基于AVR单片机智能机器人的设计

2011年5月第17卷第2期

安庆师范学院学报(自然科学版)

JournalofAnqingTeachersCollege(NaturalScienceEdition)

May.2011Vo.l17No.2

基于AVR单片机智能机器人的设计

吴年祥,任启宏,许锦苹

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(1.安徽国防科技职业学院,安徽六安237011;2.银通集团,广东珠海510000)

摘 要:本设计以AVR高速嵌入式单片机作为智能机器人的检测和控制核心,实现了声控、霓虹灯、自走、寻迹、避障、显示路程等智能功能,具有速度调节性能优良、运算控制精确、自由度大、可靠性高、电路简单、成本低、功能易于扩展、显示直观、智能化程度高、体积小等特点。

关键词:AVR高速嵌入式单片机;智能机器人;传感器中图分类号:TP302 文献标识码:A 文章编号:

1007-4260(2011)02-0039-

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0 绪 言

智能机器人作为一种人的思维与机器融为一体的自动化设备正在为改善人们的生产、生活环境,促进人类社会文明的发展发挥着越来越重要的作用。而嵌入式处理器的高度发展,进一步推进智能化发

展,其中机器人技术的应用开始从制造业向非制造领域扩展,如海底探查、管道铺设和检修、医疗、军事、服务、娱乐等,基于非结构环境、极限环境的先进机器人技术及应用研究已成为机器人技术研究和发展的主要方向。机器人具有智能,它必须具有感知作业环境的能力、任务规划的能力以及决策的能力。从系统硬件层次上讲,机器人必须具有丰富的传感器、功能强大的控制计算机以及灵活精确的驱动系统。随着控制系统研究的深入,科学技术的进步,采用复杂的控制算法已成为必然,这使得软件的复杂度和程序代码增加。因此,研究在嵌入式条件下的机器人技术也更有现实意义。

1 总体设计方案与框图系统划分为信号采集单元,智能控制单元,机器人的行走单元,如图1所示。智能化控制单元采用红外线光电检测与单片机智能控制技术,对两个电动机的运行状态实时拾取相关信息送入单片机,通过

CPU运算处理后,再对每一个电动机发出相应的控制指令,由驱动执行电路控制电动车的运行姿态,最终实现电动车的自动转弯、全速前进以及定点定时停车等功能。采用由达林顿管组成的直流电动机驱动电路。用单机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态,精确调整电动机转速。根据智能机器人的电机特点和运动特性,采用了通过另一片控制单元ATmega8515的ISP脚采集驱动电路的开关信号,利用产生电子脉冲信号,实现机器人行进路程的检测和计算。与使用CPLD集成数字电路的控制相比,ATMEGA8515单片机控制智能化方案具有软件编程灵活,运算控制精确、自由度大、可靠性高、电路简单、成本低、功能易于扩展、显示直观、智能化程度高等优点。

图1 智能机器人总体框图

*收稿日期:

2010-05-23

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2 系统硬件组成及设计原理

智能机器人具有霓虹灯、按程序设计行走、寻迹、追光、避障、避悬崖功能,具体模块如图2所示。智能机器人具有多个红外传感器、光电传感器、接触传感器、声音传感器、直流稳压滤波电路、直流减

安庆师范学院学报(自然科学版) 2011年

速电机驱动轮、导向轮及驱动电路、电池架、音响器、LED发光、二极指示、ISP下载接口及下载电缆、伺服电机接口、RS232接口等。主芯片采用AVR单片机ATmega8515。

利用前端和两侧的红外传感器和接触传感器进行避障功能,而PA

口对应发光二极管,可显示8种不同的霓虹灯闪烁方式作机器人工作指示(作机器人眼睛闪烁)或广告灯用。

机器人可放在白色台桌上声控启动前进,在机器人前方有红外传感器和接触传感器,当机器人的前方遇到悬崖时,机器人自动后退并转弯再前进;在机器人左右侧有红外传感器和接触传感器,当左侧、右侧遇到悬崖时,机器人自动转弯避开悬崖;当前方遇到障碍物时,机器人自动后退并转弯再前进。

2.1 部分硬件结构

2.1.1 声控系统单元。在声控电路当中,有一个S1关开为声控测试按键,调试声控程序时测试用,按下按键,代表声控触发信号。MK1(也称话筒、麦克风、机器人的耳朵),检测声音信号用,用声控启动竞技比赛。

2.1.2 智能机器人运动单元。机器人是后面两轮驱动,前面一小轮导航,每一个轮子用单独的电动机驱动,用驱动电路对两电动机分别进行控制,采用单片机编程分别控制两路电路的电压变化,从而分别控制前两个轮子的转动,就可以达到前进、转弯、停止等功能。BA6208右电机正反转向驱动集成芯片,左电机正反转向驱动集成芯片。电机转动状态编码如表1所示。从以上看出,电流从PD7(PD5)流向PD6(PD4),电机正转;反之电机反转;00为无电流通过电机,电机停止转动。电源电压选择插座,根据实际需要可选择+12V(发力时)或

图3 电动机信号5V(精确行走或调试时)

。本设计

电路中采用功率驱动电路对两电动机进行控制,通过主CPU软件产生高低电平(电机定子电压接通和

表1 电机转动状态编码

左电机右电机

PD7PD6PD5PD41010正转正转11000

00101

00110

10001

反转停止正转正转反转

正转正转反转停止反转

右电机

左电机

机器人运行状态

向前

向左转

左电机为中心原地向左转向右转

右电机为中心原地向右转

向后退

图2 硬件电路

断开的时间的比值)控制功率晶体管的开关时间,即可将直流电压转换成某一频率的矩形波电压加到直流电动机的电枢两端,通过对矩形脉冲宽度的控制,改变电枢两端的平均电压,从而达到调节电动机转动的目的。如图3所示。

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第2期 吴年祥,任启宏,许锦苹:基于AVR单片机智能机器人的设计

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用脉冲宽度驱动的电机转动的路程Sd为:Sd=Vmax#D(当快转90b时D=102ms,当慢转90b时,D=200ms。

2.1.3 智能机器人沿黑线寻迹单元。SL1左光电管,用来左侧寻迹识别用,由程序设定电机动作。SM1中间光电,机器人中间或前方寻迹或悬崖识别用,由程序设定电机动作。能按照黑色轨道(白底上用黑色胶带贴成)声控启动寻迹,按黑色轨道行走。SR1右光电管,机器人右侧寻迹识别用,由程序设定电机动作。具体如图4

所示。

图4 光电检测电路

2.1.4 追光系统单元。在机器人前上方有两个光敏传感器当眼睛使用,当用强光照机器人的眼睛时,机器人能追光行走。其中GR1左光敏电阻,左侧作追光识别用,由程序设定电机动作。GR2右光敏电阻,右侧作追光识别用,由程序设定电机动作。

2.1.5 程序编程下载单元。ISP下载插座AVR单片机的下载信号插座,引脚分别为VCC,GND,XTAL2,XTAL1,MOSI,/RESET,SCK,MISO。用一条10线信号线插到对应AVR单片机下载程序的信号脚上。ISP也可接到用其他板作AVR单片机的串行下载编程用。这样机器能按程序设计行走,如走8字、方形、碰障返回并从头开始、声控唤醒等等。

3 系统的软件设计

在实际情况中,针对不同的干扰后果,采用不同的软件对策。在实时数据采集系统中,为了消除传感器通道中的干扰信号,可采用软件数据滤波,如算术平均法、比较舍取法、中值法、一阶递推数字滤波法等。在开关控制系统中,为防止干扰进入系统,造成各种控制条件超差、输出失控,可采取软件冗余、程序自检等措施。为防止程序计数器失控,造成程序盲目运行或/死机0,可设置软件/看门狗0来监视程序运行状态,也可在非程序区设置软件陷井,强行使程序拉回复位状态,重新启动。

该系统配套的软件程序采用模块结构,由C …… 此处隐藏：3291字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……