基于ATmega128单片机的机器人路径规划控制器的硬件设计[1].pdf

1、 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/基 于 ATm ega128单 片 机 的 机 器 人 路 径规 划 控 制 器 的 硬 件 设 计丁 易 新(安 徽 工 业 大 学 电 气 信 息 学 院 ,安 徽 省 马 鞍 山 市 243002)摘 要 :以 ATmage128单 片 机 为 核 心 ,提 出 了 一 种 基 于 模 糊 控 制 的 移 动 机 器 人 路 径 控 制 的 设 计 思路 ,搭 建 了 一 个 基 于 人 机 监 督 指 导 的

2、 移 动 机 器 人 智 能 避 障 系 统 。 系 统 预 先 设 定 目 标 ,移 动 机 器 人 通 过超 声 波 测 物 避 障 ,自 主 移 动 到 达 目 标 。 给 出 了 控 制 系 统 硬 件 设 计 方 案 ,并 对 系 统 的 显 示 电 路 、 超 声 波测 距 电 路 、 电 机 驱 动 电 路 、 无 线 通 信 电 路 等 硬 件 模 块 接 口 电 路 作 出 了 简 要 描 述 。 该 系 统 各 功 能 模 块化 ,电 路 简 单 ,易 于 调 试 ,便 于 其 他 功 能 的 扩 展 ,具 有 较 好 的 工 程 实 用 价 值 。关 键 词 :机 器 人

3、 ;路 径 规 划 ; ATmega128; L298N; nRF903中 图 分 类 号 : TP242. 6收 稿 日 期 : 2008206202; 修 回 日 期 : 2008207211。0 引 言智 能 移 动 机 器 人 是 一 类 能 够 通 过 传 感 器 感 知 环 境和 自 身 状 态 ,实 现 在 有 障 碍 物 的 环 境 中 向 目 标 的 自 主运 动 ,从 而 完 成 一 定 作 业 功 能 的 机 器 人 系 统 1 。 路 径规 划 是 按 照 某 一 性 能 指 标 搜 索 一 条 从 起 始 状 态 到 目 标状 态 的 最 优 或 近 似 最 优 的

4、无 碰 撞 路 径 。 基 于 实 时 传 感信 息 的 模 糊 逻 辑 算 法 参 考 人 的 驾 驶 经 验 ,通 过 查 表 得到 规 划 信 息 ,实 现 局 部 路 径 规 划 。 模 糊 逻 辑 法 223 将 模糊 控 制 本 身 所 具 有 的 鲁 棒 性 与 基 于 生 理 学 上 的 “ 感知 动 作 ” 行 为 结 合 起 来 ,为 移 动 机 器 人 在 未 知 环境 中 导 航 提 出 了 一 种 新 思 路 。ATmega128单 片 机 是 美 国 A tmel公 司 生 产 的 基 于AVR R ISC的 低 功 耗 8位 单 片 机 ,实 现 了 在 一 个

5、时 钟周 期 内 执 行 1条 指 令 (可 以 访 问 2个 独 立 寄 存 器 ) 4 。ATmega128单 片 机 具 有 以 下 特 点 : 128 kB 的 Flash存储 器 , 4 kB的 EEPROM , 4 kB的 SRAM , 32个 通 用 寄 存器 , 53个 通 用 I/O接 口 , 4个 带 比 较 模 式 灵 活 的 定 时器 /计 数 器 , 2个 USART接 口 , 8通 道 单 端 或 差 分 输 入的 10位 A /D 转 换 器 , 1个 SP I接 口 , 1个 兼 容 IEEE1149. 1标 准 的 JTAG接 口 (用 于 在 线 仿 真 调

6、 试 和 程 序下 载 )。1 系 统 功 能 和 结 构本 文 以 ATmega128单 片 机 为 核 心 设 计 移 动 机 器人 路 径 规 划 模 糊 控 制 系 统 。 在 本 系 统 中 , ATmega128单 片 机 在 自 动 运 行 模 式 下 对 超 声 波 测 得 的 信 息 进 行 处理 ,并 根 据 目 标 值 进 行 模 糊 控 制 ,产 生 两 路 PWM信 号控 制 机 器 人 的 两 个 前 轮 直 流 电 机 ;在 设 定 模 式 下 ,通 过小 键 盘 和 液 晶 显 示 电 路 实 现 人 机 对 话 、 设 定 目 标 值 等信 息 ;系 统 还

7、可 以 通 过 无 线 通 信 与 PC机 端 口 的 无 线模 块 进 行 通 信 ,由 PC机 设 定 目 标 值 信 息 ,或 由 PC机实 时 控 制 机 器 人 运 动 。系 统 的 硬 件 结 构 框 图 如 图 1所 示 。图 1 系 统 硬 件 框 图2 系 统 硬 件 设 计2. 1 键 盘 与 液 晶 显 示 电 路系 统 的 人 机 接 口 共 使 用 1个 开 关 、 4个 按 键 。 开关 为 设 置 状 态 开 关 ,“ 1” 为 机 器 人 自 动 运 行 ,“ 0” 为 设置 机 器 人 目 标 值 。 4个 按 键 分 别 为 :菜 单 上 翻 、 菜 单 下

8、翻 、 数 值 增 加 、 数 值 减 少 。液 晶 显 示 模 块 选 用 广 州 铜 铧 电 子 公 司 生 产 的 液 晶显 示 模 块 TC1602AT ( S) R。 该 模 块 分 2行 显 示 ,每 行16个 字 符 ,内 设 显 示 RAM。 以 显 示 英 文 和 数 字 为 主要 工 作 方 式 ,也 可 定 义 字 符 库 显 示 中 文 。 这 里 直 接 用单 片 机 I/O口 驱 动 液 晶 显 示 模 块 。 TC1602AT( S) R液晶 显 示 模 块 可 选 8位 数 据 总 线 和 4位 数 据 总 线 两 种 工作 方 式 ,这 里 为 节 约 I/O

9、口 资 源 选 择 4位 数 据 总 线 ,加控 制 接 口 共 占 用 7个 I/O接 口 。84第 35卷 第 1期2009年 1月 信 息 化 研 究Informatization Research Vol. 35 No. 1Jan. 2009 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/键 盘 与 液 晶 显 示 电 路 如 图 2所 示 。图 2 键 盘 与 液 晶 显 示 电 路2. 2 超 声 波 测 距 电 路机 器 人 系 统 共 采 用 5组

10、 超 声 波 传 感 器 感 知 环 境 信息 , 5组 超 声 波 传 感 器 分 别 安 装 于 机 器 人 的 左 方 、 左 前方 、 前 方 、 右 前 方 、 右 方 5个 方 向 。 超 声 波 探 测 原 理 比较 简 单 5 ,一 般 是 采 用 时 差 法 。 即 通 过 检 测 发 射 的 超声 波 与 其 遇 到 障 碍 物 后 产 生 回 波 之 间 的 时 间 差 t,求出 障 碍 物 的 距 离 d。 计 算 公 式 为 : d = c t / 2 ;其 中c = 331. 4 1 + T /273为 超 声 波 波 速 , T为 环 境 摄 氏温 度 。 有 实

11、 验 表 明 :使 用 40 kHz的 超 声 波 ,发 射 脉 冲群 含 有 10 20个 脉 冲 ,具 有 良 好 的 传 播 性 能 6 。超 声 波 测 距 电 路 由 超 声 波 发 射 电 路 和 超 声 波 接 收电 路 两 部 分 构 成 。 超 声 波 发 射 电 路 包 含 激 励 信 号 发 生电 路 、 缓 冲 升 压 放 大 和 超 声 波 换 能 器 等 环 节 。 AT2mega128发 出 40 kHz的 10个 脉 冲 ,再 经 电 感 、 电 容 耦合 升 压 电 路 产 生 幅 度 达 60 V的 瞬 间 高 能 激 励 信 号 ,激发 换 能 器 产 生

12、 超 声 波 信 号 。 超 声 波 接 收 电 路 包 含 接 收换 能 器 、 放 大 滤 波 、 整 形 触 发 等 环 节 。 由 于 超 声 波 在 传播 中 其 能 量 会 随 传 输 距 离 的 增 大 而 减 小 ,从 远 距 离 障碍 物 反 射 的 回 波 信 号 一 般 比 较 弱 (为 mV级 ) ,所 以 需要 经 过 多 级 信 号 放 大 处 理 。 超 声 波 测 距 与 电 机 驱 动 控制 电 路 如 图 3所 示 。图 3 超 声 波 测 距 与 电 机 驱 动 控 制 电 路2. 3 电 机 驱 动 及 速 度 反 馈 电 路系 统 选 用 电 机 驱

13、动 芯 片 L298N完 成 机 器 人 系 统的 速 度 控 制 。 L298N主 要 功 能 是 驱 动 机 器 人 的 两 个 前轮 电 机 ,通 过 改 变 两 个 车 轮 的 转 速 差 调 节 行 驶 方 向 。L298N是 SGS公 司 的 产 品 ,内 部 包 含 2个 H桥 的 高 电压 大 电 流 桥 式 驱 动 器 ,接 收 标 准 TTL逻 辑 电 平 信 号 ,可 驱 动 46 V、 2 A 以 下 的 电 机 7 。 这 里 采 用 AT2mage128的 16位 定 时 /计 数 器 1来 产 生 两 路 PWM信号 ,分 别 接 L298N的 ENA和 ENB,

14、用 于 控 制 两 个 电 机的 起 停 、 转 向 、 速 度 。 采 用 测 速 电 机 测 速 ,电 机 转 速 信号 送 至 ATmage128的 PF0 (ADC0)和 PF1 (ADC1)口 ,构 成 速 度 闭 环 。2. 4 无 线 通 信 电 路机 器 人 系 统 选 用 蓝 牙 芯 片 nRF903 8 实 现 PC与机 器 人 系 统 的 无 线 通 信 。 nRF903是 NORD IC公 司 推出 的 三 频 段 收 发 合 一 的 芯 片 ,工 作 频 率 为 国 际 通 用 的ISM频 段 433 /868 /915 MHz;采 用 GFSK调 制 ,抗 干 扰能

15、 力 强 ,频 率 稳 定 性 极 好 ,接 收 灵 敏 度 高 ,功 耗 小 ,接 收待 机 状 态 仅 为 1 A ,具 有 多 个 频 道 ,外 围 元 件 少 (仅10个 ) ,基 本 无 需 调 试 。 ATmegal128与 nRF903接 口如 图 4所 示 。图 4 ATm ega128与 nRF903接 口引 脚 TXEN、 STBY和 PWR _DWN负 责 nRF903接收 模 式 、 发 射 模 式 、 掉 电 模 式 和 标 准 模 式 的 切 换 9 。引 脚 CS、 CFG_CLK和 CFG_DATA组 成 的 串 行 接 口 实94第 35卷 第 1期 丁 易

16、新 :基 于 ATmega128单 片 机 的 机 器 人 路 径 规 划 控 制 器 的 硬 件 设 计 研 究 与 设 计 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/现 对 频 段 、 通 道 、 输 出 功 率 和 输 出 时 钟 频 率 的 配 置 ,它们 均 为 SP I接 口 ,故 可 与 ATmega128的 SP I口 直 接 连接 。 nRF903的 发 射 和 接 收 共 用 一 个 引 脚 ,不 能 同 时 发射 和 接 收 数 据 ,只

17、 能 进 行 半 双 工 通 信 ,故 需 加 一 个10 k 的 电 阻 ,实 现 其 阻 抗 匹 配 和 隔 离 。 在 需 要 通 信时 , ATmega128可 以 根 据 C_SENSE来 判 断 nRF903的工 作 情 况 。 当 未 收 到 载 波 信 号 时 , C_SENSE输 出 电 压为 “ 0” ,说 明 通 信 对 方 没 有 发 送 数 据 ;当 C _SENSE为“ 1” 时 ,说 明 通 信 对 方 可 能 在 发 送 数 据 ,单 片 机 需 要 进行 接 受 处 理 。3 结 束 语本 文 讨 论 了 基 于 ATmage128单 片 机 的 移 动 机

18、器人 路 径 控 制 的 设 计 方 案 ,移 动 机 器 人 根 据 超 声 波 传 感器 感 知 周 围 环 境 ,采 用 模 糊 控 制 进 行 路 径 规 划 ,从 而 进行 机 器 人 自 主 移 动 到 达 预 先 设 定 的 目 标 。 本 文 对 系 统硬 件 的 各 个 模 块 接 口 进 行 了 简 要 描 述 。 该 系 统 电 路 简单 、 成 本 低 廉 、 实 时 控 制 性 能 好 ,而 且 系 统 各 功 能 模 块化 ,易 于 调 试 ,便 于 其 他 功 能 的 扩 展 。参 考 文 献 1 戴 博 , 肖 晓 明 , 蔡 自 兴 . 移 动 机 器 人 路

19、 径 规 划 技 术 的 研 究现 状 与 展 望 J . 控 制 工 程 , 2005, 12 (3) : 1982202. 2 XU W L, TSO S K. Real2time self2reaction of a mobile robotin unstructured environments using fuzzy reasoning J . Engi2neering App lications of A rtificial Intelligence, 1996, 9 ( 5 ) :4752485. 3 XU W L, TSO S K. Sensor2based fuzzy rea

20、ctive navigation ofa mobile robot through local target switching J . IEEE Trans2actions on System s, Man, and Cybernetics, 1999, 29 ( 3 ) :4512459. 4 马 潮 . 高 档 8位 单 片 机 ATmega128原 理 与 开 发 应 用 指 南(上 ) M . 北 京 : 北 京 航 空 航 天 大 学 出 版 社 , 2004. 5 罗 本 成 , 原 魁 , 刘 晋 东 , 等 . 机 器 人 多 路 超 声 波 环 境 探 测器 的 研 制 J

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23、tion,Anhui University of Technology, Ma anshan 243002, China)Abstract: This paper exp lains a design concep t of fuzzy controller based mobile path p lanning based onATmega128 MCU. This system could set the route in advance. The mobile robot can avoid obstacle with thehelp of ultrasonic sensor, arri

24、ve the destination through fuzzy control of mobile robot path p lanning. The con2cep t of the system hardware is discussed. This paper p resents also the interfaces of LCD , ultrasonic sensor,motor drive and wireless communication. The modularized circuit is easy to debug and is to expand its func2tion.Keywords: robot; path p lanning; ATmega128; L298N; nRF90305 研 究 与 设 计 信 息 化 研 究 2009年 1月