智能滅火機(jī)器人硬件電路設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)
智能機(jī)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(guī)模最大、普及程度最高的全自主智能機(jī)器人大賽之一。硬件電路是智能滅火機(jī)器人整體的核心骨架,其參數(shù)性能及設(shè)計(jì)的合理性直接決定了智能滅火機(jī)器人的性能。本文完成了基于ARM9內(nèi)核[3]的智能滅火機(jī)器人的硬件電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。
1 硬件電路的總體設(shè)計(jì)
滅火比賽的任務(wù)是在一封閉房間模型中,隨機(jī)在其中一個(gè)房間里放置蠟燭代替的火源,要求機(jī)器人在盡可能短的時(shí)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(jī)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(dòng)輸出等模塊組成。
2 硬件電路的主要部件分析與設(shè)計(jì)
2.1嵌入式系統(tǒng)
為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人高速精確地按照規(guī)定路徑行走,要求機(jī)器人的CPU能夠?qū)崟r(shí)迅速地讀取多個(gè)傳感器端口數(shù)值,并在較短的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)各端口數(shù)值的存儲(chǔ)、運(yùn)算和輸出等多種任務(wù)。由于嵌入式微處理器對(duì)實(shí)時(shí)任務(wù)具有很強(qiáng)的支持能力,能夠完成多任務(wù)并且具有較短的中斷響應(yīng),因此在設(shè)計(jì)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(jī)器指令。
為提高端口數(shù)值讀取速度,使機(jī)器人能對(duì)周圍環(huán)境信息做出迅速判斷,本設(shè)計(jì)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(shí)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(jī)連接到主芯片上,用以讀取遠(yuǎn)紅外傳感器組及檢測(cè)端口的數(shù)值,每秒可實(shí)現(xiàn)1 000次數(shù)據(jù)采集。本設(shè)計(jì)還設(shè)置了4路PWM控制信號(hào)輸出端口,用以驅(qū)動(dòng)4路大功率直流電機(jī),實(shí)現(xiàn)對(duì)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(dòng)伺服電機(jī)、蜂鳴器、繼電器、發(fā)光二極管等。為了給龐大和復(fù)雜的程序提供更多的執(zhí)行空間,本設(shè)計(jì)附加設(shè)置了100 KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)和512 KB的程序存儲(chǔ)器(Flash ROM),用以存儲(chǔ)更多的數(shù)據(jù)和命令。
2.2 電源和驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
(1)電源及采樣電路
電源是保證機(jī)器人穩(wěn)定、可靠運(yùn)行的關(guān)鍵部件,它直接影響著機(jī)器人性能的好壞。由于本機(jī)器人電機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制器采用兩種不同等級(jí)電壓的電源,為避免2個(gè)電源相互干擾,本機(jī)器人采用雙電源供電系統(tǒng):電機(jī)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(cè),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(jí)的電壓,本設(shè)計(jì)采用1個(gè)LM317T三端穩(wěn)壓器和2個(gè)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(gè)發(fā)光二極管LD1和限流電阻R5作為電源指示燈,以顯示電源開關(guān)的狀態(tài);為實(shí)時(shí)采樣電源電壓,防止鋰電池過放或過充,設(shè)計(jì)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(jī)驅(qū)動(dòng)電路
由于競(jìng)技比賽的需要,機(jī)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(dòng)器和更靈敏的控制方式。為此本文采用的電機(jī)驅(qū)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(hào)控制直流電機(jī),以實(shí)現(xiàn)精確的調(diào)速[4]。
由于電機(jī)功率較大,并要求能實(shí)現(xiàn)雙向、可調(diào)速運(yùn)行,本文設(shè)計(jì)了半橋式電力MOSFET管,成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)的控制。如圖3所示,2路PWM信號(hào)通過IR2104半橋驅(qū)動(dòng)器(half-bridge driver)和相應(yīng)保護(hù)電路連接至型號(hào)為IRF2807 的MOSFET管,控制電源與電動(dòng)機(jī)連接線路的通與斷,達(dá)到控制電機(jī)速度的目的。當(dāng)PWM信號(hào)占空比較大時(shí),線路導(dǎo)通時(shí)間長,電機(jī)速度大;相反,當(dāng)PWM占空比較小時(shí),線路導(dǎo)通時(shí)間短,電機(jī)速度小。4個(gè)MOSFET管在不同時(shí)刻導(dǎo)通組合,實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向:當(dāng)MSFET管1和4導(dǎo)通時(shí),電機(jī)端口1為正、2為負(fù),電機(jī)正轉(zhuǎn);當(dāng)MOSFET管2和3導(dǎo)通時(shí),電機(jī)端口2為正、1為負(fù),電機(jī)反轉(zhuǎn)。
2.3 傳感器
(1)紅外測(cè)距傳感器
紅外測(cè)距傳感器[5-6]是機(jī)器人的“視覺器官”,通過不斷讀取其數(shù)值并進(jìn)行判斷,才能確定機(jī)器人所處位置環(huán)境,以確定機(jī)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(chǎng)地規(guī)格,本機(jī)器人采用SHARP公司的GP2D12PSD傳感器(后面簡(jiǎn)稱PSD傳感器),其有效測(cè)距范圍為10 cm~80 cm。其原理如圖4(a)所示。
評(píng)論