此款窄足竟步機器人為四自由度機器人，以STC12C5A60S2為控制芯片，以RDS3115MG作為運動舵機，以灰度尋線傳感器作為檢測器件，以航模電池作為能源動力。文章首先從機器人整體系統(tǒng)出發(fā)，制定了總體設計方案，再根據(jù)總體方案進行了關鍵器件的選型，最后完成了各部分機構(gòu)的詳細設計工作。經(jīng)過硬件設計、組裝，軟件設計、編寫，整體調(diào)試，最終實現(xiàn)窄足竟步機器人的功能。

【關鍵詞】窄足竟步機器人；STC12C5A60S2；角度調(diào)整算法

1 硬件設計

1.1 控制模塊設計

STC12C5A60S2

STC12C5A60S2單片機屬于增強型51，他兼容傳統(tǒng)的51單片機，但是它與傳統(tǒng)51相比，在速度性能與資源方面都有了很大的提升。在眾多的51系列單片機中，要算國內(nèi)STC 公司的1T增強系列更具有競爭力，因他不但和8051指令、管腳完全兼容，而且其片內(nèi)的具有大容量程序存儲器且是FLASH工藝的，如STC12C5A60S2單片機內(nèi)部就自帶高達60K FLASHROM，這種工藝的存儲器用戶可以用電的方式瞬間擦除、改寫。而且STC系列單片機支持串口程序燒寫。顯而易見，這種單片機對開發(fā)設備的要求很低，開發(fā)時間也大大縮短。寫入單片機內(nèi)的程序還可以進行加密，這又很好地保護了你的勞動成果。

1.2 電路設計

穩(wěn)壓板上的主要部件LM2596：

LM2596系列是德州儀器（TI）生產(chǎn)的3A電流輸出降壓開關型集成穩(wěn)壓芯片，它內(nèi)含固定頻率振蕩器（150KHZ）和基準穩(wěn)壓器（1.23v），并具有完善的保護電路、電流限制、熱關斷電路等。利用該器件只需極少的外圍器件便可構(gòu)成高效穩(wěn)壓電路。提供的有：3.3V、5V、12V及可調(diào)（-ADJ）等多個電壓檔次產(chǎn)品。

1.3 尋跡模塊設計

灰度傳感器的工作原理：

利用物體不同的反光率，從而改變光敏電阻的阻值而引起其兩端電壓的變化，實現(xiàn)信號的產(chǎn)生或改變。大多作為機器人的傳感器，比如巡跡小車就是使用灰度傳感器 作為信號輸入?；叶葌鞲衅髟谘槽E小車上的應用，巡跡小車是利用跑道上綠白之間的色差實現(xiàn)灰度傳感器輸入不同的信號到單片機。

紅外傳感器的工作原理：

由于比賽要求繞過障礙物，小組成員決定選用紅外傳感器，紅外傳感器具有如下性質(zhì)與優(yōu)點：

利用紅外線的物理性質(zhì)來進行測量的傳感器。紅外線又稱紅外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性質(zhì)。任何物質(zhì)，只要它本身具有一定的溫度（高于絕對零度），都能輻射紅外線。紅外線傳感器測量時不與被測物體直接接觸，因而不存在摩擦，并且有靈敏度高，反應快等優(yōu)點。

1.4 運動模塊設計設計

根據(jù)所學知識，及生活中的經(jīng)驗，機器人主體結(jié)構(gòu)設計適合采用4舵機結(jié)構(gòu)，相對6舵機結(jié)構(gòu)重心低，行走快捷穩(wěn)健，足形狀采用交叉足。此款雙足竟步機器人選用交叉足，為了保持穩(wěn)定性。我們選擇在雙腳出安放鋁板，為了增加重量和是機器人穩(wěn)定運行。

2 軟件設計

交叉足機器人有四個自由度，采用四個舵機通過設定其角度來完成直行，左偏，右偏，轉(zhuǎn)彎等動作。

2.1 舵機的角度控制

舵機有三根線，分別是電源線、地線和信號線，電源與地之間為6V的電壓，信號線為PWM輸入來控制舵機的角度。

比如我們選擇一個單片機的引腳，通過設置定時器讓其產(chǎn)生1.5MS的高電平，然后再產(chǎn)生18.5MS的低電平的20MS的周期信號，那么舵機就會轉(zhuǎn)到90度角度了，高電平時間0.5MS到2.5MS之間不同的信號對應不同的角度。

對于如何更好的產(chǎn)生PWM信號來精確地控制的舵機旋轉(zhuǎn)的角度，這里我們采用了一種新的更加高效的方法。傳統(tǒng)的方法為在定時器中斷函數(shù)中設定變量來計時執(zhí)行函數(shù)，這樣不容易實現(xiàn)精確的時間控制，自然舵機的角度就不能實現(xiàn)精確地控制。在設計的工程中，我們利用TH0和TH1寄存器，如果系統(tǒng)的晶振為12M，那么TH0自增或者自減1就是精確的1us。

2.2 舵機的速度控制

在整個動作中，如果不對舵機的速度進行控制，那么走起來就會很抖，很不穩(wěn)定，所以有必要來對舵機的速度進行控制使之既能穩(wěn)定又能快速的完成動作目標。但是舵機本身速度不能通過硬件控制，所以只能通過軟件來進行控制。

對舵機的速度，我們采用差補法來進行控制，設定舵機的起始角度和終止角度分別為point_aim和point_now，將角度差通過分成更小的角度來完成，便可以達到減速的效果。

2.3 動作分析

機器人要完成動作分為直走，左偏，右偏，左轉(zhuǎn)彎四大動作，都是靠四個舵機的角度的轉(zhuǎn)換來完成的，我們將機器人分為上下兩部分，上面為左腰右腰，下面為左腳右腳，機器人的每個動作我們可以用動作組來完成，每行動作組就是機器人的一個狀態(tài)，以微秒為單位，那么四個舵機中值點分別是1520、1500、1460、1470，增大數(shù)值則舵機就會逆時針旋轉(zhuǎn)一個角度，反之順時針。

進行算法調(diào)整的重要性，由于每次開始左旋轉(zhuǎn)的位置方向都能保證每次都一樣，那么這樣的一個系統(tǒng)隨機性就會很大，跑偏的可能性就會很大，因此經(jīng)小組討論后決定化隨機為確定，每次轉(zhuǎn)過黑線后都會踩到黑線。調(diào)整算法需要靠A灰度傳感器來完成，抬起的角度使灰度傳感器可以檢測到黑白線，然后右腳進行右偏，使會灰度傳感器偏離黑色區(qū)域，即達到安全區(qū)域，為了避免轉(zhuǎn)出之后機身前進的方向偏左，需要進行兩側(cè)角度調(diào)整，這樣一來，每次調(diào)整的最后都會使機身朝向正前方，回到之前轉(zhuǎn)彎之前，使用角度調(diào)整從一定程度上那個提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

參考文獻

[1]聶榮等.實例解析PCB設計技巧[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006[2]競賽秘書處，電磁組競賽車模路徑檢測設計參考方案（版本1.0）.2010（01）.

[2]閻石.數(shù)字電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，1998.

作者簡介

姜云鵬（1995-），男，大學本科學歷。山東省煙臺市海陽市人。就讀于山東科技大學。研究方向為電氣工程及其自動化。

李振民（1995）男，山東省臨沂市郯城縣人，本科學歷。就讀于山東科技大學。研究方向為機械設計制造及其自動化。

作者單位

山東科技大學 山東省青島市 266590