智能機器人構成原理【驕陽書苑】

1、第二章 智能機器人構成原理,主講：張濤 Email: 電話辦公室：1#實驗樓1505,河南理工大學電工電子實驗中心,第二章 智能機器人構成原理,物理學家來告訴我們,一、怎樣制造智能機器人,第二章 智能機器人構成原理,物理學家來告訴我們,一、怎樣制造智能機器人,Primary Objectives（基本目標） （一）Recognize the Environment （識別環(huán)境） （二）Learn on its own （自主學習） （三）Super-fast brain （超快大腦） （四）Versatile Body （多功能本體,Primary Objective

2、s（基本目標） （一）Recognize the Environment （識別環(huán)境） （二）Learn on its own （自主學習） （三）Super-fast brain （超快大腦） （四）Versatile Body （多功能本體,第二章 智能機器人構成原理,一般可以分為硬件和軟件兩部分構成,二、智能機器人的構成,硬件,軟件,第二章 智能機器人構成原理,從結構和功能上來分,三、智能機器人的硬件構成,一）Recognize the Environment （識別環(huán)境） （三）Super-fast brain （超快大腦） （四）Versatile Body （多功能本體,第二章 智

3、能機器人構成原理,一）Recognize the Environment （識別環(huán)境） 各種傳感器來實現(xiàn)（機器感覺,三、智能機器人的硬件構成,我們人類是通過眼睛來觀察事物、耳朵來辨別聲音、手腳來觸摸事物、鼻子來辨別氣味、舌頭來感覺味道等，那機器人用什么來感世界呢,第二章 智能機器人構成原理,一）Recognize the Environment （識別環(huán)境） 各種傳感器來實現(xiàn)（機器感覺,三、智能機器人的硬件構成,1、 碰撞傳感器 碰撞傳感器是使智能機器人有感知碰撞信息能力的傳感器。也叫“限位開關,第二章 智能機器人構成原理,三、智能機器人的硬件構成,2、遠紅外傳感器 遠紅外傳感器將外界紅外光的

4、變化轉化為電流的變化，在電阻上產生電壓，通過A/D 轉換器反映為01023 范圍內的數(shù)值。外界紅外光越強，數(shù)值越小。因此越靠近熱源，機器人顯示讀數(shù)越小。根據(jù)函數(shù)返回值的變化能判斷紅外光線的強弱,從而能大致判別出熱源的遠近,一）Recognize the Environment （識別環(huán)境） 各種傳感器來實現(xiàn),第二章 智能機器人構成原理,三、智能機器人的硬件構成,3、光敏傳感器 光敏傳感器其實是一個光敏電阻，它的阻值受照射在它上面的光線強弱的影響。大學版機器人智能機器人所用的光敏電阻的阻值在很暗的環(huán)境下為75，室內照度下幾千，陽光或強光下幾十,一）Recognize the Environmen

5、t （識別環(huán)境） 各種傳感器來實現(xiàn),第二章 智能機器人構成原理,三、智能機器人的硬件構成,4、麥克風 麥克風(microphone)是能夠識別聲音聲強大小的聲音傳感器,一）Recognize the Environment （識別環(huán)境） 各種傳感器來實現(xiàn),第二章 智能機器人構成原理,三、智能機器人的硬件構成,5、光電編碼器 光電編碼器是一種能夠傳遞位置信息的傳感器，它由光電編碼模塊及碼盤組成,一）Recognize the Environment （識別環(huán)境） 各種傳感器來實現(xiàn),第二章 智能機器人構成原理,三、智能機器人的硬件構成,6、熱釋電傳感器 熱釋電傳感器對移動的人體熱源敏感，可以探測幾

6、米外的人體。機器人裝上1個或幾個熱釋電傳感器后，你可以讓他一看見你，就向你迎過來，讓他跟著你走,一）Recognize the Environment （識別環(huán)境） 各種傳感器來實現(xiàn),第二章 智能機器人構成原理,三、智能機器人的硬件構成,7、超聲傳感器 超聲傳感器是機器人測距的專業(yè)傳感器，測量距離一般為20cm-6m，測量精度為1%，是測量聲波發(fā)射與收到回波之間的時間差來測量距離的,一）Recognize the Environment （識別環(huán)境） 各種傳感器來實現(xiàn),第二章 智能機器人構成原理,三、智能機器人的硬件構成,8、連續(xù)測距紅外傳感器 SHARP公司推出了創(chuàng)新的GP2D02/ GP2

7、D12連續(xù)測距紅外傳感器，測量范圍為10cm-80cm，參加滅火比賽時，用它來找房間門非常棒,一）Recognize the Environment （識別環(huán)境） 各種傳感器來實現(xiàn),第二章 智能機器人構成原理,三、智能機器人的硬件構成,9、數(shù)字指南針 自主機器人的導航至今仍是世界性難題，借助數(shù)字指南針，可以使大學版機器人辨別方向,一）Recognize the Environment （識別環(huán)境） 各種傳感器來實現(xiàn),第二章 智能機器人構成原理,三、智能機器人的硬件構成,10、溫度傳感器 想讓機器人動態(tài)告訴你氣溫嗎？加一個溫度傳感器是個好方法,一）Recognize the Environmen

8、t （識別環(huán)境） 各種傳感器來實現(xiàn),第二章 智能機器人構成原理,三、智能機器人的硬件構成,11、無線視覺傳感器 用智能機器人來作移動的監(jiān)視平臺。你可以在上安裝無線攝像頭，把視頻信號發(fā)射出來，用PC機接收后進行圖象處理,一）Recognize the Environment （識別環(huán)境） 各種傳感器來實現(xiàn),第二章 智能機器人構成原理,三、智能機器人的硬件構成,11、紅外避障傳感器 用來探測的不同方向的障礙物，可以使機器人有效的避開障礙物,一）Recognize the Environment （識別環(huán)境） 各種傳感器來實現(xiàn),第二章 智能機器人構成原理,三、智能機器人的硬件構成,還有各種各樣的傳感

9、器，如火星車上的礦物質傳感器，用來探測火星上的巖石的元素，從而來推測火星上是否有水的存在；濕度傳感器、煙霧傳感器等等。 總之，隨著電子技術、納米技術、控制技術、機械加工等科技的發(fā)展，傳感器技術進一步發(fā)展，能夠為智能機器人提供更多的先進的傳感器，使其“感覺”更加豐富,一）Recognize the Environment （識別環(huán)境） 各種傳感器來實現(xiàn),智能機器人構成原理,三）Super-fast brain （超快大腦,三、智能機器人的硬件構成,我們人類是通過眼睛來觀察事物、耳朵來辨別聲音、手腳來觸摸事物、鼻子來辨別氣味、舌頭來感覺味道等，把這些信息送到大腦里，進行判斷處理，指揮我們的肢體進行

10、相應的動作，那機器人用什么來進行思考呢？ 各種處理器,智能機器人構成原理,三）Super-fast brain （超快大腦） 各種處理器,三、智能機器人的硬件構成,處理器通常指微處理器、微控制器和數(shù)字信號處理器這三種類型的芯片。 1、微處理器（MPU） 通常代表一個功能強大的CPU,但不是為任何已有的特定計算目的而設計的芯片。這種芯片往往是個人計算機和高端工作站的核心CPU。微處理器在電路板上必須包含ROM、RAM、總線接口及這種外設器件，從而降低了系統(tǒng)的可靠性。ARM9以上和INTEL X86等,智能機器人構成原理,三）Super-fast brain （超快大腦） 各種處理器,三、智能機器

11、人的硬件構成,2、微控制器（MCU） 微控制器一般以某一種內核為核心，芯片內部集成ROM、E2ROM、RAM、總線、總線邏輯、定時、計數(shù)器、看門狗、GPIO、PWM、AD、DA、FLASH等各種必要功能和外設，實現(xiàn)嵌入式應用,故稱單片機(single chip microcomputer)。為了更好滿足控制領域的嵌入式應用,單片機中不斷擴展?jié)M足控制要求的電路單元。目前,單片機已廣泛稱作微控制器（MCU）。ARM7、ARM CortexM3內核組成的芯片等,智能機器人構成原理,三）Super-fast brain （超快大腦） 各種處理器,三、智能機器人的硬件構成,3、數(shù)字信號處理器（DSPs）

12、 數(shù)字信號處理器（DSPs）里的CPU是專門設計用來極快地進行離散時間信號處理計算的,比如那些需要進行音頻和視頻通信的場合。DSPs內含乘加器,能比其它處理器更快地進行這類運算。最常見的是TI的TMS320CXX系列和Motorola的5600X系列,智能機器人構成原理,三）Super-fast brain （超快大腦） 各種處理器,三、智能機器人的硬件構成,4、可編程控制器（PLC） 可編程控制器(Programmable logic Controller) ，是指以計算機技術為基礎的新型工業(yè)控制裝置。說明的是PLC其實也是單片機做的，只是特殊的單片機專用的一類芯片），主要特點；穩(wěn)定性高。缺

13、點：價格高,智能機器人構成原理,三）Super-fast brain （超快大腦） 各種處理器,三、智能機器人的硬件構成,5、PC機計算機 直接用我們的計算機，來做為機器人的大腦進行復雜的數(shù)據(jù)處理，來控制機器人相應的動作,智能機器人構成原理,三）Super-fast brain （超快大腦） 各種處理器,三、智能機器人的硬件構成,目前我們常用的處理器有哪些呢？ 1、8051 單片機 最早有Intel公司推出8051/31類單片機,也是世界上使用量最大的幾種單片機之一.由于Intel公司將重點放在186,386,奔騰等與PC類兼容的高檔芯片開發(fā)上,8051類單片機主要有Philips,三星,華幫

14、等公司接手.這些公司在保持與8051單片機兼容基礎改善了8051的許多特點.提高了速度,降低了時鐘頻率,放寬了電源電壓的動態(tài)范圍,降低了產品價格,智能機器人構成原理,三）Super-fast brain （超快大腦） 各種處理器,三、智能機器人的硬件構成,2、Atmel 單片機 ATMEL 公司最令人注目的是它的EEPROM 電可擦除技術、閃速存儲器技術。其生產的AT90系列是增強型RISC內載FLASH單片機,通常稱為AVR系列.AT91M系列是基于ARM7TDMI 嵌入式處理器的ATMEL 16/32 微處理器系列中的一個新成員該處理器用高密度的16 位指令集實現(xiàn)了高效的32 位 RISC

15、 結構且功耗很低.另外ATMAL的增強型51系列單片機目前在市場上仍然十分流行,其中AT89S51/52十分活躍,智能機器人構成原理,三）Super-fast brain （超快大腦） 各種處理器,三、智能機器人的硬件構成,3、Microchip 單片機 Microchip 單片機是市場份額增長最快的單片機.他的主要產品是 16C 系列 8 位單片機,CPU采用 RISC 結構,僅 33 條指令,運行速度快,且以低價位著稱,一般單片機價格都在 1 美元以下. Microchip 單片機沒有掩膜產品,全部都是 OTP 器件(現(xiàn)已推出 FLASH 型單片機).Microchip 強調節(jié)約成本的最優(yōu)

16、化設計,是使用量大,檔次低,價格敏感的產品,智能機器人構成原理,三）Super-fast brain （超快大腦） 各種處理器,三、智能機器人的硬件構成,4、TI 公司的 MSP430 系列單片機 MSP430 系列單片機是由 TI公司開發(fā)的 16 位單片機。其突出特點是超低功耗，非常適合于各種功率要求低的場合。有多個系列和型號，分別由一些基本功能模塊按不同的應用目標組合而成。典型應用是流量計、智能儀表、醫(yī)療設備和保安系統(tǒng)等方面。由于其較高的性能價格比，應用已日趨廣泛,智能機器人構成原理,三）Super-fast brain （超快大腦） 各種處理器,三、智能機器人的硬件構成,5、凌陽單片機

17、中國臺灣凌陽科技股份有限公司(Sunplus Technology CO. LTD)至力于8位和16位機的開發(fā).SPMC65 廣泛應用于家用電器、工業(yè)控制、儀器儀表、安防報警、計算機外圍等領域。SPMC75 系列單片機自主知識產權的MSP（Microcontroller and Signal Processor）16 位微處理器SPMC75 系列單片機集成了多種功能模塊：多功能 I/O 口、串行口、 ADC 、定時計數(shù)器等，以及 能產生電機驅動波形的 PWM 發(fā)生器 、多功能的捕獲比較模塊、 BLDC 電機驅動專用位置偵測接口、兩相增量編碼器接口等特殊硬設，主要用于變頻馬達驅動控制,智能機器人

18、構成原理,三）Super-fast brain （超快大腦） 各種處理器,三、智能機器人的硬件構成,6、Motorola 單片機 Motorola是世界上最大的單片機廠商,品種全,選擇余地大,新產品多,在8位機方面有68HC05和升級產品68HC08,8位增強型單片機68HC11,升級產品有68HC12. 16位單片機68HC16也有十多個品種.32位單片機683XX系列也有幾十個品種.近年來以PowerPC,Codfire,M.CORE等作為 CPU,用 DSP 作為輔助模塊集成的單片機也紛紛推出,目前仍是單片機的首選品牌. Motorola 8 位單片機過去策略是掩膜為主,最近推出OTP計

19、劃以適應單片機的發(fā)展,在32位機上,M.CORE在性能和功耗上都勝過 ARM7,智能機器人構成原理,三）Super-fast brain （超快大腦） 各種處理器,三、智能機器人的硬件構成,7、Zilog 單片機 Z8 單片機是該公司的產品,采用多累加器結構,有較強中斷處理能力.產品為 OTP 型,Z8 單片機的開發(fā)工具可以說是物美價廉.Z8 單片機以低價位的優(yōu)勢面向低端應用,以18引腳封裝位主,ROM 位 0.52KB.最近 Zilog 公司又推出了 Z86 系列單片機,該系列內部集成廉價的 DSP單元,智能機器人構成原理,三）Super-fast brain （超快大腦） 各種處理器,三、

20、智能機器人的硬件構成,8、Scenix單片機 Scenix單片機(Ubicom公司)的I/O模塊最有創(chuàng)意.I/O模塊的集成與組合技術是單片機技術不可缺少的重要方面.除傳統(tǒng)的I/O功能模塊如并行I/O, URT, SPI, I2C, A/D,PWM,PLL,DTMF等,新的I/O模塊不斷出現(xiàn),如USB,CAN,J1850,最具代表的是Motorola 32 位單片機,它集成了包括各種通信協(xié)議在內的I/O模塊,而Scenix單片機在I/O模塊的處理上引入了虛擬I/O的概念. Scenix單片機采用了RISC結構的 50MHz CPU. 單片機的封裝采用 20/28 引腳.公司提供各種I/O的庫函數(shù)

21、,如多路UART,多種A/D, PWM, SPI, DTMF, FSK,LCD驅動等,這些都是通常用硬件實現(xiàn)起來相當復雜的模塊,智能機器人構成原理,三）Super-fast brain （超快大腦） 各種處理器,三、智能機器人的硬件構成,9、NEC單片機 NEC 單片機自成體系,以 8 位機 78K 系列產量最高,也有 16 位,32 位單片機.16 位單片機采用內部倍頻技術,以降低外時鐘頻率.有的單片機采用內置操作系統(tǒng). NEC 的銷售策略注重服務大客戶,并投入相當大的技術力量幫助大客戶開發(fā)新產品,智能機器人構成原理,三）Super-fast brain （超快大腦） 各種處理器,三、智能機

22、器人的硬件構成,10、東芝單片機 東芝單片機從 4 位倒 64 位,門類齊全.4 位機在家電領域仍有較大市場.8 位機主要有 870 系列,90 系列等.該類單片機允許使用慢模式,采用 32KHz 時鐘功耗低至 10uA數(shù)量級.CPU 內部多組寄存器的使用,使得中斷響應與處理更加快捷.東芝公司的32位機采用MIPS3000 ARISC的 CPU結構,面向 VCD,數(shù)字相機,圖象處理市場,智能機器人構成原理,三）Super-fast brain （超快大腦） 各種處理器,三、智能機器人的硬件構成,11、富士通單片機 富士通也有 8 位,16 位和 32 位單片機,但是 8 位機使用的是 16 位

23、的 CPU 內核.也就是說 8 位機與16位機指令相同,使得開發(fā)比較容易.8位機有名是MB8900系列,16位機有MB90系列。富士通注重服務大公司,大客戶,幫助大客戶開發(fā)產品,智能機器人構成原理,三）Super-fast brain （超快大腦） 各種處理器,三、智能機器人的硬件構成,12、Epson 單片機 Epson(日本愛普生)公司以擅長制造液晶顯示器著稱,故Epson單片機主要為該公司生產的LCD配套.其單片機的LCD驅動做的特別好.在低電壓,低功耗方面也很有特色.目前0.9V供電的單片機已經(jīng)上市,不久 LCD顯示手表將使用 0.5V供電,智能機器人構成原理,三）Super-fast

24、 brain （超快大腦） 各種處理器,三、智能機器人的硬件構成,13、NS單片機 COP8 單片機是美國國家半導體公司的產品,該公司以生產先進的模擬電路著稱,能生產高水平的數(shù)字模擬混合電路.COP8 單片機內部集成了 16 位 A/D, 這在單片機中是不多見的. COP8單片機內部使用了 EMI 電路, 在”看門狗”電路以及 STOP 方式下的喚醒方式都有獨到之處.此外, COP8 的程序加密也做的非常好,智能機器人構成原理,三）Super-fast brain （超快大腦） 各種處理器,三、智能機器人的硬件構成,14、STC 單片機 STC單片機完全兼容51單片機,并有其獨到之處,其抗干擾

25、性強,加密性強,超低功耗,可以遠程升級,內部有 MAX810 專用復位電路,價格也較便宜,由于這些特點使得 STC 系列單片機的應用日趨廣泛,智能機器人構成原理,三）Super-fast brain （超快大腦） 各種處理器,三、智能機器人的硬件構成,15、三星單片機 三星單片機有 KS51 和 KS57 系列 4 位單片機,KS86 和 KS88 系列 8 位單片機,KS17 系列 16位單片機和KS32系列32位單片機,三星還為ARM公司生產ARM單片機,常見的S344b0等. 三星單片機為 OTP型 ISP 在片編程功能,智能機器人構成原理,三）Super-fast brain （超快大

26、腦） 各種處理器,三、智能機器人的硬件構成,16、華幫單片機 華幫單片機屬于8051類單片機,它們的W78系列與標準的8051兼容,W77系列為增強型51,對8051的時序做了改進.同樣時鐘下速度快了不少.在4位機上華幫有921系列,帶LCD驅動的 741 系列.在 32 位機方面,華幫使用了惠普公司 PA-RISC 單片機技術,生產低位 32 位 RISC單片機,智能機器人構成原理,三）Super-fast brain （超快大腦） 各種處理器,三、智能機器人的硬件構成,17、SST 單片機 美國 SST 公司推出的 SST89 系列單片機為標準的 51 系列單片機,包括 SST89E/V5

27、2RD2, SST89E/V54RD2, SST89E/V58RD2, SST89E/V554RC,SST89E/V564RD等.它與8052系列單片機兼容.提供系統(tǒng)在線編程(ISP 功能).內部 flash 擦寫次數(shù) 1 萬次以上,程序保存時間可達 100年,智能機器人構成原理,三）Super-fast brain （超快大腦） 各種處理器,三、智能機器人的硬件構成,單片機應用領域匯總 1.用圖象傳感器測量線才系統(tǒng) 2.衛(wèi)星電視的串口模擬SPI、I2C的應用，如雷達錄取的數(shù)據(jù)傳送。 3.直接與AD芯片配合進行各種數(shù)據(jù)傳感器配合。 4.利用單片機與PC機的232通訊進行控制，單片機為控制對象。

28、 5.通過IC卡、單片機、PC機構成的各種收費系統(tǒng)。 6.通過單片機控制各種步進電機完成工控任務系統(tǒng) 7.通過單片機控制各種電慈設備完成工控任務系統(tǒng)（如程控交換系統(tǒng)） 8.可應用在電機的變頻技術上的控制領域中。 9.各種測量工具如水位尺，它在水文上的應用很普及,智能機器人構成原理,三）Super-fast brain （超快大腦） 各種處理器,三、智能機器人的硬件構成,單片機應用領域匯總 10.大型指針鐘控制器，主要根據(jù)時間控制電機帶動指針。 11.電子配料控制儀，基于小型生產的自動或半自動控制，如控制上料、攪拌等 12.用定時器和捕獲功能進行某一系統(tǒng)的檢測?？商峁﹫缶⒖刂频?。如水位控制、溫

29、度控制，全自動洗衣機等。 13.電子稱重計 14.教學用儀器、醫(yī)療儀器。 15.由單片機構成的霓虹燈控制器。 16.在剛的熱處理中采用熱磁儀測量,智能機器人構成原理,三）Super-fast brain （超快大腦） 各種處理器,三、智能機器人的硬件構成,單片機應用領域匯總 17.各種金屬探傷儀器。 18.礦山生產智能監(jiān)測儀。 19.煤礦的產煤計數(shù)器 20.汽車安全系統(tǒng) 21.智能玩具 22.用超聲波測量江河水位 23.交流電監(jiān)測儀 24.消防系統(tǒng)報警監(jiān)測儀 25.各類水表、電表,智能機器人構成原理,三）Super-fast brain （超快大腦） 各種處理器,三、智能機器人的硬件構成,總之，單片機技術使用范圍廣，在各種儀器儀表生產單位、石油、化工