【正文】 個機械臂可繞垂直軸 Z軸旋轉(zhuǎn) 360。兩自由度云臺安裝在機械臂上，云臺上的攝像機可完成全方位圖像采集作業(yè)。機器人的運動控制及執(zhí)行機構(gòu)系統(tǒng)是機器人的動作執(zhí)行部分，具體完成機器人的各個動作，如前進、后退、轉(zhuǎn)彎等。因為移動機器人的運動是遠離中心控制計算機系統(tǒng)的，為了便于移動機器人的行動，遙控計算機與履帶式移動機器人之間的通訊系統(tǒng)則是采用的無線通訊方式。根據(jù)以上要求我們設(shè)計了這臺履帶式移動機器人，下面介紹它的體系結(jié)構(gòu)及其組成模塊。在主從式控制結(jié)構(gòu)中，有上下兩級計算機，其中上位機利用它的運算能力和龐大的系統(tǒng)資源，如 :內(nèi)存容量，磁盤容量等等，完成坐標變換、軌跡插補 ，圖形仿真等功能，并把數(shù)據(jù)傳遞給下位機 。同時為了使設(shè)計的控制系統(tǒng)符合當前移動機器人控制的發(fā)展趨勢，在控制系統(tǒng)的設(shè)計中盡可能地體現(xiàn)分布式控制結(jié)構(gòu)的思路。此外，從單片機還接收極限位置傳感器的信號，保證各驅(qū)動部件的運動在規(guī)定范圍。與 SPCE500A 不同的是，在存儲器資源方面考慮到用戶的較少資源的需求以及便于程序調(diào)試等功能。具備串行設(shè)備接口； SPCE061A的結(jié)構(gòu)如圖 32所示。 圖 32 SPCE061A管腳圖 Fig32 The pin of SPCE061A 1 ）時鐘電路 SPCE061A時鐘電路采用晶體振蕩電路。時鐘電路如圖 33[4]。 [4] 3)存儲器的擴展 SPCE061A是凌陽公司研發(fā)生產(chǎn)的一款高性能的 16位單片機 [2] [3],目前在實 8 時控制等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 4)主單片機和從單片機之間的串行通訊 串行數(shù)據(jù)通信是指數(shù)據(jù)以位為單位按先后順序傳送。移位寄存器方式是發(fā)送單片機使用并入串出移位寄存器的方式，將數(shù)據(jù)一位一位地移出到傳輸線上，接收端再使用串入并出移位寄存器的方式將數(shù)據(jù)一位一位地 圖 35 SPR4096的管腳圖 Fig 35 The pin of SPR 4096 圖 36存儲器擴展電路圖 Fig36 The circuit of the memory expansion 由傳輸線移進來。 UART 數(shù)據(jù)格式 SPCE061A 的 UART 數(shù)據(jù)幀的格式同 MCS51 的串行方式 3及多數(shù)的異步串行通信一樣，采用每幀 11 位 (1位起始位、 8位數(shù)據(jù)、 l 圖 37主從單片機串行 通信結(jié)構(gòu)圖 Fig 37 The frame of the serial munication between main SCM and subsidiary SCM 圖 38主單片機控制結(jié)構(gòu)圖 Fig 38 The controlling circuit of main SCM 位奇偶校驗位、 1位停止位 )的方式； SPCE061A的 UART編程設(shè)置 SPCE061A的 UART也是可編程控制的接口，通過編程控制設(shè)置通信方式、校驗方式、波 11 特率等 [7]。其網(wǎng)絡(luò)連接如圖 37所示。于是我們選擇 ATMEL[8]公司 AT89 系列中經(jīng)濟低價的AT89C2051 產(chǎn)品，它與 MCS51 結(jié)構(gòu)基本一致，區(qū)別是減少了 P0 和 P2 端口，增加了一個模擬比較器。兼容 MCS51指令系統(tǒng) 。 內(nèi)部 RAM。低功耗睡眠功能 。其復(fù)位 電路與時鐘電路如圖 310,311 所示。分配脈沖的相序改變后，步進電機的轉(zhuǎn)向則隨之而變。 (2)位移與輸入脈沖信號相對應(yīng)，步距誤差不長期積累。 (5)控制性能好。在小步距情況下，通?？梢栽诔退傧赂咿D(zhuǎn)矩穩(wěn)定的運行。 步距角：在不帶任何減速裝置的情況下，輸入一個脈沖信號，步進電機所轉(zhuǎn)過的機械角位移即步距角。當繞組內(nèi)電流不變時，靜轉(zhuǎn)矩隨失調(diào)角在一個齒距角范圍內(nèi)變化一個周期，在近似分析中視矩角特性為正弦曲線。 兩履帶在步進電機的驅(qū)動下，當兩步進電機由相同脈沖驅(qū)動時，履帶車直線前進或后退，改變脈沖頻率改變行進速度。在大臂上有安放攝機用的云臺 4。 2020 4500 3000 83 83 由于電機是高轉(zhuǎn)速，低力矩的驅(qū)動部件，電機輸出軸要經(jīng)過減速器進行減速，才能獲得所需的轉(zhuǎn)速和力矩。三個構(gòu)件中可任意固定一個，其余兩個一為主動一為從動，可實現(xiàn)減速或增速 (固定傳動比 )，也可以變換成兩個輸入一個輸出，組成差動傳動。行程開關(guān) SWPB 是接觸式開關(guān)，其工作原理是通過 機械力使觸點閉合，通過復(fù)位彈簧使開關(guān)復(fù)位。行程開關(guān)的電路圖如圖 312所示。控制系統(tǒng)提供給驅(qū)動器的信號主要有以下兩路 : (1)步進脈沖信號 CP:這是最重要的一路信號，因為步進電機驅(qū)動器的原理就是要把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號轉(zhuǎn)化為步進電機的角位移，或者說，驅(qū)動器每接受一個脈沖信號 CP 就是驅(qū)動步進電機旋轉(zhuǎn)一個步距角， CP 的頻率和步進電機的旋轉(zhuǎn)速度成正比， CP 的脈沖個數(shù)決定了步進電機旋轉(zhuǎn)的角度。此種換 16 向方式叫做單脈沖方式。 方向信號 圖 313典型步進電機控制驅(qū)動系統(tǒng)框圖 Fig313 The frame of the controlling system of typical stepping motor driver 變頻信號源是一個脈沖頻率從幾赫到幾十千赫可以連續(xù)變化的信號發(fā)生器，它為環(huán)形分配器提供脈沖序列。功率放大器主要對環(huán)形分配器的較小輸出信號進行放大，以達到驅(qū)動步進電機的目的。步進電機驅(qū)動電路如圖 314所示。 OPTO為共陽接法。并且超聲波傳感器在采集環(huán)境信息時不存在復(fù)雜的圖像匹配技術(shù)，不需要通過大量的計算而獲得距離數(shù)據(jù)，因此其測距速度快，實時性好。總體上講，超聲波傳感器可以分為兩大類 :一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機械方式產(chǎn)生超聲波。目前較為常用的是壓電式超聲波傳感器。反之，如果兩電極間沒有外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超聲波接收器了。超聲波的聲強隨距離增加而呈指數(shù)衰減： ，其中 d為介質(zhì)的厚度 。其中相位檢測法雖然精度高，但 檢測范圍有限，而聲波幅值檢測法易受反射波的影響，所以現(xiàn)在用于移動機器人探障的測距方法一般使用渡越時。 Fig316 The chart of ultrasonic distance survey system 1其計算公式為 1) 2 其中 D為移動機器人與被測障礙物之間的距離 。 超聲波傳感器系統(tǒng)主要由超聲波發(fā)生電路、超聲波接收電路等模塊組成，整個系統(tǒng)主要是由主單片機來控制，從而完成超聲波信號的發(fā)射與接收。 1）超聲波傳感器的發(fā)射和接收電路設(shè)計 超聲波發(fā)射部 分主要由超聲波信號發(fā)生電路、多路選擇開關(guān)、緩沖升壓放大和超聲波換能器等環(huán)節(jié)構(gòu)成。 圖 317超聲波傳感器收發(fā)電路圖 Fig317The receiving and sending circuit of ultrasonic sensor 超聲波的接收與發(fā)射必須協(xié)調(diào)一致工作，才能保證信號準確靈敏地接收。接著，經(jīng)過由二極管 D3, D4及電容 21 構(gòu)成的整形電路，對信號進行第三級放大整形處理，形成正相脈沖波，最后激發(fā)由三極管 TR2 構(gòu)成的脈沖輸出電路產(chǎn)生中斷申請信號，使單片機的 EXT1 口響應(yīng)中斷，并停止高速計數(shù)器 TimerB的計數(shù) ，計算出距離。 2)距離計算與多路選通控制設(shè)計 障礙的距離由收發(fā)的時間間隔計算得到。因此，通過觸發(fā)器 (74LS74)清零信號，可以有效地躲過干擾，同時這樣會導致所謂的探測 “盲區(qū) ”問題。CD4052 的 X 側(cè)選擇發(fā)送通道， Y 側(cè)選擇接收通道，由主單片機 SPCE061A 的IOB11～ IOB14按順序發(fā)出通道選擇信號，使發(fā)送通道與接收通道一一對應(yīng)地接 22 通。由于主單片機 SPCE061A 只有兩個外部中斷輸入端。其中EXT1 圖 319 近開關(guān)連接結(jié)構(gòu)圖 Fig319 The frame of approaching switch 己被超聲波測距系統(tǒng)使用。同一根外部中斷輸入引腳 EXT2上有 4個中斷源，集電極開路的非門構(gòu)成或非電路，無論哪個接近開關(guān)動作提出中斷請求，都會使 EXT2的引腳變低，究竟哪個接近開關(guān)動作，可以查詢 IOA0～ IOA3的邏輯電平獲知，它們的優(yōu)先可以由軟件排定，我們這里優(yōu)先級按接近開關(guān)一至接近開關(guān)四由高到低順序排列。紅外光電二極管發(fā)出紅外線，如前方有障礙物則紅外線被反射回來，照射到光電晶體管的基極使三極管導通， C點電壓為 “L”；反之，則無紅外線反射回來，光電三極管處于截止狀態(tài)，C點電壓為 “H”。圖像無線傳輸系統(tǒng)將移動機器人前方的攝像頭圖像傳輸?shù)竭b控計算機上，合成立體圖像，供遙操作者使用。該器件采用抗干擾產(chǎn)品的設(shè)計。工作最高速率可達 20kb/s，也可在較低速率下工作且接收發(fā)射合