智能网络程控机器人设计

物理与电子工程学院智能网络程控机器人作者：王春英 蒋韦华 执导教师：裴 东、王全州 (届别：2005届 专业：电子信息工程 班级：2001级电子甲班 学号：200172020129 200172020111)摘要：智能网络程控机器人采用功能弥散式计算机加CPLD器件控制系统实现各系统功能，其中远程控制功能采用计算机通过无线网络控制机器人运行，实现远程监视移动中机器人周边环境。跟踪、蔽障、寻线及外围扩展功能则通过CPLD（EPM7218SLC84-15）实现。两系统依据权限协同工作，以计算机为核心,分割复杂任务,简化各单元功能，提高系统的可靠性。关键词：弥散式控制系统 无线网络 复杂可编程逻辑器件本文所阐述的移动机器人是智能化主动式火灾隐患探测机器人的前期部分，而该机器人的整体的功能是不间断流动巡逻、轨迹跟踪、实时避障、实时监控、计算机无线网络控制、无线网络图像传输、对异常温度点的识别分析。弥补了当前保安巡逻机器人无消防报警的不足之处，使它向更智能化的方向发展，可广泛应用于楼宇、仓库、商场、家庭等场所，具有巨大的应用前景和市场潜力。Intelligent Network Distance Controls RobotAuthor:Wang chun ying director: Pei dong Wang quan zhou(year:2005th falls due major: Electronic informationAbstract: wireless and network robotics adopt function Mi scattered computer and CPLD control system realizes each systematic function .In the course of devising , long-range control use computer to control robotics operation ,passing wireless and network and supervise peripheral environment of movedrobot.Passing CPLD realize follow-up tracing 、searching line、avoiding obstruction and peripheral extension.The two system coordinated work according to authority, with the computer for core, cut complex task, simplifying each unit function, increasing systematic reliability。目 录1引言32 原理框图53项目特色54.软件设计54.1软件设计思想 64.2设计流程64.2.1客户机端程序设计流程64.2.2服务机端程序设计流程64.3 界面设计64.4设计程序64.5软件调试过程95串转并电路及器件选择95.1硬件电路105.2 器件选择116系统说明126.1技术特点126.2系统设计理念及功能创新126.3前景设计137.性能分析8 结束语参考文献131 引 言 消防安全是当今社会大家时时都在关心的问题，从住宅小区到写字楼，无不把消防安全问题放在头等位置。特别是现代高层建筑，显得尤其重要。雇佣小区、楼宇保安、安装监控设备、在很大程度上缓解了消防安全隐患。但是由于小小的未熄灭的烟头而引起火灾事故的情况比比皆是，而且这些事故所造成的不仅仅是经济上的损失，还是一些美丽生命的消逝，它带给死者家属的是心理上永远的伤痛。1985年4月，一个烟头使哈尔滨天鹅饭店发生震惊中外的大火灾，10名无辜者葬身火海；1991年5月30日凌晨3时30分，广东东莞兴业制衣厂工人乱扔的烟头引燃可燃物造成火灾，造成死亡72人、伤47人、直接经济损失190万元的特大火灾；1994年11月27日下午1时30分，辽宁省阜新市面积200多平方米的艺苑歌舞厅营业时由于一17岁男青年点烟后将燃烧的报纸随手扔到沙发座下，造成特大火灾，死亡233人、烧伤20人；2002 年5月15日，兰州市龙马灯饰商城库房因燃着的烟头引燃灯具包装纸箱发生火灾，烧毁库房一、二层大部分灯饰商品，过火面积达1620平方米，死亡3人，直接财产损失450.8万元。吉林市2004年“”中百商厦特大火灾大白天夺走条生命，还造成人受伤，犯罪嫌疑人于洪新在商厦的三号简易仓库丢弃一个烟头引起的。每年都有很多起这样的火灾事故发生在我们的周围，但如何使以防为主，以消为辅，消防结合的消防工作成为当今社会经济发展的保障，及早发现隐患将火灾隐患消灭在萌芽状态，除应加强公民消防意识外，人防与技防的结合是各科研单位研究的主要内容。但现有设施及装备同时存在很多问题，一是固定位置安装的监控设备监控视野狭小，无法提供大规模、大范围的消防安全保障，而且根本无法主动探测和识别火灾隐患。二是保安人员在工作过程中易疲劳，容易产生麻痹心理，无法长时间工作。三是现有的烟感喷淋等消防报警设备，都是在发生火灾后才报警，而不是在有隐患时报警。目前随着社会经济的发展，依赖于人力巡逻或定点监控已不能满足消防安全的要求，消防检测报警，特别是消防隐患的检测自动化需求日趋迫切，但目前在国内，此类装置几乎为空白。智能化主动式火灾隐患探测机器人将弥补现有消防系统的不足！应用智能化主动式火灾隐患探测机器人既可实现大范围机动巡逻又可避免人类由于麻痹大意心理产生的错误，有效的降低了消防成本。是我国现阶段消防工作中急需的设备，而且是大幅度提高消防水平的核心设备。作为智能化主动式火灾隐患探测机器人项目研发集体的一员，笔者亲历了前期项目的部分开发过程，并在其中担负了一定的实际工作，尤其是在系统材料选型、应用，PCB设计制作方面积累了一定经验，取得了一些收获。本篇文章将结合作者的工作经验，从电子系统设计的选型，单元电路设计制作等方面详细论述。2.原理框图项目成员根据智能网络程控机器人的智能化要求，经过认真思考，仔细推敲，分析了各种传感器及电动机的特性，最终选择了适合的方案，即分布式控制系统。充分发挥了各组成部分的优势，用PC机及可编程逻辑器件(CPLD)进行整体控制，既增加了该装置的可实现性，又降低了设计制作难度。下图所示的就是本设计的整体结构的框架图。3项目特色智能化机器人除了具有前进、后退、左右回转，检测障碍物，智能跟踪的基本功能外，还装有电视监视设备，可以依据监视设备得到的图像对其进行远程控制，处理危险状况。在设计过程中，我们也遇到了很多困难，主要是分块作，不同的人有不同的思想 ，导致总体调试比较困难。就具体我做的这一部分来说一下，由于VB是在近两年才开的课程，我们没有系统的学习，在用的时候开始自学，但是在将自学的书中的内容应用到设计的过程时，遇到了很大的困难。在VB中的事件、方法事件、对象等和我们所学的C语言、汇编语言有极大的差别，在学习的过程中理解较为困难，现在还未完全搞懂，有一定的欠缺有必要提高。在设计电路时留有很多扩展空间，如在现有的智能机器人身上配置机械臂可以加强智能机器人的现场排障能力，配备气体检测装置（气敏传感器）可以实才现机器人的嗅觉系统，检测危险气体。4.软件设计4.1软件设计思想 开始采用VC+|调用并口函数和硬件通信完成图像采集和处理的功能，后由于VC+编译环境不熟，难度较大，后采用VB的编译环境实现由VC+实现的功能。VB采用先进的控件初步实现计划的客户机端及服务机端界面设想。界面设计以方便用户操作为主，选择优化的界面按钮设计，突出人性化的一面。4.2设计流程初始化VB工作平台添加对象进行界面设计添加 mscomm控件，设定属性对所添加的对象进行编程对所设计的工程进行调试生产可执行文件调试通过YN4.2.1客户机端流程设计在设计时由于VB课本中的参考程序及内容都是以讲解每一部分的内容而设计的，我在做这部分设计时有一些需要各个部分之间的有联系的编程有很大问题。再加上加了控件整个的程序就变得更加难编，所以对编写程序的人要求较高，我的能力还有待提高。 4.2.2服务机端程序设计流程在这一部分中又加了一个控件增加了难度，调试的时候也较困难。初始化VB工作平台添加对象进行界面设计添加 mscomm, winsock控件，设定属性对新添加的对象进行编程对设计的按钮程序调试生产可执行文件调试通过NY4.3 界面设计右侧的图中的最下方的两个小图片是控件标志，黑色的部分是图像回传区，由摄像头采集的图象在这里显示。数据区是为了调试的方便而设计的，数据区显示操作中的数据，以检查出错在哪一部分。基本功能控制区的按钮中设有优先级，在点击前进时就将倒退及左转等不相关的按钮屏蔽了。在扩展功能区的按钮，大部分都是预留的功能键。4.4设计程序Private Sub Form_Load()winsockserver.LocalPort = 1001winsockserver.ListenMSComm1.PortOpen = TrueEnd SubPrivate Sub GO_Click()Text3.Text = 11000001End SubPrivate Sub LEFT_Click()Text3.Text = 11000011End SubPrivate Sub RIGHT_Click()Text3.Text = 11000101End SubPrivate Sub STOP_Click()Text3.Text = 11000000End SubPrivate Sub Text1_Change()If Len(Text1.Text) = 8 Then MSComm1.Output = Text1.Text X = Text1.Text & （远程控制） Text1.Text = Y = Text2.Text Text2.Text = X & vbCrLf & YEnd IfEnd SubPrivate Sub Text3_Change() X = Text3.Text & （本地控制） Text1.Text = Y = Text2.Text Text2.Text = X & vbCrLf & YEnd SubPrivate Sub Text4_Change()If Text4.Text = Or Text4.Text = Then Command5.Enabled = False Command3.Enabled = TrueElse Command3.Enabled = True Command5.Enabled = TrueEnd IfEnd SubPrivate Sub Text5_Change()If Text5.Text = Then Command5.Enabled = True Command3.Enabled = FalseElse Command3.Enabled = True Command5.Enabled = TrueEnd IfEnd SubPrivate Sub Winsockserver_Close()winsockserver.CloseEndEnd SubPrivate Sub Winsockserver_ConnectionRequest(ByVal requestID As Long)If winsockserver.State sckClosed Then winsockserver.Closewinsockserver.Accept requestIDMe.Caption = 连线中.End SubPrivate Sub Winsockserver_DataArrival(ByVal bytesTotal As Long)Dim tmpstr As Stringwinsockserver.GetData tmpstrText1.Text = tmpstrEnd Sub4.5软件调试过程由于VB是在近两年才开的课程，我们没有系统的学习，在用的时候开始自学，但是在将自学的书中的内容应用到设计的过程时，遇到了很大的困难。在VB中的事件、方法事件、对象等和我们所学的C语言、汇编语言有极大的差别，在学习的过程中理解较为困难，现在还未完全搞懂，有一定的欠缺有必要提高。 5串转并电路及器件选择5.1硬件电路系统电路采用AT89C2051+CPLD7128电路，由于PC 系列微机串行口为RS232C 标准接口，与输入、输出均采用TTL 电平的89C2051 单片机在接口规范上不一致，因此TTL电平到RS232 接口电平的转换采用MAXIM 公司的MAX232 标准RS232接口芯片，该芯片可以用单电压（+5V）实现RS232接口逻辑“1”（-3V15V）和逻辑“0”（+3V15V）的电平转换. 而单片机则为TTL/CMOS电平。采用单一电源的MAX232芯片就可以实现电平的转换和驱动。串并转换电路图5.2 器件选择1.单片机（89C2051）：是在一块芯片中集成了CPU、主要外设和内存的微型计算机。89C2051,是美国ATMEL公司最早把8051内核与其擅长的Flash制造技术相结合,推出了可重复擦写1000次以上，低功耗的单片机产品。 其优点：采用可编程器件，支持在线编程，从而使系统调试方便、灵活、可以可以反复擦写，有助于降低开发成本，最重要的是可大大缩短开发周期，加快产品上市的速度。 2.电平转换（MAX232）： MAX232芯片是MAXIM公司生产的、包含两路接收器和驱动器的IC芯片，适用于各种EIA-232C和V.28/V.24的通信口。MAX232芯片内部有一个电源电压变换器，可以把输入的+5V电源电压变换成为RS-232输出电平所需要的+10V电压。所以采用此芯片接口的串行通信系统只需单一的+5V电源就可。MAX232芯片的引脚结构如图所示。3. 串行接口（RS232）： EIA RS-232C是目前最常用的串行接口标准，用于实现计算机与计算机之间、计算机与外设之间的数据通信。RS-232C提供了单片机与单片机之间、单片机与PC机间串行数据通信的标准接口。通信距离可达到15米。RS-232C标准规定了数据和控制信号的电压范围。由于RS-232C是再TTL集成电路之前研制的，它的电平不是+5V和地，而是采用负逻辑，规定+3V+15V之间的任意电压表示逻辑0电平，-3V-15V之间的任意电压表示逻辑1电平。RS-232C标准适用于DCE和DTE间的串行二进制通信，最高的数据速率为19.2KB/S，不适于接口两边设备间要求绝缘的情况。5.3串并转换程序ser_memdata2bhserflagbit03h ORG 0000H SJMP START ORG 0023H SJMP SER ORG 0030HSTART: MOV SP,#60H CALL INIT SJMP WAIT1INIT: MOV TMOD,#20H MOV TL1,#0F3H; CRYSTAL 12MHZ MOV TH1,#0F3H;4800 MOV SCON,#50H MOV PCON,#80H SETB TR1 SETB EA SETB ES SETB 7EH RETSER: CLR RI ;RI=跳转MOV A,SBUF mov ser_mem,a;存入通信数据 setb serflag;置串行口通信标志位 cjne A,#1bh,noendser clr serflag sjmp outintsernoendser:MOV P0,ser_mem mov sbuf,await: jnb ti,waitoutintser:clr ti RETI WAIT1: JNB 7EH,WAIT1 END6设计说明6.1操作说明我们所做的智能网络机器人实现的主要功能有两个即远程控制和跟踪功能。远程控制功能主要是通过以下流程实现。用户打开控制界面，点击控制界面的基本按钮（前进、后退、左转、右转、停止、回中等）。由远程控制端的计算机发送信号到前端的预处理机，由它将串行信号通过串并转换电路转化为并行的信号，然后将信号输入到可编程逻辑器。可编程逻辑器产生脉宽调制信号，该信号控制驱动电路和声光报警系统，实现远程控制。跟踪功能的实现流程和远程控制有些不同，在自动控制过程中实现。用户打开控制界面，点击控制界面的自动控制按钮。由远程控制端发送权限信号到可编程逻辑器。可编程逻辑器接收权限，检测传感器采集到的信号进行识别和判断，产生控制信号。控制信号控制驱动电路和声光报警系统，自动跟踪目标物体，实现跟踪功能。6.2补充说明现阶段项目的设计要求是实现图像的软件识别并通过PC机远程控制机器人。由于答辩的时间限制，一些软件上的问题还未攻克，对电路作了一些临时性的调整。采用图像识别传感器阵列来实现图像识别，由传感器对实际图像的每个象素点进行检测，对物体进行识别。由于我们只做了三个传感器，它只能实现一维的物体有无的识别，如果采用多个传感器构成密集的传感器阵列就可以实现二维的图像形状识别。在制作过程中，控制界面采用编写VISUAL BASIC程序的方式实现的。但是采用VISUAL BASIC编程也有一些问题是解决不了的，还可以采用其他的语言来实现，如果可以进一步发展就可以将界面作的更好。 6.3前景设计下一步将采用嵌入式系统完全代替PC机系统，用先进的技术实现更加高级的行为。现在智能机器人的发展取决于如何加强机器人对突发事件的反应能力。这就是机器人真正的学习能力,有了这种