移动机器人马达的智能控制

康雅微

（天津机电职业技术学院，天津300131）

移动机器人马达的智能控制，使机器人能够稳定、快速、平滑地行驶和精确地定位。因此，硬件与软件的选用及配合，就显得极为重要。本文介绍选用AVR AT mega 128单片机作为核心控制板、内置编码器的DC马达作为驱动、双路H桥马达驱动芯片L298作为单电源H桥电路驱动DC马达硬件，能够简化电路，功能全面稳定；软件编写采用精度为1/10的圆周、PID算法，实现闭环控制，使系统更加精确、精准。

1 机器人马达控制系统框图

（1）移动机器人马达的智能控制过程。当单片机mega 128发出信号后，由于马达之前未动，反馈信号为0，偏差信号等于单片机发出信号减去反馈信号，通过PID（比例积分微分）算法，使单片机发出信号能够快速、准确地传递给L298芯片，最终控制DC马达旋转。由于马达内置的编码器，能将旋转的方向和角度以电信号反馈给单片机mega 128，如果偏差信号为0，则说明马达旋转不能达到预设值，偏差信号越大，则离预设值越远。利用这个偏差信号，最终达到预设值，实现精确控制。

图1 机器人马达控制系统框图

（2）DC（direct current）马达。DC（direct current）马达应用广泛，由可充电电池供电，携带方便，非常适用于移动机器人。机器人DC马达实际上使用的是DC减速马达，即在DC马达上加上一个齿轮箱子，随着DC减速马达齿轮比率，来减少马达旋转速度，马达转矩增加。根据齿轮箱子，我们这里选择的是减速比为1/50、额定转矩为0.19 N·m、旋转速度为102 r/min。4个马达中只有后方的2个马达安装了磁气式增量型编码器，根据编码器的输出脉冲A相、B相的相位差，判断马达的转向：A相为计数器，检测B相的为LOW的情况，马达按照顺时针旋转；若检测B相的为HIGH的情况，马达按照逆时针旋转。当马达旋转1周时，编码器上发生13个脉冲信号，由于马达减速比为1/50，所以马达旋转1周时发生650次脉冲，则马达旋转数为Z/650。

（3）利用独立电源控制DC马达的正反转，H桥型电路是必要的。L298内置2路H桥型驱动马达电路，最大电源电压为46 V，能够驱动2组DC马达，每一组可流过2 A的电流。当2组被连接到一排时，能流过的电流高达4 A，机器人4个马达中同侧的2个使用1个L298 H桥型芯片，4个马达共需2个芯片即可。

图2 减速比为1/50马达特性

（4）单片机mega 128中16位定时器/计数器实现PWM（Pulse Width Modulation）脉冲宽度调制。脉冲宽度传输信号的变化，取决于PWM调制方法（保持脉冲的周期不变，只改变高低电平之比），用来控制马达的电压，进而控制马达转速。

图3 PWM调制方式

2 软件优化

（1）PID（比例积分微分）控制机器人车轮速度保持固定。

操作控制量=KP×误差+Ki×误差累积值+Kd×与旋转误差的差。

其中，KP，Ki，Kd分别为比例、积分时间、微分时间常数。

根据系统响应曲线可得：合理的比例项能实现减少上升时间，使车轮尽快达到目标旋转速度；积分项使得超调量很小，即误差在最小；微分项是在比例项减少上升时间的同时，也减小过冲，并减小趋稳时间。通常控制有PI、PD和PID。以下两条语句分别是PID控制右轮和左轮转速的指令。

（2）马达旋转周数的细化。马达旋转一周时发生650个脉冲，若要马达继续旋转，只能按650整数倍，即旋转周数为整数。这样车轮走过的距离，为车轮圆周的整数倍，显然若想让车轮的距离更短，就有些困难了。这里通过软件编程可以实现1/10圆周的距离。原程序为goal_cnt*=650；修改后的一部分程序为：

3 调试

使用Atmel公司的AVR Studio集成开发环境，通过新建工程建立一个文件并输入源程序，选择所用单片机型号及其频率和优化参数，编译无误后，在线串口下载到“机器人”中。安装好机器人电池，即可根据已下载好的指令稳定运行，精确定位。

4 结束语

移动机器人马达的智能控制，不仅需要以ATmega 128为核心的合理硬件架构，更需要软件方面相得益彰的配合，这样才能发挥其最大的功能。

[1]梅丽凤.单片机原理及接口技术[M].北京：清华大学出版社，2006.

[2]李 军.51系列单片机高级实例开发指南[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.

[3]金钟夫.AVR ATmega128单片机C程序设计与实践[M].北京：北京航空航天大学出社，2007.