智能滅火機(jī)器人硬件電路設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)
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智能機(jī)器人滅火比賽由美國三一學(xué)院于1994年創(chuàng)辦，目前已成為全球規(guī)模最大、普及程度最高的全自主智能機(jī)器人大賽之一。硬件電路是智能滅火機(jī)器人整體的核心骨架，其參數(shù)性能及設(shè)計(jì)的合理性直接決定了智能滅火機(jī)器人的性能。本文完成了基于ARM9內(nèi)核[3]的智能滅火機(jī)器人的硬件電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。
1 硬件電路的總體設(shè)計(jì)
滅火比賽的任務(wù)是在一封閉房間模型中，隨機(jī)在其中一個房間里放置蠟燭代替的火源，要求機(jī)器人在盡可能短的時間里無碰撞地找到火源并完成滅火。
根據(jù)比賽要求及功能需要，滅火機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由控制器、傳感器輸入、驅(qū)動輸出等模塊組成。
2 硬件電路的主要部件分析與設(shè)計(jì)
2.1嵌入式系統(tǒng)
為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人高速精確地按照規(guī)定路徑行走，要求機(jī)器人的CPU能夠?qū)崟r迅速地讀取多個傳感器端口數(shù)值，并在較短的時間內(nèi)完成對各端口數(shù)值的存儲、運(yùn)算和輸出等多種任務(wù)。由于嵌入式微處理器對實(shí)時任務(wù)具有很強(qiáng)的支持能力，能夠完成多任務(wù)并且具有較短的中斷響應(yīng)，因此在設(shè)計(jì)過程中選用以嵌入式微處理器ARM9為核心的控制器，其內(nèi)部采用哈佛結(jié)構(gòu)，每秒可執(zhí)行一億一千萬條機(jī)器指令。
為提高端口數(shù)值讀取速度，使機(jī)器人能對周圍環(huán)境信息做出迅速判斷，本設(shè)計(jì)在主芯片上設(shè)置了ADC0～ADC7（P4.0～P4.7）８路數(shù)據(jù)輸入端口，每秒可實(shí)現(xiàn)50萬次數(shù)據(jù)采集；另外又設(shè)置20路數(shù)據(jù)輸入端口，通過ATMEGA816-PC輔助單片機(jī)連接到主芯片上，用以讀取遠(yuǎn)紅外傳感器組及檢測端口的數(shù)值，每秒可實(shí)現(xiàn)1 000次數(shù)據(jù)采集。本設(shè)計(jì)還設(shè)置了4路PWM控制信號輸出端口，用以驅(qū)動4路大功率直流電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的精確調(diào)節(jié)；此外，還設(shè)置了7路Do數(shù)字輸出端口，用以驅(qū)動伺服電機(jī)、蜂鳴器、繼電器、發(fā)光二極管等。為了給龐大和復(fù)雜的程序提供更多的執(zhí)行空間，本設(shè)計(jì)附加設(shè)置了100 KB的數(shù)據(jù)存儲器（RAM）和512 KB的程序存儲器（Flash ROM），用以存儲更多的數(shù)據(jù)和命令。
2.2 電源和驅(qū)動電路設(shè)計(jì)
(1)電源及采樣電路
電源是保證機(jī)器人穩(wěn)定、可靠運(yùn)行的關(guān)鍵部件，它直接影響著機(jī)器人性能的好壞。由于本機(jī)器人電機(jī)驅(qū)動和控制器采用兩種不同等級電壓的電源，為避免2個電源相互干擾，本機(jī)器人采用雙電源供電系統(tǒng)：電機(jī)電源采用高放電倍率聚合物鋰電池，容量為2 500 MAH，工作電壓為24 V，能提供40 A的穩(wěn)定供電電流，是普通電池的10倍；控制器電源采用8.4 V鋰電池，并提供電壓采樣端口，以供電池檢測，電路圖如圖2所示。
為獲得CPU各端口電路所需要的不同等級的電壓，本設(shè)計(jì)采用1個LM317T三端穩(wěn)壓器和2個AMS1117低壓差線性電壓調(diào)整器，并通過其附屬電路，得到精確穩(wěn)定的5 V、3.3 V、1.8 V 三種電壓；采用1個發(fā)光二極管LD1和限流電阻R5作為電源指示燈，以顯示電源開關(guān)的狀態(tài)；為實(shí)時采樣電源電壓，防止鋰電池過放或過充，設(shè)計(jì)中通過R1、R2分壓，引出AD19端口作為電源采樣端口。
（2）直流電機(jī)驅(qū)動電路
由于競技比賽的需要，機(jī)器人要在避免碰撞的前提下盡可能提高速度，因此要求具有更大功率的驅(qū)動器和更靈敏的控制方式。為此本文采用的電機(jī)驅(qū)動電源電壓為16.8 V，電流為20 A；采用占空比范圍為0～95%的4路PWM信號控制直流電機(jī)，以實(shí)現(xiàn)精確的調(diào)速[4]。
由于電機(jī)功率較大，并要求能實(shí)現(xiàn)雙向、可調(diào)速運(yùn)行，本文設(shè)計(jì)了半橋式電力MOSFET管，成功實(shí)現(xiàn)了對電機(jī)的控制。如圖3所示，2路PWM信號通過IR2104半橋驅(qū)動器（half-bridge driver）和相應(yīng)保護(hù)電路連接至型號為IRF2807 的MOSFET管，控制電源與電動機(jī)連接線路的通與斷，達(dá)到控制電機(jī)速度的目的。當(dāng)PWM信號占空比較大時，線路導(dǎo)通時間長，電機(jī)速度大；相反，當(dāng)PWM占空比較小時，線路導(dǎo)通時間短，電機(jī)速度小。4個MOSFET管在不同時刻導(dǎo)通組合，實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動方向：當(dāng)MSFET管1和4導(dǎo)通時，電機(jī)端口1為正、2為負(fù)，電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)MOSFET管2和3導(dǎo)通時，電機(jī)端口2為正、1為負(fù)，電機(jī)反轉(zhuǎn)。
2.3 傳感器
(1)紅外測距傳感器
紅外測距傳感器[5-6]是機(jī)器人的“視覺器官”，通過不斷讀取其數(shù)值并進(jìn)行判斷，才能確定機(jī)器人所處位置環(huán)境，以確定機(jī)器人下一步該執(zhí)行什么命令才不致碰撞，并按照理想的路線行走。依據(jù)比賽場地規(guī)格，本機(jī)器人采用SHARP公司的GP2D12PSD傳感器（后面簡稱PSD傳感器），其有效測距范圍為10 cm～80 cm。其原理如圖4（a）所示。
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