《電子技術(shù)應(yīng)用》
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智能救援機(jī)器人的設(shè)計(jì)
劉秋霞
摘要: 主要介紹了一種具有自動(dòng)尋線、智能避障、智能測(cè)距、撿拾硬幣、聲光報(bào)警、數(shù)字顯示等功能的智能救援機(jī)器人的設(shè)計(jì)。該機(jī)器人以直流電機(jī)及其控制電路為整個(gè)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)部分,選用AT89S52單片機(jī)為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心,用多種傳感器及其控制電路實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自動(dòng)尋線、智能避障等功能;采用超聲波及其外圍電路完成智能測(cè)距功能;以電磁鐵為主,通過(guò)電源的通、斷,實(shí)現(xiàn)撿、放硬幣;為實(shí)時(shí)觀察機(jī)器人的狀態(tài),還配備了液晶顯示器以顯示機(jī)器人的狀態(tài)、橋梁的高度等信息。實(shí)驗(yàn)證明它能實(shí)現(xiàn)智能救援的全部要求,整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈巧、控制準(zhǔn)確、工作穩(wěn)定、使用效果良好。
Abstract:
Key words :

O 引言
    自從1920年捷克斯洛伐克作家卡雷爾,恰佩克的《羅薩姆的機(jī)器人萬(wàn)能公司》問(wèn)世,人們便對(duì)機(jī)器人充滿了幻想與期待。隨著社會(huì)的不斷發(fā)展,各行各業(yè)的分工越來(lái)越明細(xì),機(jī)器人也能在其中扮演重要的角色來(lái)替代人們的勞動(dòng)。與此同時(shí),隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,探險(xiǎn)、救災(zāi)、排爆等危險(xiǎn)場(chǎng)合工作的機(jī)器人,以及自動(dòng)化生產(chǎn)中機(jī)器人的應(yīng)用也日益廣泛。因此,智能救援機(jī)器人的研制已成為急需和必要,文章就智能救援機(jī)器人的設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討。

1 智能救援機(jī)器人的硬件設(shè)計(jì)
   
該智能救援機(jī)器人主要由電源模塊、檢測(cè)感應(yīng)模塊(實(shí)現(xiàn)巡線、避障、撿放硬幣、測(cè)距功能)、聲光報(bào)警模塊、控制器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、顯示模塊六部分組成,其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。


1.1 電源電路
   
智能救援機(jī)器人全部能量來(lái)源于位于機(jī)器人底部的六節(jié)五號(hào)電池,經(jīng)過(guò)傳統(tǒng)的7805穩(wěn)壓電路給其單片機(jī)及外圍傳感器供電,其電路如圖2所示。部分傳感器采用5V低電壓供電可以避免機(jī)器人過(guò)早檢測(cè)障礙物而停止前進(jìn)。
1.2 檢測(cè)感應(yīng)模塊
1.2.1 巡線電路

    巡線模塊我們采用紅外對(duì)管。紅外對(duì)管由LED和光電三極管組成,光電三極管根據(jù)從地面反射回來(lái)的LED的光的強(qiáng)度而改變積極基極電流。在光電三極管基極接一上拉電阻,則可根據(jù)基極電壓的測(cè)量判斷反射光的強(qiáng)弱,強(qiáng)光說(shuō)明探測(cè)器下方是白色,弱光說(shuō)明下方光較弱,大部分光被黑線吸收。對(duì)于輸出的模擬信號(hào),我們將其引入五個(gè)電壓比較器LM339進(jìn)行處理。電壓比較器LM339的一輸入端接紅外對(duì)管,另一端接滑動(dòng)變阻器,通過(guò)對(duì)滑動(dòng)變阻器的調(diào)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外對(duì)管對(duì)黑線的靈敏度。比較器LM339的另一端接上拉電阻后進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行探測(cè)。
1.2.2 避障電路
   
避障部分采用光電開(kāi)關(guān),將其安放在機(jī)器人需要測(cè)量的各個(gè)方向。為減少它的測(cè)量距離保證機(jī)器人的正常運(yùn)行,我們采用的是低電壓5V供電,供電電壓雖略顯不足,但能保證它的正常短距離探測(cè)。光電開(kāi)關(guān)的信號(hào)線的高低電平可反映前方障礙物的有無(wú),障礙物檢測(cè)電路如圖3所示。

            


1.2.3 超聲波測(cè)距電路
   
由于超聲波執(zhí)行性強(qiáng)、能量消耗慢、在介質(zhì)中傳播距離較遠(yuǎn)的特點(diǎn)。我們采用DIP-ME007超聲波測(cè)距模塊完成高度的測(cè)量功能,其電路板如圖4所示。DIP-ME007超聲波測(cè)距模塊能比較迅速、方便地測(cè)出橋底部距測(cè)距模塊之間的距離,此模塊共有五個(gè)引腳VCC、tring、echo、out、GND。DIP-ME007超聲波測(cè)距模塊輸出為pwm方式,VCC、GND接好后向tring發(fā)一個(gè)10 s以上的高電平,就可以在接收口echo等待高電平輸出。單片機(jī)采用跳變沿觸發(fā),觸發(fā)后即開(kāi)始計(jì)時(shí)。當(dāng)電平變低后即開(kāi)始讀定時(shí)器,此時(shí)的值即為此次測(cè)距所用的時(shí)間。根據(jù)S=Ct/2即可得出所測(cè)得的距離。如此周期性測(cè)量即可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)測(cè)距。單片機(jī)內(nèi)部自動(dòng)將測(cè)得數(shù)據(jù)保存并與上一次測(cè)距結(jié)果比較,保留最大值,當(dāng)連續(xù)五次未測(cè)得大于前一次的數(shù)據(jù)時(shí)停止檢測(cè)并記錄最大值。當(dāng)再次檢測(cè)到黑線即已成功過(guò)橋,是時(shí)單片機(jī)控制顯示模塊將測(cè)得的最大值在液晶屏上顯示出來(lái)。
1.3 控制器電路
  
由于主控制器的任務(wù)較多,電路要求引腳較多,且顯示器的控制程序較為復(fù)雜,我們單獨(dú)配備了一個(gè)同樣的單片機(jī)作為主控制器的輔助部分,通過(guò)它來(lái)分擔(dān)主控制器的工作,來(lái)完成顯示部分的工作。其中主控制器與其它模塊的連接如圖5所示。


1.4 聲光報(bào)警電路
   
聲光報(bào)警模塊主要應(yīng)用于搜救報(bào)警電路中,同時(shí)為進(jìn)一步擴(kuò)展應(yīng)用,我們?cè)诳刂破溟_(kāi)關(guān)的同時(shí)引入另一條信號(hào)線實(shí)現(xiàn)了對(duì)聲音的控制。在搜救過(guò)程和平安到達(dá)安置區(qū)時(shí)經(jīng)采用不同頻率和音色的聲音給出表示。尋找硬幣我們采用金屬探測(cè)傳感器,當(dāng)發(fā)現(xiàn)金屬時(shí),其信號(hào)線上電平從低電平變?yōu)楦唠娖?,觸發(fā)單片機(jī)中斷,在單片機(jī)的控制下機(jī)器人停止運(yùn)動(dòng),啟動(dòng)音樂(lè)發(fā)生模塊并點(diǎn)亮LED進(jìn)行聲光報(bào)警,具體實(shí)現(xiàn)電路如圖6所示。
1.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路
   
單片機(jī)通過(guò)傳感器的反饋信號(hào)控制電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)或者停止,來(lái)實(shí)現(xiàn)控制機(jī)器人完成各種動(dòng)作。L298N是專用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片,他可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、剎車、pwm調(diào)速等多種功能,是對(duì)機(jī)器人電機(jī)進(jìn)行控制的比較理想的芯片,因此我們采用L298N芯片對(duì)兩個(gè)普通電機(jī)進(jìn)行控制。通過(guò)編程完全可以控制實(shí)現(xiàn)題目的基本要求和發(fā)揮部分,也可增加各種創(chuàng)新功能。L298N芯片信號(hào)電源與驅(qū)動(dòng)電源的分開(kāi),可以根據(jù)需要對(duì)電機(jī)的電壓進(jìn)行調(diào)節(jié),其驅(qū)動(dòng)電路如圖7所示。


1.6 顯示電路
   
采用MSl602C-1型LCD顯示相應(yīng)的信息。此顯示器模塊的工作電壓為5V左右,支持顯示2行字符,每行可顯示16個(gè)字符,每個(gè)字符由5×7點(diǎn)陣顯示??梢酝ㄟ^(guò)編程實(shí)現(xiàn)多種顯示,顯示信息比數(shù)碼管更多,顯示效果更好。
    由于主控制器的單片機(jī)任務(wù)較多,電路接線較復(fù)雜,我們采用單獨(dú)的單片機(jī)控制顯示模塊。

2 智能救援機(jī)器人的軟件設(shè)計(jì)
   
本智能救援機(jī)器人的軟件控制部分采用C語(yǔ)言編程,借助C語(yǔ)言的強(qiáng)大功能來(lái)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)AT89S52的控制功能。主程序流程圖如圖8所示。



3 結(jié)論
   
以AT89S52單片機(jī)為核心部件,利用紅外傳感檢測(cè)、電機(jī)控制等技術(shù),通過(guò)各種方案的討論及嘗試,再經(jīng)過(guò)多次的整體軟硬件結(jié)合調(diào)試,不斷地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化,最后智能救援機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn);避開(kāi)障礙物,并尋找到合適的路徑;順利通過(guò)受損的橋梁,并能較準(zhǔn)確地測(cè)出橋梁的高度;自動(dòng)識(shí)別路線狀況,并根據(jù)實(shí)時(shí)狀況快速做出判斷,準(zhǔn)確控制機(jī)器人的轉(zhuǎn)向;自動(dòng)顯示所要求的信息;自動(dòng)尋線前進(jìn),能智能檢測(cè)、撿起、放下硬幣;聲光報(bào)警,并有彩燈閃爍;行駛到規(guī)定的地點(diǎn)自動(dòng)停止并顯示救援結(jié)束。
    在設(shè)計(jì)過(guò)程中,力求硬件電路簡(jiǎn)單,外形美觀,充分發(fā)揮軟件設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)來(lái)滿足系統(tǒng)的要求。

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