基于ARM9嵌入式系统智能灭火机器人控制器设计.pdf

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控制器是智能机器人处理和控制信息的主体,它直接决定了机器人的行为和性能。近几年来随着高性能微控制器和嵌入式系统技术的不断
Oeek电子工程网 地按照规定路径行走,并且机器人的CPU能够实时迅速地读取多个传感器端口数 值,在较短的时间內完成对各端口数值的存储、运算和输出等多和任务。在主控 制器核心CPU的基础上,将各种功能模块、执行机构等连接到CL的引脚上。控 制器总共有28路模拟采样接口。ARM9控制器的系统图如图3所示。 AR\9 刮液晶显示军 指弯针 2KB程序「KB 打寘 RAM 小服电机L 3 (12 B 厂4 了旨出 USB20 EPROM 输出 凵 功*Mos pWM 电机坐动 ivsv 3民视 紧霜 巷压电源 屐口 2个率口 传感器 图3ARM9拉制器系絨图 在此选用Atme1公司生广的 AVR ATmega8微处理器作为辅助单片机。 ATmega 8是基于增强的 AVR RISO结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于它先进的指令 集以及单时钟周期指令执行时间, ATmega8的数据吞吐率高达 I MIPS/Mlz,从 而可以缓减系统在功耙和处理速度之间的矛盾。AVR内核具有丰富的指令集和32 个通用工作寄存器。同时 ATmega8具有一整套的编程与系统开发工具,包括:C 语言编译器、宏汇编、程序调试器/软件仿真器、仿真器及评估板。这样就大大 方便了在硬件基础上进行软件设计。 ARM9处理器含有20路标准数据采集通道通过 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,每秒可采集1000 次。这种设计提高了端口数值读取速度,使机器人能对冑围环境信息做出迅速判 断。ARM9微处理器与辅助单片机如图4所示。 Oeek电子工程网 片, 试端凵 电平 连機至R 转搀三 STR91IFAM# 控制器 ATME GAN. LCD PWM 會号输出 图4ARM9微处理器与辅助单片机 ApIs INOUT VIN Oi VIN LOUT moRE PWR 肀C LDI 图5控制器电縹供电电路图 为了保证灭火机器人灵活行走和低功耗,需要一个体积小,超薄轻巧,功耗 低的显小器。 Union公司生产的LCD满足设计要求,通过与单片机连接、编程、 下载、完成显示功能。 3.2控制器电源供电设计 电源直接影响机器人运行特性。考虑到电动机启动瞬间电流很大,会造成电 源电压不稳,影响单片机和输入电路工作的稳定性和可靠性,因此这里采用双电 源供电方案。电机电源采用容量为2500mAh高放电倍率聚合物锂电池,工作电 压为24V,能提供40A的稳定供电电流,是普通电池的10倍;控制器电源采用 8.4Ⅴ锂电池,并提供电压采样端口,以供电池检测,控制器电源供电电路图如 图5所示。 为获得CPU各端口电路所需要的不同等级的电压,该设计采用1个LM3I7T 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5V,3.3V,1.8V三种电压;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,通过R1,R2分压,引出AD19端口作为电源采样端口。 Oeek电子工程网 4灭火机器人嵌入式系统软件设计 开始 初化 检测到火始 光灭火 启动电机 阿器几号房间 房程 启动相应同家程序 栓测到白 动火葡传感 图6主程序设计 沿右墙 前架 右前在 当范 右前小、N 银心 右翥大 一正前特别 左调 前特另 右转 直走后懑 左转 图7沿右墙前 机器人控制器是一个多任务并行执行的实时掉制器。在软件实现上,灭火机 器人除了要协调控制各个不同功用的电机,还需要对红外、灰度、声音等多种传 感器接收的数据进行传输、处理等。采用c语言可以方便快捷的编写程序。这里 对灭火机器人的每种功能进行模块化处理。总体的思路是:寻找火源。确定火源 方位,接近火源,趋光灭火,回家。主程序设计流程图如图6所示。实现起来最 基本的就是使机器人能够顺利的直线行走和拐弯,这一模块称为沿墙走(沿左墙 前,沿左墙后,沿右墙前。沿右墙后),沿右墙前如图7所示。具体为: (1)若正前距离很大,同时右前的距离稍小时,太靠近右墙,执行左转微 调 (2)若正前距离很大,同时右前的距离稍大时,太靠近左墙,执行右转微 调 (3)若忙前距离很大,右前距离适中,就直行; Oeek电子工程网 (4)若正前距离特别小,同时右前距离特别小时,使机器人稍后退可以防 碰撞 (5)岩正前距离比较小,右前距离也比较小时,机器人左转; (6)右前距离很大时,机器人执行右转弯。 其中:(1)~(3)保证了在走直线时可以走直,通过不断调整,使机器人 始终运行在距离墙10~15cm的位置。(4)~(6)保证了机器人顺利拐弯和进 房间。沿左墙行走及反方向沿墙行进同理,具体的参数必须在不断试验中反复调 节。几种沿墙走配合使用就可以实现全部房间的遍历和回家,再加上趋光和灭火 的模块就完成了整个灭火任务。 5灭火实验 在硬件的设计和实现的基础上,用C语言编写了让器人智能搜索房间,发现 火源并灭火回家的程序。在不断对各种参数的调节后,该机器人可以在8s内完 成仟意房间灭火,灭完火后,机器人自动回家。统计了30组数据,如表2所小。 灭火照片如图8所示。 囊2灭火实验有关数据 情况 次数 实验 沿埼走直线时调整 碰撞 正确拐霄 30 找准火 29 成功灭火 29 图8灭火照片 6结语 实际测试证明该设计的灭火机器人能够较好完成灭火任务,具有一定参考和 使用价值。该设计的创新之处为:以AWO9为核心的嵌入式系统的控掉制器运行速 Oeek电子工程网 度高,能够高速采集和处理传感器系统信号,并发出相应的搾制信号,实现8s 内完成任意房间灭火;该设计采用了嵌入式系统内核,大大提高了机器人处理信 号的能力;STR91FAM46和AVR- ATMEGA8-16PC的选用在实现了功能强大的同时, 保证了良好的扩展性,并且成本较低,有利于智能机器人早日实现市场化;双电 源供电系统的引入,使机器人的运行更加稳定可靠;通过沿墙行进规则的设计, 机器人的灵敏度和适应外界变化的特性明显提高,且程序简捷,有利」模块化编

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2019-09-05
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