【正文】 幾只代表隊，經(jīng)過兩天的緊張的比賽，連島人獲得了三等獎的好成績。但總的方面來說，連島人還沒有完全發(fā)揮到一流的水平，與其它學校優(yōu)秀的代表隊相比，還有一些不足，表面上看是我們的機器人運行的速度還不夠快，其實是由于我們的機器人本身的特性所決定的。首先能力風暴機器人是面對社會的，它的針對大學的機器人ASUII雖然可以尋跡走，但它主要的方向是放在教育這一方面。其次它設計的系統(tǒng)最多只能擴充3個灰度傳感器。而且它的控制系統(tǒng)是八位單片機，使用的晶振的頻率是8MHZ。經(jīng)過我們發(fā)現(xiàn)、比較、摸索，要想在機器人游江蘇比賽中獲得優(yōu)異的成績，必須對機器人的控制系統(tǒng)進行大改或重新設計。在本設計中，就對它的一些缺點進行了重新設計，修改。通過改造，尋跡機器人在沿線走的速度，有了大幅度的提高，擴展的灰度傳感器的數(shù)量也達到了16個灰度傳感器的靈敏度和反應時間也有所提高。下面我就大概說說在本設計中我是怎么設計和制作尋跡機器人的。在控制系統(tǒng)方面，利用現(xiàn)在技術(shù)已經(jīng)非常成熟的AT89S52單片機，使用12MHZ的晶振?？紤]到MCS51系列的單片機的I/O口數(shù)量和驅(qū)動能力有限，特地擴展了一片8155H芯片。在灰度傳感器方面，本設計中利用了高強度二極管和光敏三極管組成的發(fā)射接收電路。利用高強度二極管發(fā)射，光敏三極管接收信號。通過調(diào)試，使輸出的信號為開關(guān)量。以便減少控制系統(tǒng)對信號的處理時間，以防止控制系統(tǒng)在處理信號時，機器人從白帶上跑過?；叶葌鞲衅黛`敏了，尋跡機器人的速度也可以提高了。在直流電動機方面，本設計使用L298N驅(qū)動芯片。一片L298N芯片控制兩個直流電動機，可以實現(xiàn)PWM調(diào)速。在認真分析尋跡機器人之后，發(fā)現(xiàn)必須要使用PWM調(diào)速。以便機器人能更快，更可靠的完成任務。在程序編寫方面，本設計使用的是匯編語言編寫的程序，程序執(zhí)行的效率高，程序容量小。由于本次使用的灰度傳感器比較多，編寫的程序也得使用一套獨特的算法。另外，對于本次設計，尋跡機器人的調(diào)試也是一件不容易的事。2 功能要求和方案論證在本章中，主要針對任務書提出的一些問題進行了回答，并總體對本設計的所要設計的模塊進行了論證，初步確定了本次設計的大概框架。 功能要求在本小節(jié)中，主要針對任務書提出的一些問題進行了回答，例如本次設計所要完成的任務，機器人的體積、所具備的功能等。 功能要求本設計要求尋跡機器人的最大尺寸必須小于等于30cm30cm30cm，由單片機對尋跡機器人進行控制，機器人所使用的傳感器為灰度傳感器，用來檢測地面不同顏色，借助灰度傳感器，實現(xiàn)機器人沿著白色的條帶行走，完成特定的任務，機器人行走借助于能力風暴機器人小車，要求能在5分鐘內(nèi)完成機器人游江蘇的任務。 輸入輸出信號尋跡機器人輸入信號有2個碰撞傳感器、16個地面?zhèn)鞲衅鳎ㄓ址Q灰度傳感器）和按鍵三種，這些信號的類型都是開關(guān)量。輸出信號有指示燈和2個直流電動機，指示燈輸出的是電壓，直流電動機輸出的是變化的電壓。輸入的是開關(guān)量，它減少了控制系統(tǒng)對信號的處理時間和資源，加快了控制系統(tǒng)對輸入信號的響應，便于在程序中提高電動機的速度，節(jié)省不必要浪費的時間。指示燈輸出的電壓在程序中只要對指定的I/O口置0或置1即可，便于實現(xiàn)。而電動機輸出的電壓，只得通過相關(guān)的程序和硬件來實現(xiàn)。本設計采用的控制器是AT89S52單片機，使用12MHZ的晶振，擴展一片8155H。 方案論證根據(jù)設計要求，本控制系統(tǒng)主要由車體設計、控制器模塊、直流電動機調(diào)速模塊、灰度傳感器模塊、電源模塊、景點檢測模塊等模塊構(gòu)成。為較好的實現(xiàn)各模塊的功能，我分別提出了幾種方案并分別進行了論證，并最終選擇了一套合適的方案。 車體設計方案一：購買玩具電動車。購買的玩具電動車具有組裝完整的車架車輪、電機及其驅(qū)動電路。但是一般的說來，玩具電動車具有如下缺點：首先，這種玩具電動車由于裝配緊湊，使得各種所需傳感器的安裝十分不方便。其次，這種電動車一般都是前輪轉(zhuǎn)向后輪驅(qū)動，不能適應該本設計中的方格地圖，不能方便迅速的實現(xiàn)原地保持坐標轉(zhuǎn)90度甚至180度的彎角。再次，玩具電動車的電機多為玩具直流電動機，力矩小，空載轉(zhuǎn)速快，負載性能差，不易調(diào)速。而且這種電動車一般都價格不菲。因此放棄了此方案。方案二：使用能力風暴機器人小車。能力風暴機器人小車采用左右兩輪分別驅(qū)動，前后各有一個萬向輪轉(zhuǎn)向。即左右輪分別用兩個轉(zhuǎn)速和力矩基本完全相同的直流電動機進行驅(qū)動，車體的頭部和尾部各裝有一個萬向輪。這樣，當兩個直流電動機轉(zhuǎn)向相反，同時轉(zhuǎn)速相同就可以實現(xiàn)尋跡機器人的原地旋轉(zhuǎn)，由此可以輕松地實現(xiàn)小車坐標不變的90度和180度的轉(zhuǎn)彎。在安裝時它能保證兩個驅(qū)動電機同軸。當機器人前進時，左右兩驅(qū)動輪與前、后萬向輪形成了四點結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)使得小車在前進時比較平穩(wěn)，可以避免出現(xiàn)前、后輪過低而使左右兩驅(qū)動輪驅(qū)動力不夠的情況。為了防止小車重心的偏移，前、后萬向輪都使用了減振彈簧，也起到了支撐作用。經(jīng)過反復思考，選用方案二。小車底盤如下圖所示：圖21 機器人底座 控制器模塊方案一：采用可編程邏輯器件CPLD 作為控制器，CPLD可以實現(xiàn)各種復雜的邏輯功能、規(guī)模大、密度高、體積小、穩(wěn)定性高、IO資源豐富、易于進行功能擴展。采用并行的輸入輸出方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)?？刂葡到y(tǒng)的控制核心。但本系統(tǒng)不需要復雜的邏輯功能，對數(shù)據(jù)的處理速度的要求也不是非常高。且從使用及經(jīng)濟的角度考慮我放棄了此方案。方案二：采用凌陽公司的16位單片機。它是16位控制器，具有體積小、驅(qū)動能力高、集成度高、易擴展、可靠性高、功耗低、結(jié)構(gòu)簡單、中斷處理能力強等特點。處理速度高，尤其適用于語音處理和識別等領域。但是當凌陽單片機應用語音處理和辨識時，由于其占用的CPU資源較多而使得凌陽單片機同時處理其它任務的速度和能力降低。本系統(tǒng)主要是進行尋跡運行的檢測以及電機的控制。如果單純的使用凌陽單片機，在語音播報的同時小車的控制容易出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。從系統(tǒng)的穩(wěn)定性和編程的簡潔性考慮，放棄了單純使用凌陽單片機而考慮其它的方案。方案三：采用Atmel公司的AT89S52單片機作為主控制器。AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8KB在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。使用Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。從方便使用、價格等諸多角度綜合考慮，我選擇了方案三。 直流電動機驅(qū)動調(diào)速模塊方案一：采用電阻網(wǎng)絡或數(shù)字電位器調(diào)整電動機的分壓，從而達到調(diào)速的目的。但是電阻網(wǎng)絡只能實現(xiàn)有級調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價格比較昂貴。更主要的問題在于一般電動機的電阻很小，但電流很大；分壓不僅會降低效率，而且實現(xiàn)很困難。方案二：采用繼電器對電動機的開或關(guān)進行控制，通過開關(guān)的切換對小車的速度進行調(diào)整。這個方案的優(yōu)點是電路較為簡單，缺點是繼電器的響應時間慢、機械結(jié)構(gòu)易損壞、壽命較短、可靠性不高。方案三：采用由達林頓管組成的H型PWM電路。用單片機控制達林頓管使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整電動機轉(zhuǎn)速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高；H型電路保證了可以簡單地實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制；電子開關(guān)的速度很快，穩(wěn)定性也極強，是一種廣泛采用的PWM調(diào)速技術(shù)。直流電動機專用驅(qū)動芯片——L298N芯片，L298N是一個具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動芯片，它相應頻率高，一片L298N可以分別控制兩個直流電機，而且還帶有控制使能端。用該芯片作為電機驅(qū)動，操作方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良。而且它正好也采用了含由達林頓管組成的雙H型電路?；谏鲜隼碚摲治?，選擇方案三。 灰度傳感器模塊灰度傳感器探測路面白帶的大致原理是光線照到路面，白帶和綠色地毯的反射光系數(shù)不同，輸入的電壓也就不同。方案一：高強度發(fā)光二極管與光敏三極管組成的發(fā)射—接收電路。這種方案的缺點在于其他環(huán)境光源會對光敏三極管的工作產(chǎn)生很大干擾，一旦外界光亮條件改變，很可能造成誤判和漏判。但如果我們采取較好的避光措施，可以避免該缺點。且可以在電路上加上可調(diào)電阻，可以使輸出的信號變?yōu)殚_關(guān)量，減少控制系統(tǒng)的處理時間。方案二：不調(diào)制的反射式紅外發(fā)射—接收器。由于采用紅外管代替普通可見光管，可以降低環(huán)境光源干擾。但如果直接用直流電壓對管子進行供電，限于管子的平均功率要求，工作電流只能在10mA左右，仍然容易受到干擾。方案三：用光敏電阻Cds單元組成光敏探測器。光敏電阻的阻值可以跟隨周圍環(huán)境光線的變化而變化。當光線照射到白線上面時，光線發(fā)射強烈，光線照射到黑線上面時，光線發(fā)射較弱。因此光敏電阻在白線和黑線上方時，阻值會發(fā)生明顯的變化。將阻值的變化值經(jīng)過比較器就可以輸出高低電平。但是這種方案受光照影響很大，不能夠穩(wěn)定地工作。因此我們考慮其他更加穩(wěn)定的方案。而且變化的速度沒有光敏三極管變化快。方案四：用紅外發(fā)射管和接收管制作光電對管尋跡傳感器。紅外發(fā)射管發(fā)出紅外線，當發(fā)出的紅外線照射到白色的平面后反射，若紅外接收管能接收到反射回的光線則檢測出白線，繼而輸出低電平；若接收不到發(fā)射管發(fā)出的光線則檢測出黑線，繼而輸出高電平。這樣制作組裝的尋跡傳感器基本能夠滿足要求，但是工作不夠穩(wěn)定，且容易受外界光線的影響，因此我也放棄了這個方案?；谏鲜隹紤]，采用方案一。 電源模塊方案一：所有器件采用單一電源（體積小、容量大的鋰離子電池，）。這樣供電比較簡單，可以利用7805芯片將它轉(zhuǎn)換為+5伏電，供控制系統(tǒng)和傳感器使用。雖然電動機啟動瞬間電流很大，而且PWM驅(qū)動的電動機電流波動很大，但鋰離子電池容量比較大，可以減少這種影響。方案二：雙電源供電。利用光耦合器傳輸信號，雖然能電動機驅(qū)動電源與單片機以及周邊電路電源完全隔離，減少了電動機驅(qū)動所造成的干擾，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。但這樣做不如單電源方便靈活，增加了尋跡機器人的成本、體積和重量。而且電機驅(qū)動模塊需要與控制系統(tǒng)電路共地。綜合考慮，采用方案一。 景點檢測模塊方案一：使用碰撞開關(guān)。碰撞開關(guān)價格便宜，使用方便，反應靈敏，性能穩(wěn)定，可靠性好，連接線路簡單。方案二：使用超聲波測距模塊。超聲波測距模塊價格比較貴，如果在尋跡機器人前后各裝一個模塊的話，它占的體積比較大，與控制系統(tǒng)之間連線比較復雜，當要求尋跡機器人撞到一個景點時，它的可靠性和穩(wěn)定性都有所局限。因本設計初步考慮的是尋跡機器人既可以前進也可以倒退，機器人可以用其頭部或尾部檢測到景點，所以綜合考慮，在尋跡機器人的頭部或尾部各安排了一個傳感器。碰撞開關(guān)正好符合這個要求。其次，它輸入的是一個開關(guān)量，未碰到物體時，它輸入的是1，碰到物體后，它輸入的是0。碰撞開關(guān)在碰到景點后，會輸入一個開關(guān)量給控制芯片，“告訴”控制系統(tǒng)已到達該景點。從多方面考慮，使用方案一。 最終方案經(jīng)過反復考慮、論證，最終確定了如下方案：（1）車體使用能力風暴機器人小車。（2）采用Atmel公司的AT89S52單片機作為主控制器。（3）采用含由達林頓管組成的雙H型PWM電路的L298N芯片作為直流電機的驅(qū)動芯片。（4）高強度發(fā)光二極管與光敏三極管組成的發(fā)射—接收電路對地面白帶進行檢測。（5）用單一電源鋰電池經(jīng)7805穩(wěn)壓后為單片機控制系統(tǒng)、傳感器和其他芯片供電，鋰電池直接為直流電動機供電。（6）景點檢測采用碰撞開關(guān)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示：鋰電池經(jīng)7805轉(zhuǎn)換AT89S52擴展一片8155芯片L298N驅(qū)動直流電機鋰電池前，中，后面灰度傳感器能力風暴機器人小車前后碰撞傳感器圖22 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖3 系統(tǒng)硬件電路的設計根據(jù)設計的需要，系統(tǒng)硬件電路的設計主要由微控制器模塊的設計、灰度傳感器模塊、直流電動機調(diào)速模塊的設計、電源模塊電路的設計等模塊構(gòu)成。下面就這些模塊一一來說明。 整體構(gòu)思因為這個項目的主要目的是通過學習和鞏固所學夠的單片機及其相關(guān)的基礎知識，并且是針對現(xiàn)有的能力風暴機器人在第二屆江蘇省大學生機器人大賽中的游江蘇項目所表現(xiàn)出的缺點進行改造，所以所制作的硬件電路一方面能夠滿足改造的目的，另一方面也可以補充自己學習中的不足，同時也可以將它作為其它項目的實施基礎。為此，我將系統(tǒng)框架設計為：圖31 系統(tǒng)框架圖其中電機驅(qū)動、邏輯控制部分均為獨立的單片機系統(tǒng)，這樣設計主要出于：（1） 單片機已十分便宜，可以像普通IC那樣使用； （2）直流電動機驅(qū)動邏輯比較簡單，但是實時性要求較高，所以獨立出來，編程較為容易，便于初學者上手； （3）直流電動機驅(qū)動部分通常會有較大的干擾，尤其是驅(qū)動普通的直流有刷電機，電刷的火花干擾很強，單獨使用簡單，但抗干擾能力強的單片機可使系統(tǒng)更加可靠； （4）直流電動機驅(qū)動部分獨立做成一個模塊后可以在以后的其它項目上使用，增加投入的附加值，例如作為RCX(樂高的控制器)的大功率電機驅(qū)動器； （5）對于走軌跡項目而言，邏輯部分并不十分復雜，完全可以將電機控制部分融入其中，但是這樣系統(tǒng)就不容易修改為其它用途，編程難度也增加了，不利于學習。由于本次設計是針對比賽而改造的，所以該設計編程難度較高； （6）采用獨立的邏輯控制便于學習者掌握構(gòu)建復雜系統(tǒng)的能力，學會多模塊協(xié)同工作時如何交換信息、如何協(xié)調(diào)。目前在控制上利用單獨的智能節(jié)點完成單一任務，采用通訊方式將這些獨立節(jié)點組合實現(xiàn)復雜的功能已經(jīng)形成一個趨勢。 （7）采用獨立的邏輯控制模塊便于學習者隨時根據(jù)學習需要替換為所要學習的單片機，目前我所采用的是51系列的，而日后如需要，可以隨時替換為AVR、PIC或其它性能更好的型號，這些新的單片機通常都有成品模塊出售，具有完善的數(shù)字、模擬以及通訊接口，這樣設計就十分容易接入，達到學習、評估的目的。 微控制器模塊的設計微控制器是尋跡機器人的控制核心，其地位可見不一般。在本設計中我選用的芯片是AT89S52，使用的晶振頻率是12MHZ，并擴展一片8155H芯片。 單片機的選