要害词： 自立式机械人 摘要：自立式挪动机械人系统是指按照指令使命和情况消息进行自立路径计划，而且在使命履行进程中不竭收集局部情况消息，做出决议计划，从而实现平安行驶并正确达到方针地址的智能系统。本文以LPC2119为节制焦点，引见了一种轮式挪动机械人的设想方案。该机械人系统利用超声传感器、光敏传感器、碰撞传感器收集外部情况消息，采取PTR2000实现挪动机械人与计较机通讯，从而实现现场消息的反馈和计较机节制号令的发送。
自立式挪动机械人系统是指按照指令使命和情况消息进行自立路径计划，而且在使命履行进程中不竭收集局部情况消息，做出决议计划，从而实现平安行驶并正确达到方针地址的智能系统。本文以LPC2119为节制焦点，引见了一种轮式挪动机械人的设想方案。该机械人系统利用超声传感器、光敏传感器、碰撞传感器收集外部情况消息，采取PTR2000实现挪动机械人与计较机通讯，从而实现现场消息的反馈和计较机节制号令的发送。
LPC2119是Philips公司推出的撑持及时仿真和跟踪的 ARM7TDMI-S微处置器，嵌入128KB高速Flash存储器。它采取3级流水线手艺，取指、译码和履行同时进行，可以或许并行处置指令，提高CPU运转速度。因为其具有很是小的尺寸和极低的功耗，很是合适小型化利用。片内多达64KB的SRAM，具有较年夜的缓冲区范围和壮大的处置能力。LPC2119 内部集成2个CAN节制器、2个32位按时计数器和4个ADC单位电路。
1 硬件布局
节制器 LPC2119首要用来发生2路PWM旌旗灯号和处置传感器消息，实现对小车的智能节制。本系统采取IR2110作为H桥电路驱动芯片，用4片 STP60NE06搭接H桥电路驱动直流机电，并操纵光电编码器检测机电转速；采取16路超声传感器系统作为系统的避碰和简单测距；采取光敏传感器实现机械人对光源的感知和寻觅；采取碰撞传感器感知碰撞，使机械人能做出急时处置；采取无线通讯芯片PTR2000实现机械人与计较机的无线通讯。
1.1 机电的PWM节制
IR2110是美国IR(International Rectifier)公司推出的一种双通道、高压、高速的功率器件栅极驱动的单片式集成驱动器。它把驱动高压侧和低压侧MOSFET或IGBT所需的绝年夜部门功能集成在一个高机能的封装内，外接很少的分立元件即能供给极快的开关速度和极低的功耗。其特点在在：将输入逻辑旌旗灯号转换成同相位低阻抗输出驱动旌旗灯号，可驱动统一桥臂上的2路输出，驱动能力强，响应速度快；工作电压较高，可达600V；内设欠压封闭；本钱低、易在调试；电路芯片体积小，为DIP14 封装。高压侧驱动采取外部自举电容上电，与其他IC驱动电路比拟，在设想上年夜年夜削减了驱动变压器和电容的数量，下降了产物本钱，减小了体积，提高了系统的靠得住性。这类合用在驱动功率MOSFET和IGBT的自举式集成电路，在电源变换、机电调速等功率驱动范畴中取得了普遍的利用。
LPC2119单片机的PWM功能成立在尺度按时器上，它具有32位的按时节制器和预分频节制器、7个婚配节制器，可实现6个单边PWM或3个双边PWM 输出，也能够利用这两品种型的夹杂输出。此系统利用端口PWM0和PWM1输出两路PWM旌旗灯号，别离节制挪动机械人的2个驱动机电。PWM旌旗灯号颠末光电耦合器构成两路相位相差180°的旌旗灯号加到IR2110的HIN和LIN引脚上，实现对统一桥臂上的两个MOSFET开关的节制，道理如图1所示。
HIN为高电平时代，Q1、Q4导通，在直流机电上加正向工作电压；HIN为低电平时代，LIN端输入高电平，Q2、Q3导通，在直流机电上加反向工作电压。是以电枢上的工作电压是双极性矩形脉冲波形。因为机器惯性的感化，矩形脉冲电压的平均值决议电念头的转向和转速。
1.2 超声传感器系统
为减轻节制器LPC2119的承担，超声传感器系统由Atmel公司的AT89C1051单片机节制。1051单片机是含有一个1KB 可编程E2PROM的高机能微节制器，它与工业尺度MCS-51的指令和引脚兼容。它为良多嵌入式节制利用供给了一个高度矫捷、有用的处理方案。AT89C1051有以下特点：1KB的E2PROM、128B的RAM、15根I/O线、2个16位按时/计数器、5个二级向量中止布局、1个全双向的串行口且内含周详摹拟比力器和片内振荡器，具有4.25~5.5V的电压工作规模和24MHz工作频次，同时还具有加密阵列的二级法式存储器加锁、失落电和时钟电路等。另外，AT89C1051还撑持两种软件设置的电源节电体例。余暇时，CPU住手，而RAM、按时/ 计数器、串行口和中止系统继续工作。失落电时，保留RAM的内容，但振荡器停振以制止芯片其他功能，直到下一次硬件复位。
1051节制每 60ms发送一路超声波，检测回波时候，并完成距离的计较。如许16路超声波轮回检测一次约为1s，在常温时超声波的速度约为344m/s，能够计较出妨碍物的距离，最初将超声波传感器编号和距离消息传送给LPC2119。
超声波发射和领受子系统如图2所示。1051操纵P1.0引脚向外发送 40kHz的脉冲旌旗灯号，此旌旗灯号作为4－16译码器74HC154的使能旌旗灯号，引脚P1.1~P1.4作为译码旌旗灯号，别离对应编号0~15的超声波传感器。此旌旗灯号颠末9013放年夜后鞭策换能器发生40kHz的超声波旌旗灯号。
LM567是一片锁相环电路，其5、6脚外接的电阻和电容决议了内部压控振荡器的中间频次f2，f2≈1/1.1RC。其1、2脚别离经由过程电容器接地，构成输出滤波收集和环路单级低通滤波收集。2脚所接电容决议锁相环路的捕获带宽：电容值越年夜，环路带宽越窄。LM567的工作电压为4.75～9V，工作频次从直流到500kHz，静态工作电流约8mA。
超声子系统根基功能为：当领受器领受到超声波回波时，发生交换小旌旗灯号，此旌旗灯号颠末LM358构成2级放年夜电路后，幅值达25mV以上。当LM567的3脚输入幅度 ≥25mV、频次为40kHz的旌旗灯号时，8脚由高电平酿成低电平，此低电平旌旗灯号被毗连到1051的INT0引脚发生中止旌旗灯号。1051在超声波发送时启动按时器，在INT0中止时封闭按时器，由此能够获得超声波的传布时候，并计较出妨碍物距离。
利用本系统对丈量规模为30~400cm的平面物体做了屡次丈量发觉，其最年夜误差为0.5cm，且反复性好。假如加年夜超声波发射的驱动电流，领受部门的放年夜电路再加一级，可使检测距离增年夜到 600cm。
1.3 无线通讯子系统
此系统选用细小型、低功耗、 19.2kbps的无线收发MODEM芯片PTR2000实现机械人与计较机的无线通讯。该芯片的工作频次为国际通用的数传频段433MHz，采取FSK 调制，可毗连到计较机的RS232接口。系统采取的通讯和谈以下：
[最先字符] [数据1] [数据2]……[校验和] [竣事字符]
将PTR2000的DO、DIN引脚别离与LPC2119的TXD0(13引脚)和RXD0(14引脚)相连，作为串行通讯的通道。CS为 PTR2000模块的频次选择旌旗灯号；PWR为模块节能引脚，一般工作为高电平。TXEN是模块发射领受节制，由LPC2119的I/O口节制。 PTR2000是收发一体的集成芯片，采取3.3V供电，能够与LPC2119无缝毗连。PTR2000作为发射端与PC机相连时，需要经由过程一个电平转换器(本文为MAX3232)转换成RS-232电平。PLC2119能够经由过程把输出口置1或清0将无线收发模块PTR2000设置为发送或领受状况；可经由过程VB的MSComm控件的RTSEnable属性实现对计较机串口的节制。
1.4 光敏传感器子系统
机械人利用的光敏传感器为硫化镉光电管(CDS)。硫化镉光电管的电阻值跟着照耀的概况光的几多而转变，光线越强，电阻值越小。硫化镉光电管凡是也称为光敏电阻。CDS的电阻值对较少的光线就可以发生较年夜的转变，是机械人系统较为经常使用的一种光敏传感器。在机械人车体上平均散布8个一样的光敏传感器，感知机械人四周的光强转变。经由过程收集各传感器的输出电压，由软件算法肯定机械人的路径，使机械人老是朝光线更强的标的目的行走，实现对光源的寻觅。
将一个周详电阻与CDS器件串连，该电阻起分压感化，将CDS器件的电阻值转换成应对模/数转换器件(ADC)恰当的电压值。CDS器件的分压输出给ADC，随后电压值转换为数字值。当更多的光线照在CDS器件上时，其电阻和ADC上输出的电压值城市减小。一般取这个周详电阻的阻值与CDS器件的最年夜电阻值相等。
2 软件编程
因使命分歧，系统的软件设想有所分歧。本挪动机械人系统的使命是在已知巨细且光线较暗的封锁情况中自立寻觅光源。
系统软件在启动后进步前辈行系统的自检和初始化，然落后行路径的计划。先横向遍历全部情况，假如发觉光源，机械人住手活动，期待号令；假如没有找到光源，再纵向遍历全部情况，假如发觉光源，机械人住手活动；假如仍是没有找到，就显示犯错消息。当超声波子系统发觉前方有妨碍物或机械人与妨碍物产生碰撞时，将发生外部中止，终止法式的运转，节制器LPC2119将收到妨碍物距离或碰撞消息，并由此从头计划路径，由此实现机械人的自立运转。
本设想是一个基在ARM7微处置器的车载嵌入式系统，不但知足了挪动机械人节制系统的要求并且为机械人的转型利用供给了杰出的手艺撑持。在此根本上能够插手各类进步前辈的节制算法，实现挪动机械人的智能化。
参考文献 1 (美)Murphy Robin R.人工智能机械人学导论[M].北京：电子工业出书社，2004 2 周建功.ARM微节制器根本与实践[M].北京：北京航空航天年夜学出书社，2003 3 张 立.现代电力电子手艺根本[M].北京：高档教育出书社，2001 4 孟庆浩，彭商贤，张伟军.挪动机械人导航系统中超声测距数据的收集与处置[J].数据的收集与处置，1997；12(2)：137～141 5 丁镇生.传感器和传感器手艺利用[M].北京：电子工业出书社，1998 6 (美)迈克·普瑞德科.机械人节制器与法式设想[M].北京：科学出书社，2004
作者： 宋长会 赵国良 李涛 任桢 （哈尔滨项目年夜学,主动化学院,黑龙江,哈尔滨,150001）
