论文部分内容阅读
摘 要：该文以MCS-51单片机为控制核心设计了一个能够完成自动排除可疑爆炸物的机器人装置，该设计结构简单，采用模块化的设计方法，像搭积木一样完成了机器人的硬件制作，同时应用顺序控制方法实现了在规定区域内寻找可疑物品并将其带离危险区，设计构思新颖，具有较强的实际应用价值。
关键词：自动控制 循迹 单片机
中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2012）12（a）-00-02
电子技术的发展为人类活动开辟了广阔的空间，使人们可以探索许多未知的领域，未知领域的危险性是不可预料的，应用电子技术研究制造某些使之具有人类的某些感觉和知觉功能的机器人，可以为人类活动的安全提供保障。该文设计并制作了一个能自动进入危险现场排除危险品的简易排爆机器人，能够在感全区检测机器人的活动，找到可疑的危险物品，并带离危险区。
1 设计要求
（1）机器人从安全区域启动，按指定路线运行，自动区分直线轨道和弯路轨道，在指定弯路处拐弯，实现灵活前进、转弯、倒退等功能。进入直径为1 m的圆形危险区找到任意放置的可疑铁磁材料薄片。整个搜索和转移过程中机器人除探头和机械手外均不得接触边线和可疑铁磁材料薄片。
（2）机器人完成运行任务后，将其搬移自动返回出发起点。整个过程不超过5 min。搜索路线如图1所示。
（3） 具有声、光报讯功能，用以区分运行状态。
（4） 具有无线数据传送功能，将机器人运行状态及计时数据传送到自制的接受显示装置放置在现场便于观察处。
图1 现场示意图
2 可疑物品搜寻的算法研究
通过对设计题目的分析，要求排爆机器人能够在直径为1 m的圆内搜寻可疑物品，这对机器人的搜寻路线提出了要求，即能够在规定的时间内完成整个危险区的搜寻，不能有死角，找到可疑物品，并且把它拾起来送到起点。由于对机器人的尺寸限制，在圆内又无轨迹可循，因此要求对机器人行走的路径进行分析运算，以便按要求完成任务。
采用定式搜索法检测可疑铁磁材料。如图2所示（箭头部分为机器人小车中心线），在小车通过安全通道后，先沿着圆形区域扫描一圈。车身宽度为18 cm，所以先扫描此扇形区域，回到圆形区域起点后车身转动90 °直线扫描指定剩余半径为32 cm的圆形区域，考虑到车身的长度先转90 °后行走一段距离，再转90 °以防其车身超出边界，搜索四圈左右，场地内所有区域全部扫描完后寻边线出现场。若在扫描过程中发现可疑物体便携带其寻边线回到起始点。当整个区域扫描完毕后没有发现可疑物品，也沿着边线返回到起点。该方案的优点是安全性高，可实现全面扫描即效率高，保证能够将整个危险区域扫描完整而不留死角。
图2 算法示意图
3 机器人硬件电路设计
该文采用ATMEL公司的89S51为主控芯片，完成对各路信号的采集和处理，并且按照预先设定的控制算法，控制执行机构完成机器人的整个排爆过程。辅助设计主要包括电源电路、循迹电路、行走电路、无线收发电路、危险物品检测与拾起机构和显示等。系统结构框图如图3所示。
图3 系统结构框图
3.1 循迹电路设计
循迹采用红外对管传感器。它是一种一体化反射型红外探测器，其发射器是一个砷化镓红外发光二极管，而接收器是一个高灵敏度，硅平面光电三极管。RPR220采用DIP4封装，当发光二极管发出的光反射回来时，三极管导通输出低电平。红外对管检测到信号后通过电压比较器LM324调节灵敏度后输出到单片机I/O口。
3.2 行走机构设计
采用直流减速电机带动轮子转动实现机器人的行走。直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便。由于其内部由高速电动机提供原始动力，带动变速（减速）齿轮组，可以产生较大扭力。
本设计选用的直流电机减速比为1∶74，减速后电机的转速为100 r/min。我们的车轮直径为6cm，因此我们的小车的最大速度可以达到
V=2πr·v=2×3.14×0.03×100/60=0.314 m/s
能够较好的满足设计题目速度的要求。电机驱动模块采用电机驱动模块采用专用芯片L293作为电机驱动芯片。L293是一个四大功率管分为两组，交替导通截止，以保证小车完成前进和后退、左、右转弯等运行动作，有控制使能端。用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良。
3.3 其他电路设计
①显示电路设计：应用数码管来分段显示搜索时间、返回时间和总时间，由于在5 min内完成，所以应用4个数码管就足够了，采用P0口低位BCD码输出，接74ls47驱动7段数码管，再用74ls138控制4位数码管动态显示。
②无线收发电路设计：采用无线通信编解码芯片PT2262/PT2272再配以外电路来实现。
③危险物品检测与拾起电路：采用干簧管来检测铁磁性材料，当干簧管检测到铁磁性材料后，电路接通，单片机的一个I/O口输出高电平，从而给电磁铁通电，拾起铁磁性物品。
④电源电路：由于采用直流减速电机作为机器人的行走驱动，消耗电能较大，一般的高性能电池只能运行几次电能就消耗掉了，而且电压的降低对电机的转速影响极大，因此采用高性能、大容量的手机电池串联在一起，通过稳压电路提供给整机，效果显著。
4 软件设计
通过对机器人行走轨迹的算法研究，将机器人完成整个运行分成三部分，第一部分为通过光电传感器对边界的循迹，完成半径为18 cm的外圆扫描；第二部分走蛇形路线完成内径32 cm圆内扫描，第三部分利用光电传感器寻找边界并找到出口。
在这三部分运行的过程中，还要完成可疑物品的寻找、拾起并发出声、光报警和无线数据的收发。具体程序流程如图4
所示。
图4 主程序流程图
5 结语
该文应用MCS-51单片机为主控制芯片，辅以电源电路、循迹电路、行走电路、无线收发电路、危险物品检测与拾起机构和显示等完成了排爆机器人由安全区通道进入危险区，并且在危险区内搜寻可疑物品，通过无线数据通讯，能够将危险现场的情况发送给接收机，使操作者在安全区以外的现场了解排爆小车的运行情况，以便及时进行处理。在很长一段时间的测试过程中，都达到了设计题目的要求。此设计电路简单，构思新颖，应用单片机顺序控制技术完成复杂的运算，具有较强的实际应用价值。
参考文献
[1] 张毅刚.单片机原理及应用[M].北京：高等教育出版社，2006.
[2] 王毓银.数字电路逻辑设计[M].高等教育出版社，2004.
[3] 王化祥，张淑英.传感器原理及应用[M].天津大学出版社，1997.
[4] 王毅.单片机器件应用手册[M].北京人民邮电出版社，1995.
[5] 王新贤.通用集成电路速查手册[M].山东科学技术出版社，2002.
[6] 黄惟公.单片机原理及应用[M].西安电子科技大学出版社，2007.
关键词：自动控制 循迹 单片机
中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2012）12（a）-00-02
电子技术的发展为人类活动开辟了广阔的空间，使人们可以探索许多未知的领域，未知领域的危险性是不可预料的，应用电子技术研究制造某些使之具有人类的某些感觉和知觉功能的机器人，可以为人类活动的安全提供保障。该文设计并制作了一个能自动进入危险现场排除危险品的简易排爆机器人，能够在感全区检测机器人的活动，找到可疑的危险物品，并带离危险区。
1 设计要求
（1）机器人从安全区域启动，按指定路线运行，自动区分直线轨道和弯路轨道，在指定弯路处拐弯，实现灵活前进、转弯、倒退等功能。进入直径为1 m的圆形危险区找到任意放置的可疑铁磁材料薄片。整个搜索和转移过程中机器人除探头和机械手外均不得接触边线和可疑铁磁材料薄片。
（2）机器人完成运行任务后，将其搬移自动返回出发起点。整个过程不超过5 min。搜索路线如图1所示。
（3） 具有声、光报讯功能，用以区分运行状态。
（4） 具有无线数据传送功能，将机器人运行状态及计时数据传送到自制的接受显示装置放置在现场便于观察处。
图1 现场示意图
2 可疑物品搜寻的算法研究
通过对设计题目的分析，要求排爆机器人能够在直径为1 m的圆内搜寻可疑物品，这对机器人的搜寻路线提出了要求，即能够在规定的时间内完成整个危险区的搜寻，不能有死角，找到可疑物品，并且把它拾起来送到起点。由于对机器人的尺寸限制，在圆内又无轨迹可循，因此要求对机器人行走的路径进行分析运算，以便按要求完成任务。
采用定式搜索法检测可疑铁磁材料。如图2所示（箭头部分为机器人小车中心线），在小车通过安全通道后，先沿着圆形区域扫描一圈。车身宽度为18 cm，所以先扫描此扇形区域，回到圆形区域起点后车身转动90 °直线扫描指定剩余半径为32 cm的圆形区域，考虑到车身的长度先转90 °后行走一段距离，再转90 °以防其车身超出边界，搜索四圈左右，场地内所有区域全部扫描完后寻边线出现场。若在扫描过程中发现可疑物体便携带其寻边线回到起始点。当整个区域扫描完毕后没有发现可疑物品，也沿着边线返回到起点。该方案的优点是安全性高，可实现全面扫描即效率高，保证能够将整个危险区域扫描完整而不留死角。
图2 算法示意图
3 机器人硬件电路设计
该文采用ATMEL公司的89S51为主控芯片，完成对各路信号的采集和处理，并且按照预先设定的控制算法，控制执行机构完成机器人的整个排爆过程。辅助设计主要包括电源电路、循迹电路、行走电路、无线收发电路、危险物品检测与拾起机构和显示等。系统结构框图如图3所示。
图3 系统结构框图
3.1 循迹电路设计
循迹采用红外对管传感器。它是一种一体化反射型红外探测器，其发射器是一个砷化镓红外发光二极管，而接收器是一个高灵敏度，硅平面光电三极管。RPR220采用DIP4封装，当发光二极管发出的光反射回来时，三极管导通输出低电平。红外对管检测到信号后通过电压比较器LM324调节灵敏度后输出到单片机I/O口。
3.2 行走机构设计
采用直流减速电机带动轮子转动实现机器人的行走。直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便。由于其内部由高速电动机提供原始动力，带动变速（减速）齿轮组，可以产生较大扭力。
本设计选用的直流电机减速比为1∶74，减速后电机的转速为100 r/min。我们的车轮直径为6cm，因此我们的小车的最大速度可以达到
V=2πr·v=2×3.14×0.03×100/60=0.314 m/s
能够较好的满足设计题目速度的要求。电机驱动模块采用电机驱动模块采用专用芯片L293作为电机驱动芯片。L293是一个四大功率管分为两组，交替导通截止，以保证小车完成前进和后退、左、右转弯等运行动作，有控制使能端。用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良。
3.3 其他电路设计
①显示电路设计：应用数码管来分段显示搜索时间、返回时间和总时间，由于在5 min内完成，所以应用4个数码管就足够了，采用P0口低位BCD码输出，接74ls47驱动7段数码管，再用74ls138控制4位数码管动态显示。
②无线收发电路设计：采用无线通信编解码芯片PT2262/PT2272再配以外电路来实现。
③危险物品检测与拾起电路：采用干簧管来检测铁磁性材料，当干簧管检测到铁磁性材料后，电路接通，单片机的一个I/O口输出高电平，从而给电磁铁通电，拾起铁磁性物品。
④电源电路：由于采用直流减速电机作为机器人的行走驱动，消耗电能较大，一般的高性能电池只能运行几次电能就消耗掉了，而且电压的降低对电机的转速影响极大，因此采用高性能、大容量的手机电池串联在一起，通过稳压电路提供给整机，效果显著。
4 软件设计
通过对机器人行走轨迹的算法研究，将机器人完成整个运行分成三部分，第一部分为通过光电传感器对边界的循迹，完成半径为18 cm的外圆扫描；第二部分走蛇形路线完成内径32 cm圆内扫描，第三部分利用光电传感器寻找边界并找到出口。
在这三部分运行的过程中，还要完成可疑物品的寻找、拾起并发出声、光报警和无线数据的收发。具体程序流程如图4
所示。
图4 主程序流程图
5 结语
该文应用MCS-51单片机为主控制芯片，辅以电源电路、循迹电路、行走电路、无线收发电路、危险物品检测与拾起机构和显示等完成了排爆机器人由安全区通道进入危险区，并且在危险区内搜寻可疑物品，通过无线数据通讯，能够将危险现场的情况发送给接收机，使操作者在安全区以外的现场了解排爆小车的运行情况，以便及时进行处理。在很长一段时间的测试过程中，都达到了设计题目的要求。此设计电路简单，构思新颖，应用单片机顺序控制技术完成复杂的运算，具有较强的实际应用价值。
参考文献
[1] 张毅刚.单片机原理及应用[M].北京：高等教育出版社，2006.
[2] 王毓银.数字电路逻辑设计[M].高等教育出版社，2004.
[3] 王化祥，张淑英.传感器原理及应用[M].天津大学出版社，1997.
[4] 王毅.单片机器件应用手册[M].北京人民邮电出版社，1995.
[5] 王新贤.通用集成电路速查手册[M].山东科学技术出版社，2002.
[6] 黄惟公.单片机原理及应用[M].西安电子科技大学出版社，2007.