【導(dǎo)讀】首先完成了能力風(fēng)暴智能機(jī)器人的自主運(yùn)行、躲避障礙、智能跟隨的仿真設(shè)計(jì)。和實(shí)際控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。隨后在Proteus平臺(tái)上采用68HC11單片機(jī)進(jìn)行了系統(tǒng)的硬件設(shè)。智能跟隨等功能的模擬；最終，借助能力風(fēng)暴智能機(jī)器人自帶的交互式C語(yǔ)言下載軟件，

　　

【正文】 ，需要在主程序的末尾加上語(yǔ)句 include來(lái)使用自定義的中斷向量表。 在編譯環(huán)境中新建工程，添加文件后， 必須設(shè)置軟件 中的一些參數(shù)才能夠進(jìn)行在仿真，這些仿真參數(shù)保證了軟件能夠正常的 仿真出來(lái)所想要的結(jié)果，在軟件中 進(jìn)行如下設(shè)置就可以使用 C語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)了： 圖 編譯環(huán)境設(shè)置 19 小結(jié) 本章設(shè)計(jì)出了 68HC11 單片機(jī)的最小系統(tǒng) ；設(shè)計(jì)了碰撞避障模塊， 機(jī)器人 通過(guò) 周?chē)谐涕_(kāi)關(guān) 來(lái)感知碰撞，在機(jī)器人碰到障礙物時(shí)相應(yīng)方向的行程開(kāi)關(guān)接觸，從而產(chǎn)生電平變化信號(hào)，由單片機(jī)掃描檢測(cè)到以后判定該方向發(fā)生碰撞，然后控制執(zhí)行模塊使機(jī)器人轉(zhuǎn)向從而避開(kāi)障礙物 ；設(shè)計(jì)了紅外避障模塊， 紅外避障一般使用 940nm 波長(zhǎng)以內(nèi)的紅外發(fā)射探頭，通過(guò)單片機(jī)的 IO口將信號(hào)波和調(diào)制波疊加后經(jīng)過(guò)三極管放大，通過(guò)紅外發(fā)射管發(fā)射出去。紅外接收管有專門(mén)的芯片，可以將接收到的紅外強(qiáng)弱轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，送入單片機(jī)檢測(cè) ， 然后經(jīng)過(guò)處理完成相應(yīng)的動(dòng)作。 20 第四章 系統(tǒng)軟件 設(shè)計(jì)與調(diào)試 避障流程圖 碰撞傳感器相當(dāng)于能力風(fēng)暴機(jī)器人的皮膚 ,通過(guò)他們可以使機(jī)器人在碰到障礙物后能 做出反應(yīng) ,使機(jī)器人能夠正常的行走 .碰撞檢測(cè)的軟件設(shè)計(jì)，就是在主函數(shù)里通過(guò)一個(gè)死循環(huán)讓其一直讀取 PE口的電平，然后進(jìn)入判斷函數(shù)判斷四個(gè)行程開(kāi)關(guān)的狀態(tài)。 單片機(jī)檢測(cè) PE口的規(guī)則是：若檢測(cè)到二進(jìn)制數(shù)為 0010，則 說(shuō)明 左 前 方 發(fā)生碰撞 。 若檢測(cè)到二進(jìn)制數(shù)為 0001，則 說(shuō)明右前 方 發(fā)生碰撞 。 若檢測(cè)到二進(jìn)制數(shù)為 1000，則 說(shuō)明左 后 方 發(fā)生碰撞 。 若檢測(cè)到二進(jìn)制數(shù)為 0100，則 說(shuō)明右后 方 發(fā)生碰撞。如果其他四個(gè)派生方向發(fā)生碰撞，則可經(jīng)過(guò)相應(yīng)的計(jì)算得到應(yīng)檢測(cè)到的值，從而判斷是哪個(gè)方向發(fā)生了碰撞。 碰撞檢測(cè)避障是接觸后才能開(kāi)始實(shí) 現(xiàn)避障，如果沒(méi)有接觸則不能起作用，這是碰撞檢測(cè)避障的不利的方面。 運(yùn)行仿真程序以后，系統(tǒng)既開(kāi)始運(yùn)行，不斷掃描傳感器的信號(hào)。例：當(dāng)按下碰撞傳感器的 “ 右前 ” 時(shí)， PE3 口電平被傳感器拉低，單片機(jī)檢測(cè)到這個(gè)電平變化既認(rèn)為機(jī)器人右前方碰撞傳感器動(dòng)作，然后控制電機(jī)，首先左右電機(jī)同時(shí)減速，機(jī)器人剎車(chē)，然后右輪開(kāi)始加速，左輪不加速，那么右輪轉(zhuǎn) 速高于左輪，機(jī)器人開(kāi)始左轉(zhuǎn)。左轉(zhuǎn)時(shí)兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速差很容易在 仿真 截圖 中看出：從圖中讀數(shù)，左輪電機(jī)轉(zhuǎn)速為20，右輪電機(jī)轉(zhuǎn)速為 36，顯示此時(shí)機(jī)器人正在左轉(zhuǎn)。這就完成了一次 避 障過(guò)程。 其 他方向的 避 障過(guò)程類(lèi)似，左前方有障礙時(shí)，機(jī)器人調(diào)整右轉(zhuǎn)；正前方有障礙時(shí)，機(jī)器人掉頭，然后行走；后邊被撞到后，機(jī)器人加速，然后恢復(fù)正常行駛。 紅外傳感器是能力風(fēng)暴機(jī)器人的眼睛，他能夠和人眼一樣，在看見(jiàn)前方的障礙物后，通知“大腦”然后避開(kāi)。紅外傳感器共包含兩種器件：紅外發(fā)射管和紅外接收管， 通過(guò)插針位置圖就可以發(fā)現(xiàn)紅外接收管位于能力風(fēng)暴機(jī)器人的正前方，兩只紅外發(fā)射管位于紅外接收管的兩側(cè)，他們共同組成了能力風(fēng)暴機(jī)器人的“眼睛”。紅外傳感器是機(jī)器人的重要組成部分，機(jī)器人主要靠他來(lái)避開(kāi)障礙物，從而保證自己能夠正 常的行走。 紅外 避 障模塊的仿真和避障開(kāi)關(guān)的作用非常相似，不同之處僅在于紅外和碰撞行程開(kāi)關(guān)的實(shí)現(xiàn)機(jī)理不同，程序的流程是相同的。既：當(dāng)按下紅外傳感器的 “右前 ”觸發(fā)按鈕時(shí)，模擬的是機(jī)器人左前方向的紅外傳感器檢測(cè)到障礙物反射回來(lái)的 38Khz 紅外線，這時(shí)通過(guò)光耦輸出端與非門(mén)模擬紅外接收管輸出的低電平， PA2 口電平被傳感器拉低，單片機(jī)檢測(cè)到這個(gè)電平變化既認(rèn)為機(jī)器人右前方遇到障礙，然后控制電機(jī)，首先左右電機(jī)同時(shí)減速，機(jī)器人剎車(chē)，然后右輪開(kāi)始加速，左輪不加速，那么右輪轉(zhuǎn)速高于左輪，機(jī)器人開(kāi)始左轉(zhuǎn)。這就完成了一次紅外 避 障過(guò)程。 相比 碰撞檢測(cè) 的避障過(guò)程，紅外避障是非接觸 21 的。 避障 系統(tǒng) 控制流程圖如下 ： 子 程 序 開(kāi) 始碰 撞 物 在 左 前 方 ？碰 撞 傳 感 器數(shù) 值碰 撞 物 在 右 前 方 ？碰 撞 物 在 左 后 方 ?前 進(jìn) 并 左 轉(zhuǎn) ， 發(fā) 音發(fā) 音 并 右 轉(zhuǎn)發(fā) 音 并 左 轉(zhuǎn)發(fā) 音 前 進(jìn) 并 右 轉(zhuǎn)子 程 序 開(kāi) 始障 礙 物 在 前 面紅 外 傳 感 器檢 測(cè) 值障 礙 物 在 左 前 方障 礙 物 在 右 前 面前 進(jìn)發(fā) 音 并 轉(zhuǎn) 身發(fā) 音 并 右 轉(zhuǎn)發(fā) 音 并 左 轉(zhuǎn)延 時(shí) 一 個(gè) 采 樣 周 期延 時(shí) 一 個(gè) 采 樣 周 期YNNYYNYYYNNN 圖 避障流程圖 循跡與智能跟隨流程圖 機(jī)器人智能跟隨在機(jī)器人應(yīng)用中占有很重要的地位，可以通過(guò)這個(gè)功能讓機(jī)器人跟人行走，為了提高機(jī)器人的智能性，就要求機(jī)器人全自主的對(duì)移動(dòng)的主人進(jìn)行準(zhǔn)確的跟隨，機(jī)器人的智能跟隨是通過(guò)紅外傳感器實(shí)現(xiàn)的，程序開(kāi)始后，在機(jī)器人前面放一移動(dòng)的物體或者人站在機(jī)器人前面。機(jī)器人就會(huì)跟隨上去，隨著障礙物移動(dòng)，如果前方有移動(dòng)的物體，機(jī)器人就向前運(yùn)動(dòng)，如果左前方有移動(dòng)的物體，機(jī)器人就會(huì)左轉(zhuǎn)然后 再前進(jìn)，完成機(jī)器人的智能跟隨動(dòng)作。 22 地面灰度檢測(cè)傳感器是能力風(fēng)暴機(jī)器人的第三只眼睛，如果說(shuō)前兩只眼睛起到探知外界環(huán)境以躲避外界障礙的作用，那么這第三只眼睛就是利用外地面環(huán)境提供的不同信息，根據(jù)傳感器采集的數(shù)值來(lái)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，如沿地面上黑色線條前進(jìn)。 地面檢測(cè)傳感器可以探測(cè)到地面各個(gè)位置的不同顏色和不同亮度，它由一個(gè)發(fā)光管和一個(gè)光敏電阻組成。我們以黑白兩種顏色的地面為例，能力風(fēng)暴在進(jìn)行地面檢測(cè)時(shí)，首先由發(fā)光管發(fā)出光線，然后光敏電阻就可以檢測(cè)地面反射回來(lái)的光線的強(qiáng)度，我們知道黑、白兩種顏色反射光的能力不一樣， 白色地面反射的光線多，而黑色地面反射的光線少，這樣當(dāng)光敏電阻檢測(cè)到反射光的強(qiáng)弱時(shí)就將信息發(fā)回給“大腦”， 大腦就可以根據(jù)這個(gè)信息判斷出檢測(cè)到的地面是黑色的還是白色的，機(jī)器人就可以沿著地面上黑色的線條前進(jìn)了。這就是智能機(jī)器人的循跡功能。其流程圖如圖 所示： 開(kāi) 始紅 外 檢 測(cè) 數(shù)值前 方 是 否 有 障 礙前 進(jìn)地 面 灰 度 檢測(cè) 值是 否 沿 黑 線 前 進(jìn) ？顯 示發(fā) 音 并 調(diào) 整右 轉(zhuǎn)開(kāi) 始紅 外 檢 測(cè) 數(shù)值人 在 前 面人 在 左 前 面人 在 右 前 面前 進(jìn)左 轉(zhuǎn) 并 前 進(jìn)右 轉(zhuǎn) 并 前 進(jìn)延 時(shí) 一 個(gè) 采 樣 周 期延 時(shí) 一 個(gè) 采 樣 周 期結(jié) 束結(jié) 束YNYYYYNNNN 圖 循跡與智能跟隨流程圖 23 驅(qū)動(dòng)程序與編程 基于 C的單片機(jī)編程一般有兩個(gè)構(gòu)造：一 、 使用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)；二 、 使用前后臺(tái)查詢的方式。 第一種方法是實(shí)時(shí)性最好的一種方法。目前市面上有許 多實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)可以供選擇，例如 UcOS II， Vx Works 等等。 UcOS II 有很高的可裁剪性，對(duì)于 68HC11 單片機(jī)有限的資源和有限的 ROM 來(lái)說(shuō)比較合適。但是其移植非常復(fù)雜，盡管實(shí)時(shí)性很高，但是不適合本機(jī)器人的開(kāi)發(fā)，會(huì)大大增加該機(jī)器人控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)難度。 第二種方法是比較常見(jiàn)的一種偽實(shí)時(shí)的方法，既前后臺(tái)查詢的方法。單片機(jī)是單流水線工作的，而單片機(jī)要控制的外設(shè)卻有多個(gè)：一組 避 障開(kāi)關(guān)，一組紅外傳感器， 一組光敏傳感器，一組光電編碼器， 兩個(gè)電機(jī)，蜂鳴器， LED 等等。因此，當(dāng)一個(gè)外設(shè)需要單片機(jī)響應(yīng)的時(shí)候，單片機(jī) 并不能保證實(shí)時(shí)響應(yīng)。一個(gè)折衷的辦法是讓單片機(jī)以一定的頻率查詢各個(gè)外設(shè)的端口，并將查詢結(jié)果不斷的更新到相應(yīng)的全局變量中，然后在主函數(shù)里不斷掃面這些全局變量的值，根據(jù)變量的值的變化控制外設(shè)的動(dòng)作，這樣可以做到相對(duì)實(shí)時(shí)性比較好，而且編程較為簡(jiǎn)單。這種方法稱為前后臺(tái)方式。 根據(jù)電機(jī)的硬件電路連接， PD 3控制左電機(jī)的方向， PD 5控制右電機(jī)的方向，由前面分析得知， PD 5分別輸出 0101 時(shí)機(jī)器人直行。因此直行的程序?yàn)椋? void MotorGoSt (void) { DDRD=DDRD|(bit(2)|bit(3)|bit(4)|bit(5))。//將 PD2345 設(shè)置為輸出 PORTD=PORTDamp。(~(bit(2)|bit(3)|bit(4)|bit(5)))。//先將 PD 5 都置零 Delay(10)。//延時(shí) PORTD=PORTDamp。(~(bit(2)|bit(4)))。//將 PD PD4 設(shè)置為低電平 Delay(10)。 PORTD=PORTD|(bit(3)|bit(5))。//將 PD PD5 設(shè)置為高電平 } 做仿真的目的就是要在實(shí)物編程之前了解機(jī)器人底層的運(yùn)行 機(jī)理和實(shí)現(xiàn)的控制方法。然而， Proteus 仿真的局限性決定了它只能模擬各部分電路的信號(hào)，而不能顯示機(jī)器人實(shí)際的運(yùn)行狀態(tài)，例如走了多遠(yuǎn)，紅外避障多遠(yuǎn) 的距離才 有效，最致命的是，物理上紅外傳感器檢測(cè)的是障礙物反射 38Khz 紅外線，而仿真中根本沒(méi)有辦法模擬障礙物反射紅外線的過(guò)程，因此只能在仿真中用光耦代替紅外傳感器。 那么，在程序移植時(shí)就要考慮能力風(fēng)暴自身的軟 件條件和 硬件條件。能力風(fēng)暴機(jī)器人使用的是自由的 JC 交互語(yǔ)言開(kāi)發(fā)環(huán)境，而不是基于原 68HC11 單片機(jī)的編譯環(huán)境， JC交互開(kāi)發(fā)環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)是擁有豐富的庫(kù)函數(shù)，許多底 層模塊的驅(qū)動(dòng)不需要再重新編寫(xiě)。但是，它的缺點(diǎn)是不自由，由于能力風(fēng)暴的硬件電路圖并沒(méi)有公開(kāi)，因此我們也不能自行 24 的修改其底層的驅(qū)動(dòng)程序，只能利用現(xiàn)有的庫(kù)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)原來(lái)仿真的控制方法。在能力風(fēng)暴實(shí)物中，對(duì)原有仿真程序的改動(dòng)為：將中斷程序去掉，改由主程序中 while(1)永遠(yuǎn)循環(huán)來(lái)查詢傳感器狀態(tài)。假設(shè)定義碰撞用全局變量為 bmpr,則碰撞傳感器檢測(cè)行為語(yǔ)句為 bmpr = bumper()。即可采樣得到碰撞傳感器的狀態(tài)。用 ir = ir_detect()就可以得到紅外傳感器的值。因此，實(shí)物中，能力風(fēng)暴機(jī)器人的運(yùn)行流 程和仿真的軟件控制流程一樣，只是檢測(cè)方式改變了。 該系統(tǒng)工作的流程如 圖 所示。 開(kāi)始關(guān)閉全局中斷初始化設(shè)置10ms定時(shí)中斷打開(kāi)全局中斷查詢碰撞傳感器狀態(tài)查詢紅外傳感器狀態(tài)根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)，控制電機(jī)與LED動(dòng)作 圖 68HC11 系統(tǒng)工作的流程圖 能力風(fēng)暴智能機(jī)器人有很多庫(kù)函數(shù)，這些庫(kù)函數(shù)讓能力風(fēng)暴調(diào)試編程更容易些，利用庫(kù)函數(shù)可以編程各種程序，使機(jī)器人更加智能化。 25 按鍵檢測(cè) 軟件設(shè)計(jì) 在 仿真中我們使用了一個(gè)按鍵用來(lái)控制仿真程序的運(yùn)行 ， 一個(gè)按鍵通過(guò)上拉電阻接到 PA7上。一般的按鍵輸入軟件接口程序通常 非常簡(jiǎn)單，在程序中一旦檢測(cè)到按鍵輸入口為低電平時(shí)，便調(diào)用 軟件延時(shí)程序延時(shí) 10ms。然后再次檢測(cè)按鍵輸入口，如果還是低電平則表示按鍵按下，轉(zhuǎn)入執(zhí)行按鍵處理程序。如果第二次檢測(cè)按鍵輸入口為高電平，則放棄本次按鍵的檢測(cè)，重新開(kāi)始一次按鍵檢測(cè)過(guò)程。這種方式實(shí)現(xiàn)的按鍵輸入接口，可做 為基礎(chǔ)學(xué)習(xí)和一些簡(jiǎn)單的系統(tǒng)中可以采用，但在多數(shù)的設(shè)計(jì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，這種按鍵輸入軟件的實(shí)現(xiàn)方法有很大的缺陷和不足。 傳統(tǒng)簡(jiǎn)單的按鍵檢測(cè)處理方法，不僅由于 調(diào) 用了軟件延時(shí)而使得 MCU 的效率降低，而且也不 容易同系統(tǒng)中其他功能模塊協(xié)調(diào)工作，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性也差。在仿真中， 實(shí)驗(yàn)用延時(shí)的方法處理的按鍵檢測(cè)程序 將 會(huì)造成單片機(jī)判斷障礙物的 實(shí)時(shí)性變差，效果不好。將單個(gè)按鍵看出一個(gè)狀態(tài)機(jī)，首先需要對(duì)一次按鍵操作和確認(rèn)的過(guò)程進(jìn)行分析，然后根據(jù)實(shí)際情況和系統(tǒng)需要確認(rèn)按鍵在整個(gè)過(guò)程的狀態(tài)和每個(gè)狀態(tài)的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)，以及狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，最后還要考慮時(shí)間序列的間隔。按鍵的操作是隨機(jī)的，因此系統(tǒng)軟件對(duì)按鍵需要一直循環(huán)查詢。由于按鍵的檢測(cè)過(guò)程需要進(jìn)行消抖處理，因此取狀態(tài)機(jī)的時(shí)間序列的周期約為 10ms。這樣不僅可以跳過(guò)按鍵抖動(dòng)的影響，同時(shí)也遠(yuǎn)小于按鍵 的穩(wěn)定閉合期，不會(huì)將按鍵操作過(guò)程丟失。 0 為按鍵的初始狀態(tài)，這個(gè)狀態(tài)我們稱為狀態(tài) 1。當(dāng)有 按鍵按下時(shí)，系統(tǒng)查詢到按鍵按下的電平變?yōu)榈碗娖?，則跳到狀態(tài) 2；由于每隔 10ms 判斷一次按鍵的狀態(tài)，因此只有當(dāng)過(guò)了 10ms 后進(jìn)入中斷判斷，如果此時(shí)是狀態(tài) 2，并且按鍵仍處于狀態(tài) 2，則跳到狀態(tài) 3，在狀態(tài) 2 中輸出按鍵的判斷結(jié)果。如果按鍵一直按下沒(méi)有松開(kāi)，那么在下一個(gè)按鍵檢測(cè)周期中狀態(tài) 3 沒(méi)有跳出來(lái)，并不會(huì)繼續(xù)輸出判斷結(jié)果，所以就沒(méi)有了按鍵連擊的錯(cuò)誤。當(dāng)按鍵松開(kāi)后，下一個(gè)檢測(cè)周期來(lái)臨時(shí)，由狀態(tài) 3 轉(zhuǎn)換到狀態(tài) 1，重新準(zhǔn)備好了下一次按鍵的檢測(cè)。 設(shè)計(jì)出了 68HC11 單片機(jī)的最小系統(tǒng) ,設(shè)計(jì)了碰撞避障模塊， 機(jī)器人 通過(guò) 周?chē)?行程開(kāi)關(guān) 來(lái)感知碰撞，在機(jī)器人碰到障礙物時(shí)相應(yīng)方向的行程開(kāi)關(guān)接觸，從而產(chǎn)生電平變化信號(hào)，由單片機(jī)掃描檢測(cè)到以后判定該方向發(fā)生碰撞，然后控制執(zhí)行模塊使機(jī)器人轉(zhuǎn)向從而避開(kāi)障礙物 ；設(shè)計(jì)了紅外避障模塊， 紅外避障一般使用 940nm 波長(zhǎng)以內(nèi)的紅外發(fā)射探頭，通過(guò)單片機(jī)的 IO 口將信號(hào)波和調(diào)制波疊加后經(jīng)過(guò)三極管放大，通過(guò)紅外發(fā)射管發(fā)射出去。紅外接收管有專門(mén)的芯片，可以將接收到的紅外強(qiáng)弱轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，送入單片機(jī)檢測(cè) ；設(shè)計(jì)了 機(jī)器人動(dòng)作驅(qū)動(dòng)模塊 ，即電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)；完成了 基于狀態(tài)機(jī)的按鍵檢測(cè)軟件設(shè)計(jì) 。 26 程序下載與調(diào)試