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1、安防机器人的设计与制作摘要 本设计是一台智能化的移动监控机器人，它主要包括移动机器人和主控台两大部分，能够实现防盗监控，温度监视，火灾报警等功能。该机器人能够自主移动，也可以通过主控台遥控机器人的动作。本设计以单片机MTC89C52RC为中央控制核心，采用彩色CCD摄像头UM-800C采集图像，反射型红外光电开关RMF-DU10检测障碍物，两个直流减速电机为主要动力驱动，采用DF数据发射、接收模块实现数据的无线传输，采用四频道无线微波影音传输模块无线传输视频，可以实现远程视频监控.本设计的特色是改变了现有监控系统的单一固定形式，大大提高了监控的灵活性和实时性，不存在监控死角。开启机器人的自动巡
2、逻功能后，机器人可以自动按照设定的路线巡逻，途中遇到障碍物时能够自动识别并绕过障碍物,并且还可以实时摄像。此外本机器人监控系统不需另外架设线路，适应性强，即投即用，简单、方便、经济、可靠。目 录安防机器人的设计与制作12设计任务32.1基本要求32.2发挥部分33可行性分析43.1机器人的可行性方案43.2障碍物检测43.3动力及转向系统53.4电源系统54总体设计55硬件设计65.1STC89C52RC的最小系统电路图：65.2带有红外光探照灯的CCD摄像头的设计75.3直流电机驱动设计75.4云台的控制105.5无线遥控发射接收模块156软件设计196.1机器人主程序控制流程图196.2自
3、动避障算法及程序控制196.3串口通信参数设置206.4实时监控216.5实时报警217功能测试与性能调试227.1功能测试227.2性能调试228结束语221引言近年来，随着智能机器人技术的迅速发展，智能机器人的应用领域正在不断地扩大。并且，随着人们生活质量的日益提高，智能机器人已经开始进入了家庭服务行业。由智能型家庭服务机器人代替人来完成清洁卫生、物品搬运、家电控制、家庭娱乐、病况监视、儿童教育、报时催醒、电话接听等各种家务劳动，不仅是一项极具应用前景的高新技术行业，而且也是智能机器人目前研究的一个重要热点。另一方面，世界各国的老龄化问题也更进一步地加剧了对智能型家庭服务机器人的需求。例如
4、，目前在加拿大已有3，800，000以上人的年龄超过65岁，在德国超过82，000，000人的年龄在60岁以上，分别占该国人口的12.43%和22%，而且近年来还有加重趋势。在中国专家预言到2010年中国独生子女和老龄化问题将更加严重。国际上较早开展安防机器人研究的是美国与前苏联，稍后，英国、日本、法国、德国等国家也纷纷开始研究该类技术。我国大约有30家左右的高等院校和研究院在从事各类机器人的研究工作，在40多年来，已在机器人的各方面取得了可惜的成就，某些产品技术已接近国际先进水平。因此，家庭服务机器人将在许多以老弱、病残、独子为主的家庭中占据一席之地。此外，以防盗监测和电及煤气安全检查为主要
5、内容的家居智能安防系统在我国发展迅速，近几年的增长速度达到1520，家居智能安防业已经形成了一个巨大的市场。为此，我们将家庭服务机器人与家居智能安防系统结合在一起，利用家庭服务机器人的机动性和自律能力来实现家居智能安防系统的功能，以便更有效地完成家庭服务和家居安防。2设计任务本设计的主要任务是在设计并制作一个可以移动监控的人形机器人。2.1基本要求1）机器人可以前进，后退，转弯等基本动作，并具有多自由度的手臂(自由度4)。2）具有图像，温度，湿度，火灾，防盗的监控功能，处于监控模式时，发现不法分子闯入时发出恐吓声音警报，发现温度湿度不在正常范围内发出语音提示，并自动开启空调调节室内温度湿度。发
6、现可燃气体泄漏时及时发出语音警报并关闭燃气总阀门。当主人不在家时，能及时通过手机短信通知主人。3）可以遥控控制机器人的移动，可以舞蹈供主人娱乐。4）主人可以通过手机发短信控制机器人做些规定好的任务，如喂宠物，开空调等。5）机器人可以设置为巡逻监控模式，此模式下机器人能够按照设定的线路巡逻，并能识别障碍物，行驶过程中时能够自动饶过障碍物，实现自主移动监控。2.2发挥部分1）防盗报警，温度湿度调节，可燃气体报警，并及时关闭燃气总阀门。2）通过短信的方式，把家中的情况告知主人。3）可以通过手机发短信控制机器人做些规定好的任务，如喂宠物，开空调等。4)其它。3可行性分析3.1机器人的可行性方案1）采用
7、笔记本计算机控制，编程灵活，多种软件均可实现。2）采用单片机控制，处理速度相对较低，但成本低廉。3）采用输出标准TV视频信号的彩色CCD摄像头，可以直接配合使用无线视频发送器，且这种摄像头价格低廉；另配以大功率无线视频发送模块实现视频图像的采集。决策方案：采用单片机作为控制器，本设计本着降低成本的原则设计。3.2障碍物检测可行性方案：1）采用红外线反射管，反映灵敏，可靠性高，缺点是探测距离较近，一般在5cm以内。2）采用反射型红外光电开关，探测距离可调，一般可以检测40cm以内的障碍物。其工作原理是根据红外发光管发出的光束，遇到障碍物时发生漫反射，红外接收管收到信号由同步回路选通而检测到障碍物
8、，其障碍物不限于金属，对所有能反射光线的物体均能检测。光电开关RMF-DU10操作简单，使用方便。当有光线反射回来时，输出低电平。当没有光线反射回来时，输出高电平。3）采用超声波传感器，超声波传感器的原理是：超声波由压电陶瓷超声波传感器发出后，遇到障碍物便反射回来，再被超声波传感器接收。然后将信号放大后送入单片机。超声波传感器在避障的设计中被广泛应用。但是超声波传感器需要40KHz的方波信号来工作，因为超声波传感器对工作频率要求较高，偏差在1内，所以用模拟电路来做方波发生器比较难以实现。而用单片机来作方波发生器未免有些浪费资源。决策方案：采用方案2， 机器人可以原地转圈，在40cm内检测到障碍
9、物，可以自由绕过去，比方案3经济，简单。3.3动力及转向系统机器人需要前进、后退、转向以及机械手臂的动作，完成这样的动作需要多个电机才能实现。驱动电机的可选方案：1）使用带有减速器的直流电动机，采用控制器调速。2）使用步进电机，能够精确控制位移量，可实现机器人精确定位行使。3）采用伺服电动机，转速稳定可靠且调速方便。4）采用舵机控制，可以精确控制角度。决策方案：从可行性分析，机器人没有必要要精确定位行使，从经济角度考虑，直流电机的成本较低，因此驱动电机采用带有减速器的直流电动机。机械手臂采用大扭力舵机控制，动作精度高。3.4电源系统电机驱动系统要求大功率的电源供应，因此电源系统应具有低内阻、大
10、电流输出的性能。电机驱动器在工作时会产生大量的电脉冲和干扰信号，会使电源的产生纹波，而处理器和一些传感器电源质量要求较高。因此，为保证机器人的可靠运行，采用动力系统与控制系统单独供电的方法。为了节约成本，同时在环境也许的条件下，我们采用直流稳压电源对电机进行供电，通过USB转TTL串口线对单片机进行供电。这种供电方式有两种好处，由于直流稳压电源中的电源大小可以调节和控制，所以可以很方便地选择输出电压的大小；通过USB转TTL串口线对单片机进行供电，可以简化电路。 4总体设计机器人系统主要由中央处理器、传感器系统、驱动及转向系统、无线数据传输系统、电源系统组成。传感器系统中央处理器驱动及转向系统
11、电源系统无线数据传输系统主机监控系统5硬件设计5.1STC89C52RC的最小系统电路图： 通过USB转TTL串口线与电脑实现连接，并且还可以给单片机供电。5.2带有红外光探照灯的CCD摄像头的设计名称：彩色CCD摄象机型号：UM-800C信号制式：PAL工作电压：+8V+12V DC工作环境：-10+50 彩色CCD摄象机图像显示设备可以采用彩色电视机，将CCD摄像头输出的标准TV视频信号通过同轴电缆输入到电视机的视频输入端，即可以看到监控的图像。也可以在电脑上安装一块视频数据采集卡，然后安装驱动软件，就可以通过电脑显示监控的图像了。本设计通过编写的视频采集软件，实现了视频图像的显示，拍照保
12、存，录像保存等功能。 5.3直流电机驱动设计驱动电路的性能很大程度上影响整个系统的工作性能。有许多问题需要慎重设计，例如，导通延时、泵升保护、过压过流保护、开关频率、附加电感的选择等。1)开关频率和主回路附加电感的选择 力矩波动也即电流波动，由系统设计给定的力矩波动指标为I/IN，对有刷直流电动机而言，通常在(510)%左右。为了便于分析可认为 I/IN=I/(Us/Rd) (1) 式中Rd为电枢回路总电阻。代入前面各种驱动控制方式的I表达式中，消去Us，可求出： 对于单极性控制 &nbs p; Ld/Rd5T2.5T(可逆或不可逆) (2) 对于双极性控制 Ld/Rd10T5T （3） 式中
13、T为功率开关的开关周期。 对于有刷直流电动机，电磁时间常数Ld/Rd一般在10ms至几十毫秒。若采用GTR，开关频率可取2KHz左右，T=0.5ms。若采用IGBT，开关频率可取18KHz以上，所以上式均能满足。若采用GTO或可控硅功率器件，由于工作频率只有100Hz左右，此时应考虑在主回路附加电抗器，且 Ld=Lf+La (4) 对不可逆系统还应进一步检查临界电流，IaL=UsT/8LdIa0应小于电机空载电流，防止空载失控。 对于低惯量电机、力矩电动机，由于电磁时间常数很小（几个毫秒或更小），此时应考虑采用开关频率高的IGBT功率开关器件。 2)功率驱动电路的选择 图1 H桥开关电路();
14、 图2 H桥开关电路() 小功率驱动电路可以采用如图1所示的H桥开关电路。UA和UB是互补的双极性或单极性驱动信号，TTL电平。开关晶体管的耐压应大于1.5倍Us以上。由于大功率PNP晶体管价格高，难实现，所以这个电路只在小功率电机驱动中使用。当四个功率开关全用NPN晶体管时，需要解决两个上桥臂晶体管(BG1和BG3)的基极电平偏移问题。图2中H桥开关电路利用两个晶体管实现了上桥臂晶体管的电平偏移。但电阻R上的损耗较大，所以也只能在小功率电机驱动中使用。（由于本次使用的电机功率较小，所以不考虑大功率的驱动电路 ）3) 防直通导通延时电路 对H桥驱动电路上下桥臂功率晶体管加互补信号，由于带载情况
15、下，晶体管的关断时间通常比开通时间长，这样，例如当下桥臂晶体管未及时关断，而上桥臂抢先开通时就出现所谓“桥臂直通”故障。桥臂直通时电流迅速变大，造成功率开关损坏。所以设置导通延时，是必不可少的。图6是导通延时电路及其波形。导通延时，有时也称死区时间，可通过RC时间常数来设置；对GTR可按0.2s/A来设置；对MOSFET可按0.10.2s设计，且与电流无关，IGBT可按25s设计。举例说明，若为GTR，f=5kHz，双极性工作，调宽区域为T/2=1/10=0.1ms。若I=100A，则t=0.2X100=20s，则PWM调制分辨率最大可能性为 (T/2)t=0.1/0.02=5 (5) 这说明死区时间占据了调制周期的1/5，显然是不可行的。所以对于100A的电机系统，GTR的开关频率必须低于5kHz。例如，2kHz以下，此时分辨率达12.5左右。 驱动电路的设计还有很多问题，例如过压、过流、过热、泵升保护等等。 5.4
