游历机器人系统研制及性能分析.doc

游历机器人系统研制及性能分析 摘要：为参加第十三届未来伙伴中国智能机器人比赛的机器人奥运游一项，针对比赛规则我院老师和学生共同研制了一款游历机器人。描述了机器人系统硬件构成，提出了三层式控制方案，设计了奥运游每一个景点的算法及控制程序，阐明了整个系统的软硬件的协同工作流程。游历机器人性能测试实验证明：系统各模块运转良好，视觉识别算法可有效提取寻迹信息，机器人准确到达每一个景点，整个路程 米耗时 。游历机器人具有较好的稳定性与较高的扩展性。 关键字：游历；机器人；硬件构成；软件设计；性能测试 中图分类号：TP242.3 前言 “机器人奥运游”竞赛项目要求参赛机器人在规定假期时间内，游历尽量多的景点，获得尽量多的得分,并在假期结束前回到出发地。目的是引导参赛队研究、设计并制作具有优秀硬件与软件系统的移动机器人，逐步提高机器的能力与智能。 选用AVR的单片机作为核心控制器，内部硬件资源比较丰富，外部接口很多，集成了A/D、PWM、EEPROM、FLASH、SPI、WTD、IIC、T/C等功能部件，使外围电路变得很简单，来满足控制需求，再AVR的单片机是采用RISC指令集结构的新型8位单片机。由于AVR单片机采用单指令操作，所以，在相同时钟的情况下，AVR的单片机的指令周期只有8051型机的1/2，且采用两极指令流水线，可以在执行当前指令的同时获取下一条指令，所以具备1MI/s/MHZ的调整处理能力，特别是采用32个通用工作寄存器，克服了单一累加器数据处理带来的瓶颈现象，从而使得指令代码更加灵活，编码更容易。 硬件构成 为了实现机器人游历要求，依据功能实现要求，系统硬件电路主要由控制器模块、执行模块、红外避障模块、寻迹模块、红外接收模块和电源模块等模块电路。系统硬件构成框图如图1所示。 图1 系统硬件构成框图 大脑 控制器电路芯片使用AVR单片机ATmega128I/O口比较多，可以从外接的红外模块和声控模块上采集到的启动信号，启动机器开始景点的遍历，遍历过程中依据灰度模块采集到的寻迹信号，红外避障模块检测的路障、山峰信息和景点已到达等信号，并对信号进行分析，作出决策，以驱电路寻迹行走。 动力部分 采用14.5Ｖ的聚合物锂电池供电，通过控制器发指令控制电机的转动方向和速度。电机驱动板由降压电路，信号驱动电路，滤波电路，电机驱动电路和减速直流电机及电轮组成。组成框图如下图所示。 图　电机驱动与电源电路框图 电源电路采用包含了DC/DC变换器所需要的主要功能的单片控制电路且价格便宜它由具有温度自动补偿功能的基准电压发生器、比较器、占空比可控的振荡器，R—S触发器和大电流输出开关电路等组成。该器件可用于升压变换器、降压变换器、反向器的控制核心，由它构成的DC/DC变换器仅用少量的外部元器件。TCRT5000传感器的工作原理与一般的红外传感器一样,一传一感.TCRT5000具有一个红外发射管和一个红外接收管.当发射管的红外信号经反射被接收管接收后,接收管的电阻会发生变化,在电路上一般以电压的变化形式体现出来,而经过ADC转换或LM324等电路整形后得到处理后的输出结果.电阻的变化起取于接收管所接收的红外信号强度,常表现在反射面的颜色和反射面接收管的距离两二方面.硬件参考原理图如下: 图 红外遥控系统示意图 该红外遥控系统的编码格式如图所示。μPD6121G遥控器的二进制“0”由0.56ms的间隔加0.565ms的脉冲表示；二进制“1”由0.56ms的间隔加1.685ms的脉冲表示。每次发送的32二进制码可分成两部分，其中前16位是遥控器辨识码，主要用于区别不同遥控器，后16位是接收按键值，这两个部分的后8位都是前8位的反码，用作数据校验。每帧数据以9ms的间隔加4.5ms的脉冲作为数据头。 图 脉冲编码格式 在机器人系统板上的接收头接ATmega128单片机的PD3/ICPI引脚，即利用16位时钟单元T/C1的捕获中断来实现红外线解码。T/C1内部的输入捕获单元可以应用于精确捕获外部发生的事情，亦即事件发生的时间印记。当一个输入捕获事件发生在外部引脚ICPI上的逻辑电平也随之发生变化时，T/C1的计数值将被拷贝到捕获寄存器ICR1并设置捕获中断标志，如果捕获中断允许并且总中断IE打开，系统则进入中断服务程序，利用这一功能测量红一脉冲的脉宽以实现红外传输的解码。捕获中断的触发可以是ICPI引脚上电平变化的上升沿，也可以是下降沿。根据前述脉冲调制规则，现以下降沿为触发事件来进行讨论。 图是红外接收头的工作时序图，图中，一个下降沿到下一个下降沿之间刚好是一个脉冲加一个间隙的时间，这样，根据编码规则，这个时间长度所对应的信号关系如下： 前导数据的时间：9ms+4.5ms=13.5ms 数据“0”的时间：0.565 ms +0.56 ms =1