单片机机器人设计.docx
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单片机机器人设计
单片机机器人设计
1引言
轮式移动机器人是机器人研究领域的一项重要内容.它集机械、电子、检测技术与智能控制于一体。
在各种移动机构中,轮式移动机构最为常见。
轮式移动机构之所以得到广泛的应用。
主要是因为容易控制其移动速度和移动方向。
因此.有必要研制一套完整的轮式机器人系统。
并进行相应的运动规划和控制算法研究。
笔者设计和开发了基于5l型单片机的自动巡线轮式机器人控制系统。
摘要:
设计了一种自动巡线轮式行走机器人控制系统,采用AT89S52型单片机作为主控CPU,外加一个复杂可鳊程逻辑器件(CPID)协助CPU处理数据,扩展了程序参数存储器,能够进行检测引导线和直流电机、舵机的PWM控制。
关键词:
控制系统;复杂可编程逻辑器件;存储器;光电检测;脉冲宽度调制
2控制系统总体设计
机器人控制系统由主控制电路模块、存储器模块、光电检测模块、电机及舵机驱动模块等部分组成,控制系统的框图如图1所示。
3主控制模块设计3.1CPLD设计
在机器人控制系统中.需要控制多个电动机和行程开关.还要进行光电检测.如果所有的任务都由AT89S52型单片机来完成.CPU的负担就会过重。
影响系统的处理速度。
因此扩展1个CPLD.型号为EPM7128。
它属于.MAX7000系列器件。
包括2个通用1/0口.2个专用I/O口,专用I/O口可作为每个宏单元和输入输出引脚的高速控制信号(时钟、清除和输出使能等),电动机的。
PWM信号也由其产生。
EPM7128的引脚排列如图2所示。
MlP—M4P引脚的输出为PWM脉宽调制信号,M1FB—M4FB引脚为电机的方向控制信号,P00一P07接单片机的PO口,100一1015为扩展的2个通用I/O口,SIl—S17引脚为行程开关输入信号,LI11一LI17引脚为光电探头输入信号。
CPLD的编程用VHDL语言,产生1路PWM信号的部分程序源代码如下:
单片机采用24MHz的晶体振荡器,ALE信号的频率fALE=f16=6MHz,最终输出PWM信号的引脚MlP的频率为:
调节这个信号的占空比可以使直流电动机获得O-255级的转速。
3.2机器人运行参数存储器的扩展
机器人运行路径和动作可以根据比赛情况的不同而发生变化,这样,每改变1次运行参数就必须对单片机的Flash进行1次擦写。
为了解决这一问题.扩展了程序参数存储器,用来存放机器人的运行路径和动作参数.扩展电路如图3所示。
其中IC1为24LC08B,是I2E总线的串行E2PROM存储器,最多能够存储lK字节的数据。
IC2为MAX3232型电平转换器,其内部有1个电源电压变换器,可以将计算机的电平转换为标准TTL电平,实现计算机与单片机之间通过串行口传输数据,使单片机完成对24/LC08B的数据存储操作。
单片机运行时,直接从24LC08中读取机器人的运行参数,控制机器人运行。
4光电检测模块设计4.1光电检测过程
设计光电检测模块是为了让机器人能够检测地面上的白色引导线。
光电检测电路主要包括发射部分和接收部分,其原理如图4所示。
发射部分的波形调制采用了频率调制方法。
由于发光二极管的响应速度快,其工作频率可达几MHz或十几MHz,而检测系统的调制频率在几十至几百kHz的范围内,能够满足要求。
光源驱动主要负责把调制波形放大到足够的功率去驱动光源发光。
光源采用红外发光二极管,工作频率较高,适合波形为方波的调制光的发射。
接收部分采用光敏二极管接收调制光线,将光信号转变为电信号。
这种电信号通常较微弱,需进行滤波和放大后才能进行处理。
调制信号的放大采用交流放大的形式,可使调制光信号与背景光信号分离,为信号处理提供方便。
调制信号处理部分对放大后的信号进行识别,判断被检测对象的特性。
因此,此模块的本质是将“交流”的、有用的调制光信号从“直流”的、无用的背景光信号中分离出来,从而达到抗干扰的目的。
4.2光电探头
光电探头安装在机器人底盘前部,共设置了5个检测点。
从理论上讲,检测点越多、越密,识别的准确性与可靠性就越高,但是硬件的开销与软件的复杂程度也相应的增加。
采用该巡线系统保证了检测的精确度,节约了硬件的开销。
发光二极管发出的调制光经地面反射到光敏二极管。
光敏二极管产生的光电流随反射光的强弱而线性变化。
把这种变化检测出来,就可以判断某一个检测点是否在白色引导线的上方,从而判断机器人和白色引导线的相对位置。
5电机驱动模块
机器人的驱动件主要是电机和舵机,都可以采用PWM进行调速与控制。
根据脉冲编码器的反馈信号,对机器人的运动状态进行实时控制。
直流伺服电机的控制原理如图5所示。
调节:
PWM的信号就能够快速调节舵机的转角,从而实现机器人的方向控制。
6结束语
基于5l型单片机的自动巡线轮式机器人控制系统运行平稳可靠,抗干扰能力强,不仅满足了机器人大赛的设计要求,同时也为智能机器人搭建了良好的控制平台。
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中文摘要:
基于仿生原理,以PIC单片机为控制器的核心,制作出了动作灵活、价格低廉以及模块化结构的六足机器人。
该机器人能够严格按三角步态进行行走,实现诸如直线、转弯、躲避障碍物和追踪物体等行走功能。
文中介绍了该机器人三角步态的行走原理、结构组成、控制系统和控制算法。
英文摘要:
Thisresearchdescribesthefabricationofahexapodbionicrobot,controlledbyPICmicroprocessor,walkingbasedonbionicprinciple,whichhassomeadvantagessuchassimple,activemovements,harmonyinwalkingandetc.Thisrobothassomeabilitiessuchaslinearwalking,turning,avoidingbarriers,andtrackingobjectwalkingetc.Thestructure,controlsystemandcontrolalgorithmofthisrobotareexplainedinthepaper.
前言
机器人技术是融合了机械、电子、传感器、计算机、人工智能等许多学科的知识,涉及到当今许多前沿领域的技术。
一些发达国家已把机器人制作比赛作为创新教育的战略性手段。
如日本每年都要举行诸如“NHK杯大学生机器人大赛”、“全日本机器人相扑大会”、“机器人足球赛”、“全日本电子鼠走迷宫大赛”等各种类型的机器人制作比赛,参加者多为学生,旨在通过大赛全面培养学生的动手能力、创造能力、合作能力和进取精神,同时也普及智能机器人的知识。
开展机器人的制作活动,是培养大学生的创新精神和实践能力的最佳实践活动之一,特别是机电专业学生开展综合知识训练的最佳平台。
目前国内在机器人的制作中,较多地选用机器人公司出售的产品,通过积木式的搭配或组装来进行创意组合设计。
这样方式的特点是设计制作方便、快捷,更适合于创意组合设计。
但存在着成本较高,且设计的机器人功能要受到产品本身性能的制约,并不能充分实现设计者的创意和设想等缺点。
这里强调大学生自行动手进行机构设计、软件编程和硬件电路制作,旨在充分发挥学生潜在的创造制作能力。
本文基于仿生原理,设计制作了两套连杆机构作为机器人的六足,以PIC单片机为控制器的核心,小型带减速器直流电机作为驱动元件,配置不同类型的传感器,再加上智能软件的控制,制作出了动作灵活、价格低廉、以及模块化结构的六足机器人。
文中介绍了该机器人三角步态的行走原理、结构组成、控制系统和控制算法。
2.1PIC单片机
美国Microchip公司的PIC16系列单片机是一种新型的CMOS工艺的8位单片机。
因其功耗低,超小型,低成本,功能完整和简单易学等特点已经得到了越来越广泛的应用。
PIC16F84微控制器属于PIC系列单片机的中级产品,18引脚。
内置4k×14闪速程序存储器,可多次修改程序,使用起来特别方便。
具有两个I/O端口(RA和RB),片内上电复位、延时电路、看门狗电路等。
基于PIC16F84控制器的I/O口资源的分配如图5所示。
2.3传感器模块
障碍物检测传感器要求检测的距离远,选用市场上常见的反射式红外线传感器,型号为TX05D。
该传感器是一体化的红外线发射,接受器件,它内部包含红外线发射,接受及信号放大与处理电路。
信号输出端可直接与CPU端口相连,探测距离为2~120cm,满足了机器人的硬件要求。
PIC16F84单片机的RB4、RB5管脚分别与两只TX05D传感器的信号输出端相连。
触角传感器使用的是普通的微动机械开关,用于检测红外传感器探测不到的,处于较高位置的障碍物。
当机器人的触角接触到障碍物后,触动机械开关,发出控制信号,控制机器人转弯或后退,躲开处于前方的障碍物。
两只机械开关经防抖动电路处理后,分别与PIC16F84单片机的RB6、RB7管脚相连。
4.结论
本文基于仿生原理,使用连杆机构作为机器人的六足,以PIC单片机为控制器的核心,小型带减速器直流电机作为驱动元件,配置不同类型的传感器,再加上智能软件的控制,制作出了动作灵活、价格低廉、功能强大以及模块化结构的六足机器人。
大量的行走实验证明,该机器人能够严格按三角步态的进行行走,完成诸如直线、转弯、躲避障碍物和追踪物体等行走功能,具有一定的娱乐性和实际应用价值。