智能滅火機器人硬件電路設(shè)計及實現(xiàn)
[導讀]經(jīng)過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]。人工智能也稱機器智能，是一門研究人類智能機理和如何用計算機模擬人類智能活動的學科。智能機器人技術(shù)綜合了計算機、控制論、
經(jīng)過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]。人工智能也稱機器智能，是一門研究人類智能機理和如何用計算機模擬人類智能活動的學科。智能機器人技術(shù)綜合了計算機、控制論、機構(gòu)學、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術(shù)，集成了多學科的發(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，大大促進了人工智能思想和技術(shù)的進步，漸漸成為一個備受關(guān)注的分支領(lǐng)域，各種智能機器人比賽也成為國內(nèi)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院于1994年創(chuàng)辦，目前已成為全球規(guī)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(shù)性能及設(shè)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(nèi)核[3]的智能滅火機器人的硬件電路的設(shè)計與實現(xiàn)。
1 硬件電路的總體設(shè)計
滅火比賽的任務是在一封閉房間模型中，隨機在其中一個房間里放置蠟燭代替的火源，要求機器人在盡可能短的時間里無碰撞地找到火源并完成滅火。
根據(jù)比賽要求及功能需要，滅火機器人的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由控制器、傳感器輸入、驅(qū)動輸出等模塊組成。
2 硬件電路的主要部件分析與設(shè)計
2.1嵌入式系統(tǒng)
為實現(xiàn)機器人高速精確地按照規(guī)定路徑行走，要求機器人的CPU能夠?qū)崟r迅速地讀取多個傳感器端口數(shù)值，并在較短的時間內(nèi)完成對各端口數(shù)值的存儲、運算和輸出等多種任務。由于嵌入式微處理器對實時任務具有很強的支持能力，能夠完成多任務并且具有較短的中斷響應，因此在設(shè)計過程中選用以嵌入式微處理器ARM9為核心的控制器，其內(nèi)部采用哈佛結(jié)構(gòu)，每秒可執(zhí)行一億一千萬條機器指令。
為提高端口數(shù)值讀取速度，使機器人能對周圍環(huán)境信息做出迅速判斷，本設(shè)計在主芯片上設(shè)置了ADC0～ADC7（P4.0～P4.7）８路數(shù)據(jù)輸入端口，每秒可實現(xiàn)50萬次數(shù)據(jù)采集；另外又設(shè)置20路數(shù)據(jù)輸入端口，通過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(shù)值，每秒可實現(xiàn)1 000次數(shù)據(jù)采集。本設(shè)計還設(shè)置了4路PWM控制信號輸出端口，用以驅(qū)動4路大功率直流電機，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的精確調(diào)節(jié)；此外，還設(shè)置了7路Do數(shù)字輸出端口，用以驅(qū)動伺服電機、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(zhí)行空間，本設(shè)計附加設(shè)置了100 KB的數(shù)據(jù)存儲器（RAM）和512 KB的程序存儲器（Flash ROM），用以存儲更多的數(shù)據(jù)和命令。
2.2 電源和驅(qū)動電路設(shè)計
(1)電源及采樣電路
電源是保證機器人穩(wěn)定、可靠運行的關(guān)鍵部件，它直接影響著機器人性能的好壞。由于本機器人電機驅(qū)動和控制器采用兩種不同等級電壓的電源，為避免2個電源相互干擾，本機器人采用雙電源供電系統(tǒng)：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(wěn)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(shè)計采用1個LM317T三端穩(wěn)壓器和2個AMS1117低壓差線性電壓調(diào)整器，并通過其附屬電路，得到精確穩(wěn)定的5 V、3.3 V、1.8 V 三種電壓；采用1個發(fā)光二極管LD1和限流電阻R5作為電源指示燈，以顯示電源開關(guān)的狀態(tài)；為實時采樣電源電壓，防止鋰電池過放或過充，設(shè)計中通過R1、R2分壓，引出AD19端口作為電源采樣端口。
（2）直流電機驅(qū)動電路
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(qū)動器和更靈敏的控制方式。為此本文采用的電機驅(qū)動電源電壓為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，以實現(xiàn)精確的調(diào)速[4]。
由于電機功率較大，并要求能實現(xiàn)雙向、可調(diào)速運行，本文設(shè)計了半橋式電力MOSFET管，成功實現(xiàn)了對電機的控制。如圖3所示，2路PWM信號通過IR2104半橋驅(qū)動器（half-bridge driver）和相應保護電路連接至型號為IRF2807 的MOSFET管，控制電源與電動機連接線路的通與斷，達到控制電機速度的目的。當PWM信號占空比較大時，線路導通時間長，電機速度大；相反，當PWM占空比較小時，線路導通時間短，電機速度小。4個MOSFET管在不同時刻導通組合，實現(xiàn)控制電機轉(zhuǎn)動方向：當MSFET管1和4導通時，電機端口1為正、2為負，電機正轉(zhuǎn)；當MOSFET管2和3導通時，電機端口2為正、1為負，電機反轉(zhuǎn)。
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“視覺器官”，通過不斷讀取其數(shù)值并進行判斷，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(zhí)行什么命令才不致碰撞，并按照理想的路線行走。依據(jù)比賽場地規(guī)格，本機器人采用SHARP公司的GP2D12PSD傳感器（后面簡稱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。
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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)出紅外線光束，當紅外光束遇到前方的障礙物時，一部分反射回來，通過透鏡聚焦到后面的線性電性耦合器件CCD（Charge Coupled Device）上，根據(jù)紅外光線在CCD上聚焦的位置，可知道光線的反射角，進一步折算出物體的距離。由于PSD傳感器輸出電壓和實際距離是非線性關(guān)系，可以通過線性插值運算得出其轉(zhuǎn)換近似公式。
根據(jù)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個方位均應設(shè)置紅外測距傳感器；在滿足比賽要求前提下，考慮經(jīng)濟性，本設(shè)計采用了6個紅外測距傳感器，其安放位置如圖4（c）所示。通過1個或多個傳感器數(shù)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(shù)值同時很大（距離很?。r，說明機器人處在一個角落上，前方和左側(cè)均是墻壁，此時可以執(zhí)行右拐命令，從而走出角落。
(2)遠紅外火焰?zhèn)鞲衅鹘M
為能完成滅火任務，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(shè)計了由28個紅外接收管組成的2個遠紅外火焰?zhèn)鞲衅鹘M，前后每個方位各有14個紅外接收管組成，每2個并聯(lián)并指相同一個方向，2個傳感器組共指向14個方向，可以覆蓋360°范圍。如圖5（a）所示，14個端口通過CD4051八路轉(zhuǎn)換開關(guān)連接至ATMEGA8—16PC單片機，其中SCK、MISO、MOSI為位選擇端口。此外，本設(shè)計還可以通過對14路讀取數(shù)據(jù)進行比較，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，以判斷前進方向，完成趨光動作。當機器人與火源相對位置如圖5（b）所示時，可以讀取端口2和端口4的值，并進行作差，端口2的值大于端口4（說明2更靠近火源），則執(zhí)行左拐命令，使其差值在一定范圍內(nèi)，然后執(zhí)行直行命令趨近火源。
(3)地面灰度傳感器
比賽規(guī)定，機器人起始位置是直徑為30 cm的白色圓，每個房間入口有一條3 cm寬的白線，其他地面均為黑色。機器人的啟動和停止及進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發(fā)光二極管LED照亮地面，地面的反射光線被光敏三極管接收，當?shù)孛骖伾珵楹谏珪r，反射的光線比較弱，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?shù)孛鏋榘咨珪r，反射的光線較強，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(shè)計了基于ARM9嵌入式系統(tǒng)的一種智能滅火機器人，具有以下5個創(chuàng)新點：(1)采用了嵌入式系統(tǒng)內(nèi)核，大大提高了機器人處理信號的能力；(2)雙電源供電系統(tǒng)引入，使機器人的運行更加穩(wěn)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；(4)通過合理選擇PSD測距傳感器的個數(shù)和安放位置，既滿足比賽要求，又能節(jié)約成本；(5)本文設(shè)計的遠紅外火焰?zhèn)鞲衅鹘M，很好地完成了對火源的精確定位任務，提高了滅火可靠性和快速性。
實測證明，本文設(shè)計的機器人能夠很好地完成比賽任務，并且在可靠性和速度方面都有了大幅度的提高，具有很強的應用價值。
智能機器人滅火比賽由美國三一學院于1994年創(chuàng)辦，目前已成為全球規(guī)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(shù)性能及設(shè)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(nèi)核[3]的智能滅火機器人的硬件電路的設(shè)計與實現(xiàn)。
1 硬件電路的總體設(shè)計
滅火比賽的任務是在一封閉房間模型中，隨機在其中一個房間里放置蠟燭代替的火源，要求機器人在盡可能短的時間里無碰撞地找到火源并完成滅火。
根據(jù)比賽要求及功能需要，滅火機器人的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由控制器、傳感器輸入、驅(qū)動輸出等模塊組成。
2 硬件電路的主要部件分析與設(shè)計
2.1嵌入式系統(tǒng)
為實現(xiàn)機器人高速精確地按照規(guī)定路徑行走，要求機器人的CPU能夠?qū)崟r迅速地讀取多個傳感器端口數(shù)值，并在較短的時間內(nèi)完成對各端口數(shù)值的存儲、運算和輸出等多種任務。由于嵌入式微處理器對實時任務具有很強的支持能力，能夠完成多任務并且具有較短的中斷響應，因此在設(shè)計過程中選用以嵌入式微處理器ARM9為核心的控制器，其內(nèi)部采用哈佛結(jié)構(gòu)，每秒可執(zhí)行一億一千萬條機器指令。
為提高端口數(shù)值讀取速度，使機器人能對周圍環(huán)境信息做出迅速判斷，本設(shè)計在主芯片上設(shè)置了ADC0～ADC7（P4.0～P4.7）８路數(shù)據(jù)輸入端口，每秒可實現(xiàn)50萬次數(shù)據(jù)采集；另外又設(shè)置20路數(shù)據(jù)輸入端口，通過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(shù)值，每秒可實現(xiàn)1 000次數(shù)據(jù)采集。本設(shè)計還設(shè)置了4路PWM控制信號輸出端口，用以驅(qū)動4路大功率直流電機，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的精確調(diào)節(jié)；此外，還設(shè)置了7路Do數(shù)字輸出端口，用以驅(qū)動伺服電機、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(zhí)行空間，本設(shè)計附加設(shè)置了100 KB的數(shù)據(jù)存儲器（RAM）和512 KB的程序存儲器（Flash ROM），用以存儲更多的數(shù)據(jù)和命令。
2.2 電源和驅(qū)動電路設(shè)計
(1)電源及采樣電路
電源是保證機器人穩(wěn)定、可靠運行的關(guān)鍵部件，它直接影響著機器人性能的好壞。由于本機器人電機驅(qū)動和控制器采用兩種不同等級電壓的電源，為避免2個電源相互干擾，本機器人采用雙電源供電系統(tǒng)：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(wěn)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(shè)計采用1個LM317T三端穩(wěn)壓器和2個AMS1117低壓差線性電壓調(diào)整器，并通過其附屬電路，得到精確穩(wěn)定的5 V、3.3 V、1.8 V 三種電壓；采用1個發(fā)光二極管LD1和限流電阻R5作為電源指示燈，以顯示電源開關(guān)的狀態(tài)；為實時采樣電源電壓，防止鋰電池過放或過充，設(shè)計中通過R1、R2分壓，引出AD19端口作為電源采樣端口。
（2）直流電機驅(qū)動電路
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(qū)動器和更靈敏的控制方式。為此本文采用的電機驅(qū)動電源電壓為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，以實現(xiàn)精確的調(diào)速[4]。
由于電機功率較大，并要求能實現(xiàn)雙向、可調(diào)速運行，本文設(shè)計了半橋式電力MOSFET管，成功實現(xiàn)了對電機的控制。如圖3所示，2路PWM信號通過IR2104半橋驅(qū)動器（half-bridge driver）和相應保護電路連接至型號為IRF2807 的MOSFET管，控制電源與電動機連接線路的通與斷，達到控制電機速度的目的。當PWM信號占空比較大時，線路導通時間長，電機速度大；相反，當PWM占空比較小時，線路導通時間短，電機速度小。4個MOSFET管在不同時刻導通組合，實現(xiàn)控制電機轉(zhuǎn)動方向：當MSFET管1和4導通時，電機端口1為正、2為負，電機正轉(zhuǎn)；當MOSFET管2和3導通時，電機端口2為正、1為負，電機反轉(zhuǎn)。
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“視覺器官”，通過不斷讀取其數(shù)值并進行判斷，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(zhí)行什么命令才不致碰撞，并按照理想的路線行走。依據(jù)比賽場地規(guī)格，本機器人采用SHARP公司的GP2D12PSD傳感器（后面簡稱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。
[!--empirenews.page--]
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)出紅外線光束，當紅外光束遇到前方的障礙物時，一部分反射回來，通過透鏡聚焦到后面的線性電性耦合器件CCD（Charge Coupled Device）上，根據(jù)紅外光線在CCD上聚焦的位置，可知道光線的反射角，進一步折算出物體的距離。由于PSD傳感器輸出電壓和實際距離是非線性關(guān)系，可以通過線性插值運算得出其轉(zhuǎn)換近似公式。
根據(jù)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個方位均應設(shè)置紅外測距傳感器；在滿足比賽要求前提下，考慮經(jīng)濟性，本設(shè)計采用了6個紅外測距傳感器，其安放位置如圖4（c）所示。通過1個或多個傳感器數(shù)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(shù)值同時很大（距離很?。r，說明機器人處在一個角落上，前方和左側(cè)均是墻壁，此時可以執(zhí)行右拐命令，從而走出角落。
(2)遠紅外火焰?zhèn)鞲衅鹘M
為能完成滅火任務，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(shè)計了由28個紅外接收管組成的2個遠紅外火焰?zhèn)鞲衅鹘M，前后每個方位各有14個紅外接收管組成，每2個并聯(lián)并指相同一個方向，2個傳感器組共指向14個方向，可以覆蓋360°范圍。如圖5（a）所示，14個端口通過CD4051八路轉(zhuǎn)換開關(guān)連接至ATMEGA8—16PC單片機，其中SCK、MISO、MOSI為位選擇端口。此外，本設(shè)計還可以通過對14路讀取數(shù)據(jù)進行比較，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，以判斷前進方向，完成趨光動作。當機器人與火源相對位置如圖5（b）所示時，可以讀取端口2和端口4的值，并進行作差，端口2的值大于端口4（說明2更靠近火源），則執(zhí)行左拐命令，使其差值在一定范圍內(nèi)，然后執(zhí)行直行命令趨近火源。
(3)地面灰度傳感器
比賽規(guī)定，機器人起始位置是直徑為30 cm的白色圓，每個房間入口有一條3 cm寬的白線，其他地面均為黑色。機器人的啟動和停止及進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發(fā)光二極管LED照亮地面，地面的反射光線被光敏三極管接收，當?shù)孛骖伾珵楹谏珪r，反射的光線比較弱，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?shù)孛鏋榘咨珪r，反射的光線較強，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(shè)計了基于ARM9嵌入式系統(tǒng)的一種智能滅火機器人，具有以下5個創(chuàng)新點：(1)采用了嵌入式系統(tǒng)內(nèi)核，大大提高了機器人處理信號的能力；(2)雙電源供電系統(tǒng)引入，使機器人的運行更加穩(wěn)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；(4)通過合理選擇PSD測距傳感器的個數(shù)和安放位置，既滿足比賽要求，又能節(jié)約成本；(5)本文設(shè)計的遠紅外火焰?zhèn)鞲衅鹘M，很好地完成了對火源的精確定位任務，提高了滅火可靠性和快速性。
實測證明，本文設(shè)計的機器人能夠很好地完成比賽任務，并且在可靠性和速度方面都有了大幅度的提高，具有很強的應用價值。
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