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1 引言 機(jī)器人競(jìng)賽是近年來(lái)迅速開(kāi)展起來(lái)的一種對(duì)抗活動(dòng)，它涉及人工智能、機(jī)械、電子、傳感器、精密機(jī)械等諸多領(lǐng)域。通過(guò)競(jìng)賽可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、動(dòng)手能力、團(tuán)隊(duì)寫(xiě)作能力等。其中滅火比賽是開(kāi)展范圍最廣、影響最大的機(jī)器人競(jìng)賽項(xiàng)目之一。 比賽規(guī)則為模仿生活中消防員滅火，機(jī)器人從H點(diǎn)出發(fā)，在四個(gè)房間內(nèi)尋找任意擺放的蠟燭，并且設(shè)法將其滅掉。比賽場(chǎng)地的墻壁高33cm，材質(zhì)為木板，顏色為黑色。尺寸如圖1所示。對(duì)于比賽，得的分越低成績(jī)?cè)胶�。另外根�?jù)選擇的模式不同，計(jì)分時(shí)要乘上相應(yīng)的系數(shù)。 2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)以ATmega32單片機(jī)為核心，它是一種基于增強(qiáng)RISC結(jié)構(gòu)的、低功耗的8位單片機(jī)。其特點(diǎn)為：①片內(nèi)具有32K字節(jié)的可編程Flash;2K字節(jié)的片內(nèi)SRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器;1024個(gè)字節(jié)片內(nèi)在線(xiàn)可編程EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。②片內(nèi)含JTAG接口。③外圍接口。兩個(gè)帶有分別獨(dú)立、可設(shè)置預(yù)分頻器的8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器;一個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器;四個(gè)通道的PWM輸出;8路10位ADC;32個(gè)可編程的I/O口。④低功耗，最高工作頻率為16MHz。 根據(jù)滅火比賽的規(guī)則要求，配以碰撞傳感器、灰度傳感器、火焰?zhèn)鞲衅骱?a href="http://www.54549.cn/keyword/紅外" target="_blank" class="relatedlink">紅外傳感器。通過(guò)兩路PWM控制兩只電機(jī)以驅(qū)動(dòng)滅火機(jī)器人，另外一路滅火電機(jī)由I/O口通過(guò)光電耦合器直接驅(qū)動(dòng)。 2.2 系統(tǒng)電源部分 系統(tǒng)采用單電源供電電路時(shí)比較簡(jiǎn)單，但是考慮到電動(dòng)機(jī)起動(dòng)瞬間電流很大，會(huì)造成電源電壓不穩(wěn)，影響單片機(jī)和輸入電路工作的穩(wěn)定性和可靠性，因此采用雙電源供電方案。將電機(jī)電源和單片機(jī)電源完全隔離。單片機(jī)以及傳感器電路使用8V供電，電動(dòng)機(jī)使用12V供電。提高電動(dòng)機(jī)的供電電壓，可以提高機(jī)器人的運(yùn)行速度，從而可以提高滅火的成績(jī)。 2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分 機(jī)器人需要控制在一個(gè)合適的速度行駛，在滅火的過(guò)程中既要以較快的速度找到火源，又要防止因?yàn)榕鲎捕绊懕荣惖某煽?jī)。小車(chē)的速度是由兩只直流電機(jī)控制。 L298驅(qū)動(dòng)芯片是性能優(yōu)越的小型直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片之一。它可被用來(lái)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)或者是雙極性步進(jìn)電機(jī)。在6—46V的電壓下，可以提供2A的額定電流。L298還有過(guò)熱自動(dòng)關(guān)斷功能，并有反饋電流檢測(cè)功能。為保證L298正常工作，建議加裝片外續(xù)流二極管。由ATmega32單片機(jī)直接輸出兩路 PWM驅(qū)動(dòng)L298N。改變PWM調(diào)制脈沖占空比，可以實(shí)現(xiàn)精確調(diào)速。脈沖頻率對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速有影響，脈沖頻率高連續(xù)性好，但帶負(fù)載能力差;脈沖頻率低則反之。通過(guò)PD2和PD3兩根I/O口線(xiàn)來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。 2.4 傳感器部分 滅火比賽需要機(jī)器人在盡量不碰撞墻壁的基礎(chǔ)上盡可能快地找到蠟燭并將火滅掉。在完成任務(wù)的過(guò)程中首先需要不碰撞墻壁，然后需要判斷前方是否有火焰。在找到火焰后需要判斷蠟燭旁邊的白線(xiàn)。如果碰撞墻壁的話(huà)，需要機(jī)器人能檢測(cè)出來(lái)并進(jìn)行處理，不然就會(huì)發(fā)生機(jī)器人卡死的情況，那就不能完成任何任務(wù)。 圖5所示為紅外傳感器的發(fā)射和接收電路。紅外射管采用脈寬調(diào)制(PWM)驅(qū)動(dòng)，工作在38KHz的頻率下，減少發(fā)射電路的功耗。脈沖發(fā)生器由NE555構(gòu)成，通過(guò)外部的電位器R1來(lái)調(diào)節(jié)占空比和脈沖頻率，由于紅外肉眼不可見(jiàn)，所以電路中加入一個(gè)LED指示燈來(lái)指示紅外發(fā)射管是否在工作。該LED和紅外發(fā)射管串聯(lián)，當(dāng)紅外發(fā)射管正常工作時(shí)，該LED燈會(huì)點(diǎn)亮。接收電路采用西門(mén)子公司生產(chǎn)的紅外專(zhuān)用集成接收芯片SFH506-38，它只有接收到38KHZ的脈沖波時(shí)才會(huì)作用。它內(nèi)部集成了選項(xiàng)、濾波、放大電路，對(duì)外只有3個(gè)引腳：①腳為信號(hào)輸出端;②腳為接地端;③腳為電源端，所以使用起來(lái)非常方便，效果比較理想。 灰度傳感器是模擬傳感器，有一只發(fā)光二極管和一只光敏電阻，安裝在同一面上�；叶葌鞲衅骼貌煌伾臋z測(cè)面對(duì)光的反射程度不同，光敏電阻對(duì)不同檢測(cè)面返回的光其阻值也不同的原理進(jìn)行顏色深淺檢測(cè)。 火焰?zhèn)鞲衅魇悄M傳感器。它利用紅外敏感型元件對(duì)紅外信號(hào)強(qiáng)度的檢測(cè)并將其轉(zhuǎn)換為機(jī)器人可以識(shí)別的信號(hào)，從而來(lái)檢測(cè)火焰信號(hào)�；鹧�?zhèn)鞲衅骺梢杂脕?lái)探測(cè)波長(zhǎng)在700nm~1000nm范圍內(nèi)的紅外線(xiàn)，探測(cè)角度為60o;，其中紅外線(xiàn)波長(zhǎng)在880nm附近時(shí)，其靈敏度達(dá)到最大。 碰撞傳感器使用碰撞開(kāi)關(guān)，通過(guò)I/O口可直接作為數(shù)字量輸入。 2.5 LCD顯示及其它電路 液晶顯示器以其微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧的諸多優(yōu)點(diǎn)，在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。這里采用2行16個(gè)字的DM-162液晶模塊，通過(guò)與單片機(jī)連接、編程，完成顯示功能。 3 滅火機(jī)器人軟件設(shè)計(jì) 場(chǎng)地的四個(gè)房間內(nèi)的任何地方都有可能擺放蠟燭，所以機(jī)器人必須能夠?qū)崿F(xiàn)搜索所有的房間，而且在行走的過(guò)程中不允許碰撞墻壁。找到火源后，通過(guò)滅火裝置迅速將火滅掉。根據(jù)以上的要求設(shè)計(jì)機(jī)器人的滅火邏輯如圖8所示。 機(jī)器人采用左手走規(guī)則，左手走規(guī)則是指機(jī)器人始終沿著左面的墻壁行走，一直走完全程。在行走的過(guò)程中按照起點(diǎn)、一號(hào)房間、二號(hào)房間、三號(hào)房間、四號(hào)房間的順序搜索火源并滅火。機(jī)器人首先讀取傳感器信息，然后對(duì)傳感器的信息進(jìn)行判斷。如果發(fā)現(xiàn)火源，則進(jìn)入滅火子程序，該子程序完成趨光、滅火等功能。 4 結(jié)論 本文根據(jù)滅火比賽規(guī)則的要求，基于單片機(jī)及傳感器原理，以AVR單片機(jī)ATmega32為控制核心，小型直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，設(shè)計(jì)出一種價(jià)格低廉、簡(jiǎn)單實(shí)用的滅火機(jī)器人。通過(guò)簡(jiǎn)單的修改，可以將此機(jī)器人用于其它的競(jìng)賽項(xiàng)目。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊為清潔機(jī)器人的行駛提供動(dòng)力，機(jī)器人啟動(dòng)、行駛和剎車(chē)時(shí)電機(jī)都會(huì)需要較大的驅(qū)動(dòng)電流，該模塊必須能夠提供足夠的電流并保證發(fā)熱量不會(huì)太大。本系統(tǒng)選用了驅(qū)動(dòng)芯片L298N. L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片采用15腳封裝。主要特點(diǎn)是：工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)46V;輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)3A，持續(xù)工作電流為2A;額定功率25W.內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、繼電器線(xiàn)圈等感性負(fù)載;采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號(hào)控制;具有兩個(gè)使能控制端，在不受輸入信號(hào)影響的情況下允許或禁止器件工作有一個(gè)邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作;可以外接檢測(cè)電阻，將變化量反饋給控制電路。使用L298N芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)，該芯片可以驅(qū)動(dòng)一臺(tái)兩相步進(jìn)電機(jī)或四相步進(jìn)電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)。 引腳J1可用于輸入PWM脈寬調(diào)制信號(hào)對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。(如果無(wú)須調(diào)速可將兩引腳接5V，使電機(jī)工作在最高速狀態(tài)。)實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)也很容易，輸入信號(hào)端IN1接高電平輸入端IN2接低電平，電機(jī)M1正轉(zhuǎn)。(如果信號(hào)端IN1接低電平，IN2接高電平，電機(jī)M1反轉(zhuǎn))控制另一臺(tái)電機(jī)是同樣的方式，輸入信號(hào)端IN3接高電平，輸入端IN4接低電平，電機(jī)M2正轉(zhuǎn)。(反之則反轉(zhuǎn))，PWM信號(hào)端A控制M1調(diào)速，PWM信號(hào)端B控制M2調(diào)速�？蓞⒖急�2-2： 表2-2驅(qū)動(dòng)模塊控制表 清潔機(jī)器人必須知道自身位置，在特定位置或區(qū)域進(jìn)行特定的動(dòng)作，完成對(duì)房間的吸塵任務(wù)。它需要通過(guò)傳感器進(jìn)行障礙檢測(cè)，并將障礙物信息傳送給MCU，進(jìn)行決策，最終完成全區(qū)域路徑覆。障礙探測(cè)是指由各種傳感器組成的傳感器陣列對(duì)周?chē)粗h(huán)境進(jìn)行探測(cè)。整個(gè)傳感器陣列就像是清潔機(jī)器人的“眼睛”，收集周?chē)粗h(huán)境的某些信息。清潔機(jī)器人中的傳感器數(shù)量比較多，相關(guān)的有用于環(huán)境感知的傳感器、自身定位傳感器，種類(lèi)繁多，將這些傳感器的信息有效融合是一個(gè)重要問(wèn)題。 方案l：避障用激光傳感器，激光傳感器是一種利用激光技術(shù)進(jìn)行測(cè)量的新型傳感器。它由激光器、激光檢測(cè)器和測(cè)量電路組成，具有能實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸遠(yuǎn)距離測(cè)量、速度快、精度高、量程大、抗光、電干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是激光傳感器價(jià)格昂貴，外接電路設(shè)計(jì)十分復(fù)雜，不適合小車(chē)的需要，因此放棄該方案。 方案2：避障用超聲波傳感器，超聲波傳感器是一種利用超聲波的特性研究的測(cè)量傳感器。它主要由壓電晶片組成，用來(lái)發(fā)射和接收超聲波。超聲波在空氣里傳播時(shí)，會(huì)因不同介質(zhì)的聲阻抗不同而產(chǎn)生反射，因此測(cè)量發(fā)射接收信號(hào)間的時(shí)間差，可以得到障礙物的距離，該信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器，傳送給控制芯片LPC2132，LPC2132發(fā)出控制信號(hào)改變小車(chē)的轉(zhuǎn)向，作出對(duì)障礙物的正確判斷。超聲波傳感器的優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)速度靈敏，可測(cè)距離遠(yuǎn)，收到外界的干擾小，缺點(diǎn)是超聲波在小空間不同方向里會(huì)進(jìn)行多次反射，當(dāng)和障礙物形成一定角度時(shí)，會(huì)發(fā)生鏡面反射，產(chǎn)生幻影，從而動(dòng)作混亂。 方案3：避障用紅外光電開(kāi)關(guān)。紅外發(fā)射器發(fā)出紅外線(xiàn)，遇到障礙物后，光線(xiàn)反射回來(lái)，接受的光感三極管導(dǎo)通，單片機(jī)接受到相應(yīng)的電平信號(hào)。其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)近距離的障礙物反應(yīng)速度靈敏，信號(hào)之間抗干擾能力強(qiáng)，缺點(diǎn)是距離要求近，容易受自然光的影響。經(jīng)過(guò)傳感器性?xún)r(jià)比和課題實(shí)際要求的綜合分析，超聲避障實(shí)現(xiàn)方便，技術(shù)成熟，是移動(dòng)機(jī)器人常用的避障方法，因此我們選擇超聲波傳感器作為機(jī)器人的眼睛[5]。 本系統(tǒng)中采用了US-100超聲波測(cè)距模塊，可實(shí)現(xiàn)2cm~4.5m的非接觸測(cè)距功能，擁有2.4~5.5V的寬電壓輸入范圍，靜態(tài)功耗低于2mA，自帶溫度傳感器對(duì)測(cè)距結(jié)果進(jìn)行校正，同時(shí)具有GPIO，串口等多種通信方式，內(nèi)帶看門(mén)狗，工作穩(wěn)定可靠。 遙控可以使機(jī)器人的操作更加方便，本系統(tǒng)中要通過(guò)智能手機(jī)遙控機(jī)器人，而智能手機(jī)的信號(hào)正是通過(guò)藍(lán)牙發(fā)出，因此只需在機(jī)器人上安裝藍(lán)牙模塊。由于機(jī)器人只接受數(shù)據(jù)，不發(fā)送數(shù)據(jù)，所以只需藍(lán)牙的從機(jī)模塊即可。 本系統(tǒng)中采用了型號(hào)為HC-06的藍(lán)牙模塊，其中編號(hào)06就表示其為從機(jī)模塊，在藍(lán)牙模塊的命名規(guī)則中偶數(shù)命名的型號(hào)出廠時(shí)就確定了從機(jī)，并無(wú)法更改。用戶(hù)不可以自己切換主機(jī)或者從機(jī)，用戶(hù)可以空過(guò)AT指令集對(duì)藍(lán)牙模塊進(jìn)行配置，AT指令集較少，包括修改藍(lán)牙名(限于從機(jī))，修改密碼，修改波特率，詢(xún)問(wèn)版本號(hào)等幾個(gè)基本功能。 |
