隋秀梅，林 源，趙 麗

（長(zhǎng)春職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)春 130033）

0 引言

機(jī)器人是先進(jìn)制造技術(shù)和自動(dòng)化裝備的典型代表，是人造機(jī)器的“終極”形式。它涉及到機(jī)械、電子、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)、人工智能、傳感器、通訊與網(wǎng)絡(luò)等多個(gè)學(xué)科和領(lǐng)域，是多種高新技術(shù)發(fā)展成果的綜合集成，因此它的發(fā)展與眾多學(xué)科發(fā)展密切相關(guān)。近些年來(lái)，隨著教育理念的不斷更新，實(shí)踐教學(xué)的飛速發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)也在為教育改革貢獻(xiàn)自己的力量，以培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力為目的，在全世界范圍內(nèi)相繼出現(xiàn)了一系列的機(jī)器人競(jìng)賽。如：中國(guó)青少年機(jī)器人競(jìng)賽、中國(guó)機(jī)器人大賽、機(jī)器人足球比賽、大學(xué)生機(jī)器人比賽、小學(xué)生機(jī)器人比賽等如雨后春筍般發(fā)展起來(lái)。

1 AS-UII型智能機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)

AS-UII型智能機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由機(jī)器人本體機(jī)械部分；紅外傳感器、光敏傳感器組成的傳感器部分、直流電機(jī)及驅(qū)動(dòng)部分、以HT46R24型單片機(jī)為核心的控制部分等組成。

圖1 AS-UII型機(jī)器人的組成

傳感系統(tǒng)采用紅外傳感器和光敏傳感器，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍環(huán)境中障礙物的檢測(cè)和光源的搜索，測(cè)量信號(hào)送入以HT46R24型單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)，單片機(jī)根據(jù)測(cè)量進(jìn)行決策，輸出控制信號(hào)以差動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)左右輪的直流電機(jī)，帶動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、后退等功能，為了保持機(jī)器人的平衡和自如轉(zhuǎn)彎，在前后分別安裝一萬(wàn)向輪。

2 智能機(jī)器人的傳感系統(tǒng)

AS-UII型機(jī)器人的傳感器系統(tǒng)主要包括紅外傳感器和光敏傳感器。其中紅外傳感器用來(lái)測(cè)量障礙物的存在，光敏傳感器用來(lái)尋找光源。這兩種傳感器是機(jī)器人滅火和機(jī)器人足球比賽必備的測(cè)量設(shè)備。

2.1 紅外傳感器

為區(qū)別于自然光及明火等干擾性較強(qiáng)的光線，采用紅外頻率發(fā)生電路，產(chǎn)生一個(gè)38kHz的紅外光，如圖2所示,晶振和電容配合發(fā)出38kHz的正弦波，經(jīng)施密特觸發(fā)器74HC14后成方波，R23為調(diào)整反饋。

紅外接收模塊集成了紅外接收管、前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、峰值檢波器和輸出放大電路，靈敏度很高。紅外測(cè)障電路如圖4所示。采用單片機(jī)的I/O口PD2,PD3分別控制左右紅外光發(fā)射管的關(guān)閉和打開(kāi)，AR1和AR2控制左右紅外光發(fā)射光的發(fā)射強(qiáng)度。

圖2 紅外信號(hào)發(fā)生電路

2.2 光敏傳感器

AS-UII機(jī)器人選用光敏電阻作為光敏傳感器，它的阻值受照射在它上面的光線強(qiáng)弱的影響。所用的光敏電阻的阻值的暗電阻為幾百千歐，室內(nèi)光照度下為幾千歐，陽(yáng)光或強(qiáng)光下幾十歐。將光敏電阻和10k?的電阻R13串連后構(gòu)成分壓器。左右兩個(gè)光敏電阻分別與單片機(jī)的模擬輸入口相連，在單片機(jī)系統(tǒng)中采集光敏電阻上的電壓值。光暗時(shí)，光敏電阻上的電壓接近5V，光強(qiáng)時(shí)，接近0V。將左右兩個(gè)傳感器的輸出電壓值進(jìn)行比較就可以知道光源的位置是在在機(jī)器人的左前方還是右前方。

3 智能機(jī)器人控制系統(tǒng)

3.1 單片機(jī)系統(tǒng)

圖3 紅外傳感器測(cè)障電路

圖4 光敏傳感器測(cè)量電路

采用盛群公司的HT46R24型8位高性能、高效益的RISC 結(jié)構(gòu)單片機(jī)作為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，完成兩種四支傳感器的檢測(cè)信號(hào)采集，與左右輪的直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，并可以通過(guò)進(jìn)一步擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)如地面灰度等其它參數(shù)的測(cè)量，以及對(duì)其它設(shè)備如滅火風(fēng)扇電機(jī)的控制等。

HT46R24單片機(jī)共有28個(gè)引腳，單片機(jī)資源分配如下：PA0為開(kāi)始信號(hào)（START）輸入端，PA2、PA3分別控制左右兩個(gè)紅外發(fā)射管的發(fā)射狀態(tài)，發(fā)射管為低電平觸發(fā)。PA5 為光敏信號(hào)接收端，前后兩個(gè)接收點(diǎn)的信號(hào)都通過(guò)PA5檢測(cè)到，只是通過(guò)分時(shí)發(fā)送，接收時(shí)，判斷是哪一個(gè)端口發(fā)射，將其加以區(qū)分。PC0、PC1為光敏傳感器A/D轉(zhuǎn)換輸入端口，10位A/D轉(zhuǎn)換器具有足夠高的轉(zhuǎn)換精度。RESET為信號(hào)輸入端。PD0、PD1為直流電機(jī)控制端口，OSC1、OSC2為晶振接入端口。

3.2 紅外避障模塊

紅外發(fā)射端安裝在正前方兩側(cè)各22.50的位置，接收端安裝在正前方，紅外光以60度的散角向外發(fā)射，而紅外的接收端正好處于左右兩個(gè)反射光區(qū)域內(nèi)，能接收左右兩個(gè)紅外發(fā)射管的反射光，當(dāng)接收器只能接收到左發(fā)射管的反射信號(hào)時(shí)判定左方有障礙，只接受到右發(fā)射管的反射信號(hào)時(shí)判定為右方有障礙，若左右兩邊的反射信號(hào)都能接收到時(shí)就認(rèn)為障礙在正前方。紅外避障的程序流程如圖5所示。

3.3 趨光模塊

單片機(jī)對(duì)光敏電阻兩端的電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，之后將這兩組數(shù)值進(jìn)行比較，如果左右相等，說(shuō)明左右兩傳感器接受到的光照強(qiáng)度是一樣大的，便是光源在正前方，向正前方走。如果兩邊的數(shù)值不相等，則進(jìn)入下一判斷，如果左邊比右邊光更強(qiáng)，則說(shuō)明此時(shí)光源在機(jī)器人的左邊，向左轉(zhuǎn)彎，否則說(shuō)明光源在機(jī)器人的右邊，機(jī)器人向右走。程序流程見(jiàn)圖6所示。

4 智能機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

采用PWM差動(dòng)方式控制左右二個(gè)直流電機(jī)來(lái)控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的直行前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、后退等。脈沖寬度調(diào)制（PWM）是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法，通過(guò)高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來(lái)對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼，優(yōu)點(diǎn)是從處理器到被控系統(tǒng)信號(hào)都是數(shù)字形式的，無(wú)需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，因而其經(jīng)濟(jì)、節(jié)約空間、抗噪性能強(qiáng)。HT46R24單片機(jī)內(nèi)部集成了兩個(gè)PWM波形輸出口（即PD0、PD1端口），再調(diào)試過(guò)程中，只要將其掩模選項(xiàng)設(shè)置好，選擇好所需的輸出模式后，就可以方便的得到任意的PWM控制波形。電機(jī)的型號(hào)為J1105型直流電機(jī)，運(yùn)行參數(shù)為：額定電壓:9V，額定轉(zhuǎn)速：3000(r/min)，額定轉(zhuǎn)矩：1.2(mN.m)，額定電流：≤0.15 A，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)≥2。驅(qū)動(dòng)電路如圖7。

圖7 PWM驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)電路

5 實(shí)驗(yàn)及結(jié)論

在完成了軟、硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，制作了競(jìng)賽用智能機(jī)器人樣機(jī)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。樣機(jī)結(jié)構(gòu)如圖8所示。

由于HT46R24芯片是OTP型芯片，所以首先采用仿真器ICE進(jìn)行調(diào)試，經(jīng)編譯，程序無(wú)誤后，將程序下載到仿真器內(nèi)運(yùn)行，機(jī)器人實(shí)現(xiàn)預(yù)期動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)自主避障和趨光功能。將仿真后，完整、正確的應(yīng)用程序燒錄到HT46R24芯片，進(jìn)行固化后的程序運(yùn)行，機(jī)器人實(shí)現(xiàn)預(yù)期動(dòng)作，機(jī)器人能夠按程序設(shè)定實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)，完成自主避障和趨光功能，并且經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間工作，功能可靠。

由于HT46R24芯片預(yù)留了足夠多的I/O接口，用戶可以在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步進(jìn)行開(kāi)發(fā)，適當(dāng)增加一些傳感器，即可實(shí)現(xiàn)其他一些功能，如聲控、地面灰度識(shí)別等，以便參加各類智能機(jī)器人的比賽。本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人集傳感器技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、電機(jī)控制技術(shù)于一體，可以作為機(jī)電專業(yè)學(xué)生課內(nèi)實(shí)驗(yàn)和課外競(jìng)賽的重要工具。

[1] HT46R47,HT46R22,HT46R23,HT46R24A/D 型單片機(jī)使用手冊(cè).盛群半導(dǎo)體股份有限公司,2005.3.

[2] 移動(dòng)機(jī)器人紅外避障和單目視覺(jué)跟蹤的研究[J].機(jī)電工程,2006,23(6):60-62.

[3] 孫國(guó)強(qiáng),周粉娥.改造滅火機(jī)器人[J].發(fā)明與創(chuàng)新,2008,6.

[4] 顏兵兵,任福君.供你機(jī)器人避障運(yùn)動(dòng)分析機(jī)器仿真系統(tǒng)[J].科技導(dǎo)報(bào).2008,26(5):56-59.

[5] 閆晶,周浚哲,劉喜梅.基于DSP的智能小車避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)報(bào),2008,27.

[6] 石然.機(jī)器人巡檢方案設(shè)計(jì)及路徑規(guī)劃模型[D].山東大學(xué),2007.

[7] 朱俊.智能小車的自動(dòng)化控制[J].常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2006,5(4):16-18.

[8] 柴旺興,趙文兵.基于紅外傳感器的智能車電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)科技信息,2009,2.