摘要：采用嵌入式微處理器、傳感器和直流電機控制技術(shù)，設(shè)計基于16位高性能微處理器MSP430的除塵競賽機器人。MSP4130F5418微處理器通過紅外傳感器和電子指南針分別獲得障礙物和角度信息，進(jìn)行處理后控制機器人的避障和轉(zhuǎn)向，通過各模塊的協(xié)同工作使機器人順利完成除塵任務(wù)。在第四屆江蘇省大學(xué)生機器人大賽除塵比賽中，除塵面積覆蓋率達(dá)到80％以上，并取得一等獎，表明該除塵競賽機器人具有成本低、可靠性高的特點，達(dá)到了設(shè)計要求。
關(guān)鍵詞：MSP430 F5418；紅外傳感器；電子指南針；控制策略；除塵競賽機器人

    目前機器人的發(fā)展已經(jīng)成為衡量各個國家科技力量的重要標(biāo)準(zhǔn)，歐美、日本等發(fā)達(dá)國家機器人設(shè)計已日趨成熟，種類繁多、功能強大。我國也投入了大量的人、財力進(jìn)行機器人的研究和開發(fā)，非常重視機器人的教學(xué)，把機器人作為小學(xué)、中學(xué)和大學(xué)的實訓(xùn)、實踐課程，大力開展國家、省和市級各種學(xué)生競賽，極大地推進(jìn)了機器人在我國的普及，為機器人的研究打下了堅實的基礎(chǔ)。
    競賽機器人的設(shè)計出現(xiàn)了百花齊放的景象，結(jié)構(gòu)上有人形機器人、輪式機器人、足式機器人和履帶機器人等；完成任務(wù)上有服務(wù)機器人、滅火機器人、除塵機器人、游景點機器人等。針對不同的任務(wù)，具有各自的特點，除塵競賽機器人的主要性能指標(biāo)是除塵面積的覆蓋率及完成的時間。本文采用16位微處理器MSP430F5418微控制器，設(shè)計輪式機器人，通過四路直流電機控制機器人的避障和運動，完成競賽任務(wù)。

1 總體結(jié)構(gòu)
    由于除塵競賽機器人完成的任務(wù)較單一，并對其體積的大小有嚴(yán)格的規(guī)定，所以機器人的設(shè)計應(yīng)盡量簡潔實用，避免不必要的冗余設(shè)計。為此，本文采用模塊化方法設(shè)計除塵競賽機器人，可根據(jù)實際需要靈活地增加模塊、完善系統(tǒng)，完成規(guī)定的任務(wù)；系統(tǒng)主要由主控制板、電源管理模塊、紅外測距模塊、電子指南針及電機控制板等組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    主控制器采用16位微控制器MSP430F5418，因該器件具有較高的運算速度、豐富的外圍接口以及低廉的價格而廣泛地被使用，負(fù)責(zé)對傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)獲得的有效信息對電機的運動進(jìn)行控制。電源管理模塊主要負(fù)責(zé)為整個系統(tǒng)中各個模塊提供獨立穩(wěn)定的電源；紅外測距傳感器負(fù)責(zé)采集環(huán)境的障礙物信息，為機器人的避障提供依據(jù)；電子指南針獲得角度信息來控制機器人的轉(zhuǎn)向；電機驅(qū)動板負(fù)責(zé)驅(qū)動控制直流電機。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)
    系統(tǒng)主要有主控制板、電源管理模塊、紅外測距模塊、電子指南針及電機控制板等組成，紅外測距和電子指南針模塊是系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵。
2．1 紅外測距傳感器
    紅外傳感器主要負(fù)責(zé)測量機器人與障礙物之間的距離，為了可靠獲得場地及環(huán)境信息，紅外測距傳感器的位置部署很關(guān)鍵，7個傳感器部署的俯視圖側(cè)視圖分別如圖2和圖3所示。

    圖2左端為除塵機器人頭部，機器人頭部安裝紅外傳感器1、2、3，它們分別呈45°、90°、135°放置，用來探測機器人頭部正前方以及兩側(cè)的障礙物，由于除塵競賽機器人大賽場地的平臺高度比較低，為了能夠檢測平臺的周邊，傳感器1、2、3安裝在較低的位置。機器人兩側(cè)的紅外傳感器4、5用來保證機器人在進(jìn)入房間進(jìn)行轉(zhuǎn)向時整個車身處于寬闊地帶，如果僅靠紅外傳感器1或3，判斷前方的空白區(qū)域可能會出現(xiàn)機器人過早進(jìn)行轉(zhuǎn)向，撞到墻壁的情況。紅外傳感器7傾斜45°安裝，當(dāng)機器人在平臺上運行時可以通過檢測平臺邊緣高度的突變來感知路況。紅外傳感器6用來獲得機器人后方的信息作為輔助信息。
2．2 電子指南針
    電子指南針是除塵機器人設(shè)計的關(guān)鍵部件，角度信息的處理直接關(guān)系到能否對機器人的轉(zhuǎn)向進(jìn)行精確控制。電子指南針的設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖4所示。

    HMC1022作為新一代磁傳感器，具有靈敏度高(<0．1°)、響應(yīng)時間快(<1μs)、輸出頻率高(1 000 Hz)、體積小及固態(tài)封裝等優(yōu)點，電路中IRF7105為HMC1022磁阻芯片提供置位／復(fù)位脈沖，HMC1022磁阻傳感器根據(jù)地磁場的施加方向，產(chǎn)生兩路差分模擬信號，經(jīng)過兩路AD620放大電路進(jìn)行差分放大，得到兩路模擬電壓AD0和AD1，經(jīng)過微控制器LPC938的10位高精度A／D轉(zhuǎn)換后獲得數(shù)字信號，再進(jìn)行數(shù)字濾波后計算出機器人的角度值，最后將其角度值通過UART串口傳送給MSP430F5418主控制器。UART串口協(xié)議由起始字(0x24)，角度值高8位，角度值低8為，結(jié)束同步字(0x55)組成。

3 軟件設(shè)計
    軟件是機器人系統(tǒng)的靈魂，軟件的好壞直接關(guān)系到機器人能否穩(wěn)定的工作，除塵競賽軟件的設(shè)計要充分考慮到場地的具體環(huán)境，采取有效地路徑規(guī)劃。江蘇省機器人大賽除塵比賽的場地模型如圖5所示。

3．1 路徑規(guī)劃
    為了使機器人的遍歷面積達(dá)到最大化，要對其運行路徑進(jìn)行合理的規(guī)劃。為此，將場地劃分為圖中的4個房間，機器人的運行路徑為1->2->3->4->3->1。機器人運行策略的流程如圖6所示。

    機器人的運行流程可以分為6個步驟：
    1)機器人在1號房間內(nèi)進(jìn)行折返式遍歷，從起點出發(fā)向圖中左方前進(jìn)，遇到擋板180°返回，如此反復(fù)，直到檢測到2號房間門口的黑線為止，這樣可以確保1號房間的遍歷面積達(dá)到最大。
    2)機器人進(jìn)入2號房間后，以圓柱型障礙物為中心，逆時針方向運行一圈即可達(dá)到最大遍歷面積。
    3)機器人從2號房間出來進(jìn)入3號房間時，由于4號房間是凸出的平臺，可以直接沿4號房間和斜坡的邊沿運行，進(jìn)入4號房間，3號房間剩余的面積可以在返回時進(jìn)行遍歷。
    4)由于4號房間是平臺，且必須遍歷平臺的三分之一以上的面積，4號房間的遍歷面積才有效，所以機器人在平臺上遍歷兩圈，首先，機器人沿著墻壁和平臺邊沿在平臺上進(jìn)行外圈的遍歷，然后在第二次遇到相應(yīng)的墻壁和平臺邊沿時，進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮笸耍M(jìn)行內(nèi)圈的遍歷達(dá)到較大的遍歷面積。
    5)機器人從平臺下來以后再次進(jìn)入房間3，可以根據(jù)墻壁和障礙物的信息，對步驟3中剩下的面積進(jìn)行遍歷。
    6)采用沿墻走策略安全回到起始點。
3．2 轉(zhuǎn)角控制
    電子指南針為機器人的運行提供角度信息，在實際應(yīng)用中，除塵機器人轉(zhuǎn)動的角度有45°、90°、180°三種大角度。電子指南針模塊輸出0°～360°的角度信息，考慮到競賽場地方向的不確定性，通常采用相對角度而非絕對值。即采用獲取當(dāng)前的角度值，然后預(yù)設(shè)要轉(zhuǎn)過的角度，對采集到的角度信息進(jìn)行查詢比較，當(dāng)?shù)竭_(dá)或超過預(yù)設(shè)角度時就停止轉(zhuǎn)角工作，進(jìn)入下一步的任務(wù)。在調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)機器人在轉(zhuǎn)角的過程中會出現(xiàn)連續(xù)打轉(zhuǎn)的非正常情況。經(jīng)過分析研究發(fā)現(xiàn)，主要原因是信息獲取的抖動以及環(huán)境的影響，為此，將具體的預(yù)設(shè)角度擴展為一個范圍，一般情況下機器人轉(zhuǎn)動一定角度的原理如圖7所示。將具體的預(yù)設(shè)角度擴展為一個范圍又引入了新的問題，這是預(yù)設(shè)角度范圍存在從360°到0°突變，也就是經(jīng)過360°(0°)的臨界點造成的，預(yù)設(shè)角跨越臨界角度示意圖如圖8所示。

    角度控制的流程分為以下4個步驟，控制算法實現(xiàn)的程序框圖如圖9所示。

    1)循環(huán)獲取起始角度信息，當(dāng)前后兩次獲取信息絕相差小于5°時，得到穩(wěn)定的起始角度值start_angle。
    2)根據(jù)當(dāng)前的角度值start_angle和需要旋轉(zhuǎn)的角度值，計算得到預(yù)設(shè)的角度值set_value。
    為了避免預(yù)設(shè)角度值在獲取時被錯過的情況發(fā)生，可以在預(yù)設(shè)角度值的基礎(chǔ)上進(jìn)行5°的增幅，獲得預(yù)設(shè)角度范圍angle_little-angle_ big，當(dāng)angle_little<angle_big說明角度范圍沒有經(jīng)過360°-0°度的突變，否則角度范圍存在突變。
    3)當(dāng)angle_little<angle_big時，機器人的預(yù)設(shè)角度范圍如圖7中①，因為機器人根據(jù)相應(yīng)的方向設(shè)定進(jìn)行旋轉(zhuǎn)時，存在越過360°～0°的突變，所以又將除預(yù)設(shè)范圍外的部分分別化為②和③，在程序中將當(dāng)前的角度值保存為result。
    當(dāng)機器人順時針旋轉(zhuǎn)時，滿足以下一個條件即可判斷為機器人達(dá)到預(yù)設(shè)角度值：
    a)當(dāng)前角度值result在預(yù)設(shè)角度范圍內(nèi)。
    b)當(dāng)機器人的起始位置start_angle在圖7中區(qū)域②中，而當(dāng)前位置result在在圖中7區(qū)域③中。
    c)當(dāng)機器人的起始位置start_angle在圖7中區(qū)域③中時，而當(dāng)前位置result>angle_little并且result<start_angle。
    當(dāng)機器人逆時針旋轉(zhuǎn)時。滿足以下其中一個條件即可判斷為機器人達(dá)到預(yù)設(shè)角度值：
    a)當(dāng)前角度值result在預(yù)設(shè)角度范圍內(nèi)。
    b)當(dāng)機器人的起始位置start_angle在圖7區(qū)域②中，而當(dāng)前位置result<angle_little并且result>start_angle。
    c)當(dāng)機器人的起始位置start_angle在圖7區(qū)域③中時，而當(dāng)前位置result在圖7區(qū)域②。
    4)當(dāng)angle_little<angle_big時，機器人的角度預(yù)設(shè)范圍經(jīng)過360°-0°的突變值，為了區(qū)別變化，如圖8要將預(yù)設(shè)區(qū)間分為①和②兩個區(qū)間進(jìn)行考慮，將剩余的區(qū)域化為③。然后機器人根據(jù)相應(yīng)的方向設(shè)定進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，并將當(dāng)前的角度值保存為result。
    當(dāng)機器人順時針旋轉(zhuǎn)時滿足以下其中一個條件即可判斷為機器人達(dá)到預(yù)設(shè)角度值：
    a)當(dāng)前角度值result在圖8區(qū)域①或區(qū)域②其中一個預(yù)設(shè)角度范圍內(nèi)。
    b)當(dāng)機器人的起始位置start_angle在圖8區(qū)域③中，而result>angle_big并且result<start_angle。
    當(dāng)機器人逆時針旋轉(zhuǎn)時滿足以下其中一個條件即可判斷為機器人達(dá)到預(yù)設(shè)角度值：
    a)當(dāng)前角度值result在圖8區(qū)域①或區(qū)域②其中一個預(yù)設(shè)角度范圍內(nèi)。
    b)當(dāng)機器人的起始位置start_angle在圖8區(qū)域③中，而result<angle_little并且result>start_angle。

4 結(jié)束語
    將該控制策略用于控制機器人轉(zhuǎn)角，可靠性和穩(wěn)定性得到了極大的提高，成功率可達(dá)到100％，完全可以滿足競賽的要求。在此基礎(chǔ)上設(shè)計的除塵競賽機器人具有成本低、可靠性高的特點，在第四屆江蘇省機器人大賽除塵比賽中，除塵面積覆蓋率達(dá)到80％以上，并取得一等獎。