论文部分内容阅读
摘 要：本文对机器人灭火项目实施过程中的注意事项和要点进行分析。
关键词：灭火机器人；实施策略；要求
中图分类号：G427 文献标识码：A 文章编号：1992-7711（2012）24-084-1
机器人灭火项目的基本任务是制作一个由计算机程序控制的机器人，在一间模拟平面结构的房间里运动，找到一根燃烧的蜡烛并尽快将它扑灭。机器人小车在灭火场地搜寻房间，找到火焰，灭火。根据不同年级组，灭火后还选择完成搜救、回家任务。详细情况参见《全国中小学电脑制作活动竞赛项目“机器人灭火比赛”规则》。房间的搜索是所有任务的前提，因此让小车在搜索房间的过程中走得稳定、快速是大家追求的目标，实际这两者是一对矛盾，大家一直在找这对矛盾的平衡点。为此现在的灭火机器人配载了多种传感器，如电子指南针、红外测距、红外测障、地面灰度检测，尤其是红外测距传感器，有的队伍将小车前后装了一圈，在程序中使用n层if语句嵌套。这无疑给调试增加了困难，也给机器人执行增加了时间开销，因为这过程中要读很多传感器，红外测距多数是模拟量输出的还需A/D转换，这样可能导致本应立即调整的但因读较多传感器，错过最佳调整时机，显得反应迟钝。
其实，我们仔细分析灭火场地，所有尺寸都是固定的，全国各地也都使用这个尺寸标准，因此如果我们有某种方法让小车在场地上行走时尽量走直线，并且能够控制准确的行走距离，那么小车的迷宫行走算法将变得简单得多。比如小车在4轮驱动，顶部装指南针，左前方和右前方各安装1个红外测距的装置下，搜索4号房间的过程可以按下面步骤进行：从基地出发沿右墙壁走100厘米，然后左转90度，再沿右墙壁前进45厘米到达4号房间门口，再左转90度，不沿墙壁前进40厘米，检测火焰……过程显得很简单，主要由沿墙壁行走和90度轉弯两个过程实现，当然这个过程也要考虑小车的惯性（影响因素：小车自重、地面材料、轮胎的表面等）。实践证明，这种方法避免了很多不可靠因素，如常规的左右手法则行驶策略中小车停止时的位置、姿态不确定；进房间时依靠灰度检查地面白线会产生漏检或错检。而用单纯的距离判断则不存在这些问题，设计好的4轮驱动小车行走时几乎是直线，一段行走结束后的姿态比较稳定，依靠电子指南针实现近似90度转弯也不是很困难，如果采用后退、撞墙的方法还可以更准确地控制行走距离并调正小车前进的姿态。
问题的关键是如何实现小车行走准确的距离。在此，笔者采用霍尔传感器自制了从动轮驱动式测距传感器，误差在2厘米左右，采用霍尔传感器是因为它的制作要求低，用光栅结构电路复杂，制作精度要求高；采用从动轮驱动可以避免轮胎打滑、空转造成的误差。下面简单介绍该传感器的原理与制作。
霍尔传感器是根据霍尔效应制作的，现在市场上都有封装好的成品，价格也不贵。当有磁场穿过传感器的感应面时，输出一低电平，否则输出高电平，是一种开关量输出，便于和控制器接口，主要用于监测运动物体运行参数的变化。例如位置、位移、角度、角速度、转速等等，霍尔传感器已得到广泛应用。
在制作转速测量的装置时，应采用开关型霍尔元件，它有三个引脚（电源，地，输出），典型工作电压5v，这个电平符合TTL电气标准可以直接与单片机等微处理器连接。在霍尔元件的输出端与VCC之间接一上拉电阻（约10K），然后直接连接到单片机的输入引脚（如：INT外部中断引脚）。在单片机程序中对该引脚发出的脉冲计数，根据计数值及时间即可计算出物体运动速度、距离等参数，这就是霍尔器件实现测距的原理。当然，实际应用时应将强磁片安装在运动物体上并靠近霍尔元件的感应面，物体的运动导致霍尔传感器输出脉冲。
要想对传感器输出的脉冲准确计数，应采用单片机的外部中断方式接收，因为查询方式是每隔一定时间轮询一次判断有无脉冲，如果脉冲正好发生在CPU执行其它指令时，将可能发生漏检，这和轮询时间间隔及脉冲低电平的保持时间有关。中断方式可以有效避免漏检。问题是大部分的控制器在设计时都没有考虑为用户保留外部中断功能，因此实现起来还需对控制器作些改进，比如中鸣公司的RCU控制器核心单片机是8位AVR单片机，型号ATmega3216AU，其11，12引脚即外部中断信号输入点，用导线将其引出，与霍尔传感器的输出端连接，在“机器人快车”的编程环境中加入该型号单片机的GCC语言的中断初始化代码和中断处理函数，中断函数内执行计数变量加1操作，这样可实现对脉冲的精确计数。在机器人小车运行前将待行走的距离转化为需要的脉冲数，并对计数变量count清零，运行循环中检测count的值，如果达到则停止马达。中鸣公司最新的控制器X1RCU采用了ARM系列的单片机，芯片是意法公司的STM32F103VET6，它的中断编程稍微复杂些。笔者也已经实现了这代控制器的外部中断编程。
关于以上控制器中断编程的实现细节可以参考它们的单片机编程资料，这里限于篇幅不做详细介绍，在作者的另篇《霍尔传感器测距功能的实现及应用》中有详细描述。测距传感器的制作应充分发挥DIY精神，因地制宜地进行。
关键词：灭火机器人；实施策略；要求
中图分类号：G427 文献标识码：A 文章编号：1992-7711（2012）24-084-1
机器人灭火项目的基本任务是制作一个由计算机程序控制的机器人，在一间模拟平面结构的房间里运动，找到一根燃烧的蜡烛并尽快将它扑灭。机器人小车在灭火场地搜寻房间，找到火焰，灭火。根据不同年级组，灭火后还选择完成搜救、回家任务。详细情况参见《全国中小学电脑制作活动竞赛项目“机器人灭火比赛”规则》。房间的搜索是所有任务的前提，因此让小车在搜索房间的过程中走得稳定、快速是大家追求的目标，实际这两者是一对矛盾，大家一直在找这对矛盾的平衡点。为此现在的灭火机器人配载了多种传感器，如电子指南针、红外测距、红外测障、地面灰度检测，尤其是红外测距传感器，有的队伍将小车前后装了一圈，在程序中使用n层if语句嵌套。这无疑给调试增加了困难，也给机器人执行增加了时间开销，因为这过程中要读很多传感器，红外测距多数是模拟量输出的还需A/D转换，这样可能导致本应立即调整的但因读较多传感器，错过最佳调整时机，显得反应迟钝。
其实，我们仔细分析灭火场地，所有尺寸都是固定的，全国各地也都使用这个尺寸标准，因此如果我们有某种方法让小车在场地上行走时尽量走直线，并且能够控制准确的行走距离，那么小车的迷宫行走算法将变得简单得多。比如小车在4轮驱动，顶部装指南针，左前方和右前方各安装1个红外测距的装置下，搜索4号房间的过程可以按下面步骤进行：从基地出发沿右墙壁走100厘米，然后左转90度，再沿右墙壁前进45厘米到达4号房间门口，再左转90度，不沿墙壁前进40厘米，检测火焰……过程显得很简单，主要由沿墙壁行走和90度轉弯两个过程实现，当然这个过程也要考虑小车的惯性（影响因素：小车自重、地面材料、轮胎的表面等）。实践证明，这种方法避免了很多不可靠因素，如常规的左右手法则行驶策略中小车停止时的位置、姿态不确定；进房间时依靠灰度检查地面白线会产生漏检或错检。而用单纯的距离判断则不存在这些问题，设计好的4轮驱动小车行走时几乎是直线，一段行走结束后的姿态比较稳定，依靠电子指南针实现近似90度转弯也不是很困难，如果采用后退、撞墙的方法还可以更准确地控制行走距离并调正小车前进的姿态。
问题的关键是如何实现小车行走准确的距离。在此，笔者采用霍尔传感器自制了从动轮驱动式测距传感器，误差在2厘米左右，采用霍尔传感器是因为它的制作要求低，用光栅结构电路复杂，制作精度要求高；采用从动轮驱动可以避免轮胎打滑、空转造成的误差。下面简单介绍该传感器的原理与制作。
霍尔传感器是根据霍尔效应制作的，现在市场上都有封装好的成品，价格也不贵。当有磁场穿过传感器的感应面时，输出一低电平，否则输出高电平，是一种开关量输出，便于和控制器接口，主要用于监测运动物体运行参数的变化。例如位置、位移、角度、角速度、转速等等，霍尔传感器已得到广泛应用。
在制作转速测量的装置时，应采用开关型霍尔元件，它有三个引脚（电源，地，输出），典型工作电压5v，这个电平符合TTL电气标准可以直接与单片机等微处理器连接。在霍尔元件的输出端与VCC之间接一上拉电阻（约10K），然后直接连接到单片机的输入引脚（如：INT外部中断引脚）。在单片机程序中对该引脚发出的脉冲计数，根据计数值及时间即可计算出物体运动速度、距离等参数，这就是霍尔器件实现测距的原理。当然，实际应用时应将强磁片安装在运动物体上并靠近霍尔元件的感应面，物体的运动导致霍尔传感器输出脉冲。
要想对传感器输出的脉冲准确计数，应采用单片机的外部中断方式接收，因为查询方式是每隔一定时间轮询一次判断有无脉冲，如果脉冲正好发生在CPU执行其它指令时，将可能发生漏检，这和轮询时间间隔及脉冲低电平的保持时间有关。中断方式可以有效避免漏检。问题是大部分的控制器在设计时都没有考虑为用户保留外部中断功能，因此实现起来还需对控制器作些改进，比如中鸣公司的RCU控制器核心单片机是8位AVR单片机，型号ATmega3216AU，其11，12引脚即外部中断信号输入点，用导线将其引出，与霍尔传感器的输出端连接，在“机器人快车”的编程环境中加入该型号单片机的GCC语言的中断初始化代码和中断处理函数，中断函数内执行计数变量加1操作，这样可实现对脉冲的精确计数。在机器人小车运行前将待行走的距离转化为需要的脉冲数，并对计数变量count清零，运行循环中检测count的值，如果达到则停止马达。中鸣公司最新的控制器X1RCU采用了ARM系列的单片机，芯片是意法公司的STM32F103VET6，它的中断编程稍微复杂些。笔者也已经实现了这代控制器的外部中断编程。
关于以上控制器中断编程的实现细节可以参考它们的单片机编程资料，这里限于篇幅不做详细介绍，在作者的另篇《霍尔传感器测距功能的实现及应用》中有详细描述。测距传感器的制作应充分发挥DIY精神，因地制宜地进行。