基于52系列單片機(jī)的輪式機(jī)器人開發(fā)研究的論文
摘要：本文設(shè)計(jì)的是一款基于52系列單片機(jī)的輪式機(jī)器人, 以89S52單片機(jī)為機(jī)器人控制核心, 以紅外傳感器和光電傳感器為傳感器對(duì)火苗與障礙進(jìn)行檢測(cè), 以直流減速電機(jī)作為機(jī)器人移動(dòng)手段, 并通過噴水方式作為滅火手段, 以實(shí)現(xiàn)輪式機(jī)器人能夠自動(dòng)避障、自動(dòng)尋找火源并實(shí)施滅火的功能。本文可以作為輪式滅火機(jī)器人制作與實(shí)現(xiàn)的理論參考。
關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī); 傳感器; 輪式機(jī)器人; 滅火機(jī)器人;
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展, 機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中應(yīng)用越來越廣泛。輪式驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人作為比較常見的形式之一, 屬于移動(dòng)機(jī)器人的一類, 具有運(yùn)動(dòng)效率高、穩(wěn)定性強(qiáng)、可搭載性強(qiáng)、可擴(kuò)展性強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn), 在AGV、救援機(jī)器人、探測(cè)機(jī)器人等領(lǐng)域有著廣泛的實(shí)踐。在未來的機(jī)器人發(fā)展過程中, 移動(dòng)機(jī)器人將擁有廣闊的應(yīng)用前景。本文設(shè)計(jì)的一款以單片機(jī)作為控制核心, 能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)某小型火場(chǎng)進(jìn)行火源自動(dòng)尋找和自動(dòng)滅火的功能。
1 機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
輪式滅火機(jī)器人以89S52為控制核心, 在尋找火源的過程中以光電傳感器實(shí)現(xiàn)避障, 同時(shí)通過紅外傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)火源的探測(cè), 當(dāng)發(fā)現(xiàn)火源后, 采用噴水系統(tǒng)作為滅火手段, 以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位火場(chǎng)、高效實(shí)施滅火的功能。單片機(jī)作為常用的系統(tǒng)控制核心, 具有體積小、成本低、可擴(kuò)展性強(qiáng)、編程簡(jiǎn)便等特點(diǎn), 適用于小型電子系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用, 故本系統(tǒng)選擇單片機(jī)為系統(tǒng)控制核心�；鸸庵邪t外線, 故選用紅外傳感器作為火焰的檢測(cè)手段。在機(jī)器人移動(dòng)中, 會(huì)遇到障礙, 選擇光電傳感器對(duì)障礙物進(jìn)行檢測(cè), 當(dāng)檢測(cè)到障礙時(shí)將信號(hào)傳送至單片機(jī)后, 由單片機(jī)發(fā)出指令實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的避障。
如圖1所示為輪式滅火機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)框圖。系統(tǒng)前向通道包含2類傳感器, 即紅外傳感器和光電開關(guān)傳感器;后向通道包含2類執(zhí)行器, 分別是滅火系統(tǒng)執(zhí)行器和直流減速電機(jī)。本系統(tǒng)中, 運(yùn)動(dòng)功能是輪式機(jī)器人的關(guān)鍵功能之一, 只有首先實(shí)現(xiàn)輪式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)功能, 才能在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)檢測(cè)、避障和滅火等功能。本設(shè)計(jì)選用雙減速電機(jī)作為輪式機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式。減速電機(jī)具有扭矩大的特點(diǎn), 在執(zhí)行滅火和避障任務(wù)時(shí)具有一定的優(yōu)勢(shì)。
圖1 輪式滅火機(jī)器人系統(tǒng)整體框圖
2 硬件電路設(shè)計(jì)
2.1 多路電源電路設(shè)計(jì)
系統(tǒng)多路電源模塊的功能是為輪式機(jī)器人中各個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)壓電源:光電開關(guān)傳感器供電電壓為+5V;紅外傳感器供電電壓為+5V;最小系統(tǒng)供電電壓為+5V;直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)供電電壓為+24V;小型噴水滅火系統(tǒng)供電電壓為+24V。輪式機(jī)器人選用額定電壓為24V、容量為10000m Ah的鋰電池作為系統(tǒng)供電電源。
綜上可知, 本系統(tǒng)的供電電壓基本分為兩類, 即+24V和+5V。+24V供電部分采用鋰電池直接供電, 其額定電壓為+24V, 充滿電量后電壓小于+26V, 滿足直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)和小型噴水滅火系統(tǒng)供電電壓范圍的要求, 因此本部分不再做穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)。而+5V電路選用穩(wěn)壓電路實(shí)現(xiàn), 其電路原理圖如圖2所示。
其中, 穩(wěn)壓模塊選擇三端穩(wěn)壓模塊LM7805, 該模塊成本較低, 輸入電壓大于+7.5V即可穩(wěn)壓輸出+5V電壓, 輸出電流可達(dá)1A, 功率5W, 足夠?yàn)閭鞲衅骱涂刂坪诵奶峁┛煽糠�(wěn)定的電壓輸出。C1選用25V/1000μF電容;C2選用16V/1000μF電容, 以防止負(fù)載突變時(shí)提供臨時(shí)電源輸出;C3和C4電容是防止三端穩(wěn)壓芯片自激振蕩。D1是電源指示LED, 選用紅色。通過該設(shè)計(jì)電路可以實(shí)現(xiàn)將額定電壓為24V的鋰電池輸入電壓穩(wěn)壓為+5V, 為傳感器和控制核心供電。
圖2 直流穩(wěn)壓電源電路
2.2 系統(tǒng)整體電路接線設(shè)計(jì)
如圖3所示為輪式滅火機(jī)器人系統(tǒng)整體電路圖, 其中, U3是系統(tǒng)控制核心AT89S52單片機(jī), 電路設(shè)計(jì)中包含其按鈕復(fù)位電路和晶體振蕩器電路, 以構(gòu)成最小系統(tǒng)電路;A1-A4位4個(gè)光電開關(guān)傳感器, 作用是分布于輪式滅火機(jī)器人四周, 以達(dá)到檢測(cè)障礙物的目的;A5和A6是紅外傳感器, 目的是檢測(cè)環(huán)境內(nèi)的火源;U4和U5是兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng), 控制電機(jī)部分分別與U6和U7兩個(gè)電機(jī)進(jìn)行接線;U8是滅火系統(tǒng)裝置, 該裝置內(nèi)部集成控制繼電器等元件, 與單片機(jī)I/O口直接接線, 采用數(shù)字量控制, 具有控制方便的特點(diǎn), 在使用時(shí), 只需單片機(jī)發(fā)出低電平控制指令, 即進(jìn)行噴水作業(yè), 反之單片機(jī)給出高電平指令, 停止噴水作業(yè)。
3 軟件程序設(shè)計(jì)
3.1 PWM調(diào)速部分軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)中的2個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用PWM調(diào)速形式實(shí)現(xiàn)控制, PWM即脈沖寬度調(diào)制信號(hào), 具有調(diào)速穩(wěn)定的特點(diǎn)。輪式機(jī)器人電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分, 采用PWM調(diào)速, 可以合理控制其運(yùn)行節(jié)奏, 控制電機(jī)速度時(shí)主要以采用占空比進(jìn)行調(diào)節(jié), 占空比與輸出電壓成正比, 即0%占空比對(duì)應(yīng)速度0, 即0V電壓;100%占空比對(duì)應(yīng)全速, 即24V電壓。在設(shè)計(jì)PWM軟件程序過程中, 本設(shè)計(jì)采用定時(shí)中斷法, 以單片機(jī)的'I/O口為信號(hào)輸出端。電機(jī)控制頻率1k Hz, 定時(shí)中斷設(shè)置0.1ms。定時(shí)中斷初始化程序, 這里不贅述;PWM核心程序語(yǔ)句中, pwm_i是中斷計(jì)數(shù)變量, IO_ZUO和IO_YOU是機(jī)器人兩側(cè)電機(jī)的占空比輸出變量。具體程序如下:
3.2 系統(tǒng)主程序流程設(shè)計(jì)
圖4所示為輪式滅火機(jī)器人主程序流程圖。將機(jī)器人防止在滅火區(qū)域內(nèi), 然后將系統(tǒng)上電, 完成系統(tǒng)初始化工作, 包括定時(shí)中斷初始化、傳感器自檢、滅火系統(tǒng)自檢和驅(qū)動(dòng)自檢等。自檢完畢后發(fā)出自檢結(jié)束信號(hào), 隨后自動(dòng)運(yùn)行至活在區(qū)域內(nèi), 開始巡航搜索火源。在搜索過程中, 當(dāng)輪式機(jī)器人四周的光電傳感器檢測(cè)到有障礙物時(shí), 輪式機(jī)器人選擇合理避障。在遇到疑似火源后, 輪式機(jī)器人在保持自身安全的距離內(nèi), 將對(duì)準(zhǔn)火源, 執(zhí)行滅火指令, 直至該處火源成功消滅。當(dāng)完成一處火源滅火后, 繼續(xù)進(jìn)行巡航并搜索火源, 直至將整個(gè)區(qū)域內(nèi)的火源消滅。
圖3 輪式滅火機(jī)器人系統(tǒng)整體電路圖
圖4 主程序流程圖
3.3 巡航路徑規(guī)劃
在未知區(qū)域內(nèi)進(jìn)行滅火時(shí), 由于地勢(shì)情況復(fù)雜、火源位置未知, 為了提高滅火效率, 必須進(jìn)行合理的路巡航徑規(guī)劃, 達(dá)到以最短時(shí)間內(nèi)消滅所有火源的目的。本設(shè)計(jì)路徑規(guī)劃的方法是:通過行走距離的測(cè)算和光電傳感器檢測(cè)的反饋, 對(duì)每次行走的位置進(jìn)行記錄和分析, 在下一次運(yùn)行時(shí), 避免走過無火患路線, 從而提高運(yùn)行效率。
4 結(jié)語(yǔ)
本文設(shè)計(jì)了一款以單片機(jī)為控制核心的輪式滅火機(jī)器人, 通過系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)、硬件電路設(shè)計(jì)和軟件程序設(shè)計(jì), 闡述了輪式滅火機(jī)器人基本功能的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法, 初步實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)功能、對(duì)障礙物的檢測(cè)識(shí)別功能、對(duì)火源的檢測(cè)識(shí)別功能和滅火功能。在今后的實(shí)踐過程中, 為了完善機(jī)器人功能, 可以加入若干傳感器 (如攝像頭傳感器) , 從而豐富機(jī)器人的檢測(cè)手段, 提高滅火效率。同時(shí)加入位置傳感器和SD卡記錄模塊, 通過wifi模塊和手持儀器進(jìn)行通信, 從而繪制出火場(chǎng)情況, 傳輸火場(chǎng)圖像, 豐富救援手段�？梢�, 輪式滅火機(jī)器人在未來的發(fā)展中, 將具有更廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用價(jià)值。
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