[信息与通信]张超警用智能排爆机器人.doc

北华大学毕业设计（论文）摘要排爆机器人，是排爆人员用于处置或销毁爆炸可疑物的专用器材，避免不必要的人员伤亡。它可用于在种复杂地形进行排爆。主要用于代替排爆人员搬运、转移爆炸可疑物品及其它有害危险品；代替排爆人员使用爆炸物销毁器销毁炸弹；代替现场安检人员实地勘察，实时传输现场图像；可配备散弹枪对犯罪分子进行攻击；可配备探测器材检查危险场所及危险物品。本文设计的排爆机器人是应用在警务工作中，协助警务人员排除危险物。主要利用CCD摄像头进行路径识别，实现自动行走，探测危险物体，并设置拾取装置，自动将其危险物带离现场。警务人员利用无线通讯模块实现实时远程监控，利用语音模块进行机器人的每一个状态的播报，保证其运行期间安全可靠。排爆机器人的控制单元采用飞思卡尔公司的汽车电子控制类S12系列单片机，能通过片内高速模拟-数字转换器对CCD摄像头信号进行采集，STC12C5410AD单片机作为为辅助单片机，通过PTR8000+组成的无线通信网络，充分利用串口通讯技术以及无线传输协议实现了控制台( PC 机) 与机器人之间的远距离信息交互。通过片内高速模拟-数字转换器对CCD摄像头信号进行采集，引导机器人顺利进入现场，检测到任意位置放置的可疑铁磁材料薄片，并将其搬移到指定地点；机器人的底盘驱动以履带式电动车为载体，采用差速控制。 本设计具有实现容易，成本低廉，运行线路更改灵活，扩展性强，行驶可靠性高等特点。关键字：排爆机器人，自动寻迹，无线传输，语音播报，远程监控AbstractDesign of defusing robot, is the explosives disposal personnel for disposal or destruction of explosive objects suspicious dedicated equipment, to avoid unnecessary casualties. It can be used to carry out the kinds of complex terrain INAROE. Mainly used in explosives disposal personnel in lieu of transportation, the transfer of explosive substances and other harmful suspicious of dangerous goods; instead of defusing the use of explosive device destroyed a bomb destroyed; security staff instead of the field investigation at the scene, real-time image transmission at the scene; it can be equipped with shotgun molecular attack; can be equipped with inspection equipment to detect hazardous and dangerous goods.In this paper, the design of defusing robot is used in police work, help police officers to rule out the possibility of hazardous materials. Used CCD camera to recognition, automatic walking, to detect dangerous objects, and set up pick-up device, automatically removed from the scene of hazardous materials. Police officers use wireless communications for real-time remote monitoring and control module, using voice module to broadcast robot of each state, and ensure safety and reliability during its operation. The restraining units of design of defusing robot use the S12 series MCU in motor electronic domination of Freescale Semiconductor. The robot wireless transmission units of used the STC12C5410AD series MCU, convent the PTR8000+ Constituted the wireless communication networks; the EOD robot (explosive disposal robot) using serial interface, data transport transmitter- receiver according to the specific requirement of EDO robot. It can collect signals of CCD camera by on-chip high-speed analog-to-digital converter. Guided the robot go to danger zoom, to detect suspicious placed anywhere on thin ferromagnetic material, and move to the starting point; Robot crawler chassis to drive electric vehicles as the carrier, the use of differential control.The design of easy, low-cost and flexible operation of circuit changes, scalability, and reliability of high traffic.Key Words：EDO-Robot;Automatic Guided；Wireless transmission；Voice broadcast；Remote Monitoring- 2 -目录摘要- 1 -Abstract- 2 -引言- 1 -1智能警用排爆机器人系统简介- 2 -1.1系统概述- 2 -1.1.1背景意义- 2 -1.1.2智能机器人分类及应用- 3 -1.1.3智能警用机器人国内外发展状况- 4 -1.2设计主要工作及完成任务- 5 -2系统设计- 6 -2.1总体设计方案- 6 -2.1.1设计思路- 6 -2.1.2方案论证- 7 -2.1.3测速方案- 8 -2.2系统的各组成模块- 8 -2.2.1车体的选择和控制方式- 8 -2.2.2无线通信网络单元电路的设计- 9 -2.2.3铁磁材料拾取单元- 9 -2.2.4直流电机驱动电路- 10 -2.2.5主控单元介绍- 11 -3硬件设计- 12 -3.1智能排爆机器人系统组成- 12 -3.2主要单元电路设计- 12 -3.2.1系统底盘驱动方式的选择- 12 -3.2.2拾取单元的设计- 13 -3.2.3视觉导航模块的设计- 13 -3.3各模块的设计- 14 -3.3.1无线通讯模块的设计- 15 -3.3.2LCD显示模块的设计- 16 -3.3.3语音模块的设计- 16 -3.3.4上位机显示模块的设计- 17 -3.4硬件系统的PCB设计- 18 -4软件设计及流程- 21 -4.1软件介绍及应用- 21 -4.2程序流程- 23 -4.3图像的采集与处理- 24 -4.3.1摄像头模拟信号的采集- 24 -4.3.2中间点检测法和边缘检测法提取黑线- 25 -4.3.3图像信息的滤波- 27 -4.4智能警用机器人各运行状态控制流程- 27 -4.4.1进入障碍区- 28 -4.4.2第一圈检测障碍物- 28 -4.4.3剩余区域危险物的检测- 29 -4.4.4位置调整及拾取障碍物- 30 -4.4.5返回起点- 30 -4.5电机的数字PID控制- 31 -4.5.1数字PID控制算法- 31 -4.5.2电机速度的获取- 33 -4.5.3电机转速的PID程序设计- 33 -4.6无线通讯模块- 34 -4.6.1数据无线发送流程- 34 -4.6.2数据无线接收流程- 36 -5上位机软件开发- 38 -5.1上位机系统功能概述- 38 -5.2位机软件简介- 38 -5.3上位机显示的实现方式- 39 -5.3.1串口通讯简介- 39 -5.3.2串口通讯的函数及参数设置- 40 -5.3.3警用智能排爆机器人的运行时间计算- 42 -5.3.4图形化的具体实现- 42 -5.3.5警用智能排爆机器人监控系统设计- 43 -6系统调试- 44 -6.1摄像头位置校准- 44 -6.2调试拾取装置- 44 -6.3测试结果- 45 -结论- 46 -参 考 文 献- 47 -附录AMC9S12DG128单片机系统原理图- 48 -附图B 驱动电路和电源管理电路原理图- 49 -附图C STC12C5410AD单片机最小系统原理图- 50 -附图D 上位机图形界面- 50 -致谢- 51 -引言本设计通过对排爆机器人的功能详解以及社会的需求程度，随着世界人民对和平的追求，排爆机器人的研发越来越受到人民的关注。过去，由于自动控制技术的不够成熟，图像采集及处理的硬件设备运行速度低，制约了排爆机器人的发展。近些年，随着科学技术的发展，视频设备及计算机硬件运行速度得到了很大提高，越来越多的研究者们投入到排爆机器人领域中。排爆机器人，是排爆人员用于处置或销毁爆炸可疑物的专用器材，避免不必要的人员伤亡。它可用于在种复杂地形进行排爆。主要用于代替排爆人员搬运、转移爆炸可疑物品及其它有害危险品；代替排爆人员使用爆炸物销毁器销毁炸弹；代替现场安检人员实地勘察，实时传输现场图像；可配备散弹枪对犯罪分子进行攻击；可配备探测器材检查危险场所及危险物品。排险机器人是完成特种作业的先进机器人，是集计算机、传感器、车体驱动、远程通信以及武器控制等技术所构成的高技术产品。它是综合了计算机、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，是当代研究十分活跃、应用日益广泛的领域。根据研究部门提供的资料发现，使用智能警用排爆机器人的好处有：提高安全性，增强排爆的成功率，减少人员伤亡，促进世界和平发展。1 智能警用排爆机器人系统简介1.1 系统概述排爆机器人，是排爆人员用于处置或销毁爆炸可疑物的专用器材，避免不必要的人员伤亡。它可用于在种复杂地形进行排爆。主要用于代替排爆人员搬运、转移爆炸可疑物品及其它有害危险品；代替排爆人员使用爆炸物销毁器销毁炸弹；代替现场安检人员实地勘察，实时传输现场图像；可配备散弹枪对犯罪分子进行攻击；可配备探测器材检查危险场所及危险物品。从国内外多种危险作业机器人的技术角度可以看出，排险机器人是完成特种作业的先进机器人，是集计算机、传感器、车体驱动、远程通信以及武器控制等技术所构成的高技术产品。它是综合了计算机、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，是当代研究十分活跃、应用日益广泛的领域。其应用环境属于非结构环境或危险、恶劣环境，即环境状况复杂多变，地面高低不平，存在坡、沟和障碍物。因此，排爆机器人在标准化、模块化、控制系统智能化、通讯系统网络化等方面的发展趋势是该机器人的关键技术1。 本设计主要完成智能排爆机器人的自动寻迹，自动寻找危险物、并进行拾取和移除，同时可进行远程实时监控为。在视觉导航方向应用CCD摄像头进行路线识别，以危险区周围的黑线为基准，通过白线与黑线的对比值作为寻迹的依据。以往的自动寻迹车都是沿着一条黑线进行行走，但此设计中，进入障碍区后便没有了参考线，这是智能排爆机器人要实现完全自动进行铁磁材料搜索的关键。1.1.1 背景意义近几年据国家安全部门相关统计结果显示，世界范围内的恐怖事件越发增多。特别在全球共同追求和平世界的在环境下，我们必须要注意提高自身的防御能力，减少在安全防护方面的人员伤害，减少人员伤亡。因此警用智能排爆机器人也是当前国家安全系统研发的重大项目之一。随着人们日益追求和平、发展这两大主题的不断提高。很多高科技安全防护工具也孕育而生，但是，危机人民生命财产的恶性事件依然时有发生。从2001年发生在美国的“9.11”事件，到2002年发生在印尼的巴厘岛爆炸事件；从2004年发生在西班牙的马德里连环爆炸案，到2005年发生在英国的伦敦爆炸案这个世界没有一天真正安宁过。可想而知，有多少人在恐怕事件中无家可归，失去生命。如今，西方各主要工业国均将打击恐怖、消除恐怖分子列为政府工作的重要任务。为了尽快结束恐怖战争和减少其所带来的损失，高技术警用装备的研究与开发，已成为先进警用装备发展的必然趋势。我国为了配合国际“反恐”斗争和迅速提高我国公安装备的高科技含量，如果给各大中城市公安武警部门均配备这种反恐防爆机器人，今后几年内需求量可达几百台以上，特别是我国即将举办2010年世界博览会，因此，对具有排险、排爆、排毒等功能的危险环境作业机器人的需要极为迫切。这为我国这一行业的发展客观上提供了广阔的空间，同时也为形成生产有一定批量的排险机器人提出了要求，更为将来我们十几年的研究成果转化为批量性的产品提供了难得的机遇。随着智能化的不断发展，近些年国家对危险作业的警务工作也花费了大量的人力和物力，可代替人工完成危险作业的人工智能机器设置得到了广泛的发展。危险作业机器人在国际上应用相当广泛，它属于用在非结构环境中的特种机器人。研究移动机器人在非结构环境中的使用，最早始于上世纪六十年代，那时，美国与前苏联为探查月球而着手研究能在月球表面行驶的探查机器人，经过十年左右时间，美苏先后将移动机器人送到月球。随后，美国等国家将该机器人技术向军用及民用方面发展，危险作业机器人即移动机器人应用的重要标志之一，它是一种专用机器人。近几十年来，随着国际社会发展的具体情况不断变化，世界各国也根据国际大环境的实际情况和不同使用要求，又先后研究开发出很多种用于危险作业的机器人。危险作业机器人的实际意义在于，通过无线或有线方式遥控操作机器人代替人到危险环境中去执行一些危险任务，它能到有危险爆炸物、辐射、毒气等一些人们不易接近的环境作业，即使不幸发生事故，也不会造成人员伤亡，从而最大程度上保证了人员安全和财产免受损失2。1.1.2 智能机器人分类及应用按照操作方法，排爆机器人分为两种：一种是远程操控型机器人，在可视条件下进行人为排爆，也就是人是司令，排爆机器人是命令执行官；另一种是自动型排爆机器人，先把程序编入磁盘，再将磁盘插入机器人身体里，让机器人能分辨出什么是危险物品，以便排除险情。由于成本较高，所以很少用，一般是在很危急的时候才肯使用。 按照行进方式，排爆物机器人分为轮式及履带式，它们一般体积不大，转向灵活，便于在狭窄的地方工作，操作人员可以在几百米到几公里以外通过无线电或光缆控制其活动。机器人车上一般装有多台彩色CCD摄像机用来对爆炸物进行观察；一个多自由度机械手，用它的手爪或夹钳可将爆炸物的引信或雷管拧下来，并把爆炸物运走；车上还装有猎枪，利用激光指示器瞄准后，它可把爆炸物的定时装置及引爆装置击毁；有的机器人还装有高压水枪，可以切割爆炸物。1.1.3 智能警用机器人国内外发展状况在西方国家中，恐怖活动始终是个令当局头疼的问题。英国由于民族矛盾，饱受爆炸物的威胁，因而早在60年代就研制成功排爆机器人。英国研制的履带式“手推车”及“超级手推车”排爆机器人，已向50多个国家的军警机构售出了800台以上。最近英国又将手推车机器人加以优化，研制出土拨鼠及野牛两种遥控电动排爆机器人，英国皇家工程兵在波黑及科索沃都用它们探测及处理爆炸物。土拨鼠重35公斤，在桅杆上装有两台摄像机。野牛重210公斤，可携带100公斤负载。两者均采用无线电控制系统，遥控距离约1公里。在法国，空军、陆军和警察署都购买了Cybernetics公司研制的TRS200中型排爆机器人。DM公司研制的RM35机器人也被巴黎机场管理局选中。德国驻波黑的维和部队则装备了Telerob公司的MV4系列机器人。我国沈阳自动化所研制的PXJ-2机器人也加入了公安部队的行列。美国Remotec公司的Andros系列机器人受到各国军警部门的欢迎，白宫及国会大厦的警察局都购买了这种机器人。在南非总统选举之前，警方购买了四台AndrosVIA型机器人，它们在选举过程中总共执行了100多次任务。Andros机器人可用于小型随机爆炸物的处理，它是美国空军客机及客车上使用的唯一的机器人。海湾战争后，美国海军也曾用这种机器人在沙特阿拉伯和科威特的空军基地清理地雷及未爆炸的弹药。美国空军还派出5台Andros机器人前往科索沃，用于爆炸物及子炮弹的清理。空军每个现役排爆小队及航空救援中心都装备有一台Andros VI。可以上楼梯,配备40颗子弹3。随着我国经济实力的不断增强，科技力量的不断进步，虽然我国在危险作业机器人的研究与开发工作晚于西方发达国家，相差大约二十年。我国把危险作业机器人列为特种机器人，这方面的机器人及相关技术，早在80年代末期就已列入国家高技术“836”计划。经过近二十年的发展，目前已研究并开发出多种危险作业机器人。我国第一台仿照英国排爆机器人研究开发的国产化排爆机器人，是吉林江北国营机械厂研制的。功能与英国“土拨鼠”排爆机器人差不多，安装机械手，采用有线遥控方式控制。“十一五”期间，在国家863项目支持下，我国又新研制了多种类型的危险作业机器人。其中北京金吾高科和广州卫富等单位的机器人在反恐防爆方面的产品尤为突出，我国在智能排爆机器人的研发领域已经有了成足的发展4。如今，国际上危险作业机器人的发展不仅速度很快，而且种类繁多，特别是在机器人的可靠性方面还是一个很大的难题。为此我们还要不断努力，研发出性能可靠、产质量过硬、性价比较高的产品，来满足国内市场的需求5。1.2 设计主要工作及完成任务此设计针对现代国际社会的需求做出分析，主要将实现排爆机器人的智能程度，增强实际的应用性，使其能够实现无人控制状态下在指定区域内，进行爆炸物的搜索和移除。重点解决在无引导线的区域内实现自动寻迹，在最短时间内分析区域内的危险物，并用其抓取工具将搜索到的铁磁物质顺利移除到指定地区。重点完成利用视觉导航技术，实现智能机器人的自动行走；利用无线通讯技术实现远程监控及数据的传送；利用上位机软件设计图形界面，加强人机交互功能；设计铁磁材料拾取装置，进行危险物的拾取和搬移。本课题的主要研究内容包括：（1）排爆机器人的相关领域的研究现状。本文首先概要介绍了与智能小车相关的机器人、智能车辆和月球车的发展历史、国内外研究现状。（2）排爆机器人的关键技术。论文简单介绍了智能车的关键技术，包括：图像采集、驱动、远程监控、自动拾取装置和无线通讯技术。（3）排爆机器人运动控制系统硬件设计。详细介绍了智能小车运动控制系统的硬件电路的设计与实现。智能车选择MC9S12DG128作为核心处理器，采用履带式行进方式，利用差速控制的方法。同时采用光电编码器采集速度，与给定速度作比较，构成PID闭环控制。（4）智能机器人的速度控制方法。针对智能机器人运动控制系统的非线性和外界环境的不确定性，利用脉宽调制技术PWM控制电机的速度。（5）智能机器人远程控制方法。基于MC9S12DG128的智能车控制器能够接收传感器信号，并能实时响应各种外设事件，为智能机器人提供一个功能强大并具有一定扩展性的硬件平台。重点就智能车的远程控制进行了研究，本系统的无线传输模块采用的是PTR8000+。- 5 -北华大学毕业设计（论文）2 系统设计本自动排爆机器人是由履带式车体为载体、电机控制模块、视觉导航模块、LCD液晶显示模块、语音播报模块和红外线检测等模块组成。摄像头对可疑铁磁物质进行检测，并将信息发送给主控单片机，单片机对此信息进行分析处理，驱动直流电机运动；同时将时间、小车运行状态等信息发送给LCD液晶显示模块及PC机显示模块，实时显示自动排爆车的运行状况；语音播报模块实现语音提示。2.1 总体设计方案2.1.1 设计思路假定图2.1为一排除危险物的实际场地，A点为入口点，B点为进入危险区标志，C点为机器人拐点标志，D点为危险物。现要把危险物从危险区中移除，排爆机器人根据AB点中心线的两侧为参考线，顺利进入危险区，到达B点后，排爆机器人首先沿外侧线进行搜索，当一次搜索没有找到目标后，进行第二次搜索，并改变车体与外沿线的距离，到达内圈进行检测，依此方式不断进行调整，直至检测到铁磁物体。若经过遍历检测后无危险物则按原路径自动返回，当检测到危险物后利用自制的铁磁拾取装置进行移除。在此期间实时通过无线通讯模块进行状态的传送，通过语音播报和上位机界面显示进行远程监控。图2.1 排爆区示意图其系统方案框图如图2.2所示。为了实现各模块的功能，提出了几种设计方案并进行论证。图2.2 系统方案框图2.1.2 方案论证（1）铁磁材料检测模块方案一：由于本设计针对的检测铁磁材料，因此，采用电感式接近开关，可以有效地采集金属片。但是，接近开关一般的有效距离在4mm8mm左右。在市场上也有在10mm以上的接近开关，价格在二十元左右，而且单体的检测范围是16mm，检测距离短、范围小，不宜使用。方案二：由于铁磁材料本身的颜色与区域内背景色差别较大，而且其特征与黑线特征区别较大，故摄像头可以将材料与区域背景和黑线区别开。因此可以采用摄像头来检测铁磁材料。综合以上方案，因为方案二灵敏度合适，响应速度好，故选择此方案。（2）导航模块方案一：区域边缘和引导线使用的都是黑线，因此可以利用白色场地和黑线的颜色反差利用黑线来导航。采用红外线传感器可以完成导航任务，多个红外线漫反射传感器排成一字形，并放在小车的正前方。当中间的传感器检测到黑线时，可以说明黑线在车体的中间，小车将沿黑线前进；当偏左的传感器检测到黑线时，说明车体在黑线的偏右侧，此时，小车应该向左拐一个较小的角度；其它情况则同理，这样小车就能始终沿着黑线前进了。使用红外线传感器的优点在于检测速度快、实时性好，能够及时地检测到异常情况。缺点是小型红外线传感器探测距离短，限制小车运行速度，而较大型传感器虽然探测距离长，但其体积大，会造成车体大、重量大，小车不够灵活，稳定性不好。另外，红外线传感器采集的信息量也很少。方案二：导航模块也可采用CCD摄像头。摄像头采集的是面阵信息，相当于上千个红外线传感器采集的信息，且具有体积小，重量轻的特点。小车利用摄像头采集一定的面积信息，分析出黑点和白点个数及坐标，黑点坐标连续的区域就是黑色引导线，小车利用判断黑线相对于车体的位置来控制小车的方向。本设计采用了方案二，通过视觉导航模块对黑色引导线的检测引导排爆机器人进入危险现场，从而驱动和控制直流电机，使电动车运行满足要求。该模块采用CCD摄像头对路面信息进行采集，输出标准的视频复合信号，利用同步信号分离芯片LM1881和单片机的AD转换器可以对视频信号进行采样，得到CCD图像数据，这样就可以得到黑色引导线轨迹在图像上的点阵。由相邻两个像素点的差值可以判定黑线的位置。控制器模块采用MC9SDG128飞思卡尔单片机和STC12C5410AD单片机；语音功能模块采用凌阳单片机本身带有的语音功能，实现方便；液晶显示模块采用STC12C5410AD单片机控制LCD12864进行状态显示；红外检测模块采用RPR220红外检测传感器；无线通信网络模块采用STC12C5410AD单片机和PTR8000+装置；上位机远程监控采用凌阳单片机与PC机串口相联，接收串口数据后进行显示，串口的信息是凌阳单片通过无线接收模块PTR8000+接收由下位机发送的信息。2.1.3 测速方案为了精确地获取履带车辆的行驶速度，在主动轮齿圈附近安装了一对光电传感器( E3f-5i透射式光电开关)，当车辆稳定行驶时主动轮齿在光学传感器之间旋转，传感器将产生间断的脉冲信号，测量该脉冲信号的周期可以间接地获得主动轮的运动周期，从而换算出主动轮齿圈处的线速度，在不考虑履带滑移的情况下，可以近似地认为该线速度就是车辆的行驶速度。若主动轮有效旋转半径为，齿数为，光学传感器产生的脉冲信号周期为，则主动轮的旋转周期为，所以主动轮的平均线速度 ： （1）试验时，通常在两侧主动轮都安装传感器，这样不但可以提高试验的可靠性， 还可以获得车辆在非直线运动时，两侧履带的速度差，进而可以获得车辆行驶过程中的转弯半径等一些更全面的试验数据。2.2 系统的各组成模块2.2.1 车体的选择和控制方式本设计中采用RP6坦克车体作为机器的人载体，车体的特点在于：履带式车底盘为载体，灵活性好；车体的前方和后方有对称架置的扩展模块，具有防碰撞系统；2个自由的数据模块转换通道，也可以作为数字输入输出接口；精确的5V电压调节器，超低的待机电流消耗，可更换的2.5A保险丝，由6个镍氢蓄电池作为电源，外部蓄电池充电接口。由于排爆的场所地形复杂，故选择可越障并且在小区域内可随意转弯的履带式小型坦克车，为了满足智能机器人能够在的小的移动范围内行动自如，故驱动方式选择差速控制。2.2.2 无线通信网络单元电路的设计本系统利用多片PTR8000+组成了无线通信网络，完成信息的无线采集和传输。在无线通信网络中，铁磁材料检测单元将采集的信息通过无线方式实时地传给排爆机器人。它将从铁磁材料检测单元获得的状态信息、检测时间以及其它控制信号通过无线方式传递给显示器和语音播报装置。nRF905单片无线收发器工作在433 / 868 / 915MHZ的ISM频段。由一个完全集成的频率调制器，一个带解调器，一个功率放大器，一个晶体震荡器和一个调节器组成。ShockBurst工作模式的特点是自动产生前导码和CRC。可以很容易通过SPI接口进行编程配置。电流消耗很低，在发射功率为10dBm时，发射电流为11mA,接收电流为12.5mA。进入POWERDOWN模式可以很容易实现节电。图2.3 带有外部元件的nRF905结构框图2.2.3 铁磁材料拾取单元铁磁材料的拾取是利用电磁铁来实现的，用7.2V供电，电流可达到0.5A。电磁铁采用普通继电器线圈，管脚连接如图 2.4所示，当摄像头检测到铁磁材料并进入拾取的有效距离时，单片机管脚输出高电平，控制继电器吸合，可拾取该铁磁材料并移除危险区。图2.4 拾取铁磁材料电路图2.2.4 直流电机驱动电路本设计中电动车电机的驱动器选用了飞思卡尔公司生产的MC33886型号的H桥MOS驱动器，可以实现电机的双向运行，驱动电压范围为540伏，内阻小于120毫欧，PWM输入频率最高10KHZ，驱动电流可达5安培。并且片内集成了多种保护电路，如过流保护和过热保护可有效保护驱动芯片和电动车电机。动机系统的驱动电路采用集成电机驱动芯片MC33886，驱动电路如图2.5所示。图2.5 MC8311硬件连接图2.2.5 主控单元介绍MC9S12DG128飞思卡尔单片机是Freescale公司推出的S12系列微控制器中的一款增强型16位的单片机。其集成度高，片内资源丰富，接口模块包括SPI、SCI、I2C、A/D、PWM等。在本题目中选用MC9S12DG128的PWM单元产生2路8位的PWM波来驱动车体。用片载A/D芯片对摄像头所摄取的影像进行数据转换6。该系列产品中112引脚封装的MC9S12DG128型号的单片机具有128K的LASH，2K的EEPROM和8K的RAM存储器，2个AD转换器，8通道PWM脉宽调制器，2个SCI和2个SPI收发器等，IO引脚总数达91个，实际运行系统时钟可达40MHZ。此外该单片机具备上电复位，低压复位，时钟监视复位多种保护措施，支持方便的景调试功能，故本设计选择该型号单片机作为电动车的控制器。其管脚分部如图2. 6所示：图2.6 MC9S12DG128单片机管脚分部图- 21 -3 硬件设计3.1 智能排爆机器人系统组成本智能排爆机器人系统由16位飞思卡尔单片机作为主控制器，为了提高主控器的采集速度和对铁磁物识别的准确率，为此增加一个8位STC12C5410AD单片机进行双机通讯，其中飞思卡尔单片机MC9S12DG128主要进行图像的采集，实现寻迹、控制电机和正确识别危险物；而STC12C5410AD单片机负责进行无线通讯网络的信号传送，通过接收相应的状态指示命令，实现上位机界面监控、语音播报、LCD显示，全方位多角度进行实时监控。具体硬件框图如图3.1所示：图3.1 警用智能排爆机器硬件结构图3.2 主要单元电路设计3.2.1 系统底盘驱动方式的选择为了提高履带式电动车的转向控制性能，应用了电子差速控制策略，该控制策略参考路面状况和履带偏转率，采用比例控制估算每个驱动轮在转向时的目标滑移率，基于每个驱动轮的滑移率分配转矩，指出履带式驱动不宜采用车轮速度作为控制量，进而采用鲁棒性好的开关控制实施转矩控制。并构建了，用于样车的基于电子差速控制系统，提高了控制系统的鲁棒性和稳定性，使车体具有更佳的转弯性能和控制响应。为了实现机器人在小范围内可以行动自如，本设计采用坦克车作为底盘驱动，以差速控制方式进行车体行进控制7。3.2.2 拾取单元的设计铁磁材料的拾取是利用电磁铁来实现的。但由于所需要的小型电磁铁在市场很难碰到。因此，我们拆开普通继电器，使用其中线圈的铁磁性以达到拾取铁磁材料的要求。本系统中拾取铁磁材料实物如图3.2所示，当摄像头检测到铁磁材料并进入拾取的有效距离时，则利用继电器拾取该铁磁材料。图3.2 继电器实物图3.2.3 视觉导航模块的设计该模块采用CCD摄像头对路面信息进行采集，输出标准的视频复合信号，利用同步信号分离芯片LM1881和单片机的AD转换器可以对视频信号进行采样，得到CCD图像数据，经过二值化处理就可以得到黑色线轨迹在图像上的点阵。由相邻两个像素点的差值可以判定黑线及铁磁物质的位置。LM1881的端口接线方式如图3.3所示。LM1881是美国国家半导体公司出品的视频同步信号分离器。它可以对视频信号进行同步分离。以其为核心组成视频同步信号分离电路，将摄像头发出的视频信号中的行同步信号和场同步信号分离出来，单片机以此来判断每一帧图像的起始时刻以及图像每一行的起始时刻，从而使单片机能够对图像信号以一定的时序逻辑进行采集8。图3.3 LM1881电路原理图 图3.4为LM1881的应用电路，视频信号通过C1耦合送至LM1881的2输入引脚，它的1引脚为行同步信号，3引脚为场输出信号，7引脚则为奇偶场输出信号。图3.4 LM1881应用电路图图3.5为LM1881与MC9S12DG128单片机的连接方案，视频信号在传送给LM1881的同时，接至MC9S12DG128单片机的AD0引脚，以便对其进行模数转换。LM1881分离出的行同步信号，场输出信号，奇偶场输出信号分别接至MC9S12DG128单片机的输入捕捉通道PT0，PT1和PT2，这样当行同步信号，场输出信号，奇偶场输出信号到来时，单片机响应对应的中断程序来完成对CCD摄像头视频信号的采集。图3.5 LM1881与单片机连接方案图3.3 各模块的设计 本系统为了提高视频采集的速度和精度，无线通讯部分与视频采集部分用两块不同的单片机进行处理，原因在于无线通讯要实时进行信号的接收，对系统的运行状态实现监控，必然要占用CPU的大量空间，所以把视频采集与无线通讯模块分开来。因此采用双机通讯，由STC12C5410AD单片机进行无线通讯模块的总体控制，负责与PTR8000的发送端相连，只要主控单片机向STC12C5410AD发送简单的状态指令，STC12C5410AD进行判断后通过PTR8000向LCD显示模块、语音模块、上位机显示模块发送状态显示信号，从而实现无线通讯。3.3.1 无线通讯模块的设计本设计选用了集成了NRF905及其外围电路的无线收发模块，它的用户接口由10个数字输入/输出引脚组成，按照工作可分为模式控制，SPI通讯接口，状态输出接口三组，该模块各引脚详细说明见表3.1。表3.1 NRF905模块引脚说明管脚名称功能方向Pin1VCC正电源1.93.6V输入输入Pin2TXEN发射/接收模式使能输入Pin3TRX_CE发射/接收模式设置输入Pin4POW唤醒/休眠模式设置输入Pin5UCLK时钟分频输出输出Pin6CD载波检测输出输出Pin7AM地址匹配输出输出Pin8DR数据就绪输出输出Pin9MISOSPI输出输出Pin10MOSISPI输入输入Pin11SCKSPI时钟输入Pin12CSNSPI使能，低有效输入Pin13GND电源地Pin14GND电源地其中模式控制由POW，TRX_CE，TXEN组成，控制该模块的四种工作模式，详见表3.2。表3.2 NRF905工作模式POWTRX_CETXEN工作模式0掉电和SPI编程模式10待机和SPI编程模式110射频接收模式111射频发送模式待机模式下NRF905的功耗约为40微安，此时发射/接收电路关闭，只有SPI接口工作，掉电模式下功耗约为2.5微安，此时所有电路关闭，进入最省电状态，在待机和掉电模式下均不能接收、发送数据，但可以进行配置。SPI接口由MISO，MOSI，SCK，CSN组成，在配置模式下单片机通过SPI接口配置工作参数，在发射/接收模式下，单片机通过SPI接口发送和接收数据。状态输出接口则由载波检测输出CD，地址匹配输出AM，数据就绪输出DR组成。3.3.2 LCD显示模块的设计LCD 液晶显示器是 Liquid Crystal Display 的简称，LCD 的构造是在两片平行的玻璃当中放置液态的晶体，两片玻璃中间有许多垂直和水平的细小电线，透过通电与否来控制杆状水晶分子改变方向，将光线折射出来产生画面。本系统利用多片PTR8000+组成了无线通信网络，完成信息的无线采集和传输9。在无线通信网络中，铁磁材料检测单元将采集的信息通过无线方式实时地传给排爆车。它将从铁磁材料检测单元获得的信息、时间以及其它控制信号通过无线方式传递给LCD液晶显示器。图3.7是89C52单片机通过PTR8000+无线通讯控制的显示模块原理框图。图3.6 LCD显示模块原理框图3.3.3 语音模块的设计以下几段段首应该空两个字。为了提高人机交互的功能，方便工作人员动态掌握当前机器人的工作状态，本设计特别使用了语音播报的功能。主要实现方法：通过凌阳单机自带的语音功能，通过录音工具将所要提示的语音压缩后存于单片机内存中，通过接收不同的通讯信号播报当前状态。凌阳单片机与PTR8000+连接如表3.2所示：表3.2凌阳单片机与PRT8000+连接表：凌阳十六位单片机PRT8000凌阳十六位单片机PRT8000+3VVCCAI5SCKAI0TRX_CEAI6MOSIAI1DRAI7MISOAI2CER_UPGNDVSSAI3TXENAI4CSN/*系统初始化程序*/void SysInt(void) _asm(INT OFF);*P_IOA_Dir = 0xff7d;*P_IOA_Attrib = 0xff7d; *P_IOA_Data=0xff1c; /SS=1;POW=1;TXEN=1;TRX_CE=0;发射模式 *P_Watchdog_Clear = 0x0001; /清看门狗 *P_IOB_Dir = 0xfff0;*P_IOB_Attrib = 0xfff0;*P_IOB_Data=0x7f00;*P_TimerA_Ctrl=0x0015; /256Hz*P_TimerA_Data=0xfffe;*P_INT_Ctrl=0x1000; /IRQ1_TMA中断_asm(INT IRQ);_asm(IRQ ON); Delay(100); 3.3.4 上位机显示模块的设计 为了实现远程监控，方便排爆人员更方便的进行现场的状况的分析，本设计采用上位显示的方式进行智能机器人的状态跟踪。上位机接收部分采用凌阳十六位单片机，通过PTR80000的nRF905的SPI接口函数实现无线通讯，再通过串口与PC机相连，进行数据的传送，并显示于上位界面中，可实现计时、状态显示、路径显示。串口是计算机上一种非常通用设备通信的协议。大多数计算机包含两个基于RS232的串口。串口同时也是仪器仪表设备通用的通信协议；很多GPIB兼容的设备也带有RS-232口。同时，串口通信协议也可以用于获取远程采集设备的数据。 串口通信的概念非常简单，串口按位（bit）发送和接收字节。尽管比按字节（byte）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。它很简单并且能够实现远距离通信。通信使用3根线完成：（1）地线，（2）发送，（3）接收。由于串口通信是异步的，端口能够在一根线上发送数据同时在另一根线上接收数据。其他线用于握手，但是不是必须的。串口通信最重要的参数是波特率、数据位、停止位和奇偶校验。对于两个进行通行的端口，这些参数必须匹配。本设计采用RS232九针通讯口，通过凌阳单片机接收PTR8000发送的数据再经串口传送PC的串口，通过上位机软件制作成一个图形界面，进行串口数据的接图3.7 串口通讯电路图3.4 硬件系统的PCB设计单片机系统的PCB设计主要要注意PCB的电磁兼容性和走线的合理，如高频信号的走线要尽量短，还要防止互相干扰，供电线路要保证一定的电流容量，地线要尽可能大的铺设等。晶振电路的PCB设计要注意晶振体和单片机引脚之间的连线尽量要短，这样可以保证其工作的稳定性和避免晶振体的高频信号过多的干扰周围线路。晶振体的下方和周围尽量不要走线，尤其是对信号质量要求高的器件的线路。晶振体的周围和下面尽量用地线包围和覆盖，将晶振体的噪声阻挡起来，也防止其他干扰信号进来。在设计单片机系统供电走线时，为了确保它们各自的稳定性，并避免之间产生相互干扰，我们要分开为他们供电和滤波，并相对分割。图3.8是飞思卡尔推荐的设计方法，可以明显地看到接地敷铜的分割线将各供电模块相对隔离。图3.8 单片机系统供电走线设计示意图图3.9，图3.10，图3.11分别是本设计中主控单元PCB的设计平面效果图，3D效果图和实际图，该PCB板包含了MC9S12DG128的最小系统，LM1881电路，3.3V稳压电路，无线通讯模块接口，SCI通讯接口，拨码开关等。图3.9 PCB设计平面效果图图3.10 PCB设计3D效果图图3.11 PCB设计实际图图3.21，3.13为辅助单片机STC12C5410AD的平面图和3D图。图3.12 STC12C5410AD PCB平面图图3.13 PCB设计3D效果图北华大学毕业设计（论文）4 软件设计及流程4.1 软件介绍及应用CodeWarrior Development Studio（开发环境）是完整的用于编程应用中硬件bring-up的集成开发环境。采用CodeWarrior IDE，开发人员可以得益于采用各种处理器和平台（从Motorola到TI到Intel）间的通用功能性。根据Gartner Dataquest的报告，CodeWarrior编译器和调试器在商用嵌入式软件开发工具的使用率方面排名第一。而这只是流行的CodeWarrior软件开发工具中的两个。CodeWarrior包括构建平台和应用所必需的所有主要工具 - IDE、编译器、调试器、编辑器、链接器、汇编程序等。另外，CodeWarrior IDE支持开发人员插入他们所喜爱的工具，使他们可以自由地以希望的方式工作。图4.1为Codewarrior4.6的主界面10。图4.1 CodeWarrior主界面 CodeWarrior开发环境包括完成大多数嵌入式开发项目所需的所有工具，项目管理器：为软件开发人员处理最高级别的文件管理，按照主要组别组织项目条目；追踪状态信息（例如文件修改日期）；确定每个构建中特定文件的构建顺序及内容；协调插件程序以提供箱