基于单片机的小型全地形履带车控制系统设计

为一款小型全地形履带车设计了控制系统，可以控制履带车在全地形路况下载运物品到达指定位置。控制系统采用模块化结构，通过人的遥控，主控制器控制电机驱动模块通过利用调速控制和反馈调速的总信号调压的方式改变向车两侧电机供给的电能来驱动履带车，实现全地形载运货物的功能。

【关键词】PID控制 双电机驱动 DC转DC 红外线遥控

从2007年到2015年，我国快递业呈现出强劲的增长态势，快递业务量年均增长 40%以上，2015年我国快递业业务量达到了206亿件，同比增长48%[1-2]。分拣站点作为快递业务重要的一环，经常因为货物繁多而堆积如山，站点内需要小型可操纵载运物品的装置来将分拣后的快件运送到站内相应位置；另外，随着我国社会步入老龄化，在家庭生活中，特别是对于老年人需要一种可在全地形环境下帮助人搬运物品的轻便装置。

针对这种情况，设计出一种小型遥控操纵的搬运小型物品用全地形履带车。履带车设计为由人在不超过以20m为圆心的区域内通过手持无线遥控器实时对车的运动进行遥控，实现其全地形（包括翻越小型障碍、上楼梯等）负重前进、转向、倒退进行载运，到达指定位置。整车采用双电机驱动和履带设计，自重约为15 kg，长925 mm、宽550 mm-750 mm（在此范圍内可调）、高310 mm，可承载40 kg的货物。整个车由机体部分、电机和传动及行驶部分、电子控制部分等三部分组成。履带车整体示意图如图1所示。

目前，搬运物品的智能车控制系统多是小型循迹车控制系统，如王登贵的基于MCU的智能搬运车控制系统设计与研究[3]与郭伟的自动寻迹搬运车控制系统设计与实现[4]，通过控控制系统控制模型车循迹运动，但其设计无法满足各种复杂路况下载运偏重型物品；还有张培明的智能搬运车控制系统研究[5]和董雷刚的复杂路况下的智能循迹小车方案设计[6]，这些设计解决了复杂都实现了搬运车在复杂路况下沿指定路线载运货物的问题，但是不适用于控制搬运车到达随意指定位置。本文设计的是适用于全地形搬运货物至任意地点的小型履带车的控制系统。

1 控制系统的总体设计

根据履带车的要求，设计出遥控履带车控制系统主要以89C52单片机为主控制器芯片，由红外线通信模块、主控制器模块、电机驱动模块、供电电源模块四部分构成。

系统的运行流程大致分为四步：红外线通讯、单片机处理、电机驱动和电机执行，系统每次刷新时间是10 ms，完成上一次流程即刻进入下一次循环。具体为：打开履带车上的电源开关，单片机开始对包括红外线通信、电机驱动和编码器等接口进行初始化，按下按键使遥控器发出的前进、后退和转弯指令，经红外线发射接收模块的调制和解调后，将运动信号发送给单片机；单片机会对输入信号进行辨别运算，发出履带车做相应运动所需的不同信号；在单片机对接收到的信号进行运算处理之后，输出信号会控制两侧电机驱动向电机电源的供给，进而控制电机运转，最后实现控制履带遥控车载运的功能。控制系统总框图如图2所示。

当两侧电机驱动车运动时，码盘编码器会将两侧运动速度返回至主控制器，通过主控制器改变对电机驱动的指令消除转速差。如果需要对履带遥控车进行调速，可按下遥控器上调速按键发出的高中低速信号至主控制器，通过主控制器的脉冲输出控制电机驱动，最后实现电机调速。前进和后退的切换则可通过调节电机驱动模块里的转换开关实现。

2 硬件电路设计

2.1 红外线无线通讯模块

红外线无线通信模块主要用作从遥控器发送控制指令至主控制器。

红外线通信是一种利用红外线来传输信号的通信方式。红外通信是利用950 nm近红外波段的红外线作为传递信息的媒体，即通信信道。发送端将基带二进制信号调制为一系列的脉冲串信号，通过红外发射管发射红外信号。红外线具有容量大，保密性强，抗电磁干扰性能好，设备结构简单、体积小、重量轻、价格低。

设计用到的一对红外线通讯编码/解码芯片PT2262/PT2272，是一对带地址、数据编码功能的无线遥控发射/接收芯片。发射芯片PT2262将载波振荡器、编码器和发射单元集成与一身，使发射电路变得十分简洁。接收芯片PT2272 M4，以四路非锁定形式输出，即当发射信号消失时，其对应输出位即变为低电平即输出的电平是瞬时的，且与发射端相对应，可以实时电动控制。

从发射模块可以进行四路遥控，分别是前行、分级调速、左转和右转。进而控制接收模块的九路输出，与主控制器进行通讯。红外线无线通信模块原理图如图3所示。

2.2 主控制器模块

主控制器模块主要用作对指令信号的接收与处理。

设计用到的控制器核心为STC89C52RC单片机，用于对输入信号的处理和输出控制信号，其最小系统是由以89C52单片机为主的，再加上复位电路、振荡电路和5V电源等组成的控制模块。复位电路包括自动上电复位和手动复位，可以使单片机的状态还原成初始状态；单片机上各个部件运行都是以时钟频率为基准，而晶振电路的作用就是为系统提供稳定的时钟信号，设计使用的是11.0592 MHz的晶振作为振荡源和50 pf的电容构成振荡电路。

STC89C52RC单片机共32位I/O接线口。在控制系统中，P0组用于公共端接线，P1组用于红外线通讯端接线，P2组用于指令输出端接线，P3组用于与编码器通讯的接线。主控制器模块原理图如图4所示。

2.3 电机驱动模块

电机驱动模块主要用作处理主控制器指令信号，为电机提供可调电源。

电机是一种将电能转化为动能的执行机构。电机驱动模块接单片机输出的一个某长度的脉冲信号，可以通过脉冲改变控数字电位器的阻值来控制电机驱动电路对24 V电源向电机提供不同固定值的电压，控制电机的转动。履带车的左、右两侧履带各自由一个电机驱动，两个电机协同作业，从而达到控制履带遥控车转向、直行等运动的目的。

2.3.1 电机及电池的选择

根据整车设计，要求电机的功率为150W，转速为200 rpm，选择台松DC2 V正反转调速90型3-15 K 200 W直流齿轮减速电机。其基本参数如表1。

所选电机在150 w及以上功率的情况下工作，要求履带车可以在这种情况下连续工作3小时以上，因此选择了优贝特24 V 20 ah定制式锂电池。

2.3.2 电机驱动的设计

设计所用到的24 V直流齿轮减速电机，是一种直流大力矩调速正反转减速电机。电机在调速时采用调压调速，可以尽量减小噪音和履带遥控车在负载运行时的震动。减速电机的驱动电路是一块由电位器改变电压值的电源转换模块，主要由通用时基电路NE555P、N沟道P75NF75三极管、L7812CV三端稳压集成块和数字电位器构成。其中NE555P时基电路由数字电位器器完成特点振荡延时作用；P75NF75三极管是导电方式增强型的三极管；L7812CV集成块是DC 12-24 V的输入输出稳压管；数字电压器是可调共100阶100 kΩ的数字电阻。

通过各个原件的协同工作，保证了电机运行。电机驱动电路原理图如图5所示。

2.3.3 车两侧电机同步的设计

由于履带车左右履带分别由两侧的电机驱动，为保证两侧电机同步。系统在两个电机转轴前端延长部分分别用联轴器连上码盘编码器，读取左右电机的不同瞬时转速数据，再经过主控制器模拟PID运算，输出控制信号对电机转速进行控制，实现同步功能。

编码器是将信号或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。编码器把角位移或直线位移转换成电信号，前者称为码盘，后者称为码尺。按照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两类。增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。

根据系统同步设计的要求，选择的编码器是欧姆龙E6A2 CS5C 100 p/r脉冲光电增量式码盘编码器。编码器轴径4 mm，电压12-24 V DC，分辨率100 p/r。编码器实物图如图6所示。它将电机旋转的角位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示电机转动的圈数。

该型号编码器有3条引线，其中1条是A相脉冲输出线，1条是COM端线，1条是电源线（OC门输出型）。编码器的电源直接接外接电源，如图7所示。电源“-”端与编码器的COM端连接，“+ ”与编码器的电源端连接；编码器的COM端与主控制器输入COM端连接；A相脉冲输出线直接与主控制器的输入端连接，脉冲信号直接输入给主控制器，利用主控制器的计数器对其脉冲信号进行计数，以获得测量结果。

2.4 供电电源模块

供电电源模块主要用作对主控制器模块和电机驱动模块提供专用电源。

设计的供电电源模块由三路专用的供电电源提供给履带遥控车。一路24V电源由电池经DC24/12-DC5降压模块降压之后，为其提供稳定可靠的5V专用电源，所用到的降压模块主要由高效率大电流降压芯片TPS40057、TPCA8016-H MOSFET N通道构成，被降电压经过N通道的逻辑电平门最后通过大电流降压芯片TPS40057（TPS40057原理图如图8所示）进行降压，为主控制器提供电源；另一路直接连接24V电源正负极至电机驱动模块正负端子，由电机驱动模块控制对电机供电；最后一路直接向编码器供电。

3 软件设计

设计采用Keil μVision4进行编程实现。设计中系统软件包括主函数和电机驱动函数函数。对单片机和一些外围器件需要进行初始化才能正常使用的器件进行初始化和重新赋值一些变量，初始化完后进去死循环，如果不进入死循环程序运行一次就会退出，如果加入死循环程序就会不断地进行循环达到实时检测执行的目的。

程序主要完成系统、遥控模块初始化和控制电机运作等功能。

系统初始化由定时器10 ms的定时，对单片机和遥控模块等进行初始化和重新赋值。初始化完后进入主程序。首先检查是否接收到遥控信号，如有信号，由单片机对其进行处理。由于电机驱动采用数字电位器调压的方式，单片机I/O口段时间发送一段脉冲信号对应电位器的某一阻值，从而改变电机驱动模块对电机提供电源的电压值达到控制电机的目的。履带车两侧编码器会在车不同运行状态下返回两侧不同速度数据，经主控制器对该阶段反馈的速度数据进行pid运算比较，对数字电位器进行微调，实现对两电机同步的要求。程序流程图见图9。

4 结论

为一小型全地形履带车设计了其控制系统。该控制系统应用到履带车上，在额定载重、全地形工况下，履带车载运货物行进、转向和变速的操控性能良好，能够在稳定的跨越草地、石子路、楼梯等障碍的同时保持车两侧履带速度同步，保持了履带车的设计运载能力。所设计的控制系统完全满足履带车运行控制的要求。

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作者简介

庞根蒂（1995-），男，四川省德阳市人。大学本科学历。2013级自动化专业学生。

作者单位

1.沈阳理工大学 辽宁省沈阳市 110159

2.沈阳理工大学汽车与交通学院 辽宁省沈阳市 110159