智能网络程控机器人

物 理 与 电 子 工 程 学 院智能网络程控机器人作者：蒋 韦华 王春英 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：200172020111 200172020129 )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 : Jiang wei Wang chun ying Director : Pei dong Wang quan zhou( Year:2005th falls due Major: Electronic & Information Engineering )Abstract: 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42 原理框图53 项目特色64 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图像信息数据回传方案94.7远程控制方案95 系统设计5.1器件选型与外围部件制作5.1.1数字器件95.1.2 模拟器件及电路105.1.3 串转并电路115.1.4 7805系列稳压块及电路125.2功能简介及实现5.2.1跟踪功能说明125.2.2远程控制系统实现功能135.2.3远程图像回传系统功能136最终设计6.1 技术特点146.2系统设计理念及功能创新156.3前景设计157 性能分析158参考文献161. 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原理的框架图。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。当然在设计制作过程中，我们也遇到了很多困难，由于我们是电子系的学生，机械加工便成了我们首先要克服的问题，为此我们将需机械加工的部件进行了一下整理，将一些大的不易加工的金属件设计好后交由石油学校机加工中心加工，在此我们特别要对该加工中心的老师在制作过程中给与我们的帮助表示感谢。剩余的一些小的好加工的部件有我们自己来完成，当然自己加工的部件在后来的调试中还是表现出很多问题，最突出的就是加工误差，造成我们的车体行走不成直线，当然这个问题我们已经通过软件进行了后期调整解决。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）可以实现机器人的嗅觉系统，检测危险气体。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、分析和规划的功能，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，由AVR单片机AT90S8535及MCS-51系列AT89C52构成 。AVR AT90S8535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，加之成千上万的软件，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。由以上比较可知，采用PC机作为智能网络程控系统可以实现以PC机为平台的继续开发和功能扩展，更优于采用单片机系统设计的电路。因此，电路采用方案二。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。而我们的设计初衷主要需机器人工作在狭窄的楼道或货物仓储通道中，它需要较小的转弯半径，较强的灵活性。因此，我们选取方案二为实际操作方案。4.3避障方案比较方案一：障碍物探测装置使用超声波换能器件。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电源电路方案一：开关电源 在该设计中PC使用的是开关型稳压电源。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。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。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），真正达到车前灯照明的目的。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。4.6 图像信息数据回传方案 工程前期,通过图像采集卡回传摄像头拍摄到的图像，然后将它传输到前端主机进行预处理，再通过802.11b无线网卡回传图像到远端图像监视控制。工程后期,远端控制机对接受到的图像进行图像识别，并依据其结果控制机器人做出相应动作。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：采用电脑图像人工识别，实现远程无线控制。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。设计中采用方案二，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。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结构体系地高性能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（FILE10K10） 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，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。 5.1.2 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XUE-H170535优点：灵敏、对可见光的误识别率低 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 驱动电路：大功率PWM调速管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 串并转换电路图系统电路采用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 IEEE 802.11bIEEE 802.11b无线局域网的带宽最高 可达 11Mbps，比两年前刚批准的IEEE 802.11标准快5倍，扩大了无线局域网的应用领域。另外，也可根据实际情况采用5.5Mbps、2 Mbps和1 Mbps带宽，实际的工作速度在5Mb/s左右，与普通的10Base-T规格有线局域网几乎是处于同一水平。802.11b支持以百米为单位的范围（在室外为300 米；在办公环境中最长为100米） 并内置鉴定和加密措施安全性高，要传递大量的数据对带宽要求苛刻。 PC机5.2 功能简介及实现5.2.1跟踪功能说明跟踪功能分析跟踪原理在本方案中，跟踪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。跟踪实现通过CNY70红外电子开关发射和接收红外线来检测人位置，从而向后台反馈信号，CPLD机依据反馈信号做出相应的动作，实现跟踪人的目的，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。改动设计电路的红外检测部分还可以设置跟踪的对象（如黑线等），实现跟踪的功能。5.2.2 远程控制系统实现功能 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。注：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。机器人远程控制的服务端的界面图5.2.3远程图像回传系统功能系统实现由计算机IP地址选择机器人图像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：图像识别传感器追踪物体保护保护用传感器CPLDPCB板件及接口集成箱计算机主机机器人自我防护传感器电机驱动单元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