科技作品报告

《科技作品报告》由会员分享，可在线阅读，更多相关《科技作品报告（18页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、科技作品报告双足智能避障机器人作者：赵帅王书源李铜张晓龙亓海龙指导老师：孙秀娟二O二年十二月摘要： 本作品利用合理有效的控制电路来控制类似于人体结构的双足机器 人，实现智能化、高精度、快速的对障碍物的检测及规避，使机器人在自 主行驶过程中实现对障碍物的自动规避。同时也为救火机器人、救援机器 人、家务机器人等的避障功能加以优化和改进，更好的实现各种机器人服 务人的功能。该作品具有功耗低、速度快等特点，具有广阔的前景和推广 应用价值。关键词：双足；高性能微控器；避障；红外发射接收技术；自动调节1. 引言近年来，由于智能移动机器人在人类生活的各个方面显示了越来越广 泛的应用前景，使得它成为了国际机器

2、人学的研究热点。对于具有一定智 能性的机器人，需要能够自动避障，自动识别，并且具有一定的通信能力 把所需要的信息能够实时传输到信息终端。考虑到服务机器人，需要在不熟悉家庭环境的情况下，自动避开障碍物，实时采集数据，实现对环境的 监控，把环境的信息变换成数据，发送到信息终端，从而减少人的工作。避障技术一方面需要传感器采集数据，另一方面需要根据这些数据来 判断环境当前的状态以及障碍物的信息，从而完成自动避障工作，这方面 的研究工作就显得特别突出。对于自动避障技术，传感器的数目越多，反 应环境数据就越全面，但是成本也相对会增加；采用扫描技术，通过电机 来带动传感器，扫描周围环境，把环境数据读入到移动

3、机器人，这可以在 一定程度上节约成本，但是需要比较好的算法处理读入的数据，对数据进 行分析，从而对下一步的动作做决策。这样可以相对减少成本。1.1 国内外双足智能避障机器人的现状目前已实现的智能机器人，避障行驶速度较慢，灵活性、适应性 不够好；多传感器融合技术上的欠缺，导致避障失误率较高。目前针 对于智能机器人的避障算法主要有可视图法，栅格法，人工势场法， 模糊逻辑算法，遗传算法等。这些算法都有相应的缺陷。可视图，栅 格法要求知道大量的环境信息，很难处理动态障碍物且比较刻板。人 工视场法可能进入局部最优而死锁。模糊逻辑算法对规则的正确性过 分依赖，且有很多的规则可能.（查看更多）会有针对性等。

4、遗传算法则 计算过多过大使得反应很慢。而避障导航算法是整个机器人适应性、 反应速度、灵敏性的关键之一。所以一个好的避障导航算法对于智能 移动机器人是不可或缺的。现行的避障机器人各式各样，但都是块头比较大，行走起来动作 比较慢，无法满足快速安全的避障。现行的避障机器人多采用微处理器或单片机作为电路的核心，譬 如以 AT89SC51/52、AVR 或者 PIC 等作为整个机器人的硬件核心， 以算法作为软件核心，以单片机仿真、编程作为基础。这些产品多以 超声波传感器作为探测传感器，也有采用微动开关的。这样一来，机器人的成本就比较高。机器人本体的机械结构设计多采用多个舵机并且重心比较高或者 体格比较大

5、，这样就不利于机器人实现速度快、精度高，结构合理、 动作灵活的智能避障动作的要求。智能机器人是高科技前沿领域技术。对弈国际象棋大师卡棋帕罗夫的 “深蓝II” ；智能灭火机器人；大学生智能机器人竞赛项目ROBOCUP、 FIFA 等机器人足球赛，涉及多机器人的动作协调、系统控制等前沿课 题，是世界各国机器人发展水平的较量；胡夫金字塔行走者机器人、 火星探测机器人。国内公安部防爆机器人灵蜥B、我国第一条机器人 自动喷漆生产线东风汽车喷漆生产线；智能侦察机器人，机器鱼 等。日本.（查看更多）和欧美国家将教育智能机器人作为培养学生动手 能力、计算机应用能力和创新思维的学习工具。汽车智能识别与防撞 技术

6、，已广泛融合在人工智能和电子信息技术中。开展智能机器创新 制作，制作会避障的机器人、智能足球机器人、寻迹机器人，整合电 子信息、机械制造、传感器应用、计算机软硬件和智能识别等先进技 术，体现高科技领域发展，是电子信息实践活动中的重要知识内容， 适应智能汽车应用技术的需求。制作智能避障机器人，是挑战杯提倡 的创新意识、创新精神和创新活动理念的体现。1.2 双足智能避障机器人简介本系统是基于ARM控制器为基础，设计实现了用红外发射接收传感 器接收数据，并对所采集数据进行判断、分析，判断是否遇到障碍，碰到 障碍可控制语音系统进行报警并伴有灯光的闪烁，同时打开控制系统进行 调整，实现对机器人位置的有效

7、控制。本系统的障碍物识别距 离:0 42cm ;前视宽度：8cm ;行走速度：0.5m/s。本系统主要包括 硬件设计和软件设计两部分，硬件设计主要包括电路功能模块化，以 ARM 控制器作为检测和控制核心，用红外发射接收传感器，显示电路的设计， 报警电路的设计。软件设计采用c语言编程，程序代码简单易懂容易实现。2. 硬件电路的设计2.1 硬件选型2.1.1 单片机的选择ARM7TDMI核，是从最早实现了 32位地址空间编程模式的ARM6核发展 而来的，可稳定地在低于5V的电源电压下可靠地工作。增加了 64位乘法 指令、支持片上调试、Thumb指令集和EmbeddedICE片上断点和观察点。 AR

8、M7TDMI是ARM公司最早为业界普遍认可且得到了广泛应用的核，特别是 在手机和PDA应用中。随着ARM技术的发展，它已是目前最低端的ARM核。ARM7TDMI处理器区别于其他ARM7处理器的一个重要特征是其独有 的称之为Thumb的架构策略。该策略为基本ARM架构的扩展，由36种基于 标准32位ARM指令集、但重新采用16位宽度优化编码的指令格式构成。 由于Thumb指令的宽度只为ARM指令的一半，因此能获得非常高的代码密 度。当 Thumb 指令被执行时，其 16 位的操作码被处理器解码为等效的 32 位标准ARM指令，然后ARM处理器核就如同执行32位的标准ARM指令一样 执行 16 位

9、的 Thumb 指令。也即是 Thumb 架构为 16 位的系统提供了一条获 得32位性能的途径。ARM7TDMI 内核既能执行 32 位的 ARM 指令集，又能执行 16 位的 Thumb 指令集，因此允许用户以子程序段为单位，在同一个地址空间使用Thumb指令集和ARM指令集混合编程，采用这种方式，用户可以在代码大小 和系统性能上进行权衡，从而为特定的应用系统找到一个最佳的编程解决 方案。由图2.7我们可以看出ARM7TDMI主要由三部分构成：调试部分、总线 分割和 ARM7TDMI 的处理器核。ilOPC nEW luIASlfil nTELAi-TS fJi.iIEE QApl:O王

10、e UP1ItlI日 jg -FlAt-TGELiUTO* EJUIGEOUTI-*ISeal chain 0Dp 1:0DINfSlOlDLiUT31:OAEM7TDM(CPU con)En.HddH.UCE-RTLngic=All utlLerSigtuilsTAP curilrullerT SCEELt3:0亠 Ep:UmpsMp：o图一 ARM7TDMI 芯片2.1.2 通信接口芯片的选择由于控制系统与红外发射接收传感器间的距离较短，在 15m 以内，且 采用串行通信有成本低廉的优点，故采用RS-232-C接口进行数据通信，该 接口设计简单，易于实现。接口有良好的电气特性，在RS-23

11、2-C中任何一 条信号线的电压均为负逻辑关系。即:逻辑T” -515V;逻辑“0” +5+15V。噪声容限为2V。即要求接收器能识别低至+3V的信号作为逻辑“0”，高到-3V的信号作为逻辑“1”。另外，接口的物理结构也决定了通 信可以采用价格低廉的屏蔽双绞线，RS-232-C接口连接器一般使用型号为 DB-25的25芯插头座，通常插头在DCE端,插座在DTE端。一些设备与PC 机连接的RS-232-C接口，因为不使用对方的传送控制信号，只需三条接口 线，即“发送数据”、“接收数据”和“信号地”。所以采用DB-9的9芯插 头座，传输线采用屏蔽双绞线。V+C2+C1C2-C1-V-1二LlOuP3

12、6二LlOuP912在控制系统与上位机之间进行通信时，由于传输距离更长，RS232的短 距离传输已经无法满足通信的要求，这是需要用适用于长距离传输的MAX485芯片。MAX485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的 能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV的电压，故传输 信号能在千米以外得到恢复。MAX485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。485总线用 于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。应用485 总线 可以联网构 成分布式系统，其允许最多并联32 台驱动器和 32 台接收器。ROBEEDEADI2DGKD

13、图三 MAX485 内部电路图2.1.3 无线射频编码，解码芯片的选择PT2272是一款用以解码的芯片，编码芯片PT2262发出的编码信号由： 地址码、数据码、同步码组成一个完整的码字，解码芯片PT2272接收到信 号后，其地址码经过两次比较核对后， VT 脚才输出高电平，与此同时相应 的数据脚也输出高电平，如果发送端一直按住按键，编码芯片也会连续发 射。当发射机没有按键按下时,PT2262不接通电源，其17脚为低电平，所 以315MHz的高频发射电路不工作，当有按键按下时,PT2262得电工作，其 第17脚输出经调制的串行数据信号，当17脚为高电平期间315MHz的高频发射电路起振并发射等幅

14、高频信号，当17脚为低平期间315MHz的高频发 射电路停止振荡，所以高频发射电路完全收控于PT2262的17脚输出的数 字信号，从而对高频电路完成幅度键控（ASK调制）相当于调制度为100% 的调幅。VDDDATA OUTCSC1IEAll.DA10D10ASD8A5D5AT：rr?Vss2.2 系统的硬件设计在硬件电路的设计当中遵守硬件设计的基本原则，包括：尽可能选择 典型电路，并符合单片机常规用法，为硬件系统的标准化、模块化打下良 好的基础；充分考虑到单片机的兼容性和可扩展性；硬件电路的设计应充 分考虑到软件设计，使得软件设计更加的方便简单，有利于更好的节约硬 件资源，同时考虑到能用软件

15、设计实现的尽量应用软件实现，以尽可能的 节约硬件资源；可靠性及抗干扰设计是硬件设计必不可少的一部分，这其 中包括芯片、器件选择、去耦滤波、印刷电路板布线、通道隔离等；单片机外围电路较多时，必须考虑其驱动能力，驱动能力不足时，系统工作不 可靠，通过增设线驱动器增强驱动能力或减少芯片功耗来降低总线负载； 充分考虑到系统的成本问题，尽量的将系统的成本降低到最低限度，应尽 可能的考虑一些成本低但功能好的电路；成本允许的情况下，尽可能选择 集成芯片，不仅增加可靠性，而且使用起来很简单。本系统在充分考虑了硬件设计的基本规则之后，给出了系统的硬件设 计。系统的硬件设计电路主要包括系统供电电源的设计，单片机外围电路 的设计，红外传感器调理电路的设计，通信接口的设计等部分。如图是硬 件电路的总体设计框图。图六 系统硬件电路原理框图2.2.1 供电电源的设计该系统所用供电源电路采用T8系列变压器将220V交流电压转换为12V 电压，然后经过整流器整流，经过电容将高次谐波滤去，用H1低次谐波滤 去，后经过MC7805T稳压芯片进行稳压,再经过电容和H2共同作用将MC7805 输出的电流中含有的高次和低次谐波滤去，得到较为稳定的直流电压，再 经过稳压二极管D2得到+5V的直流电压，为系统提供供电电源。本系统采 用的MC780