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智能灭火机器人.docx
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经过 50 多年的发展,人工智能已形成极广泛的研究领域,并且取得了许多令人瞩目的成就[1]。人工智能也称机器智
能,是一门研究人类智能机理和如何用计算机模拟人类智能活动的学科。智能机器人技术综合了计算机、控制论、机
构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术,集成了多学科的发展成果,代表高技术的发
展前沿[2]。智能机器人的研究,大大促进了人工智能思想和技术的进步,渐渐成为一个备受关注的分支领域,各种智
能机器人比赛也成为国内外广泛推广和发展的一种竞技项目。
智能机器人灭火比赛由美国三一学院于 1994 年创办,目前已成为全球规模最大、普及程度最高的全自主智能机器人
大赛之一。硬件电路是智能灭火机器人整体的核心骨架,其参数性能及设计的合理性直接决定了智能灭火机器人的性
能。本文完成了基于 ARM9 内核[3]的智能灭火机器人的硬件电路的设计与实现。
1 硬件电路的总体设计
灭火比赛的任务是在一封闭房间模型中,随机在其中一个房间里放置蜡烛代替的火源,要求机器人在尽可能短的时间
里无碰撞地找到火源并完成灭火。
根据比赛要求及功能需要,灭火机器人的总体结构如图 1 所示,主要由控制器、传感器输入、驱动输出等模块组成。
2 硬件电路的主要部件分析与设计
2.1 嵌入式系统
为实现机器人高速精确地按照规定路径行走,要求机器人的 CPU 能够实时迅速地读取多个传感器端口数值,并在较短
的时间内完成对各端口数值的存储、运算和输出等多种任务。由于嵌入式微处理器对实时任务具有很强的支持能力,
能够完成多任务并且具有较短的中断响应,因此在设计过程中选用以嵌入式微处理器 ARM9 为核心的控制器,其内部
采用哈佛结构,每秒可执行一亿一千万条机器指令。
为提高端口数值读取速度,使机器人能对周围环境信息做出迅速判断,本设计在主芯片上设置了 ADC0~ADC7(P4.0~
P4.7)8路数据输入端口,每秒可实现 50 万次数据采集;另外又设置 20 路数据输入端口,通过 ATMEGA816-PC 辅
助单片机连接到主芯片上,用以读取远红外传感器组及检测端口的数值,每秒可实现 1 000 次数据采集。本设计还设
置了 4 路 PWM 控制信号输出端口,用以驱动 4 路大功率直流电机,实现对转速的精确调节;此外,还设置了 7 路 Do
数字输出端口,用以驱动伺服电机、蜂鸣器、继电器、发光二极管等。为了给庞大和复杂的程序提供更多的执行空间,
本设计附加设置了 100 KB 的数据存储器(RAM)和 512 KB 的程序存储器(Flash ROM),用以存储更多的数据和命
令。
2.2 电源和驱动电路设计
(1)电源及采样电路
电源是保证机器人稳定、可靠运行的关键部件,它直接影响着机器人性能的好坏。由于本机器人电机驱动和控制器采
用两种不同等级电压的电源,为避免 2 个电源相互干扰,本机器人采用双电源供电系统:电机电源采用高放电倍率聚
合物锂电池,容量为 2 500 MAH,工作电压为 24 V,能提供 40 A 的稳定供电电流,是普通电池的 10 倍;控制器电源
采用 8.4 V 锂电池,并提供电压采样端口,以供电池检测,电路图如图 2 所示。
为获得 CPU 各端口电路所需要的不同等级的电压,本设计采用 1 个 LM317T 三端稳压器和 2 个 AMS1117 低压差线性
电压调整器,并通过其附属电路,得到精确稳定的 5 V、3.3 V、1.8 V 三种电压;采用 1 个发光二极管 LD1 和限流电
阻 R5 作为电源指示灯,以显示电源开关的状态;为实时采样电源电压,防止锂电池过放或过充,设计中通过 R1、R2
分压,引出 AD19 端口作为电源采样端口。
(2)直流电机驱动电路
由于竞技比赛的需要,机器人要在避免碰撞的前提下尽可能提高速度,因此要求具有更大功率的驱动器和更灵敏的控
制方式。为此本文采用的电机驱动电源电压为 16.8 V,电流为 20 A;采用占空比范围为 0~95%的 4 路 PWM 信号控
制直流电机,以实现精确的调速[4]。
由于电机功率较大,并要求能实现双向、可调速运行,本文设计了半桥式电力 MOSFET 管,成功实现了对电机的控制。
如图 3 所示,2 路 PWM 信号通过 IR2104 半桥驱动器(half-bridge driver)和相应保护电路连接至型号为 IRF2807 的
MOSFET 管,控制电源与电动机连接线路的通与断,达到控制电机速度的目的。当 PWM 信号占空比较大时,线路导
通时间长,电机速度大;相反,当 PWM 占空比较小时,线路导通时间短,电机速度小。4 个 MOSFET 管在不同时刻
导通组合,实现控制电机转动方向:当 MSFET 管 1 和 4 导通时,电机端口 1 为正、2 为负,电机正转;当 MOSFET
管 2 和 3 导通时,电机端口 2 为正、1 为负,电机反转。
2.3 传感器
(1)红外测距传感器
红外测距传感器[5-6]是机器人的“视觉器官”,通过不断读取其数值并进行判断,才能确定机器人所处位置环境,以确
定机器人下一步该执行什么命令才不致碰撞,并按照理想的路线行走。依据比赛场地规格,本机器人采用 SHARP 公
司的 GP2D12PSD 传感器(后面简称 PSD 传感器),其有效测距范围为 10 cm~80 cm。其原理如图 4(a)所示。
该传感器采用三角测量的原理,如图 4(b)所示红外发光二极管发出红外线光束,当红外光束遇到前方的障碍物时,
一部分反射回来,通过透镜聚焦到后面的线性电性耦合器件 CCD(Charge Coupled Device)上,根据红外光线在 CCD
上聚焦的位置,可知道光线的反射角,进一步折算出物体的距离。由于 PSD 传感器输出电压和实际距离是非线性关系,
可以通过线性插值运算得出其转换近似公式。
根据比赛的需要,机器人应该能够测量不同方向的障碍物的距离,理论上 8 个方位均应设置红外测距传感器;在满足
比赛要求前提下,考虑经济性,本设计采用了 6 个红外测距传感器,其安放位置如图 4(c)所示。通过 1 个或多个传
感器数值可以较精准地确定机器人的位置和墙壁的关系。例如,当正前传感器和左前传感器数值同时很大(距离很小)
时,说明机器人处在一个角落上,前方和左侧均是墙壁,此时可以执行右拐命令,从而走出角落。
(2)远红外火焰传感器组
为能完成灭火任务,机器人必须能确定火焰的大致位置,并能对火焰是否被扑灭做出判断。本文设计了由 28 个红外
接收管组成的 2 个远红外火焰传感器组,前后每个方位各有 14 个红外接收管组成,每 2 个并联并指相同一个方向,2
个传感器组共指向 14 个方向,可以覆盖 360°范围。如图 5(a)所示,14 个端口通过 CD4051 八路转换开关连接至
ATMEGA8—16PC 单片机,其中 SCK、MISO、MOSI 为位选择端口。此外,本设计还可以通过对 14 路读取数据进行
比较,从而确定其最大最小值及相应端口值,方便火源方位的确定。
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猫一样的女子245
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