论基于单片机的六足机器人自动避障控制系统

康之讷

摘要：本文主要对单片机的六足机器人自动避障控制系统展开分析，首先简单的介绍了当前使用最频繁的避障控制算法，然后提出了机器人自动避障控制系统的方案，最后结合实际提出了机器人自动避障控制系统的设计方法，希望能够为我国其它方面的智能机器人研究提供帮助。

关键词：单片机;自动避障;控制系统

中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）12-0013-02

0 前言

在实际生活中，人们需要在各式各样不同的环境中展开工作的，特别是对于一些较为特殊的行业，其整体的工作环境非常恶劣，只有稍微不注意就将会对人类的生命安全造成威胁。所以，为了保证特殊行业工作人员自身的安全，这些岗位就需要利用机器人来替代，这样才能保证人类身体的健康。通过与传统的轮式机器人、履带式机器人相比可以看到，六足机器人似乎更适合在这样恶劣、复杂的环境中工作，如地质勘察、抢险等一些高危工作。当前我国所使用的六足机器人主要是利用舵机来实现运作的，然后通过避障控制算法来实现自动避障，但由于所使用的算法精度不高，所以在某些情况下还是无法让机器人成功避开障碍，这就需要相关人员不断的进行改革与创新才能解决。

1 避障控制算法筛选

这里所提到的避障算法是指，通过合理计算让机器人能够正确的躲避障碍，即从最佳的角度入手考虑，这样才能保证设计的科学性。從六足机器人的避障行走角度来看，相关人员在展开工作时可以分为三个阶段来进行，具体步骤如下：第一，当机器人在行走时发现障碍物之后，相关人员就可以对转角控制系统下达相应指令，这时机器人就会自动进行转角改变，从而起到避障功能[1]。不难看出，该设计阶段的的目的是非常明确的，即躲避障碍物，因为多保存的距离信息是相同的，所以机器人装上障碍物的几率会非常小，所以相关人员在进行障碍物运算时，其只要选择适合的避障路线，其就能让机器人自动避开障碍物。

第二，当其成功避开障碍物之后就会进入到一个调整阶段。这一阶段的设计目的也是非常清晰的，即调整机器人的行走方向，换句话说，相关人员不仅要保证机器人能成功避开障碍物，而且还要降低其行走路线偏离等情况发生。第三，需要让机器人重新回到正确的行走路线上，但这也需要进行精准的计算才能实现。现如今可以使用的避障控制算法有很多，如模糊控制法、数字PID算法等等，其中的模糊算法自身的优势会比较强烈一些，并且还具备一定程度的抗干扰能力。所以相关人员要提升控制算法自身的价值，其就需要使用51单片机来进行，因为该技术相比其它会更完善一些，并且使用成本也非常低，即在市场上也非常容易获得[2]。

2 基于单片机的六足机器人自动避障控制方案的制定

众所周知，六足机器人中一种有6个足，然后各个足中也都会设置有3个关节，其中的舵机就是安装在某与足的关节中，然后通过驱动来实现关节的运动，从而保证机器人的正常运作。因为会在各个足中安设置有舵机，所以相关人员通过对舵机的控制，其就能让机器人的每个足端都保持在可控范围内，即让机器人的操作变得更加灵活。在进行步态设计时，相关人员要保证机器人是以三角步态进行行走的，即在行走过程中的右前足、左中足、右后足是起到支撑的作用，而剩余的则主要起到调整步伐的效果，通过两组足的合理运动闽，其就能保证机器人的稳定行走。需要注意的是，该机器人在进行转弯时是可以通过两种方式来进行转弯的，即公转与自转，当机器人在进行自转时，第一组的足就会起到支撑在作用，然后第二组的足就会顺着某一方向进行旋转，待完成转弯后落于地面，其便也起到支撑作用，然后开始重复上述动作，但这时需要保证旋转方法的统一，也只有这样才能实现机器人的自转。

从大致上来看，机器人的公转动作与自转动作是没有什么太大差异，唯一的区别在于机器人在进行公转动作时，其左侧和右侧的足在迈步距离上会不统一。从机器人的自动避障动作来看，它主要是利用舵机来实现关节运动的，而舵机的最大旋转角度为180度，工作电压则需要保持在3.6-6V中，也只有这样才能为机器人提供相应的电力需求，从而提高机器人自身的性能[3]。我们都知道舵机角度是利用脉冲宽度调制信号来进行控制的，而周期间隔需要保持在20ms，高电平时间线与舵机中的时间线应保持在90度的相对应，这样才能实现六足机器人的正常行走，提升机器人自身的性能。

3 基于单片机的六足机器人自动避障控制系统设计方法

3.1 电路设计

相关人员在进行机器人自动避障控制系统设计时，该控制系统主要是通过模块化的设计方法来对电路进行设计的，即在实际的电路系统中主要是以51单片机来当成是最小系统。其次，该机器人中一共设计有18个舵机之多，并且每个舵机中还会安装有两节电池，该电池的作用是为了保证舵机电压的稳定，即让其电压能够保持在一个标准方范围内，并为其中的9路舵机提供电源，从而保证控制系统的正常运行[4]。其次，相关人员在进行机器人电路设计时，其中的51单片机需要扩展到18各接口，这些接口的作用是为了能与舵机中的信号线进行连接，当前，其中的无线遥控模式、红外线避障传感器等也包含在内。而在该自动避障控制系统中，串口通信模块是PL2303，然后与串口的TXD或者是RXD进行连接，这也能很大程度的提高系统的使用性能。

3.2 舵机控制算法的设计

从六足机器人的自动避障控制系统来看，之所以能够对舵机进行控制其主要是通过相应的控制算法来实现的，所以相关人员一定要尽可能的保证算法准确，因为这会直接影响到机器人自动避障的能力。在实际的控制过程中，除了需要保证自身周期的20ms之外，其还需要在信号线中加入大约0.5-2.5ms时延的高电平，并且电压需要控制在5V，剩余时间便只要保持低电平即可。需要注意的是，合理的对高电平进行控制与调节不仅能保证整体的使用效果，而且还能更高效的控制舵机角度。其次，该机器人的自动避障控制系统主要是利用51单片机来制作的，外部使用的是晶振体，从这里可以看出，其控制系统对舵机的控制精度可以高至0.1度，这一结果可以说是非常理想的。

相关人员在利用控制系统中的定时器来对舵机信号进行生成时，其可以采用以下两种方法来进行：第一，对舵机中的高电平时间进行排序，这是当机器人的某一舵机周期开始时，其中的PWM信号电平也会有所提高。而单片机在定时器中断之后会将高电平的最长时间与第二长时间的差距进行设置，这时的最大电平就会被拉低，从而保证该差距能保持在标准范围内[5]。第二，把舵机周期的20ms按照8个时间段进行划分，即保证每个时间段都保持在2.5ms，并需要包含有舵机的高电平信号，然后在根据数据之间的差来对定时器进行以此赋值即可。

从理论的角度来看，第一个方法可以的控制过程会比较灵活一些，但随着舵机数量的增加，在排序之后相邻位置的舵机也会因此减少，这就会导致定时器中断时间的下降，从而加大误差。所以相关人员在使用该方法时，其一定要在保证精度的前提下对舵机信号进行生成，这样才能保证最终的质量。第二个方法是需要把20ms划分为8个时间段，这就预示着只能对一定数量的舵机进行控制，但该方法的精度却可以保证，所以要想实现对机器人的控制，相关人员就需要把上述方法结合到一起使用，这样才能满足舵机精度的要求。

3.3 模块设计

从单片机的六足机器人自动避障控制系统中来看，这主要是利用模块化的设计模式来实现的，即在实际的控制系统中可以划分为4个模块，即数据接收模块、无线遥控模块、避障模块与串口通信模块。具体的模块设计内容如下：第一，避障模块。这一部分需要使用到兩个光电式传感器，即主要安装在机器人的左前方和右前方，其次相关人员还需要在传感器中设置3个引脚，当然不同的引脚所产生的效果也是完全不相同的，但当机器人在遇到障碍时，其引脚就会自动生成低电平。该模块主要是通过51单片来对所有连接口进行判定，目的是为了能更准确的分析六足机器人的前方是否有障碍物，然后根据结果来选择避障的方法。第二，无线遥控模块。这一模块也可以看成是MX-J05V点动模式，即整体的操作都是利用遥控器来进行控制的，一般都会在遥控器中设计4个按钮，当遥控器的按钮被启动时，其相应口的数据就会变成高电平[6]。第三，串口通信模块。在该模块设计中有RS232接口，此接口可以将COM端口中的信号进行转变，从而让其成为电平，然后在利用51单片机对PC机中的控制命令进行传达。第四，数据接收模块。这是需要利用串口通信来作为基础才能实现的，即实现51单片机与上位机之间的数据传输，在运作过程中，上位机会把信息传输到下位机中，而下位机则会保存下该数据，然后在接收到终止符时就会对储存信息进行处理，最后发生反应。

4 结语

综上所述，本文主要针对单片机的六足机器人自动避障控制系统来展开研究，在基于单片机的六足机器人控制系统设计中，采用3×6法来对航机进行控制，这主要是为了保证PWM信号自身的强度，从而实现对18个航机的同时控制。其次，通过对上位机的三大模式近设计，其可以是满足航机多样化的控制需求，即让六足机器人能在自动避障中实现更加复杂的动作。需要注意的是，在进行系统控制时，相关人员一定要利用单片机来保证各端口功能的稳定，也只有这样才能为其它类型的机器人研发提供参考，从而保证各项工作的顺利开展，保证我国机器人领域的进步。

参考文献

[1]梁美彦，薛太林，王昱，等.基于Android控制的智能六足机器人动力学建模及实现[J].测试技术学报，2017（06）：498-504.

[2]魏春莉，李强.基于六足探测机器人的自动避障控制[J].机电工程，2012（01）：40-43.

[3]赵银银.基于C8051F340单片机的移动机器人避障系统设计[J].长春大学学报，2010（12）：21-23.

[4]朱高伟.基于单片机的自动蔽障移动小车控制系统[J].通讯世界，2015（16）：277-278.

[5]周慧君，韩军.基于51单片机的轮式移动机器人控制系统设计[J].科协论坛（下半月），2013（10）：123-124.

[6]孟凯，李鑫.基于蓝牙串口模块的小型六足机器人系统设计[J].河南工程学院学报：自然科学版，2012，24（01）：71-74.

On Automatic Obstacle Avoidance Control System of Hexapod robot Based on Single Chip Microcomputer

KANG Zhi-ne

（Wuhan University of Science and Technology City College， Wuhan Hubei  430081）

Abstract：This paper mainly analyzes the automatic obstacle avoidance control system of hexapod robot of single-chip microcomputer. Firstly， it introduces the most frequently used obstacle avoidance control algorithm， and then proposes the scheme of robot automatic obstacle avoidance control system. Finally， it puts forward the combination with the actual situation. The design method of the robot automatic obstacle avoidance control system hopes to provide assistance for other aspects of intelligent robot research in China.

Key words：single chip microcomputer; automatic obstacle avoidance; control system