【正文】 圖 31移動機器人的微控器系統(tǒng)框圖 Fig31 The frame of the controlling system of mobile robot 機技術的飛速發(fā)展和機器人控制要求的不斷提高，逐漸出現(xiàn)了主從控制方式和分布式控制方式?？紤]到該履帶式移動機器人的本體結構的情況和目前移動機器人控制技術的發(fā)展，決定采用主從式結構的控制方法。各從單片機分別通過環(huán)形分配器和功率驅動控制電動機的轉動，進而控制機器人的運動。 SPCE061A 是繼 μ’ nSP?（ Microcontroller and Signal Processor）系列產(chǎn)品 SPCE500A等之后凌陽科技推出的又一款 16位結構的微控制器。 所以，主單片機選擇了凌陽公 司的 SPCE061A。 2個 20pF電容用 于整形振蕩脈沖。圖 34所示為通 用阻容式復位電路，該電路具有手動和上電復位兩種功能。連接電路如圖 36所示[6]。在單片機中，主要使用的是移位寄存器方式和異步串行方式。 構成 SPCE061A的 UART的構成與其他單片機的異步串行口基本相同，也是由發(fā)送、接收寄存器，控制單元，狀態(tài)標志等組成，實現(xiàn)每次一個字節(jié)的異步串行通信。主單片機需要使用串行口對各個從單片機進行指揮、交換數(shù)據(jù)等，就需要實現(xiàn)多機通信。從系統(tǒng)的經(jīng)濟性考慮，如果從單片機仍選用 16 位單片機，那么系統(tǒng)浪費是很大的。其主要特點如下 : 圖 39 AT89C2051引腳 圖 Fig39 The pin of AT892051 15個雙向 I/0口 。兩個 16位可編程定時 /計數(shù)器 。時鐘頻率 024Hz 。 從單片機 AT89C2051 控制系統(tǒng)的復位電路、時鐘電路與主單片機控制系統(tǒng)的復位電路、時鐘電路不同。脈沖數(shù)增加，角位移 (或線位移 )就隨之增加，脈沖頻率高，則步進電機旋轉速度就高，反之就低 。簡而一言之，轉子運動的速度主要取決于脈沖信號的頻率，而轉子運動的總位移量取決于總的脈沖個數(shù)。 (4)無刷，電動機本體部件少，可靠性高。 (7)步距角選擇范圍大，可在幾角分至 大范圍內(nèi)選擇。步進電機的相數(shù)可以為任意數(shù)，通常 m為 2, 3, 4, 5, 6。靜轉矩是指步進電機轉子靜止時，控制繞組通以直流電，由失調(diào)角 (定轉子齒中心線間夾角 )的存在而引起的電磁轉矩。 履帶式移動機器人的兩條履帶的兩臺 130BYG550ESAKRNI 0801型五 相混合式步進電機的參數(shù)如 31表所示。機械臂有三個典型關節(jié)，肩關節(jié) 肘關節(jié) 5 及腕關節(jié) 8，在肩關節(jié)與肘關節(jié)之間為大臂 3，肘關節(jié)與腕關節(jié)之間為小臂 7，與肩關節(jié)下端相連的是一使整個機械臂回轉的大臂回轉關節(jié) 1，在肘關節(jié)與腕關 節(jié)之間有一使小臂回轉的回轉關節(jié) 6。 表 32五個關節(jié)步進電機的型號及參數(shù) Tbale22 The step motor type and parameter of five joints 關節(jié)名稱 大臂回轉關節(jié) 肩關節(jié) 肘關節(jié) 腕關節(jié) 小臂回轉關節(jié) 步進電動機型號 57BYG250B 86BYG250C 86BYG250B 45BYG250B 45BYG250B 相電流 /A 3 6 4 步距角 保持轉矩 轉動慣量 /gcm2 /Nm /176。諧波傳動包括三個基本構件，波發(fā)生器、柔輪、 剛輪。我們設計的行程開關結構簡單、尺寸小、便于安裝。為防止 Uol 懸浮，可在光電二極管的輸入端接對地電阻，使 Uol 接近于零電位。驅動器是把計算機系統(tǒng)提供的弱電信號放大為步進電機能夠接受的強電信號 [9]。比如說，此信號為高電平時電機為順時針旋轉，此信號為低電平時電機則為反方向逆時針旋轉。典型步進電機控制驅動系統(tǒng)如圖 313所示。另一類是用硬件構成的環(huán)形分配器，通常稱為硬環(huán)形分配 表 33 履帶式移動機器人步進電機對應的驅動器型號及參數(shù) Table 33 The stepping motor drivers’type and parameter of robot 驅動部位 電機型號 驅動器型號 SH51008 SH20806C SH21006C SH21006C SH20402A SH20402A 相數(shù) 5 2 2 2 2 2 輸出相電流 /A 8 3 6 4 供電電源 100VAC 48VDC 100VAC 100VAC 24VDC 24VDC 履帶車 130BYG550E 大臂回轉 57BYG250B 關節(jié) 86BYG250B 肩關節(jié) 86BYG250B 肘關節(jié) 小臂回轉 45BYG250B 關節(jié) 45BYG250B 腕關節(jié) 器。從單片機與驅動器接線非常簡單，而且兩相驅動器與五相驅動器類似只是與電動機接線時多了三相。而驅動 圖 315 從單片機控制結構圖 Fig315 The controlling circuit of subsidiary SCM 器的 FREE口為脫機模式此處不用，故懸空。 履帶式移動機器人的超聲波感知模塊設計 超聲波傳感器具有成本低廉，采集信息速率快，距離分辨率高，質(zhì)量輕、體積小、易于 裝卸等優(yōu)點。 超聲波傳感器的原理分析 為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設計和制成了許多超聲波傳感器。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產(chǎn)生超聲波。這些特性使之能應用于距離探測。超聲波測距所用的方法一般有相位檢測法、聲波幅值檢測法和渡越時間法 (TimeofFlight, TOF)三種。超聲波障礙距離探測系統(tǒng)的原理如圖 316所示。因此選用的超聲換能器是收發(fā)一體型的 EFR240RSC，它性價比高，體積小，工作頻率 40kHz，使用溫度 40～ +80℃ ，防塵、防水，測距范圍 0. 2～ 5m。該履帶式移動機器人擬配備 10個超聲傳感器，在機器人的前進方向按照 15度的間隔配置7個，覆蓋前方 105度的區(qū)域，另外三個分別安裝在正左方、正右方及正后方，可以用來探測穿過狹窄通道時的環(huán)境信息。超聲波傳感器收發(fā)電路圖如圖 317所示。 第一級為初級放大，選用了通用運放 LM358 對接收的弱信號進行 100 倍左右的放大處理 .為防止 “強 ”虛假反射波串入后對電路的沖擊影響，采用兩個二極管 D1, D2作為 :第二級位諧振選頻放大電路，放大 40 kHz左右的超聲波信號，同時濾出其他頻率的干擾信號 。我們的系統(tǒng)最大測距范圍為 4m，脈沖時間間隔為，實際我們?nèi)?。為了有效地避開 “虛假 ”信號，需要進行軟件延時處理，從發(fā)射開始一直到 “虛假發(fā)射波 ”結束為止，由于這段時間觸發(fā)器不能置 1”從而不會發(fā)出中斷申請信號。由三個 CD4502 和一個 24 譯碼器擴展成一個雙 10 路的模擬開關。當有不明物體碰撞到移動機器人時，離其最近 的接近開關動作，觸發(fā)單片機的中斷，移動機器人就停止運行，哪個接近開關，調(diào)用中斷程序做出相應的處理。兩條外部中斷請求輸人線用于輸入兩個外部中斷源的中斷請求信號，外部中斷是以負跳沿觸發(fā)方式來輸人中斷請求信號的。每個接近開關都接在 EXT2，同時利用輸入口線作為多中斷端口情況下各中斷端口的識別線。它由高發(fā)射功率紅外光電二極管和高靈敏度光電晶體管組成，檢測距離 23 范圍為 50~200mm，接近開關 1的電路如圖 320所示。這套遙控系統(tǒng)由遙控計算機、移動機器人、數(shù)據(jù)無線通信系統(tǒng)，圖像無線傳輸系統(tǒng)組成。無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊采用基于 nRF401無線通信單片機的 PTR2020微小型、低功耗、高速率 19. 2K無線收發(fā)數(shù)傳 MODEM。工作頻 率為國際通用的數(shù)傳頻段 433MHz, FSK調(diào)制，工作電壓 2. 7～ 5. 25V，功耗小。 。該無線收發(fā) 24 模塊主要有以下特性 : 另外，由于采用了低發(fā)射功率、高靈敏度設計，因而可滿足無線管制的要求且無需使用許可證，采用目前低功率無線數(shù)傳的高科技技術。數(shù)據(jù)無線通信系統(tǒng)負責在移動機器人和遙控計算機之間傳遞移動機器 人的狀態(tài)參數(shù)以及遙控控制命令。因此可以利用 C點電位的變化即可判斷前方障礙物的有無。結構圖如圖 319所示，電源電壓為 +5V。還有四個接近開關，需要四個中斷。外部中斷源 SPCE061A單片機有兩個外部中斷，分別為 EXT1和 EXT2。多路選通控制圖如圖 318所示 ,其中 EN接到 IOB15上。本移動機器人系統(tǒng)的盲區(qū)大約為 25cm。超聲波從發(fā)射到接收間隔時間的測定是由主單片機內(nèi)部的計數(shù)器來完成的。 本系統(tǒng)采用分時工作，按五個方向 10 個傳感器的順序循環(huán)測距，若在有效測距范圍內(nèi)有被測障礙的話，則應該在后一路超聲波束發(fā)出之前接收到前一路發(fā)出的反射波，否則認為前一路無障礙。該部分主要由接收換能器、放大濾波、多路模擬開關、整形觸發(fā)輸出等環(huán)節(jié)組成。為有效探測機器人周圍的環(huán)境信息，除了盡量使超聲波發(fā)射頻率達到 40 kHz的最佳工作頻率外，緩沖升壓驅動也非常關鍵的。另外本系統(tǒng)設有接近開關，接近開關的觸發(fā)響應及發(fā)出移動機器人緊急停車信號、控制通訊等功能也都是通過主單片機 SPCE061A 來完成的在移動機器人中，為了對環(huán) 境有充分的了解，獲取足夠的環(huán)境信息，建立有效的環(huán)境模型，單個傳感器不足以完成機器人對環(huán)境的感知，必須采用多個傳感器組成機器人的感知系統(tǒng)。t為超聲發(fā)射到超聲返回的