【正文】 圖 31移動(dòng)機(jī)器人的微控器系統(tǒng)框圖 Fig31 The frame of the controlling system of mobile robot 機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和機(jī)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(dòng)機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)的情況和目前移動(dòng)機(jī)器人控制技術(shù)的發(fā)展，決定采用主從式結(jié)構(gòu)的控制方法。各從單片機(jī)分別通過環(huán)形分配器和功率驅(qū)動(dòng)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。 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(jié)構(gòu)的微控制器。 所以，主單片機(jī)選擇了凌陽公 司的 SPCE061A。 2個(gè) 20pF電容用 于整形振蕩脈沖。圖 34所示為通 用阻容式復(fù)位電路，該電路具有手動(dòng)和上電復(fù)位兩種功能。連接電路如圖 36所示[6]。在單片機(jī)中，主要使用的是移位寄存器方式和異步串行方式。 構(gòu)成 SPCE061A的 UART的構(gòu)成與其他單片機(jī)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(biāo)志等組成，實(shí)現(xiàn)每次一個(gè)字節(jié)的異步串行通信。主單片機(jī)需要使用串行口對(duì)各個(gè)從單片機(jī)進(jìn)行指揮、交換數(shù)據(jù)等，就需要實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信。從系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性考慮，如果從單片機(jī)仍選用 16 位單片機(jī)，那么系統(tǒng)浪費(fèi)是很大的。其主要特點(diǎn)如下 : 圖 39 AT89C2051引腳 圖 Fig39 The pin of AT892051 15個(gè)雙向 I/0口 。兩個(gè) 16位可編程定時(shí) /計(jì)數(shù)器 。時(shí)鐘頻率 024Hz 。 從單片機(jī) AT89C2051 控制系統(tǒng)的復(fù)位電路、時(shí)鐘電路與主單片機(jī)控制系統(tǒng)的復(fù)位電路、時(shí)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(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度就高，反之就低 。簡而一言之，轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的速度主要取決于脈沖信號(hào)的頻率，而轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的總位移量取決于總的脈沖個(gè)數(shù)。 (4)無刷，電動(dòng)機(jī)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(jìn)電機(jī)的相數(shù)可以為任意數(shù)，通常 m為 2, 3, 4, 5, 6。靜轉(zhuǎn)矩是指步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子靜止時(shí)，控制繞組通以直流電，由失調(diào)角 (定轉(zhuǎn)子齒中心線間夾角 )的存在而引起的電磁轉(zhuǎn)矩。 履帶式移動(dòng)機(jī)器人的兩條履帶的兩臺(tái) 130BYG550ESAKRNI 0801型五 相混合式步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)如 31表所示。機(jī)械臂有三個(gè)典型關(guān)節(jié)，肩關(guān)節(jié) 肘關(guān)節(jié) 5 及腕關(guān)節(jié) 8，在肩關(guān)節(jié)與肘關(guān)節(jié)之間為大臂 3，肘關(guān)節(jié)與腕關(guān)節(jié)之間為小臂 7，與肩關(guān)節(jié)下端相連的是一使整個(gè)機(jī)械臂回轉(zhuǎn)的大臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) 1，在肘關(guān)節(jié)與腕關(guān) 節(jié)之間有一使小臂回轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) 6。 表 32五個(gè)關(guān)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)及參數(shù) Tbale22 The step motor type and parameter of five joints 關(guān)節(jié)名稱 大臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) 肩關(guān)節(jié) 肘關(guān)節(jié) 腕關(guān)節(jié) 小臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào) 57BYG250B 86BYG250C 86BYG250B 45BYG250B 45BYG250B 相電流 /A 3 6 4 步距角 保持轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 /gcm2 /Nm /176。諧波傳動(dòng)包括三個(gè)基本構(gòu)件，波發(fā)生器、柔輪、 剛輪。我們?cè)O(shè)計(jì)的行程開關(guān)結(jié)構(gòu)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(duì)地電阻，使 Uol 接近于零電位。驅(qū)動(dòng)器是把計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提供的弱電信號(hào)放大為步進(jìn)電機(jī)能夠接受的強(qiáng)電信號(hào) [9]。比如說，此信號(hào)為高電平時(shí)電機(jī)為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，此信號(hào)為低電平時(shí)電機(jī)則為反方向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。典型步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如圖 313所示。另一類是用硬件構(gòu)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(dòng)機(jī)器人步進(jìn)電機(jī)對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器型號(hào)及參數(shù) Table 33 The stepping motor drivers’type and parameter of robot 驅(qū)動(dòng)部位 電機(jī)型號(hào) 驅(qū)動(dòng)器型號(hào) 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(zhuǎn) 57BYG250B 關(guān)節(jié) 86BYG250B 肩關(guān)節(jié) 86BYG250B 肘關(guān)節(jié) 小臂回轉(zhuǎn) 45BYG250B 關(guān)節(jié) 45BYG250B 腕關(guān)節(jié) 器。從單片機(jī)與驅(qū)動(dòng)器接線非常簡單，而且兩相驅(qū)動(dòng)器與五相驅(qū)動(dòng)器類似只是與電動(dòng)機(jī)接線時(shí)多了三相。而驅(qū)動(dòng) 圖 315 從單片機(jī)控制結(jié)構(gòu)圖 Fig315 The controlling circuit of subsidiary SCM 器的 FREE口為脫機(jī)模式此處不用，故懸空。 履帶式移動(dòng)機(jī)器人的超聲波感知模塊設(shè)計(jì) 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(diǎn)。 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(shè)計(jì)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(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。這些特性使之能應(yīng)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(shí)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(jià)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(dòng)機(jī)器人擬配備 10個(gè)超聲傳感器，在機(jī)器人的前進(jìn)方向按照 15度的間隔配置7個(gè)，覆蓋前方 105度的區(qū)域，另外三個(gè)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(shí)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(jí)為初級(jí)放大，選用了通用運(yùn)放 LM358 對(duì)接收的弱信號(hào)進(jìn)行 100 倍左右的放大處理 .為防止 “強(qiáng) ”虛假反射波串入后對(duì)電路的沖擊影響，采用兩個(gè)二極管 D1, D2作為 :第二級(jí)位諧振選頻放大電路，放大 40 kHz左右的超聲波信號(hào)，同時(shí)濾出其他頻率的干擾信號(hào) 。我們的系統(tǒng)最大測距范圍為 4m，脈沖時(shí)間間隔為，實(shí)際我們?nèi)?。為了有效地避開 “虛假 ”信號(hào)，需要進(jìn)行軟件延時(shí)處理，從發(fā)射開始一直到 “虛假發(fā)射波 ”結(jié)束為止，由于這段時(shí)間觸發(fā)器不能置 1”從而不會(huì)發(fā)出中斷申請(qǐng)信號(hào)。由三個(gè) CD4502 和一個(gè) 24 譯碼器擴(kuò)展成一個(gè)雙 10 路的模擬開關(guān)。當(dāng)有不明物體碰撞到移動(dòng)機(jī)器人時(shí)，離其最近 的接近開關(guān)動(dòng)作，觸發(fā)單片機(jī)的中斷，移動(dòng)機(jī)器人就停止運(yùn)行，哪個(gè)接近開關(guān)，調(diào)用中斷程序做出相應(yīng)的處理。兩條外部中斷請(qǐng)求輸人線用于輸入兩個(gè)外部中斷源的中斷請(qǐng)求信號(hào)，外部中斷是以負(fù)跳沿觸發(fā)方式來輸人中斷請(qǐng)求信號(hào)的。每個(gè)接近開關(guān)都接在 EXT2，同時(shí)利用輸入口線作為多中斷端口情況下各中斷端口的識(shí)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(guān) 1的電路如圖 320所示。這套遙控系統(tǒng)由遙控計(jì)算機(jī)、移動(dòng)機(jī)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(jī)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(shè)計(jì)，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(shù)。數(shù)據(jù)無線通信系統(tǒng)負(fù)責(zé)在移動(dòng)機(jī)器人和遙控計(jì)算機(jī)之間傳遞移動(dòng)機(jī)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(diǎn)電位的變化即可判斷前方障礙物的有無。結(jié)構(gòu)圖如圖 319所示，電源電壓為 +5V。還有四個(gè)接近開關(guān)，需要四個(gè)中斷。外部中斷源 SPCE061A單片機(jī)有兩個(gè)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(dòng)機(jī)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(shí)間的測定是由主單片機(jī)內(nèi)部的計(jì)數(shù)器來完成的。 本系統(tǒng)采用分時(shí)工作，按五個(gè)方向 10 個(gè)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(yīng)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(rèn)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(guān)、整形觸發(fā)輸出等環(huán)節(jié)組成。為有效探測機(jī)器人周圍的環(huán)境信息，除了盡量使超聲波發(fā)射頻率達(dá)到 40 kHz的最佳工作頻率外，緩沖升壓驅(qū)動(dòng)也非常關(guān)鍵的。另外本系統(tǒng)設(shè)有接近開關(guān)，接近開關(guān)的觸發(fā)響應(yīng)及發(fā)出移動(dòng)機(jī)器人緊急停車信號(hào)、控制通訊等功能也都是通過主單片機(jī) SPCE061A 來完成的在移動(dòng)機(jī)器人中，為了對(duì)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(gè)傳感器不足以完成機(jī)器人對(duì)環(huán)境的感知，必須采用多個(gè)傳感器組成機(jī)器人的感知系統(tǒng)。t為超聲發(fā)射到超聲返回的