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控制器是智能機器人處理和控制信息的主體，它直接決定了機器人的行為和性能。近幾年來(lái)隨著(zhù)高性能微控制器和嵌入式系統技術(shù)的不斷進(jìn)步，為各類(lèi)實(shí)時(shí)控制應用提供了解決方案。 嵌入式系統(ES)是計算機技術(shù)、通信技術(shù)、半導體技術(shù)、微電子技術(shù)、語(yǔ)音圖像數據傳輸技術(shù)，甚至傳感器等先進(jìn)技術(shù)和具體應用對象相結合后的系統，其是硬件和軟件緊密捆綁在一起的系統。將嵌入式系統應用于滅火機器人的設計中，對機器人的性能智能化、網(wǎng)絡(luò )化、小型化都有了明顯提高。 比賽用滅火機器人需要機器人有智能較高的自動(dòng)控制性能與可靠的機械控制性能的同時(shí)保證，才能在短時(shí)間內準確尋找到火源并滅火回家。在此以ARM9處理器為核心，對基于嵌入式系統的智能滅火機器人進(jìn)行了設計。本文將從硬件和軟件方面講述智能滅火機器人控制器的實(shí)現方法，并且給出了機器人滅火的具體實(shí)驗，驗證了方案的可行性，為智能滅火機器人的進(jìn)一步研究提供了平臺。 1 滅火機器人的描述 滅火機器人的外形結構如圖1所示，它的主要構件有：紅外發(fā)射傳感器(6個(gè))，紅外接收傳感器(6個(gè))，聲音傳感器(1個(gè))，滅火風(fēng)扇(前后各1個(gè))，遠紅外火焰傳感器等(前后各7個(gè))。其中紅外發(fā)射和接受傳感器的配合使用可以使機器人自動(dòng)避障行走。遠紅外火焰傳感器可以檢測光的強弱，用于判斷房間是否有火以及趨光滅火。聲音傳感器用于啟動(dòng)�；趯�(shí)踐，風(fēng)扇滅火更為可靠，所以選用風(fēng)扇滅火。 2 滅火機器人的總體設計 在智能滅火機器人系統中，首先要解決的是定位問(wèn)題，故需要一個(gè)好的定位方案。所以，控制核心需要給傳感器留足夠的輸入接口，同時(shí)也要有足夠的輸出接口用于控制外設。而速度對滅火機器人至關(guān)重要，在高速運動(dòng)的情況下，需要CPU具有比較強的浮點(diǎn)數運算能力�；谏鲜隹紤]，選擇ARM9為滅火機器人的控制核心，該控制器硬件功能齊全、功耗小、周邊設備集成度高，是先進(jìn)的智能機器人計算平臺。它與其他的主要部件如表1所示，系統總體框架如圖2所示。 3 滅火機器人嵌入式系統硬件設計 3.1 控制器系統設計 由于嵌入式微處理器對實(shí)時(shí)任務(wù)具有很強的支持能力，可以完成多任務(wù)并且具有較短的中斷響應。因此在設計過(guò)程中，采用嵌入式ARM9為核心的控制器(ST公司的STR911FAM44)，實(shí)現了以極少的周邊芯片獲得齊全的功能。ARM9處理器具有體積小，功耗低，性能高的特點(diǎn)。它集成了28路模擬信號采集通道，可以兼容數字信號和模擬信號，每路精度為10位，因此可以分辨3 mV特的輸入電壓變化。8路高速數據采集通道每秒可采集50萬(wàn)次信號。該處理器內部采用哈佛結構，每秒可執行1.1億條機器指令，這樣的強大功能可以實(shí)現機器人高速精確地按照規定路徑行走，并且機器人的CPU能夠實(shí)時(shí)迅速地讀取多個(gè)傳感器端口數值，在較短的時(shí)間內完成對各端口數值的存儲、運算和輸出等多種任務(wù)。在主控制器核心CPU的基礎上，將各種功能模塊、執行機構等連接到CPU的引腳上�？刂破骺偣灿�28路模擬采樣接口。ARM9控制器的系統圖如圖3所示。 在此選用Atmel公司生產(chǎn)的AVR ATmega 8微處理器作為輔助單片機。ATmega 8是基于增強的AVR RISC結構的低功耗8位CMOS微控制器。由于它先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執行時(shí)間，ATmega 8的數據吞吐率高達1 MIPS／MHz，從而可以緩減系統在功耗和處理速度之間的矛盾。AVR內核具有豐富的指令集和32個(gè)通用工作寄存器。同時(shí)ATmega 8具有一整套的編程與系統開(kāi)發(fā)工具，包括：C語(yǔ)言編譯器、宏匯編、程序調試器／軟件仿真器、仿真器及*估板。這樣就大大方便了在硬件基礎上進(jìn)行軟件設計。 ARM9處理器含有20路標準數據采集通道通過(guò)Atmega816-PC輔助單片機連接到主芯片上，用以讀取遠紅外傳感器組及檢測端口的數值，每秒可采集1 000次。這種設計提高了端口數值讀取速度，使機器人能對周?chē)h(huán)境信息做出迅速判斷。ARM9微處理器與輔助單片機如圖4所示。 為了保證滅火機器人靈活行走和低功耗，需要一個(gè)體積小，超薄輕巧，功耗低的顯示器。Uniohm公司生產(chǎn)的LCD滿(mǎn)足設計要求，通過(guò)與單片機連接、編程、下載、完成顯示功能。 3.2 控制器電源供電設計 電源直接影響機器人運行特性�？紤]到電動(dòng)機啟動(dòng)瞬間電流很大，會(huì )造成電源電壓不穩，影響單片機和輸入電路工作的穩定性和可靠性，因此這里采用雙電源供電方案。電機電源采用容量為2 500 mAh高放電倍率聚合物鋰電池，工作電壓為24 V，能提供40 A的穩定供電電流，是普通電池的10倍；控制器電源采用8.4 V鋰電池，并提供電壓采樣端口，以供電池檢測，控制器電源供電電路圖如圖5所示。 為獲得CPU各端口電路所需要的不同等級的電壓，該設計采用1個(gè)LM317T三端穩壓器和2個(gè)AMS1117低壓差線(xiàn)性電壓調整器，并通過(guò)其附屬電路，得到精確穩定的5 V，3.3 V，1.8 V三種電壓；用1個(gè)發(fā)光二極管LD1和限流電阻R5作為電源指示燈，以顯示電源開(kāi)關(guān)的狀態(tài)；為實(shí)時(shí)采樣電源電壓，防止鋰電池過(guò)放或過(guò)充，通過(guò)R1，R2分壓，引出AD19端口作為電源采樣端口。 4 滅火機器人嵌入式系統軟件設計 機器人控制器是一個(gè)多任務(wù)并行執行的實(shí)時(shí)控制器。在軟件實(shí)現上，滅火機器人除了要協(xié)調控制各個(gè)不同功用的電機，還需要對紅外、灰度、聲音等多種傳感器接收的數據進(jìn)行傳輸、處理等。采用c語(yǔ)言可以方便快捷的編寫(xiě)程序。這里對滅火機器人的每種功能進(jìn)行模塊化處理�？傮w的思路是：尋找火源．確定火源方位，接近火源，趨光滅火，回家。主程序設計流程圖如圖6所示。實(shí)現起來(lái)最基本的就是使機器人能夠順利的直線(xiàn)行走和拐彎，這一模塊稱(chēng)為沿墻走(沿左墻前，沿左墻后，沿右墻前。沿右墻后)，沿右墻前如圖7所示。具體為： (1)若正前距離很大，同時(shí)右前的距離稍小時(shí)，太靠近右墻，執行左轉微調； (2)若正前距離很大，同時(shí)右前的距離稍大時(shí)，太靠近左墻，執行右轉微調； (3)若正前距離很大，右前距離適中，就直行； (4)若正前距離特別小，同時(shí)右前距離特別小時(shí)，使機器人稍后退可以防碰撞； (5)若正前距離比較小，右前距離也比較小時(shí)，機器人左轉； (6)右前距離很大時(shí)，機器人執行右轉彎。 其中：(1)～(3)保證了在走直線(xiàn)時(shí)可以走直，通過(guò)不斷調整，使機器人始終運行在距離墻10～15 cm的位置。(4)～(6)保證了機器人順利拐彎和進(jìn)房間。沿左墻行走及反方向沿墻行進(jìn)同理，具體的參數必須在不斷試驗中反復調節。幾種沿墻走配合使用就可以實(shí)現全部房間的遍歷和回家，再加上趨光和滅火的模塊就完成了整個(gè)滅火任務(wù)。 5 滅火實(shí)驗 在硬件的設計和實(shí)現的基礎上，用C語(yǔ)言編寫(xiě)了讓器人智能搜索房間，發(fā)現火源并滅火回家的程序。在不斷對各種參數的調節后，該機器人可以在8 s內完成任意房間滅火，滅完火后，機器人自動(dòng)回家。統計了30組數據，如表2所示。滅火照片如圖8所示。 6 結語(yǔ) 實(shí)際測試證明該設計的滅火機器人能夠較好完成滅火任務(wù)，具有一定參考和使用價(jià)值。該設計的創(chuàng )新之處為：以AM09為核心的嵌入式系統的控制器運行速度高，能夠高速采集和處理傳感器系統信號，并發(fā)出相應的控制信號，實(shí)現8 s內完成任意房間滅火；該設計采用了嵌入式系統內核，大大提高了機器人處理信號的能力；STR911FAM46和AVR-ATMEGA8-16PC的選用在實(shí)現了功能強大的同時(shí)，保證了良好的擴展性，并且成本較低，有利于智能機器人早日實(shí)現市場(chǎng)化；雙電源供電系統的引入，使機器人的運行更加穩定可靠；通過(guò)沿墻行進(jìn)規則的設計，機器人的靈敏度和適應外界變化的特性明顯提高，且程序簡(jiǎn)捷，有利于模塊化編程。 |
