论文部分内容阅读
摘 要 本文以嵌入式单片机MC9S12XS128为中心控制器的设计了一款双足直立行走机器人，机器人可以无偏差的直线行走，并可检测特殊标志进行动作表演。实际效果表明该机器人具备准确、快速行进、性能稳定的特点。
关键词 飞思卡尔单片机；双足机器人；舵机；传感器
中图分类号：TP2 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2015）04-0028-02
机器人技术的发展水平是一个国家科技水平和工业发展水平的一个重要标志[1]。机器人技术是多学科发展的共同结晶，是现代科技的发展重点，当前机器人技术正朝着智能多样化方向发展[2]。机器人一般由硬件机构、驱动装置和控制系统等组成[3]。本文介绍了一种基于飞思卡尔16位单片机MC9S12XS128的双足直立行走机器人的设计方案。经过不断的系统优化设计， 该系统性能稳定，实现了循迹行驶、翻跟斗等系列高难度动作。
1 整体设计
机器人系统是一个闭环或半闭环的控制系统。首先要由传感器采集不同外界信号，然后根据采集信息计算机器人的位移和角度并输出到控制单元，确定机器人保持直线行走，并到达指定位置后根据传感器信息进行翻跟斗、转圈动作，最后直线走到终点顺利完成任务。
如图1所示，机器人主要由飞思卡尔单片机MC9S12XS128芯片模块、电源管理、激光传感器检测部分、Xtrinsic MAG3110磁力传感器纠正、舵机驱动等单元构成。采用7.2V1600mAh锂电池给系统供电，MAG3110磁力传感器检测地磁信号，送到单片机中，判断出地磁方位并比较初次采入值，进行位置偏移调整。单片机接收到激光传感器的信息，执行完成翻跟斗、转圈动作。
图1 系统模块图
2 硬件设计
2.1 机器人
机器人由6个舵机组成，分为两组，左右各三个分别组成两条腿。中部顶部舵机可前后活动90度，便于机器人卧倒及翻跟斗动作。单片机及相关机器电路安装在顶部，便于控制。机器人安装前首先将机器人舵机调整角度，组装好后，通电保持机器人竖直站立。
2.2 单片机模块
单片机主控模块MC9S12XS128最小系统板，由MC9S12XS128芯片、16M无源时钟晶振、辅以复位电路、BDM调试接口调控等构成。具备片上纠错能力，具有在线编程能力和保密机制[4]，该型单片机具有很高的集成度，芯片上集成了很多功能模块，如串行通讯接口模块、USB 接口部分、A/D转换器、PWM控制单元和CAN总线协议等。众多的I/O口资源又是MC9S12系列单片机的特色特点，方便于外围开发使用[5]。我们正是运用了单片机的这些特色设计设计了双足机器人系统。
2.3 电源模块
电源模块是机器人各大控制模块的稳定能源保证。由于机器人运动耗电量大，我们采用了7.2V1300mA的锂电池进行供电。对于各模块如果采用单电源供电，电路比较简单， 但由于舵机额定电压是6V，若电源直接接舵机会损害舵机寿命，而且PWM驱动的舵机会通电瞬间造成电流波动导致电源电压波动不稳，使单片机和传感器模块工作电压波动，甚至导致信号错误传输，因此采用多电源分部供电方案。将舵机驱动电源与单片机及传感器电源完全隔离开来，舵机部分通过LM2596稳压后用6 V电压供电，单片机和传感器通过LM2940稳压到5 V工作电压给控制电路供电。在单片机传感器控制部分和电机驱动部分采用光电藕合器连接，以免通过电源部分引入对控制系统干扰，能够完全避免脉冲波对舵机正常运行的影响，大大提高了系统稳定性和可靠性。
2.4 舵机模块
舵机模块是机器人的动力来源，舵机由MC9S12XS128单片机内部PWM模块直接驱动MG996R舵机。舵机的控制信号为周期是20ms的脉宽调制（PWM）信号，其中脉冲宽度从1ms-2ms（如图2），相对应舵盘的位置为0-180度，呈线性变化。舵盘直接与内部的反馈电位计相连，根据电位计位置的变化，使输入控制转向的脉冲信号与舵盘旋转角度保持一定的比值。我们采用了6个舵机控制机器人，由于PWM通道只有8个，所以采用8位的PWM输出通道控制舵机。
图2 脉宽示意图
2.5 激光检测模块
激光传感器用来探测路面上的信息，区别黑色路面标志，便于在黑色路面区进行翻跟斗、转圈动作。激光传感器的构造应用原理是利用发射管发射特定频率和波长的激光，经过路面不同反射不同波段光信号，经由接收管接收光信号。由于地面的不同反射的光频率波段也是不同的，所以接收管接收到的光强度就会产生差异，导致接收管接收的信号不同程度的变化，进而使接收管两端的输出电阻产生了变化[6]。所以，我们通过分压的方式来改变接收管的两端获取到不同的电压，经过转换变为电信号识别区分开不同颜色路面。接收管原理如图3所示。
图3 接收管原理图
2.6 磁力检测模块
磁力模块Xtrinsic MAG3110元件包括一具磁场感测零件。我们利用它检测所处地域的地磁场，根据元件初次采入的信息，发送给单片机，使其记录数据，机器人行驶时，地磁模块检测实地磁场与初次采入值比对，采用大小步混合法保持机器人运动直线行驶。
3 软件程序设计
机器人软件程序使用C语言编写而成，采用模块化设计思想，以主程序为核心，设计了单片机初始化、地磁传感器测磁控向、串口收发、激光检测处理、舵机驱动等模块。
3.1 机器人行进
系统进入工作状态时，主函数首先进行系统初始化，机器人上电整体准备开始运作。机器人行采用地磁传感器检测，地磁传感器首先检测多次，发送模拟量数值给单片机由单片机将原始十六进制转变成十进制，取平均值结果记入单片机寄存器。地磁传感器在机器人行驶时不断进行地磁检测，检测值送入单片机对比初始值，若检测到地磁偏差时，采用左右脚进行大小步调节，从而保证行进处于直线，使机器人能沿直线到达终点。 3.2 翻跟斗、转圈动作
机器人行进过程中，激光传感器对前方是否有黑色路面进行检测，采用高低电平输出传送信号给单片机。单片机收到高电平后，机器人一条腿靠拢，顶部两个舵机向前摆动90度，成鞠躬姿势，中间膝部舵机向前摆90度，机器人卧倒。机器人顶部一个舵机恢复90度，膝部舵机摆动180度，顶部舵机再转动90度，脚落下，直至两条腿完成后。膝部两个舵机同时后转90度，再次呈鞠躬姿势，顶部舵机转动，保持直立姿势。
机器人转圈利用地面与脚板摩擦转圈，一只脚前迈落地后，再猛回收，转动一定角度，如此循环转动180度。地磁传感器检测，再次行走直至终点。
4 结束语
本文设计了一款基于飞思卡尔单片机MC9S12XS128的小型双足机器人系统，机器人共6个自由度，它能够自主完成直立行走、翻跟斗、转圈等众多表演。除此之外，本系统为双足机器人的教学和研究有重大意义，为人形机器人的探索和运动规律研究提供了模板。对课程教学研究有着重大应用实践意义
基金项目
国家级大学生创新创业训练计划项目（201410448036）。
参考文献
[1]金周英.关于我国智能机器人发展的几点思考[J].机器人技术与应用，2001（4）：5-7.
[2]Thang N Nguyen， Harry E S tephanou.Intelligent Robot Prehension[M].USA： Kluw er Academic Publishers，1993.
[3]汉中，冯雪梅.人形机器人技术的发展与现状[J].机械工程师，2006，19（4）：133-134.
[4]MC9S12XS256 Reference Manual Rev 1.09 Freescale Semi-Conductor Inc.2009.
[5]孙同景，陈桂友.Freescale 9S12 十六位单片机原理及嵌入式开发技术[M].北京：机械工业出版，2008.
[6]夏斌，郭树满，等.基于飞思卡尔单片机的光电智能小车设计[J].华北水利水电大学学报.
作者简介
翟文鹏（1993-），男，汉族，山东淄博人，德州学院，大学本科在读。
关键词 飞思卡尔单片机；双足机器人；舵机；传感器
中图分类号：TP2 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2015）04-0028-02
机器人技术的发展水平是一个国家科技水平和工业发展水平的一个重要标志[1]。机器人技术是多学科发展的共同结晶，是现代科技的发展重点，当前机器人技术正朝着智能多样化方向发展[2]。机器人一般由硬件机构、驱动装置和控制系统等组成[3]。本文介绍了一种基于飞思卡尔16位单片机MC9S12XS128的双足直立行走机器人的设计方案。经过不断的系统优化设计， 该系统性能稳定，实现了循迹行驶、翻跟斗等系列高难度动作。
1 整体设计
机器人系统是一个闭环或半闭环的控制系统。首先要由传感器采集不同外界信号，然后根据采集信息计算机器人的位移和角度并输出到控制单元，确定机器人保持直线行走，并到达指定位置后根据传感器信息进行翻跟斗、转圈动作，最后直线走到终点顺利完成任务。
如图1所示，机器人主要由飞思卡尔单片机MC9S12XS128芯片模块、电源管理、激光传感器检测部分、Xtrinsic MAG3110磁力传感器纠正、舵机驱动等单元构成。采用7.2V1600mAh锂电池给系统供电，MAG3110磁力传感器检测地磁信号，送到单片机中，判断出地磁方位并比较初次采入值，进行位置偏移调整。单片机接收到激光传感器的信息，执行完成翻跟斗、转圈动作。
图1 系统模块图
2 硬件设计
2.1 机器人
机器人由6个舵机组成，分为两组，左右各三个分别组成两条腿。中部顶部舵机可前后活动90度，便于机器人卧倒及翻跟斗动作。单片机及相关机器电路安装在顶部，便于控制。机器人安装前首先将机器人舵机调整角度，组装好后，通电保持机器人竖直站立。
2.2 单片机模块
单片机主控模块MC9S12XS128最小系统板，由MC9S12XS128芯片、16M无源时钟晶振、辅以复位电路、BDM调试接口调控等构成。具备片上纠错能力，具有在线编程能力和保密机制[4]，该型单片机具有很高的集成度，芯片上集成了很多功能模块，如串行通讯接口模块、USB 接口部分、A/D转换器、PWM控制单元和CAN总线协议等。众多的I/O口资源又是MC9S12系列单片机的特色特点，方便于外围开发使用[5]。我们正是运用了单片机的这些特色设计设计了双足机器人系统。
2.3 电源模块
电源模块是机器人各大控制模块的稳定能源保证。由于机器人运动耗电量大，我们采用了7.2V1300mA的锂电池进行供电。对于各模块如果采用单电源供电，电路比较简单， 但由于舵机额定电压是6V，若电源直接接舵机会损害舵机寿命，而且PWM驱动的舵机会通电瞬间造成电流波动导致电源电压波动不稳，使单片机和传感器模块工作电压波动，甚至导致信号错误传输，因此采用多电源分部供电方案。将舵机驱动电源与单片机及传感器电源完全隔离开来，舵机部分通过LM2596稳压后用6 V电压供电，单片机和传感器通过LM2940稳压到5 V工作电压给控制电路供电。在单片机传感器控制部分和电机驱动部分采用光电藕合器连接，以免通过电源部分引入对控制系统干扰，能够完全避免脉冲波对舵机正常运行的影响，大大提高了系统稳定性和可靠性。
2.4 舵机模块
舵机模块是机器人的动力来源，舵机由MC9S12XS128单片机内部PWM模块直接驱动MG996R舵机。舵机的控制信号为周期是20ms的脉宽调制（PWM）信号，其中脉冲宽度从1ms-2ms（如图2），相对应舵盘的位置为0-180度，呈线性变化。舵盘直接与内部的反馈电位计相连，根据电位计位置的变化，使输入控制转向的脉冲信号与舵盘旋转角度保持一定的比值。我们采用了6个舵机控制机器人，由于PWM通道只有8个，所以采用8位的PWM输出通道控制舵机。
图2 脉宽示意图
2.5 激光检测模块
激光传感器用来探测路面上的信息，区别黑色路面标志，便于在黑色路面区进行翻跟斗、转圈动作。激光传感器的构造应用原理是利用发射管发射特定频率和波长的激光，经过路面不同反射不同波段光信号，经由接收管接收光信号。由于地面的不同反射的光频率波段也是不同的，所以接收管接收到的光强度就会产生差异，导致接收管接收的信号不同程度的变化，进而使接收管两端的输出电阻产生了变化[6]。所以，我们通过分压的方式来改变接收管的两端获取到不同的电压，经过转换变为电信号识别区分开不同颜色路面。接收管原理如图3所示。
图3 接收管原理图
2.6 磁力检测模块
磁力模块Xtrinsic MAG3110元件包括一具磁场感测零件。我们利用它检测所处地域的地磁场，根据元件初次采入的信息，发送给单片机，使其记录数据，机器人行驶时，地磁模块检测实地磁场与初次采入值比对，采用大小步混合法保持机器人运动直线行驶。
3 软件程序设计
机器人软件程序使用C语言编写而成，采用模块化设计思想，以主程序为核心，设计了单片机初始化、地磁传感器测磁控向、串口收发、激光检测处理、舵机驱动等模块。
3.1 机器人行进
系统进入工作状态时，主函数首先进行系统初始化，机器人上电整体准备开始运作。机器人行采用地磁传感器检测，地磁传感器首先检测多次，发送模拟量数值给单片机由单片机将原始十六进制转变成十进制，取平均值结果记入单片机寄存器。地磁传感器在机器人行驶时不断进行地磁检测，检测值送入单片机对比初始值，若检测到地磁偏差时，采用左右脚进行大小步调节，从而保证行进处于直线，使机器人能沿直线到达终点。 3.2 翻跟斗、转圈动作
机器人行进过程中，激光传感器对前方是否有黑色路面进行检测，采用高低电平输出传送信号给单片机。单片机收到高电平后，机器人一条腿靠拢，顶部两个舵机向前摆动90度，成鞠躬姿势，中间膝部舵机向前摆90度，机器人卧倒。机器人顶部一个舵机恢复90度，膝部舵机摆动180度，顶部舵机再转动90度，脚落下，直至两条腿完成后。膝部两个舵机同时后转90度，再次呈鞠躬姿势，顶部舵机转动，保持直立姿势。
机器人转圈利用地面与脚板摩擦转圈，一只脚前迈落地后，再猛回收，转动一定角度，如此循环转动180度。地磁传感器检测，再次行走直至终点。
4 结束语
本文设计了一款基于飞思卡尔单片机MC9S12XS128的小型双足机器人系统，机器人共6个自由度，它能够自主完成直立行走、翻跟斗、转圈等众多表演。除此之外，本系统为双足机器人的教学和研究有重大意义，为人形机器人的探索和运动规律研究提供了模板。对课程教学研究有着重大应用实践意义
基金项目
国家级大学生创新创业训练计划项目（201410448036）。
参考文献
[1]金周英.关于我国智能机器人发展的几点思考[J].机器人技术与应用，2001（4）：5-7.
[2]Thang N Nguyen， Harry E S tephanou.Intelligent Robot Prehension[M].USA： Kluw er Academic Publishers，1993.
[3]汉中，冯雪梅.人形机器人技术的发展与现状[J].机械工程师，2006，19（4）：133-134.
[4]MC9S12XS256 Reference Manual Rev 1.09 Freescale Semi-Conductor Inc.2009.
[5]孙同景，陈桂友.Freescale 9S12 十六位单片机原理及嵌入式开发技术[M].北京：机械工业出版，2008.
[6]夏斌，郭树满，等.基于飞思卡尔单片机的光电智能小车设计[J].华北水利水电大学学报.
作者简介
翟文鹏（1993-），男，汉族，山东淄博人，德州学院，大学本科在读。