比赛用竞速机器人系统研究

引言

竞速机器人即智能移动机器人是当前机器人领域研究的前沿，交叉和综合，是未来智能汽车发展的趋势。本文针对比赛用竞速机器人系统，基于h8/3048单片机开发与实现，采用光电传感器识别道路中央黑、白色的引导线，自动控制机器人，从而实现快速、稳定的寻线行驶。为尽可能的提高竞速机器人在快速行驶过程中的稳定性，对竞速机器人的本体结构及控制、驱动系统提出较合理的解决方案。

控制系统

比赛用竞速机器人的控制系统由感知外界环境的传感器部分，存储信息并计算、判断，决策下一步动作的主控制部分，以及将结果输出到电机或继电器，使车轮或执行机构实现实际运动的驱动部分三部分组成。竞速机器人的核心处理单元采用微控制器即单片机。其控制系统框架如图1所示。



图1 竞速机器人控制系统框架图

由于h8/3048f单片机具有丰富的软硬件资源,且具有高速、低耗、大容量和非常强的抗干扰能力等突出特点,所以非常适用于竞速机器人执行模块即直流电机的控制。其调速通过脉宽调制（pwm）方式来实现，并且可以通过利用 h8/3048f中的集成定时单元（itu）测量电机转速并输出pwm波形来实现对直流电机的闭环调速控制。

系统中微控制器采用h8/3048f是以 h8/300h cpu为核心,且又集成了若干重要的系统功能支持部件的16位高档微控制器h8/300h；cpu内部体系结构为32位,有16个16位通用寄存器及简明、优化的指令系统，其最高时钟频率可达18mhz,可寻址16m字节线形地址空间。片内系统支持功能部件有：32k字节flash memory,2k字节ram，16位的集成定时单元（itu），可编程定时式样控制器（tpc），监视定时器（wdt），串行通信接口（sci），a/d、d/a转换器，9 个i/o口；存储器直接访问控制器（dmac）、刷新控制器、中断控制器、总线控制器等。

检测系统

检测原理

竞速机器人通过传感器从外界环境获取信息，并将信息传送到的微控制器分析从而实现智能行驶的功能。其行驶道路为带有白色带的黑色跑道, 由于黑白两种颜色对光线的反射系数不同,可以根据对反射光线的分析来判断路况，使用红外传感器路径检测方法，以红外线led tln119及光感原件s7136作为路况传感器，当机器人在行驶过程中红外线led不断地向外发射红外光，红外光遇到赛道的白色带时发生漫反射，光感原件接收到信号，当反射光遇到赛道的黑色带时，红外光被吸收，光感原件接收不到信号。其检测方法如图2所示。



图2 检测方法

检测电路

传感器检测电路如图3所示。其中u1是光敏元件(s7136)，它包括光敏元素和红外线led的振荡电路，u1的引脚1与发光二极管led2(tln119)相连；当赛道为白色时，u1会接收到led2发出的红外光线，从传感器板输出一个逻辑“0”，与此同时，led1的阳极将是正极，阴极将是负极，这种情况下led1将会点亮；相反，如果检测到黑色赛道，那么会从传感器板输出一个逻辑“1”，led1的阳极与阴极同时成正极，led1不会被点亮。因此当led1装在机器人的上方，就可以通过肉眼观察其点亮情况来确定数据的接收情况。

按照此原理，规定一个逻辑“1”是光感原件没有接受到红外光的情况，通常，逻辑“0”是0v，并且逻辑“1”是5v。但u1是一个开放式收集输出器，在一个开放式收集输出器中，“0”是0v，而任何非零状态都是打开的，而在数字系统中，不可能有一个值非“0”非“1”，为解决这个问题，当光敏元件输出信号打开时，用传感器连接板中的一个上拉电阻（ra11）创造出一个逻辑“1”。

当赛道是白色时，led1亮，u1输出逻辑“0”；当赛道是黑色时，led1关闭，输出逻辑“1”。然而，在实际编程过程中，如果白色赛道的是“1”，黑色赛道是“0”，更容易我们思维上的分析、处理，所以，在此将信号通过一个反电路翻转，这样当微控制器获得信号时，白色赛道就等于“1”，黑色赛道等于“0”。

信号传输

为解决复杂路径的处理，提高路径检测的准确性，根据红外传感器路径检测原理，采用八对发光体和光敏感元件水平排列。当光感原件没有接收到信号时，从传感器板传出的信号为高阻抗，这就与信号线没有连上的效果相同；相反，当光感原件接收到信号时，传出的信号为0v。这种信号首先传入传感器与微控制器之间的一个连接板，连接板通过一个上拉电阻将高阻抗转换成逻辑“1”，0v信号转换成逻辑“0”，然后通过一个逻辑倒置电路把逻辑信号“1”转换为“0”，逻辑信号“0”转换为“1”，最终将此信号传递给微控制器。

传感器板和连接板及微控制器之间传输采用四个10针连接器及两组十根的排线按照如图4所示的方法连接。上面提到的八组感光元件则用这组排线中的八根线分别传输其传出的数据，另外两根线一根做电源正极，一根接地。通过这种方法便可以将信号从传感器传输到连接板，然后，采用同样的办法将信号从连接板传输到微控制器，这样就可以实现传感器与微控制器之间信号的传输。[page]



图4 信号传递图

动力系统

微控制器在接收到信号后通过采用基于pwm速度控制的原理，改变施加给电机电压脉冲波形的占空比，即信号中on和off的比例就可以实现电机转速调节。其功能相当于在on的时间内施加电压，off时间内切断电压，但这样产生的电机转动是断续的，因此在脉冲波形的off区段，可以通过电机线圈内部存储的能量产生沿续流二极管的电流，使电机得以继续维持转动，其原理如图5所示。



图5 基于pwm的速度控制原理

电机正转、反转、及刹车等的实现是通过“h桥式电路”的控制方法来实现的，如图6所示。将四个开关（mos 管）安排在电机的四周，形成一个h—格局，前进、后退和制动控制都可通过这4个开关的打开和关闭形成的特定组合来实现。其控制形式如表1所示。

表1 电机控制形式





图6 h桥式电路原理图

结束语

按照本文所研究的方案，我们制作了如图7所示的两个比赛用竞速机器人，并于2009年11月前往北京参加2009全国第五届瑞萨超级mcu模型车大赛”。比赛结果证明了该竞速机器人设计具有寻迹效果好，系统响应快，具备良好的动力性能和转向性能。



图7 比赛用竞速机器人

参考文献

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