【正文】 響應(yīng)極快。圖 是傳感器組成原理框圖。該信號(hào)再通過傳感元件，被轉(zhuǎn)換為電參量。 傳感器是由敏感元件、傳感元件及測(cè)量轉(zhuǎn)換電路三部分組成的。 傳感器包含以下方面。當(dāng)機(jī)器人工作于未知或動(dòng)態(tài)變化的環(huán)境中時(shí), 因?yàn)椴荒茴A(yù)先獲知環(huán)境的信息, 機(jī)器人完全依靠傳感器系統(tǒng)實(shí)時(shí)感知環(huán)境, 并據(jù)此做出各種控制與處理決策。傳感器是自主移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)必不可少的重要組成部分之一。71 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 25May2021 Sheet of File: D:\業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)\IEEE\業(yè)業(yè)\yuanlitu\ By:Y1 12MHZC430pFC530pFXTAL1XTAL2AT89S51圖 AT89S51 芯片的晶振連接圖 由 AT89S51 芯片、穩(wěn)壓電源、復(fù)位電路、時(shí)鐘源等構(gòu)成了單片機(jī)的最小系統(tǒng)。 外部時(shí)鐘方式是將外部振蕩信號(hào)源直接由 XTAL1 或 XTAL2 引腳接入。最常用的內(nèi)部時(shí)鐘方式是采用外接石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路，電容和一般取 30pF 左右，C1 和 C2 的大小對(duì)振蕩頻率起微調(diào)作用；晶體的諧振頻率范圍為 ～12MHz。其中，按鍵電平復(fù)位是通過使 RESET 端經(jīng)電阻與 VCC電源接通而實(shí)現(xiàn)的，電路如圖 所示。隨著充電電流的減小，RST 端的電位逐漸下降，只要在 RST 端有足夠長(zhǎng)的時(shí)間保持閾值電壓，AT89S51 單片機(jī)便可自動(dòng)復(fù)位。上電復(fù)位是在單片機(jī)接通電源時(shí)，對(duì)電容充電來(lái)實(shí)現(xiàn)的。外部電路產(chǎn)生的復(fù)位信號(hào)由 RST 引腳送入片內(nèi)斯密持觸發(fā)器，再由片內(nèi)復(fù)位電路在每個(gè)機(jī)器周期對(duì)斯密特觸發(fā)器進(jìn)行采樣，然后才得到內(nèi)部復(fù)位操作所需要的信號(hào)。RST 引腳是復(fù)位信號(hào)的輸6入端，復(fù)位信號(hào)為高電平有效。Cl 一般在～1μF 之間，如 ，C2 可用 1μF。C1 用以抵消輸入端較長(zhǎng)接線的電感效應(yīng)，防止產(chǎn)生自激振蕩，接線不長(zhǎng)時(shí)也可不用。這種穩(wěn)壓器只有輸入端 輸出端 3 和公共端 2 三個(gè)引出端，故也稱為三端集成穩(wěn)壓器。 RxD 串行數(shù)據(jù)接收 TxD 串行數(shù)據(jù)發(fā)送 0INT外部中斷 0 申請(qǐng) 1外部中斷 1 申請(qǐng) T0 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 0 計(jì)數(shù)輸入 T1 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 1 計(jì)數(shù)輸入 WR外部寫選通 D外部讀選通5圖 時(shí)本系統(tǒng)所采用的已經(jīng)被廣泛應(yīng)用的單片集成穩(wěn)壓電源 7805穩(wěn)壓電源的接線圖。電壓的不穩(wěn)定有時(shí)會(huì)產(chǎn)生測(cè)量和計(jì)算的誤差，引起控制裝置的工作不穩(wěn)定，甚至根本無(wú)法正常工作。另外，P3 口的第二功能見表1。（4）I／O(輸入/輸出)端口。④RST/V PD此引腳是復(fù)位信號(hào)，高電平有效、當(dāng)此輸入端保持 2 個(gè)機(jī)器周期以上的高電平時(shí)，就可以完成單片機(jī)的復(fù)位初始化操作。② SEN此引腳是片外程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)，低電平有效。 （3）控制信號(hào)引腳 ALE、 、 和 RSTPSENA4①ALE/ PROG此引腳是地址鎖存控制信號(hào)。 MCS51 單片機(jī)引腳介紹P101 P112P123 P134P145P167 P178 P156RESET9RXD10TXD11INT012 INT113T014 T115WR16RD17 X218X119 GND20P20 21P2122P22 23P23 24P24 25P2526P26 27P27 28PSEN 29ALE/P 30EA/VP 31P07 32P0633P05 34P04 35P0336P02 37P00 39P01 38VCC 40圖 單片機(jī)芯片引腳引腳信號(hào)功能介紹：（1）電源引腳 GND 和 VCCGND 為電壓接地端, V CC為+5v 電源端.（2）時(shí)鐘電路引腳 XTAL1 和 XTAL2XTAL1 和 XTAL2 是外接晶體引線端。外部定時(shí) 元件 系統(tǒng)時(shí) 鐘復(fù) 位中斷電源接地R O MC P UR A M并 行I / O串行I / O定 時(shí)期/ 計(jì)時(shí) 器T x DR x DT圖 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)3AT89S51 是一個(gè)低功耗，高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 4k Bytes ISP(Insystem programmable)的可反復(fù)擦寫 1000 次的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS51 指令系統(tǒng)及 80C51 引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用 8 位中央處理器和ISP Flash 存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的 AT89S51 可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。單片機(jī)由 AT89S51 單塊集成芯片電路構(gòu)成，內(nèi)部包含有計(jì)算機(jī)的基本功能部件：中央處理器 CPU、存儲(chǔ)器和 I/O 接口電路等。微處理器 MPU 是通過2AB、DB、CB 三總線同存儲(chǔ)器 ROM 和 RAM 及 I/O 接口相連的。整個(gè)控制系統(tǒng)的原理圖如下：AT89S51 單片機(jī)控制電路 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊直流電機(jī)正轉(zhuǎn)直流電機(jī)反轉(zhuǎn)電源模塊障礙檢測(cè)傳感器張開限位傳感器閉合限位傳感器紅外傳感器圖 機(jī)器人控制系統(tǒng)組成圖 控制器的特點(diǎn)及選擇AT89S51 芯片以計(jì)算機(jī)為平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)控制作用。以 AT89S51 單片機(jī)為核心，由傳感器對(duì)障礙位置進(jìn)行檢測(cè)，并把檢測(cè)信號(hào)傳回 CPU 處理，控制機(jī)器人自動(dòng)調(diào)節(jié)自身位置，自動(dòng)完成沿軌跡行駛、越障等功能，實(shí)現(xiàn)沿高壓電力線行走功能。該機(jī)構(gòu)通過三只8手臂的交替移動(dòng)完成在高壓線上的爬行，較好的實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)越障功能，后續(xù)章節(jié)中我們將詳細(xì)介紹控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。另外本文所介紹的巡線機(jī)器人的越障功能，只是針對(duì)靜態(tài)的障礙物來(lái)說(shuō)的，對(duì)于移動(dòng)障礙物，由于它運(yùn)動(dòng)的不確定性，常常要進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、建模，并加入適量的算法。這個(gè)越障過程由預(yù)先編入到計(jì)算機(jī)中的匯編程序進(jìn)行控制，硬件和軟件相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)了巡線機(jī)器人越障過程的計(jì)算機(jī)控制。因此具體的設(shè)計(jì)過程較復(fù)雜，要考慮多方面的因素。其具體過程與第一只臂的越障過程類似，在此不再贅述。位置檢測(cè)傳感器若檢測(cè)到小臂上升到位，則開合電機(jī)反轉(zhuǎn)，控制手掌開合裝置動(dòng)作，完成越障過程的第四個(gè)動(dòng)作——小臂閉合；否則，大臂升降電機(jī)正轉(zhuǎn)，控制螺桿升降裝置動(dòng)作，使機(jī)器人大臂上升，位置檢測(cè)傳感器繼續(xù)檢測(cè)，直到有信號(hào)發(fā)出為止。障礙檢測(cè)傳感器檢測(cè)障礙，若有信號(hào)發(fā)出，小臂升降電機(jī)正轉(zhuǎn)，控制螺桿裝置動(dòng)作，使其相應(yīng)的小臂上升；否則，繼續(xù)檢測(cè)，機(jī)器人繼續(xù)向前行走，直到檢測(cè)到小臂上升到位。于是，機(jī)器人完成了越障過程的第二個(gè)動(dòng)作——大臂下降。這樣，機(jī)器人完成越障過程的第一個(gè)動(dòng)作——小臂張開。當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕后，行走電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人機(jī)身在電力線上向前行走，傳感器開始檢測(cè)電路。 巡線機(jī)器人的越障過程本課題設(shè)計(jì)的巡線機(jī)器人，根據(jù)檢測(cè)的傳感器信號(hào)控制11個(gè)直流電機(jī)，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人行走以及大、小臂的張開、閉合與升降,并采用一個(gè)繼電器附加電路，使其中8個(gè)直流電機(jī)具有正轉(zhuǎn)(PR )，反轉(zhuǎn)(NR )，停止(ST )三種工作方式，另外3個(gè)電機(jī)僅具有正轉(zhuǎn)(PR )，停止(ST )兩種工作方式，因此對(duì)于整個(gè)機(jī)器人共具有7種工作方式, 即:1) 機(jī)器人本身向前移行走（ PR ST）2) 大臂上升（PR ST）3) 大臂下降（NR ST）4) 小臂上升（PR ST）5) 小臂下降（NR ST）6) 小臂張開（PR ST）7) 小臂閉合（NR ST） 電機(jī) 控 制 箱電機(jī) 電 機(jī) 巡線機(jī)器人的機(jī)械機(jī)構(gòu)這些動(dòng)作的完成是建立在一定的機(jī)械結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的，這些結(jié)構(gòu)主要包7括手掌開合裝置、螺桿升降裝置、電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置等等。當(dāng)需要跨越障礙物時(shí)，利用小臂和大臂的升降、張開、閉合運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)動(dòng)作，完成在電力線上行走，實(shí)現(xiàn)越障功能。三只手臂均可完成升降、張開、閉合等動(dòng)作，分別由驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供動(dòng)力源。由于采用多只多自由度機(jī)械臂,機(jī)器人可以完成復(fù)雜的空中姿態(tài)調(diào)整,因而可跨越各種類型的線路障礙。機(jī)械臂上部為爬行驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),下部通過旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)相互鏈接。由于機(jī)器人懸掛在架空線上,越障時(shí)應(yīng)保證機(jī)器人姿態(tài)平穩(wěn),并保持與其它導(dǎo)線和線塔金屬部件的安全間距,因此設(shè)計(jì)難度較大。此巡線機(jī)器人應(yīng)用步進(jìn)式爬行機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)在管線上爬行，該機(jī)構(gòu)通過三只手臂的交替移動(dòng)完成爬行。 圖 巡線機(jī)器人外觀圖本設(shè)計(jì)的巡線機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖 所示，它主要由機(jī)器人機(jī)身、控制箱、滑輪、光電傳感器、限位開關(guān)和直流電機(jī)等組成，還包括一個(gè)手動(dòng)控制器。52 巡線機(jī)器人的工作原理 巡線機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)巡線機(jī)器人是一個(gè)機(jī)電一體化系統(tǒng)，涉及到機(jī)構(gòu)、控制、通信、定位系統(tǒng)、移動(dòng)平臺(tái)上傳感器的集成和信息融合、電源等，而機(jī)械機(jī)構(gòu)是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是目前制約巡線機(jī)器人發(fā)展的技術(shù)障礙之一。本設(shè)計(jì)的主要任務(wù)包括以下幾個(gè)方面：（1）巡線機(jī)器人越障過程分析；（2）以AT89S51單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)；（3）軟件編程；（4）硬件和軟件的抗干擾設(shè)計(jì)。 本設(shè)計(jì)的主要任務(wù) 本文主要結(jié)合巡線機(jī)器人的性能要求及工作環(huán)境來(lái)確定該機(jī)器人控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，以AT89S51單片機(jī)為核心，完成硬件電路的設(shè)計(jì)和軟件編程，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的計(jì)算機(jī)控制。本設(shè)計(jì)選擇的巡線機(jī)器人是當(dāng)今社會(huì)機(jī)器人研究的熱點(diǎn)課題，這種類型的機(jī)器人能夠在高壓線等各種危險(xiǎn)和極限環(huán)境中作業(yè)，應(yīng)用廣泛。巡線機(jī)器人能夠帶電工作，利用攜帶的傳感儀器對(duì)桿塔、導(dǎo)線及避雷線、絕緣子、線路金具、線路通道等實(shí)施接近檢測(cè)，代替工人進(jìn)行電力線路的巡檢工作，可以進(jìn)一步提高巡線的工作效率和巡檢精度。巡線機(jī)器人的能夠在高壓輸電線上穩(wěn)定爬行，具有一定的爬行速度；能夠避越高壓線上的線夾、防震錘等障礙；在故障情況下有可靠的緊急安全措施。因此，人工巡線效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，同時(shí)受到地理?xiàng)l件的限制。所以必須對(duì)輸電線路進(jìn)行定期巡視檢查。電力傳輸必須依靠高壓輸電線路，它的安全穩(wěn)定運(yùn)行直接影響電力系統(tǒng)的可靠性。機(jī)器人正發(fā)展成為一個(gè)龐3大的家族，代替人們從事各種各樣的工作。工業(yè)機(jī)器人大部分在汽車制造、電子、機(jī)械等行業(yè)從事焊接、油漆、裝配、包裝、零件加工、搬運(yùn)等專業(yè)性工作。 工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于各種自動(dòng)化的生產(chǎn)線上，它是機(jī)器人家族中最重要的成員。在這個(gè)機(jī)器人王國(guó)中，目前主要成員是工業(yè)機(jī)器人，它占總數(shù)的 70%以上，全球正在工作的工業(yè)機(jī)器人共有 74 萬(wàn)，我國(guó)有 3000 臺(tái)左右。它們具有感知、適應(yīng)或?qū)W習(xí)功能。這類機(jī)器人可接受遙控，對(duì)操作者的行為反應(yīng)可通過編程實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用于核工業(yè)、真空、宇宙、海洋開發(fā)等領(lǐng)域按應(yīng)用領(lǐng)域。這類機(jī)器人能執(zhí)行受控過程。1990 年在工業(yè)機(jī)器人國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)大會(huì)上把機(jī)器人分為四類：（1）順序型；很多固定作業(yè)的裝配機(jī)械手都屬于此類。包括智能運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)、智能規(guī)劃技術(shù)、智能行為技術(shù)以及它們的學(xué)習(xí)機(jī)制，這是機(jī)器人學(xué)中的關(guān)鍵基礎(chǔ)研究。今后的發(fā)展，除了繼續(xù)尋找新的智能技術(shù)之外，主要是各種技術(shù)的綜合運(yùn)用，相互補(bǔ)充。由于關(guān)于人的智能到目前還沒有揭開它的面紗，所以，沒有一個(gè)理論可以用來(lái)完全指導(dǎo)研究智能的實(shí)現(xiàn)技術(shù)。充分發(fā)揮人的智能，發(fā)展監(jiān)控技術(shù)和良好的人機(jī)交互技術(shù)，甚至人機(jī)融入一體，是移動(dòng)機(jī)器人走向?qū)嵱玫挠忠粋€(gè)途徑。所以，研究移動(dòng)機(jī)器人與環(huán)境之間的有機(jī)結(jié)合，將會(huì)使其早日走向?qū)嵱?。就像人一樣，需要幫助，需要借助外界的力量?lái)完成自己的使命。◆多移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)：多移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的理論研究和工程實(shí)現(xiàn)已經(jīng)成為機(jī)器人學(xué)的研究熱點(diǎn)，這也是移動(dòng)機(jī)器人發(fā)展的必然趨勢(shì)。當(dāng)前，移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)研究的趨勢(shì)包括：◆現(xiàn)場(chǎng)與服務(wù)機(jī)器人：繼續(xù)開拓新的應(yīng)用領(lǐng)域，研制新的機(jī)型，進(jìn)行更多、更復(fù)雜、更符合實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，積累更多的經(jīng)驗(yàn)，吸取更多的教訓(xùn)，為實(shí)用化奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。自主性是指機(jī)器人能根據(jù)工作任務(wù)和周圍環(huán)境情況，自己確定工作步驟和工作方式；交互是智能產(chǎn)生的基礎(chǔ)，交互包括機(jī)器人與環(huán)境、機(jī)器人與人及機(jī)器人之間三種，主要涉及信息的獲取、處理和理解。移動(dòng)機(jī)器人的智能指標(biāo)為自主性、適應(yīng)性和交互性。機(jī)器人的研究，存在著兩條不同的技術(shù)路線：一條是日本和瑞典所走的“需求牽引，技術(shù)驅(qū)動(dòng)”，結(jié)合工業(yè)發(fā)展的需求，開發(fā)出一系列特定應(yīng)用的機(jī)器人，如：弧焊、點(diǎn)焊、噴漆、裝配、刷膠、建筑等等,從而形成了龐大的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)；一條是把機(jī)器人作為研究人工智能的載體，即：?jiǎn)渭儚募夹g(shù)上模仿人或動(dòng)物的某些功能出發(fā)，研究有關(guān)智能的問題和智能機(jī)器人，如：美國(guó)、歐洲的一些大學(xué)及研究所進(jìn)行的工作。移動(dòng)機(jī)器人是機(jī)器人學(xué)中的一個(gè)重要分支。參考文獻(xiàn) ....................................................................................27附錄 A 巡線機(jī)器人電路原理圖 ..........................................................................28附錄 B 越障過程匯編語(yǔ)言程序 ........................................................................30附錄 C 外文文獻(xiàn)原文 ........