引言

挖掘機(jī)的出現(xiàn)使人類從繁重的體力勞動(dòng)中解脫出來，然而傳統(tǒng)的挖掘機(jī)操作復(fù)雜，對(duì)操作者的技能要求很高。人們一直謀求更省力、更高效率和更能實(shí)現(xiàn)精確軌跡的挖掘作業(yè)模式。隨著微電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，集成電路的集成度和性能提高、價(jià)格下降，以微處理器為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)的機(jī)電一體化、機(jī)器人化、智能化進(jìn)程，已經(jīng)成為工程項(xiàng)目施工管理的一個(gè)重要研究課題與發(fā)展方向。本文以挖掘機(jī)器人為例，設(shè)計(jì)一種基于AVR單片機(jī)的挖掘機(jī)器人控制系統(tǒng)。

1 總體方案設(shè)計(jì)

挖掘機(jī)器人由挖掘機(jī)器人本體機(jī)械系統(tǒng)、紅外傳感器組成的傳感器系統(tǒng)、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、以AVR單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)等四部分組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 挖掘機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)

挖掘機(jī)器人的工作過程主要如下：傳感系統(tǒng)采用紅外線距離傳感器，來實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍環(huán)境中障礙物的實(shí)時(shí)檢測(cè)，測(cè)量信號(hào)送入以AVR單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)，單片機(jī)根據(jù)測(cè)量情況在內(nèi)部進(jìn)行決策，輸出控制信號(hào)通過驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制伺服電動(dòng)機(jī)，帶動(dòng)挖掘機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)直行、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、自主挖掘等功能。

2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)以ATMEL公司的ATmega128微控制器為核心，通過紅外線距離傳感器采集外部數(shù)據(jù)，通過功率驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。傳感器通過后向反饋通道將信息不斷傳遞給微控制器，微控制器通過前向控制通道實(shí)時(shí)調(diào)整小車的行車狀態(tài)，從而構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 挖掘機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖

根據(jù)控制系統(tǒng)硬件框圖，結(jié)合自身的特點(diǎn)，硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)包括主控制器的設(shè)計(jì)、傳感器的設(shè)計(jì)、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。

2.1 主控制器的設(shè)計(jì)

采用ATMEL公司的ATmega128型帶128K字節(jié)FLASH的在線可編程8位高性能、高效率的RISC結(jié)構(gòu)單片機(jī)作為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，完成傳感器的檢測(cè)信號(hào)采集與伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制。ATmega128單片機(jī)共有64個(gè)引腳，單片機(jī)資源如下：PortA-PortE、PortG作為一個(gè)8位雙向I/O口，PortF作為A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入口或一個(gè)8位雙向I/O口，RESET是復(fù)位輸入引腳，XTAL1、XTAL2是晶振接入引腳，AVCC是是PortF和A/D轉(zhuǎn)換器的電源端，AREF是A/D轉(zhuǎn)換器的參考電源，PEN是串行下載的編程使能信號(hào)。

2.2傳感器電路的設(shè)計(jì)

挖掘機(jī)器人控制系統(tǒng)采用了紅外發(fā)射管D1和一只紅外接收模塊U1構(gòu)成紅外線距離傳感器系統(tǒng)，其中紅外接收模塊采用韓國(guó)Kodenshi公司的KSM-603LM，其內(nèi)部集成了紅外接收管，前置放大管，限幅放大管，帶通濾波器峰值檢波器，整流電路和輸出放大電路，靈敏度很高，如圖3所示。它的功能是主要用來檢測(cè)前方、左側(cè)、右側(cè)的障礙物。紅外線距離傳感器的測(cè)距基本原理為發(fā)光管發(fā)出紅外光，光敏接收管接收前方物體反射光，據(jù)此判斷前方是否有障礙物。根據(jù)發(fā)射光的強(qiáng)弱可以判斷物體的實(shí)際距離，它的原理是接收管接收的光強(qiáng)隨反射物體的距離而變化的，距離近則反射光強(qiáng)，距離遠(yuǎn)則反射光弱。

圖3 紅外線傳感器系統(tǒng)原理圖

2.3 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路的選擇也是非常重要的，通常選用的驅(qū)動(dòng)電路是由晶體管控制繼電器來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)向和進(jìn)退。這種方法適用于大功率電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，但對(duì)于中小功率的電機(jī)則極不經(jīng)濟(jì)，因?yàn)槊總€(gè)繼電器要消耗20～100mA的電流。還可以使用組合三極管/MOSFET管的方法，但比較麻煩，電路也比較復(fù)雜，本設(shè)計(jì)采用集成電路的驅(qū)動(dòng)方法，極大增強(qiáng)了電路可靠性和簡(jiǎn)明性。選用SGS公司的恒壓恒流橋式驅(qū)動(dòng)芯片L293，其內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，額定工作電流為1A，最大可達(dá)1.5A，Vss為集成芯片工作電壓，電壓最小為4.5V，Vs為輸出給電機(jī)的電壓，最大可達(dá)36V，Vs電壓必須比Vss電壓高。由L293構(gòu)成的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。

直流電機(jī)轉(zhuǎn)速采用ATmega128兩路PWM控制輸出電壓，通過編程使占空比以1/16的最小間隔在1/16－14/16間變化，以實(shí)現(xiàn)速度的調(diào)節(jié)。

圖4 L293電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件與硬件電路緊密結(jié)合共同實(shí)現(xiàn)對(duì)挖掘機(jī)器人的控制，基本設(shè)計(jì)思想是挖掘機(jī)器人在動(dòng)作過程中，由自身的紅外檢測(cè)裝置即時(shí)從外界采集信號(hào)。其中，紅外線距離傳感器分別安裝在傳感器系統(tǒng)的前方、左側(cè)、右側(cè)。當(dāng)按下挖掘機(jī)器人啟動(dòng)按鈕時(shí)，挖掘機(jī)器人進(jìn)入初始化的狀態(tài)，然后挖掘機(jī)器人向前行進(jìn)。當(dāng)紅外線距離傳感器檢測(cè)到前方有障礙物時(shí)，將信號(hào)傳給控制系統(tǒng)，當(dāng)控制系統(tǒng)判定前方有障礙物，挖掘機(jī)器人做挖掘的動(dòng)作并且向右旋轉(zhuǎn)90度，然后繼續(xù)前進(jìn)。反之，挖掘機(jī)器人繼續(xù)前進(jìn)；當(dāng)傳感器檢測(cè)到左邊位置有障礙物時(shí)，挖掘機(jī)器人的機(jī)械臂向左旋轉(zhuǎn)90度后回到初始位置，然后繼續(xù)前進(jìn)，反之挖掘機(jī)器人繼續(xù)前進(jìn)；當(dāng)傳感器檢測(cè)到右邊有障礙物，挖掘機(jī)器人的機(jī)械臂向右旋轉(zhuǎn)90度后回到初始位置，然后繼續(xù)前進(jìn)，反之挖掘機(jī)器人繼續(xù)前進(jìn)。挖掘機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制流程圖如圖5所示。

圖3 紅外線傳感器系統(tǒng)原理圖

2.3 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路的選擇也是非常重要的，通常選用的驅(qū)動(dòng)電路是由晶體管控制繼電器來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)向和進(jìn)退。這種方法適用于大功率電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，但對(duì)于中小功率的電機(jī)則極不經(jīng)濟(jì)，因?yàn)槊總€(gè)繼電器要消耗20～100mA的電流。還可以使用組合三極管/MOSFET管的方法，但比較麻煩，電路也比較復(fù)雜，本設(shè)計(jì)采用集成電路的驅(qū)動(dòng)方法，極大增強(qiáng)了電路可靠性和簡(jiǎn)明性。選用SGS公司的恒壓恒流橋式驅(qū)動(dòng)芯片L293，其內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，額定工作電流為1A，最大可達(dá)1.5A，Vss為集成芯片工作電壓，電壓最小為4.5V，Vs為輸出給電機(jī)的電壓，最大可達(dá)36V，Vs電壓必須比Vss電壓高。由L293構(gòu)成的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。

直流電機(jī)轉(zhuǎn)速采用ATmega128兩路PWM控制輸出電壓，通過編程使占空比以1/16的最小間隔在1/16－14/16間變化，以實(shí)現(xiàn)速度的調(diào)節(jié)。

圖4 L293電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件與硬件電路緊密結(jié)合共同實(shí)現(xiàn)對(duì)挖掘機(jī)器人的控制，基本設(shè)計(jì)思想是挖掘機(jī)器人在動(dòng)作過程中，由自身的紅外檢測(cè)裝置即時(shí)從外界采集信號(hào)。其中，紅外線距離傳感器分別安裝在傳感器系統(tǒng)的前方、左側(cè)、右側(cè)。當(dāng)按下挖掘機(jī)器人啟動(dòng)按鈕時(shí)，挖掘機(jī)器人進(jìn)入初始化的狀態(tài)，然后挖掘機(jī)器人向前行進(jìn)。當(dāng)紅外線距離傳感器檢測(cè)到前方有障礙物時(shí)，將信號(hào)傳給控制系統(tǒng)，當(dāng)控制系統(tǒng)判定前方有障礙物，挖掘機(jī)器人做挖掘的動(dòng)作并且向右旋轉(zhuǎn)90度，然后繼續(xù)前進(jìn)。反之，挖掘機(jī)器人繼續(xù)前進(jìn)；當(dāng)傳感器檢測(cè)到左邊位置有障礙物時(shí)，挖掘機(jī)器人的機(jī)械臂向左旋轉(zhuǎn)90度后回到初始位置，然后繼續(xù)前進(jìn)，反之挖掘機(jī)器人繼續(xù)前進(jìn)；當(dāng)傳感器檢測(cè)到右邊有障礙物，挖掘機(jī)器人的機(jī)械臂向右旋轉(zhuǎn)90度后回到初始位置，然后繼續(xù)前進(jìn)，反之挖掘機(jī)器人繼續(xù)前進(jìn)。挖掘機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制流程圖如圖5所示。