基于單片機的多功能智能機器人設計

0 引言

隨著(zhù)控制技術(shù)、計算機技術(shù)、信息處理技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，智能機器人無(wú)論是在工業(yè)領(lǐng)域還是消費電子領(lǐng)域都已經(jīng)扮演了非常重要的角色，已成為人工智能研究和發(fā)展的熱點(diǎn)之一。在語(yǔ)音控制機器人領(lǐng)域，有研究表明已成功地將連續隱馬爾可夫模型（CHMM,Centrifugal Pump based onContinuous Hidden Markov Model）模型應用于定點(diǎn)數字信號處理器（DSP, Digital Signal Processor）上，并實(shí)現了對機器人的語(yǔ)音控制。關(guān)于傳感測距方面，使用多傳感器快速測量智能機器人與障礙物之間距離的方法，使機器人不僅具備語(yǔ)音識別功能，而且能實(shí)現智能避障。而關(guān)于家用室內機器人的應用也有相關(guān)研究，文獻[4]探究了一種通用并有效的智能移動(dòng)機器人嵌入式控制平臺，并設計了一套能滿(mǎn)足要求的低成本的機器人定位系統以及自動(dòng)充電系統。這里設計的移動(dòng)音樂(lè )機器人即屬于智能機器人范疇，該音樂(lè )機器人集多種功能于一體，不但有陪人玩耍的娛樂(lè )功能還有保護家庭安全的安防功能。

1 總體方案設計

該移動(dòng)音樂(lè )機器人以英飛凌16 位單片機XE162FN 處理器為核心，英飛凌開(kāi)發(fā)的16/32 位微控制器具有高度系統集成、無(wú)需外設附加器件及相關(guān)軟件開(kāi)銷(xiāo)、提供系統安全和故障保護機制等功能。藍牙（Blue tooth）是一種全球開(kāi)放性的、低成本的無(wú)線(xiàn)通信規范。另外，由于藍牙具有傳輸距離遠，抗干擾能力強、功耗低、傳輸速率高的優(yōu)點(diǎn)，設計采用了藍牙無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，設計主體為一輪式移動(dòng)小車(chē)機器人，擁有跟隨主人行走、播放音樂(lè )、遙控運行、彩燈隨拍手頻率閃爍以及家庭安防等多項功能。機器人的移動(dòng)采用驅動(dòng)直流電機帶動(dòng)輪子轉動(dòng)實(shí)現，跟隨主人行走的功能由紅外發(fā)射與接收來(lái)判斷主人手中的手持設備和移動(dòng)音樂(lè )機器人之間的方位，進(jìn)而驅動(dòng)機器人跟隨主人行走。無(wú)線(xiàn)遙控運行由藍牙通信實(shí)現。在安防功能上，該移動(dòng)音樂(lè )機器人配備了典型的用于檢測火災的煙霧傳感器，并且如果檢測到有煙霧或者煤氣泄露時(shí)，本地聲音報警以及通過(guò)GSM 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )控制短信發(fā)送模塊發(fā)送報警短信給指定的手機號碼。GSM 網(wǎng)絡(luò )是在蜂窩系統的基礎上發(fā)展而來(lái)的一種無(wú)線(xiàn)數字網(wǎng)絡(luò )標準，具有網(wǎng)絡(luò )容量大、業(yè)務(wù)種類(lèi)齊全、信號穩定性強、具有較高的保密性和安全性以及靈活的切換處理和自動(dòng)漫游功能等眾多優(yōu)點(diǎn)。在手持設備的設計上，配備了一塊320*240 的觸摸屏以實(shí)現直觀(guān)方便的無(wú)按鍵遙控控制，以及一個(gè)加速度傳感器感知傾斜角度從而控制機器人運動(dòng)。綜上所述，系統的結構框圖如圖1 和圖2 所示。

圖1 系統移動(dòng)機器人部分結構框

圖2 系統手持設備部分結構框

系統的各部分之間的數據通訊如圖3 所示。

圖3 系統各部分間的通訊

2 硬件設計

由于系統的功能較多，硬件部分則主要介紹一些關(guān)鍵部分的硬件設計。

系統的智能跟隨功能是通過(guò)紅外實(shí)現的，音樂(lè )機器人上的紅外接收器感知到紅外線(xiàn)時(shí)，會(huì )追蹤紅外發(fā)射源，感知不到時(shí)，會(huì )原地旋轉重新搜索紅外發(fā)射源，直至重新定位方向。紅外發(fā)射源是由10 個(gè)紅外發(fā)射管組成，將10 個(gè)紅外發(fā)射管均勻擺放在一個(gè)球體表面，使得紅外發(fā)射源可以向四面八方輻射紅外線(xiàn)，保證音樂(lè )機器人更加快速準確地尋找到紅外發(fā)射源。紅外發(fā)射管發(fā)射的載波頻率為38 kHz 占空比為50%的方波。紅外的發(fā)射和接收電路如圖4所示，10.0 連接一個(gè)普通I/O 引腳，控制紅外線(xiàn)的通斷，即接通4 ms,然后關(guān)斷11 ms,反復進(jìn)行接通與關(guān)斷。10.3 連接一路PWM 方波，方波的頻率是38 kHz.一共有10 路紅外發(fā)射管。

紅外接收裝置采用2 個(gè)紅外接收器1838,分別安裝在音樂(lè )機器人的頭部和尾部。兩個(gè)接收器的輸出引腳分別連接單片機的10.2 和10.7 引腳。紅外接收器1838 對38 kHz 頻率的紅外線(xiàn)敏感，所以紅外接收器1838 可以檢測到紅外發(fā)射源的方位，從而驅動(dòng)電機向紅外發(fā)射源的方向前進(jìn)。

圖4 智能跟隨紅外發(fā)送接收電路

拍手彩燈功能的實(shí)現主要分為拍手信號的捕獲和彩燈的旋轉點(diǎn)亮，彩燈的旋轉點(diǎn)亮較為簡(jiǎn)單，但拍手信號捕獲上由于拍手產(chǎn)生的信號不是標準的階躍信號，當用示波器進(jìn)行波形的觀(guān)察時(shí)，實(shí)際上波形在上升沿和下降沿的地方出現比較多的毛刺，也就是說(shuō)一次拍手信號產(chǎn)生了多次階躍信號。如果單片機記錄2 次上升沿的時(shí)間間隔時(shí)，由于毛刺的存在，使得單片機錯誤的將毛刺當做上升沿而捕捉，造成兩次上升沿的時(shí)間間隔的變小。解決的辦法是利用包絡(luò )檢測電路進(jìn)行包絡(luò )檢測，再通過(guò)電壓比較器選取合適的比較電壓值，從而產(chǎn)生比較理想的階躍信號，即一次拍手產(chǎn)生一次階躍信號。