關(guān)于傳感器在機(jī)器人中應(yīng)用的調(diào)查報(bào)告

關(guān)于傳感器在機(jī)器人玩具中的應(yīng)用的調(diào)查報(bào)告學(xué)院：機(jī)械工程學(xué)院專(zhuān)業(yè)：機(jī)械制造及其自動(dòng)化班級(jí)：機(jī)制班學(xué)號(hào)：080803110328學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：馮治國(guó)老師2012年3月28日 關(guān)于傳感器在機(jī)器人玩具中的應(yīng)用的調(diào)查報(bào)告信息技術(shù)的三大支柱是測(cè)控技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，而傳感器技術(shù)是測(cè)控技術(shù)的基礎(chǔ)。傳感器處于自動(dòng)檢測(cè)與控制系統(tǒng)之首，是感知、獲取與檢測(cè)信息的窗口?？茖W(xué)研究和生產(chǎn)過(guò)程需要獲取的信息，都要首先通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)或光信號(hào)等容易傳輸和處理的信號(hào)。科學(xué)技術(shù)越發(fā)達(dá)，自動(dòng)化程度越高，對(duì)傳感器的依賴(lài)就越大。“沒(méi)有傳感器技術(shù)就沒(méi)有現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)”的觀點(diǎn)已為世界公認(rèn)。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人智能玩具越來(lái)越常見(jiàn)，傳感器的作用就是根據(jù)規(guī)定的被測(cè)量的大小，定量提供有用的電輸出信號(hào)的部件，亦即傳感器把光、電、溫度、壓力及氣體等的物理化學(xué)量轉(zhuǎn)換成信號(hào)的變換器。傳感器作為機(jī)器人智能玩具的關(guān)鍵部件，它直接影響機(jī)器人智能玩具的技術(shù)性能的發(fā)揮。一、磁阻傳感器在機(jī)器人玩具中的應(yīng)用1、應(yīng)用背景一個(gè)機(jī)器人玩具的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主芯片采用的是以摩特羅拉公司的MC86EZ328芯片，只完成與通信、運(yùn)算等有關(guān)的主要操作，在沒(méi)有操作時(shí)，由運(yùn)行于其上的操作系統(tǒng)uClinux來(lái)維護(hù)。對(duì)于所有與EZ328的核心運(yùn)算、控制、通信、操作無(wú)關(guān)的外圍設(shè)備的維護(hù)和控制都通過(guò)一塊AT89C52來(lái)完成，它與EZ328的底層通信協(xié)議為同步串口協(xié)議（SPI），在AT89C52中由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。C52包含的部件主要是A/D轉(zhuǎn)換器，鍵盤(pán)接口，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。2、傳感器應(yīng)用狀況機(jī)器人玩具控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中對(duì)方向的控制尤其重要，直接體現(xiàn)了機(jī)器人玩具的控制精度和整體效果。在本文中要解決的問(wèn)題就是控制好機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向和球門(mén)之間的夾角，讓其能夠在運(yùn)行中實(shí)時(shí)地自我調(diào)整，準(zhǔn)確地把球送入球門(mén)。磁阻傳感器原理

HMC的輸出電壓為磁場(chǎng)強(qiáng)度為0時(shí)傳感器的輸出。所以當(dāng)U0為0時(shí)，Uout正比于磁場(chǎng)強(qiáng)度B。如圖4，假設(shè)機(jī)器人處于水平面上，X為機(jī)器人行進(jìn)方向，Y為水平面上垂直X的方向向右（即X順時(shí)針轉(zhuǎn)90），地里北極方向和地磁北極方向如圖所示。H為地磁場(chǎng)，Hx、Hy分別是H在X、Y方向的水平分量，β為機(jī)器人行進(jìn)方向和地磁北極方向的夾角，γ為地磁北極和地理北極方向的夾角，K就是機(jī)器人行進(jìn)方向與地理北極方向之間的夾角，也就是我們最終要求的角度。（此處的β、γ、K都是由前者出發(fā)順時(shí)針到達(dá)后者的角度）由圖可明顯看出，K=β-γ。而在地球上不同方位的γ可查表得出，所以關(guān)鍵就是求得。由磁阻傳感器可以得出Hx、Hy，（此處忽略了機(jī)器人在Z軸方向的傾斜，所以二器就夠用了）。

圖4

4、測(cè)量電路從HMC1022輸出的電壓信號(hào)非常微弱，測(cè)試是0到3mv（具體每個(gè)芯片的輸出不是完全一致）,需要經(jīng)過(guò)放大器的放大，放大器選用的是AN622,放大倍數(shù)選定為600倍，這種放大器可以加上一個(gè)2.5v的偏置電壓，所以輸出到A/D的電壓為2.5v+（0～3mv）＊600,兩路采集到的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后連接到ADC0832。ADC0832是個(gè)兩通道8位精度的逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，通過(guò)一個(gè)串行的I/O口DI輸入一個(gè)MUXADDRESS序列，來(lái)配置A/D成差分方式并選擇哪一路通道的信號(hào)。2051通過(guò)一路I/O來(lái)串行讀入轉(zhuǎn)換后的數(shù)值。

用max662a作為RST/SET部分的恒壓源，電路的工作原理及流程如下：

1.由2051的14端（P1.7）輸出高電平，SR電路set功能選通

2.通過(guò)2051P1各相應(yīng)端子控制ADC0832，完成一次A/D轉(zhuǎn)換，記下此次讀入的電壓值Vset。

3.2051的P1.7輸出低電平，SR電路reset功能選通

4.通過(guò)2051P1各相應(yīng)端子控制AD0832，完成一次A/D轉(zhuǎn)換，記下此次讀入的電壓值Vrst

5.求出1022的輸出偏置電壓V0=（Vset+Vrst）/2。

6.通過(guò)2051控制AD0832完成A/D轉(zhuǎn)換，將每一次讀入的值Vrst減去V0就得到計(jì)算需要用的電壓Vread=Vrst-V0;（包括兩個(gè)軸方向的電壓Vready、Vreadx）

7.求得

8.K=β-γ,goto6

經(jīng)過(guò)2051處理后得出的數(shù)值，在時(shí)鐘的配合下用一個(gè)I/O口模擬PWM輸出，傳給C52單片機(jī)。5、傳感器檢測(cè)信息與控制系統(tǒng)相互關(guān)聯(lián)機(jī)器人玩具的方向控制的核心部件就是HMC1022兩維磁阻微電路芯片，它的機(jī)構(gòu)是四臂的惠斯通電橋，將磁場(chǎng)轉(zhuǎn)化為差動(dòng)輸出的電壓，可以檢測(cè)低至85微高斯的磁場(chǎng)信號(hào)，這種低成本的傳感器相比傳統(tǒng)型號(hào)的同類(lèi)產(chǎn)品具有更小的體積和更低的功耗。供電電源為3V-10V直流電壓。本設(shè)計(jì)中采用的HMC0122采用的是16腳SOIC封裝，集成了兩路的惠斯通電橋，測(cè)出平面的X軸和Y軸的磁場(chǎng)信號(hào)，這樣就可以獲得水平面上方向的完整信號(hào)。

比較特殊的是Honeywell公司的這種磁阻傳感器帶有一個(gè)獲得專(zhuān)利的置位/復(fù)位電路。

圖2和圖3分別是HMC1022內(nèi)部電橋和置位/復(fù)位電路電路設(shè)計(jì)。

圖2

圖3

二、位差超聲波傳感器在智能玩具機(jī)器人中的應(yīng)用1、應(yīng)用背景目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的電子玩具技術(shù)含量較低，由于不具備智能化，利潤(rùn)空間小，受歡迎程度低。近年來(lái)，伴隨計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，智能控制器的發(fā)展迅速，一些典型的智能玩具如輪式移動(dòng)機(jī)器人在部分院校教學(xué)中得到推廣，因?yàn)橹悄芡婢邫C(jī)器人是一個(gè)典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)，它融合制造技術(shù)、機(jī)械、電子、傳感器、計(jì)算機(jī)和人工智能等眾多先進(jìn)技術(shù)，是進(jìn)行工程訓(xùn)練、教學(xué)實(shí)驗(yàn)和研究的理想平臺(tái)，在電子學(xué)教學(xué)領(lǐng)域中有著諸多的研究?jī)r(jià)值。傳感器是智能機(jī)器人獲取外界數(shù)據(jù)的"感知系統(tǒng)",離開(kāi)智能傳感器的機(jī)器人大多是些功能單一，不具備思維能力，有些甚至是底盤(pán)基座固定式的，使得這些機(jī)器人只能固定在某一位置按照事先設(shè)定動(dòng)作進(jìn)行機(jī)械式的重復(fù)操作，其應(yīng)用范圍僅限于工業(yè)生產(chǎn)中的重復(fù)性工作，不便于普及和推廣，可見(jiàn)基于傳感器的智能控制器在實(shí)現(xiàn)玩具機(jī)器人的智能化的作用中不可或缺，筆者介紹了一種基于超聲波原理的位差超聲波傳感器在智能玩具教育機(jī)器人中的應(yīng)用，通過(guò)較為具體的設(shè)計(jì)過(guò)程介紹了智能玩具機(jī)器人距離測(cè)試系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)方法，并對(duì)位差超聲波傳感器的性能指標(biāo)和一些關(guān)鍵技術(shù)作較深入地探討，提出了一些編程控制技巧及算法。2、傳感器應(yīng)用狀況超聲波傳感器在非接觸性測(cè)量方面的應(yīng)用非常廣泛，可用于檢測(cè)液體水位（特別是具有腐蝕性的液體，如硫酸、硝酸液體），汽車(chē)倒車(chē)防撞系統(tǒng)，金屬（或非金屬）探傷，機(jī)器人感知系統(tǒng)設(shè)計(jì)等，利用位差超聲波傳感器與51單片機(jī)構(gòu)成智能玩具機(jī)器人的"距離感知系統(tǒng)",具有電路接口簡(jiǎn)單，成本低廉，穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，但其測(cè)量精度受到位差超聲波傳感器的最大測(cè)量距離以及與被測(cè)物體反射角等的限制。3、差動(dòng)式電容載荷傳感器結(jié)構(gòu)及工作原理采用"MCU+傳感器+顯示設(shè)備+執(zhí)行機(jī)構(gòu)"的總體設(shè)計(jì)方案，要求MCU對(duì)非接觸式傳感器獲取的外部距離信息進(jìn)行計(jì)算轉(zhuǎn)換，將得出的智能玩具機(jī)器人與前方障礙物的距離值送到顯示設(shè)備顯示，并根據(jù)程序設(shè)定的距離閾值控制智能玩具機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)航功能，系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。圖1系統(tǒng)硬件框圖其中系統(tǒng)MCU采用目前性?xún)r(jià)比較高的AT89C51單片機(jī)，利用"位差超聲波傳感器"作為距離傳感器，以非接觸的形式測(cè)量前方物體的距離；顯示設(shè)備采用LCD1602液晶顯示模塊；執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用PARALLAX公司生產(chǎn)的連續(xù)旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)是編程控制方便且不需額外增加驅(qū)動(dòng)電路，圖1中超聲波傳感器測(cè)距的工作原理如圖2所示。圖2超聲波傳感器測(cè)距的工作原理4、測(cè)量電路超聲波傳感器與單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行接口構(gòu)成距離檢測(cè)的硬件系統(tǒng)，在系統(tǒng)軟件的控制下，單片機(jī)向位差超聲波傳感器發(fā)送的一個(gè)觸發(fā)脈沖，位差超聲波傳感器被此脈沖觸發(fā)后會(huì)產(chǎn)生一道短40kHz的脈沖電信號(hào)，此40kHz的脈沖電信號(hào)通過(guò)激勵(lì)換能器處理以后，將轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)的能量，其振動(dòng)頻率約在20kHz以上，由此形成了超聲波，該信號(hào)經(jīng)錐形"輻射口"處將超聲波信號(hào)在空氣中以每秒約1130英尺的速度向外發(fā)射出去。當(dāng)發(fā)射出去的超聲波信號(hào)遇到障礙物以后，立即被反射回來(lái)。接收器接收到反射回來(lái)的超聲波信號(hào)后，通過(guò)其內(nèi)部轉(zhuǎn)換，將超聲波變成微弱的電振蕩，并將信號(hào)進(jìn)行放大，就可得到所需的脈沖信號(hào)，此脈沖信號(hào)再返回給單片機(jī)，表示回波被探測(cè)，這個(gè)脈沖寬度就是對(duì)應(yīng)于爆裂回聲返回到傳感器所需時(shí)間，其時(shí)序如圖3所示。圖3位差超聲波傳感器工作時(shí)序圖5、傳感器檢測(cè)信息與控制系統(tǒng)相互關(guān)聯(lián)測(cè)距子程序設(shè)計(jì)根據(jù)位差超聲波傳感器的時(shí)序原理圖，對(duì)C51單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)/計(jì)數(shù)器編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)前方物體距離的測(cè)量并將測(cè)量結(jié)果在LCD模塊上顯示。測(cè)距子程序的基本設(shè)計(jì)算法，用流程圖表示如圖4所示。圖4測(cè)距子程序流程圖程序設(shè)計(jì)思路主要分為2步：1）根據(jù)位差超聲波傳感器的控制時(shí)序圖（圖3），啟動(dòng)位差超聲波距離傳感器，即通過(guò)單片機(jī)編程，給超聲波傳感器的信號(hào)引腳提供一個(gè)持續(xù)時(shí)間為5μs的高電平，然后拉低信號(hào)引腳750μs,這樣位差超聲波傳感器就被啟動(dòng)，發(fā)出超聲爆裂，與此同時(shí)，啟動(dòng)單片機(jī)的定時(shí)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，當(dāng)超聲波遇到物體時(shí)會(huì)立即反射回來(lái)，位差超聲波傳感器的接收器接到回波時(shí)，會(huì)自動(dòng)拉低其信號(hào)引腳的電平，單片機(jī)查詢(xún)到此引腳的電平下降沿到來(lái)時(shí)停止定時(shí)器計(jì)數(shù)，此時(shí)定時(shí)器計(jì)數(shù)值就間接反應(yīng)了超聲波從反射到返回所經(jīng)歷的時(shí)間。2）讀出定時(shí)器的計(jì)數(shù)值除以2,便得到超聲波在遇到被測(cè)物體返回的時(shí)間，根據(jù)：距離=速度×?xí)r間，就可以計(jì)算出前方物體的距離，因超聲波在常溫下的空氣介質(zhì)中傳播的速度大約為344m/s,即29.034μs超聲波能傳播1cm,具體編程時(shí)在程序中用語(yǔ)句x=count/29.034來(lái)計(jì)算距離值，獲得被測(cè)距離值后，調(diào)用LCD顯示函數(shù)將距離值在LCD模塊上顯示出來(lái)。超聲波導(dǎo)航程序設(shè)計(jì)利用位差超聲波距離傳感器測(cè)得的"距離"信息，可以引導(dǎo)智能玩具機(jī)器人實(shí)現(xiàn)避障行走。當(dāng)智能玩具機(jī)器人距離前面障礙物小于20cm時(shí)，它會(huì)向左拐改變行進(jìn)方向，避免與物體碰撞，下面簡(jiǎn)要分析以超聲波導(dǎo)航程序的基本設(shè)計(jì)思路，程序設(shè)計(jì)算法用流程圖表示如圖5所示。圖5超聲波導(dǎo)航程序流程圖程序通過(guò)反復(fù)調(diào)用超聲波測(cè)距子程序，獲取智能玩具機(jī)器人前方被測(cè)物體的距離值；判斷距離是否在設(shè)定閾值以?xún)?nèi)，若大于程序設(shè)定的距離閾值，調(diào)用函數(shù)Forward（），驅(qū)動(dòng)智能玩具機(jī)器人前進(jìn)；若小于程序設(shè)定的距離閾值，調(diào)用Backward（），驅(qū)動(dòng)智能玩具機(jī)器人后退一段距離；接著又調(diào)用Left_Turn（），驅(qū)動(dòng)智能玩具機(jī)器人左拐后程序再返回重復(fù)以上過(guò)程。三、機(jī)器人傳感器的發(fā)展趨勢(shì)未來(lái)機(jī)器人傳感器技術(shù)的研究，除不斷改善傳感器的精度、可靠性和降低成本等外，隨著機(jī)器人轉(zhuǎn)向微型化、智能化，以及應(yīng)用領(lǐng)域從工業(yè)結(jié)構(gòu)環(huán)境拓展至深海、空間和其他人類(lèi)難以