基于單片機的履帶式移動機器人-資料下載頁

【導讀】肁薅薁肁膃莇衿膀芆薃螅腿莈莆蟻膈肈薁薇膇芀莄羆膆莂蠆袂膆蒅蒂螈膅膄蚈蚄螁芇蒁薀螀荿蚆袈袀肈葿螄衿膁蚄蝕袈莃蕆蚆袇蒅莀羅袆膅薅袁裊芇莈螇襖莀薄蚃襖聿莇蕿羃膂薂袈芄蒞螄羈蒆薀螀羀膆蒃蚆罿羋蠆薁羈莁蒁袀羈肀蚇螆羇膃蒀螞肆芅蚅薈肅莇蒈袇肄膇芁袃肅艿薆蝿肂莁荿蚅肂肁薅薁肁膃莇衿膀芆薃螅腿莈莆蟻膈肈薁薇膇芀莄羆膆莂蠆袂膆蒅蒂螈膅膄蚈蚄螁芇蒁薀螀荿蚆袈袀肈葿螄衿膁蚄蝕袈莃蕆蚆袇蒅莀羅袆膅薅袁裊芇莈螇襖莀薄蚃襖聿莇蕿羃膂薂袈芄蒞螄羈蒆薀螀羀膆蒃蚆罿羋蠆薁羈莁蒁袀羈肀蚇螆羇膃蒀螞肆芅蚅薈肅莇蒈袇肄膇芁袃肅艿薆蝿肂莁荿蚅肂肁薅薁肁膃莇衿膀芆薃螅腿莈莆蟻膈肈薁薇膇芀莄羆膆莂蠆袂膆蒅蒂螈膅膄蚈蚄螁芇蒁薀螀荿蚆袈袀肈葿螄衿膁蚄蝕袈莃蕆蚆袇蒅莀羅袆膅薅袁裊芇莈螇襖莀薄蚃襖聿莇蕿羃膂薂袈芄蒞螄羈蒆薀螀羀膆蒃蚆罿羋蠆薁羈莁蒁袀羈肀蚇螆羇膃蒀螞肆芅蚅薈肅莇蒈袇肄膇芁袃肅艿薆蝿肂莁荿蚅肂肁薅薁肁膃莇衿膀芆薃螅腿莈莆蟻膈肈薁薇

　　

【正文】 檢測從發射換 19 能器發出的超聲波，經氣體介質傳播到接收換能器的時間，即渡越時間，渡越時間與氣體介質中的聲速相乘，便可得到超聲波發射器和接收器之問的距離。超聲波障礙距離探測系統的原理如圖 316所示。 Fig316 The chart of ultrasonic distance survey system 1其計算公式為 1) 2 其中 D為移動機器人與被測障礙物之間的距離 。t為超聲發射到超聲返回的時間間隔，即 “渡越時間 ”。C為超聲波在介質中的傳播速度， C的值會隨著溫度的變化而變化，在空氣中 C與溫度的關系為 秒， (T為攝氏溫度 )，在不要求測距精度很高的情況下，一般可以認為 C為常數，在試驗中，設定為 C=343. 2m/s. [12] 超聲波傳感器測距模塊的設計 考慮到履帶式移動機器人的使用環境， 要求超聲波換能器能適應一般的惡劣環境，并便于多個超聲波傳感器的靈活使用。因此選用的超聲換能器是收發一體型的 EFR240RSC，它性價比高，體積小，工作頻率 40kHz，使用溫度 40～ +80℃ ，防塵、防水，測距范圍 0. 2～ 5m。 超聲波傳感器系統主要由超聲波發生電路、超聲波接收電路等模塊組成，整個系統主要是由主單片機來控制，從而完成超聲波信號的發射與接收。另外本系統設有接近開關，接近開關的觸發響應及發出移動機器人緊急停車信號、控制通訊等功能也都是通過主單片機 SPCE061A 來完成的在移動機器人中，為了對環 境有充分的了解，獲取足夠的環境信息，建立有效的環境模型，單個傳感器不足以完成機器人對環境的感知，必須采用多個傳感器組成機器人的感知系統。典型圖316超聲波障礙距離探測系統的原理圖 20 的做法是按照 15度的間隔進行配置，這樣一周 360度共需要 24個。該履帶式移動機器人擬配備 10個超聲傳感器，在機器人的前進方向按照 15度的間隔配置7個，覆蓋前方 105度的區域，另外三個分別安裝在正左方、正右方及正后方，可以用來探測穿過狹窄通道時的環境信息。 1）超聲波傳感器的發射和接收電路設計 超聲波發射部 分主要由超聲波信號發生電路、多路選擇開關、緩沖升壓放大和超聲波換能器等環節構成。為有效探測機器人周圍的環境信息，除了盡量使超聲波發射頻率達到 40 kHz的最佳工作頻率外，緩沖升壓驅動也非常關鍵的。超聲波發射過程是 :首先由主單片機控制多路模擬開關 (CD4052，雙 4 路模擬開關 )，循環啟動 10路發射電路，經 IOB9口產生脈寬為 的 40kHz的調制脈沖波，再經脈沖變壓器產生幅度達 60V 的瞬間高能激勵信號，激發換能器產生超聲波信號 [13]。超聲波傳感器收發電路圖如圖 317所示。 圖 317超聲波傳感器收發電路圖 Fig317The receiving and sending circuit of ultrasonic sensor 超聲波的接收與發射必須協調一致工作，才能保證信號準確靈敏地接收。該部分主要由接收換能器、放大濾波、多路模擬開關、整形觸發輸出等環節組成。由于超聲波在傳播中，其能量會隨傳輸距離的增大而減小，從遠距離障礙物反射的回波信號一般比較弱 (為 mV級 )，所以需要經過多級信號放大處理 .該移動機器人系統采用了三級放大處理，將信號放大約 150萬倍，然后經整形電路輸出。 第一級為初級放大，選用了通用運放 LM358 對接收的弱信號進行 100 倍左右的放大處理 .為防止 “強 ”虛假反射波串入后對電路的沖擊影響，采用兩個二極管 D1, D2作為 :第二級位諧振選頻放大電路，放大 40 kHz左右的超聲波信號，同時濾出其他頻率的干擾信號 。接著，經過由二極管 D3, D4及電容 21 構成的整形電路，對信號進行第三級放大整形處理，形成正相脈沖波，最后激發由三極管 TR2 構成的脈沖輸出電路產生中斷申請信號，使單片機的 EXT1 口響應中斷，并停止高速計數器 TimerB的計數 ，計算出距離。 本系統采用分時工作，按五個方向 10 個傳感器的順序循環測距，若在有效測距范圍內有被測障礙的話，則應該在后一路超聲波束發出之前接收到前一路發出的反射波，否則認為前一路無障礙。因此按照有效測距范圍可以估算出最短的脈沖發送間隔時間。我們的系統最大測距范圍為 4m，脈沖時間間隔為，實際我們取 。 2)距離計算與多路選通控制設計 障礙的距離由收發的時間間隔計算得到。超聲波從發射到接收間隔時間的測定是由主單片機內部的計數器來完成的。超聲波在發射的瞬間，有部分聲波會直 圖 318多路選通控制電路圖 Fig318 The controlling figure of multiroute selection 接串入接收端產生 “強 ”的虛假反射波。為了有效地避開 “虛假 ”信號，需要進行軟件延時處理，從發射開始一直到 “虛假發射波 ”結束為止，由于這段時間觸發器不能置 1”從而不會發出中斷申請信號。因此，通過觸發器 (74LS74)清零信號，可以有效地躲過干擾，同時這樣會導致所謂的探測 “盲區 ”問題。本移動機器人系統的盲區大約為 25cm。由主單片機控 制的多路開關來控制 10個通道分時工作的順序。由三個 CD4502 和一個 24 譯碼器擴展成一個雙 10 路的模擬開關。CD4052 的 X 側選擇發送通道， Y 側選擇接收通道，由主單片機 SPCE061A 的IOB11～ IOB14按順序發出通道選擇信號，使發送通道與接收通道一一對應地接 22 通。多路選通控制圖如圖 318所示 ,其中 EN接到 IOB15上。 3)接近開關的電路設計 用四個接近開關 (1～ 4)安裝在移動機器人的四周，以克服超聲波探測時的 “盲區 ”及應付突發的物體。當有不明物體碰撞到移動機器人時，離其最近 的接近開關動作，觸發單片機的中斷，移動機器人就停止運行，哪個接近開關，調用中斷程序做出相應的處理。由于主單片機 SPCE061A 只有兩個外部中斷輸入端。外部中斷源 SPCE061A單片機有兩個外部中斷，分別為 EXT1和 EXT2。兩個外部輸入腳分別為 IOB2 和 IOB3。兩條外部中斷請求輸人線用于輸入兩個外部中斷源的中斷請求信號，外部中斷是以負跳沿觸發方式來輸人中斷請求信號的。其中EXT1 圖 319 近開關連接結構圖 Fig319 The frame of approaching switch 己被超聲波測距系統使用。還有四個接近開關，需要四個中斷。我們采用以下的方法增加中斷端口。每個接近開關都接在 EXT2，同時利用輸入口線作為多中斷端口情況下各中斷端口的識別線。同一根外部中斷輸入引腳 EXT2上有 4個中斷源，集電極開路的非門構成或非電路，無論哪個接近開關動作提出中斷請求，都會使 EXT2的引腳變低，究竟哪個接近開關動作，可以查詢 IOA0～ IOA3的邏輯電平獲知，它們的優先可以由軟件排定，我們這里優先級按接近開關一至接近開關四由高到低順序排列。結構圖如圖 319所示，電源電壓為 +5V。 接近開關實質為一種非接觸式的傳感器，此處采用反射式紅外光電傳感器ST198。它由高發射功率紅外光電二極管和高靈敏度光電晶體管組成，檢測距離 23 范圍為 50~200mm，接近開關 1的電路如圖 320所示。紅外光電二極管發出紅外線，如前方有障礙物則紅外線被反射回來，照射到光電晶體管的基極使三極管導通， C點電壓為 “L”；反之，則無紅外線反射回來，光電三極管處于截止狀態，C點電壓為 “H”。因此可以利用 C點電位的變化即可判斷前方障礙物的有無。 圖 320 接近開關 1的電路 圖 Fig320 The circuit of the approaching switch 1 履帶式移動機器人無線通訊模塊的硬件設計 無線通信環節是整個系統的關鍵部分，它聯系著作業現場的移動機器人和遙控處的計算機，是圖像信息、傳感器信息和控制量信息的傳輸通道。這套遙控系統由遙控計算機、移動機器人、數據無線通信系統，圖像無線傳輸系統組成。圖像無線傳輸系統將移動機器人前方的攝像頭圖像傳輸到遙控計算機上，合成立體圖像，供遙操作者使用。數據無線通信系統負責在移動機器人和遙控計算機之間傳遞移動機器 人的狀態參數以及遙控控制命令。 數據無線通信系統設計 數據無線通信系統實現了遙控計算機和機器人雙向的數據交換。無線數據收發模塊采用基于 nRF401無線通信單片機的 PTR2020微小型、低功耗、高速率 19. 2K無線收發數傳 MODEM。該器件采用抗干擾產品的設計。另外，由于采用了低發射功率、高靈敏度設計，因而可滿足無線管制的要求且無需使用許可證，采用目前低功率無線數傳的高科技技術。該模塊在內部集成了高頻發射、高頻接收、 PLL 合成、 FSK 調制 /解調、參量放大、功率放大、頻道切換等功能。工作頻 率為國際通用的數傳頻段 433MHz, FSK調制，工作電壓 2. 7～ 5. 25V，功耗小。工作最高速率可達 20kb/s，也可在較低速率下工作且接收發射合一。該無線收發 24 模塊主要有以下特性 : 體積小，約 ，且接收發射合