导购机器人控制系统电路设计 —电路图天天读（49）

　　随着科学技术发展和人民生活水平提高，机器人已经开始进入了人们的生活中。这个时代的来临，出现了各种新型机器人，如清扫机器人、安防机器人。移动机器人的最重要的部分之一：导航系统，更加引起机器人领域的关注。机器人导航系统对许多机器人应用领域至关重要如：智能仓库，超市导购，家用机器人，自动化图书馆，智能医院等。比较普遍的是寻线机器人。实际设计中发现：因为受到固定线的限制，这种体系并不能实现真正意义上的全方位的自主运行。另外，这种方法受到光的影响很大，不能实际的应用与生活中。线在地表也会影响地面美观。在经过充分的文献查找和思考后提出了一种新的机器人导航系统，把RFID，地磁感应，DSP等技术融合。进行了实际的系统硬软件设计和稳定性测试。

　　系统主板与传感模块

　　关于电源，系统采用12V锂电池供电，采用三端正电压调节器调节电压。内部集成功率保护。输出电流可以达到1A。输入耐压可以到达30V。提供充电接口，通过开关进行控制，电路板上留有接口，可以对锂电池进行充电。定位装置采用射频技术。从信息传递的基本原理来说，射频识别技术在低频段基于变压器耦合模型，在高频段基于雷达探测目标的空间耦合模型（雷达发射电磁波信号碰到目标后携带目标信息返回雷达接收机）。最基本的RFID系统由三部分组成：标签、阅读器、天线。按作用距离可分为密耦合卡（作用距离小于1厘米）、近耦合卡（作用距离小于15 厘米）、疏耦合卡（作用距离约1米）和远距离卡（作用距离从1米到10米，甚至更远）。本系统采用近耦合卡。射频模块与2812的SCIA口进行通讯。通过对数据流进行解码，判断机器人的位置。

　　接着是红外避障模块。一般机器人的避障可以采用红外反射的方法，这在机器人比赛中比较普遍。GPIO控制红外线的发射，然后如果遇到障碍物会反射回来，接收管子收到光线后引起电阻变化，检测其电阻变化就可以判断是否有障碍物了。但是这种方法容易受到光噪声的干扰。所以距离比较近，一般只能达到2-3cm。本人在多次比赛中，经过查资料和研究，提出了一种使用标准高频信号38KHZ的红外线进行障碍的探测的电路。因为使用高频信号和高频运放，有了一定的抗干扰能力，同时探测的距离的最大提高到8cm。首先，通过555发射红外线。接着，信号通过红外接收管后经过隔直电容，送入高频运放LM318N。然后，经过50倍的放大。

　　图 1 555发射电路

　　图 2 频率识别电路

　　图 3 检测放大电路

　　LM567是锁相环电路， 8脚双列直插封装。第5、6脚外接的电阻和电容决定了内部压控振荡器的中心频率。1、2脚通常分别通过一个电容器接地，产生输出滤波网络和环路单级低通滤波网络。2脚接的电容决定锁相环路的捕捉带宽：电容值越大，环路带宽越窄。压控振荡器的中心频率和滤波带宽可由式决定。

　　 （4） （其中Vi为输入电压）

　　然后是电子罗盘模块。CMPS03 电子罗盘是平面角度传感器。通过检测当前传感器与地球磁场直接的角度，电子罗盘可以获得分辨率为0.1度的绝对旋转角度。这个电子罗盘模块是专门为机器人而制造，目的为了给机器人提供合适的方向导航信号。对于任何方向，都可以生成独一无二的编码。该传感器使用PHILIPS的KMZ51地磁感应芯片，其精度很高。有两种输出方式，第一种：I2C方式，由Pin2（SCL）和Pin3（SDA）输出。Pin7和Pin5必须悬空。Pin6用来进行校正。这些管脚都接到主板上，由于模块是5V供电，而DSP是3.3V所以还需要用74LVC245进行电平转换。通过2812的GPIOB通过Pin6对系统进行校正。校正只需要做一次，因为数据会保存在电子罗盘中的PIC单片机的EEPROM。第6脚有一个上拉电阻。进行校正只需要通过GPIO给Pin6一个负相脉冲，而且因为有上拉电阻，所以，此管脚与系统断开也是可以的。

　　最后是系统的驱动模块的设计。采用L298芯片。比较常见的是15脚MulTIwatt封装的 L298N，内部同样包含4通道逻辑驱动电路。L298内含的功率输出器件设计制作在一块石英基片上，由于制作工艺的同一性，因而具有分立元件组合电路不可比拟的性能参数一致性，工作稳定。15脚是输出电流反馈引脚，其它与L293相同。在通常使用中这两个引脚也可以直接接地。它是高电压的，高电流的双全桥驱动芯片。可以直接接受标准的TTL逻辑电平。可以驱动各种负载如电机，继电器等。有两个使能输入，通过它控制PWM波的有效性。L298集成有两个能量输出块A，B。另外，我们设计的板子上加有续流二极管。　　

　　本文采用了无线射频识别技术、红外线距离传感技术和地磁感应电子罗盘相结合的方法，设计出了一种基于DSP控制的信息融合的自主移动的机器人的导航与控制系统。并且在设计的过程中根据实际情况的需要，对传统的红外避障传感器进行了一些改进，同时，对信息融合状态下的DSP系统的驱动架购设计，作出了一些研究和论述。给出了小型机器人的运动控制的驱动电路的设计。最后，对这种架构下的自行设计出来的机器人，在超级市场中进行了实际的稳定性测试。

　　随着人工成本的不断升高，用机器人代替人力去做一些重复性的高强度的劳动是现代机器人研究的一个重要方向。搬运机器人在导航寻迹中，需要后轮驱动电机和前轮舵机的协调工作。搬运机器人电机驱动有其特殊的应用要求，对电机的动态性能要求较高，能在任意时刻到达控制需要的指定位置并且使舵机停止在任意角度；电机驱动的转矩变化范围大，既有空载平整路面行使的高速度、低转矩工作环境，也有满负载爬坡的运行工况，同时还要求保持较高的运行效率。根据以上的技术要求，本文选用了控制技术成熟，易于平滑调速的直流电机作为搬运机器人的执行饥构。

　　功率驱动的设计

　　电机的供电电源是由24V的蓄电池提供，额定功率为240W，由4个75N75组成桥式电路来实现。75N75是MOSFET功率管，其最高耐压75V，最高耐流75A，电机驱动电路如图2所示。

　　Q1、Q4和Q2、Q3分别组成两个桥路，分别控制电机的正转和反转。高端驱动的MOS管导通时源极电压和漏极电压相同且都等于供电电乐VCC，所以要实现MOS管正常的驱动，栅极电压要比VCC大，这就需要专门的升压芯片IR2103。控制器产生的PWM信号输入HIN引脚，控制器I／O口输出的 EN1、EN2作为使能信号。输出端HO就可得到比VCC要高的电压，且高出的电压值正好是充在电容两端的电压。二极管提高导通速度，使得75N75的导通电阻更小，降低了开关管的损失。同时IR2103的两个输出口HO、LO具有互锁功能，防止由于软件或硬件错误造成的电机上下桥臂直通造成短路。

　　过流保护的设计

　　在电机控制系统中安装过流保护有两方面的意义：一是防止在电机正常运行时，电机出现超载或堵转而使得电枢绕组电流过大损害电机甚至引发火灾；另一方面是由于电机肩动时启动电流很大，往往不能直接启动，既需要等励磁绕组逐渐建立磁场后再正常运行，又希望电机以尽量快的速度肩动起来。有了过流保护对电流进行斩波，可以使电机安全快速地启动。过流保护原理图如图3所示。

　　电机的相电流通过康铜丝转换成电压信号Vtext，经过运算放大器放大后的模拟量AD1送至控制器A／D转换模块，同时将经过电压比较器比较后的数字量EVA送至控制器的外部中断口。针对搬运机器人的前轮转向舵机和后轮驱动电机的控制要求，采用以Cortex-M3为内核的STM32F107作为主控制器，采用嵌入实时操作系统μC／OS-II，将程序分成启动任务、电机转速控制任务、舵机控制任务等相对独立的多个任务，并设定了各任务的优先级。该系统能较好地实现搬运机器人的运动控制。