四轮移动机器人控制系统设计与实现【关于移动机器人控制系统探索】
时间：2019-04-25 03:37:50 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘要：本文首先介绍了移动机器人的控制系统和主控芯片，并具体介绍了遥控器模块、速度控制模块、传感器模块、液晶显示模块和电源模块的硬件设计。遥控模块包括发射端和接受端的设计；速度控制模块由锁相环CD4046和电机驱动芯片KA3082组成。
关键词：控制系统；模块；功耗
中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 (2012) 06-0096-01
控制系统是移动机器人的核心部分，它的优劣决定了系统控制性能的优劣。移动机器人采用MSP430F149单片机作为主控芯片，主要包括红外遥控模块、传感器模块、电机速度控制模块、液晶显示模块、电源模块和JTAG接口共六大模块。其中传感器模块包括黑线检测、障碍物检测和金属探测。
遥控器端的发射模块PT2262通过异步串行方式发射信号，移动机器人上的接收模块PT2272接收信号，并送往单片机MSP430F149进行处理。程序通过查询方式判断相应端口的高低电平信号，以调用相应模块的程序，并通过锁相环CD4046和电机驱动芯片KA3082驱动直流电机，实现设定的运动。光电码盘以脉冲形式把移动机器人的实际运行速度反馈到锁相环比较信号的输入端和定时器A的捕获寄存器，以达到对速度的精确控制。总电源通过低压差线性稳压器MAX603和低漏电调整器TPS77133进行电平转换，以给不同模块提供电压。
目前，移动机器人普遍采用TI公司的DSP作为主控芯片，但其芯片本身及其仿真器价格偏高，不适合小规模开发。本文选用同是TI公司推出的另一种单片机MSP430F149作为控制核心。采用了JTAG技术、FLASH在线编程技术，省去了仿真器，使用自制的仿真接口即可实现在线仿真调试，具有很高的性价比。
红外遥控模块主要由PT2262发射模块和PT2272接收模块组成。PT2262和PT2272是一对带地址数据编码功能的红外遥控发射和接收集成芯片。编码器PT2262使不同的按键及按键方式唯一的对应一个码字（一个完整的码字由地址码、数据码和同步码组成）。当按下某个按键，PT2262对其进行编码并将码字由17脚传送到发射模块中，再由发射模块发射出去；接受模块接受到码字后，通过PT2272的14脚输入，PT2272把自己的地址码与码字的地址码（即PT2262的地址码）经过两次比较核对后，VT脚才输出高电平，与此同时相应的数据脚也输出高电平。
其中，按下D键后，通过按A键可以增加设定速度，按B键可以减小设定速度，速度设定完成后，按C键确认返回。设置移动机器人停止功能键的目的：当周围环境发生大的变化或移动机器人避障功能失败时，避免移动机器人与障碍物发生碰撞，对机械本体造成损坏。
遥控器的发射模块主要由4个按键、编码芯片PT2262和发射电路组成。其中TE端为编码启动端，低电平有效，使其接地（即编码一直有效）。Dout为编码输出端，输出数据信号到红外发射管。
解码芯片PT2272根据其后缀不同，输出有“暂存”和“锁存”两种状态。在此，选取“暂存”状态。对于PT2272红外接收芯片，为了调制红外载波信号，PT2272之前由一红外接收头对信号进行处理，然后经放大器放大后输入PT2272芯片，其输出端与单片机端口相连，单片机中程序通过查询的方式去检测这几个端口的高低电平情况，并根据电平信号去执行相应的功能。
PT2272的编码地址必须和PT2262的编码地址保持一致。从原理图知PT2262和PT2272的编码地址相同，其A0和A1均接地，其它六个脚悬空。
本文由16位定时器TIMER_B来产生PWM，并经CD4046锁相环芯片和KA3082驱动芯片来控制电机速度。
TIMER_B支持同时进行的多种时序控制、多个捕获/比较功能、多种波形输出，也可以是上述功能的组合。并具有中断功能，其中断可由计数器溢出引起，也可来自具有捕获或比较功能的捕获/比较寄存器。有4种定时器模式（停止模式、增计数模式、连续模式和增减计数模式）。7个相同的捕获/比较寄存器CCRX，为实时处理提供了灵活的控制手段。输出单元用于发出输出信号，每个输出单元有8种工作模式（输出模式、置位模式、PWM翻转/复位模式、PWM置位/复位模式、翻转模式、复位模式、PWM翻转/置位模式和PWM复位/置位模式）。
本文使用TIMER_B的增减计数模式，输出模式为PWM翻转/置位。PWM波形的周期是CCR0寄存器数值的2倍，其占空比大小的改变可通过调节CCR1或CCR2寄存器的数值来实现，最终可实现对电机速度的调节。
电机驱动芯片选用KA3082，可以方便的完成对电机的控制。通过调节VCTL的外部电压就可完成对速度的控制，设置VIN1和VIN2就可以控制电机正反转和制动。
锁相环选用CD4046，它是通用的CMOS锁相环集成电路，其特点是电源电压范围宽（为3V~18V），输入阻抗高，动态功耗小，在中心频率为10KHz下功耗仅为600?w，属微功耗器件。
选用CD4046锁相环芯片的主要目的是为了提高速度控制的精度。CD4046锁相环的信号输入端输入的是TIMER_B产生的PWM波，比较信号的输入端输入的是光电码盘的反馈信号，其中光电码盘以脉冲形式反馈的是移动机器人的实际速度，通过CD4046可求出两个波形的相位差，将其接到KA3082的电机速度控制端，最终可使移动机器人的实际速度和PWM波输出的速度相同，实现对速度的精确控制。
锁相环芯片CD4046输出端PH CMPR2接KA3082的电压控制端VCTL。由VIN1和VIN2来控制电机的正反转和制动。这两端与单片机引脚相连，即正反控制由单片机来完成。同时光电码盘测出左右轮转速以脉冲形式反馈到MSP430F149的TIMER_A的捕获模块，通过模糊控制算法，以使实际速度快速的达到设定速度。
[基金项目]项目来源：黑龙江省教育厅高职高专院校科研项目；项目名称：基于MSP的移动机器人控制系统的研究；项目编号：12515156
