蛇形机器人套件控制器设计程序设计DOCWord文档格式.docx
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④负责编写扩展板模式下单片机的程序，制定数据交换协议，提出上位机程序设计的要求；
⑤编写一个由单片机独立控制机器人运动的实例；
⑥与负责硬件设计的同学一起完成控制器软硬件的调试。
学生（签字）：
系主任（签字）：
指导教师（签字）：
院长（签字）：
摘要
模块化可重组机器人能够适用多种环境，呈现多种用途，最主要的原因就是它不同的构形。
模块化自重构机器人最关键的特点是它有自动改变自身构型的能力，以使它们的构形能适应不同的任务和环境。
其最基本的设计思想是从大量基本单元或模块中建立复杂的系统。
本文旨在设计一个以单片机为核心的控制器系统，实现对教学套件中机器蛇的控制。
该控制器系统是以AT89S52为核心控制芯片，并扩展了必要的输入输出等外围芯片构建而成。
通过RS-232使PC机与单片机进行串行通讯。
并基于8253产生PWM信号波来达到控制舵机转角的目的，添加了LM117电源模块，红外探测模块和MAX197的数据采集功能，可用于机器蛇的避障等扩展。
关键词：
模块化可重组机器人；
蛇形机器人；
单片机；
89S52；
MCS-51；
RS—232接口；
Protel99
Abstract
Modularreconfigurablerobotcanapplyvariousenvironments,versatile;
themainreasonisthatitisofdifferentconfiguration.Modularreconstructingthekeyfromthecharacteristicsofrobotisthatithastheabilitytochangetheirconfigurationautomatically;
inordertomaketheirconfigurationcanadaptdifferenttasksandenvironment.Themostbasicdesignthoughtofbasicunitormoduleisestablishedincomplexsystem.
Thispaperaimstodesignabasedonsinglechipsystemofteachingcontrollerincontrolofthesnakepackagemachine.Thiscontrollersystemisforthecorecontrolchip,AT89S52andexpandsthenecessaryinput/outputandconstructingsuchperipheralchips.ThroughtheRS-232makePCSwithserialcommunication.Basedonwavelet8253producePWMsignaltoachievethepurposeofcontrollingsteeringAngle,andaddtheLM117powermodule、theinfrareddetectormoduleandMAX197dataacquisitionfunctioncanbeusedinmachinesobstacle-avoidancesnake.
Keywords:
modularreconfigurablerobot;
snake-likerobot;
Monolithicintegratedcircuit;
89S52;
MCS-51;
RS-232Interface;
Protel99
摘要I
AbstractII
第1章绪论1
1.1选题背景1
1.2课题的目的和意义1
1.3国内外蛇形机器人的发展概况1
第2章蛇形机器人方案概述
3
2.1蛇形机器人系统概述3
2.2蛇形机器人基本结构的设计3
2.2.1蛇和机器蛇的结构及形态3
2.2.2蛇形机器人的器件列表及结构5
第3章蛇形机器人的硬件设计6
3.1单片机89S52简介6
3.2蛇形机器人驱动系统机构的设计9
3.2.1舵机结构与控制原理9
3.2.2单片机对舵机控制的设计10
3.3串口通信单元
13
3.4A/D信号采集模块的设计14
3.5电源模块的设计17
3.6HN911简介17
3.7硬件结构控制18
第4章蛇形机器人的软件设计
20
4.1控制舵机的程序设计20
4.2数据采集程序的编写24
4.3PC机与89S52串行通讯的编程27
4.4主程序的设计29
结束语
30
致谢
31
参考文献
32
附录B主程序的设计33
第1章绪论
1.1选题背景
机器人具有可靠性高、适应性强、应用范围广等特点，这使它成为执行高危险军事任务的理想平台。
自二十世纪六七十年代起各国在军用机器人的研制和开发中都投入了大量的人力物力，以美国为代表的军事科技强国己经初步具备了使用特种机器人执行有限军事任务的能力。
军用机器人虽然只有40年的成长历程，但在现代战争中，它的地位变得越来越重要，在许多不便于人类直接作战的恶劣环境下，军用机器人正逐步取代人的位置。
机器人技术在建造复杂系统和高性能武器中起关键的作用，在未来的几十年甚至更远时期内的作战环境下，机器人会具有更强的生命力。
我们设计的机器蛇能进行最基本的运动。
通过89S52控制各个舵机的动作，进而实现各个舵机角度的变化，从而使机器蛇能以进行仿生蛇的运动方式动作。
1.2蛇形机器人的应用
相对于传统的移动机器人，蛇形机器人具有很多优点，能够应用到很多复杂和危险的环境中。
蛇形机器人有广泛的应用前景。
机器蛇最适合在那些人类无法工作的环境中工作。
它可以用于在有辐射、有粉尘、有毒及战场环境下，执行侦察任务；
在地震、塌方及火灾后的废墟中找寻伤员；
在航空航天领域可作为行星表面探测器、轨道卫星的柔性手臂；
在狭小和危险条件下探测和疏通管道；
工业上则可应用于多冗余度柔性机械手臂，管道机器人等。
以下列举了蛇形机器人的一些应用，所有这些用途正逐步渗入到工业和社会的各个层面[7]:
在产品检测方面，对零部件、线路板及其它类似产品的检测是蛇形机器人比较常见的应用。
一般说来，检测系统中还集成有其他一些设备，它们是视觉系统、X射线装置、超声波探测仪或其他类似仪器。
在瓦斯、地压检测方面，瓦斯和冲击地压是井下作业中的两个不安全的自然因素，一旦发生突然事故，是相当危险和严重的。
但瓦斯和冲击地压在形成突发事故之前，都会表现出种种迹象，如岩石破裂等。
采用带有专用新型传感器的蛇形机器人，连续监视采矿状态，以便及早发现事故突发的先兆，采取相应的预防措施。
1.3国内、外蛇形机器人的发展概况
近年来蛇形机器人的兴起是仿生机器人的一个新的分支｡区别于传统的利用轮､腿或履带移动的机器人｡它能模仿蛇的动作,通过“身体”的扭动和伸缩实现“无肢运动”｡这种运动方式的机器人具备稳定性好､横截面小､高柔性等特点｡这些特点使得蛇形机器人可以适合在一些特殊环境下代替人进行作业（例如:
核电站､石油化工等领域的内部部件检测及维护;
对管道的泄露进行检查以及修补等）,不仅使人更安全,也使探测､救援或维护更有效｡蛇形机器人可以执行所有的这些活动｡它们还可以盘绕和翻转用以爬上和翻越障碍物｡
世界上第一个军用机器人于1961年诞生于美国，发展到今天已进入第三代。
目前军用机器人已发展到具备感觉、知觉、识别及判断能力，智能化的形成使得军用机器人作为一种战争利器在众多武器中独占鳌头
。
在战场上，军用机器人的作战能力极强，能担负战场上的多种作战职能，并完成各种作战任务，如军用机器人在航空侦察，海底探测，军事施工作业等方面功劳显著，为人类减轻了许多战争负担。
集机械化、信息化、机动化、隐身化、智能化为一体的机器人作战平台将成为未来战争的主要力量，它的研制和使用必将带来两栖作战的一场革命。
在军事活动中蛇形机器人可以充当侦察设备、武器系统、通信系统的载体，完成普通士兵无法完成的近海域及滩涂的多种任务，具有广阔的应用前景。
可以断言，建立一种面向未来两栖作战的仿生型微小型机器人作战平台，对于追踪国外先进军事科技，提高国防和海军作战能力有极其重要的意义。
自1964年以来,NASA已经发射了10个机器人探测器经过火星､进入火星轨道或者着陆在火星表面进行探测,但是蛇形机器人将为科学家带来全新的火星地貌｡蛇形机器人与曾经用于航天任务中的任何机器人探测器都不相同｡
日本东京科技大学于1972年研制出世界上第一条蛇形机器人,其速度可达40厘米/秒｡而美国的蛇形机器人研究则代表了当今世界的先进水平｡
2000年10月,美国航空航天局在加利福利亚装备研制中心展示了一种用于外太空探险的蛇形机器人,它能在一些复杂地形行走时如履平地,运动十分灵活蛇形机器人可以限制将它们送往太空的太空船的重量｡像蛇一样的设计使它们可以在不需要很多附加设备的情况下就能执行许多任务｡
蛇形机器人在2005年已准备就绪,它们可以钻进火星的松散土壤中,并探测其他的机器人探测器无法到达的深度进行地质勘测,或盘绕起来用以携带用于太空建设的工具｡还能滑进行星表面的裂缝中｡
在国内近几年也开展了对蛇形机器人的研究工作｡不同类型的蛇会根据其周围的环境以不同的方式移动,包括缠绕､滑行和缓慢爬行｡到目前为止,已经研制出可以远程控制的蛇形机器人测试版｡最终,科学家将研制出一种可以为这些机器人提供智能的方法,这样就可以控制它们在太空中执行任务｡并具有探测､侦探等多种功能｡
2.1蛇形机器人套件SolidSnakeII概述及其创新点
SolidSnakeII结合了国内外蛇形机器人的发展现状，充分考虑了蛇类生物的运动特点，从仿生学的角度，结合机器人动力学和摩擦学等的相关理论，建立了基于行为控制理论的蛇类运动学模型，把蛇类生物的复杂运动形式化解为局部的、简单的行波状态，并以固定的相位差沿蛇体进行传播。
采用中央处理机（即蛇的大脑）集中控制的方式把各种运动方式进行合成，实现了机器蛇的蠕动、游动、侧移、侧滚、抬头、翻越障碍物等运动形式。
SolidSnakeII的主要技术参数：
参数
单元体长度
全长
直径
净重
最大速度
平均功耗
值
110mm
0.98m
50mm
1Kg
8-10m/min
25W
SolidSnakeII创新点详述
模块化的机构设计：
采用模块化的机构设计，可以很快的组装一条新蛇，而且结合电路系统，可以实现任意节数的组合，以适应不同的应用场合。
单元体模块组成部件有：
两节壳体，两个伺服电机，一块从机控制板。
机械对接接口非常简单，只需要五个螺钉即可对接一个单元体。
一个模块化单元体为一个正交的关节，有两个正交方向的自由度，在机械结构与控制结构上均自成一体，通过总线与其他从机及主机通讯。
标准配置的SolidSnakeII带有外接电池。
但我们可以自行加装电池到每个单元关节，以便无缆运行。
2.2蛇形机器人的基本结构
2.2.1蛇和机器蛇的结构及形态
蛇的行走千姿百态，或直线行走或蜿蜒曲折而前进，这是由蛇的结构所决定的。
蛇全身分头、躯干及尾三部分。
头与躯干之间为颈部，界限不很明显，躯干与尾部以泄殖孔孔为界。
蛇没有四肢，全身被鳞片遮盖，有保护肤体的作用。
蛇的灵活性的关键因素它具有数百块椎骨和肋骨；
与其运动能力紧密相关的是蛇的腹鳞。
这些分化的矩形鳞片在蛇身下方呈一条直线，与肋骨数量存在直接的对应关系。
腹鳞底部就像轮胎的花纹，可起到抓地和前向推进的作用。
蛇是如何运动的呢？
蛇没有脚，怎么能爬行呢？
而且蛇还爬行得相当快。
蛇之所以能爬行，是由于它有特殊的运动方式（如图2-2-1所示）：
机器蛇对自然界中的蛇的运动方式进行了模仿，如行波运动、拐弯、抬头、横向平移。
同时还结合进了机器蛇自己特有的运动方式：
侧向翻滚。
由于在复杂的工作环境下，机器蛇的“腹部”不可能总是与地面接触，所以机器蛇有不怕“翻身”的功能。
1、行波运动
机器蛇的主要运动方式是行波运动。
行波运动是依靠波在体内传播而产生的。
机体的部分关节与支持面接触，它们与支撑面之间作用力的大小和方向随蛇形机器人运动形态的变化而改变。
各个接触关节在每一刻所受到的摩擦力大小和方向不同，其合力为驱动力。
所以，蛇形机器人的行波运动，可以适应复杂多变的作业环境，诸如穿越狭小的管道、跨越沟壑、爬坡、上楼梯、越障等。
2、抬头运动
抬头运动是模仿自然界中的蛇的抬头的一种运动。
运动时，首先将蛇尾盘起来，作为支撑，后将蛇头抬到一定的高度，蛇头也可以根据要求进行偏转和俯仰。
抬头运动的主要目的是为了有更好的空间观察能力，观测周围的环境。
3、横向平移运动
在自然界中，横向平移运动是沙漠中响尾蛇所常采用的一种运动步态。
机器蛇在横向平移运动过程中，部分机体与地面接触，作为静态接触点，部分机体抬起实现空间侧移，如此反复，实现侧向前进。
由于运动过程中，机体是由上向下与地面接触的，所受的摩擦阻力较小，而且机体与地面有多个接触点，因此适合沙漠、软土等低剪切运动环境。
在松软和温度较高的沙漠环境中，如果机器蛇横向平移运动，由于其滑动摩擦阻力小，且部分机体与地面接触，可以大大提高运动的效率。
4、侧向翻滚
侧向翻滚运动是一种自然界中的蛇没有的特殊运动方式，是蛇体绕其体轴回转的一种运动模式，是通过机体在两个互相垂直的平面内形成两个弧形曲线的相互作用实现的。
不同平面内两相邻模块的相互作用，产生了绕体轴的回转驱动力矩。
通过调整弧形曲线的弧度，它可以实现与地面全接触的纯侧向滚动或部分关节与地面脱离的空间滚动形式。
2.2.3蛇形机器人的器件列表及结构
SolidSnakeII器件列表：
（1）六个航模舵机、几十个机械零部件，可组成多种模块化关节结构；
（2）基于单片机的机器人多关节控制卡，可控制12个电机，并预留8个I/O口用于用户的拓展使用；
（3）串口线（1根）、电源适配器；
（4）机器人教学控制软件MotionDebugS.1.01；
蛇形机器人的主体部分由约6个相同的类似于铰链的模块一起链接而成。
这些模块由一个“中心脊骨”连接在一起，共同实现不同的功能。
蛇形机器人的框架将由聚碳酸酯材料制成，表面将覆盖一层人工皮以防止环境的侵害。
SolidSnake利用垂直和水平方向正交的关节来拟和蛇类生物柔软的身体，每两个正交的关节组成一个单元体，每个单元体相当于一个万向节，具有两个方向的自由度，整体形成一个高冗余度的结构体。
这样的机构设计使蛇体具有向任何方向弯曲的能力。
SolidSnake采用模块化设计，每个关节均可很容易进行拆卸，用户可以根据不同的需要增减单元体的数量。
我们使用的关节数量设为6节。
SolidSnake具体指标：
关节每节的长度110mm，单元体长度为220mm，蛇体的总长度是220*6＝1320mm。
由于舵机自身的约束条件限制，每个舵机的转角范围限制在－90～＋90度。
我们使用的博创教学机器人套件组装机器蛇的步骤：
（1）所用零件：
五孔连接件2个，四孔3个，两孔2个，舵机6个及配套螺钉，十字舵盘和垫圈。
（2）安装方法：
对称结构，头尾为三孔构件（或者一个三孔，一个四孔），中间身体为两个五孔构件，图中上边三个为四孔构件；
两相接触的连接件之间加垫圈以减少摩擦。
如下图2-2-2所示
第3章蛇形机器人的硬件设计
3.1单片机89S52简介
AT89S52的引脚可分为主电源、外接晶体振荡或振荡器、多功能I/O口、控制和复位等。
多功能I/O口：
AT89S52共有四个8位的并行I/O口：
P0、P1、P2、P3端口，对应的引脚分别是P0.0～P0.7，P1.0～P1.7，P2.0～P2.7，P3.0～P3.7，共32根I/O线。
每根线可以单独用作输入或输出。
P0端口，该口是一个8位漏极开路的双向I/O口。
在作为输出口时，每根引脚可以带动8个TTL输入负载。
当把“1”写入P0时，则它的引脚可用作高阻抗输入。
当对外部程序或数据存储器进行存取时，P0可用作多路复用的低字节地址/数据总线，在该模式，P0口拥有内部上拉电阻。
在对Flash存储器进行编程时，P0用于接收代码字节；
在校验时，则输出代码字节；
此时需要外加上拉电阻
P1端口，该口是带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口，P1口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。
对端口写“1”时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，此时可用作输入口。
P1口作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。
另外，P1.0与P1.1可以配置成定时/计数器2的外部计数输入端（P1.0/T2）与定时/计数器2的触发输入端（P1.0/T2EX），如表1-1所示。
表1-1P1口管脚复用功能
端口引脚
复用功能
P1.0
T2（定时器/计算器2的外部输入端）
P1.1
T2EX（定时器/计算器2的外部触发端和双向控制）
P1.5
MOSI（用于在线编程）
P1.6
MISO（用于在线编程）
P1.7
SCK（用于在线编程）
P2端口，该口是带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口，P2口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。
P2口作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。
在访问外部程序存储器或16位的外部数据存储器时，P2口送出高8位地址，在访问8位地址的外部数据存储器时，P2口引脚上的内容（就是专用寄存器（SFR）区中P2寄存器的内容），在整个访问期间不会改变。
在对Flash编程和程序校验期间，P2口也接收高位地址或一些控制信号
P3端口，该口是带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口，P3口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。
P3口作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。
3.1.2单片机的复位系统
在AT89S52中，同样P3口还用于一些复用功能，如表1-2所列。
在对Flash编程和程序校验期间，P3口还接收一些控制信号
表1-2P3端口引脚与复用功能表
P3.0
RXD（串行输入口）
P3.1
TXD（串行输出口）
P3.2
INT0（外部中断0）
P3.3
INT1（外部中断1）
P3.4
T0（定时器0的外部输入）
P3.5
T1（定时器1的外部输入）
P3.6
WR（外部数据存储器写选通）
P3.7
RD（外部数据存储器读选通）
RST复位输入端。
在振荡器运行时，在此脚上出现两个机器周期的高电平将使其单片机复位。
看门狗定时器（Watchdog）溢出后，该引脚会保持98个振荡周期的高电平。
在SFRAUXR（地址8EH）寄存器中的DISRTO位可以用于屏蔽这种功能。
DISRTO位的默认状态，是复位高电平输出功能使能。
ALE/PROG地址锁存允许信号。
在存取外部存储器时，这个输出信号用于锁存低字节地址。
在对Flash存储器编程时，这条引脚用于输入编程脉冲PROG。
一般情况下，ALE是振荡器频率的6分频信号，可用于外部定时或时钟。
但是，在对外部数据存储器每次存取中，会跳过一个ALE脉冲。
在需要时，可以把地址8EH中的SFR寄存器的0位置为“1”，从而屏蔽ALE的工作；
而只有在MOVX或MOVC指令执行时ALE才被激活。
在单片机处于外部执行方式时，对ALE屏蔽位置“1”并不起作用。
PSEN程序存储器允许信号。
它用于读外部程序存储器。
当AT89S52在执行来自外部存储器的指令时，每一个机器周期PSEN被激活2次。
在对外部数据存储器的每次存取中，PSEN的2次激活会被跳过。
EA/VPP外部存取允许信号。
为了确保单片机从地址为0000H～FFFFH的外部程序存储器中读取代码，故要把EA接到GND端，即地端。
但是，如果锁定位1被编程，则EA在复位时被锁存。
当执行内部程序时，EA应接到VCC。
在对Flash存储器编程时，这条引脚接收12V编程电压VPP。
XTAL1振荡器的反相放大器输入，内部时钟工作电路的输入。
XTAL2振荡器的反相放大器输出。
3.2蛇形机器人驱动系统机构的设计
3.2.1舵机结构与控制原理
一般来讲，舵机主要由以下几个部分组成：
舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计5k、直流电机、控制电路板等
舵机的工作原理（如图3-2-1）
：
控制电路板接受来自信号线的控制信号，控制信号控制电机转动，电机带动一系列齿轮组，减速后传动至输出舵盘。
舵机的输出轴和位置反馈电位计是相连的，舵盘转动的同时，带动位置反馈电位计，电位计将输出一个电压信号到控制电路板，进行反馈，然后控制电路板根据其所在位置决定电机的转动方向和速度，从而达到目标停止。
舵机是一种位置伺服的驱动器。
标准的舵机有3条引出线，它们分别是电源线，地线及控制线。
一般在电源线与地线间加4～7.2V的电压，应注意给舵机供电的电源要能提供足够的功率。
控制线接控制信号，它是一个周期性的方波脉冲信号，周期一般为20ms，脉冲宽度在0.5ms到2.5ms之间，
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