智能滅火機(jī)器人硬件電路設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

經(jīng)過50多年的發(fā)展，人工智能已形成極廣泛的研究領(lǐng)域，并且取得了許多令人矚目的成就[1]。人工智能也稱機(jī)器智能，是一門研究人類智能機(jī)理和如何用計(jì)算機(jī)模擬人類智能活動(dòng)的學(xué)科。智能機(jī)器人技術(shù)綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，集成了多學(xué)科的發(fā)展成果，代表高技術(shù)的發(fā)展前沿[2]。智能機(jī)器人的研究，大大促進(jìn)了人工智能思想和技術(shù)的進(jìn)步，漸漸成為一個(gè)備受關(guān)注的分支領(lǐng)域，各種智能機(jī)器人比賽也成為國內(nèi)外廣泛推廣和發(fā)展的一種競(jìng)技項(xiàng)目。

智能機(jī)器人滅火比賽由美國三一學(xué)院于1994年創(chuàng)辦，目前已成為全球規(guī)模最大、普及程度最高的全自主智能機(jī)器人大賽之一。硬件電路是智能滅火機(jī)器人整體的核心骨架，其參數(shù)性能及設(shè)計(jì)的合理性直接決定了智能滅火機(jī)器人的性能。本文完成了基于ARM9內(nèi)核[3]的智能滅火機(jī)器人的硬件電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1 硬件電路的總體設(shè)計(jì)

滅火比賽的任務(wù)是在一封閉房間模型中，隨機(jī)在其中一個(gè)房間里放置蠟燭代替的火源，要求機(jī)器人在盡可能短的時(shí)間里無碰撞地找到火源并完成滅火。

根據(jù)比賽要求及功能需要，滅火機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由控制器、傳感器輸入、驅(qū)動(dòng)輸出等模塊組成。




2 硬件電路的主要部件分析與設(shè)計(jì)

2.1嵌入式系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人高速精確地按照規(guī)定路徑行走，要求機(jī)器人的CPU能夠?qū)崟r(shí)迅速地讀取多個(gè)傳感器端口數(shù)值，并在較短的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)各端口數(shù)值的存儲(chǔ)、運(yùn)算和輸出等多種任務(wù)。由于嵌入式微處理器對(duì)實(shí)時(shí)任務(wù)具有很強(qiáng)的支持能力，能夠完成多任務(wù)并且具有較短的中斷響應(yīng)，因此在設(shè)計(jì)過程中選用以嵌入式微處理器ARM9為核心的控制器，其內(nèi)部采用哈佛結(jié)構(gòu)，每秒可執(zhí)行一億一千萬條機(jī)器指令。

為提高端口數(shù)值讀取速度，使機(jī)器人能對(duì)周圍環(huán)境信息做出迅速判斷，本設(shè)計(jì)在主芯片上設(shè)置了ADC0～ADC7（P4.0～P4.7）８路數(shù)據(jù)輸入端口，每秒可實(shí)現(xiàn)50萬次數(shù)據(jù)采集；另外又設(shè)置20路數(shù)據(jù)輸入端口，通過ATMEGA816-PC輔助單片機(jī)連接到主芯片上，用以讀取遠(yuǎn)紅外傳感器組及檢測(cè)端口的數(shù)值，每秒可實(shí)現(xiàn)1 000次數(shù)據(jù)采集。本設(shè)計(jì)還設(shè)置了4路PWM控制信號(hào)輸出端口，用以驅(qū)動(dòng)4路大功率直流電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的精確調(diào)節(jié)；此外，還設(shè)置了7路Do數(shù)字輸出端口，用以驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)、蜂鳴器、繼電器、發(fā)光二極管等。為了給龐大和復(fù)雜的程序提供更多的執(zhí)行空間，本設(shè)計(jì)附加設(shè)置了100 KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）和512 KB的程序存儲(chǔ)器（Flash ROM），用以存儲(chǔ)更多的數(shù)據(jù)和命令。

2.2 電源和驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

(1)電源及采樣電路

電源是保證機(jī)器人穩(wěn)定、可靠運(yùn)行的關(guān)鍵部件，它直接影響著機(jī)器人性能的好壞。由于本機(jī)器人電機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制器采用兩種不同等級(jí)電壓的電源，為避免2個(gè)電源相互干擾，本機(jī)器人采用雙電源供電系統(tǒng)：電機(jī)電源采用高放電倍率聚合物鋰電池，容量為2 500 MAH，工作電壓為24 V，能提供40 A的穩(wěn)定供電電流，是普通電池的10倍；控制器電源采用8.4 V鋰電池，并提供電壓采樣端口，以供電池檢測(cè)，電路圖如圖2所示。



為獲得CPU各端口電路所需要的不同等級(jí)的電壓，本設(shè)計(jì)采用1個(gè)LM317T三端穩(wěn)壓器和2個(gè)AMS1117低壓差線性電壓調(diào)整器，并通過其附屬電路，得到精確穩(wěn)定的5 V、3.3 V、1.8 V 三種電壓；采用1個(gè)發(fā)光二極管LD1和限流電阻R5作為電源指示燈，以顯示電源開關(guān)的狀態(tài)；為實(shí)時(shí)采樣電源電壓，防止鋰電池過放或過充，設(shè)計(jì)中通過R1、R2分壓，引出AD19端口作為電源采樣端口。

（2）直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

由于競(jìng)技比賽的需要，機(jī)器人要在避免碰撞的前提下盡可能提高速度，因此要求具有更大功率的驅(qū)動(dòng)器和更靈敏的控制方式。為此本文采用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源電壓為16.8 V，電流為20 A；采用占空比范圍為0～95%的4路PWM信號(hào)控制直流電機(jī)，以實(shí)現(xiàn)精確的調(diào)速[4]。

由于電機(jī)功率較大，并要求能實(shí)現(xiàn)雙向、可調(diào)速運(yùn)行，本文設(shè)計(jì)了半橋式電力MOSFET管，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)的控制。如圖3所示，2路PWM信號(hào)通過IR2104半橋驅(qū)動(dòng)器（half-bridge driver）和相應(yīng)保護(hù)電路連接至型號(hào)為IRF2807 的MOSFET管，控制電源與電動(dòng)機(jī)連接線路的通與斷，達(dá)到控制電機(jī)速度的目的。當(dāng)PWM信號(hào)占空比較大時(shí)，線路導(dǎo)通時(shí)間長，電機(jī)速度大；相反，當(dāng)PWM占空比較小時(shí)，線路導(dǎo)通時(shí)間短，電機(jī)速度小。4個(gè)MOSFET管在不同時(shí)刻導(dǎo)通組合，實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向：當(dāng)MSFET管1和4導(dǎo)通時(shí)，電機(jī)端口1為正、2為負(fù)，電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)MOSFET管2和3導(dǎo)通時(shí)，電機(jī)端口2為正、1為負(fù)，電機(jī)反轉(zhuǎn)。



2.3 傳感器

(1)紅外測(cè)距傳感器

紅外測(cè)距傳感器[5-6]是機(jī)器人的“視覺器官”，通過不斷讀取其數(shù)值并進(jìn)行判斷，才能確定機(jī)器人所處位置環(huán)境，以確定機(jī)器人下一步該執(zhí)行什么命令才不致碰撞，并按照理想的路線行走。依據(jù)比賽場(chǎng)地規(guī)格，本機(jī)器人采用SHARP公司的GP2D12PSD傳感器（后面簡(jiǎn)稱PSD傳感器），其有效測(cè)距范圍為10 cm～80 cm。其原理如圖4（a）所示。



該傳感器采用三角測(cè)量的原理，如圖4（b）所示紅外發(fā)光二極管發(fā)出紅外線光束，當(dāng)紅外光束遇到前方的障礙物時(shí)，一部分反射回來，通過透鏡聚焦到后面的線性電性耦合器件CCD（Charge Coupled Device）上，根據(jù)紅外光線在CCD上聚焦的位置，可知道光線的反射角，進(jìn)一步折算出物體的距離。由于PSD傳感器輸出電壓和實(shí)際距離是非線性關(guān)系，可以通過線性插值運(yùn)算得出其轉(zhuǎn)換近似公式。

根據(jù)比賽的需要，機(jī)器人應(yīng)該能夠測(cè)量不同方向的障礙物的距離，理論上8個(gè)方位均應(yīng)設(shè)置紅外測(cè)距傳感器；在滿足比賽要求前提下，考慮經(jīng)濟(jì)性，本設(shè)計(jì)采用了6個(gè)紅外測(cè)距傳感器，其安放位置如圖4（c）所示。通過1個(gè)或多個(gè)傳感器數(shù)值可以較精準(zhǔn)地確定機(jī)器人的位置和墻壁的關(guān)系。例如，當(dāng)正前傳感器和左前傳感器數(shù)值同時(shí)很大（距離很小）時(shí)，說明機(jī)器人處在一個(gè)角落上，前方和左側(cè)均是墻壁，此時(shí)可以執(zhí)行右拐命令，從而走出角落。

(2)遠(yuǎn)紅外火焰?zhèn)鞲衅鹘M

為能完成滅火任務(wù)，機(jī)器人必須能確定火焰的大致位置，并能對(duì)火焰是否被撲滅做出判斷。本文設(shè)計(jì)了由28個(gè)紅外接收管組成的2個(gè)遠(yuǎn)紅外火焰?zhèn)鞲衅鹘M，前后每個(gè)方位各有14個(gè)紅外接收管組成，每2個(gè)并聯(lián)并指相同一個(gè)方向，2個(gè)傳感器組共指向14個(gè)方向，可以覆蓋360°范圍。如圖5（a）所示，14個(gè)端口通過CD4051八路轉(zhuǎn)換開關(guān)連接至ATMEGA8—16PC單片機(jī)，其中SCK、MISO、MOSI為位選擇端口。此外，本設(shè)計(jì)還可以通過對(duì)14路讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，從而確定其最大最小值及相應(yīng)端口值，方便火源方位的確定。



通過對(duì)遠(yuǎn)紅外傳感器組的不同端口值的比較，還可以確定機(jī)器人和火源的相對(duì)位置，以判斷前進(jìn)方向，完成趨光動(dòng)作。當(dāng)機(jī)器人與火源相對(duì)位置如圖5（b）所示時(shí)，可以讀取端口2和端口4的值，并進(jìn)行作差，端口2的值大于端口4（說明2更靠近火源），則執(zhí)行左拐命令，使其差值在一定范圍內(nèi)，然后執(zhí)行直行命令趨近火源。

(3)地面灰度傳感器

比賽規(guī)定，機(jī)器人起始位置是直徑為30 cm的白色圓，每個(gè)房間入口有一條3 cm寬的白線，其他地面均為黑色。機(jī)器人的啟動(dòng)和停止及進(jìn)房間的標(biāo)志都要依靠對(duì)地面灰度的判斷，因此需使用能對(duì)地面反射光線的強(qiáng)弱做出反應(yīng)的傳感器。本機(jī)器使用一對(duì)地面灰度傳感器，放置在前后兩端的底座上。地面顏色越深，其值越大，地面顏色越淺，其值越小。

如圖6所示，地面灰度傳感器通過發(fā)光二極管LED照亮地面，地面的反射光線被光敏三極管接收，當(dāng)?shù)孛骖伾珵楹谏珪r(shí)，反射的光線比較弱，則光敏三極管的基極電流越小，集電極電流也相應(yīng)較小，1端口電壓值較高，其測(cè)量值較大；反之當(dāng)?shù)孛鏋榘咨珪r(shí)，反射的光線較強(qiáng)，集電極電流越大，1端口電壓值較小，測(cè)量值也較小。



本文研究并設(shè)計(jì)了基于ARM9嵌入式系統(tǒng)的一種智能滅火機(jī)器人，具有以下5個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)：(1)采用了嵌入式系統(tǒng)內(nèi)核，大大提高了機(jī)器人處理信號(hào)的能力；(2)雙電源供電系統(tǒng)引入，使機(jī)器人的運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠；(3)采用PWM信號(hào)控制大功率直流電機(jī)，在速度和精度方面有了很大的改進(jìn)；(4)通過合理選擇PSD測(cè)距傳感器的個(gè)數(shù)和安放位置，既滿足比賽要求，又能節(jié)約成本；(5)本文設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)紅外火焰?zhèn)鞲衅鹘M，很好地完成了對(duì)火源的精確定位任務(wù)，提高了滅火可靠性和快速性。

實(shí)測(cè)證明，本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人能夠很好地完成比賽任務(wù)，并且在可靠性和速度方面都有了大幅度的提高，具有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。

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