單片機機器人設計(共28頁)

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上 智能機器人設計總設計師： 目的：設計以AT89S51為機器人核心的智能機器人摘 要   巡線機器人是一個復雜的機電一體化系統(tǒng)，涉及機械結構、自動控制、通信、傳感器信息融合、電源技術等多個領域。自主巡線機器人能跨越線路附件、線塔等障礙物，實施大范圍、長時間的線路巡檢作業(yè)。 本文介紹了一種沿高壓電力線行走并自動跨越障礙物的巡線機器人，并詳細介紹了這種機器人控制系統(tǒng)的硬件電路設計和軟件編程，以及該系統(tǒng)硬件和軟件的幾種抗干擾措施，實現(xiàn)了計算機控制。本控制系統(tǒng)以AT89S51單片機為核心，根據(jù)傳感器檢測到的信號，分別控制11個

2、直流電機正反轉，完成巡線機器人的各種動作，按照預定的固定路線行走。此機器人具有自動檢測障礙，并跨越障礙物，準確行走、準確定位等特征，結構較簡單，易于實現(xiàn)。 關鍵詞： 機器人 越障 傳感器檢測 抗干擾  目 錄 緒論1.1機器人的發(fā)展概況機器人是一種自動化的機器，所不同的是這種機器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機器。機器人的應用越來越廣泛，幾乎滲透到所有領域。移動機器人是機器人學中的一個重要分支。對移動機器人的研究，出現(xiàn)了許多新的或挑戰(zhàn)性的理論與工程技術課題，引起

3、越來越多的專家學者和工程技術人員的興趣，更由于它在軍事偵察、掃雷排險、防核化污染等危險與惡劣環(huán)境以及民用中的物料搬運上具有廣闊的應用前景，使得對它的研究在世界各國受到普遍關注。機器人的研究，存在著兩條不同的技術路線：一條是日本和瑞典所走的“需求牽引，技術驅動”，結合工業(yè)發(fā)展的需求，開發(fā)出一系列特定應用的機器人，如：弧焊、點焊、噴漆、裝配、刷膠、建筑等等,從而形成了龐大的機器人產業(yè)；一條是把機器人作為研究人工智能的載體，即：單純從技術上模仿人或動物的某些功能出發(fā)，研究有關智能的問題和智能機器人，如：美國、歐洲的一些大學及研究所進行的工作。移動機器人要想走向實用，必需擁有能勝任的運動系統(tǒng)、可靠的導

4、航系統(tǒng)、精確的感知能力和具有既安全而又友好地與人一起工作的能力。移動機器人的智能指標為自主性、適應性和交互性。適應性是指機器人具有適應復雜工作環(huán)境的能力(主要通過學習)，不但能識別和測量周圍的物體，還有理解周圍環(huán)境和所要執(zhí)行任務的能力，并做出正確的判斷及操作和移動等能力。自主性是指機器人能根據(jù)工作任務和周圍環(huán)境情況，自己確定工作步驟和工作方式；交互是智能產生的基礎，交互包括機器人與環(huán)境、機器人與人及機器人之間三種，主要涉及信息的獲取、處理和理解。隨著電子技術的飛速發(fā)展，機器人用傳感器正走向成熟，計算機的計算能力正得到顯著提高，移動機器人的關鍵技術得到深入而廣泛的研究，并且部分已經走向成熟，移動

5、機器人領域正處于一個激動人心的時刻正一步一步走向人們生活的各個領域。當前，移動機器人系統(tǒng)及其關鍵技術研究的趨勢包括：現(xiàn)場與服務機器人：繼續(xù)開拓新的應用領域，研制新的機型，進行更多、更復雜、更符合實際的現(xiàn)場試驗，積累更多的經驗，吸取更多的教訓，為實用化奠定堅實的基礎。高完整性機器人：機器人工作時，不僅要與周圍的設備共同工作，而且要與人一同工作，所以研制高完整性的機器人，有可能使其早日實用化。多移動機器人系統(tǒng)：多移動機器人系統(tǒng)的理論研究和工程實現(xiàn)已經成為機器人學的研究熱點，這也是移動機器人發(fā)展的必然趨勢。主動環(huán)境：目前制造一個完全自主的機器人是很困難的。就像人一樣，需要幫助，需要借助外界的力量來完

6、成自己的使命。因此，提出主動環(huán)境的概念，即環(huán)境能為機器人提供所需的信息。所以，研究移動機器人與環(huán)境之間的有機結合，將會使其早日走向實用。人與機器人融合：人本身的智能，到今天也沒有完全明白，機器人也就難以直接進化了。充分發(fā)揮人的智能，發(fā)展監(jiān)控技術和良好的人機交互技術，甚至人機融入一體，是移動機器人走向實用的又一個途徑。智能技術:應用于移動機器人研究的各個方面，涉及傳統(tǒng)人工智能和新的人工智能。由于關于人的智能到目前還沒有揭開它的面紗，所以，沒有一個理論可以用來完全指導研究智能的實現(xiàn)技術。當前開發(fā)的各種智能技術，可用于不同的各個方面。今后的發(fā)展，除了繼續(xù)尋找新的智能技術之外，主要是各種技術的綜合運用

7、，相互補充。移動機器人要走向人類的日常生活，必須綜合運用智能技術。包括智能運動控制技術、智能規(guī)劃技術、智能行為技術以及它們的學習機制，這是機器人學中的關鍵基礎研究。經過近幾十年的發(fā)展，機器人已初步形成了一個近百萬人的“王國”，機器人發(fā)展迅速，種類繁多，國際上依據(jù)其技術特點和規(guī)模大小的不同，對它們進行了分類。1990年在工業(yè)機器人國際標準大會上把機器人分為四類：（1）順序型；很多固定作業(yè)的裝配機械手都屬于此類。（2）沿軌道作業(yè)型。這類機器人能執(zhí)行受控過程。（3）遠距離作業(yè)型。這類機器人可接受遙控，對操作者的行為反應可通過編程實現(xiàn)，應用于核工業(yè)、真空、宇宙、海洋開發(fā)等領域按應用領域。（4）適應型或

8、者智能型。它們具有感知、適應或學習功能。具體則可分為工業(yè)機器人、農業(yè)機器人、特種工作機器人、醫(yī)療機器人、體育機器人、講解機器人、服務機器人、戰(zhàn)場機器人、“小人國”機器人等等，其中“特種機器人”又可分為太空機器人、核工業(yè)機器人、深海機器人，以及救災機器人等。在這個機器人王國中，目前主要成員是工業(yè)機器人，它占總數(shù)的70%以上，全球正在工作的工業(yè)機器人共有74萬，我國有3000臺左右。這只新興工業(yè)大軍的形成，必將為人類的工農業(yè)生產作出突出貢獻。 工業(yè)機器人已經廣泛地應用于各種自動化的生產線上，它是機器人家族中最重要的成員。最初主要是為了解決工業(yè)生產中的自動化問題，由機械手臂、控制裝置、機座、能源裝置

9、和驅動裝置等幾部分構成。工業(yè)機器人大部分在汽車制造、電子、機械等行業(yè)從事焊接、油漆、裝配、包裝、零件加工、搬運等專業(yè)性工作。機器人是人類創(chuàng)造的一種特殊機器，在生產和生活等方面，特別是在危險和極限環(huán)境作業(yè)中，有著廣泛的應用前景。機器人正發(fā)展成為一個龐大的家族，代替人們從事各種各樣的工作。1.2 課題的提出及意義移動機器人技術的發(fā)展，為架空電力線路巡檢提供了新的移動平臺。電力傳輸必須依靠高壓輸電線路，它的安全穩(wěn)定運行直接影響電力系統(tǒng)的可靠性。由于輸電線路分布點多、面廣，絕大部分遠離城鎮(zhèn)，所處地形復雜，會受到持續(xù)的機械張力、材料老化的影響而產生斷股、磨損、磨蝕等損傷，不及時修復更換，最終導致嚴重事故

10、。所以必須對輸電線路進行定期巡視檢查。目前, 國內巡線的方法主要依靠巡視人員的目測，很難達到理想的效果，特別是在地形復雜的山區(qū)，不僅巡線人員體力消耗大，而且效率也非常低；另外，在一些特殊的工作場合中，如鐵路電力機車供電系統(tǒng)，巡視人員在工作時人身安全常常受到威脅；一些國家由巡線工人乘坐懸掛在架空線上的吊籃進行巡視，效率非常低下。因此，人工巡線效率低，勞動強度大，同時受到地理條件的限制。采用機器人自動巡線成為保障高壓輸電線安全運行的一種必要手段。巡線機器人的能夠在高壓輸電線上穩(wěn)定爬行，具有一定的爬行速度；能夠避越高壓線上的線夾、防震錘等障礙；在故障情況下有可靠的緊急安全措施。同時還要求巡線機器人具

11、有重量輕、結構緊湊、便于攜帶的特點。巡線機器人能夠帶電工作，利用攜帶的傳感儀器對桿塔、導線及避雷線、絕緣子、線路金具、線路通道等實施接近檢測，代替工人進行電力線路的巡檢工作，可以進一步提高巡線的工作效率和巡檢精度。因此，巡線機器人成為巡線技術研究的熱點。本設計選擇的巡線機器人是當今社會機器人研究的熱點課題，這種類型的機器人能夠在高壓線等各種危險和極限環(huán)境中作業(yè)，應用廣泛。此外，本課題是為了學習知識的需要，設計簡單，僅在實驗室提供的機器人機構的基礎上完成并調試，與具體外界環(huán)境應用中的機器人還有很大差距，有待于進一步地研究與設計。1.3本設計的主要任務 本文主要結合巡線機器人的性能要求及工作環(huán)境來

12、確定該機器人控制系統(tǒng)的組成結構，以AT89S51單片機為核心，完成硬件電路的設計和軟件編程，實現(xiàn)機器人的計算機控制。此外，還詳細地介紹了該控制系統(tǒng)的幾種硬件和軟件抗干擾措施，以消除環(huán)境噪聲帶來的影響，提高機器人控制系統(tǒng)地的可靠性與適應性，達到系統(tǒng)的最優(yōu)化結構，更好地完成預巡檢任務。本設計的主要任務包括以下幾個方面：（1）巡線機器人越障過程分析；（2）以AT89S51單片機為核心的控制系統(tǒng)硬件設計；（3）軟件編程；（4）硬件和軟件的抗干擾設計。通過本次設計，掌握了51單片機控制系統(tǒng)的硬件設計與程序調試，最終實現(xiàn)了巡線機器人的自動越障功能，達到了設計要求。2 機器人的工作原理2.1機器人的機械結構

13、巡線機器人是一個機電一體化系統(tǒng)，涉及到機構、控制、通信、定位系統(tǒng)、移動平臺上傳感器的集成和信息融合、電源等，而機械機構是整個系統(tǒng)的基礎，也是目前制約巡線機器人發(fā)展的技術障礙之一。 巡線機器人機械機構的設計要求是：（1）能在架空高壓線上以期望的速度平穩(wěn)爬行；（2）具有一定的爬坡能力；（3）能夠避越高壓線路上的防震錘、線夾、絕緣子、線塔等障礙；（4）在故障情況下有可靠的自保安措施，防止機器人摔落；（5）提供足夠的空間安裝所攜帶的電源以及探測、記錄和分析處理儀器。 本設計的巡線機器人機械結構如圖2.1所示，它主要由機器人機身、控制箱、滑輪、光電傳感器、限位開關和直流電機等組成，還包括一個手動控制器。

14、其中，控制箱部分相當于機器人的大腦，機械部分等同于機器人的軀體，根據(jù)接收到的光電傳感器和限位開關信號，控制器發(fā)出信號控制電機的起停及正反轉，最終完成巡線機器人的越障動作。此巡線機器人應用步進式爬行機構，可實現(xiàn)在管線上爬行，該機構通過三只手臂的交替移動完成爬行。越障機構是巡線機器人機械結構的關鍵。由于機器人懸掛在架空線上,越障時應保證機器人姿態(tài)平穩(wěn),并保持與其它導線和線塔金屬部件的安全間距,因此設計難度較大。本設計采用了仿人攀援的手臂越障機構,姿態(tài)控制較為復雜。機械臂上部為爬行驅動機構,下部通過旋轉關節(jié)相互鏈接。遇到障礙時,機械臂之間相互配合,采用仿人攀援策略調整姿態(tài),跨越障礙。由于采用多只多自

15、由度機械臂,機器人可以完成復雜的空中姿態(tài)調整,因而可跨越各種類型的線路障礙。機械結構的設計主要是越障機構機械臂的設計。三只手臂均可完成升降、張開、閉合等動作，分別由驅動電機提供動力源。其中，手臂的主要結構是一螺旋桿機構。當需要跨越障礙物時，利用小臂和大臂的升降、張開、閉合運動協(xié)調動作，完成在電力線上行走，實現(xiàn)越障功能。這種爬行機構結構簡單，實現(xiàn)的動作也較單一，但有利于機器人的控制。2.2機器人的越障過程本課題設計的巡線機器人，根據(jù)檢測的傳感器信號控制11個直流電機，驅動機器人行走以及大、小臂的張開、閉合與升降,并采用一個繼電器附加電路，使其中8個直流電機具有正轉(PR )，反轉(NR )，停止

16、(ST )三種工作方式，另外3個電機僅具有正轉(PR )，停止(ST )兩種工作方式，因此對于整個機器人共具有7種工作方式, 即:1) 機器人本身向前移行走（ PR- ST）2) 大臂上升（PR- ST）3) 大臂下降（NR- ST）4) 小臂上升（PR- ST）5) 小臂下降（NR- ST）6) 小臂張開（PR- ST）7) 小臂閉合（NR- ST）圖2.2 巡線機器人的機械機構這些動作的完成是建立在一定的機械結構基礎上的，這些結構主要包括手掌開合裝置、螺桿升降裝置、電機驅動裝置等等。這些裝置構成了機器人的一個基本骨架，再附加上控制電路部分，就構成了一個完整的機電一體化系統(tǒng)。當按下啟動按鈕后

17、，行走電機驅動機器人機身在電力線上向前行走，傳感器開始檢測電路。當檢測信號提示碰到障礙物時，機器人最前面開合電機正轉，控制手掌開合裝置動作，使其相應的小臂張開，張開限位傳感器檢測，若達到預定的位置后，檢測信號提示完成；否則，繼續(xù)檢測，機器人繼續(xù)向前行走。這樣，機器人完成越障過程的第一個動作小臂張開。隨后大臂升降電機反轉，控制螺桿升降裝置動作，使機器人相應的大臂下降，限位傳感器進行位置檢測，若達到預定的位置，檢測信號提示完成；否則，繼續(xù)檢測，大臂繼續(xù)下降，直到位置傳感器有信號發(fā)出。于是，機器人完成了越障過程的第二個動作大臂下降。然后，機器人后面的兩個行走電機正轉，控制機器人機身向前行走。障礙檢測

18、傳感器檢測障礙，若有信號發(fā)出，小臂升降電機正轉，控制螺桿裝置動作，使其相應的小臂上升；否則，繼續(xù)檢測，機器人繼續(xù)向前行走，直到檢測到小臂上升到位。機器人完成了越障過程的第三個動作小臂上升。位置檢測傳感器若檢測到小臂上升到位，則開合電機反轉，控制手掌開合裝置動作，完成越障過程的第四個動作小臂閉合；否則，大臂升降電機正轉，控制螺桿升降裝置動作，使機器人大臂上升，位置檢測傳感器繼續(xù)檢測，直到有信號發(fā)出為止。傳感器檢測到小臂閉合到位后，轉入第二只臂的越障過程。其具體過程與第一只臂的越障過程類似，在此不再贅述。 越障機構是巡線機器人機構的關鍵，遇到障礙時，機械臂之間相互配合，由于機器人懸掛在架空線上，越

19、障時應保證機器人姿態(tài)平穩(wěn)，并保持與其它導線間的安全間距。因此具體的設計過程較復雜，要考慮多方面的因素。在機械機構運轉良好的前提下，傳感器模塊才能循環(huán)檢測，驅動電機控制機器人重復動作，完成了一個完整的越障過程。這個越障過程由預先編入到計算機中的匯編程序進行控制，硬件和軟件相結合，從而實現(xiàn)了巡線機器人越障過程的計算機控制。因此，機械結構是整個機系統(tǒng)的基礎，是完成越障過程的一個平臺。另外本文所介紹的巡線機器人的越障功能，只是針對靜態(tài)的障礙物來說的，對于移動障礙物，由于它運動的不確定性，常常要進行運動規(guī)劃、建模，并加入適量的算法。2.3 小結本章簡單地介紹了巡線機器人的機械結構，并對其越障過程進行了詳

20、細地分析，為硬件和軟件相結合的控制系統(tǒng)提供了平臺。該機構通過三只手臂的交替移動完成在高壓線上的爬行，較好的實現(xiàn)了自動越障功能，后續(xù)章節(jié)中我們將詳細介紹控制系統(tǒng)的設計。專心-專注-專業(yè)3 控制系統(tǒng)的硬件構成3.1概述該機器人的控制系統(tǒng)是由AT89S51單片機、電機驅動模塊、傳感器電路三大模塊組成 。以AT89S51單片機為核心，由傳感器對障礙位置進行檢測，并把檢測信號傳回CPU處理，控制機器人自動調節(jié)自身位置，自動完成沿軌跡行駛、越障等功能，實現(xiàn)沿高壓電力線行走功能。在設計中制作由11臺直流電機作為驅動源的機構，還加了穩(wěn)壓電源、單片機控制電路、直流電機驅動電路、LED顯示電路等。整個控制系統(tǒng)的原

21、理圖如下：AT89S51單片機控制電路電機驅動模塊直流電機正轉直流電機反轉電源模塊障礙檢測傳感器張開限位傳感器閉合限位傳感器紅外傳感器圖 3.1 機器人控制系統(tǒng)組成圖3.2控制器的特點及選擇AT89S51芯片以計算機為平臺，實現(xiàn)控制作用。該平臺采用總線結構，其中三總線結構尤為普遍，如3.2圖所示。微處理器MPU是通過AB、DB、CB三總線同存儲器ROM和RAM及I/O接口相連的。圖3.2 計算機平臺的基本機構3.2.1控制器的結構與組成 該設計選用的控制系統(tǒng)是MCS-51單片機。單片機由AT89S51單塊集成芯片電路構成，內部包含有計算機的基本功能部件：中央處理器CPU、存儲器和I/O接口電路

22、等。它只需要和適當?shù)能浖屯獠吭O備相結合，便可以成為一個單片機控制系統(tǒng)。圖3.3 單片機內部結構是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機，片內含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術制造，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結構，芯片內集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，功能強大的微型計算機的AT89S51可為許多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。AT89S51具有如下特點：40個引腳，4k Bytes Flash片內程序存儲器，

23、128 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數(shù)器，2個全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內時鐘振蕩器。3.2.2 MCS-51單片機引腳介紹圖3.4 單片機芯片引腳引腳信號功能介紹：（1）電源引腳GND和VCCGND為電壓接地端, VCC為+5v電源端.（2）時鐘電路引腳XTAL1和XTAL2XTAL1和XTAL2是外接晶體引線端。當使用芯片內部時鐘時，此二引線用于外接石英晶體振蕩器和電容；當使用外部時鐘時，用于接外部時鐘脈沖信號 。 （3）控制信號引腳ALE、和RSTALE/此引腳是地址

24、鎖存控制信號。在訪問外部存儲器時，ALE用于鎖存出現(xiàn)在P0口的低8位地址，以實現(xiàn)低位地址和數(shù)據(jù)的隔離。此引腳是片外程序存儲器選通信號，低電平有效。/VPP此引腳是訪問外部程序存儲器的控制信號，低電平有效。RST/VPD此引腳是復位信號，高電平有效、當此輸入端保持2個機器周期以上的高電平時，就可以完成單片機的復位初始化操作。此引腳的第二功能VPD為備用電源輸入端。（4）IO(輸入/輸出)端口。（Port）P0、P1、P2和P3這四個口均可作為雙向通用的I/O口用。另外，P3口的第二功能見表1。P3.0RxD串行數(shù)據(jù)接收P3.1TxD串行數(shù)據(jù)發(fā)送P3.2外部中斷0申請P3.3外部中斷1申請P3.4

25、T0定時器/計數(shù)器0計數(shù)輸入P3.5T1定時器/計數(shù)器1計數(shù)輸入P3.6外部寫選通P3.7外部讀選通 表1 P3口引腳信號的第二功能3.2.3穩(wěn)壓電源電源提供的電壓往往會隨交流電源電壓的波動和負載的變化而變化。電壓的不穩(wěn)定有時會產生測量和計算的誤差，引起控制裝置的工作不穩(wěn)定，甚至根本無法正常工作。特別是在精密電子測量儀器、自動控制、計算裝置及晶閘管的觸發(fā)電路等都要求有很穩(wěn)定的直流電源供電。圖3.5時本系統(tǒng)所采用的已經被廣泛應用的單片集成穩(wěn)壓電源7805穩(wěn)壓電源的接線圖。圖3.5 7805接線圖7805輸出穩(wěn)定的+5V電壓，圖3.6為7805穩(wěn)壓器的外形、管腳圖圖3.6 7805穩(wěn)壓器外形、管腳

26、圖 其內部電路也是串聯(lián)型晶體管穩(wěn)壓電路。這種穩(wěn)壓器只有輸入端1、輸出端3和公共端2三個引出端，故也稱為三端集成穩(wěn)壓器。使用時只需在其輸入端和輸出端與公共端之間各并聯(lián)一個電容即可。C1用以抵消輸入端較長接線的電感效應，防止產生自激振蕩，接線不長時也可不用。C2是為了瞬時增減負載電流時不致引起輸出電壓有較大的波動。Cl一般在0.11F之間，如0.33F，C2可用1F。3.2.4 復位電路 單片機復位后，程序計數(shù)器PC和特殊功能寄存器的狀態(tài)都恢復到原來的初始值，等待計算機的下一步命令的狀態(tài)。RST引腳是復位信號的輸入端，復位信號為高電平有效。當高電平持續(xù)24個振蕩脈沖周期（兩個機器周期）以上時，單片

27、機完成復位。外部電路產生的復位信號由RST引腳送入片內斯密持觸發(fā)器，再由片內復位電路在每個機器周期對斯密特觸發(fā)器進行采樣，然后才得到內部復位操作所需要的信號。開關復位實際上是上電復位兼按鍵手動復位。上電復位是在單片機接通電源時，對電容充電來實現(xiàn)的。上電瞬間，RST端的電位與VCC相同。隨著充電電流的減小，RST端的電位逐漸下降，只要在RST端有足夠長的時間保持閾值電壓，AT89S51單片機便可自動復位。當手動開關常開時，為上電復位，按鍵手動復位分為電平方式和脈沖方式兩種。其中，按鍵電平復位是通過使RESET端經電阻與VCC電源接通而實現(xiàn)的，電路如圖3.7所示。圖3.7 AT89S51芯片的開關

28、復位電路3.2.5 時鐘源內部時鐘方式是利用AT89S51內部的振蕩電路，在XTAL1和XTAL2引腳上外接定時元件，內部的振蕩電路便產生自激振蕩，用示波器可以觀察到XTAL2輸出的時鐘信號。最常用的內部時鐘方式是采用外接石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路，電容和一般取30pF左右，C1和C2的大小對振蕩頻率起微調作用；晶體的諧振頻率范圍為1.212MHz。晶體的諧振頻率越高，系統(tǒng)的時鐘頻率也越高，單片機運行速度也就越快。 外部時鐘方式是將外部振蕩信號源直接由XTAL1或XTAL2引腳接入。外部振蕩信號接至XTAL2，而反相放大器的輸入端XTAL1接地。圖3.8 AT89S51芯片的晶振連接圖

29、由AT89S51芯片、穩(wěn)壓電源、復位電路、時鐘源等構成了單片機的最小系統(tǒng)。3.3輸入部分3.3.1用于巡線的光電傳感器介紹傳感器系統(tǒng)已成功地應用于自主移動機器人的實驗研究中。傳感器是自主移動機器人系統(tǒng)必不可少的重要組成部分之一。在完全結構化的環(huán)境中, 假設機器人知道完整準確的環(huán)境信息，此時，傳感器系統(tǒng)用于引導機器人的運動, 監(jiān)控預期任務的執(zhí)行, 處理可能的意外情況。當機器人工作于未知或動態(tài)變化的環(huán)境中時, 因為不能預先獲知環(huán)境的信息, 機器人完全依靠傳感器系統(tǒng)實時感知環(huán)境, 并據(jù)此做出各種控制與處理決策。至今為止已經研發(fā)了各種用途各種類型的機器人傳感器, 如用于定位的測距傳感器, 用于感知物體

30、的聲納傳感器、激光測距傳感器等。 傳感器包含以下方面。 (1)傳感器是一種測量裝置，能夠完成一定的檢測任務； (2)它的輸入量種類很多，且多為模擬信號的非電量； (3)它的輸出量是經轉換后的電量信號，且有一定的對應關系和轉換精度。 傳感器是由敏感元件、傳感元件及測量轉換電路三部分組成的。其中敏感元件是在傳感器中直接感受被測量的元件，通過它可以將被測量信號轉換成為與之有確定聯(lián)系的、便于轉換的非電量信號。該信號再通過傳感元件，被轉換為電參量。測量轉換電路的作用就是將傳感元件輸出的電參量再轉換成易于處理的電壓、電流或頻率量。圖3.9是傳感器組成原理框圖。 圖3.9 傳感器組成原理框圖 本設計采用光電

31、傳感器，它的基本轉換原理是將被測量轉換成光信號的變化，然后將光信號作用于光電元件而轉換成電信號的輸出。光電傳感器可測量的參數(shù)很多，一般情況下具有非接觸式測量的特點，并且光電傳感器的結構簡單，具有很高的可靠性且動態(tài)響應極快。隨著激光光源、光柵、光導纖維等的相繼出現(xiàn)和成功應用，使得光電傳感器越來越廣泛地應用于檢測和控制領域。3.3.2光電傳感器信號的處理光電耦合器實際上是一種光電傳感器。光電耦合器在微機測控系統(tǒng)中的應用是多方面的，如光電隔離電路，長傳輸線隔離器，TTL電路驅動器，CMOS電路驅動器，A/D模擬轉換開關，交流、直流固態(tài)繼電器等。圖3.11 光電傳感器信號輸出 光電耦合器的輸入部分為紅

32、外發(fā)光二極管，可采用TTL或CMOS數(shù)字電路驅動。選用輸出部分為達林頓的光電隔離器，其電流傳輸比CTR可達5000%，即適用于負載較大的應用場合。在采用光電耦合器驅動電磁繼電器的控制繞組時，應在控制繞組兩側反向并聯(lián)二極管D，以抑制吸動時瞬時反電勢的干擾，從而保護輸出管。 光電耦合器的輸入部分為紅外發(fā)光二極管，可采用TTL或CMOS數(shù)字電路驅動，如圖3.12所示。在圖3.12(a)中，輸出電壓VO受TTL電路反相器控制。當反相器的輸入信號為低電平時，輸出信號為高電平，發(fā)光二極管截止，光敏三極管不導通，VO輸出為高電平。反之VO輸出為低電平。Rf電阻的主要作用是限制發(fā)光二極管的正向電流If。TTL

33、門電流作為紅外發(fā)光二極管的控制驅動時，其低電平最大輸入電流Iol為16mA,在一般情況下，取I為10mA。在TTL門電路輸出低電平忽略不計時(一般為0.2V左右)，Rf的計算公式為RL為負載電阻，若使光電鍋臺器工作在飽和狀態(tài),取光敏三極管電流為0.5mA時,RL=30k，則電流傳輸比 圖3.12(b)為CMOS門電路驅動控制。當CMOS反相器輸出為高電平時，Q晶體管導通。紅外發(fā)光二極管導通，光電耦合器中的輸出達林頓管導通，繼電器J吸合，其觸點可完成規(guī)定的控制動作；反之，當CMOS門輸出為低電平時，Q管截止，紅外發(fā)光E二極管不導通，達林頓管截止，繼電器J處于釋放狀態(tài)。 (a)（b）圖3.12 光

34、電耦合器應用舉例 由于CMOS門電路驅動電流很小，應加一級晶體管開關電路驅動,以滿足紅外發(fā)光二極管正向電流If的要求。Rf的計算公式為式中：VDDCMOS門電路電源電壓; Vf二極管正向壓降； VcesQ晶體管飽和壓降。 Q晶體管一般選用開關晶體管，其放大系數(shù)為60100，如3DK6,3DK8等。 選用輸出部分為達林頓管的光電隔離器，其電流傳輸比CTR可達 5000，即Io=50If適用于負載較大的應用場合。在采用光電耦合器驅動電磁繼電器的控制繞組時，應在控制繞組兩側反向并聯(lián)二極管D，以抑制吸動時瞬態(tài)反電勢的干擾，從而保護輸出管。 在使用光電耦合器時，應注意區(qū)分輸入部分和輸出部分的極性，防止接

35、反而燒壞器件。光電耦合器在電路中不應靠近發(fā)熱元件，其工作參數(shù)不應超過規(guī)定的極限參數(shù)。圖3.13 電平轉換電路圖 圖中A點接單片機引腳。單片機與直流電機模塊的電平轉換是借助一個光電耦合隔離器件和一個繼電器組成的電路完成的。光電耦合隔離器件就是由電信號轉換成光信號，再轉換成電信號，達到輸入及對輸出級的隔離。其原理如下圖所示：圖3.14 光電隔離器光電隔離是由光電耦合器件來完成的，是以光為媒介傳輸信號的器件。其輸入端配置發(fā)光元，輸出端配置受光器，因而輸入和輸出在電氣上是完全隔離的。開關量輸入電路接入光電耦合器之后，由于光電耦合器的隔離作用，使夾雜在輸入開關量中的各種干擾脈沖都被擋在輸入回路的一側。除

36、此之外，還能起到很好的安全保障作用。光電耦合器根據(jù)要求不同，由不同種類的發(fā)光元件和受光元件組合成許多系列的光電耦合器。目前應用最廣的是發(fā)光二極管與光敏三極管組合的光電耦合器。采用高性能而廉價的光電耦合器件實現(xiàn)隔離技術，光電耦合器件把發(fā)光元件和受光元件同時封裝在一個器件中，其工作時以光作為媒介來傳遞信息，以便隔離輸入級與輸出級的直接電連接，從而消除干擾。由于光電耦合器件它有一系列獨特的優(yōu)點，目前已廣泛的被應用到計算機測量控制系統(tǒng)中，成為接口技術中常用的十分重要的接口器件。光電耦合器有以下特點：體積小、重量輕、抗機械沖擊能力強，使用方便、價格便宜、性能穩(wěn)定、可靠性強。不受磁場影響，不需磁屏蔽。共模

37、抑制比高，抗干擾能力強。響應速度快，既可以傳輸直流信號，又可以傳輸高達幾MHz的脈沖信號。輸入端和輸出端的地電位可以獨立選取，而且它們之間的絕緣電壓至少可達到1000V，最高可達到50000V。用其切斷地環(huán)路來降低噪聲電平時非常有效的。單向傳送信號，寄生電容反饋小。無觸點、壽命長。3.3.3限位開關輸入的處理 圖3.16 限位開關電路 采用這種并接RC的方法可以抑制抖動的影響，圖3.16表示常開觸點由RC組成的抗干擾電路。當S1未合上前，電容C已充電到+E電壓，A端為“1”；當S1合上時，C經R1放電，A點電位逐漸降低，剛閉合時S1觸點有抖動現(xiàn)象，B點電位急劇變化，但是由于電容C上的電壓不能突

38、變，從而A點電壓不會隨觸點的抖動而急劇變化，于是消除了抖動干擾。 圖3.15中R1的作用是：在開關閉合時增加A點電位的下降延時，以確保下降有一定的抗干擾時間，消除抖動的影響；限制電容C的放電電流，保護開關觸點。R和C的數(shù)值要保證有一個合適的充放電時間常數(shù)。這個時間常數(shù)要大于觸點的抖動時間，又要保證觸點動作完成時，下級元件能及時獲得正常的動作電平。在工程實踐中，R取12k，C取2.24.7F。3.4輸出部分3.4.1直流電機的控制 直流電機制造成本雖然比交流電動機大，但它具有調速特性優(yōu)良、調整平滑和方便、調速范圍廣、過載能力大、能承受頻繁的沖擊負荷、可實現(xiàn)頻繁的無極快速啟動、制動和反轉等一系列優(yōu)

39、點。因此，在控制領域中直流電動機的應用是極其廣泛的。直流電機是機械能和直流電能互相轉換的旋轉機械裝置。直流電機用作發(fā)電機時，它將機械能轉換為電能；用作電動機時，將電能轉換為機械能。本次選用20W的直流電機作為電動機用。直流電機主要由下列三個部分組成（1）磁極 磁極是用來在電機中產生磁場的，它分成極心和極掌兩部分。極心上放置勵磁繞組，極掌的作用是使電機空氣隙中磁感應強度的分布最為合適，并用來擋住勵磁繞組。（2）電樞 電樞是電機中產生成感應電動勢的部分。直流電機的電樞是旋轉的。電樞鐵心呈圓柱狀，由硅鋼片疊成，表面沖有槽；槽戶放電樞繞組。（3）換向器(整流子) 換向器是直流電機中的一種特殊裝置，它是

40、由楔形銅片組成，銅片間用云母墊片(或某種塑料墊片)絕緣。直流電機作電動機運行時，將直流電源接在兩電刷之間而使電流通入電樞線圈。電流方向應該是這樣：N極下的有效邊中的電流總是一個方向，而s極下的有效邊中的電流總是另一個方向。這樣才能使兩個邊上受到的電磁力的方向一致，電樞因而轉動。因此，當線圈的有效邊從N(s)極下轉到s(N)極下時，其中電流的方向必須同時改變，以使電磁力的方向不變。而這也必須通過換向器才得以實現(xiàn)。 直流電機電樞繞組中的電流(電樞電流I)與磁通相互作用，產生電磁力和電磁轉矩。直流電機的電磁轉矩常用下式表示TKIK與電機結構有關的常數(shù)磁通量I直流電機電樞繞組中的電流K和均為常數(shù)，所以

41、電動機的轉矩也就和電樞電流成正比。 電動機的電磁轉矩是驅動轉矩，它使電樞轉動。因此，電動機的電磁轉矩T必須與機械負載轉矩T2及空載損耗轉矩T0相干衡。當軸上的機械負載發(fā)生變化時，則電動機的轉速、電動勢、電流及電磁轉矩將自動進行調整，以適應負載的變化，保持新的平衡。譬如，當負載增加，即阻力轉矩增加時，電動機的電磁轉矩便暫時小于阻力轉矩，所以轉速開始下降。隨著轉速的下降，當磁通量不變時，反電動勢E必將減小，而電樞電流將增加，于是電磁轉矩也隨著增加。直到電磁轉矩與阻力轉矩達到新的平衡后，轉速不再下降，而電動機以較原先低的轉速穩(wěn)定運行。這時的電樞電流已大干原先的，也就是說從電源輸入的功率增加了。直流電

42、動機的勵磁方式分為他勵、并勵、串勵和復勵四種。圖3.17 并勵電動機接線圖直流電動機有以下三種狀態(tài)：起動、制動、反轉。 當將電動機接到電源起動時，轉速從零逐漸上升到穩(wěn)定值。在這過程中電動機的運行特性和穩(wěn)定運行時是不同的。并勵電動機在穩(wěn)定運行時，其電樞電流為Ia=因為電樞電阻Ra很小，所以電源電壓U和反電動勢E極為接近。 在電動機起動的初始瞬間，轉速n0，所以EKn=0。因為并勵電動機的轉矩正比于電樞電流，所以它的起動轉矩也太大。它會產生機械沖擊，使傳動機構(例如齒輪)受損壞。因此，必須限制起動電流，限制起動電流的方法就是起動時在電樞電路中串接起動電阻。這時電樞中起動電流初始值一般規(guī)定不應超過額

43、定電流的1.52.5倍。起動時，將起動電阻放在最大值處，待起動后，隨著電動機轉速的上升，把它逐段切除。 如果要改變直流電動機的轉動方向，必須改變電磁轉矩的方向。由左手定則可知：在磁場方向固定的情況下，必須改變電樞電流的方向；如果電樞電流的方向不變，改變勵磁電流的方向同樣可以達到反轉的目的。3.4.2繼電器的選擇表2 控制繼電器按負荷大小的分類類別受控電路負荷大小交流容量（VA）直流功率（W）大于小于大于小于微功率繼電器155小功率繼電器15120550中功率繼電器12050050150大功率繼電器500150由于直流電機的功率20W,故選用小功率繼電器即可滿足要求。另外，直流電機的隔離措施采用

44、的是上面介紹的光電耦合器，在此就不再贅述。3.4.3用繼電器控制直流電機 從單片機出來的信號同樣也要經過電平轉換，其轉換器件與原理和輸入部分相同。在單片機應用系統(tǒng)中，要接入電動機這樣的高電壓和大電流設備，不能用單片機的I/O口線直接驅動。單片機系統(tǒng)必須具有將輸出的低電壓、小電流信號轉換成高電壓、大電流信號的裝置，被稱為功率接口。功率接口器主要完成：（1）提供必需的電壓和電流；（2）被單片機所控制。74系列功率集成電路是單片結構的集電極開路高壓輸出緩沖器/驅動器。圖3.18是一個直流電磁繼電器采用晶體管驅動的電路圖。當P0.0為低電平時，繼電器吸合；P0.0為高電平時，繼電器釋放。采用這種控制邏

45、輯可以使繼電器在上電復位或單片機受控復位時不吸合。繼電器由普通晶體管9013驅動，可以提供300mA的驅動電流，適用于繼電器線圈工作電流小于300mA的使用場合。VCC的電壓范圍是1030V。光電耦合器使用TLP521，其電流傳輸比不低于50%。晶體管9013的電流放大倍數(shù)大于50。當繼電器線圈工作電流為300mA時，光電耦合器需要輸出大于6.8mA的電流。其中，晶體管9013基極對地的電阻分流約0.8mA。輸入光電耦合器的電流必須大于13.6mA，才能保證向繼電器提供300mA的電流。圖中光電耦合器的輸入電流由7407提供，約20mA。二極管IN4001的作用是保護晶體管9013，防止901

46、3關斷時繼電器線圈產生的感應電勢所造成的損壞。圖3.18 輸出驅動原理圖繼電器的種類有好多種，本設計中采用的是超小型電磁繼電器當與電源回路并聯(lián)的勵磁線圈電壓或電流達到規(guī)定值時動作，它的主要作用是電動機失壓保護和制動以及反轉控制等，有時也作過壓保護。在這里用它來控制電動機的正反轉。圖3.19 超小型繼電器結構示意圖超小型繼電器的內部結構示意圖如圖3.19所示。在繼電器主體的塑料骨架上安裝了線圈，固定了外罩，此骨架又是靜觸點簧片的支撐座。動簧片與薄片式彈簧連成一體。在沒有激勵狀態(tài)下，薄片式彈簧給銜鐵提供復原力，形成一對常閉點。在有激勵狀態(tài)下，銜鐵被鐵心吸引，形成一對常開點。3.5硬件系統(tǒng)的抗干擾措

47、施在電平轉換過程中提到的光電耦合器，是常用的一種硬件抗干擾措施，也是本設計所采取的主要硬件抗干擾措施。這是一種采用光電耦合器從電路上把干擾源和易干擾的部分隔離開來，使測控裝置與現(xiàn)場僅保持信號聯(lián)系，但不直接發(fā)生電的聯(lián)系的隔離技術。隔離的實質是把引進的干擾通道切斷，從而達到隔離現(xiàn)場干擾的目的。除上面介紹的隔離技術外，還有以下幾種硬件抗干擾措施：3.5.1濾波技術 濾波是為了抑制噪聲干擾，在數(shù)字電路中，當電路從一個狀態(tài)轉換成另一個狀態(tài)時，就會在電源線上產生一個很大的尖峰電流，形成瞬變的噪聲電壓。在電源變壓器的進線端加入電源濾波器，消弱瞬變噪聲的干擾。 濾波器按結構分為無源濾波器和有源濾波器，也可分為

48、低通濾波器、高通濾濾器、帶通濾波器、帶阻濾波器。在抗干擾技術中，使用最多的是低通濾波器，其主要元件是電容和電感。 3.5.2去耦電路 數(shù)字電路信號電平轉換過程中會產生很大的沖擊電流，并在傳輸線和供用電源內阻上產生較大的壓降，形成嚴重的干擾。 在門電路的電源線端與地線端加接電容C1和C2，稱為去耦電容，可以消除大部分高頻干擾3.5.3屏蔽技術與雙絞線傳輸 屏蔽技術與雙絞線傳輸方式都可以起到抑制外部電磁感應干擾的作用。屏蔽是指用屏蔽體通過空間進行電場、磁場或電磁場耦合的部分隔離開來，割斷其空間場的耦合通道。屏蔽信號線的選取，一般的原則是：抑制靜電感應干擾采用金屬網(wǎng)的屏蔽線，抑制電磁感應干擾應該用雙

49、絞線。3.6小結本章根據(jù)設計的原理圖，系統(tǒng)地分析了該巡線機器人的硬件結構及其電路設計，詳細的說明了控制系統(tǒng)的組成，電機驅動電路、穩(wěn)壓電源、傳感電路模塊及其各自的硬件抗干擾措施等等。4 控制系統(tǒng)的軟件編程 在單片機應用開發(fā)中，軟件編寫與調試工作量一般占整個開發(fā)工作的70%90%。它是為解決某個領域里的具體任務而編制的程序，具有明顯的針對性、專業(yè)性和專用性。與硬件互相配合，協(xié)調一致的工作。硬件是基礎，是軟件賴于工作的基礎，而軟件是關鍵， 是關系到系統(tǒng)質量和功能的根本因素?？刂栖浖肁T89S51單片機的匯編語言編寫。匯編語言程序沒計在整個單片機系統(tǒng)中占有非常重要的地位：在單片機系統(tǒng)應用中，匯編語言

50、程序不僅是人機實現(xiàn)對話的基礎，而且直接影響單片機整個控制系統(tǒng)的控制特性。 4.1工作流程圖該機器人可實現(xiàn)以下幾種功能：巡線功能、越障功能和沿電力線行走功能。采用12個傳感器與單片機的12個管腳相連，按事先設定好的規(guī)則判斷，然后轉向要實現(xiàn)的子程序執(zhí)行。根據(jù)題目或任務的要求，使用匯編語言編寫源程序,進行匯編語言程序設計。一個實用程序從擬訂設計的任務書到最后程序在機器上的模擬調試通過，一般要經過七個步驟。 （1）擬訂設計任務書 （2）建立數(shù)學模型 （3）確定算法（4）繪制程序流程圖 （5）編寫匯編語言源程序（6）匯編（7）上機調試下面是機器人巡線越障過程的工作流程圖：圖4.1 工作流程圖4.2主程序

51、 下面為該巡線機器人遇障完成一只臂動作的部分主程序：ORG 0000HAJMP STARTORG 0050HSETB P3.7START: MOV P3,#0FFH CLR P3.4 CLR P3.5 CLR P3.6 ；驅動行走電機全啟動 MOV R6,#14H LCALL DELAY ；延時1s NOP NOPLCALL LED MOV P0,#0FFHMOV P2,#0FFHJB P1.0,#LOOP2 ；LOOP2為傳感器K2繼續(xù)檢測的循環(huán)程序LCALL LED ；檢測到障礙，顯示燈提示行走行走電機停止SETB P3.4 ；控制行走電機停下SETB P3.5SETB P3.6LOOP1

52、: MOV P0,#0FEH ；小臂A2張開MOV R6,#14H LCALL DELAY ；延時1sJB P1.3,LOOP1LCALL LED ；檢測到小臂到位，提示小臂動作完成L1: MOV P0,#7FH ；大臂A3動作下降 LCALL DELAY JB P3.1,L1 SETB P0.7 LCALL LED ；檢測到大臂到位，提示大臂動作完成L2: CLR P3.5 CLR P3.6 ；驅動行走電機B1C1，機器人行走 MOV R6,#28H ；延時稍長 LCALL DELAY JB P1.1,L2 ；紅外傳感器K2檢測 LCALL LED SETB P3.5 SETB P3.6 ；

53、檢測到障礙物，行走電機停止 MOV P1,#07FH ；小臂A4上升巡線 MOV R6,#7CH LCALL DELAYS1: LCALL DELAY ；延時稍長 JB P3.1,L3 LCALL LED AJMP L4L3: MOV P1,#0BFH ；大臂A3上升尋線 MOV R6,#14H AJMP S1L4: MOV P1,#0FFH MOV P0,#0FDH ；A2閉合 MOV R6,#7CH LCALL DELAY JB P1.6,L4 ；k7檢測 LCALL LED AJMP S3 機器人的一只臂越障成功后，后面的手臂利用傳感器繼續(xù)檢測，并由單片機發(fā)出信號，控制驅動電機按預定的路線動作，完成越障過程。在這個過程中，機器人實現(xiàn)了整個系統(tǒng)的閉環(huán)控制，該系統(tǒng)的硬件電路和軟件編程相配合有效地完成了巡線機器人沿高壓電力線行走功能，完成了檢測并跨越障礙物的任務，運行較穩(wěn)定、可靠。4.3延時子程序的應用 除上面介紹的RC電路去除觸點開關的抖動問題外，應用軟件也可以去抖動。下面的延時子程序法就是軟件去抖動的一個例子。 圖4.2所示為開關輸入控制的例子。