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(guò)紅外傳感器和電子指南針?lè )謩e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向，通過(guò)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(diǎn)，達到了設計要求。
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(gè)國家科技力量的重要標準，歐美、日本等發(fā)達國家機器人設計已日趨成熟，種類(lèi)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(kāi)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(shí)訓、實(shí)踐課程，大力開(kāi)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(shí)的基礎。
競賽機器人的設計出現了百花齊放的景象，結構上有人形機器人、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(diǎn)機器人等。針對不同的任務(wù)，具有各自的特點(diǎn)，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(shí)間。本文采用16位微處理器MSP430F5418微控制器，設計輪式機器人，通過(guò)四路直流電機控制機器人的避障和運動(dòng)，完成競賽任務(wù)。

1 總體結構
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定，所以機器人的設計應盡量簡(jiǎn)潔實(shí)用，避免不必要的冗余設計。為此，本文采用模塊化方法設計除塵競賽機器人，可根據實(shí)際需要靈活地增加模塊、完善系統，完成規定的任務(wù)；系統主要由主控制板、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，其系統結構如圖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(jià)格而廣泛地被使用，負責對傳感器采集到的數據進(jìn)行處理，根據獲得的有效信息對電機的運動(dòng)進(jìn)行控制。電源管理模塊主要負責為整個(gè)系統中各個(gè)模塊提供獨立穩定的電源；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；電子指南針獲得角度信息來(lái)控制機器人的轉向；電機驅動(dòng)板負責驅動(dòng)控制直流電機。

2 系統實(shí)現
系統主要有主控制板、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實(shí)現的關(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(chǎng)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(gè)傳感器部署的俯視圖側視圖分別如圖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(lái)探測機器人頭部正前方以及兩側的障礙物，由于除塵競賽機器人大賽場(chǎng)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。機器人兩側的紅外傳感器4、5用來(lái)保證機器人在進(jìn)入房間進(jìn)行轉向時(shí)整個(gè)車(chē)身處于寬闊地帶，如果僅靠紅外傳感器1或3，判斷前方的空白區域可能會(huì )出現機器人過(guò)早進(jìn)行轉向，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(shí)可以通過(guò)檢測平臺邊緣高度的突變來(lái)感知路況。紅外傳感器6用來(lái)獲得機器人后方的信息作為輔助信息。