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：赵俊伟 执导教师：裴东 王全州( 届别：2006届 专业：电子信息工程 班级：2002级电子甲班学号：200272020145 )摘要：智能网络程控机器人参考工业上常用的上、下位机控制系统模型，采用工业PC机+无线传输系统+EDA技术实现系统各部分功能。其中远程控制功能采用无线数传模块控制机器人运行，通过无线传输模块实现图象传输，从而实现远程监视移动中机器人根据周边环境，依此选择跟踪、避障、寻迹等功能。基本功能及外围扩展功能是通过CPLD（EPM7218SLC84-15）和51单片机实现。整个系统以工业PC机为后台,分割复杂任务,简化各单元功能，提高系统的可靠性。关键词：无线数传模块 工业PC机 复杂可编程逻辑器件Intelligent Network Programme-controlled RobotAuthor : zhao jun wei Director : Pei dong Wang quan zhou( Year:2006th falls due Major: Electronic & Information Engineering )Abstract: The intelligence network programme-controlled robot referring to the common control system model in industry adopts the industrial PC + wireless transmission system + EDA techniques to realize each part function of the system, among which the remote control function adopts the wireless transmission model to control the performance of the robot. By the way of video transmission ,it can realize the long-distance monitor of the moved robot which can choose the function of trailing ,keeping away obstacles and seaching for trace in accordanc with the environment. The core function and peripheral expanding function is come true by the way of CPLD and 51MCU.On the basis of industrial PC,the whole system subdivdes complex missions and simplifies functions of each unit to promote the reliability of system. Keyword: wireless transmission system The industrial PC and CPLD目 录1 引言42 原理框图53 项目特色54 方案选择与论证4.1控制系统的选择64.2机械构架方案比较74.3避障方案比较74.4电源电路84.5光控车头灯方案94.6图象信息数据回传方案94.7远程控制方案94.8机械臂控制方案105 系统设计5.1器件选型与外围部件制作5.1.1数字器件105.1.2 模拟器件及电路115.1.3 串转并电路125.1.4 7805系列稳压块及电路135.2功能简介及实现5.2.1寻迹功能说明145.2.2跟踪功能说明155.2.3远程控制系统功能155.2.4远程图象回传系统功能 166最终设计6.1 技术特点176.2前景设计187参考文献198参考网站191. 引言 机器人的发展已经成为当今社会关注的话题。前不久新闻联播播报了韩国的女性类人机器人“夏娃机器人-1号”。其代表了工业机器人技术发展现状：（1）机械结构： 以关节型为主流，90年代发明的使用于装配作业的平面关节机器人约占总量的1/3。当代初开发的适应于窄小空间、快节奏、360度全工作空间范围的垂直关节机器人大量用于焊接和上、下料；应汽车、建筑、桥梁等行业需求，超大型机器人应运而生。如焊接树10米长、10吨以上大构件的弧焊机器人群，采取蚂蚁啃骨头的协作机构；CAD、CAE等技术已普遍用于设计，仿真和制造中。（2）控制技术：大多数采用32位CPU，控制轴数多达27轴，离线编程技术大量采用；协调控制技术日趋成熟，实现了多手与变位机、多机器人的协调控制，正逐步实现多智能体的协调控制；采用基于PC的开放结构的控制系统已成为一股潮流，其成本低、具有标准现场网络功能。（3）驱动技术：80年代发展起来的侍服驱动已成为主流驱动技术用于工业机器人中；新一代的侍服电机与基于微处理器的智能侍服控制器相结合，在远程控制中已采用了分布式智能驱动新技术。（4）应用智能化的传感器：装有视觉传感器的机器人数量呈上升趋势，不少机器人装有两种或以上传感器，有些机器人留了多种传感器接口。（5）网络通用方式：大部分机器人采用了Ether网络通讯方式，占总量的41.3，其它采用RS-232、RA-422、RS-485等通讯接口。（7）高速、高精度、多功能化（8）集成化与系统化：工业机器人技术要求应用从单机、单元向系统发展。百台以上的机器人群与微机及周边智能设备和操作人员形成一个大群体。作为从事过两年智能网络程控机器人项目研发的一员，笔者深感我们的技术在不断的进步，这些进步正是基于此我们不屑的努力，希望有一天我们的机器人能够被世人注目。笔者有幸亲身经历了中期项目的全部的开发过程，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，程序设计制作方面积累了一定经验，取得了一些收获。在此，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。希望已经和可能成为我们项目组的成员以及有志于此方面的战友能踏着我的肩膀继续前进，把我们自己的机器人做得更好、更大、更强。2. 原理框图项目成员根据智能网络程控机器人（一期）的经验和教训，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：用无线数传模块代替PC机，从而大大地降低了机器人的成本，使向产品化又迈进了一步。下图所示的就是本设计的原理的框架图。无线传输模 块个人计算机控制平台无线传输模 块机器人控制平台传感器阵列1号个人计算机控制台 N号个人计算机控制台2号个人计算机控制台利用TCP/IP协议构成局域网3. 项目特色智能化机器人除了具有智能网络程控机器人（一期）跟踪、远程控制所具有的功能外，还具有寻迹中排障，走地图以及音乐播放等功能：1. 寻迹中排障是首次将两个控制系统融合，可以提高系统的适应性；2.走地图可以依据实际的情况改变地图，从而完成复杂的巡逻功能；3.音乐播放为后台操作人员提供休闲娱乐工具从而提高了人机交互的友善性。在设计制作的过程中，我们也遇到了很多困难，通过我们不懈努力，最终还是克服种种困难，把我们的项目顺利按期完工。在设计电路时留有很多扩展空间。我们还有很多资源没有利用，这为以后扩展提供了可能：比如加上凌阳61板可以完成语音处理功能，让我们的机器人开口说话，更富有人的味道；如配备气体检测装置（气敏传感器）可以实现机器人的嗅觉系统，检测危险气体，我们的机器人就可以成为一个消防员，保护大家的生命财产安全。 4. 方案选择与论证4.1控制系统的选择“大脑”，使机器人具有辨别、分析和处理的功能，从而指挥自己的运动和工作。这个大脑就是机器人的计算机控制系统。方案一：选用单片机功能弥散系统，采用ATMEL公司的AVR单片机ATmega16 及AT89系列AT89C51构成 。AVR ATmega16单片机内含高速闪存FLASH，是基于增强精简指令RISC（Reduced Instruction Set CPU）结构的单片机，具有：速度快 性能价格比高 片内可下载FLASH存储器，可以通过SPI串行接口或一般的编程器进行系统内重新编程（ISP In-System Programming）。 工作电压范围宽（2.7-6V）、抗干扰能力强等特点。方案二：采用PC作为智能网络程控系统。PC自诞生以来，性能不断增强，使PC几乎无所不能，用于智能控制拥有其它系统无可比拟的优势。功能强:PC机运算速度快，计算精度高，具有计算和逻辑判断能力，每一种都有一整套与之配套的软件。硬件和软件的配合，相辅相成，使PC机 的功能大大增强，适合于众多应用场合。可靠性高、通用性强:由于PC机的集成度高，且减少了焊点、连线、接插件等不可靠因素，因而，其可靠性大大提高。据估计，芯片集成度每增加100倍，系统的可靠性就随之增加100倍。可扩展性高:PC机的硬件易于扩展，且系统的软件改动也很方便。在相同的配置下，只需对软件和硬件稍作改动即可适应用户的不同要求。维护方便:目前，PC机在硬件结构到软件配置上作了较全面的考虑。通常，PC机都可以进行自检，排除故障也较为容易。方案三：采用无线数传模块和无线图象传输模块，代替PC机在方案二中所实现的功能。从而，在不改变原有功能的同时降低了整个系统的成本。由以上可知，采用方案三既可以完成以PC机作为智能网络程控系统所可以实现的功能又大大降低了成本，更优于采用单片机系统设计的电路。因此，本系统采用方案三。4.2机械构架方案比较方案一： 使用舵机。机器人的后轮为驱动轮，前轮为舵机比例控制。后轮使用齿轮差速器配合转向（消除转向时产生的轮差），这样的设计可极大的提高机器人的稳定性。但是在这种方案中由于前轮由舵机控制，受其设计所限旋转的角度只能小于60度，不可能实现90度的直角转弯，机器人在转向时会存在转弯半径。这就限制了机器人的实际活动能力，因此，在本设计中机器人的机械构架放弃该方案。方案二： 驱动转向功能合并。前轮即充当主动轮又肩负转向轮的功能。两前轮相互独立，分别由两个电机驱动，有各自的减速系统，两个后轮采用万向轮结构，起支撑作用随前轮运动。使用此种方案虽然会降低机器人的稳定性，但却大大的提高了它的灵活性。方案三： 采用菱形车架结构，驱动轮在中间。前轮和后轮为辅助轮肩负支撑的功能，前轮和后轮由一个杠杆连接可以自动调整高度，从而，提高车体的灵活性，适应不同的工作环境；中间两个轮为驱动轮肩负驱动与转向的功能，完成车体的所有动作。使用此种方案不仅不会降低机器人的稳定性，而且大大的提高了它的灵活性以及适应性。从而满足了我们的设计初衷。因此，我们选取方案三为实际操作方案。4.3避障方案比较方案一：障碍物探测装置使用超声波传感器件。超声波发射/接收头和电路板集成在同一电路板上，经发射器发射出长约6MM，频率为40KHZ的超声波信号。此信号被物体反射回来由接收头接收，再经放大调制后进入中央控制系统。采用此系统控制灵敏，检测精度高，距离远。但外围电路较复杂，而且远距离时发射出的超声波信号不稳定使得检测比较困难，再加上选用的元件技术指标较低，使得设计的功能适用于实际的大范围环境。方案二：采用光电开关进行障碍物检测。系统选用光电开关完成，其集成度高，适用电压范围宽（5-36V）,输出信号为标准TTL电平，应用于后级处理简洁方便。但不足之处是，由于其感测角度偏窄（经测试在据传感器1.5M处，其感测范围为15CM）无法实现全范围覆盖，导致机器人检测前方物体时出现空隙，只能实现大型物体跟踪，但此特性不影响其功能性验证（实验模拟阶段），故所以采用此方案。4.4电压转换电路方案一：开关电源转换 开关型稳压电源就是采用功率半导体器件作为开关，通过控制开关的占空比调整输出电压。以功率晶体管（GTR）为例，当开关管饱和导通时，集电极和发射极两端的压降接近零，在开关管截止时，其集电极电流为零，所以其功耗小，效率可高达70%95%。而功耗小，散热器也随之减小，同时开关型稳压电源直接对电网电压进行整流滤波调整，然后由开关调整管进行稳压，不需要电源变压器；此外，开关工作频率在几十千赫，滤波电容器、电感器数值较小。因此开关电源具有重量轻，体积小等特点。另外，由于功耗小，机内温升低，从而提高了使用系统整机的稳定性和可靠性。而且其对电网的适应能力也有较大的提高，一般串联稳压电源允许电网波动范围为220V+10%，而开关型稳压电源在电网电压从110V260V范围内变化时，都可获得稳定的输出电压。方案二：稳压电源转换。由于本系统设计是以机动、灵活为原则，在电源选择上选用了电池加后级三端稳压器串联调整稳压电源。此种电源是连续控制的线性稳压，稳压电源技术比较成熟。并且已有大量集成化的线性稳压电源模块，具有稳定性能好、输出纹波电压小、使用可靠等特点。与电池组合使用省去了体积大且笨重的工频变压器，滤波器。然而调整管工作在线性放大状态，为了保证输出电压稳定，其集电极与发射极之间必须承受较大的电压差，导致调整管功耗较大，电源效率很低，一般只有45%左右。从上述的两种方案中可知：开关电源功率比较高、稳定性相对好，但考虑到其成本，最终我们选择稳压电源的方案。4.5光控车头灯方案方案一：使用光敏电阻和发光二极管，结合电压比较器电路，控制开关车前照明灯。优点：可以控制强光灯。缺点：电路体积庞大方案二：选用光敏电阻和高亮度二极管，结合电压比较器控制继电器吸合的方法，控制开关车前照明灯（由多个高亮管组成）。优点：电路体积小。缺点：只可以控制一般高亮度发光二极管，适合实验使用。由于实际条件限制，我们采用了方案一。4.6 图象信息数据回传方案 工程前期,通过图象采集卡回传摄像头拍摄到的图象，然后将它传输到前端主机进行预处理，再通过802.11b无线网卡回传图象到远端图象监视控制。工程中期,采用无线图象传输模块，将前台的图象传到后台的PC机上，可以人工监视前台的周围环境，并依据其结果控制机器人做出相应动作。工程后期,要对前台传回的数据进行处理 ，从而实现自动处理提高其智能化程度。4.7 远程控制方案方案一：采用射频无线遥控。优点：仅控制左、右、后、停止，便于单片机实现，成本低廉。缺点：灵活性不足，遥控距离有限。方案二：采用无线网卡控制。优点：（1）在监控的同时就可方便的进行遥控，遥控距离远。（2）网络的无限性，实现了远程控制的范围无限扩大，即有网络存在的地方就可以实现对机器人的控制。缺点：需依赖电脑的支持。方案三：采用无线数传模块控制。优点：（1）所用波段可以人为设定，从而可以有效的防止频率间的干扰。（2）可以人为设定485口传输，从而提高传输的距离。（3）体积小，价格适中可以代替PC机一定的功能，完成指令收发的任务。由上所述，设计中采用方案三，从而实现了机器人的地图识别即机器人依据存储器中调用的地图完成寻线，跟踪等功能。但是，由于本组成员作设计的时间有限，所学理论知识深度不够，编程能力欠缺，有一些更为先进的功能未能实现。例如机器人的自动图象处理功能尚未实现 。4.8机械臂控制方案方案一：机械臂采用液压控制，许多工业上的机械臂都采用此控制方法，是当前机械臂控制的主流方案，其优点是液压控制的机械臂力矩大，可以将机械臂做的比较大，但其价格比较昂贵，对其骨架的加工精度要求比较高，但我们相应的设备又比较缺乏，所以采用此方案控制难度比较大。方案二：机械臂采用气压控制，在许多要求精度不高的场合用此控制方法，其优点是瞬时力矩较大，成本低，控制也较方便，但其精度比较差，再次扩展性利用难度较大，对材料的要求又比较高，在我们现有的条件下很难实现。方案三：机械臂采用电机控制，现在许多机器人上面的机械臂都采用此控制方法，其优点是电机体积小，重量轻，行动灵活，功耗相对较低，价格比较便宜，但其扭矩普遍较小，控制复杂，在超负荷运行时容易烧坏。考虑到结构的简洁性、可实现性和经济实用，所以本设计采用第三种方案。5. 系统设计5.1 器件选型与外围部件制作5.1.1 数字器件 CPLD（EPM7128SLC84-15） ALTERA的EPM7128S系列CPLD是基于第二代MAX结构体系地EEPROM结构的CPLD。完全符合IEEE 1149.1 JTAG边界扫描标准，具有5V ISP的功能。具有最小5ns的引脚到引脚的逻辑时延，最高可175.4MHz的计数频率。引脚可配置为开漏输出。每个宏单元都有独立的可编程电源控制，最多可以节省50%的功耗。宏单元内的寄存器具有单独的时钟和复位等信号。支持多种电压接口。学习板上使用的是一个PLCC84封装的EPM7128S ，EPM7128S内部有128个宏单元、8个逻辑阵列块和2500个门电路。 FPGA ACEX 1K器件是Altera公司着眼于通信、音频处理及类似场合的应用而推出的芯片系列，ACEX1K器件正逐步取代FLEX l0K系列成为首选的中规模器件产品。它具有如下优越性：(1)高性能ACEX 1K器件采用查找表(LUT)和EAB(嵌入式阵列块)相结合的结构形式，可实现复杂逻辑功能和存储器功能，如通信应用中的DSP、多通道数据处理、数据传递和微控制等。(2)高密度ACEX lK器件的典型门数在1万到10万门之间，带有多达49152位的RAM(每个EAB有4096位的RAM)。(3)具有系统级性能器件内核采用25V电压，功耗低，能够提供高达250MHz的双向IO功能，完全支持33MHz和66MHz的PCI局部总线标准。(4)灵活的内部互联ACEX lK系列器件具有快速连续式延时可预测的快速通道互连(Fast Track)，提供有实现快速加法器、计数器、乘法器和比较器等算术功能的专用进位链和实现高速多扇入逻辑功能的专用级连链。 单片机（89C2051） 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。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、可以反复擦写。由于，CPLD加单片机的技术已经很成熟，我们最终采用了EPM7128S5.1.2模拟器件及电路 传感器、光耦和继电器传感器：红外线传感器EX15-X3B50优点：1、灵敏度高；2、对可见光的误识别率低；3、5V供电系统，降低硬件难度。缺点：1、输出电平非TTL电平且不稳定，需要外围电路。光耦： TLP521-4其优点：在高频开关电源中，对光耦的响应速度要求很高，故一般采用如图1所示的响应较快的高速型，延迟时间在500nS以内。用于模拟信号或直流信号传输时，应采用线性光耦以减小失真，从而，更能有利于时实性，满足智能控制需求。重要参数（见付表）三极管： 达林顿管：TIP127、TIP125、8050 驱动电路：大功率PWM调速管模拟运放： LM324用于比较器电路中。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。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。5.1.3 串转并电路 系统电路采用AT89C2051+CPLD7128电路,将PC机输出的串行数据通过RS-232C标准接口总线，再通过MAX232后接入AT89C2051，通过单片机的P1口并行输出8路数据到CPLD7128，实现了串并转换。PC机输出的是标准的RS-232C电平，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。5.1.4 成品选件 SRWF-1型微功率无线数传模块采用高效FEC前向纠错技术结合高性能的无线射频IC, 以及高速微处理器相结合开发出的一款无线通信模块，该无线通信模块具有很强的抗干扰能力, 全透明传输, 体积小,功耗低传输距离远的特点, 客户使用时不需要任何编码技术。1.微发射功率:最大10dbm（10mW）的发射功率。2. ISM频段工作频率，无需申请频点。3.高抗干扰能力和低误码率。4.完善的通讯协议。5.传输距离远。在视距情况下，天线高度3米，可靠传输离距300m（BER=10-3/1200bps）。6.透明的数据传输。7 .多信道，多速率。8 .双串口，3种接口方式。 9 .高速无线通讯和大的数据缓冲区。10 .智能数据控制，用户无需编制多余的程序11.低功耗及休眠功能。 12.高可靠性，体积小、重量轻。13.两种接口收发等待时间。 14.看门狗实时监控。 其参数表如下： PC机5.2 功能简介及实现5.2.1寻迹功能说明寻迹原理在本方案中，寻迹检测是依据光线的反射原理设计，所以，为了更精确的安装和更可靠的检测，需要对光线反射的基本原理进行研究。在几何光学中，光线的反射原理主要由如下公式来描述。参见右图3。i = r 即，入射角等于反射角；且有光线以任意角度通过表面平行的高密介质后其方向不会发生变化。寻迹实现通过CNY70红外电子开关发射和接收红外线来检测黑线，从而向后台反馈信号，CPLD则依据反馈信号做出相应的动作，实现寻迹的目的，这就对传感器及电路的灵敏度提出很高的要求，其中一路传感器由于有继电器回传故跟人时有些不灵活。5.2.2跟踪功能说明跟踪原理 根据1号、2号、3号和4号传感器漫反射原理，检测移动物体的运动方向，从而CPLD发出相应的控制命令，控制电机的转动方向和速度，从而完成跟踪功能。 跟踪实现 当只有2号传感器检测到物体时机器人前进，当1号和2号传感器同时检测到物体时机器人慢速左转，当1号传感器检测到物体时快速左转，当4号和2号传感器同时检测到物体时机器人慢速右转，当4号传感器检测到物体时快速右转，当3号传感器检测到物体时机器人停止。5.2.3 远程控制系统功能 远程控制机器人基本功能（前进、后退、走转、右转、三种速度模式控制） 远程控制机器人周边设施（遥控开启和关闭机器人头灯、摄像头的旋转角度等）远程开启及关闭机器人自动控制功能。：在机器人控制软件开发过程中留有大量可扩展功能按钮，为其以后的再扩展提供可能。5.2.4远程图象回传系统功能系统实现由计算机IP地址选择机器人图象采集系统并将其采集到的画面通过无线网络回传至客户端。可实现回传画面实时压缩存储（MPEG4）及危险环境远程报警，远程控制云台旋转。这一部分有VC+实现，缺点：用户使用时要输入IP地址不太方便。设想：远程控制也由VC+实现，强化它的功能。6最终设计图片说明：保护传感器跟踪传感器机械臂主控系统无线发射模块 电机及转轮电机驱动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远程控制、寻迹功能、跟踪功能、走地图功能和音乐播放功能。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通过无线发射模块发送信号到前端，由51单片机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：用户打开主控界面，点击控制界面的跟踪控制按钮。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。寻迹功能的实现流程：用户打开主控界面，点击控制界面的寻迹控制按钮。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，自动根据事先做好的路线移动，在移动的过程中，能够自动将正前方障碍物排除。走地图功能的实现流程：用户打开走地