智能灭火机器人.docx

经过50多年的发展人工智能已形成极广泛的研究领域并且取得了许多令人瞩目的成就[1]。人工智能也称机器智能是一门研究人类智能机理和如何用计算机模拟人类智能活动的学科。智能机器人技术综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术集成了多学科的发展成果代表高技术的发展前沿[2]。智能机器人的研究大大促进了人工智能思想和技术的进步渐渐成为一个备受关注的分支领域各种智能机器人比赛也成为国内外广泛推广和发展的一种竞技项目。智能机器人灭火比赛由美国三一学院于1994年创办目前已成为全球规模最大、普及程度最高的全自主智能机器人大赛之一。硬件电路是智能灭火机器人整体的核心骨架其参数性能及设计的合理性直接决定了智能灭火机器人的性能。本文完成了基于ARM9内核[3]的智能灭火机器人的硬件电路的设计与实现。1硬件电路的总体设计灭火比赛的任务是在一封闭房间模型中随机在其中一个房间里放置蜡烛代替的火源要求机器人在尽可能短的时间里无碰撞地找到火源并完成灭火。根据比赛要求及功能需要灭火机器人的总体结构如图1所示主要由控制器、传感器输入、驱动输出等模块组成。2硬件电路的主要部件分析与设计2.1嵌入式系统为实现机器人高速精确地按照规定路径行走要求机器人的CPU能够实时迅速地读取多个传感器端口数值并在较短的时间内完成对各端口数值的存储、运算和输出等多种任务。由于嵌入式微处理器对实时任务具有很强的支持能力能够完成多任务并且具有较短的中断响应因此在设计过程中选用以嵌入式微处理器ARM9为核心的控制器其内部采用哈佛结构每秒可执行一亿一千万条机器指令。为提高端口数值读取速度使机器人能对周围环境信息做出迅速判断本设计在主芯片上设置了ADC0～ADC7（P4.0～P4.7）８路数据输入端口每秒可实现50万次数据采集；另外又设置20路数据输入端口通过ATMEGA816-PC辅助单片机连接到主芯片上用以读取远红外传感器组及检测端口的数值每秒可实现1000次数据采集。本设计还设置了4路PWM控制信号输出端口用以驱动4路大功率直流电机实现对转速的精确调节；此外还设置了7路Do数字输出端口用以驱动伺服电机、蜂鸣器、继电器、发光二极管等。为了给庞大和复杂的程序提供更多的执行空间本设计附加设置了100KB的数据存储器（RAM）和512KB的程序存储器（FlashROM）用以存储更多的数据和命令。2.2电源和驱动电路设计(1)电源及采样电路电源是保证机器人稳定、可靠运行的关键部件它直接影响着机器人性能的好坏。由于本机器人电机驱动和控制器采用两种不同等级电压的电源为避免2个电源相互干扰本机器人采用双电源供电系统：电机电源采用高放电倍率聚合物锂电池容量为2500MAH工作电压为24V能提供40A的稳定供电电流是普通电池的10倍；控制器电源采用8.4V锂电池并提供电压采样端口以供电池检测电路图如图2所示。为获得CPU各端口电路所需要的不同等级的电压本设计采用1个LM317T三端稳压器和2个AMS1117低压差线性电压调整器并通过其附属电路得到精确稳定的5V、3.3V、1.8V三种电压；采用1个发光二极管LD1和限流电阻R5作为电源指示灯以显示电源开关的状态；为实时采样电源电压防止锂电池过放或过充设计中通过R1、R2分压引出AD19端口作为电源采样端口。（2）直流电机驱动电路由于竞技比赛的需要机器人要在避免碰撞的前提下尽可能提高速度因此要求具有更大功率的驱动器和更灵敏的控制方式。为此本文采用的电机驱动电源电压为16.8V电流为20A；采用占空比范围为0～95%的4路PWM信号控制直流电机以实现精确的调速[4]。由于电机功率较大并要求能实现双向、可调速运行本文设计了半桥式电力MOSFET管成功实现了对电机的控制。如图3所示2路PWM信号通过IR2104半桥驱动器（half-bridgedriver）和相应保护电路连接至型号为IRF2807的MOSFET管控制电源与电动机连接线路的通与断达到控制电机速度的目的。当PWM信号占空比较大时线路导通时间长电机速度大；相反当PWM占空比较小时线路导通时间短电机速度小。4个MOSFET管在不同时刻导通组合实现控制电机转动方向：当MSFET管1和4导通时电机端口1为正、2为负电机正转；当MOSFET管2和3导通时电机端口2为正、1为负电机反转。2.3传感器(1)红外测距传感器红外测距传感器[5-6]是机器人的“视觉器官”通过不断读取其数值并进行判断才能确定机器人所处位置环境以确定机器人下一步该执行什么命令才不致碰撞并按照理想的路线行走。依据比赛场地规格本机器人采用SHARP公司的GP2D12PSD传感器（后面简称PSD传感器）其有效测距范围为10cm～80cm。其原理如图4（a）所