基于能力风暴机器人数字指南针扩展卡设计.docx

1、基于能力风暴机器人数字指南针扩展卡设计基于能力风暴机器人的数字指南针扩展卡设计The Design of Digital Compass Card Based on Ability Storm Robot摘要这篇论文讲述了能力风暴机器人的数字指南针扩展卡的一种设计方法，包括数字指南针芯片的选用，数字指南针电路的设计等。并用Protel 99 SE软件绘制出了电路原理图和印刷电路板，编写并调试程序。该大数字指南针扩展卡所用芯片较少，成本较低，重量轻，使用起来非常方便，用于“能力风暴”大学版机器人在足球比赛、灭火比赛和创意比赛中实时测量机器人所处的方位。关键词：数字指南针扩展卡；Protel 99

2、 SE；机器人AbstractThis paper describes a method of the design of digital compass card,including digital compass chip selection and digital compass circuit design. The circuit schematic and printed circuit board are maken out using Protel 99 SE,and a simple program is given in this paper. The digital co

3、mpass card is composed of very fewer chips,so it is lower-cost, light weight, and very easy to use. In robot soccer, put out fire games and creative games the card can measure the orientation of the robot in real-time. Keywords: digital compass card; Protel 99 SE; robot第1章 绪论1.1机器人研究的意义机器人（Robot）是自动

4、执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。科学的进步与技术的创新,为机器人的研究与应用开辟了广阔的思路与空间。自从二十世纪六十年代初人类创造了第一台机器人以后,机器人就显示出它极大的生命力,在短短不到五十年的时间中,机器人的技术得到迅速的发展。能力风暴（Ability Storms）机器人由上海广茂达电子信息有限公司开发，呈单片机结构，外形酷似宇UFO，是专为个人机器人的需求设计的,专门面向教育的机器人。它是专门为大学进行课程教学、工程训练、机器人竞赛、

5、科技创新以及研究服务开发的新型移动智能机器人。能力风暴个人机器人配有5种十几个传感器，另外还可以根据需要扩展其他传感器，对环境的感知能力很强。感知环境的能力是产生智能行为的前提，因此能力风暴能产生许多智能性行为。本课题主要是设计一块基于能力风暴机器人的数字指南针，用于“能力风暴”大学版机器人在机器人足球比赛、灭火比赛和创意比赛中实时测量机器人所处的方位，满足比赛要求。1.2目前国内外机器人发展趋势机器人技术是涉及机械学、传感器技术、驱动技术、控制技术、通信技术和计算机技术的一门综合性高新技术，既是光机电软一体化的重要基础，又是光机电软一体化技术的典型代表。其产品主要有两大类，即以日本和瑞典为代

6、表的一系列特定应用的机器人，如弧焊、点焊、喷漆装备、刷胶和建筑等，并形成了庞大的机器人产业。另一类是以美国、英国为代表的智能机器人开发，由于人工智能和其它智能技术的发展远落后于人们对它的期望，目前绝大部分研究成果未能走出实验室。机器人系统集成技术也是由几个主要发达国家所垄断。近年来，机器人技术并未出现突破性进展，各国的机器人技术研究机构和制造厂商都继续在技术深化、引进新技术和扩大应用领域等方面进行探索。1.2.1国外机器人发展状况为了使机器人能更好的应用于工业，各工业发达国家的大学、研究机构和大工业企业对机器人系统开发投入了大量的人力财力。在美国和加拿大，各主要大学都设有机器人研究室，麻省理工

7、学院侧重于制造过程机器人系统的研究，卡耐基梅隆机器人研究所侧重于挖掘机器人系统的研究，而斯坦福大学则着重于系统应用软件的开发。德国正研究开发“MOVE AND PLAY”机器人系统，使机器人操作就像人们操作录像机、开汽车一样。 除了这些研究单位，各大机器人企业也投入大量人力、财力开发机器人系统。国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势： 工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操做和维修)，而单机价格不断下降，平均单机价格从1991年的10.3万美元降至2002年的6.5万美元。 机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机检测系统三位一体化，由关节模块、连杆模

8、块用重组方式构造机器人整机，国外已有模块化装配机器人产品问世。 工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日渐小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。 机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。 虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来

9、操纵机器人。 当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控、遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入使用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名的实例。 机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。1.2.2 我国机器人的发展状况我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000米水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调

10、控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种；在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，以系统集成带动机器人技术的全面发展，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。1.2.3机器人技术的发展趋势 工业机器人技术发展与应用水乳交融。在第一代工业机器人普及的基础上，第二代已经推广，成为主流安装机型，第三代智能机器人已占有一定比重。以应用为龙头拉动工业机器人技术的发展，其技术特

11、点与重点发展领域体现在下述方面：机械结构 以关节型为主流，应3K(炼钢、炼铁、铸锻)行业和汽车、建筑、桥梁等行业需求，超大型机器人应运而生。如焊接数十米长、l0t以上大构件的弧焊机器人群；采取蚂蚁啃骨头的协作机构，己普遍采用CAD、CAE等技术用于设计、仿真与制造中。控制技术 大多数采用32位CPU，控制轴多达27轴，NC技术和离线编程技术大量采用。协调控制技术日趋成熟，基于PC的开放式结构控制系统由于成本低并具有标准现场网络功能，己成为一股潮流。”驱动技术 直接驱动技术则广泛用于装配机器人中。新一代的伺服电机与基于微处理器的智能伺服控制器相结合，已由日本FANUC 公司开发并用于工业机器人中

12、；在远程控制中已采用了分布式智能驱动新技术。智能化的传感器多有应用 在上述167种机型中，装有视觉传感器的有94种，占56.3，不少机器人装有两种传感器，有些机器人留下了多种传感器接口。网络通信方式 在上述167种机型中，有69种采用Ether网通讯方式，占41.3，其它采用RS232，RS422，RS485等通讯接口。高速、高精度、多功能化 目前所知最快的装配机器人最大合成速度为16.5m/s;高精度机器人的位置重复性为正负0.01mm.有一种大直角坐标搬运机器人，其最大合成速度达80m/s;而另一种并联机构的NC机器人，其位置重复性达l um。90年代末的机器人一般都具有两、三种功能。最近

13、瑞典Neos公司开发出一种高精度、高可靠性的可切割、钻孔、铣削、磨削、装配、搬运的多功能机器人，用于多家著名汽车厂和飞机公司。集成化与系统化工业机器人的应用从单机、单元向系统发展。多达百台以上的机器人群与微机及周边智能设备和操作人员形成一个大群体(多智能体)。跨国大集团的垄断和全球化的生产将世界众多厂家的产品联接在一起，实现了标准化、开放化、网络化的“虚拟制造”，为工业机器人系统化的发展推波助澜。1.2.4机器人足球的发展足球机器人比赛虽然刚刚开展几年时间，但是它吸引了越来越多人的关注。因为它以喜闻乐见的方式走进了我们的视野，虽然它的体积很小，但是它的意义非常重大。它是综合了计算机技术，自动化

14、技术，机电一体化技术，人工智能技术，模式识别技术的一门综合技术。 现在的足球机器人比赛有两个系列：即ROBOCUP 和FIRA 。每年都要进行一次比赛。中国最早参加了FIRA比赛，东北大学代表队和哈工大代表队都取得了好成绩。另外中国还参加了ROBOCUP系列的比赛。在2001年的ROBOCUP比赛中，清华大学代表队获得了世界冠军。另外，中国人工智能学会在2001年成立了机器人足球专业委员会。机器人足球参加了科技申奥主题活动，还将参加2002年的世界杯足球赛。以上活动说明机器人足球在中国获得良好发展。第2章 能力风暴机器人概述2.1 开设能力风暴机器人教育的意义能力风暴机器人就是一种非常典型的智

15、能机器人。开展能力风暴机器人研究活动，旨在进一步加强未成年人思想道德教育，提高广大青少年的科学素养，发展自身潜能，引导更多的大中小学生关注科技、热爱科技、走进科技，涌现出更多的未来科学家和未来工程师。在积极推进基础教育和高等教育改革的过程中，渗透科学技术教育，努力培养大中小学学生的实践能力和创新精神。2.2能力风暴机器人的外形与结构2.2.1 能力风暴机器人的外形能力风暴机器人外形酷似UFO，图2.1是能力风暴机器人的外观俯视图。图2.1 能力风暴机器人的外观俯视图2.2.2 能力风暴机器人的结构AS-UII 是面向教育的新一代智能移动机器人。AS-UII结构参见图2.2图2.2 AS-UII

16、的内部结构图AS-UII有一个功能强大的微处理系统和传感器系统，而且它还能扩展听觉、视觉、和触觉，成为真正意义上的智能机器人。 AS-UII的身体结构主要由控制部分、传感器部分和执行部分三大部分组成。每一部分介绍如下：(1)控制部分控制部分是AS-UII机器人的核心组成部分，见图2.3。图2.3 AS-UII的控制部分从图中我们可以清楚的看到AS-UII控制部分的主要由以下两个部分组成：a.主板位于AS-UII“心脏”部位的控制部件是AS-UII的大脑主板，它由很多电子元器件组成，跟人的大脑一样，主要完成接收信息、处理信息、发出指令等一系列过程。AS-UII的大脑有记忆功能，这主要由主板上的内

17、存来实现，至于“大脑”的分析、判断、决断功能则由主板上的众多芯片共同完成。b.控制按键位于AS-UII背部的控制面板，是AS-UII机器人运行控制部件，具体按键分布如下图所示：图2.4 控制按键部分 (2).传感器部分AS-UII机器人的传感器，如图2.5所示。主要有以下五种传感器：a.碰撞传感器b.红外传感器c.光敏传感器d.话筒e.光电编码器图2.5 AS-UII传感器部分(3).执行部分AS-UII机器人的执行部分是指机器人执行具体功能时所要用到的部件，如图2.6AS-UII执行部分所示。LCD图2.6 AS-UII执行部分a.扬声器 b.LCD c.主动轮及其驱动机构 d.从动轮 e.

18、直流电机 (4)AS-UII的能源将AS-UII机器人头朝下翻过来，就能够看到它的底盘下安装有一个盒体，这就是电池。智能机器人的能量就来自于这个电池。2.3 能力风暴机器人的计算机硬件能力风暴通过微控制器（microcontroller）来思维。我们采用的是Motorola公司8位单片机中功能最强、集成功能最全的高档机种。它的可靠性很高，有程序自下载功能。能力风暴连上串口线就可自动下载程序。计算机硬件决定了机器的极限潜能，去开发这种潜能是软件的工作。我们为用户提供了交互式图形化编程C语言VJC，它使开发能力风暴的高层行为充满了乐趣。有的低层的驱动软件与硬件相关太紧密或实时要求很高，需要用汇编语

19、言来处理。能力风暴智能机器人的执行器有：二只高性能直流电机；一只喇叭；一只2*16字符的液晶显示器。能力风暴机器人的系统结构如图2.7所示。能力风暴CPU是Motorola生产的68HC11，使我们以极少的周边芯片获得了齐全的功能，8个模拟口，5个输入捕捉，3个PWM输出，16位地址，8位数据总线，串口，以及4个通用I/O。图2.7 能力风暴机器人的系统结构2.4 能力风暴机器人的开发能力2.4.1软件开发能力能力风暴机器人AS- U它采用图形化交互C 语言( 简称VJC)完成AS- U的软件开发, 具有基于流程图的编程语言和交互式C 语言(简称JC),便于用户自由发挥。2.4.2机械扩展能力

20、至个直流电机；至个步进电机交流伺服电机；至个继电器、电继阀、记忆合金；至个灯泡、电热丝、蜂鸣器。扩展实例：灭火风扇，机械手臂，装饰彩灯等。2.4.3电子扩展能力至几百路位模拟输入；至几十路输出捕捉；路数字式输出。扩展实例：超声测距卡，红外测距卡，路伺服电机驱动卡，路输入输出。第3章 数字指南针扩展卡设计3.1数字指南针组成数字指南针由磁场检测模块、数字指南针接口卡和4 芯串口通讯排线三部分组成。(1). 磁场检测模块磁场检测模块通过检测地球磁场的变化得到当前所在的方位，然后将检测的方位数据通过通讯线发送到数字指南针接口卡。 (2). 数字指南针接口卡数字指南针扩展卡是“能力风暴”机器人系列扩展

21、卡之一。可用于检测机器人的方位。数字指南针接口卡接收磁场检测模块发送的方位数据，然后将方位数据发送到ASBUS 数据总线，能力风暴机器人从ASBUS 总线读取方位数据。 (3).4 芯串口通讯排线磁场检测模块通过4 芯串口通讯排线将方位数据发送到数字指南针接口卡。3.2数字指南针扩展卡卡硬件介绍(1) UGN3503a.功能框图图3.1 UGN3503功能框图b.UGN3503特征极为敏感平坦响应到23千赫低噪声输出4.5 V至6 V工作电压 磁优化软件包表3.1 UGN3503电器特性特性符号试验条件限制最小值 典型值 最大值单位工作电压Vcc4.5 6.0V电源电流Icc 9.0 13mA

22、输出电压VoutB = 0 G2.25 2.50 2.75V灵敏度VoutB = 0 G to 900 G0.75 1.30 1.75mV/G带宽(-3dB0)BW 23 kHz宽频输出噪音VoutBW = 10 Hz to 10 kHz 90 V输出阻抗Rout 50 220电器特性TA=25，Vcc=5V(2) TLC0832a.TLC0832封装图3.2 TLC0832封装8位分辨率容易与微处理器接口或独立操作5伏电压参考 单通道或单端或差分输入通道输入电压05V或单5V电源输入输出兼容TTL和MOS转换时间为32sF-clock=250kHz设计时可以与ADC0832或ADC0831互

23、换调整误差为1LSBb.TLC0832原理框图图3.3 TLC0832原理框图c.TLC0832多路复用器控制逻辑表表3.2 TLC0832控制逻辑表多路复用器地址通道状态SGL/DIFODD/EVENCH0 CH1LLHHLHLH+ + +H高电平，L低电平；+或输入通道的极性选择(3)89C51引脚说明： a.电源引脚 Vcc（40脚）：典型值5V。 Vss（20脚）：接低电平。 b.外部晶振 X1、X2分别与晶体两端相连接。当采用外部时钟信号时，X2接振荡信号，X1接地。图3.4 89C51 c.输入输出口引脚： P0口：I/O双向口。作输入口时，应先软件置“ 1”。 P1口：I/O双向

24、口。作输入口时，应先软件置“ 1”。 P2口：I/O双向口。作输入口时，应先软件置“ 1”。 P3口：I/O双向口。作输入口时，应先软件置“ 1”。 d.控制引脚： RST/Vpd、ALE/-PROG、-PSEN、-EA/Vpp组成了MSC-51的控制总线。 RST/Vpd（9脚）：复位信号输入端（高电平有效）。 第二功能：加+5V备用电源，可以实现掉电保护RAM信息不丢失。 ALE/-PROG(30脚）：地址锁存信号输出端。 第二功能：编程脉冲输入。 -PSEN（29脚）：外部程序存储器读选通信号。 -EA/Vpp(31脚）：外部程序存储器使能端。 第二功能：编程电压输入端（+21V）。(4

25、)74HC244功能图图3.5 74HC244功能图表3.3引脚描述符号引脚描述1/OE11号输入输出口(低电平有效)1A021数据输入02Y031总线输出01A141数据输入12Y152总线输出11A261数据输入22Y272总线输出21A381数据输入32Y392总线输出3GND10接地(0V)2A3112数据输入31Y3121总线输出32A2132数据输入21Y2141总线输出22A1152数据输入11Y1161总线输出12A0172数据输入01Y0181总线输出02/OE192号输入输出口(低电平有效)Vcc20电源电压输出驱动能力：15个LSTTL门输出可直接连接到CMOS,NMOS

26、和TTL工作电压范围26V最小输入电流：1mA高抗干扰特性CMOS装置按照JEDEC第7A标准定义(5)硬件扩展总线ASBUS能力风暴控制板设计了ASBUS总线见（图3.7），简单类似于ISA和PCI总线。采用堆叠式的ASBUS扩展卡可以方便扩展控制板的功能, 它分为ASBUSA和ASBUSB两部分。机器人主板上ASBUSA和ASBUSB插槽用于插各种功能的扩展卡。ASBUSA和ASBUSB引脚图和各部分功能如下所示:图3.6 ASBUS信号线ASBUSA和ASBUSB分别有14个信号线。各信号线功能如下：PCO-PC7：数据总线/RESET：复位信号/IRQ：外部中断输入脚VCC：+5V电源

27、（负载不要超过300MA），可用于扩展卡的电源输入端。Vmotor：电机电压，也即电池电压，可接较大负载。GND：地IS0-IS3：输入选择线0-3OS0-0S3：输出选择线0-3PA1-PA2：输入捕捉口，可用来扩展数字或脉冲输入的传感器。PA3：输出比较口，已被喇叭、DC3，servo使用，PE5-PE7：模拟输入口, 可用来扩展温度传感器、力传感器等模拟量输入传感器。3.3 数字指南针扩展卡的设计3.3.1 课题来源及设计思路本课题主要是设计一块基于能力风暴机器人的数字指南针，用于“能力风暴”大学版机器人在机器人足球比赛、灭火比赛和创意比赛中实时测量机器人所处的方位。该课题设计思路如图1

28、。 图3.7 数字指南针扩展卡设计思路3.3.2设计方案一(1) 传感器的选择如图3所示霍尔器件A探测x 方向的磁场，B探测y方向的磁场。某一时刻磁场方向如图3所示，A、B 探测到的磁场分别为一a和b。则单片 机通过处理此二数据便可得到方位角 e的值从而判定当前方位。图3.7中虚线箭头所指方向为磁场方向，即地磁 南极方向X轴正方向即为观察者面 对的方向。目前市面上有多种霍尔器件。但 大多数灵敏度较低，考虑到地磁的磁感应强度较为微弱我们慎重选用了UGN3503型霍尔器件。此霍尔器件灵敏度较高，而且低噪输出。图3.8霍尔器件的放置(2) AD转换器的选择由于传感器UGN3503采集到的信息是连续变

29、化的模拟量不能被单片机直接处理，必须把这些模拟量转换成数字量后才能够输入到单片机中进行处理，因此我们选用了AD转换器TLC0832。TLC0832是串行通讯的8脚2路AD转换器件在功能上和体积上都有优势。我们还可以把51改成2051进一步缩小体积。而且串行通讯可以把它跟3503做到一起，这样数据传输不受距离限制。此转换器与处理器接口兼容性较好，同时又可以单机操作。在5V电压供应下，可以输入 O5V范围内电压。TLC0831有单一输入频道；TLC0832已经具有多重输入频道。连续的输出被配置到接口标准变化寄存器或微处理器。(3) 传感器UGN3503与A/D转换TLC0832的连接图3.9 UG

30、N3503与TLC0832的连接(4) A/D转换TLC0832与单片机AT89C51的连接图3.10 TLC0832与AT89C51的连接转换过程和时序要求:当CS为低电平时DO为高阻状态。转换开始之前，CS必须为高电平，以确保完成转换。AT89C51需在其P11引脚产生总计8个时钟脉冲，以提供作为TLC0832的CLK引脚的输入。当CS为高电平时，最先出现在DO引脚的信号为转换值的最高位。AT89C51通过P12管脚，从TLC0832的DO引脚上连续移位读取转换数据。最初的4个脉冲的下降沿分别移出上一次转换值的的第6、5、4、3位，其中第4个时钟下降沿启动采样功能，采样TLC0832模拟输入信号的当前值。后续3个时钟脉冲送给CLK引脚，分别在下降沿把上一次转换值的第2、1、0位转换位移出。在第8个时钟脉冲的下降沿，芯片的采样/保