安防机器人的设计与制作.docx
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安防机器人的设计与制作
安防机器人的设计与制作
摘要
本设计是一台智能化的移动监控机器人，它主要包括移动机器人和主控台两大部分，能够实现防盗监控，温度监视，火灾报警等功能。
该机器人能够自主移动，也可以通过主控台遥控机器人的动作。
本设计以单片机MTC89C52RC为中央控制核心，采用彩色CCD摄像头UM-800C采集图像，反射型红外光电开关RMF-DU10检测障碍物，两个直流减速电机为主要动力驱动，采用DF数据发射、接收模块实现数据的无线传输，采用四频道无线微波影音传输模块无线传输视频，可以实现远程视频监控.
本设计的特色是改变了现有监控系统的单一固定形式，大大提高了监控的灵活性和实时性，不存在监控死角。
开启机器人的自动巡逻功能后，机器人可以自动按照设定的路线巡逻，途中遇到障碍物时能够自动识别并绕过障碍物,并且还可以实时摄像。
此外本机器人监控系统不需另外架设线路，适应性强，即投即用，简单、方便、经济、可靠。
1引言
近年来，随着智能机器人技术的迅速发展，智能机器人的应用领域正在不断地扩大。
并且，随着人们生活质量的日益提高，智能机器人已经开始进入了家庭服务行业。
由智能型家庭服务机器人代替人来完成清洁卫生、物品搬运、家电控制、家庭娱乐、病况监视、儿童教育、报时催醒、电话接听等各种家务劳动，不仅是一项极具应用前景的高新技术行业，而且也是智能机器人目前研究的一个重要热点。
另一方面，世界各国的老龄化问题也更进一步地加剧了对智能型家庭服务机器人的需求。
例如，目前在加拿大已有3，800，000以上人的年龄超过65岁，在德国超过82，000，000人的年龄在60岁以上，分别占该国人口的12.43%和22%，而且近年来还有加重趋势。
在中国专家预言到2010年中国独生子女和老龄化问题将更加严重。
国际上较早开展安防机器人研究的是美国与前苏联，稍后，英国、日本、法国、德国等国家也纷纷开始研究该类技术。
我国大约有30家左右的高等院校和研究院在从事各类机器人的研究工作，在40多年来，已在机器人的各方面取得了可惜的成就，某些产品技术已接近国际先进水平。
因此，家庭服务机器人将在许多以老弱、病残、独子为主的家庭中占据一席之地。
此外，以防盗监测和电及煤气安全检查为主要内容的家居智能安防系统在我国发展迅速，近几年的增长速度达到15％－20％，家居智能安防业已经形成了一个巨大的市场。
为此，我们将家庭服务机器人与家居智能安防系统结合在一起，利用家庭服务机器人的机动性和自律能力来实现家居智能安防系统的功能，以便更有效地完成家庭服务和家居安防。
2设计任务
本设计的主要任务是在设计并制作一个可以移动监控的人形机器人。
2.1基本要求
1）机器人可以前进，后退，转弯等基本动作，并具有多自由度的手臂（自由度>4）。
2）具有图像，温度，湿度，火灾，防盗的监控功能，处于监控模式时，发现不法分子闯入时发出恐吓声音警报，发现温度湿度不在正常范围内发出语音提示，并自动开启空调调节室内温度湿度。
发现可燃气体泄漏时及时发出语音警报并关闭燃气总阀门。
当主人不在家时，能及时通过手机短信通知主人。
3）可以遥控控制机器人的移动，可以舞蹈供主人娱乐。
4）主人可以通过手机发短信控制机器人做些规定好的任务，如喂宠物，开空调等。
5）机器人可以设置为巡逻监控模式，此模式下机器人能够按照
设定的线路巡逻，并能识别障碍物，行驶过程中时能够自动饶过障碍物，实现自主移动监控。
2.2发挥部分
1）防盗报警，温度湿度调节，可燃气体报警，并及时关闭燃气总阀门。
2）通过短信的方式，把家中的情况告知主人。
3）可以通过手机发短信控制机器人做些规定好的任务，如喂宠物，开空调等。
4）其它。
3可行性分析
3.1机器人的可行性方案
1）采用笔记本计算机控制，编程灵活，多种软件均可实现。
2）采用单片机控制，处理速度相对较低，但成本低廉。
3）采用输出标准TV视频信号的彩色CCD摄像头，可以直接配合使用无线视频发送器，且这种摄像头价格低廉；另配以大功率无线视频发送模块实现视频图像的采集。
决策方案：
采用单片机作为控制器，本设计本着降低成本的原则设计。
3.2障碍物检测
可行性方案：
1）采用红外线反射管，反映灵敏，可靠性高，缺点是探测距离较近，一般在5cm以内。
2）采用反射型红外光电开关，探测距离可调，一般可以检测40cm以内的障碍物。
其工作原理是根据红外发光管发出的光束，遇到障碍物时发生漫反射，红外接收管收到信号由同步回路选通而检测到障碍物，其障碍物不限于金属，对所有能反射光线的物体均能检测。
光电开关RMF-DU10操作简单，使用方便。
当有光线反射回来时，输出低电平。
当没有光线反射回来时，输出高电平。
3）采用超声波传感器，超声波传感器的原理是：
超声波由压电陶瓷超声波传感器发出后，遇到障碍物便反射回来，再被超声波传感器接收。
然后将信号放大后送入单片机。
超声波传感器在避障的设计中被广泛应用。
但是超声波传感器需要40KHz的方波信号来工作，因为超声波传感器对工作频率要求较高，偏差在1％内，所以用模拟电路来做方波发生器比较难以实现。
而用单片机来作方波发生器未免有些浪费资源。
决策方案：
采用方案2，机器人可以原地转圈，在40cm内检测到障碍物，可以自由绕过去，比方案3经济，简单。
3.3动力及转向系统
机器人需要前进、后退、转向以及机械手臂的动作，完成这样的动作需要多个电机才能实现。
驱动电机的可选方案：
1）使用带有减速器的直流电动机，采用控制器调速。
2）使用步进电机，能够精确控制位移量，可实现机器人精确定位行使。
3）采用伺服电动机，转速稳定可靠且调速方便。
4）采用舵机控制，可以精确控制角度。
决策方案：
从可行性分析，机器人没有必要要精确定位行使，从经济角度考虑，直流电机的成本较低，因此驱动电机采用带有减速器的直流电动机。
机械手臂采用大扭力舵机控制，动作精度高。
3.4电源系统
电机驱动系统要求大功率的电源供应，因此电源系统应具有低内阻、大电流输出的性能。
电机驱动器在工作时会产生大量的电脉冲和干扰信号，会使电源的产生纹波，而处理器和一些传感器电源质量要求较高。
因此，为保证机器人的可靠运行，采用动力系统与控制系统单独供电的方法。
为了节约成本，同时在环境也许的条件下，我们采用直流稳压电源对电机进行供电，通过USB转TTL串口线对单片机进行供电。
这种供电方式有两种好处，由于直流稳压电源中的电源大小可以调节和控制，所以可以很方便地选择输出电压的大小；通过USB转TTL串口线对单片机进行供电，可以简化电路。
4总体设计
机器人系统主要由中央处理器、传感器系统、驱动及转向系统、无线数据传输系统、电源系统组成。
传感器系统
中央处理器
驱动及转向系统
电源系统
无线数据传输系统
主机监控系统
5硬件设计
5.1STC89C52RC的最小系统电路图：
通过USB转TTL串口线与电脑实现连接，并且还可以给单片机供电。
5.2带有红外光探照灯的CCD摄像头的设计
名称：
彩色CCD摄象机
型号：
UM-800C
信号制式：
PAL
工作电压：
+8V～+12VDC
工作环境：
-10℃～+50℃
彩色CCD摄象机
图像显示设备可以采用彩色电视机，将CCD摄像头输出的标准TV视频信号通过同轴电缆输入到电视机的视频输入端，即可以看到监控的图像。
也可以在电脑上安装一块视频数据采集卡，然后安装驱动软件，就可以通过电脑显示监控的图像了。
本设计通过编写的视频采集软件，实现了视频图像的显示，拍照保存，录像保存等功能。
5.3直流电机驱动设计
驱动电路的性能很大程度上影响整个系统的工作性能。
有许多问题需要慎重设计，例如，导通延时、泵升保护、过压过流保护、开关频率、附加电感的选择等。
1）开关频率和主回路附加电感的选择
力矩波动也即电流波动，由系统设计给定的力矩波动指标为ΔI/IN，对有刷直流电动机而言，通常在（5~10）%左右。
为了便于分析可认为
ΔI/IN=ΔI/（Us/Rd）
（1）
式中Rd为电枢回路总电阻。
代入前面各种驱动控制方式的ΔI表达式中，消去Us，可求出：
对于单极性控制
&nbs
p;Ld/Rd≥5T~2.5T（可逆或不可逆）
（2）
对于双极性控制
Ld/Rd≥10T~5T（3）
式中T为功率开关的开关周期。
对于有刷直流电动机，电磁时间常数Ld/Rd一般在10ms至几十毫秒。
若采用GTR，开关频率可取2KHz左右，T=0.5ms。
若采用IGBT，开关频率可取18KHz以上，所以上式均能满足。
若采用GTO或可控硅功率器件，由于工作频率只有100Hz左右，此时应考虑在主回路附加电抗器，且
Ld="Lf"+La（4）
对不可逆系统还应进一步检查临界电流，IaL=UsT/8Ld≤Ia0应小于电机空载电流，防止空载失控。
对于低惯量电机、力矩电动机，由于电磁时间常数很小（几个毫秒或更小），此时应考虑采用开关频率高的IGBT功率开关器件。
2）功率驱动电路的选择
图1H桥开关电路（Ⅰ）;图2H桥开关电路（Ⅱ）
小功率驱动电路可以采用如图1所示的H桥开关电路。
UA和UB是互补的双极性或单极性驱动信号，TTL电平。
开关晶体管的耐压应大于1.5倍Us以上。
由于大功率PNP晶体管价格高，难实现，所以这个电路只在小功率电机驱动中使用。
当四个功率开关全用NPN晶体管时，需要解决两个上桥臂晶体管（BG1和BG3）的基极电平偏移问题。
图2中H桥开关电路利用两个晶体管实现了上桥臂晶体管的电平偏移。
但电阻R上的损耗较大，所以也只能在小功率电机驱动中使用。
（由于本次使用的电机功率较小，所以不考虑大功率的驱动电路）
3）防直通导通延时电路
对H桥驱动电路上下桥臂功率晶体管加互补信号，由于带载情况下，晶体管的关断时间通常比开通时间长，这样，例如当下桥臂晶体管未及时关断，而上桥臂抢先开通时就出现所谓“桥臂直通”故障。
桥臂直通时电流迅速变大，造成功率开关损坏。
所以设置导通延时，是必不可少的。
图6是导通延时电路及其波形。
导通延时，有时也称死区时间，可通过RC时间常数来设置；对GTR可按0.2μs/A来设置；对MOSFET可按0.1~0.2μs设计，且与电流无关，IGBT可按2~5μs设计。
举例说明，若为GTR，f=5kHz，双极性工作，调宽区域为T/2=1/10=0.1ms。
若I=100A，则Δt=0.2X100=20μs，则PWM调制分辨率最大可能性为
（T/2）Δt=0.1/0.02=5（5）
这说明死区时间占据了调制周期的1/5，显然是不可行的。
所以对于100A的电机系统，GTR的开关频率必须低于5kHz。
例如，2kHz以下，此时分辨率达12.5左右。
驱动电路的设计还有很多问题，例如过压、过流、过热、泵升保护等等。
5.4云台的控制
传统的电视监控译码器通过继电器的触点来控制云台和镜头，设计了一种基于STC89C52RC单片机的无触点云台镜头通讯控制电路，具有低功耗、可靠性高等特点。
1）电视监控系统是一种典型的分布式计算机信号采集系统。
每个摄像机由中央控制室控制，为简化布线，中央控制器与各摄像机间由RS485总线连接，镜头和云台的控制由前端的解码器实现。
解码器将主控系统送来的串行码控制信号转换成不同功能电压以驱动前端设备，其原理图如图1所示。
2）电动云台有俯仰、旋转两个单相交流电机，每个电机有两个绕组，两个绕组有一个公共端，两个非公共端接移相电容。
当交流电压从一个绕组接入时，电机正向旋转；当交流电压从另一个绕组接入时，电机反向旋转。
单片机发出的云台左右、上下运动的控制信号实际上是对云台的交流电机的正以向控制。
图2是用双向可控硅的云台控制单路电路图。
图中的光耦MOC3041是用来隔离可控硅上的交流高压和直流低压控制信号的。
其输出用来触发双向可控硅，选用STMicroelectronics公司的T4系列，内部集成有缓冲续流电路，不用在双向可控硅两端并联RC吸收电路，可以直接触发，电路设计比较简单。
3）镜头控制电路设计
变焦镜头有光圈、聚焦、变倍三个直流电机，三个电机有一个公共接地端，在非公共端加正、负电压时电机正、反向旋转。
单片机发出的镜头控制信号实现上是对镜头的直流电机的正向电压控制。
直流伺服电机的正反向控制电路一般有H型（桥式）互补对称式和T型互补对称式两种。
其中，H型（桥式）互补对称式两路的集成芯片很多，例如UDN2952B，MB3863，L298等。
考虑到这类芯片一般较贵，而且镜头的控制路数较多，为了降低成本，采用T型互补对称式驱动电路。
图3为对针对单个电机的镜头控制电路。
为了防止上下两个FET功率管同时导通，采用4555双四选一构成硬件互锁，值得注意的是4555由3.3V供电。
镜头的电机电源与数字电路之间通过光耦隔离，以避免电机接通和断开时所造成的毛刺影响数字电路的工作。
光耦隔离器驱动两个FET功率管，后者直接用来驱动直流电机。
两个FET管一个是P型沟道，另一个是N型沟道，形成互补结构。
为了避免FET管因电压尖峰而损坏，电路中采用了金属氧化物压敏电阻8作为瞬时吸收保护器。
4）通讯解码电路软硬件设计
a）硬件电路
解码器与主控系统之间的数据传送经过RS485收发器MAX485，由单片机的TXD和RXD串行口发送和接收。
解码器的单片机有一个规定的地址码，CPU不断查寻RXD口数据，当判别地址数据为本解码对应地址时，读入操作数据，再判别是何种控制功能，发出对应的控制信号。
图4为RS485通讯接口电路。
为了提高数据传输的抗干扰性，MAX485为+5V单独供电，采用高速光耦6N137与其他的电源完全隔离，不共地。
由于传输线较长且现场可能有电磁干扰，所以在传输线上并联瞬变电压抑制器TVSC，串联熔断器，传输线有屏蔽层的电缆。
b）通讯协议与指令结构
监控指令可以简单地分：
视频切换、音频切换、电话会议、报警输入、报警布撤防、紧急报警输入、模拟采集、采集设置、请求读入采集量、行动输出、遥控等11种指令类型。
这里仅介绍与云台镜头控制有关的指令。
指令类型5：
（解码器使用）
说明：
遥控指令，有2个字节参数
前1个字节表示状态字；第99状态表示遥控云台、镜头。
其它状态用户自定义。
后一个字节，当第99状态（前1字节为99）时，高4位代表云台动作，低4位代表镜头动作。
具体描述如下：
云台动作：
0不动作1向上运动2向下运动3向左运动
4向右运动5左上方向6左下运动7右上方向
8右下方向9自动扫描
镜头状态：
0镜头不动3光圈变大6光圈变小
3景深不动2景深远5景深变近
6焦距不变1焦距变远4焦距变近
发送中指令格式如下：
aa,参数长度，源，宿，类型，参数……，校验和
除参数一部分可以是0～n个字节外，其它都为1个字节。
aa为指令头。
参数长度为参数部分的字节数（0～99），源为信源的地址编号，宿为信宿的地址编号。
类型为1个字节，分高4位与低4位两部分，高4位表示传递双方方式。
定义为：
高4位为0是下行指令（计算机发给解码器），高4位不为0是上行6指令（解码器发给计算机），低4位就是前面介绍的指令类型号。
校验和为除帧头以外的其余各字节之和与256的余数。
例：
如主机发送控制命令给3#解码器，命令格式如下：
云台上aa020003059910xx
镜头焦距远aa020003059901xx
其余类推。
要解决总线上的冲突，保证指令的正确传输，需要一个好的通信协议。
通信协议分两个部分：
一是发送前解决冲突问题，二是发送时要保证发送的正确性。
（1）当一方需要发送指令时，判断信道上有没有人在发指令。
如果有，直到指令发送完再等待10ms；
（2）发一随机数（一般为自己的帐号），再接收这个数，判断是否正确。
正确则表示无冲突发生，进行下一步操作；不正确表示冲突发生，等待一随机时间，转到
（1）。
（3）当发送指令时为保证指令的正确性，须遵从以下协议；
发送方：
发送后须等到确认指令后才能把此指令从发送队列里删除。
如果未收到确认，则隔一段时间重发一次（时间间隔设定为10ms）；重发三次后，仍未收到确认，则把此指令从队列里删除；同时，给出出错信息，当发送方收到重发指令后，应立即重发。
但重发次数不能超过三次，超过三次后，也把指令删除，同时给出信息。
接收方：
当收到正确指令时，应马上发回确认指令；若接收错误，应马上发回重发指令。
注意：
凡是应答指令，不应放在发送队列中，而是即时产生马上发送出去，且不用遵循发送前的信道争用协议，因为协议本身保证此时马上发回会有任何冲突。
在设计无触点云台镜头通讯控制电路的过程中，充分考虑了电路的简易实用性，力求达到较高的性价比。
目前该设计已经应用到电视监控系统中，取得了较好的实用效果。
5.5无线遥控发射接收模块
1）产品信息
产品名称：
200米四键遥控模块价格：
20元/个
外形尺寸：
58x38.5x13毫米发射功率：
20毫瓦工作电流：
14毫安
工作电压：
12VA27报警器专用电池
图为发射器外形，面板上有A、B、C、D四位操纵按键及一个发射指示灯。
发射机内部采用进口声表谐振器稳频，频率一致性非常好，稳定度极高，工作频率315MHZ频率稳定度优于10－5，使用中无需调整频点，特别适合多发一收等无线电遥控系统使用，而目前市场上的一些低价位无线电遥控模块一般仍采用LC振荡器，稳定度及一致性较差，即使采用高品质微调电容，当温度变化或者震动后也很难保证已调试好的频点不会发生偏移，造成发射距离缩短。
图中两发射器效果一样，只是外表不同。
2）无线遥控发射模块
面板上有A、B、C、D四位操纵按键及一个发射指示灯。
因为要满足远距离遥控，所以发射机的发射功率比较大，当然发射电流也比普通的遥控模块大许多，市场上常见的200米遥控模块的发射电流一般在10毫安左右，而这种1000米发射机的发射电流，当天线不拉出时约20毫安，遥控距离在300米左右，当天线全部拉出时发射电流增大到60毫安，遥控距离在开阔地大于1000米。
3）无线遥控接受模块
这是超再生接收机等效电路图
接收模块采用SMD贴片工艺制造生产，为超再生接收方式，它内含放大整形及解码电路，使用极为方便。
1.天线输入端有选频电路，而不依赖1/4波长天线的选频作用，控制距离较近时可以剪短甚至去掉外接天线
2.接收电路自身辐射极小，加上电路模块背面网状接地铜箔的屏蔽作用，可以减少自身振荡的泄漏和外界干扰信号的侵入。
3.接收机采用高精度带骨架的铜芯电感将频率调整到315M后封固，这与采用可调电容调整接收频率的电路相比，温度、湿度稳定性及抗机械振动性能都有极大改善。
可调电容调整精度较低，只有3/4圈的调整范围，而可调电感可以做到多圈调整。
可调电容调整完毕后无法封固，因为无论导体还是绝缘体，各种介质的靠近或侵入都会使电容的容量发生变化，进而影响接收频率。
另外未经封固的可调电容在受到振动时定片和动片之间发生位移；温度变化时热胀冷缩会使定片和动片间距离改变；湿度变化因介质变化改变容量；长期工作在潮湿环境中还会因定片和动片的氧化改变容量，这些都会严重影响接收频率的稳定性，而采用可调电感就可解决这些问题，因为电感可以在调整完毕后进行封固，绝缘体封固剂不会使电感量发生变化，而且由于采用贴片工艺，所以即使强烈震动也不必担心接收频点漂移，接收电路的接收带宽约500KHz，产品出厂时已经将中心频率调整在315MHz，接收芯片上的微调电感约有5MHz频率的可调范围，使用时不要轻易变动，以免影响性能。
6软件设计
6.1机器人主程序控制流程图
查询运行状态参数散转表
开始
状态运行子程序
等待设置参数，待命状态
PE1中断
更改运行参数
结束
解码程序，接收数据
火灾检测子程序
结束
重新设定TIMER定时
TIMER定时中断（T=1S）
温度检测子程序
6.2自动避障算法及程序控制
避障系统需要的重要数据，是机器人与障碍物的距离参数。
使用红外光电传感器检测前方没有障碍物，本设计采用了三个红外光电开关相差45°安装。
安装布局如图6.1。
1）
2）图6.1红外光电开关安装布局
检测障碍物位置与行走策略见表6.1所示。
3）表6.1检测障碍物位置与行走策略
障碍物位置
传感器1
传感器2
传感器3
行走策略
无
0
0
0
继续前进
正前
0
1
0
随机左右转
左
1
0
0
右转
右
0
0
1
左转
左前
1
1
0
右转
右前
0
1
1
左转
左前右
1
1
1
转180°后，向前行
根据上图，在程序中建立决策跳转表。
Y
N
调用行走策略子程序
有无障碍物？
查询决策跳转表
向前行驶
开始
采集传感器的数据
图6.2自动避障程序控制流程图
6.3串口通信参数设置
智能安防软件使用串口通信设置函数CcommSettingDlg（）设置使用的串口号、数据位、校验位等,并将设置保存在注册表中“我的电脑/HKEY_CURRENT_USER/Software/Alert/PortSetting/”键下。
其主要实现方法和代码如下:
1）加入全局函数GetSetting和SaveSetting完成
注册表设置读写工作:
GetSetting（Cstringkey,CstringValueName）;
VoidSaveSetting（Cstringkey,CstringValueName,Cstringvalue）;
2）加入对IDOK控件的BN_CLICKED消息响应函数OnOK,将串口通信设置写入注册表中。
6.4实时监控
为了及时地获取布防触发器的报警信号,程序需要打开一个定时器,时间间隔通常设置在几十毫秒和几秒之间。
如果太短,计算机响应不过来,太长则会影响事件的实时捕捉。
我们使用SetTimer（）函数来定义时间间隔,然后用OnTimer函数响应定时器的WM_TIMER消息,该函数需要完成如下监控布防设置:
读取布防参数中设置为可用的端口,获得发生的触发事件编码,进行编码识别。
然后向触警参数中设置的端口发送相应的触警动作编码。
该任务由SpyOn完成,首先检测各并行口输入,若有触发事件,则调用ProcessLook处理触发事件。
SpyOn主要代码如下:
GetPortVal（lptPortArray[i],&portVal,1）;
ProcessLook（（BYTE）portVal,FALSE）;
表进行更新。
该任务由UpdateLog完成。
如果日志数目有变化,则更新。
然后显示更新后的记录。
UpdateLog主要代码如下:
CAlertApp*pApp=（CAlertApp*）:
:
AfxGetApp（）;
m_pRsLog→Open（m_bstrSQL,（IDispatch*）pApp→
m_pConnection,adOpenStatic,adLockOptimistic,adCmdText）;
If（m_cntLog!
=m_pRsLog→RecordCount）
{m_cntLog=m_pRsLog→RecordCount;ShowLog（）;}
6.5实时报警
一旦室内发生触警情况,家庭服务机器人的报警主要分为两部分:
a）安防机器人所安
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