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本文設(shè)計(jì)了一種基于摩托羅拉MC68HC08系列單片機(jī)的機(jī)器人追跑控制系統(tǒng)，用于研究機(jī)器人之間的簡單互動(dòng)。
移動(dòng)機(jī)器人行為描述 ??
??? 在此系統(tǒng)中，我們將兩個(gè)移動(dòng)機(jī)器人一個(gè)命名為“貓”，一個(gè)命名為“鼠”。當(dāng)兩個(gè)機(jī)器人都無法接收到對(duì)方發(fā)出的信號(hào)時(shí)，機(jī)器人“貓”以S形前進(jìn)，機(jī)器人“鼠”在原地進(jìn)行180度擺動(dòng)；當(dāng)機(jī)器人“貓”檢測到機(jī)器人“鼠”發(fā)出的信號(hào)時(shí)，以直線追向機(jī)器人“鼠”的方向，而機(jī)器人“鼠” 同時(shí)接收到“貓”的信號(hào)，以直線向前移動(dòng)，以躲避“貓”的追趕，直至逃出“貓”的接收范圍，重復(fù)無法接收到信號(hào)時(shí)的行為；如果“貓”在一段時(shí)間內(nèi)都無法發(fā)現(xiàn)“鼠”的存在，就發(fā)出聲音報(bào)警。在整個(gè)過程中，由于環(huán)境未知，“貓”和“鼠”都有避障控制，而且可以根據(jù)不同的行為狀態(tài)，播放不同的音樂。
系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) ??
??? “貓”、“鼠”兩個(gè)機(jī)器人的電路設(shè)計(jì)基本相同，都是由單片機(jī)系統(tǒng)、紅外收發(fā)模塊、電機(jī)控制模塊和語音模塊構(gòu)成，其不同是紅外線發(fā)射管和接收管陣列的排列有所不同。單片機(jī)選用Motorola公司的8位微處理器M68HC908GP32（42管腳封裝）；紅外收發(fā)模塊使用PT2262和放大器組成的簡單紅外線收發(fā)電路；電機(jī)控制模塊選用L293D進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動(dòng)；語音模塊選用ISD25120控制放音。另外，系統(tǒng)地電源模塊使用12V干電池。? ?
單片機(jī)系統(tǒng)? ?
??? MC68HC08系列中的單片機(jī)是Motorola公司1999年推出的8位微控制器，具有速度快、功能強(qiáng)、功耗小及價(jià)格等特點(diǎn)。
??? 我們?cè)谠O(shè)計(jì)中選用的M C68H C908GP32單片機(jī)是MC68HC08系列微控制器的第一 批產(chǎn)品，其特點(diǎn)是片內(nèi)資源豐富、高性能，低價(jià)位，且具有多種保護(hù)功能，適用于各種數(shù)據(jù)處理平臺(tái)搭建。在這里我們主要用它完成紅外信息融合、電機(jī)控制及語音播放控制。
??? 設(shè)計(jì)中，兩個(gè)機(jī)器人上單片機(jī)的主要端口設(shè)置相同，如表1所示。另外避碰的三個(gè)觸點(diǎn)開關(guān)控制為PTB0、PTB6、PTA7。? ?
紅外收發(fā)模塊? ?
??? 紅外發(fā)射模塊使用PT2262和紅外發(fā)射管陣列構(gòu)成的紅外發(fā)射電路。紅外接收電路使用紅外接收管陣列和放大器組成。接收到的信號(hào)輸入至單片機(jī)的PTB7端口，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后，送入處理器，以控制機(jī)器人的行為轉(zhuǎn)換。
電機(jī)控制模塊? ?
??? 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用基于雙極性H-橋型脈寬調(diào)整方式PWM的集成電路L293D。L293D具有很多優(yōu)點(diǎn)，如電流連續(xù)；電機(jī)可四角限運(yùn)行；電機(jī)停止時(shí)有微振電流，起到“動(dòng)力潤滑”作用，消除正反向時(shí)的靜摩擦死區(qū)；低速平穩(wěn)性好等。L293D通過內(nèi)部邏輯生成使能信號(hào)。H-橋電路的輸入量可以用來設(shè)置馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，使能信號(hào)可以用于脈寬調(diào)整（PWM）。另外，L293D將2個(gè)H-橋電路集成到1片芯片上，這就意味著用1片芯片可以同時(shí)控制2個(gè)電機(jī)。
??? 機(jī)器人有三個(gè)車輪，兩個(gè)使用電機(jī)控制，另一個(gè)為萬向輪，因此使用1片L293D進(jìn)行控制即可。將兩路PMW控制信號(hào)分別接至兩路電機(jī)控制的使能引腳EN12和EN34，通過調(diào)整PWM的占空比可以調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速。將電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制線分別接入IN1、IN2、IN3和IN4，，通過寫入不同的值控制兩個(gè)電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。? ?
語音模塊? ?
??? 為了區(qū)別移動(dòng)機(jī)器人的各個(gè)不同狀態(tài)，我們使其在做出不同動(dòng)作的同時(shí)，可以播放不同的聲音。為了達(dá)到這個(gè)目的，語音控制部分選用語音芯片ISD25120。ISD25120的錄放時(shí)間為120秒，錄音最多能分600段。只要在分段錄/放音操作前(不少于300納秒)，給地址A0"A9賦值，錄音及放音功能均從設(shè)定的起始地址開始。
??? 在設(shè)計(jì)時(shí)，除了用單片機(jī)控制ISD25120的復(fù)位和觸發(fā)端外，使用四位I/O控制芯片的放音起始地址。在初始化時(shí)，分別將兩個(gè)機(jī)器人的不同信息寫入語音芯片的A0"A3，選擇放音；在動(dòng)作過程中，在行為發(fā)生改變時(shí)，寫入新的信息，改變放音選擇，播放不同音樂。? ?
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) ??
??? 系統(tǒng)軟件主要由主程序模塊、中斷服務(wù)程序模塊、語音控制模塊和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃模塊等部分組成。整個(gè)系統(tǒng)的軟件部分采用匯編語言編寫。
結(jié)論 ??
??? 經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明，兩個(gè)機(jī)器人在不受外界干擾的情況下，能夠正確地完成追跑動(dòng)作。此設(shè)計(jì)為研究機(jī)器人之間簡單互動(dòng)提供了試驗(yàn)平臺(tái)。在以后的研究中，通過改變傳感器位置及內(nèi)部程序，可以改變二者間的互動(dòng)關(guān)系，例如協(xié)作等，進(jìn)行更深的研究。
移動(dòng)機(jī)器人行為描述 ??
??? 在此系統(tǒng)中，我們將兩個(gè)移動(dòng)機(jī)器人一個(gè)命名為“貓”，一個(gè)命名為“鼠”。當(dāng)兩個(gè)機(jī)器人都無法接收到對(duì)方發(fā)出的信號(hào)時(shí)，機(jī)器人“貓”以S形前進(jìn)，機(jī)器人“鼠”在原地進(jìn)行180度擺動(dòng)；當(dāng)機(jī)器人“貓”檢測到機(jī)器人“鼠”發(fā)出的信號(hào)時(shí)，以直線追向機(jī)器人“鼠”的方向，而機(jī)器人“鼠” 同時(shí)接收到“貓”的信號(hào)，以直線向前移動(dòng)，以躲避“貓”的追趕，直至逃出“貓”的接收范圍，重復(fù)無法接收到信號(hào)時(shí)的行為；如果“貓”在一段時(shí)間內(nèi)都無法發(fā)現(xiàn)“鼠”的存在，就發(fā)出聲音報(bào)警。在整個(gè)過程中，由于環(huán)境未知，“貓”和“鼠”都有避障控制，而且可以根據(jù)不同的行為狀態(tài)，播放不同的音樂。
系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) ??
??? “貓”、“鼠”兩個(gè)機(jī)器人的電路設(shè)計(jì)基本相同，都是由單片機(jī)系統(tǒng)、紅外收發(fā)模塊、電機(jī)控制模塊和語音模塊構(gòu)成，其不同是紅外線發(fā)射管和接收管陣列的排列有所不同。單片機(jī)選用Motorola公司的8位微處理器M68HC908GP32（42管腳封裝）；紅外收發(fā)模塊使用PT2262和放大器組成的簡單紅外線收發(fā)電路；電機(jī)控制模塊選用L293D進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動(dòng)；語音模塊選用ISD25120控制放音。另外，系統(tǒng)地電源模塊使用12V干電池。? ?
單片機(jī)系統(tǒng)? ?
??? MC68HC08系列中的單片機(jī)是Motorola公司1999年推出的8位微控制器，具有速度快、功能強(qiáng)、功耗小及價(jià)格等特點(diǎn)。
??? 我們?cè)谠O(shè)計(jì)中選用的M C68H C908GP32單片機(jī)是MC68HC08系列微控制器的第一 批產(chǎn)品，其特點(diǎn)是片內(nèi)資源豐富、高性能，低價(jià)位，且具有多種保護(hù)功能，適用于各種數(shù)據(jù)處理平臺(tái)搭建。在這里我們主要用它完成紅外信息融合、電機(jī)控制及語音播放控制。
??? 設(shè)計(jì)中，兩個(gè)機(jī)器人上單片機(jī)的主要端口設(shè)置相同，如表1所示。另外避碰的三個(gè)觸點(diǎn)開關(guān)控制為PTB0、PTB6、PTA7。? ?
紅外收發(fā)模塊? ?
??? 紅外發(fā)射模塊使用PT2262和紅外發(fā)射管陣列構(gòu)成的紅外發(fā)射電路。紅外接收電路使用紅外接收管陣列和放大器組成。接收到的信號(hào)輸入至單片機(jī)的PTB7端口，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后，送入處理器，以控制機(jī)器人的行為轉(zhuǎn)換。
電機(jī)控制模塊? ?
??? 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用基于雙極性H-橋型脈寬調(diào)整方式PWM的集成電路L293D。L293D具有很多優(yōu)點(diǎn)，如電流連續(xù)；電機(jī)可四角限運(yùn)行；電機(jī)停止時(shí)有微振電流，起到“動(dòng)力潤滑”作用，消除正反向時(shí)的靜摩擦死區(qū)；低速平穩(wěn)性好等。L293D通過內(nèi)部邏輯生成使能信號(hào)。H-橋電路的輸入量可以用來設(shè)置馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，使能信號(hào)可以用于脈寬調(diào)整（PWM）。另外，L293D將2個(gè)H-橋電路集成到1片芯片上，這就意味著用1片芯片可以同時(shí)控制2個(gè)電機(jī)。
??? 機(jī)器人有三個(gè)車輪，兩個(gè)使用電機(jī)控制，另一個(gè)為萬向輪，因此使用1片L293D進(jìn)行控制即可。將兩路PMW控制信號(hào)分別接至兩路電機(jī)控制的使能引腳EN12和EN34，通過調(diào)整PWM的占空比可以調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速。將電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制線分別接入IN1、IN2、IN3和IN4，，通過寫入不同的值控制兩個(gè)電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。? ?
語音模塊? ?
??? 為了區(qū)別移動(dòng)機(jī)器人的各個(gè)不同狀態(tài)，我們使其在做出不同動(dòng)作的同時(shí)，可以播放不同的聲音。為了達(dá)到這個(gè)目的，語音控制部分選用語音芯片ISD25120。ISD25120的錄放時(shí)間為120秒，錄音最多能分600段。只要在分段錄/放音操作前(不少于300納秒)，給地址A0"A9賦值，錄音及放音功能均從設(shè)定的起始地址開始。
??? 在設(shè)計(jì)時(shí)，除了用單片機(jī)控制ISD25120的復(fù)位和觸發(fā)端外，使用四位I/O控制芯片的放音起始地址。在初始化時(shí)，分別將兩個(gè)機(jī)器人的不同信息寫入語音芯片的A0"A3，選擇放音；在動(dòng)作過程中，在行為發(fā)生改變時(shí)，寫入新的信息，改變放音選擇，播放不同音樂。? ?
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) ??
??? 系統(tǒng)軟件主要由主程序模塊、中斷服務(wù)程序模塊、語音控制模塊和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃模塊等部分組成。整個(gè)系統(tǒng)的軟件部分采用匯編語言編寫。
結(jié)論 ??
??? 經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明，兩個(gè)機(jī)器人在不受外界干擾的情況下，能夠正確地完成追跑動(dòng)作。此設(shè)計(jì)為研究機(jī)器人之間簡單互動(dòng)提供了試驗(yàn)平臺(tái)。在以后的研究中，通過改變傳感器位置及內(nèi)部程序，可以改變二者間的互動(dòng)關(guān)系，例如協(xié)作等，進(jìn)行更深的研究。
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評(píng)論