除塵競賽機器人及其控制策略研究

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生機器人大賽除塵比賽中，除塵面積覆蓋率達到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準，歐美、日本等發(fā)達國家機器人設(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、財力進行機器人的研究和開發(fā)，非常重視機器人的教學，把機器人作為小學、中學和大學的實訓、實踐課程，大力開展國家、省和市級各種學生競賽，極大地推進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，負責對傳感器采集到的數(shù)據(jù)進行處理，根據(jù)獲得的有效信息對電機的運動進行控制。電源管理模塊主要負責為整個系統(tǒng)中各個模塊提供獨立穩(wěn)定的電源；紅外測距傳感器負責采集環(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)動板負責驅(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
紅外傳感器主要負責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入房間進行轉(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)機器人過早進行轉(zhuǎn)向，撞到墻壁的情況。紅外傳感器7傾斜45°安裝，當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。