智能滅火機器人硬件電路的設計與實(shí)現

　　人工智能也稱(chēng)機器智能，是一門(mén)研究人類(lèi)智能機理和如何用計算機模擬人類(lèi)智能活動(dòng)的學(xué)科。經(jīng)過(guò)50多年的發(fā)展，人工智能已形成極廣泛的研究領(lǐng)域，并且取得了許多令人矚目的成就[1]。智能機器人技術(shù)綜合了計算機、控制論、機構學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，集成了多學(xué)科的發(fā)展成果，代表高技術(shù)的發(fā)展前沿[2]。智能機器人的研究，大大促進(jìn)了人工智能思想和技術(shù)的進(jìn)步，漸漸成為一個(gè)備受關(guān)注的分支領(lǐng)域，各種智能機器人比賽也成為國內外廣泛推廣和發(fā)展的一種競技項目。

　　智能機器人滅火比賽由美國三一學(xué)院于1994年創(chuàng )辦，目前已成為全球規模最大、普及程度最高的全自主智能機器人大賽之一。硬件電路是智能滅火機器人整體的核心骨架，其參數性能及設計的合理性直接決定了智能滅火機器人的性能。本文完成了基于ARM9內核[3]的智能滅火機器人的硬件電路的設計與實(shí)現。

　　1 硬件電路的總體設計

　　滅火比賽的任務(wù)是在一封閉房間模型中，隨機在其中一個(gè)房間里放置蠟燭代替的火源，要求機器人在盡可能短的時(shí)間里無(wú)碰撞地找到火源并完成滅火。

　　根據比賽要求及功能需要，滅火機器人的總體結構如圖1 所示，主要由控制器、傳感器輸入、驅動(dòng)輸出等模塊組成。

　　2 硬件電路的主要部件分析與設計

　　2.1 嵌入式系統

　　為實(shí)現機器人高速精確地按照規定路徑行走，要求機器人的CPU能夠實(shí)時(shí)迅速地讀取多個(gè)傳感器端口數值，并在較短的時(shí)間內完成對各端口數值的存儲、運算和輸出等多種任務(wù)。由于嵌入式微處理器對實(shí)時(shí)任務(wù)具有很強的支持能力，能夠完成多任務(wù)并且具有較短的中斷響應，因此在設計過(guò)程中選用以嵌入式微處理器ARM9為核心的控制器，其內部采用哈佛結構，每秒可執行一億一千萬(wàn)條機器指令。

　　為提高端口數值讀取速度，使機器人能對周?chē)h(huán)境信息做出迅速判斷，本設計在主芯片上設置了ADC0～ADC7（P4.0～P4.7）８路數據輸入端口，每秒可實(shí)現50萬(wàn)次數據采集；另外又設置20路數據輸入端口，通過(guò)ATMEGA816-PC輔助單片機連接到主芯片上，用以讀取遠紅外傳感器組及檢測端口的數值，每秒可實(shí)現1 000次數據采集。本設計還設置了4路PWM控制信號輸出端口，用以驅動(dòng)4路大功率直流電機，實(shí)現對轉速的精確調節；此外，還設置了7路Do數字輸出端口，用以驅動(dòng)伺服電機、蜂鳴器、繼電器、發(fā)光二極管等。為了給龐大和復雜的程序提供更多的執行空間，本設計附加設置了100 KB的數據存儲器（RAM）和512 KB的程序存儲器（Flash ROM），用以存儲更多的數據和命令。

　　2.2 電源和驅動(dòng)電路設計

　　(1) 電源及采樣電路

　　電源是保證機器人穩定、可靠運行的關(guān)鍵部件，它直接影響著(zhù)機器人性能的好壞。由于本機器人電機驅動(dòng)和控制器采用兩種不同等級電壓的電源，為避免2個(gè)電源相互干擾，本機器人采用雙電源供電系統：電機電源采用高放電倍率聚合物鋰電池，容量為2 500 MAH，工作電壓為24 V，能提供40 A的穩定供電電流，是普通電池的10倍；控制器電源采用8.4 V鋰電池，并提供電壓采樣端口，以供電池檢測，電路圖如圖2所示。

　　為獲得CPU各端口電路所需要的不同等級的電壓，本設計采用 1個(gè)LM317T三端穩壓器和2個(gè)AMS1117低壓差線(xiàn)性電壓調整器，并通過(guò)其附屬電路，得到精確穩定的5 V、3.3 V、1.8 V 三種電壓；采用1個(gè)發(fā)光二極管LD1和限流電阻R5作為電源指示燈，以顯示電源開(kāi)關(guān)的狀態(tài)；為實(shí)時(shí)采樣電源電壓，防止鋰電池過(guò)放或過(guò)充，設計中通過(guò)R1、 R2分壓，引出AD19端口作為電源采樣端口。

　?。?）直流電機驅動(dòng)電路

　　由于競技比賽的需要，機器人要在避免碰撞的前提下盡可能提高速度，因此要求具有更大功率的驅動(dòng)器和更靈敏的控制方式。為此本文采用的電機驅動(dòng)電源電壓為16.8 V，電流為20 A；采用占空比范圍為0～95%的4路PWM信號控制直流電機，以實(shí)現精確的調速[4]。

　　由于電機功率較大，并要求能實(shí)現雙向、可調速運行，本文設計了半橋式電力MOSFET管，成功實(shí)現了對電機的控制。如圖3所示，2路PWM信號通過(guò)IR2104半橋驅動(dòng)器（half-bridge driver）和相應保護電路連接至型號為IRF2807 的MOSFET管，控制電源與電動(dòng)機連接線(xiàn)路的通與斷，達到控制電機速度的目的。當PWM信號占空比較大時(shí)，線(xiàn)路導通時(shí)間長(cháng)，電機速度大；相反，當PWM 占空比較小時(shí)，線(xiàn)路導通時(shí)間短，電機速度小。4個(gè)MOSFET管在不同時(shí)刻導通組合，實(shí)現控制電機轉動(dòng)方向：當MSFET管1和4導通時(shí)，電機端口1為正、2為負，電機正轉；當MOSFET管2和3導通時(shí)，電機端口2為正、1為負，電機反轉。

　　2.3 傳感器

　　(1)紅外測距傳感器

　　紅外測距傳感器[5-6]是機器人的“視覺(jué)器官”，通過(guò)不斷讀取其數值并進(jìn)行判斷，才能確定機器人所處位置環(huán)境，以確定機器人下一步該執行什么命令才不致碰撞，并按照理想的路線(xiàn)行走。依據比賽場(chǎng)地規格，本機器人采用SHARP公司的GP2D12PSD傳感器（后面簡(jiǎn)稱(chēng)PSD傳感器），其有效測距范圍為10 cm～80 cm。其原理如圖4（a）所示。

　　該傳感器采用三角測量的原理，如圖4（b）所示紅外發(fā)光二極管發(fā)出紅外線(xiàn)光束，當紅外光束遇到前方的障礙物時(shí)，一部分反射回來(lái)，通過(guò)透鏡聚焦到后面的線(xiàn)性電性耦合器件CCD（Charge Coupled Device）上，根據紅外光線(xiàn)在CCD上聚焦的位置，可知道光線(xiàn)的反射角，進(jìn)一步折算出物體的距離。由于PSD傳感器輸出電壓和實(shí)際距離是非線(xiàn)性關(guān)系，可以通過(guò)線(xiàn)性插值運算得出其轉換近似公式。

　　根據比賽的需要，機器人應該能夠測量不同方向的障礙物的距離，理論上8個(gè)方位均應設置紅外測距傳感器；在滿(mǎn)足比賽要求前提下，考慮經(jīng)濟性，本設計采用了6個(gè)紅外測距傳感器，其安放位置如圖4（c）所示。通過(guò)1個(gè)或多個(gè)傳感器數值可以較精準地確定機器人的位置和墻壁的關(guān)系。例如，當正前傳感器和左前傳感器數值同時(shí)很大（距離很?。r(shí)，說(shuō)明機器人處在一個(gè)角落上，前方和左側均是墻壁，此時(shí)可以執行右拐命令，從而走出角落。

　　(2)遠紅外火焰傳感器組

　　為能完成滅火任務(wù)，機器人必須能確定火焰的大致位置，并能對火焰是否被撲滅做出判斷。本文設計了由28個(gè)紅外接收管組成的2個(gè)遠紅外火焰傳感器組，前后每個(gè)方位各有14個(gè)紅外接收管組成，每2個(gè)并聯(lián)并指相同一個(gè)方向，2個(gè)傳感器組共指向14個(gè)方向，可以覆蓋360°范圍。如圖5（a）所示，14個(gè)端口通過(guò)CD4051八路轉換開(kāi)關(guān)連接至ATMEGA8—16PC單片機，其中 SCK、MISO、MOSI為位選擇端口。此外，本設計還可以通過(guò)對14路讀取數據進(jìn)行比較，從而確定其最大最小值及相應端口值，方便火源方位的確定。

　　通過(guò)對遠紅外傳感器組的不同端口值的比較，還可以確定機器人和火源的相對位置，以判斷前進(jìn)方向，完成趨光動(dòng)作。當機器人與火源相對位置如圖5（b）所示時(shí)，可以讀取端口2和端口4的值，并進(jìn)行作差，端口2的值大于端口4（說(shuō)明2更靠近火源），則執行左拐命令，使其差值在一定范圍內，然后執行直行命令趨近火源。

　　(3)地面灰度傳感器

　　比賽規定，機器人起始位置是直徑為30 cm的白色圓，每個(gè)房間入口有一條3 cm寬的白線(xiàn)，其他地面均為黑色。機器人的啟動(dòng)和停止及進(jìn)房間的標志都要依靠對地面灰度的判斷，因此需使用能對地面反射光線(xiàn)的強弱做出反應的傳感器。本機器使用一對地面灰度傳感器，放置在前后兩端的底座上。地面顏色越深，其值越大，地面顏色越淺，其值越小。

　　如圖6所示，地面灰度傳感器通過(guò)發(fā)光二極管LED照亮地面，地面的反射光線(xiàn)被光敏三極管接收，當地面顏色為黑色時(shí)，反射的光線(xiàn)比較弱，則光敏三極管的基極電流越小，集電極電流也相應較小，1端口電壓值較高，其測量值較大；反之當地面為白色時(shí)，反射的光線(xiàn)較強，集電極電流越大，1端口電壓值較小，測量值也較小。

　　本文研究并設計了基于ARM9嵌入式系統的一種智能滅火機器人，具有以下5個(gè)創(chuàng )新點(diǎn)：(1)采用了嵌入式系統內核，大大提高了機器人處理信號的能力；(2)雙電源供電系統引入，使機器人的運行更加穩定可靠；(3) 采用PWM信號控制大功率直流電機，在速度和精度方面有了很大的改進(jìn)；(4)通過(guò)合理選擇PSD測距傳感器的個(gè)數和安放位置，既滿(mǎn)足比賽要求，又能節約成本；(5)本文設計的遠紅外火焰傳感器組，很好地完成了對火源的精確定位任務(wù)，提高了滅火可靠性和快速性。

　　實(shí)測證明，本文設計的機器人能夠很好地完成比賽任務(wù)，并且在可靠性和速度方面都有了大幅度的提高，具有很強的應用價(jià)值。