)抓取與搬運(yùn)等功能的軟硬件設(shè)計，經(jīng)反復(fù)調(diào)試及算法優(yōu)化，該小車能夠在60.5S時間內(nèi)完成第一輪競賽的全部圓環(huán)收集任務(wù)?？蔀槠渌\(yùn)輸搬運(yùn)小車提供參考。