开放创新实验(机器人设计)讲义第三章_基于as-uii机器人创新平台

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1、 1第三章第三章 基于基于 AS-UII 机器人创新平台机器人创新平台 第一节 AS-UII 的系统结构 第一节 AS-UII 的系统结构 AS-UII 是面向教育的新一代智能移动机器人，它有功能强大的微处理系统和传感器系统，而且它能扩展听觉、视觉和触觉，成为真正意义上的智能机器人。AS-UII 是能力风暴(Ability Storms)大学版机器人，II 表示第二版本，AS-UII 是专门为大学进行课程教学、工程训练、科技创新以及研究服务的新型移动智能机器人。 一、AS-UII 智能机器人简介一、AS-UII 智能机器人简介 AS-UII 是具有感知、思维和行动功能的智能机器人。它是“麻雀虽

2、小，五脏俱全” ，具备自主机器人所应有的设备。它的系统结构如图 3.1 所示。 4只碰撞传感器2只红外传感器2只光敏传感器2只光电编码器1只麦克风外部存储器单片机稳压与低电 压复位系统2只直流电机LCD喇叭1只直流电机 或伺服电机电机 驱动喇叭 驱动直流 驱动BUS各种外部 扩展卡ASBUS 总线串口 通讯PC图 3.1 AS-UII 智能机器人的系统结构 1. AS-UII 智能机器人的硬件组成 （1） 传感器机器人的感觉器官 传感器是一种与人的视觉、听觉、触觉、嗅觉和味觉相对应，能代替人定量地测出感知对象的信息量，并能把被测的信息量转换成电脑能够识别、判断的电信号的装置，因此又称为“电五官

3、” 。传感器大多由半导体器件制成。 AS-UII 智能机器人有红外传感器、光敏传感器、碰撞传感器、麦克风、光电编码器等 5种十几个传感器，并可以根据需要扩展其他传感器，对环境的感知能力相当强。 （2） 微型计算机机器人的大脑 机器人的大脑就是电脑，一般用的是单片微型计算机。AS-UII 智能机器人的大脑是功2能强大的 M68HC11 单片机。 （3） 执行器机器人的四肢和嘴 执行器一般由电机和机械装置构成。AS-UII 智能机器人的执行器有：两只高性能直流电机，一只声音响亮的喇叭，一个 216 字符的液晶显示器，两只主动轮及其驱动机构，两只导向轮。 因此，AS-UII 智能机器人是一个融合了微

4、电子技术、传感器、通讯技术和计算机技术的光、机、电一体化自动控制系统。 2. AS-UII 智能机器人的智力开发系统交互式 C 语言 硬件决定了机器人的极限潜能，而软件设计的目标就是开发机器人的潜能。交互式 C语言（简称 JC）是用于 AS-UII 智能机器人（基于 M68HC11）的专用开发系统。AS-UII 智能机器人的一切行动功能都通过 JC 编程来控制。 图形化交互式 C 语言使开发 AS-UII 智能机器人的高层行为充满了乐趣和挑战。 二、AS-UII 智能机器人的身体结构二、AS-UII 智能机器人的身体结构 AS-UII 智能机器人的外观如图 3.2 所示。 图 3.2 AS-U

5、II 智能机器人的外观结构图 AS-UII 智能机器人的性能指标： ? 外形：宇宙飞船形，重量为 1kg。 ? 机电系统：高强度 ABS 底盘，两只高性能直流电机，锌合金减速器，两只带缓冲的导向轮，可原地转向。 ? 电池：高能量镍氢电池，智能充电器，可连续运行 3 小时。 ? 传感器：光电编码器，光敏传感器，红外传感器，麦克风，碰撞传感器等。 ? 计算硬件： 68HC11A1 单片机， 32KB 内存， 有较强的计算能力， 16*2 字符显示 LCD。 3? 操作系统：ASOS 多任务操作系统。 身体结构图如下： 前后图 3.3 AS-UII 智能机器人侧视图 后前图 3.4 AS-UII 智

6、能机器人俯视图 三、AS-UII 智能机器人的动力与驱动三、AS-UII 智能机器人的动力与驱动 3.1 AS-UII 智能机器人的动力 AS-UII 智能机器人的动力来源于位于机器人底盘内的电池，电池提供电能，而机器人运动需要的是动能，而将电能转化为动能的是电动机。 以电为原动力产生机械旋转动力的装置叫做电动机。电动机如果是依靠直流电源工作，即称为直流电机。在 AS-UII 智能机器人中，直流电机将轴的旋转运动输入到齿轮箱，然后齿轮箱的输出轴控制轮子转动，从而驱动整个机器人的运动。 直流电机的电压大小影响它的转速和扭矩。 4如图 3.5 所示，直流电机在一定电压下，转速与转矩成反比；如果改变

7、电压，则转速转矩线随着电压的升降而升降。 在 AS-UII 智能机器人负载一定时 （即转矩一定时） ， 降低电压，对应的转速 n1，n2 不同，n1n2，这样就可实现用电机调速。 图 3.5 转矩、转速与电压关系图 图 3.6 不同宽度的方波实现 PWM 控制 在 AS-UII 智能机器人里采用的是改变电机电压的方式来改变电机的转速。 AS-UII 智能机器人提供给电机的信号是方波， 不同的方波它的平均电压不同， 我们就利用这一点来进行机器人的速度控制。采用不同的脉宽调节平均电压的高低，进而调节电机的转速，即脉宽调制（PWM，Pulse Width Modulation） ，如图 3.6 所示

8、。智能机器人通过主板发脉宽调制信号，通过改变脉冲宽度来调节输入到电机的平均电压。 3.2 AS-UII 智能机器人的驱动 AS-UII 智能机器人的驱动采用的是差动驱动方式。差动方式是指将两个有差异的或独立的运动结合成为一个运动。 当我们把两个电机的运动合成为一个运动时， 这就成了差动驱动。 在 AS-UII 智能机器人的底盘， 有两个一样的齿轮头， 每个齿轮头都包括一个直流电机。这样两个直流电机分别独立控制一个驱动轮， 在运行时， 我们可以分别确定两个电机各自的转速，组合起来就能实现机器人的各种运动方式，如直行、转弯等，这就实现了差动驱动方式。 5四、AS-UII 智能机器人的驱动机构四、A

9、S-UII 智能机器人的驱动机构 AS-UII 智能机器人的驱动机构是齿轮箱，齿轮箱由直流电机和减速器组成。电机是AS-UII 智能机器人的能源转换器，将电能转化为动能，减速器是将高速减为低速。AS-UII智能机器人通过三级直齿轮传动减速，以满足机器人运行的速度和转矩。 图 3.7 齿轮箱（左）及其剖面图（右） AS-UII 智能机器人驱动机构驱动的终端是机器人的主动轮。主动轮有两只，因为是主动轮带动整个 AS-UII 智能机器人的运动，所以能力风暴是平面移动机器人，它能够完成向前走，向后转弯，左转，右转，原地打转等这些平地上的技术动作。正因为有驱动机构齿轮箱的存在，AS-UII 智能机器人才

10、可以利用直流电机输出的动力。 机器人的主动轮是具有码盘的轮子， 在码盘上有黑白相间的格子， 这些格子可以轮子内侧的光电编码器识别为高低不同的脉冲信号， 通过信号的读取和计数可以控制轮子走过的距离。 机器人仅靠两个主动轮带动，是难以保持平衡的，AS-UII 机器人还有两只从动轮，通过安置弹簧，它们可以在垂直于地面的方向上上下下移动，保持机器人动态、静态平衡和实现一定的越障功能。 图 3.8 底盘装置的俯视图 6第二节 传感器 第二节 传感器 传感器是一种与人的视觉、听觉、触觉、嗅觉和味觉相对应，能代替人定量地测出感知对象的信息量，并能把被测的信息量转换成电脑能够识别、判断的电信号的装置，因此又称

11、为“电五官” 。传感器大多由半导体器件制成。 AS-UII 智能机器人有红外传感器、光敏传感器、碰撞传感器、麦克风、光电编码器等 5种十几个传感器，并可以根据需要扩展其他传感器，对环境的感知能力相当强。 一、碰撞传感器 一、碰撞传感器 碰撞传感器是使 AS-UII 智能机器人有感知碰撞环上的碰撞信息能力的传感器。在AS-UII 智能机器人的左前、右前、左后、右后设置有四个碰撞开关（常开） ，它们与碰撞环共同构成了碰撞传感器，如图 3.9 所示。碰撞环与底盘柔性连接，在受力后与底盘产生相对位移， 触发固连在底盘上相应的碰撞开关， 使之闭合。 我们把来自四周的碰撞分为八个方向，如图 3.10 所示

12、。 图 3.9 碰撞开关及碰撞环 (a) 碰撞传感器方位 (b) 碰撞开关位置图 图 3.10 碰撞开关的位置 在智能机器人的交互式 C 语言中，碰撞传感器的库函数是 bumper()，在程序运行过程中此库函数仅在被调用到时执行一次， 即采集数据一次。 在 JC 对话窗口中输入如下程序块： while(1) printf(“bump=%bn“,bumper();sleep(0.1); 按回车，JC 能立即编译这一段程序并下载运行，LCD 上显示： 7bump=0000 （表示此时没有碰撞） 按左前碰撞环，LCD 上显示：bump=0010。在其他方向施加碰撞，显示的值将不同。四个基本方向发生碰

13、撞时返回值（二进制）对应关系如下： 右前 左前 右后 左后 0001 0010 0100 1000 四个派生方向发生碰撞时返回值可经过计算得到， 如前方有碰撞时返回值为旁边两个方向的返回值相加：0b0010（左前）0b0001（右前）0b0011（前） ，前方即是 0011（ “0b”是 C 语言中说明二进制常数的前缀） 。其他三个方向同理可得，分别是： 前 后 左 右 0011 1100 1010 0101 到此，碰撞传感器已经能够被用户直接使用。但是，对应于每一个方向的碰撞，用户是怎样得到一个二进制数值的呢？ 在AS-UII智能机器人里，四个碰撞开关接在一个电阻网络里，通过采集模拟口PE3

14、上电压值的变化， 来识别出哪个或哪些碰撞开关闭合， 从而判断出哪个方向有碰撞。 同样， 在VJC 交互信息窗口上方一行编辑框中输入如下程序块： while(1) printf(“PE3=%dn“,analogport(3);wait(0.1); 按回车，JC 能立即编译这一段程序并下载运行，LCD 上显示： PE3=1 (表示此时无碰撞) 图3.11 碰撞传感器的接线图 在各个方向上按压碰撞环，PE3 返回值各不相同，这些值是PE3上电压值通过模数转换得到的结果。它们不直观，也不方便记忆。对此在库函数中进行了变换，将模拟口上采得的电压值变为直观表示各个方位的四位二进制数， 这样就得到了在应用中

15、的对应关系、 计算方式和调用方法。 8图3.12 碰撞传感器的电路图 典型实例： void main() int bumpvalue; /* 定义整形变量*/ while(1) bumpvalue=bumper(); /* bumper（）将返回碰撞检测值*/ printf(“bump=%bn“,bumpvalue); /* 以二进制形式打印出碰撞传感器的检测值*/ sleep(0.5); /*等待0.5秒*/ 运行以上程序，前后左右按碰撞环，可直接从显示屏上读出显示值，显示的数值与碰撞的方位相对应。 二、红外传感器 二、红外传感器 红外传感器能够和人的眼睛一样， 在看见前方的障碍物后， 通知

16、 “大脑” 然后避开。 AS-UII智能机器人运用了两只红外发射管(970nm)和一只红外接收模块构成红外传感系统，如图3.13所示，检测障碍的距离范围为1080cm。用户可以通过调节IRLEFT和IRRIGHT两个电位器来调节左右两个红外的检测距离，顺时针红外发射强，检测距离远，逆时针红外发射弱，检测距离近， 逆时针将电位器旋转到底时将关闭红外线发射管。 主板中的XT2 为38kHz 的晶体，它将红外光发射的调制频率固化在38KHz左右，这是红外接收模块中带通滤波器的中心9频率。 注意强红外线可以穿透塑料， 在机器人的上盖中传播， 造成接收信号始终表现为有障碍。解决办法是在红外发射管上套上黑纸环， 使其侧面不能透出红外线。 同时也要避免地面的反射影响。 红外光发射器 红