SPCE061A的教育機器人硬件平臺設計

當今機器人技術(shù)發(fā)展如火如荼，其應用已在包括國防等眾多領(lǐng)域得到廣泛開(kāi)展，工業(yè)自動(dòng)化，神五、神六升天，無(wú)人探月飛船……無(wú)不得益于機器人技術(shù)的迅猛發(fā)展。從某種意義上說(shuō)，機器人技術(shù)水平反映著(zhù)一個(gè)國家的綜合技術(shù)實(shí)力的高低。

另外，國家對學(xué)生素質(zhì)教育重視程度不斷提高，教育部最新頒布的《信號技術(shù)課程標準》已將智能機器人技術(shù)列為中學(xué)信息技術(shù)課程中的教學(xué)內容，廣大中小學(xué)生和教師都渴求一種支持和激發(fā)學(xué)生創(chuàng )造性思維、寓教于樂(lè )的智能教育機器人平臺，而在工業(yè)、醫療、軍事領(lǐng)域的智能機器人造價(jià)昂貴，不宜中小學(xué)生學(xué)習使用，在這種背景下，我們研制開(kāi)發(fā)了一種具有較高性?xún)r(jià)比的嵌入式教育機器人通用平臺，定位于中小學(xué)信息技術(shù)課程教學(xué)、課外科普教育活動(dòng)以及相關(guān)競賽。該系統的核心是以智能小車(chē)為載體的基于spce061a微控制器的嵌入式控制平臺及編程環(huán)境，在該機器人平臺上配有各種傳感器（紅外、超聲和光敏等）和驅動(dòng)電機接口，用戶(hù)可在pc機的編程環(huán)境中完成控制及算法程序的編寫(xiě)，通過(guò)通信接口下載到機器人平臺上。

1 機器人硬件平臺的研制

本設計以凌陽(yáng)spce061a微控制器為核心，通過(guò)紅外和光電等各種傳感器采集外部數據，利用pwm技術(shù)實(shí)時(shí)調整小車(chē)的速度和方向，實(shí)現小車(chē)尋跡、尋找光源、躲避障礙物、入庫等自動(dòng)控制。系統框圖如圖1所示，車(chē)上裝載的各種傳感器通過(guò)后向反饋通道將信息不斷傳遞給車(chē)載微控制器，微控制器通過(guò)前向控制通道實(shí)時(shí)調整小車(chē)的行車(chē)狀態(tài)，從而構成閉環(huán)控制系統。

1.1 spce061a

spce061a是凌陽(yáng)推出的μ′nsp（microcontroller and signal processor）16位微控制器，其結構框圖如圖2所示。該控制器資源豐富，具有極高的性?xún)r(jià)比，它內置32k字flash，2k字sram，cpu時(shí)鐘最高達49.152m赫茲，32位i/o端口，2路d/a轉換，8路a/d轉換，14個(gè)中斷源以及可在線(xiàn)仿真等，使得spce061a的工控能力非常強，可很容易地實(shí)現機器人的控制，另外，它采用cmos制造工藝，同時(shí)增加軟件激發(fā)的弱振方式，空閑方式和掉電方式，極大地降低其功耗，并能在低電壓供電（最低至2.4v）時(shí)正常工作，這對機器人對電源的要求有著(zhù)特殊的意義。

圖3為智能小車(chē)機器人平臺電路原理框圖。它由spce061a和紅外避障、自動(dòng)泊車(chē)、尋線(xiàn)、超聲測距、碼盤(pán)測速和電機驅動(dòng)等功能模塊組成。

1.2 功能模塊

（1）紅外避障

紅外發(fā)射電路如圖4（a）所示，d1是紅外發(fā)射管，控制信號由spce061a的i/o端口發(fā)出。

紅外接收電路如圖4（b）所示，u1是一種紅外接收模塊，采用韓國kodenshi公司的ksm－603lm，其接收頻率為37.9k赫茲，它直接將37.9k赫茲的調制信號解調為基帶信號，提供給接收的單片機，該芯片接收靈敏度高，性能穩定，其基本工作過(guò)程為：當接收到37.9k赫茲信號時(shí)，輸出低電平，否則，輸出高電平，為了實(shí)現紅外障礙物判斷，必須控制紅外響應的范圍，其方法無(wú)外乎控制通過(guò)紅外發(fā)射管的電流和發(fā)射頻率，因為紅外接收模塊有帶通濾波器，所以，如果發(fā)射頻率偏離接收頻率越遠，則紅外接收效果越差，在這里，用軟件的方式控制發(fā)射頻率來(lái)控制紅外發(fā)射響應的范圍。

（2）自動(dòng)泊車(chē)

在小車(chē)的前端放置3個(gè)靈敏度較小的光電池，加上一定的聚光措施，將測得的模擬電信號輸入到spce061a的adc端口，由于光源的功率一般較大，為避免小車(chē)來(lái)回擺動(dòng)，通過(guò)a/d轉換后的模糊比較，及時(shí)調整小車(chē)前進(jìn)方向，使小車(chē)沿光源方向行進(jìn)，如圖5所示。

（3）尋跡

尋跡一般采用2.2cm寬的白線(xiàn)，在車(chē)前端下面間隔2cm左右放置6個(gè)反射式光電檢測開(kāi)關(guān)，實(shí)時(shí)計算采集的信號，運用模糊算法調整跟蹤白線(xiàn)。

（4）超聲測距

超聲探測模塊主要由超聲波發(fā)生電路和超聲波接收電路組成，其基本原理很簡(jiǎn)單，一般采用時(shí)差法，即通過(guò)檢測發(fā)射的超聲波與其遇到障礙物后產(chǎn)生回波之間的時(shí)間δt，求出障礙物的距離d。計算公式為：

式中：為超聲波速度，θ為環(huán)境溫度，單位為攝氏度，其詳細電路和說(shuō)明見(jiàn)參考文獻[1]。

（5）碼盤(pán)測速

常用的碼盤(pán)測速機構一般比較復雜，制造也比較麻煩，筆者使用一種簡(jiǎn)易的碼盤(pán)模擬方法實(shí)現測速：打印出黑白相見(jiàn)的環(huán)形紙張，粘貼固定車(chē)輪內環(huán)。其工作原理為：tcrt1000發(fā)射紅外線(xiàn)，由于黑、白兩種顏色對紅外的吸收不一而反射輸出相反的電平，實(shí)現脈沖計數，從而計算出的小車(chē)行駛速度，該方法精度可達毫米級，并可通過(guò)控制打印黑白個(gè)數，調節精度。此方法缺點(diǎn)之一是對環(huán)境光線(xiàn)要求較高，但對于教育機器人精度，此法是簡(jiǎn)單可行的。圖6為采用tcrt1000構成的簡(jiǎn)易碼盤(pán)測速機構。

（6）驅動(dòng)電路

目前輪式機器人平臺多采用前后輪分別控制的方式，普通直流電機驅動(dòng)后輪提供動(dòng)力，步進(jìn)電機驅動(dòng)前輪調整方向。這種方式的驅動(dòng)機構復雜，控制算法也比較復雜，并且轉向不夠靈活，圖7選用左右輪分別控制小車(chē)的方案，各用一個(gè)普通直流電機控制小車(chē)的左右輪，通過(guò)左右輪速度的調節即可實(shí)現轉向，控制非常方便，還可實(shí)現原地轉動(dòng)。

驅動(dòng)電路的選擇也是非常重要的，通常選用的驅動(dòng)電路是由晶體管控制繼電器來(lái)改變電機的轉向和進(jìn)退。這種方法適用于大功率電機的驅動(dòng)，但對于中小功率的電機則極不經(jīng)濟，因為每個(gè)繼電器要消耗20－100ma的電流。還可以使用組合三極管/mosfet管的方法，但比較麻煩，電路也比較復雜，筆者采用集成電路的驅動(dòng)方法，極大增強了電路可靠性和簡(jiǎn)明性。

選用sgs公司的恒壓恒流橋式驅動(dòng)芯片l293，其內部包含4通道邏輯驅動(dòng)電路，額定工作電流為1a，最大可達1.5a，vss為集成芯片工作電壓，電壓最小為4.5v，vs為輸出給電機的電壓，最大可達36v，vs電壓必須比vss電壓高。由l293構成的電機驅動(dòng)電路如圖8所示。

直流電機轉速采用spce061a兩路pwm控制輸出電壓，通過(guò)編程使占空比以1/16的最小間隔在1/16－14/16間變化，以實(shí)現速度的調節。

1.3 系統整體實(shí)現

以spce061a為核心的教育機器人硬件平臺，功能齊全，外圍電路簡(jiǎn)單，可維護性強，其軟件編程采用c語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程實(shí)現，極大程度地簡(jiǎn)化了編程過(guò)程，豐富了編程思想，給學(xué)習開(kāi)發(fā)者帶來(lái)莫大的方便。另外，系統把暫未使用的i/o口引出，極方便今后的功能擴展。

2 總結

該智能教育機器人系統以性?xún)r(jià)比較高的spce061a微控制器為核心，集成了常見(jiàn)的超聲、紅外和光敏等傳感器和電機控制模塊，基本具備了一個(gè)簡(jiǎn)單機器人的各個(gè)組成部分。整個(gè)硬件系統結構簡(jiǎn)潔明了，擴展性好，同時(shí)又極好的控制了系統成本，使大部分學(xué)生都可以將其作為實(shí)驗平臺。通過(guò)編程控制機器人的行為培養他們的邏輯思維能力。