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隨著(zhù)微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，微處理器芯片的集成程度越來(lái)越高，單片機已可以在一塊芯片上同時(shí)集成CPU、存儲器、定時(shí)器／計數器、并行和串行接口、看門(mén)狗、前置放大器、A／D轉換器、D／A轉換器等多種電路，這就很容易將計算機技術(shù)與測量控制技術(shù)結合，組成智能化測量控制系統。這種技術(shù)促使機器人技術(shù)也有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，目前人們已經(jīng)完全可以設計并制造出具有某些特殊功能的簡(jiǎn)易智能機器人。 1 設計思想與總體方案 1.1 簡(jiǎn)易智能機器人的設計思想 本機器人能在任意區域內沿引導線(xiàn)行走，自動(dòng)繞障，在有光源引導的條件下能沿光源行走。同時(shí)，能檢測埋在地下的金屬片，發(fā)出聲光指示信息，并能實(shí)時(shí)存儲、顯示檢測到的斷點(diǎn)數目以及各斷點(diǎn)至起跑線(xiàn)間的距離，最后能停在指定地點(diǎn)，顯示出整個(gè)運行過(guò)程的時(shí)間。 1.2 總體設計方案和框圖 本設計以AT89C5l單片機作為檢測和控制核心。采用紅外光電傳感器檢測路面黑線(xiàn)及障礙物，使用金屬傳感器檢測路面下金屬鐵片，應用光電碼盤(pán)測距，用光敏電阻檢測、判斷車(chē)庫位置，利用PWM(脈寬調制)技術(shù)動(dòng)態(tài)控制電動(dòng)機的轉動(dòng)方向和轉速。通過(guò)軟件編程實(shí)現機器人行進(jìn)、繞障、停止的精確控制以及檢測數據的存儲、顯示。通過(guò)對電路的優(yōu)化組合，可以最大限度地利用51單片機的全部資源。 P0口用于數碼管顯示，P1口用于電動(dòng)機的PWM驅動(dòng)控制，P2，P3口用于傳感器的數據采集與中斷控制。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是：充分利用了單片機的內部資源，降低了總體設計的成本。 2 系統的硬件組成及設計原理 此系統的硬件部分由單片機單元、傳感器單元、電源單元、聲光報警單元、鍵盤(pán)輸入單元、電機控制單元和顯示單元組成。 2．1 單片機單元 本系統采用AT89C51單片機作為中央處理器。其主要任務(wù)是掃描鍵盤(pán)輸入的信號啟動(dòng)機器人，在機器人行走過(guò)程中不斷讀取傳感器采集到的數據，將得到的數據進(jìn)行處理后，根據不同的情況產(chǎn)生占空比不同的PWM脈沖來(lái)控制電機，同時(shí)將相關(guān)數據送顯示單元動(dòng)態(tài)顯示，產(chǎn)生聲光報警信號。其中，P0用于數碼管動(dòng)態(tài)顯示，P1．0一P1．5控制2個(gè)電機，P1．6、P1．7為獨立式鍵盤(pán)接口，P2接傳感器，P3．2接計里程的光電碼盤(pán)，P3．7接聲光報警單元，P3．4、P3．5、P3．6接用于顯示斷點(diǎn)數目的發(fā)光二極管。 2．2 電機控制單元 本機器人采用了雙電機雙輪驅動(dòng)的小車(chē)作為其底座。2個(gè)電機分別獨立控制其左右兩邊的車(chē)輪，靠?jì)蛇呺姍C的轉速的不同來(lái)實(shí)現轉彎功能，還可讓其原地轉彎，便于控制。而傳統的小車(chē)是靠動(dòng)力電機和轉向電機驅動(dòng)，轉彎角度難以控制，不便于使用。 電機控制電路采用大功率對管BDl39、BDl40組成的H型驅動(dòng)電路，通過(guò)單片機產(chǎn)生占空比不同的PWM脈沖，精確調整電機的轉速。這種電路由于工作在晶體管飽和或截止狀態(tài)，避免了在線(xiàn)性放大區工作時(shí)晶體管的管耗，可以最大限度地提高效率；H型電路保證了可以簡(jiǎn)單地實(shí)現電機轉速和方向的控制；電子開(kāi)關(guān)的速度和穩定性也完全可滿(mǎn)足需要，整套驅動(dòng)電路是一種被廣泛采用的電機驅動(dòng)技術(shù)。 2．3 傳感器單元 整個(gè)機器人共采用了9個(gè)傳感器，分布在整個(gè)機器人的不同部位，相互配合起不同的作用。 各傳感器說(shuō)明如下： 傳感器1置于機器人正前方朝下的金屬探測傳感器，用于探測金屬。 傳感器2置于機器人正前方朝前的超聲波傳感器，用于檢測障礙物。超聲波來(lái)源于555產(chǎn)生40 kHz的方波信號，經(jīng)超聲波發(fā)射頭發(fā)出。發(fā)射頭不斷發(fā)出信號，當遇到障礙物時(shí)，信號會(huì )被反射回來(lái)，從而接收頭會(huì )接受到信號，將信號送入單片機進(jìn)行相應的判斷和處理。 傳感器3置于機器人正前方朝下的紅外光電傳感器，用于檢測停止線(xiàn)。紅外發(fā)射管發(fā)出信號，經(jīng)不同的反射介質(zhì)反射，根據紅外接收管是否接收到信號做出相應的判斷。 傳感器4、5置于機器人底座下方朝下的紅外光電傳感器，用于檢測地面的引導線(xiàn)，原理同傳感器3。 傳感器6、7置于機器人正前方朝前的光敏電阻傳感器，用于尋找光源。當機器人前方有光源照射時(shí)，光敏電阻的大小將會(huì )改變，將2個(gè)傳感器的改變量進(jìn)行比較處理后送入單片機，單片機將會(huì )產(chǎn)生相應的調整信號，使機器人朝光強的方向行走。 傳感器8置于機器人后方兩側朝外的超聲波傳感器，用于在機器人遇到障礙物時(shí)的轉彎處理，判斷機器人是否完全繞開(kāi)障礙物，原理同傳感器2。 傳感器9置于機器人正后方的光電碼盤(pán)，用于計里程，借助于鼠標原理，選用直徑為2．6 cm的塑料小輪自制光電碼盤(pán)，經(jīng)過(guò)打磨使其周長(cháng)為8 cm，再在該小輪上打等距離的8個(gè)孔，最小測距精度可達到1 cm，足以滿(mǎn)足要求，兩側裝上光電傳感器，將其安裝在車(chē)尾，使之與車(chē)的行駛同步。就實(shí)際情況自制出來(lái)的各個(gè)孔之間的距離無(wú)法精確相等，但經(jīng)過(guò)具體測量該光電碼盤(pán)，能保證行駛50 cm產(chǎn)生50個(gè)脈沖，于是采用其作為計算距離的基準單位。在直道區，可由該電路產(chǎn)生的脈沖數，計算出鐵片中心線(xiàn)至起跑線(xiàn)間的距離。 此外，為了清楚直觀(guān)地觀(guān)察到各傳感器的工作狀態(tài)，電路中還專(zhuān)門(mén)為每個(gè)傳感器設計了工作指示燈，實(shí)時(shí)顯示每個(gè)傳感器的工作狀態(tài)。 2．4 鍵盤(pán)輸入單元 鍵盤(pán)輸入單元采用獨立式鍵盤(pán)，由2個(gè)按鍵組成，其中一個(gè)為啟動(dòng)鍵，另一個(gè)為顯示切換鍵，當機器人行走完全程后，按下該鍵，將顯示整個(gè)行走過(guò)程的時(shí)間。 2．5 顯示單元 顯示單元由2個(gè)7段數碼管組成，為了減少整個(gè)系統的功耗，采用了由單片機軟件譯碼，動(dòng)態(tài)顯示，實(shí)時(shí)顯示每個(gè)斷點(diǎn)到起點(diǎn)的距離以及整個(gè)運行過(guò)程的時(shí)間。 2．6 聲光報警單元 用555作為振蕩源，用單片機觸發(fā)振蕩源驅動(dòng)電磁訊響器作為聲音指示器和1只發(fā)光二極管作為光指示裝置，從而組成聲光報警單元。 2．7 電源單元 本系統采用2套電源分別對電機和控制電路進(jìn)行單獨供電。系統控制電路采用經(jīng)7805穩壓后的輸出供電(5V)，電機則采用4節AA電池來(lái)供電。 3 系統的軟件設計 該系統配套的軟件程序采用模塊結構，由C語(yǔ)言編寫(xiě)完成。主要由初始化程序、偏道調整程序、偏離光源調整程序、聲光指示子程序、讀傳感器狀態(tài)、顯示程序、定時(shí)器0的中斷服務(wù)程序、定時(shí)器1的中斷服務(wù)程序、外部中斷0的服務(wù)程序、停車(chē)處理等模塊組成。 4 結束語(yǔ) 該機器人在認為設定的跑道上經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗，達到了預期的效果，但是其智能化程度還遠遠不夠。隨著(zhù)人工智能和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的不斷研究和深入，智能機器人的發(fā)展前景將會(huì )越來(lái)越廣闊。 |
