【正文】 。該無(wú)線收發(fā) 24 模塊主要有以下特性 : 工作頻 率為國(guó)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。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(wú)線管制的要求且無(wú)需使用許可證，采用目前低功率無(wú)線數(shù)傳的高科技技術(shù)。無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊采用基于 nRF401無(wú)線通信單片機(jī)的 PTR2020微小型、低功耗、高速率 19. 2K無(wú)線收發(fā)數(shù)傳 MODEM。數(shù)據(jù)無(wú)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。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(wú)線通信系統(tǒng)，圖像無(wú)線傳輸系統(tǒng)組成。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(wú)。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(cè)距離 23 范圍為 50~200mm，接近開(kāi)關(guān) 1的電路如圖 320所示。結(jié)構(gòu)圖如圖 319所示，電源電壓為 +5V。每個(gè)接近開(kāi)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。還有四個(gè)接近開(kāi)關(guān)，需要四個(gè)中斷。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(lái)輸人中斷請(qǐng)求信號(hào)的。外部中斷源 SPCE061A單片機(jī)有兩個(gè)外部中斷，分別為 EXT1和 EXT2。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(kāi)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(kāi)關(guān)，調(diào)用中斷程序做出相應(yīng)的處理。多路選通控制圖如圖 318所示 ,其中 EN接到 IOB15上。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(kāi)關(guān)。本移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的盲區(qū)大約為 25cm。為了有效地避開(kāi) “虛假 ”信號(hào)，需要進(jìn)行軟件延時(shí)處理，從發(fā)射開(kāi)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)。超聲波從發(fā)射到接收間隔時(shí)間的測(cè)定是由主單片機(jī)內(nèi)部的計(jì)數(shù)器來(lái)完成的。我們的系統(tǒng)最大測(cè)距范圍為 4m，脈沖時(shí)間間隔為，實(shí)際我們?nèi)?。 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(cè)距，若在有效測(cè)距范圍內(nèi)有被測(cè)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(wú)障礙。 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) 。該部分主要由接收換能器、放大濾波、多路模擬開(kāi)關(guān)、整形觸發(fā)輸出等環(huán)節(jié)組成。超聲波傳感器收發(fā)電路圖如圖 317所示。為有效探測(cè)機(jī)器人周?chē)沫h(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。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(lái)探測(cè)穿過(guò)狹窄通道時(shí)的環(huán)境信息。另外本系統(tǒng)設(shè)有接近開(kāi)關(guān)，接近開(kāi)關(guān)的觸發(fā)響應(yīng)及發(fā)出移動(dòng)機(jī)器人緊急停車(chē)信號(hào)、控制通訊等功能也都是通過(guò)主單片機(jī) SPCE061A 來(lái)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)。因此選用的超聲換能器是收發(fā)一體型的 EFR240RSC，它性?xún)r(jià)比高，體積小，工作頻率 40kHz，使用溫度 40～ +80℃ ，防塵、防水，測(cè)距范圍 0. 2～ 5m。t為超聲發(fā)射到超聲返回的時(shí)間間隔，即 “渡越時(shí)間 ”。超聲波障礙距離探測(cè)系統(tǒng)的原理如圖 316所示。渡越時(shí)間法的原理很簡(jiǎn)單，很容易實(shí)現(xiàn)。超聲波測(cè)距所用的方法一般有相位檢測(cè)法、聲波幅值檢測(cè)法和渡越時(shí)間法 (TimeofFlight, TOF)三種。A為介質(zhì)對(duì)超聲波能量的吸收系數(shù) 。這些特性使之能應(yīng)用于距離探測(cè)。超聲波發(fā)射器向某 一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。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。壓電式超聲波傳感器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。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。電氣方式包括壓電 型、磁致伸縮型和電動(dòng)型等 。 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。同時(shí)超聲波傳感器不易受到如天氣條件、環(huán)境光照及障礙物陰影、表面粗糙度、裂縫等外界環(huán)境條件的影響。 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)。驅(qū)動(dòng)器的 A、A、 B、 B分別于步進(jìn)電機(jī)的 A、 B、 C、 D端連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。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。 圖 314 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路圖 Fig The driving circuit of the stepping motor 從單片機(jī) AT89C2051 的 提供驅(qū)動(dòng)器的 CP 脈沖，由脈沖頻率控制電機(jī)的速度。從單片機(jī)與驅(qū)動(dòng)器接線非常簡(jiǎn)單，而且兩相驅(qū)動(dòng)器與五相驅(qū)動(dòng)器類(lèi)似只是與電動(dòng)機(jī)接線時(shí)多了三相。我們?cè)O(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)控制電路主要由主單片機(jī) ,履帶式移動(dòng)機(jī)器人及 17 五自由度機(jī)械臂各關(guān)節(jié)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器組成。另一類(lèi)是用硬件構(gòu)成的環(huán)形分配器，通常稱(chēng)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(chē) 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。環(huán)形分配器的主要功能是把來(lái)自控制環(huán)節(jié)的脈沖序列按一定的規(guī)律分配后，經(jīng)過(guò)功率放大器的放大驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。典型步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如圖 313所示。另外還有一種雙脈沖換向方式 :驅(qū)動(dòng)器接受兩路脈沖信號(hào) (一般標(biāo)注為 CW和 CCW )，當(dāng)其中一路 (如 CW)有脈沖信號(hào)時(shí)，電機(jī)正向運(yùn)行，當(dāng)另一路 (如 CCW)有脈沖信號(hào)時(shí)，電機(jī)反向運(yùn)行。比如說(shuō)，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)。這樣，控制系統(tǒng)通過(guò)脈沖信號(hào) CP 就可以達(dá)到電機(jī)調(diào)速和定位的目的。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]。 圖 312行程開(kāi)關(guān)的電路圖 Fig312 The circuit of journey switch 4)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 步進(jìn)電機(jī)是一種作為控制用的特種電機(jī)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度 (稱(chēng)為 “步進(jìn)角 ”)一步一步運(yùn)行的。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。 當(dāng)機(jī)器人各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)到極限位置時(shí)通過(guò)機(jī)械力使觸點(diǎn)閉合， Uol=VCC，光電藕合器的發(fā)光二極管發(fā)光，光電三極管導(dǎo)通， Uo2= L，通過(guò) 74LS14整形 Uo3= H”利用此信號(hào)去觸發(fā)下位機(jī) AT89C2051 的外中斷 0。我們?cè)O(shè)計(jì)的行程開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、便于安裝。諧波減速器與一般的齒輪等減速器相比較具有顯著的優(yōu)點(diǎn) :單級(jí)傳動(dòng)比大，且范圍廣，精度高，空回小，承載能力大，效率高，體積小，重量輕，傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲小，可向密封空間傳遞動(dòng)力。諧波傳動(dòng)包括三個(gè)基本構(gòu)件，波發(fā)生器、柔輪、 剛輪。機(jī)械臂的五個(gè)關(guān)節(jié)都選用諧波減速器進(jìn)行減速。 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(chēng) 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。五個(gè)關(guān)節(jié)都用兩相混合式步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，這些電機(jī)都具有體積小、震動(dòng)小、力矩相對(duì)大等特點(diǎn)。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