智能滅火機(jī)器人硬件電路設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

1、    智能滅火機(jī)器人硬件電路設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)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(jī)器智能，是一門研究人類智能機(jī)理和如何用計(jì)算機(jī)模擬人類智能活動(dòng)的學(xué)科。智能機(jī)器人技術(shù)綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)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(jī)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(jī)器智能，是一門研究人類

2、智能機(jī)理和如何用計(jì)算機(jī)模擬人類智能活動(dòng)的學(xué)科。智能機(jī)器人技術(shù)綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)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(jī)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(jī)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(xiàng)目。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

3、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

4、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ADC0ADC7（P4.0P4.7）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

5、供更多的執(zhí)行空間，本設(shè)計(jì)附加設(shè)置了100KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）和512KB的程序存儲(chǔ)器（FlashROM），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24V，能提供40A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

6、要的不同等級的電壓，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095%的4路PWM信號控制直流電機(jī)，以

7、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)了對電機(jī)的控制。如圖3所示，2路PWM信號通過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)紅外測距傳感器紅外測距傳感器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)