康之訥

摘要：本文主要對(duì)單片機(jī)的六足機(jī)器人自動(dòng)避障控制系統(tǒng)展開分析，首先簡(jiǎn)單的介紹了當(dāng)前使用最頻繁的避障控制算法，然后提出了機(jī)器人自動(dòng)避障控制系統(tǒng)的方案，最后結(jié)合實(shí)際提出了機(jī)器人自動(dòng)避障控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，希望能夠?yàn)槲覈?guó)其它方面的智能機(jī)器人研究提供幫助。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī);自動(dòng)避障;控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）12-0013-02

0 前言

在實(shí)際生活中，人們需要在各式各樣不同的環(huán)境中展開工作的，特別是對(duì)于一些較為特殊的行業(yè)，其整體的工作環(huán)境非常惡劣，只有稍微不注意就將會(huì)對(duì)人類的生命安全造成威脅。所以，為了保證特殊行業(yè)工作人員自身的安全，這些崗位就需要利用機(jī)器人來(lái)替代，這樣才能保證人類身體的健康。通過(guò)與傳統(tǒng)的輪式機(jī)器人、履帶式機(jī)器人相比可以看到，六足機(jī)器人似乎更適合在這樣惡劣、復(fù)雜的環(huán)境中工作，如地質(zhì)勘察、搶險(xiǎn)等一些高危工作。當(dāng)前我國(guó)所使用的六足機(jī)器人主要是利用舵機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)作的，然后通過(guò)避障控制算法來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障，但由于所使用的算法精度不高，所以在某些情況下還是無(wú)法讓機(jī)器人成功避開障礙，這就需要相關(guān)人員不斷的進(jìn)行改革與創(chuàng)新才能解決。

1 避障控制算法篩選

這里所提到的避障算法是指，通過(guò)合理計(jì)算讓機(jī)器人能夠正確的躲避障礙，即從最佳的角度入手考慮，這樣才能保證設(shè)計(jì)的科學(xué)性。從六足機(jī)器人的避障行走角度來(lái)看，相關(guān)人員在展開工作時(shí)可以分為三個(gè)階段來(lái)進(jìn)行，具體步驟如下：第一，當(dāng)機(jī)器人在行走時(shí)發(fā)現(xiàn)障礙物之后，相關(guān)人員就可以對(duì)轉(zhuǎn)角控制系統(tǒng)下達(dá)相應(yīng)指令，這時(shí)機(jī)器人就會(huì)自動(dòng)進(jìn)行轉(zhuǎn)角改變，從而起到避障功能[1]。不難看出，該設(shè)計(jì)階段的的目的是非常明確的，即躲避障礙物，因?yàn)槎啾４娴木嚯x信息是相同的，所以機(jī)器人裝上障礙物的幾率會(huì)非常小，所以相關(guān)人員在進(jìn)行障礙物運(yùn)算時(shí)，其只要選擇適合的避障路線，其就能讓機(jī)器人自動(dòng)避開障礙物。

第二，當(dāng)其成功避開障礙物之后就會(huì)進(jìn)入到一個(gè)調(diào)整階段。這一階段的設(shè)計(jì)目的也是非常清晰的，即調(diào)整機(jī)器人的行走方向，換句話說(shuō)，相關(guān)人員不僅要保證機(jī)器人能成功避開障礙物，而且還要降低其行走路線偏離等情況發(fā)生。第三，需要讓機(jī)器人重新回到正確的行走路線上，但這也需要進(jìn)行精準(zhǔn)的計(jì)算才能實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)如今可以使用的避障控制算法有很多，如模糊控制法、數(shù)字PID算法等等，其中的模糊算法自身的優(yōu)勢(shì)會(huì)比較強(qiáng)烈一些，并且還具備一定程度的抗干擾能力。所以相關(guān)人員要提升控制算法自身的價(jià)值，其就需要使用51單片機(jī)來(lái)進(jìn)行，因?yàn)樵摷夹g(shù)相比其它會(huì)更完善一些，并且使用成本也非常低，即在市場(chǎng)上也非常容易獲得[2]。

2 基于單片機(jī)的六足機(jī)器人自動(dòng)避障控制方案的制定

眾所周知，六足機(jī)器人中一種有6個(gè)足，然后各個(gè)足中也都會(huì)設(shè)置有3個(gè)關(guān)節(jié)，其中的舵機(jī)就是安裝在某與足的關(guān)節(jié)中，然后通過(guò)驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，從而保證機(jī)器人的正常運(yùn)作。因?yàn)闀?huì)在各個(gè)足中安設(shè)置有舵機(jī)，所以相關(guān)人員通過(guò)對(duì)舵機(jī)的控制，其就能讓機(jī)器人的每個(gè)足端都保持在可控范圍內(nèi)，即讓機(jī)器人的操作變得更加靈活。在進(jìn)行步態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，相關(guān)人員要保證機(jī)器人是以三角步態(tài)進(jìn)行行走的，即在行走過(guò)程中的右前足、左中足、右后足是起到支撐的作用，而剩余的則主要起到調(diào)整步伐的效果，通過(guò)兩組足的合理運(yùn)動(dòng)閩，其就能保證機(jī)器人的穩(wěn)定行走。需要注意的是，該機(jī)器人在進(jìn)行轉(zhuǎn)彎時(shí)是可以通過(guò)兩種方式來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)彎的，即公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)，當(dāng)機(jī)器人在進(jìn)行自轉(zhuǎn)時(shí)，第一組的足就會(huì)起到支撐在作用，然后第二組的足就會(huì)順著某一方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，待完成轉(zhuǎn)彎后落于地面，其便也起到支撐作用，然后開始重復(fù)上述動(dòng)作，但這時(shí)需要保證旋轉(zhuǎn)方法的統(tǒng)一，也只有這樣才能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自轉(zhuǎn)。

從大致上來(lái)看，機(jī)器人的公轉(zhuǎn)動(dòng)作與自轉(zhuǎn)動(dòng)作是沒有什么太大差異，唯一的區(qū)別在于機(jī)器人在進(jìn)行公轉(zhuǎn)動(dòng)作時(shí)，其左側(cè)和右側(cè)的足在邁步距離上會(huì)不統(tǒng)一。從機(jī)器人的自動(dòng)避障動(dòng)作來(lái)看，它主要是利用舵機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的，而舵機(jī)的最大旋轉(zhuǎn)角度為180度，工作電壓則需要保持在3.6-6V中，也只有這樣才能為機(jī)器人提供相應(yīng)的電力需求，從而提高機(jī)器人自身的性能[3]。我們都知道舵機(jī)角度是利用脈沖寬度調(diào)制信號(hào)來(lái)進(jìn)行控制的，而周期間隔需要保持在20ms，高電平時(shí)間線與舵機(jī)中的時(shí)間線應(yīng)保持在90度的相對(duì)應(yīng)，這樣才能實(shí)現(xiàn)六足機(jī)器人的正常行走，提升機(jī)器人自身的性能。

3 基于單片機(jī)的六足機(jī)器人自動(dòng)避障控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

3.1 電路設(shè)計(jì)

相關(guān)人員在進(jìn)行機(jī)器人自動(dòng)避障控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，該控制系統(tǒng)主要是通過(guò)模塊化的設(shè)計(jì)方法來(lái)對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)的，即在實(shí)際的電路系統(tǒng)中主要是以51單片機(jī)來(lái)當(dāng)成是最小系統(tǒng)。其次，該機(jī)器人中一共設(shè)計(jì)有18個(gè)舵機(jī)之多，并且每個(gè)舵機(jī)中還會(huì)安裝有兩節(jié)電池，該電池的作用是為了保證舵機(jī)電壓的穩(wěn)定，即讓其電壓能夠保持在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)方范圍內(nèi)，并為其中的9路舵機(jī)提供電源，從而保證控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行[4]。其次，相關(guān)人員在進(jìn)行機(jī)器人電路設(shè)計(jì)時(shí)，其中的51單片機(jī)需要擴(kuò)展到18各接口，這些接口的作用是為了能與舵機(jī)中的信號(hào)線進(jìn)行連接，當(dāng)前，其中的無(wú)線遙控模式、紅外線避障傳感器等也包含在內(nèi)。而在該自動(dòng)避障控制系統(tǒng)中，串口通信模塊是PL2303，然后與串口的TXD或者是RXD進(jìn)行連接，這也能很大程度的提高系統(tǒng)的使用性能。

3.2 舵機(jī)控制算法的設(shè)計(jì)

從六足機(jī)器人的自動(dòng)避障控制系統(tǒng)來(lái)看，之所以能夠?qū)Χ鏅C(jī)進(jìn)行控制其主要是通過(guò)相應(yīng)的控制算法來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以相關(guān)人員一定要盡可能的保證算法準(zhǔn)確，因?yàn)檫@會(huì)直接影響到機(jī)器人自動(dòng)避障的能力。在實(shí)際的控制過(guò)程中，除了需要保證自身周期的20ms之外，其還需要在信號(hào)線中加入大約0.5-2.5ms時(shí)延的高電平，并且電壓需要控制在5V，剩余時(shí)間便只要保持低電平即可。需要注意的是，合理的對(duì)高電平進(jìn)行控制與調(diào)節(jié)不僅能保證整體的使用效果，而且還能更高效的控制舵機(jī)角度。其次，該機(jī)器人的自動(dòng)避障控制系統(tǒng)主要是利用51單片機(jī)來(lái)制作的，外部使用的是晶振體，從這里可以看出，其控制系統(tǒng)對(duì)舵機(jī)的控制精度可以高至0.1度，這一結(jié)果可以說(shuō)是非常理想的。

相關(guān)人員在利用控制系統(tǒng)中的定時(shí)器來(lái)對(duì)舵機(jī)信號(hào)進(jìn)行生成時(shí)，其可以采用以下兩種方法來(lái)進(jìn)行：第一，對(duì)舵機(jī)中的高電平時(shí)間進(jìn)行排序，這是當(dāng)機(jī)器人的某一舵機(jī)周期開始時(shí)，其中的PWM信號(hào)電平也會(huì)有所提高。而單片機(jī)在定時(shí)器中斷之后會(huì)將高電平的最長(zhǎng)時(shí)間與第二長(zhǎng)時(shí)間的差距進(jìn)行設(shè)置，這時(shí)的最大電平就會(huì)被拉低，從而保證該差距能保持在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)[5]。第二，把舵機(jī)周期的20ms按照8個(gè)時(shí)間段進(jìn)行劃分，即保證每個(gè)時(shí)間段都保持在2.5ms，并需要包含有舵機(jī)的高電平信號(hào)，然后在根據(jù)數(shù)據(jù)之間的差來(lái)對(duì)定時(shí)器進(jìn)行以此賦值即可。

從理論的角度來(lái)看，第一個(gè)方法可以的控制過(guò)程會(huì)比較靈活一些，但隨著舵機(jī)數(shù)量的增加，在排序之后相鄰位置的舵機(jī)也會(huì)因此減少，這就會(huì)導(dǎo)致定時(shí)器中斷時(shí)間的下降，從而加大誤差。所以相關(guān)人員在使用該方法時(shí)，其一定要在保證精度的前提下對(duì)舵機(jī)信號(hào)進(jìn)行生成，這樣才能保證最終的質(zhì)量。第二個(gè)方法是需要把20ms劃分為8個(gè)時(shí)間段，這就預(yù)示著只能對(duì)一定數(shù)量的舵機(jī)進(jìn)行控制，但該方法的精度卻可以保證，所以要想實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的控制，相關(guān)人員就需要把上述方法結(jié)合到一起使用，這樣才能滿足舵機(jī)精度的要求。

3.3 模塊設(shè)計(jì)

從單片機(jī)的六足機(jī)器人自動(dòng)避障控制系統(tǒng)中來(lái)看，這主要是利用模塊化的設(shè)計(jì)模式來(lái)實(shí)現(xiàn)的，即在實(shí)際的控制系統(tǒng)中可以劃分為4個(gè)模塊，即數(shù)據(jù)接收模塊、無(wú)線遙控模塊、避障模塊與串口通信模塊。具體的模塊設(shè)計(jì)內(nèi)容如下：第一，避障模塊。這一部分需要使用到兩個(gè)光電式傳感器，即主要安裝在機(jī)器人的左前方和右前方，其次相關(guān)人員還需要在傳感器中設(shè)置3個(gè)引腳，當(dāng)然不同的引腳所產(chǎn)生的效果也是完全不相同的，但當(dāng)機(jī)器人在遇到障礙時(shí)，其引腳就會(huì)自動(dòng)生成低電平。該模塊主要是通過(guò)51單片來(lái)對(duì)所有連接口進(jìn)行判定，目的是為了能更準(zhǔn)確的分析六足機(jī)器人的前方是否有障礙物，然后根據(jù)結(jié)果來(lái)選擇避障的方法。第二，無(wú)線遙控模塊。這一模塊也可以看成是MX-J05V點(diǎn)動(dòng)模式，即整體的操作都是利用遙控器來(lái)進(jìn)行控制的，一般都會(huì)在遙控器中設(shè)計(jì)4個(gè)按鈕，當(dāng)遙控器的按鈕被啟動(dòng)時(shí)，其相應(yīng)口的數(shù)據(jù)就會(huì)變成高電平[6]。第三，串口通信模塊。在該模塊設(shè)計(jì)中有RS232接口，此接口可以將COM端口中的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)變，從而讓其成為電平，然后在利用51單片機(jī)對(duì)PC機(jī)中的控制命令進(jìn)行傳達(dá)。第四，數(shù)據(jù)接收模塊。這是需要利用串口通信來(lái)作為基礎(chǔ)才能實(shí)現(xiàn)的，即實(shí)現(xiàn)51單片機(jī)與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸，在運(yùn)作過(guò)程中，上位機(jī)會(huì)把信息傳輸?shù)较挛粰C(jī)中，而下位機(jī)則會(huì)保存下該數(shù)據(jù)，然后在接收到終止符時(shí)就會(huì)對(duì)儲(chǔ)存信息進(jìn)行處理，最后發(fā)生反應(yīng)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文主要針對(duì)單片機(jī)的六足機(jī)器人自動(dòng)避障控制系統(tǒng)來(lái)展開研究，在基于單片機(jī)的六足機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用3×6法來(lái)對(duì)航機(jī)進(jìn)行控制，這主要是為了保證PWM信號(hào)自身的強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)18個(gè)航機(jī)的同時(shí)控制。其次，通過(guò)對(duì)上位機(jī)的三大模式近設(shè)計(jì)，其可以是滿足航機(jī)多樣化的控制需求，即讓六足機(jī)器人能在自動(dòng)避障中實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的動(dòng)作。需要注意的是，在進(jìn)行系統(tǒng)控制時(shí)，相關(guān)人員一定要利用單片機(jī)來(lái)保證各端口功能的穩(wěn)定，也只有這樣才能為其它類型的機(jī)器人研發(fā)提供參考，從而保證各項(xiàng)工作的順利開展，保證我國(guó)機(jī)器人領(lǐng)域的進(jìn)步。

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On Automatic Obstacle Avoidance Control System of Hexapod robot Based on Single Chip Microcomputer

KANG Zhi-ne

（Wuhan University of Science and Technology City College， Wuhan Hubei? 430081）

Abstract：This paper mainly analyzes the automatic obstacle avoidance control system of hexapod robot of single-chip microcomputer. Firstly， it introduces the most frequently used obstacle avoidance control algorithm， and then proposes the scheme of robot automatic obstacle avoidance control system. Finally， it puts forward the combination with the actual situation. The design method of the robot automatic obstacle avoidance control system hopes to provide assistance for other aspects of intelligent robot research in China.

Key words：single chip microcomputer; automatic obstacle avoidance; control system