【文章內(nèi)容簡介】 崔顯世、顏國正等人也創(chuàng)造出了我國第一臺小型蛇形機(jī)器人。中科院開放實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)金也開始了對蛇形機(jī)器人的研究，并在可重構(gòu)思想的基礎(chǔ)之上提出一種新型的結(jié)構(gòu)；國防科技大學(xué)也研發(fā)了屬于自己的蛇形機(jī)器人，而且可以在水中實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的運(yùn)動，雖然蛇形機(jī)器人的研究在我國起步比較晚，但發(fā)展速度之快， 前所未有。近來，大家對仿生學(xué)的興趣空前上漲，而仿生機(jī)器學(xué)也隨之而受到在機(jī)器人領(lǐng)域的特別關(guān)注，對于地震、雪災(zāi)、泥石流、海嘯、火山、有毒氣等危險(xiǎn)的地方和一些地面障礙物比較多、崎嶇不平、以及狹窄難以通過的地形及環(huán)境，類似于蛇形機(jī)器人的機(jī)器有相當(dāng)大的運(yùn)動優(yōu)勢，可以滿足各種各樣的需求。正是由于蛇形機(jī)器人具有輪式機(jī)器人及步行機(jī)器人所沒有的靈活運(yùn)動方式和廣泛的應(yīng)用前景，研究和設(shè)計(jì)蛇形仿生冗余度機(jī)器人受到越來越多人的重視。 蛇形機(jī)器人的簡介 本 設(shè)計(jì) 以 STC89C51 為控制芯片， 主要由 4 個部分組成，分別為控制部分、機(jī) 械部分、無線傳輸部分、電源部分、上位機(jī)顯示部分 。 電源部分，主要采用的是開關(guān)穩(wěn)壓電源，可以分別輸出所需要的 5V 和 12V 電壓，且電流均可以達(dá)到 5A，即總共可以輸出 85W 的電能，能夠滿足整個蛇身運(yùn)動所需要的 3 能量，由于舵機(jī)所需要的啟動電流特別大，每個舵機(jī)可以達(dá)到 ，同時(shí)啟動的 3 個舵機(jī)對電源的穩(wěn)定性有較大的影響，直流減速電機(jī)需要 12V 電壓供電，而直接供電電流達(dá)不到的要求，故采用 L298N 作為驅(qū)動，加以外圍電路，實(shí)現(xiàn)直流減速電機(jī)的運(yùn)動，因此給 51 單片機(jī)和 ARM 單片機(jī)的供電另行采用 5V 的蓄電池，這樣可以使整個系統(tǒng) 處于穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。 控制部分主要是靠 51 單片機(jī)和 LPC2131 的 ARM 系統(tǒng)來控制的， 51 單片機(jī)主要通過對 IO 口的控制，來實(shí)現(xiàn)對 NRF905 各個寄存器的配置，以及對存儲器的 控 制命令，從而對超聲波模塊測得距離進(jìn)行無線傳輸，然后利用 1602 對超聲波側(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，做到實(shí)時(shí)通訊，實(shí)時(shí)傳輸。而 LPC2131 主要控制的是舵機(jī)、直流電機(jī)、紅外避障模塊、無線遙控。 LPC2131 通過選擇 GPIO 輸出功能，配置寄存器，通過控制占空比來實(shí)現(xiàn)對不同轉(zhuǎn)動角度的控制，從而可以實(shí)現(xiàn)蛇身上下左右各個角度的轉(zhuǎn)動，即達(dá)到兩個自由度 的運(yùn)動。同理，對直流減速電機(jī)進(jìn)行輸出控制，實(shí)現(xiàn)蛇身的前進(jìn)運(yùn)動，補(bǔ)充一個自由度，繼而實(shí)現(xiàn) 3 維運(yùn)動。而對于紅外遙控，當(dāng)前面 30CM 范圍有障礙物時(shí)，電平被拉低，輸送給單片機(jī)，單片機(jī)發(fā)送指令給 ARM 控制直流減速電機(jī)左轉(zhuǎn)，避開障礙物，實(shí)現(xiàn)其功能。 無線傳輸模塊主要分為控制蛇身運(yùn)動的數(shù)字遙控、對數(shù)據(jù)傳輸?shù)?NRF905 和網(wǎng)絡(luò)攝像頭。對于四鍵式無線遙控，主要模塊就是 2262 和 2272 兩個接收和發(fā)射模塊的配合，當(dāng)有按鍵被按下時(shí)，電平被拉高，輸出有效的，通過 74LS04 反相器輸出低電平，傳送給ARM 單片機(jī)控制蛇的擺動和 前進(jìn)，其傳輸頻率為 315MHZ。 NRF905 工作在 433MHZ 的頻率范圍內(nèi)，主要有數(shù)字輸入、數(shù)字輸出、 SPI 接口，需要提供 3V 電壓，最大發(fā)射功率可以達(dá)到 10dBm，在進(jìn)行通訊時(shí)先將數(shù)據(jù)采集到后打包，壓縮至緩存中，然后發(fā)射，待到接收端開啟接收模式后，將打包后的數(shù)據(jù)解開，之后一位一位顯示出來。就網(wǎng)絡(luò)攝像頭而言，需要提供網(wǎng)絡(luò)，然后將蛇周圍的情況檢測到后傳輸?shù)诫娔X，打開設(shè)計(jì)好的上位機(jī)，顯示出來。 上位機(jī)模塊主要是利用 Labview 軟件，在 Keil 里面編寫好下位機(jī)模塊后，通過 905把數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)之后，再由串口 把數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X里面，通過 Labview 編程之后，得到一個上位機(jī)的界面，再把數(shù)據(jù)從這個界面中用曲線和數(shù)字的形式顯示出來。 機(jī)械部分主要是蛇的架構(gòu)及其連接問題，蛇身用內(nèi)徑為 6CM 的 UPVC 管截成 8CM長的小塊，通過用 3DMAX 軟件對架構(gòu)的設(shè)計(jì)及其仿真，形成了最終的便捷、可行性方案，即每個部件采雙 U 形結(jié)構(gòu)制成，并用舵機(jī)作為連接件，采用鉚釘結(jié)構(gòu)固定，每兩個部件為一個單元，蛇身共有 5 個單元，可以充分顯示出蛇的各個規(guī)定動作。 4 本文的結(jié)構(gòu)安排 本課題以 LPC2131 和 STC51 單片機(jī)為控制芯片，設(shè)計(jì)了多關(guān)節(jié)蛇 形搜尋機(jī)器人?，F(xiàn)主要從以下方面進(jìn)行介紹： 本論文總共包括四章內(nèi)容，各個章節(jié)的順序參照設(shè)計(jì) 工程中 工作 流程 方法 ， 其 大致安排如下： 第二章 ：主控制器簡介和各模塊理論。對 LPC2131 和 51 單片機(jī)進(jìn)行簡單介紹，闡述其主要功能及原理；深入 分析 超聲波、無線數(shù)傳、遠(yuǎn)程控制、設(shè)的運(yùn)動理論。 第三章：針對測量距離、液晶顯示、避開障礙物、數(shù)字遙控、蛇體運(yùn)動，從如何實(shí)現(xiàn)、硬件電路以及部分軟件編程入手，進(jìn)行深入分析，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的控制方案。 第四章：通過硬件檢查，軟件編譯，再聯(lián)合調(diào)試，給出精確度。 第五章：總結(jié)全文，并給出展望。 5 2 理 論概述 本課題是基于 LPC2131 的蛇形機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。首先，深入了解 LPC2131 的應(yīng)用及基本原理。然后，介紹下生物蛇運(yùn)動的思想和各模塊的運(yùn)行原理。最后，深入的掌握蛇型機(jī)器人的執(zhí)行模型，從 理論上 為蛇形機(jī)器人作出分析與設(shè)計(jì) 主控制器 本次設(shè)計(jì)的主控制器是 LPC2131 控制舵機(jī)、直流減速電機(jī)、無線遙控以及紅外避障，51 單片機(jī)主要控制液晶顯示、 NRF905 和超聲波，現(xiàn)將它們分別介紹如下。 LPC2131的簡介 本次設(shè)計(jì)所用的主控制器 LPC2131 是 ARM7 系列里面 EasyARM 的最常用的 芯片， 是兼容 于 LPC21 系列的 指令系統(tǒng) 集，應(yīng)用了菲利普公司的 ARM7TDMIS 核 。 LPC2131 開發(fā)板上自帶了獨(dú)立鍵盤、 LED 發(fā)光、 5V 蜂鳴器等常用部件。 LPC2131 是以實(shí)時(shí)仿真和嵌入式為基礎(chǔ)的的 32/16 位的 ARM7TDMISTM CPU 的微控制器，根據(jù)需要用戶可以更換兼容的 CPU 進(jìn)行仿真調(diào)試，類似的有， LPC213 LPC2138 等，他們帶有 32kb、 64kb 的嵌入式 高速閃存處理器。 128 位寬度的存儲器。如今 隨著 閃存 ROM 技術(shù)的 更新?lián)Q代 ， 靈活的跳線組合，還有用戶 GPIO 接口，使我們更加方便的對 32 位 ARM 進(jìn)行開發(fā) ,如圖 21 所示 。 X T A L 162X T A L 261P 0 .0 /T x D0/ P W M 119P 0 .1 /Rx D0/ P W M 3 /E I N T 021P 0 .2 /S CL0 /C A P 0 . 022P 0 .3 /S DA 0 /M A T 0 .. 0 /E I N T 126P 0 .4 /S CK 0 /CA P 0 .1 / A D 0 . 627P 0 .5 /M I S O 0 /M A T 0 .1 /A D 0 . 729P 0 .6 /M O S I 0 /CA P 0 .2 / A D 1 . 030P 0 .7 /S S E L 0 /P W M 2 / E I N T 231P 0 .8 /T x D1/ P W M 4 / A D 1 . 133P 0 .9 /Rx D1/ P W M 6 /E I N T 334P 0 .1 0 /RT S 1 /CA P 1 .0 / A D 1 . 235P 0 .1 1 /CT S 1 /CA P 1 .1 / S C L 137P 0 .1 2 /DS R1/ M A T 1 .0 / A D 1 . 338P 0 .1 3 /DT R1/ M A T 1 .1 /A D 1 . 439P 0 .1 4 /DCD 1 /E I NT 1 /S D A 141P 0 .1 5 /RI 1 /E I NT 2 /A D1 . 545P 0 .1 6 /E I NT 0 /M A T 0 .2 /CA P 0 . 246P 0 .1 7 /CA P 1 .2 /S CK 1 / M A T 1 . 247P 0 .1 8 /CA P 1 .3 /M I S O 1 /M A T 1 . 353P 0 .1 9 /M A T 1 .2 /M O S I 1 /C A P 1 . 254P 0 .2 0 /M A T 1 .3 /S S E L 1 /E I N T 355P 0 .2 1 /P W M 5 /A D1 . 6 / C A P 1 . 31P 0 .2 2 /A D1. 7 /CA P 0 .0 / M A T 0 . 02P 0 .2 358P 0 .2 5 /A D0. 4 /A O U T9P 0 .2 7 /A D0. 0 /CA P 0 .1 / M A T 0 . 111P 0 .2 8 /A D0. 1 /CA P 0 .2 / M A T 0 . 213P 0 .2 9 /A D0. 2 /CA P 0 .3 / M A T 0 . 314P 0 .3 0 /A D0. 3 /E I NT 3 /CA P 0 . 015V323RS T57V RE F63VSS6V S S A59P 1 .1 6 /T RA CE P K T 016P 1 .1 7 /T RA CE P K T 112P 1 .1 8 /T RA CE P K T 28P 1 .1 9 /T RA CE P K T 34P 1 .2 0 /T RA CE S Y N C48P 1 .2 1 /P I P E S T A T 044P 1 .2 2 /P I P E S T A T 140P 1 .2 3 /P I P E S T A T 236P 1 .2 4 /T RA CE C L K32P 1 .2 5 /E X T I N 028P 1 .2 6 /RT C K24P 1 .2 7 /T DO64P 1 .2 8 /T DI60P 1 .2 9 /T C K56P 1 .3 0 /T M S52P 1 .3 1 /T RS T20V343V351VSS18VSS25VSS42VSS50RT X C13RT X C25V 3 A7V B A T49P 0 .3 117P 0 .2 6 /A D 0 . 510U?L P C21 3 1 圖 21 LPC2131 結(jié)構(gòu)圖 6 LPC2131 的主要功能： （ 1）擁有完全自主的軟硬件設(shè)計(jì)及其仿真調(diào)試功能； （ 2）支持 ARM 的編程環(huán)境 集成開發(fā)環(huán)境及其菲利普公司所有的 ARM 系列微控制器； （ 3）可以進(jìn)行 GPIO 口的控制性試驗(yàn)，例如鍵盤輸入、 LED 控制模擬 ISP； （ 4）與上位機(jī)可以通過 RS232 轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行直接通訊，完成 串口實(shí)驗(yàn)； （ 5）可以用提供的人機(jī)界面，進(jìn)行實(shí)時(shí)時(shí)鐘和串口通信等的調(diào)試； （ 6）有向量中斷功能； （ 7）有 CAT1025 自帶的復(fù)位功能； （ 8）使用鎖存器 74HC595 芯片，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接受功能； （ 9）自帶 a/d 轉(zhuǎn)換功能，可以進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換； （ 10）具有 6 路 PWM 波，可以利用占空比控制輸出； （ 11）可以進(jìn)行遠(yuǎn)程的 MODEM 通訊； （ 12）可以對 SD 進(jìn)行讀寫操作； （ 13）可以通過 USB 進(jìn)行串口通信； （ 14）具有看門口和實(shí)時(shí)時(shí)鐘。 LPC2131 的主要部分： （ 1） LPC2131 開發(fā)板總共有 47 個 GPIO 口。分為 P0[31:0]和 P1[31:16],其中， 沒有使用， 僅僅作為輸出口使用。 LPC2131 的大部分引腳都可以有復(fù)用的功能，因此需要有一個專門的寄存器來對某個引腳使用什么功能進(jìn)行選擇，在 LPC2131 中，該寄存器就是 PINSELx.。 PINSEL0 和 PINSEL1 兩位數(shù)字代表選擇某個引腳何種功能。例如 PINSEL0[1:0]設(shè)置 口為某一狀態(tài)功能， PINSEL0[3:2]設(shè)置 口為哪種功能，其余引腳可以依次進(jìn)行類推下去。 PINSEL2 口功能的設(shè)置與 PINSEL0 和 PINSEL1 的兩個GPIO 口有很大的不同， PINSEL2 擁有 32 位的寄存器，但是在我們的使用中，只用到了PINSEL2[3:2]這 2 位。 （ 2）主要有 7 種工作模式，分別為：管理模式、中止模式、未定義模式、中斷模式、快速中斷模式、用戶模式、系統(tǒng)模式。 （ 3）內(nèi)部共有 37 個用戶可以看見的寄存器。其中 31 個 32 位的寄存器， 6 個狀態(tài)寄存器。 （ 4）定時(shí)計(jì)數(shù)器、脈寬調(diào)制器、 A/D 轉(zhuǎn)換器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘。 LPC2131 的外圍模塊化的連接，如圖 22 所示 。 7 L P C 2 1 3 1直 流 減速 電 機(jī)紅 外 避障M G 9 9 5 舵機(jī)無 線 遙控 圖 22 LPC2131 控制框圖 51單片機(jī) 本次設(shè)計(jì)所用的單片機(jī)是 51 系列里面的 STC89C52 芯片，是兼容于 Intel 8031 指令系統(tǒng) 的單片機(jī)的上級統(tǒng)稱。該系列的單片機(jī)源于