常 远 董 皓 郎丰涛 金 彬 尹庆庆 山东师范大学 山东济南 250358



多功能机器人的设计

常 远 董 皓 郎丰涛 金 彬 尹庆庆 山东师范大学 山东济南 250358

【文章摘要】

本文采用MSP430系列单片机为控制核心，探索智能小车机器人的设计原理。硬件方面讨论三自由度机械臂、直流电机的控制方法，研究无线模块、车载传感器的原理与应用，设计直流稳压模块；软件方面基于IAR集成开发环境，运用PID控制算法和模块化编程等思想设计程序。最终本文提出了能实现搬运、环境感知和无线遥控等任务的硬、软件设计思路与实现方案。

【关键词】

机械臂控制；MSP430；无线遥控；传感器；PID

0　引言

近几十年来，科学技术不断发展与创新，计算机技术、电子技术、自动控制技术、人工智能技术等领域尤为突出。拥有自主或半自主能力的智能机器人，是各个学科领域相互交叉的产物，在当今科技社会中最具代表性。

1　硬件设计

微处理器最小系统、执行系统、环境感知系统、无线遥控、行走系统和LCD12864显示六个功能模块，加上配套的电源与稳压电路等，构成了多功能机器人的硬件部分。整个机器人系统由一块7.2V（VCC）可充电镍铬电池来供电。

1.1MG995舵机的相关参数测定

本文所使用的MG995舵机输出角度与外部控制信号的关系，只是在外部控制信号的频率提高为了100Hz，其他并无本质区别。例如期望舵机输出的角度为0°时所应该给出的PWM信号占空比：

以上数据的得出是基于理想情况，由于安装时的误差及舵机的离散参数特性，实践中舵机输出的角度为0°时对应的脉宽往往不是15ms，即外部的PWM信号占空比不是15%。于是本文通过实验对三个舵机进行了角度标定，标定的结果如表（1）、表（2）和表（3）所示。

表（1）1#舵机标定结果

表（2）2#舵机标定结果

表（3）3#舵机标定结果

经过实测，三个MG995均有较好的线性特性，角度的误差可以用软件来调整，并不影响其正常控制。

2　环境感知系统

2.1DHT11传感器简介

DHT11将温度、湿度测量集成到一块芯片上，采用专用的数字模块采集技术与温湿度传感技术，具有极高的可靠性和稳定性。其温度测量精度是2.0℃，湿度的测量精度为5.0% RH。

2.2烟雾传感器

本文应用MQ-2型烟雾传感器模块来完成烟雾检测的目标。电导率较低且对可燃气体非常敏感的气敏材料被该型号传感器所采用。当MQ-2周围环境中存在可燃性气体时，气敏材料的电导率会随之迅速增大。

2.3无线遥控模块

无线遥控模块由编、解码电路和OOK调制、解调电路组成。

2.4行走系统

2.4.1直流电机的PWM闭环控制

直流电机具有起动和调速性能好、调速范围广和过载能力较强等优点。其控制方式过去常采用模拟法，随着计算机技术和控制技术的发展，数字控制成为直流电机控制的最常用手段。

2.4.2测速模块

通过速度检测模块可以实时的获取电机转动速率，并以此为依据应用控制算法计算能量输出，达到实际速度快速跟随期望速度的目的。

2.4.3系统软件设计总体框架

软件设计总体框图如图（1）所示。

图（1）软件设计总体框图

3　电机控制程序设计

PID算法主要分为位置式PID及增量式PID两种类型，对于电机这类大惯量系统经典的控制方法是采用增量式。根据增量式PID控制原理，本文设计了用以控制左右电机的算法并编程实现，核心公式：

4　总结

本文所提出关于多功能机器人的硬、软件设计思路与实现方案，较为良好的实现了搬运、环境感知和无线遥控等目标。该项目的研究成果可以用于货物搬运、家居服务、消防搜救等场合。

【参考文献】

［1］付君.移动机器人运动控制系统的设计与实现［J］.科协论坛，2011，（4）∶91-94.

［2］范效玮，汤腊梅，袁晓红.无线遥控循迹机器人的设计与实现［J］.湖南工业职业技术学院学报，2013，（6）∶12-14.

［3］张广红.基于MSP430单片机的煤巷顶板离层监测仪设计［J］.机械工程与自动化，2010，（2）∶141-143.

［4］杜红.基于MSP430的直流电机控制器设计［J］.信息系统工程，2013，（10）∶81-82.

［5］魏小龙.MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例［M］.北京∶北京航空航天大学出版社，2002.7-9.