智能灭火机器人

智能灭火机器人 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 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 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 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 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),路数据输入端冢棵肟墒迪?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 1 000 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 100 KB 的数据存储器(RAM)和 512 KB 的程序存储器(Flash ROM) ，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 2 500 MAH，工作电压为 24 V，能提供 40 A 的稳定供电电流，是普通电池的 10 倍;控制器电源采用 8.4 V 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 5 V、3.3 V、1.8 V 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 端口作为电源裳丝凇? (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 16.8 V，电流为 20 A;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-bridge driver)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 10 cm,80 cm。其原理如图 4(a)所示。 该传感器采用三角测量的原理，如图 4(b)所示红外发光二极管发出红外线光束，当红外光束遇到前方的障碍物时，一 部分反射回来，通过透镜聚焦到后面的线性电性耦合器件 CCD(Charge Coupled Device)上，根据红外光线在 CCD 上 聚焦的位置，可知道光线的反射角，进一步折算出物体的距离。由于 PSD 传感器输出电压和实际距离是非线性关系，可 以通过线性插值运算得出其转换近似公式。 根据比赛的需要，机器人应该能够测量不同方向的障碍物的距离，理论上 8 个方位均应设置红外测距传感器;在满足比 赛要求前提下，考虑经济性，本设计采用了 6 个红外测距传感器，其安放位置如图 4(c)所示。通过 1 个或多个传感器 数值可以较精准地确定机器人的位置和墙壁的关系。例如，当正前传感器和左前传感器数值同时很大(距离很小)时， 说明机器人处在一个角落上，前方和左侧均是墙壁，此时可以执行右拐命令，从而走出角落。 (2)远红外火焰传感器组 为能完成灭火任务，机器人必须能确定火焰的大致位置，并能对火焰是否被扑灭做出判断。本文设计了由 28 个红外接 收管组成的 2 个远红外火焰传感器组，前后每个方位各有 14 个红外接收管组成，每 2 个并联并指相同一个方向，2 个传 感器组共指向 14 个方向，可以覆盖 360?范围。如图 5(a)所示，14 个端口通过 CD4051 八路转换开关连接至 ATMEGA8—16PC 单片机，其中 SCK、MISO、MOSI 为位选择端口。此外，本设计还可以通过对 14 路读取数据进行比 较，从而确定其最大最小值及相应端口值，方便火源方位的确定。 通过对远红外传感器组的不同端口值的比较，还可以确定机器人和火源的相对位置， 以判断前进方向，完成趋光动作。 当机器人与火源相对位置如图 5(b)所示时， 可以读取端口 2 和端口 4 的值，并进行作差，端口 2