關于傳感器在機器人中應用的調查報告

關于傳感器在機器人玩具中的應用的調查報告學院：機械工程學院專業(yè)：機械制造及其自動化班級：機制班學號：080803110328學生姓名：指導教師：馮治國老師2012年3月28日 關于傳感器在機器人玩具中的應用的調查報告信息技術的三大支柱是測控技術、通信技術和計算機技術，而傳感器技術是測控技術的基礎。傳感器處于自動檢測與控制系統(tǒng)之首，是感知、獲取與檢測信息的窗口?？茖W研究和生產過程需要獲取的信息，都要首先通過傳感器轉換成電信號或光信號等容易傳輸和處理的信號。科學技術越發(fā)達，自動化程度越高，對傳感器的依賴就越大?！皼]有傳感器技術就沒有現(xiàn)代科學技術”的觀點已為世界公認。隨著電子技術的發(fā)展，機器人智能玩具越來越常見，傳感器的作用就是根據規(guī)定的被測量的大小，定量提供有用的電輸出信號的部件，亦即傳感器把光、電、溫度、壓力及氣體等的物理化學量轉換成信號的變換器。傳感器作為機器人智能玩具的關鍵部件，它直接影響機器人智能玩具的技術性能的發(fā)揮。一、磁阻傳感器在機器人玩具中的應用1、應用背景一個機器人玩具的控制系統(tǒng)設計，主芯片采用的是以摩特羅拉公司的MC86EZ328芯片，只完成與通信、運算等有關的主要操作，在沒有操作時，由運行于其上的操作系統(tǒng)uClinux來維護。對于所有與EZ328的核心運算、控制、通信、操作無關的外圍設備的維護和控制都通過一塊AT89C52來完成，它與EZ328的底層通信協(xié)議為同步串口協(xié)議（SPI），在AT89C52中由軟件來實現(xiàn)。C52包含的部件主要是A/D轉換器，鍵盤接口，電機驅動模塊。2、傳感器應用狀況機器人玩具控制系統(tǒng)的設計中對方向的控制尤其重要，直接體現(xiàn)了機器人玩具的控制精度和整體效果。在本文中要解決的問題就是控制好機器人的運動方向和球門之間的夾角，讓其能夠在運行中實時地自我調整，準確地把球送入球門。磁阻傳感器原理

HMC的輸出電壓為磁場強度為0時傳感器的輸出。所以當U0為0時，Uout正比于磁場強度B。如圖4，假設機器人處于水平面上，X為機器人行進方向，Y為水平面上垂直X的方向向右（即X順時針轉90），地里北極方向和地磁北極方向如圖所示。H為地磁場，Hx、Hy分別是H在X、Y方向的水平分量，β為機器人行進方向和地磁北極方向的夾角，γ為地磁北極和地理北極方向的夾角，K就是機器人行進方向與地理北極方向之間的夾角，也就是我們最終要求的角度。（此處的β、γ、K都是由前者出發(fā)順時針到達后者的角度）由圖可明顯看出，K=β-γ。而在地球上不同方位的γ可查表得出，所以關鍵就是求得。由磁阻傳感器可以得出Hx、Hy，（此處忽略了機器人在Z軸方向的傾斜，所以二器就夠用了）。

圖4

4、測量電路從HMC1022輸出的電壓信號非常微弱，測試是0到3mv（具體每個芯片的輸出不是完全一致）,需要經過放大器的放大，放大器選用的是AN622,放大倍數選定為600倍，這種放大器可以加上一個2.5v的偏置電壓，所以輸出到A/D的電壓為2.5v+（0～3mv）＊600,兩路采集到的電壓信號經過放大后連接到ADC0832。ADC0832是個兩通道8位精度的逐次逼近式模數轉換芯片，通過一個串行的I/O口DI輸入一個MUXADDRESS序列，來配置A/D成差分方式并選擇哪一路通道的信號。2051通過一路I/O來串行讀入轉換后的數值。

用max662a作為RST/SET部分的恒壓源，電路的工作原理及流程如下：

1.由2051的14端（P1.7）輸出高電平，SR電路set功能選通

2.通過2051P1各相應端子控制ADC0832，完成一次A/D轉換，記下此次讀入的電壓值Vset。

3.2051的P1.7輸出低電平，SR電路reset功能選通

4.通過2051P1各相應端子控制AD0832，完成一次A/D轉換，記下此次讀入的電壓值Vrst

5.求出1022的輸出偏置電壓V0=（Vset+Vrst）/2。

6.通過2051控制AD0832完成A/D轉換，將每一次讀入的值Vrst減去V0就得到計算需要用的電壓Vread=Vrst-V0;（包括兩個軸方向的電壓Vready、Vreadx）

7.求得

8.K=β-γ,goto6

經過2051處理后得出的數值，在時鐘的配合下用一個I/O口模擬PWM輸出，傳給C52單片機。5、傳感器檢測信息與控制系統(tǒng)相互關聯(lián)機器人玩具的方向控制的核心部件就是HMC1022兩維磁阻微電路芯片，它的機構是四臂的惠斯通電橋，將磁場轉化為差動輸出的電壓，可以檢測低至85微高斯的磁場信號，這種低成本的傳感器相比傳統(tǒng)型號的同類產品具有更小的體積和更低的功耗。供電電源為3V-10V直流電壓。本設計中采用的HMC0122采用的是16腳SOIC封裝，集成了兩路的惠斯通電橋，測出平面的X軸和Y軸的磁場信號，這樣就可以獲得水平面上方向的完整信號。

比較特殊的是Honeywell公司的這種磁阻傳感器帶有一個獲得專利的置位/復位電路。

圖2和圖3分別是HMC1022內部電橋和置位/復位電路電路設計。

圖2

圖3

二、位差超聲波傳感器在智能玩具機器人中的應用1、應用背景目前國內生產的電子玩具技術含量較低，由于不具備智能化，利潤空間小，受歡迎程度低。近年來，伴隨計算機技術的高速發(fā)展，智能控制器的發(fā)展迅速，一些典型的智能玩具如輪式移動機器人在部分院校教學中得到推廣，因為智能玩具機器人是一個典型的機電一體化系統(tǒng)，它融合制造技術、機械、電子、傳感器、計算機和人工智能等眾多先進技術，是進行工程訓練、教學實驗和研究的理想平臺，在電子學教學領域中有著諸多的研究價值。傳感器是智能機器人獲取外界數據的"感知系統(tǒng)",離開智能傳感器的機器人大多是些功能單一，不具備思維能力，有些甚至是底盤基座固定式的，使得這些機器人只能固定在某一位置按照事先設定動作進行機械式的重復操作，其應用范圍僅限于工業(yè)生產中的重復性工作，不便于普及和推廣，可見基于傳感器的智能控制器在實現(xiàn)玩具機器人的智能化的作用中不可或缺，筆者介紹了一種基于超聲波原理的位差超聲波傳感器在智能玩具教育機器人中的應用，通過較為具體的設計過程介紹了智能玩具機器人距離測試系統(tǒng)的軟硬件設計方法，并對位差超聲波傳感器的性能指標和一些關鍵技術作較深入地探討，提出了一些編程控制技巧及算法。2、傳感器應用狀況超聲波傳感器在非接觸性測量方面的應用非常廣泛，可用于檢測液體水位（特別是具有腐蝕性的液體，如硫酸、硝酸液體），汽車倒車防撞系統(tǒng)，金屬（或非金屬）探傷，機器人感知系統(tǒng)設計等，利用位差超聲波傳感器與51單片機構成智能玩具機器人的"距離感知系統(tǒng)",具有電路接口簡單，成本低廉，穩(wěn)定性好等特點，但其測量精度受到位差超聲波傳感器的最大測量距離以及與被測物體反射角等的限制。3、差動式電容載荷傳感器結構及工作原理采用"MCU+傳感器+顯示設備+執(zhí)行機構"的總體設計方案，要求MCU對非接觸式傳感器獲取的外部距離信息進行計算轉換，將得出的智能玩具機器人與前方障礙物的距離值送到顯示設備顯示，并根據程序設定的距離閾值控制智能玩具機器人實現(xiàn)自動導航功能，系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。圖1系統(tǒng)硬件框圖其中系統(tǒng)MCU采用目前性價比較高的AT89C51單片機，利用"位差超聲波傳感器"作為距離傳感器，以非接觸的形式測量前方物體的距離；顯示設備采用LCD1602液晶顯示模塊；執(zhí)行機構采用PARALLAX公司生產的連續(xù)旋轉伺服電機，其優(yōu)點是編程控制方便且不需額外增加驅動電路，圖1中超聲波傳感器測距的工作原理如圖2所示。圖2超聲波傳感器測距的工作原理4、測量電路超聲波傳感器與單片機系統(tǒng)進行接口構成距離檢測的硬件系統(tǒng)，在系統(tǒng)軟件的控制下，單片機向位差超聲波傳感器發(fā)送的一個觸發(fā)脈沖，位差超聲波傳感器被此脈沖觸發(fā)后會產生一道短40kHz的脈沖電信號，此40kHz的脈沖電信號通過激勵換能器處理以后，將轉換成機械振動的能量，其振動頻率約在20kHz以上，由此形成了超聲波，該信號經錐形"輻射口"處將超聲波信號在空氣中以每秒約1130英尺的速度向外發(fā)射出去。當發(fā)射出去的超聲波信號遇到障礙物以后，立即被反射回來。接收器接收到反射回來的超聲波信號后，通過其內部轉換，將超聲波變成微弱的電振蕩，并將信號進行放大，就可得到所需的脈沖信號，此脈沖信號再返回給單片機，表示回波被探測，這個脈沖寬度就是對應于爆裂回聲返回到傳感器所需時間，其時序如圖3所示。圖3位差超聲波傳感器工作時序圖5、傳感器檢測信息與控制系統(tǒng)相互關聯(lián)測距子程序設計根據位差超聲波傳感器的時序原理圖，對C51單片機內部定時/計數器編程，實現(xiàn)對前方物體距離的測量并將測量結果在LCD模塊上顯示。測距子程序的基本設計算法，用流程圖表示如圖4所示。圖4測距子程序流程圖程序設計思路主要分為2步：1）根據位差超聲波傳感器的控制時序圖（圖3），啟動位差超聲波距離傳感器，即通過單片機編程，給超聲波傳感器的信號引腳提供一個持續(xù)時間為5μs的高電平，然后拉低信號引腳750μs,這樣位差超聲波傳感器就被啟動，發(fā)出超聲爆裂，與此同時，啟動單片機的定時器開始計數，當超聲波遇到物體時會立即反射回來，位差超聲波傳感器的接收器接到回波時，會自動拉低其信號引腳的電平，單片機查詢到此引腳的電平下降沿到來時停止定時器計數，此時定時器計數值就間接反應了超聲波從反射到返回所經歷的時間。2）讀出定時器的計數值除以2,便得到超聲波在遇到被測物體返回的時間，根據：距離=速度×時間，就可以計算出前方物體的距離，因超聲波在常溫下的空氣介質中傳播的速度大約為344m/s,即29.034μs超聲波能傳播1cm,具體編程時在程序中用語句x=count/29.034來計算距離值，獲得被測距離值后，調用LCD顯示函數將距離值在LCD模塊上顯示出來。超聲波導航程序設計利用位差超聲波距離傳感器測得的"距離"信息，可以引導智能玩具機器人實現(xiàn)避障行走。當智能玩具機器人距離前面障礙物小于20cm時，它會向左拐改變行進方向，避免與物體碰撞，下面簡要分析以超聲波導航程序的基本設計思路，程序設計算法用流程圖表示如圖5所示。圖5超聲波導航程序流程圖程序通過反復調用超聲波測距子程序，獲取智能玩具機器人前方被測物體的距離值；判斷距離是否在設定閾值以內，若大于程序設定的距離閾值，調用函數Forward（），驅動智能玩具機器人前進；若小于程序設定的距離閾值，調用Backward（），驅動智能玩具機器人后退一段距離；接著又調用Left_Turn（），驅動智能玩具機器人左拐后程序再返回重復以上過程。三、機器人傳感器的發(fā)展趨勢未來機器人傳感器技術的研究，除不斷改善傳感器的精度、可靠性和降低成本等外，隨著機器人轉向微型化、智能化，以及應用領域從工業(yè)結構環(huán)境拓展至深海、空間和其他人類難以