智能巡查机器人系统设计.docx
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智能巡查机器人系统设计
智能巡查机器人的系统设计
摘要：
智能移动机器人作为第三代机器人技术，已成为机械学、电子学、计算机技术、人工智能等学科的典型载体。
随着信息时代的来临和第三产业的蓬勃发展，高级形态的智能机器人从工业领域日益渗透到人们的日常生活中，并在工业制造、军事、科研、服务、娱乐等各领域彰显实力，具有着重大的军事和民用价值，其发展前途不可限量。
本文通过对现有机器人技术的研究与总结，在参考了现有模型的基础上设计了满足实验和实际工作要求的智能巡查机器人系统方案，并搭建了一个红外反馈为导航方式集避障和巡查功能的机器人控制系统。
本系统以AT89C51芯片为核心，采集前方障碍信息并对智能机器人进行控制，选用红外避障传感器检测智能小车前方的障碍物，并通过巡查机器人上搭载摄像机或其他辅助一起进入到人无法到达的地方，获取人类所需要的数据，如探寻未知洞穴的的温湿度及其变化，洞穴内的环境状况，放射性环境下放射性元素的的浓度等等，都是智能巡查机器人的功能。
该系统设计简单、成本低、实时性好，并且可根据人们需求，搭载不同的设备，有不同的巡查功能，满足人们的不同的需求。
关键词：
智能机器人；巡查；多用途；避障；
SystemDesigningofIntelligentInspectionRobot
Abstract：
Asthethirdgenerationofintelligentmobilerobotroboticstechnology,ithasbecomeatypicalvehiclemechanics,electronics,computertechnology,artificialintelligenceandotherdisciplines.Withtheadventoftheinformationageandthevigorousdevelopmentofthetertiaryindustry,anadvancedformofintelligentrobotsfromindustryincreasinglypenetratedintopeople'sdailylives,anddemonstratedstrengthinallareasofindustrialmanufacturing,military,scientificresearch,services,entertainment,etc.,withsignificantmilitaryandcivilianvalue,anditsdevelopmentwillthrive.
Basedontheexistingroboticsresearchandsummarize,inreferencetotheexistingmodelbasedonthedesignofintelligentinspectionrobotsystemsolutionstomeettherequirementsoftheexperimentalandpracticalwork,andtobuildafeedbackfortheinfraredobstacleavoidanceandnavigationsetsinspectionsfunctionrobotcontrolsystem.ThissystemAT89C51chipasthecore,gatheringinfrontofthebarrierstoinformationandintelligentrobotcontrol,useinfraredobstacleavoidancesensorsdetectobstaclesinfrontoftheSmartcar,andequippedwithavideocameraorothersupportbytherobotonpatroltogetherintooneplacecannotbereachedtoobtainthedesiredhumandata,suchasexploringunknowncavesoftemperatureandhumidityandchangesinenvironmentalconditionsinsidethecave,undertheradioactiveconcentrationofradioactiveelementsintheenvironment,etc.,itisfunctionalintelligentinspectionrobot.Thesystemisdesignedtobesimple,lowcost,realtime,andaccordingtopeople'sneeds,equippedwithdifferentdeviceshavedifferentinspectionfunctionstomeetthedifferentneedsofpeople.
Keywords：
Intelligent-Robot,Perceive,Multipurpose,Avoidance.
第1章绪论
1.1选题背景及研究目的
1.1.1选题背景
智能机器人是具有思维、感知和行动功学、人工智能，微电子学，光学，传感技术、材料科学仿生学等学科的综合成果。
智能机器人可获取、处理和识别多种信息，同时实时修正环境模型，智能地完成比较复杂的操作任务，因此，较一般工业机器人具有更大的机动性灵、活性和更广泛的应用领域。
20世纪电子计算机的发明，使人类的脑力劳动自动化成为可能，60年代智能机器人的出现开辟了智能生产自动化的新纪元。
机器和生产系统的智能化，用机器人代替人完成各种任务，这是人类智慧发展和机器进化的飞跃。
智能机器人作为新一代的生产工具，在制造领域中应用，能排腺人为的不可控因素，实现高节奏、高效和高质量生产，并是未来智能生产系统（如CIMS）的重要组成部分。
在非制造领域，如核工业、水下、空间、建筑、采掘、教灾、排险和作战等方面，可代替人完成人所不适或力所不及的各种工作，在原子能、水下和外层空间可开辟新的产业。
1.1.2研究目的及意义
随着数字技术的快速发展，数字技术被广泛应用于智能控制的领域中。
单片机以体积小、功能全、价格低廉、开发方便的优势得到了许多电子系统设计者的青睐。
它适合于实时控制，可构成工业控制器、智能仪表、智能接口、智能武器装置以及通用测控单元等。
本作品以AT89C51单片机为核心，利用传感器作为机器人的眼睛；单片进行处理判断，然后驱动直流减速电机进行相应的动作，并采用液晶显示记录一些有用的信息；本设计全部采用通用器件，在达到指标要求的前提下降低了功耗和成本。
而且移动机器人在另一些领域也担任着重要的角色，在许多人类尚不方便到达甚至不能触及的环境下都需要智能机器人替我们做一些危险系数高且困难的事情。
当今社会移动机器人在一下几个领域己经被广泛应用：
在交通领域，无人车辆或者智能辅助驾驶车辆对于提高运输的舒适性和安全性；在工业生产领域，从事设备维修、监控的工业机器人，提高了生产效率；在服务领域，导游服务机器人、家政机器人等极大地便利了人类的生活。
因此，移动机器人的迅速发展和广泛应用，对人类社会的生活和生产产生了深远的影响。
所以近年来，智能可移动机器人成为机器人研究领域内的一个热点。
1.2智能机器人国内外研究现状
1.2.1国外研究现状
移动机器人的研究工作始于20世纪60年代，在移动机器人的研究方面，美、英、德、法、口等发达国家走在前列。
1968年Stanford机器人研究中心研制出了世界上第一台自主移动机器人Shakey，拉开了第三代机器人的序幕。
智能机器人是第三代机器人，这种机器人带有多种不同的传感器，能够将各传感器得到的信息进行分析，综合处理使之能够有效的适应实时变化的环境，具有很强的学习能力、自适应能力和自治功能。
目前我国研制中的智能机器人水平并不高，只是智能机器人的初级阶段。
当前智能机器人研究中的核心问题有两个方面：
一方面，是将智能机器人的自主性提高，即智能机器人与人的交互而言，希望智能机器人有更强的独立性，具有更为友善的人机交互界面。
从长远来说，希望操作人员只要给出任务，而智能机器人能自主分析任务，并自动完成它。
另一方面，是提高智能机器人对环境的适应性，增强智能机器人适应实时变化的环境的能力，即智能机器人与环境之间的关系，希望提升它们之间的交互关系。
智能机器人涉及到多个领域的关键技术，这些技术的应用关系到智能机器人的智能的高低。
主要有以下几个方面的关键技术：
多传感信息综合分析技术，多传感器信息分析技术是指综合多个传感器采集的数据，分析，处理以产生更准确、更全面、更可靠的信息，以便更加精确、完善地反映采集对象的特性，减少信息的不确定性，提高信息的可靠性；定位和导航技术，在导航自主移动的机器人中，无论是局部的实时避障还是全局的路线规划，都需要精确的知道机器人或障碍物的当前状态及物理位置，以完成避障、导航及全程的路径规划等任务；路径规划技术，最优路径就是依据某些优化算法，在机器人从起始位置到终点位置的行进空间中找到一条，可避开障碍物的最佳路线；视觉技术，机器人视觉系统包括图像的获取，分析和处理、输出和显示等，核心任务是特征提取、分割和辨识；智能控制技术，智能控制系统远远提高了机器人的运算速度及控制精度；人机接口技术，即研究如何使人更方便自然地与计算机交互。
纵观各国智能机器人的发展，美国一直处于国际领先地位，其技术全面、先进，适应性强，性能可靠、功能全面、精确度高，由其市视、触觉方面的人工智能技术已广泛应用于汽车、航天工业中。
由于日本政府的鼓励政策，包括智能机器人的各类机器人的迅速发展。
欧洲在智能机器人的研究领域起步很早，应用方面在世界上处于公认的领先地位。
中国起步较晚，而后进入了大力发展的时期，以期以机器人为媒介，推动整个制造业的改变，推动整个高技术产业的壮大。
英国研制出“土拔鼠”及“野牛”两种遥控电动排爆机器人，在波黑及科索沃战争中用来探测及处理两者均采用无线电控制系统，控制距离约1千米。
家用机器人是轮式机器人在人类日常生活中的一个重要应用。
移动机器人正在从工厂环境进入到人们每天的生活环境，医院、办公室、家庭以及其他不可控环境。
2002年美国iRobot公司推出了吸尘器机器人Roomba，它能自主避开障碍，自主思考行进路线，更重要的是还能在电量不足时，自动驶向充电座。
2006年6月，机器人模块化、平台统一化的趋明显，比尔·盖茨预言，家用机器人将会成为人们生活的一部分。
值得一提的是，作为“机器人王国”，日本在移动机器人方面的研究特别先进，而且以仿人机器人技术见长。
1.2.2国内研究现状
国内移动机器人的研究起步较晚，但发展迅速，并取得了长足发展。
我国自“八五”期间开研究这一领域，国家“863”计划把智能机器人的开发列入高科技发展规划中。
机器人学国家重点实验室依托于中国科学院沈阳自动化研究所，定位于国民经济和社会发展、国家安全和重大科学工程提供所需要的机器人技术与系统。
除此之外，全国高校也是移动机器人研究中的主力军，并取得了大量的学术成果。
国内移动机器人研究主要成果有:
中科院自动化所研制的CISII-I型自主移动机器人，它不仅能够实现运动控制、定点运动、避障、定位、漫游等功能，还能实现多机器人间的无线通信。
海尔一哈工大机器人技术公司研制的DY-I型导游服务机器人具有自主行走、语音对话、场景解说等功能，己在中国科技馆进行导游服务；清华大学研制的THMR-V型智能车，可以在特定校园环境中自由行走。
随着人们对机器人研究热度的提升，国内外机器人技术的交流也日益增多，人们也逐渐意识到了机器人的商业价值，出现了专门生产移动机器人的公司如上海广茂达。
在进入21世纪，中国两大国际盛会：
08年奥运会和10年世博会上，形状功能各异的机器人成为最吸引游客的科技亮点。
由中国民航大学自主研制的奥运福娃机器人，在08年北京奥运会中亮相，它承担机场候机楼出港入港、问讯服务、行李提取等多种环境和条件下的引导服务，不仅具有全方位视觉处理判断能力，而且还能够进行双向语音信息的交互传输。
1.3本文研究内容
系统主要是对巡查机器人的控制系统进行设计，主要研究内容为:
采用AT89C51作为控制芯片，进行机器人的硬件电路设计。
控制器负责对机器人上的各种传感器采集的数据进行处理，然后给舵机发送指令，进行控制巡查机器人的运动。
机器人主要选用AX-12+舵机，它体积小巧紧凑，而且可以产生很大扭矩，加上高品质材料制造并具有一定的强度可以抵御一定外部冲击。
传感器方面主要采用红外传感器模块中包含的红外和气体传感器作为巡查机器人的感知系统，对周围的环境信息进行探测。
在硬件平台基础上根据模块化思想进行机器人的软件程序设计。
最后通过软硬件平台上相关的实验，实现控制系统设计目标和要求。
第2章系统总体设计方案
2.1系统总体设计方案
在设计巡查机器人系统时，应首先考虑机器人的用途，因为用途不同，机器人的机械结构也就不同；此外，还要考虑机器人的稳定性、外形尺寸、费用以及工作环境等。
巡查机器人要根据传感器获得的信息，实现机器人的自主运动避障和避障。
根据这一总体思想，进行机器人的系统设计，本机器人系统主要包括以下四个部分：
（1）机械结构：
可实现灵活移动的移动机构和执行相应动作的机械臂等；
（2）驱动系统：
实现机器人移动及检测的核心部分；
（3）感知系统：
可感知周围环境并向控制系统反馈相应的位置、声音等信息；
（4）控制系统:
实时处理传感器信息的输入，并按照传感器的反馈信息指示驱动系统动作，由机械设备执行相应动作。
巡查机器人控制系统的任务根据移动机器人所要完成的功能以及从传感器反馈回来的信号支配机器人的执行机构完成机器人的工作目标。
控制系统由机器人所要达到的功能、机器人的本体结构和机器人的控制方式决定的。
根据巡查机器人控制系统的设计要求，结合本机器人的系统功能和特点，按照模块化的设计思想，提出了机器人控制系统总体设计方案下图1所示：
图2.1控制系统总体方案
2.2系统硬件电路的设计方案
基于51单片机的智能机器人开发所涉及的研究内容包括以下几个方面：
（1）熟悉AT89C51、串行通信、扩展控制模块的硬件结构、接口说明及使用方法；了解单片机控制、电机驱动及传感器工作基本理论、集成电路开发与设计的标准和流程。
（2）构建系统硬件平台：
以AT89C51芯片为核心设计系统硬件电路，包括电机驱动模块及接口电路设计、红外探测避障及接口电路设计、LED显示控制及接口电路，按键电路的设计。
图2.2智能机器人运动流程图
2.3系统软件设计方案
系统软件设计：
在单片机的工作环境下，设计各自程序模块，子程序包括：
系统初始化程序、电机驱动程序、红外遥控程序、光控程序、声控程序和LED显示来完成整个系统的功能。
图2.3电机主控程序流程图
第3章硬件电路设计
此系统的硬件部分由单片机单元、传感器单元、电源单元、键盘输入单元、电机控制单元和显示单元等部分组成，如下图。
图3.1硬件电路设计方案框图
3.1单片机单元
一个单片机系统的硬件电路设计包含有两部分：
系统扩展，即单片机内部的功能单元，如RAM﹑ROM﹑定时/记数器﹑中断系统﹑I/O口等能量不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。
系统配置，按照系统功能要求配置外围设备，如键盘显示器﹑打印机﹑A/D﹑D/A转换器等，要设计合适的接口电路。
AT89C51单片机把那些作为控制应用所必需的内容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上。
如果按功能划分，它由以下功能部件组成，即微处理器、程序存储器、数据存储器、串行口、并行I/O口、中断系统、定时器/计数器及特殊功能寄存器。
它们都是通过片内单一总线连接而成，其基本结构依旧是CPU加上外围芯片的传统结构模式。
但对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。
（1）微处理器
该单片机与通用的微处理器基本相同，有一个8位的微处理器，包括了控制器和运算器两大部分，只是增强了面向控制的处理功能，不仅可综合处理数据，还可以进行位变量的处理。
（2）数据存储器
片内为128个字节，片外最多可外扩至64k字节，用来存储程序在运行期间的变量、标志位、数据暂存和缓冲、运算的中间结果等，所以称为数据存储器。
（3）程序存储器
由于受集成度限制，片内只读存储器一般容量较小，如果片内的只读存储器的容量不够，则需用扩展片外的只读存储器，片外最多可外扩至64k字节。
（4）中断系统
具有5个中断源，2级中断优先权。
（5）定时器/计数器
片内有2个16位的定时器/计数器，具有四种工作方式。
（6）串行口
1个全双工的串行口，具有四种工作方式。
可用来进行串行通讯，扩展并行I/O口，甚至与多个单片机相连构成多机系统，从而使单片机的功能更强且应用更广。
（7）0P1口、P2口、P3口、P4口
为4个并行8位I/O口。
（8）特殊功能寄存器
共有21个，用于对片内的个功能的部件进行监视、控制、管理。
实际上是一些控制寄存器和状态寄存器，是一个具有特殊功能的RAM区。
（9）引脚功能
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：
口管脚 备选功能
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（记时器0外部输入）
P3.5 T1（记时器1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）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
/PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
由上可见，AT89C51单片机的硬件结构具有功能部件种类全，功能强等特点。
特别值得一提的是该单片机CPU中的位处理器，它实际上是一个完整的1位微计算机，这个一位微计算机有自己的CPU、位寄存器、I/O口和指令集。
1位机在开关决策、逻辑电路仿真、过程控制方面非常有效；而8位机在数据采集，运算处理方面有明显的优势。
MCS-51单片机中8位机和1位机的硬件资源复合在一起，二者相辅相承，它是单片机技术上的一个突破，这也是MCS-51单片机在设计的精美之处。
本系统采用AT89C51单片机作为中央处理单元，其主要任务是启动或重启机器人，响应键盘输入的信号，在机器人巡查过程中，不断的读取传感器采集到的数据，将得到的数据进行整合、处理后，根据不同的情况，智能的控制机器人行进方向。
3.1.1单片机型号的选择
方案一：
采用ATmega16单片机对信号进行处理，ATmega16是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。
由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而可以减缓系统在功耗和处理速度之间的矛盾。
ATmega16AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。
所有的寄存器都直接与运算逻单元（ALU）相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。
这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的数据吞吐率。
ATmega16有如下优点：
16K字节的系统内可编程Flash（具有同时读写的能力，即RWW），512字节EEPROM，1K字节SRAM，32个通用I/O口线，32个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器（T/C），片内/外中断，可编程串行USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益（TQFP封装）的ADC，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI 串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。
缺点是：
价格比较昂贵，编程较为复杂，不太适合初学者选用。
图3.2为ATmega16芯片两种不同封装格式的俯视图。
图3.2ATmega16芯片图
方案二：
采用AT89C51单片机对信号处理，优点是：
操作简单，接口方便，具备所有单片机的基本功能，容易学，价格便宜；缺点是：
处理速度不是特别快。
图3.3为AT89C51芯片俯视图。
图
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