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。