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智能救援機器人的設(shè)計解析

自從1920年捷克斯洛伐克作家卡雷爾，恰佩克的《羅薩姆的機器人萬能公司》問世，人們便對機器人充滿了幻想與期待。隨著社會的不斷發(fā)展，各行各業(yè)的分工越來越明細，機器人也能在其中扮演重要的角色來替代人們的勞動。與此同時，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，探險、救災(zāi)、排爆等危險場合工作的機器人，以及自動化生產(chǎn)中機器人的應(yīng)用也日益廣泛。因此，智能救援機器人的研制已成為急需和必要，文章就智能救援機器人的設(shè)計進行了探討。　　1 智能救援機器人的硬件設(shè)計　　該智能救援機器人主要由電源模塊、檢測感應(yīng)模塊（實現(xiàn)巡線、避障、撿放硬幣、測距功能）、聲光報警模塊、控制器模塊、電機驅(qū)動模塊、顯示模塊六部分組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。　　　　智能救援機器人全部能量來源于位于機器人底部的六節(jié)五號電池，經(jīng)過傳統(tǒng)的7805穩(wěn)壓電路給其單片機及外圍傳感器供電，其電路如圖2所示。部分傳感器采用5V低電壓供電可以避免機器人過早檢測障礙物而停止前進。　　　　1.2 檢測感應(yīng)模塊　　1.2.1 巡線電路　　巡線模塊我們采用紅外對管。紅外對管由LED和光電三極管組成，光電三極管根據(jù)從地面反射回來的LED的光的強度而改變積極基極電流。在光電三極管基極接一上拉電阻，則可根據(jù)基極電壓的測量判斷反射光的強弱，強光說明探測器下方是白色，弱光說明下方光較弱，大部分光被黑線吸收。對于輸出的模擬信號，我們將其引入五個電壓比較器LM339進行處理。電壓比較器LM339的一輸入端接紅外對管，另一端接滑動變阻器，通過對滑動變阻器的調(diào)節(jié)可以實現(xiàn)對紅外對管對黑線的靈敏度。比較器LM339的另一端接上拉電阻后進入單片機進行探測。　　1.2.2 避障電路　　避障部分采用光電開關(guān)，將其安放在機器人需要測量的各個方向。為減少它的測量距離保證機器人的正常運行，我們采用的是低電壓5V供電，供電電壓雖略顯不足，但能保證它的正常短距離探測。光電開關(guān)的信號線的高低電平可反映前方障礙物的有無，障礙物檢測電路如圖3所示。　　　　1.2.3 超聲波測距電路　　由于超聲波執(zhí)行性強、能量消耗慢、在介質(zhì)中傳播距離較遠的特點。我們采用DIP-ME007超聲波測距模塊完成高度的測量功能，其電路板如圖4所示。DIP-ME007超聲波測距模塊能比較迅速、方便地測出橋底部距測距模塊之間的距離，此模塊共有五個引腳VCC、tring、echo、out、 GND。DIP-ME007超聲波測距模塊輸出為pwm方式，VCC、GND接好后向tring發(fā)一個10 s以上的高電平，就可以在接收口echo等待高電平輸出。單片機采用跳變沿觸發(fā)，觸發(fā)后即開始計時。當電平變低后即開始讀定時器，此時的值即為此次測距所用的時間。根據(jù)S=Ct/2即可得出所測得的距離。如此周期性測量即可實現(xiàn)移動測距。單片機內(nèi)部自動將測得數(shù)據(jù)保存并與上一次測距結(jié)果比較，保留最大值，當連續(xù)五次未測得大于前一次的數(shù)據(jù)時停止檢測并記錄最大值。當再次檢測到黑線即已成功過橋，是時單片機控制顯示模塊將測得的最大值在液晶屏上顯示出來。　　　　1.3 控制器電路　　由于主控制器的任務(wù)較多，電路要求引腳較多，且顯示器的控制程序較為復(fù)雜，我們單獨配備了一個同樣的單片機作為主控制器的輔助部分，通過它來分擔主控制器的工作，來完成顯示部分的工作。其中主控制器與其它模塊的連接如圖5所示。　　　　1.4 聲光報警電路　　聲光報警模塊主要應(yīng)用于搜救報警電路中，同時為進一步擴展應(yīng)用，我們在控制其開關(guān)的同時引入另一條信號線實現(xiàn)了對聲音的控制。在搜救過程和平安到達安置區(qū)時經(jīng)采用不同頻率和音色的聲音給出表示。尋找硬幣我們采用金屬探測傳感器，當發(fā)現(xiàn)金屬時，其信號線上電平從低電平變?yōu)楦唠娖?，觸發(fā)單片機中斷，在單片機的控制下機器人停止運動，啟動音樂發(fā)生模塊并點亮LED進行聲光報警，具體實現(xiàn)電路如圖6所示。　　　　1.5 電機驅(qū)動電路　　單片機通過傳感器的反饋信號控制電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)或者停止，來實現(xiàn)控制機器人完成各種動作。L298N是專用電機驅(qū)動芯片，他可以實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)、剎車、pwm調(diào)速等多種功能，是對機器人電機進行控制的比較理想的芯片，因此我們采用L298N芯片對兩個普通電機進行控制。通過編程完全可以控制實現(xiàn)題目的基本要求和發(fā)揮部分，也可增加各種創(chuàng)新功能。L298N芯片信號電源與驅(qū)動電源的分開，可以根據(jù)需要對電機的電壓進行調(diào)節(jié)，其驅(qū)動電路如圖7所示。　　　　1.6 顯示電路　　采用MSl602C-1型LCD顯示相應(yīng)的信息。此顯示器模塊的工作電壓為5V左右，支持顯示2行字符，每行可顯示16個字符，每個字符由5&TImes;7點陣顯示?？梢酝ㄟ^編程實現(xiàn)多種顯示，顯示信息比數(shù)碼管更多，顯示效果更好。　　由于主控制器的單片機任務(wù)較多，電路接線較復(fù)雜，我們采用單獨的單片機控制顯示模塊。　　2 智能救援機器人的軟件設(shè)計　　本智能救援機器人的軟件控制部分采用C語言編程，借助C語言的強大功能來實現(xiàn)單片機AT89S52的控制功能。主程序流程圖如圖8所示。　　　　3 結(jié)論　　以AT89S52單片機為核心部件，利用紅外傳感檢測、電機控制等技術(shù)，通過各種方案的討論及嘗試，再經(jīng)過多次的整體軟硬件結(jié)合調(diào)試，不斷地對系統(tǒng)進行優(yōu)化，最后智能救援機器人可以實現(xiàn);避開障礙物，并尋找到合適的路徑;順利通過受損的橋梁，并能較準確地測出橋梁的高度;自動識別路線狀況，并根據(jù)實時狀況快速做出判斷，準確控制機器人的轉(zhuǎn)向;自動顯示所要求的信息;自動尋線前進，能智能檢測、撿起、放下硬幣;聲光報警，并有彩燈閃爍;行駛到規(guī)定的地點自動停止并顯示救援結(jié)束。　　在設(shè)計過程中，力求硬件電路簡單，外形美觀，充分發(fā)揮軟件設(shè)計的優(yōu)勢來滿足系統(tǒng)的要求。

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