毕业设计（论文）-吸尘机器人控制系统的设计.doc

xx大学xx届毕业论文设计摘 要 本文主要阐述了吸尘机器人控制系统的组成、软硬件设计原理，并对吸尘机器人的路径规划进行了研究。 吸尘机器人控制系统采用两级多CPU分布式控制结构，上位机控制系统主要由AT89C51单片机组成，它负责接收传感器送来的信息，并根据这些信息进行路径规划。下位机控制系统主要由AT89C2051单片机组成，负责完成传感器数据处理和步进电机驱动的功能。 依据吸尘机器人机械本体和工作性能，文中设计了基于单片机的控制系统硬件电路，其中包括电机驱动电路、传感器的信号处理电路、通信电路等。针对吸尘机器人的控制策略，采用了基于RS一485总线和MOBDUS协议的通信结构实现多机通信。关键词： 吸尘机器人；控制系统；硬件设计ABSTRACTThis paper introduces the control system of the cleaning robot， including system component and design principleAt last in this paper the path planning about the cleaning robot is studiedThe control system is composed of two levelsThe toplevel control system consists of AT89C51 MCU，which can receive data sent by sensors， and finish the path the cleaning robotThe bottomlevel control system consists of AT89C2051 MCU，which can process the data of the sensors and control stepping motorsAccording to the machine apparatus and work of the c1 robot，the hardware circuits of the control system with MCU have been designed，which include the drive circuit of stepping motors， the Circuit to deal with of the sensors，the communication interface circuit and SO onThe structure based on the 485 bus and the protocol is designed to multiMCU communicationKey words: cleaning robot; CCS; hardware design 目 录一、 绪论1(一) 题目的来源及探讨意义1(二) 吸尘机器人的探讨现状11吸尘机器人的特点12. 国外吸尘机器人的发展现状23. 国内吸尘机器人的发展现状4（三） 吸尘机器人的关键技术5（四） 论文主要完成工作6二、 机器人系统的组成8(一) 机器人移动机构方案选择8(二) 步进电机的选择91. 进电机驱动的特点92步进电机的主要参数及性能指标93. 步进电机功率的确定10（三） 传感器的选择111. 机器人传感器的选择依据112. 所选传感器的描述12（四） 控制系统总体结构13（五） 控制系统总线结构13三、 控制系统硬件15（一） 上位机控制系统15（二） 下位机AT892051控制系统181. 传感器模块182. 电机驱动模块19四. 结论22参考文献23致 谢. 25II一 绪论(一) 题目的来源及探讨意义 近年来随着传感器、控制、驱动及材料等领域的技术进步，机器人首次在制造领域以外的服务行业，开辟了机器人应用的新领域。服务机器人的出现主要有三大原因：一是劳动力成本的上升；第二是人类想摆脱枯燥乏味的体力劳动，如清洁、家务、照顾病人；第三是人类的老龄化和社会福利制度的完善也为某些服务机器人提供了广泛的市场。服务机器人尽管有不同的应用领域，但他们所从事的工作仅限于维护保养、修理、运输、清洗、保安、救援、及数据采集方面。服务机器人区别于工业机器人的一个主要特征就是服务机器人是一种适用于具体的方式、环境及任务过程的机器人系统，其活动空间大，具有在非结构环境下的移动性，因此服务机器人大多数是移动机器人。 吸尘机器人是自动进行房间地面清洁的家庭服务机器人，集机械学、电子技术、传感器技术、计算机技术、控制技术、机器人技术、人工智能等诸多学科为一体。吸尘机器人作为智能移动机器人实用化发展的先行者，其研究始于20世纪80年代，到目前为止，已经产生了一些概念样机和产品。吸尘机器人的发展，带动了家庭服务机器人行业的发展，也促进了移动机器人技术、图像和语音识别、传感器等相关技术的发展。许多发达国家都将其作为机器人研究的新领域加以重视。我国很多高校也在进行服务机器人技术的研究，我们所开发的吸尘机器人，可以为进一步研究服务机器人的工作原理和工作过程奠定一定的基础。并且还可以将其作为机器人学、机器人技术及机电一体化系统设计课程及机械电子工程专业机电结合的综合教学实验设备。通过实验，学生不仅可以在轻松愉快的氛围中充分理解相关课程的专业知识，而且会很自然的从机器人的整体、从系统工程的角度参与实验，增加对专业知识学习的兴趣，拓宽知识面，寻找知识交叉点，培养其独立开展科学探讨的能力。(二) 吸尘机器人的探讨现状 1吸尘机器人的特点 尘机器人具有如下的特点：(1) 吸尘机器人自带电源，小巧轻便、操作简单、自主性强、具有很强的实用性。(2) 吸尘机器人的工作环境主要为普通家庭环境，也可以用于机场候机大厅、展览馆、图书馆等公共场所。环境的共同特征为有限的封闭空间、平整的地板以及走动的人员，因此可以归结为复杂多变、结构化的动态环境。所以环境适应性是对此类机器人的基本要求。(3) 吸尘机器人的任务是清扫地面，工作的对象是地面的灰尘、纸屑以及其他一些小尺寸物体，而大尺寸物体不作为吸尘机器人的处理对象。考虑到安全因素，吸尘机器人必须对人及家庭物品等不构成任何危害，同时吸尘机器人还必须具备自我保护的能力。 2. 国外吸尘机器人的发展现状 目前在美国、日本、韩国、欧洲等发达国家，如伊莱克斯、日立、松下、三星等世界著名公司都已开发出智能吸尘机器人。 如图11所示，这款名为“三叶虫”的吸尘机器人是瑞典家电公司伊莱克斯经历12年之后推出的世界第一台具有完全自主能力的吸尘机器人。“三叶虫”启动后，先沿着墙壁把地面四周的灰尘及异物吸尽，同时对房间进行学习，计算出清扫整个房间的时间；清扫时，主要采用随机规划模式，使用超声波传感器进行障碍物的检测，探测到障碍物时自动避开并重新选择路线进行清扫。当电量不足时，“三叶虫”会自动回到充电座自行充电。如果此时房间还没有清扫完毕，“三叶虫”还有记忆功能，充好电后自己回到原处继续清扫。用户可以采用磁条来限制“三叶虫”的行动范围，保护机器人不会进入危险区域，比如火炉、楼等区域。 图11三叶虫吸尘机器人 图12 ROONBA吸尘机器人图12所示的“ROONBA”是由Robot公司开发完成的家用机器人。“ROONBA”提供三种清扫模式：S模式，清扫约34平方米，工作20分钟；M模式，清扫约6-7平方米，工作30分钟；L模式，清扫约8平方米以上，工作40分钟。设定清扫模式以后，“ROONBA”以螺旋状路线运转，以碰撞方式进行障碍物检测。一旦碰到障碍物，“ROONBA”就沿着障碍物前进，经过一定距离以后“ROONBA”会转动90。并重复上述过程。如此交替重复，直到清扫结束并自动停止。采用“虚拟墙”发射红外线来产生一个虚拟的墙壁，可以限制机器人的活动范围。“ROONBA”具有高度环境适应性，可以游走于家具缝隙间，动作灵巧快捷。在除尘结构的设计上，“ROONBA”独具特色，除了真空吸口外，底部的旋转滚刷以及侧面的旋转毛刷，都可以增强吸尘能力，弥补吸尘功率的不足。此外，它还具有污物探测功能，可根据房间地面的具体情况进行有重点的清扫。图13为日本日立公司2003年5月展示的一款可自动为房屋进行真空吸尘的机器人，产品的预定售价约合人民币135万元左右。它的机身尺寸为直径25cm高度13cm，重4kg为世界最小的吸尘机器人。行走速度最快为40cms。打扫面积为10平方米的房问约需10分钟(障碍物设想为3个)，可用遥控器或机身按钮进行操作。吸尘机器人机身上安装了CCD相机，这样就能够利用手机通过家用电脑浏览吸尘情况。吸尘机器人打扫完毕后，会自动进入“充电兼垃圾回收站”，在这里进行充电，以及倾倒收集的垃圾。吸尘机器人机身下部设计了一个最大可自动伸出5cm左右的“可动吸尘口”，机器人走到房间的角落后可动吸尘口就能够自动伸出，把角落打扫得千干净净，不留死角。 图I3日立公司生产的吸尘机器人 图14吸尘机器人VC-RP30W 图14是韩国Samsung公司发布的最新吸尘机器人VC-RP30W。这个机器人采用最新的3D地图映射技术来确定自己的位置，使用者可以通过任何一台连接到internet的计算机来控制家里的机器人。还可以通过安装在机器人上的摄像头来随时查看家里的情况。VC-RP30W上拥有自动充电装置，当机器人检测到自己的电力不足的时候，它会自动到充电装置进行充电，一旦充电完成，它会自动执行刚才未完成的工作。在完成清洁功能的同时，VCRP30W同时还能释放负离子，来净化空气，等于是一个移动的空气清新器。这个机器人造价为3000美元左右。 3. 国内吸尘机器人的发展现状在国内，哈尔滨工业大学于90年代开始致力于这方面的研究，先后承担了国家863高科技计划资助项目高楼壁面清洁爬壁机器人和玻璃墙壁面清洁爬壁机器人的研究工作，成功地完成了样机的研制工作。这种爬壁机器人，采用负压吸附原理利用吸盘吸附于壁面，它速度可调，爬行灵活，通过遥控可在地面上观察机器人的运行情况。另外，哈尔滨工业大学与香港中文大学合作，联合研制开发出一种全方位移动清洁机器人。这种机器人采用全方位轮实现任意方向的移动，具有实时避障的功能，开放式机器人的控制结构，实现了硬件可扩展，软件可移植的功能，提高了机器人的适应性。浙江大学于1999年初在沥江大学机械电子研究所开始进行智能吸尘机器人的研究，两年后设计成功国内第一个具有初步智能的自主吸尘机器人。这种智能吸尘机器人工作时，首先进行环境学习：利用超声波传感器测距，与墙保持一定距离行走，在清洁这些角落的同时获得房间的尺寸信息，从而决定清扫时间；之后，利用随机和局部遍历规划相结合的策略产生高效的清扫路径；清扫结束以后，自行回到充电座，补充电力。吸尘机器人在55X35m的实际家庭环境中，工作10分钟可以达到90以上的覆盖率。更大房间的清扫试验还没有进行。目前，系统正在引入机器视觉和全局定位功能，力图在多房间环境下，提高自定位能力、智能决策能力以及回归充电效率，最终高清扫效率。（三）吸尘机器人的关键技术 吸尘机器人系统通常由4个部分组成：移动机构、感知系统、控制系统和吸尘系统。随着近年来计算机技术、人工智能技术、传感技术以及移动机器人技术的迅速发展，吸尘机器人控制系统的研究和开发己具备了坚实的基础和良好的发展前景。目前发展较快、对吸尘机器人发展影响较大的关键技术是：路径规划技术、多传感器融合技术、定位技术、吸尘技术等。 (1) 路径规划技术 路径规划其实质就是移动机器人运动过程中的导航和避障。机器人的工作环境可分为静态结构划环境、动态已知环境和动态不确定环境。自20世纪70年代研究以来，移动机器人的路径规划按机器人获取工作环境信息的方式不同，大致分为三种类型： 基于模型的路径规划，主要处理结构化环境，规划方法有栅格法、可视图法、拓扑法等； 基于传感器信息的路径规划，主要用于非结构化环境，克服环境条件或形状无法预测的因素，方法有人工势场法、确定栅格法和模糊逻辑法等； 基于行为的移动机器人路径规划是移动机器人路径规划问题研究中的新动向，就是把导航问题分解为许多相对独立的单元即行为基元，如避障、跟踪、目标制导等。随着计算机技术和传感器技术的发展，多传感器集成与信息融合技术在智能机器人上获得了广泛的应用。基于多传感器信息融合的移动机器人的避障策略及其路径规划技术，成为了机器人技术发展的重点。 (2) 多传感器融合技术 要保障吸尘机器人正常工作，就必须对机器人的位置、姿态、速度和系统内部状态进行监控，同时还要感知机器人所处工作环境的静态和动态信息，因此每个吸尘机器人都采用了大量的传感器，通过对大量的传感器观测信息进行融合处理，机器人可以获得最大量的外部环境信息。多传感器融合技术的优点就是在同样的观测条件下，可以协调使用多个传感器，把分布在不同位景的多个传感器所提供的局部不完整观测量及相关数据库中的相关信息加以综合，消除多传感器间存在的冗余和矛盾，并加以互补，降低不确定性，从而获得对物体或环境的一致性描述，这些都是任何单一传感器所无法获得的。运用多传感器融合技术对提高移动机器人定位、障碍物识别、环境建模、避障的精度等都具有重要作用。多传感器融合技术的主要方法有：KALMAN滤波法、BAYES估计法、统计决策法、D-S推理法、模糊逻辑法等。 (3) 定位技术定位是移动机器人另一个基础而重要的课题。定位是指机器人对自身位置的估计，包括位置(x，Y)和方向口的估计。已知环境地图的定位易于解决，但在完全未知环境下，定位具有很大的难度，目前存在3种方法，一种是利用编码器、陀螺仪等传感器计算单位时间内机器人的方位变化，并不断累计，从而实时获得方位信息。这种方法不能消除累计误差，即使使用诸如卡尔曼滤波器等方法进行传感器融合，也不能根本解决这个问题；另一种方法是对前一种方法的扩展。这种方法引入外界信标，来清除航位推测系统的累计误差。第三种方法是将定位问题与环境感知、环境建模紧密结合起来，独立于具体的工作环境。但是地图的信息也来源于传感器信息和定位信息，这使得定位与环境建模形成了复杂的关系。在实现上，定位与环境建模同步进行，相互依赖，所以系统必须具有从现有地图中确立自身位置以及辨识新区域、实时融入新区域等功能。 (4) 吸尘技术 传统的真空吸尘器是由高速旋转的风扇在机体内形成真空从而产生强大的气流，将尘埃和脏物通过吸口吸入机体内的滤尘袋内。吸尘系统包括滤尘器、集尘袋、排气管以及其它一些附件，其吸尘能力取决于风机转速的大小。最近，己开发出采用新原理的气流滤尘器。这个吸尘器是一个全封闭系统，既无外部气体吸入，也无机内气体排除，所以就无需滤尘器、集尘袋、排气管等附件。其原理是利用附壁效应去形成低压涡流气体，最后将沉渣截留于吸尘器内的涡流腔内。另外，还有基于静电吸附原理的静电吸尘器。这些吸尘器体积小，重量轻，更适合吸尘机器人应用。 （四） 论文主要完成工作 本课题主要内容是对吸尘机器人的控制系统及路径规划进行研究。课题主要研究内容如下： 1机器人系统组成 A机器人的移动机构方案选择 B单片机控制系统的组成 2控制系统硬件部分 A上位机控制系统 B下位机控制系统 3控制系统软件部分 AMOBDUS通信协议软件的设计 B路径规划算法设计二、 机器人系统的组成 (一) 机器人移动机构方案选择 机器人移动机构按其结构可分为轮式、履带式、步行方式或其他方式。轮式和履带式机器人适合于条件较好的路面，而步行机器人则适于条件较差的路面。轮式移动机构运动平稳，自动操纵简单，最适合平地行走，在无人工厂中，常用来搬运零部件或做其他工作，应用最广泛。本课题中的机器人为吸尘机器人，一般用于室内，所以采用轮式。 图21 机器人移动机构方案选择 普通的轮式移动机构一般有三个轮、四个轮或六个轮，其转向装置的结构通常有两种方式 1 铰轴转向式：转向轮装在转向铰轴上，转向电机通过减速器和机械连杆机构控制铰轴，从而控制转向轮的转向。 2 差速转向式：在机器人的左、右轮上分别装上两个独立的驱动电机，通过控制左右轮的速度比实现车体的转向。在这种情况下，非驱动轮应为自由轮。 据上所述，轮式移动机器人通常有以下几种可选方案： 1 三轮铰轴转向式：如图21(a)所示，轮1为铰轴转向轮，它同时也可以作为驱动轮。如果l作为驱动轮，可将轮2或轮3之一作为驱动轮。 2 三轮差动转向式：如图21(b)所示，轮1为随动轮，它可以自由转动，轮2和轮3都是驱动轮。 3 四轮铰轴转向式：如图21(C)所示，轮1和轮2为转向轮，它们之间有同步轮转向连杆，轮3或轮4为驱动轮，转向通过转向电机来实现。 4 四轮差动转向式：如图21(d)所示，轮1和轮2为自由轮，轮3和轮4分别由不同的电机来驱动，以实现差动转向。四轮的稳定性好，承载能力较大，但结构较复杂。三轮移动机构结构最简单，控制最方便。三点确定一个平面，三轮支撑理论上是稳定的。然而，这种装置很容易在施加到轮1的左右两侧力F作用下翻倒，因此，对负载有一定限制。但对采用三轮移动机构的机器人来说，重心都比较低，载荷稳定且中心位置基本不发生变化，所以三轮移动机构能满足要求。铰轴转向式控制简单，但精度不是太高。差动转向式控制较复杂，但精度高。考虑到吸尘机器人在移动和避障时，其运动和转向的精度要求较高，所以本课题采用三轮差动转向式。（二） 步进电机的选择 1. 进电机驱动的特点 步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移(或线位移)的机电元件。对这种电机施加一个电脉冲后，其转轴就转过一个角度，称为一步：脉冲数增加，角位移(或线位移)就随之增加，脉冲频率高，则步进电机旋转速度就高，反之就低；分配脉冲的相序改变后，步进电机的转向则随之而变。步进电机的运动状态和通常匀速旋转的电动机有一定的差别，它是步进形式的运动，故也称其为步进电动机。 步进电机有其独特的优点，归纳起来主要有： (1) 步距值不受各种干扰因素的影响。简而言之，转子运动的速度主要取决于脉冲信号的频率，而转子运动的总位移量取决于总的脉冲个数。 (2) 位移与输入脉冲信号相对应，步距误差不长期积累。因此可以组成结构较为简单而又具有一定精度的开环控制系统，也可以在要求更高精度时组成闭环控制系统。 (3) 可以用数字信号直接进行开环控制，整个结构简单廉价。 (4) 无刷，电动机本体部件少，可靠性高。 (5) 控制性能好。起动、停车、反转及其他运行方式的改变，都在少数脉冲内完成，在一定的频率范围内运行时，任何运行方式都不会丢步。 (6) 停止时有自锁能力。 (7) 步距角选择范围大，可在几度至180。大范围内选择。在小步距情况下，通常可以在超低速下高转矩稳定的运行【14】。 2步进电机的主要参数及性能指标 1 相数m电机上独立成系统而存在的回路个数即是相数。步进电机的相数可以为任意数，通常m为2，3，4，5，6。 2 步距角 在不带任何减速装罨的情况下，输入一个脉冲信号，步进电机所转过的机械角位移即步距角。 3 距角特性 步进电机静转矩和失调角的关系称为矩角特性。静转矩是指步迸电机转子静止时，控制绕组通以直流电，由失调角(定转子齿中心线间夹角)的存在而引起的电磁转矩。当绕组内电流不变时，静转矩随失调角在一个齿距角范围内变化一个周期，在近似分析中视距角特性为正弦曲线。 4 最大静转矩Tn 即距角特性上最大电磁转矩值。它的值取决于绕组内电流的值，及通电相数【14】。 3. 步进电机功率的确定 在进行驱动电机功率确定的时候，我们只考虑机器人在水平路面做直线运动的情况，并且轮子变形、地面打滑、空气阻力等因素忽略。主动轮的受力如图22所示： mdgFd Pd MNd图22驱动轮受力图图中： M 驱动力矩； Md 驱动轮质量； Pd 驱动轮的载荷； Fd 车体对驱动轮的作用力； Fd 地面对轮子的摩擦力； Nd 地面对驱动轮的支撑力； v 驱动轮轴心的运动速度； 在这里面分别用下标d,c表示驱动轮和从动轮。由于我们考虑的是机器人做直线运动的情况，所以各个轮子中心的运动速度与机器人的直线运动速度相同。其中Jd为驱动轮的转动惯量。又由v=rw 具中，为车轮的半径。由从动轮的受力分析。对驱动轮和从动轮受力分析完后下面分析车体受力，如图24 mjg Fc Fd Pc Pd图24车体受力图 图24中，Mj为除车轮外车体的质量。根据受力可以由其中机器人的总质量为2md+mc+mj 根据所要求的机器人的加速度，我们可以估算出所需要的驱动力矩M的大小。根据所要求的运行速度，并且考虑传动效率以及安全情况，可以确定所需电机的功率大致为式中，世为安全系数。 综合以上的考虑，吸尘机器人选用的驱动步进电机型号为： 57BYGH311-01，此型号的步进电机为两相混合式步进电机，它的最大静转矩为15kgcm，步距角为l.8。 （三） 传感器的选择 1. 机器人传感器的选择依据 机器人通常采用的传感器分为内部传感器和外部传感器，其中内部传感器有编码器、线加速度计、陀螺仪、磁罗盘等，用于控制和监测机器人本身；外部传感器包括视觉传感器、超声波传感器、红外线传感器、接触和接近传感器等，用于感知外部环境信息。 选掸机器人传感器应当完全取决于机器人的工作需要和应用特点，对机器人感觉系统的要求是选择机器人传感器的基本依据。机器人对传感器的一般要求是： (1) 精度高、重复性好。机器人传感器的精度直接影响机器人的工作质量。用于检测和控制机器人运动的传感器是控制机器人定位精度的基础。机器人是否能够准确无误地正常工作，很大程度上取决于传感器的测量精度。 (2) 稳定性好、可靠性高。机器人传感器的稳定性和可靠性是保证机器人能够长期稳定可靠地工作的必要条件。 (3) 抗干扰能力强。有时，机器人传感器的工作环境可能是比较恶劣的，机器人传感器应当能够承受强电磁干扰、强振动，并能够在一定的污染环境中正常工作。 (4) 质量轻、体积小、安装方便可靠。对于安装在机器人运动部件上的传感器，质量要轻，否则会加大运动部件的惯性，影响机器人的运动性能。对于工作空间受到某种限制的机器人，对体积和安装方向的要求也是必不可 少的。 (5) 价格便宜。 本课题中根据吸尘机器人对避障和吸尘的工作要求，采用超声波传感器和红外线传感器，下面就分别描述它们的特点和优点。 2. 所选传感器的描述 (1) 超声波传感器 20KHz以上频率的声波称为超声波，这种声波人耳听不见，超声波的波长较短，近似作直线传播，在固体和液体媒质内衰减比电磁波小，能量容易集中，可以形成较大强度，产生激烈振动，并能引起很多特殊作用。超声波测距原理并不复杂。发射探头发出的信号碰到目标后产生反射，再由接收探头接收回来，根据接收与发射之间所需要的时间以及声速，就可确定发射探头到目标的距离。在温度为20，气压在1013kpa的条件下，声速v约为3435m/s。假设为波长，则有=v/f。v受空气温度的影响很大，而受气压的影响较小。因此超声波在测距时应该考虑温度的影响，此时超声波的传播速度：v =331.5+0.6T （m/s） 这里之所以选用超声波传感器，是因为超声波传感器不仅能够探测到障碍物的存在，而且能够测出障碍物和机器人之间的距离，为吸尘机器人对障碍物危险等级的划分提供了依据。再有，与光学传感器相比，超声波传感器不受环境中光线变化的影响，而且它还能够探测出障碍物的立体形状。 (2) 红外线传感器 红外传感器工作原理与超声波传感器类似，同样采用发射固定波长红外线并接受同一回波的主动方式，它探测视角小，方向性强，测量精度高、反应速度快，探测距离比较近，可以作为吸尘机器人的碰撞传感器。用红外线作碰撞传感器的优点在于，在检测到障碍物前，机器人实际上并不与任何物体碰撞，这使机器人损坏的几率大大降低。但其缺点是受环境影响较大，红外探测头，稍被灰尘污染，其测量精度就会大大下降。 （四） 控制系统总体结构 计算机控制系统有三种结构：集中控制、主从控制和分布式控制。集中控制是用一台功能较强的计算机实现全部控制功能。在早期的机器人控制中多采用这种结构，但是这种控制结构维护困难，不易进行系统的扩展。随着计算机技术的进步和机器人控制质量的提高，集中式控制已不能满足需要，取而代之的是主从式控制和分布式控制结构。分布式控制常用于机器人的多传感器融合技术或多关节控制中，即由上一级主控制计算机负责整个系统的管理以及坐标变换和路径规划运算等，下一级由许多微处理器组成，每一个微处理器负责传感器数据的处理或机器人关节的驱动。它们平行地完成任务，因而提高了工作速度和处理能力。这些微处理器和主控机之间的联系是通过总线形式构成的，这种结构易于系统的扩展和维护。上位机单机片单机片单机片单机片红外传感器驱动整形信号处理电机鉴幅温度传感器超声波传感器发送接收 图25控制系统的总体结构框图 实验中为了实现比较理想的控制，采用两层多CPU分布式控制结构，总线的物理层采用RS一485总线标准。上位机控制系统主要由89C51单片机组成，负责完成控制算法处理、传感器信息融合和总体协调等功能：下位机控制系统采用多个89C2051单片机作为微处理器，主要完成电机驱动、红外传感器信号处理、超声波传感器信号处理并实现和上层控制系统通信的功能。可将控制系统分成几个层次模块，每个模块完成不同的特定功能，最后在上位机控制系统的统一协调下共同工作。在此基础上，结合柔性体系结构思想，采用分层递阶式结构，其原理框图如图25。 （五） 控制系统总线结构 RSd85总线是美国电气工业联合会制定的利用平衡双绞线作传输线的多点通讯电气接口规范，是为了弥补RS一232的不足提出来的，它改进了RS一232通讯距离短和速率低的缺点，采用差分信号进行传输，最大传输距离可达12km，最多可连接32个驱动器和收发器，若加485中继器还可以扩展，具有多站能力；接收器最小灵敏度达200 mV，最大传输速率达25MbS。RS一485是针对远距离、高灵敏度、多点通讯制定的标准，可以利用单一的RS一485接口方便地建立起设备网络。RS7485总线实质上只规定了平衡驱动器和接收器的电特性，而没有规定插件、传输电缆以及通信协议，它只是对应丁通信模型中的物理层。如图26所示，在本课题控制系统中，采用RS 485总线和Modbus协议来实现通信，RS485作为物理层实现上位机和下位机的连接，而Modbus协议规定了数据传输的格式，使得上位机和下位机间的通信变得协调有序。在进行通信时，上位机根据事先为下位机分配好的地址，向要通信的F位机发送地址代码和功能代码，被选中的下位机发送回应消息，并把自己的地址放入回应的地址域中，上位机就知道是哪一个终端的回应。上位机根据这些回应的数据进行机器人的路径规划，然后向电机发送指令，从而实现机器人的避障运动。在机器人控制系统中应用RS-485总线可以形成控制系统的分布式结构，易于控制系统的扩展和维护。 三、 控制系统硬件 自主移动吸尘机器人的控制系统采用两层多CPU分布式控制结构，上位机控制系统以AT89C51单片机为主，下位机控制系统采用多个AT89C2051单片机作为微处理器，主要完成电机驱动、传感器信号处理和同上层控制系统通信的功能。针对下位机控制系统各个微处理器所完成的功能的不同，可将下位机控制系统分为电机驱动模块和传感器模块。（一） 上位机控制系统 上位机控制系统是整个机器人控制系统的核心部分。其主要功能包括与下位机之间的通讯，数据的处理与存储，完成机器人路径规划、传感器信号数据融合，以及对系统的实时监控。 上位机控制系统主要由AT89C51单片机、MAX485电平转换器、62256数据存储器、27256程序存储器组成，其中AT89C51是整个上位机控制系统的核心。AT89C51是种低功耗，高性能，内部带有“字节的可下载FLASH存储器、128字节RAM的8位CMOS单片机。该器件运用了ATMEL公司的高密度非易失存储器技术，与工业标准的AT89C51的指令和管脚排列兼容。芯片内叮下载的FLASH存储器可通过SPI串行接口或通过通用的非易失存储器编程器对程序存储器进行系统内的重新编程。通过将可下载的FLASH存储器与通用的8位CPU相结合，AT89C51成为一种许多嵌入式应用系统中低成本，灵活性好的单片机20。其主要特点如下： (1) 与MCS一51tm产品兼容 (2) 4K字节可系统内重复编程的FLASH EPROM (3) 128字节的内部RAM(4) 操作电压为4V6V (5) 32路可编程IO (6) 2个16位计数器定时器 (7) 5个中断源，可编程的UART串行接口 1. 复位电路 通过某种方式，使单片机内各寄存器的值变为初始状态的操作称为复位为使单片机正常工作，必须保证良好的复位。复位可分为上电复位和外部复位两种方式。上电复位是指单片机在接通电源时对单片机复位。外部复位可由外部脉冲复位或由手动复位。本系统中手动复位由复位按钮完成。复位电路的参见图31。 RSTAT89C51 C1+5V R2 S1R1 图31复位电路 主单片机的复位包括上电复位和按钮复位两部分。上电瞬间，由于电容C阴端电压不能突变，所以单片机RST引脚保持高电平。随着电容上电压的逐渐上升，RST引脚的电压逐渐下降。只要合理选择置、c1的值使RST引脚上高电平的保持时间超过两个机器周期，就可以使单片机可靠复位。复位按钮在控制面板上。当控制面板上的复位按钮按下时，电流经尼和足构成回路，此时与月相连的RST引脚为高电平，使RST引脚保持两个机器周期以上的高电平就可以使单片机可靠复位，当松开按钮后，单片机的复位管脚又恢复到低电平，开始进入工作状态2 时钟电路 30PF 30PF 11.0592M AT89C5 XTAL2 XTAL1图32时钟电路 AT89C51工作的时钟频率为O24MHz。XTAL1和XTAL2分别作为单片机内部反相放大器的输入和输出，该放大器可被设置为片内的晶振器。可用石英晶振或陶瓷谐振器。本文选择110592MHz的石英晶振，30pF的电容构成振荡电路，如图32所示。单片机也可以由外部时钟源驱动，此时XTAL1接外时钟源，XTAL2悬空。 3 存储器的扩展 AT89C51内部有4K可串行下载的FLASH程序存储器，一般可以满足小型程序的需要，但考虑到吸尘机器人在路径规划时计算量大，而且要求数据能长期保存，所以本文扩展了一片数据存储器和一片程序存储器。 单片机的系统扩展是通过单片机的片日脚进行的，片-B脚呈现三总线结构，即地址总线(AB)、数据总线(DB)和控制总线(CB)。5l系列的单片机地址总线宽度为16位，可寻址64K字节。由P0口、P2口分别提供低八位地址(AOA7)和高八位地址(A8一A15)。P0口还要用作数据总线，所以只能分时输出低八位的地址信息，并且一定要加地址锁存器。锁存器的控制信号由引脚ALE提供。在ALE的下降沿，锁存P0口的地址信息。P2口具有锁存功能，不需要外加锁存器。数据总线由P0口提供，是8位三态双向口。单片机与外部交换的信息都要经过P0口。 控制总线包括系统扩展控制线和片外信号对单片机的控制线。系统扩展的控制线主要有WR、RD、PSEN、ALE等。WR、RD用于对片外数据存储器的读写控制。ALE用于控制锁存PO口的低八位地址。在PO口输出地址期间ALE下降沿锁存地址。PSEN为片外程序存储器的读选通信号。片选控制采用译码法，主控制系统的电路图。 4 通讯电路 控制系统的通讯主要是指上位机和下位机之间的通讯，这里涉及到多机通讯的问题。由于通信总线采用RS485，它的的电平在15V6V时为逻辑 “1”在一15V一6V时为逻辑“0”，与单片机的TTL电平不兼容，所以两者接口时，必须进行电平转换。在本控制系统中采用MAX485作为电平转换芯片，该芯片即可作为RS-485的驱动器又可以作为接受器，这提供了一种可靠、低价和简单的设计方案。图34为姒X485应用电路示意图。 1 2 8 RXD 1RO VCC 27 输入0 RE B6 3DE A 5 4DI GND RO VccRE BDE ADI GND8765输入1 3 TXD 4 图33 MAX485应用电路示意图 如图33(a)所示，MAX485芯片的2，3引脚与单片机的一个I0口引脚相连，当2，3引脚接高电平“l”时，MAX485工作于数据发送状态，即为发送器，此时数据由单片机的TXD引脚经MAX485的4引脚接入该芯片内部，被转换成差分信号，再由MAX485的6，7引脚发出；如图33(b)所示，当2，3引脚同时接低电平“O”时，MAX485工作于数据接受状态，即为接受器，此时数据由MAX485的6，7引脚接到该芯片的内部，接收到的差分信号转换成非差分信号，再由tAX485的1引脚输出到单片机的RXD引脚。为了消除反射、吸收噪声，在MAX485的6，7引脚之间需要连接一个阻值为120欧的电阻。（二） 下位机AT892051控制系统 因为下位机控制系统由多个AT89C2051单片机构成，分别负责完成不同的功能，所以下位机控制系统可分为电机驱动模块和传感器模块。其中AT89C2051单片机是美国ATMEL公司AT89系列中经济低价产品，与MCS一5 J结构基本一致，区别是减少了PO和P2端口，增加了一个模拟比较器。它执行速度快，有良好的性能价格比，因而得到越来越广泛的应用。其主要特点如下： (1) 与MCS51兼容； (2) 内部128B RAM：AT89CC2051含有2KB Flash程序存储器；两极程序存储器锁定； (3) 15条可编程IO线，直接驱动LED； (4) AT89C2051有两个16位定时计数器；5个中断源；两个优先级；一个全双工串行DART接口；片内还有精确模拟比较器； (5) 片内振荡器及时钟电路，全静态工作频率为O24MHz； (6) 工作电压范围27V6V，具有低功耗的休眠和掉电模式； (7) 可以10000次擦写循环，数据保留时间为10年。AT89c2051为20引脚的单片机，它有一个全双工的通用异步接收发送器。P3口(P3OP37)是一个8位的多功能双向IO口，其中引脚P30的第二功能为串行输入(即RXD)，引脚P31的第二功能为串行输出(即TXD)，引脚P32的第二功能为外部中断0(即RXD)，引脚P33的第二功能为外部中断1(即TXD)，引脚P34的第二功能为定时器0外部输入(即To)，引脚P35的第二功能为定时器1外部输入(即T1)，P36因与片内精确模拟比较器的正相相连，不能作为通用TO口使用：P37可作为通用IO口使用【43】。下位机AT89C2051控制系统的复位电路、时钟电路、通信电路与上位机控制系统相同，可以参照图31、32及33，在此就不加详细说明。1. 传感器模块 （1） 碰撞传感器 机器人的碰撞传感器采用反射式红外光电传感器STl98。这种传感器由高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成。采用非接触检测方式，检测距离范围为50200mm。 红外光电二极管发出红外线，若前方有障碍物则红外线被反射回来，照射到光电晶体管的基极使三极管导通，c点电压为“L”；若前方没有障碍物则红外线不被反射回来，光电三极管处于截止状态，c点电压为“H”。利用c点电位的变化即可判断前方障碍物的有无。它的相关参数如下表： 表31红外光电传感器STl98的相关参数项目符号数值单位 项 目符 号数 值单 位输入正向电流If50mA输入反向电压VR6V输入耗散功率P75mw输出集一射电压VCEO25V输出射集电压VECO6V输出集电极功耗Pc50mw （2） 超声波传感器电路 超声波传感器电路主要由超声波的发射电路、接收电路两部分组成。为了让多个超声波传感器能同时独立的工作而又不相互干扰，在每一对超声波传感器的超声波发射端和接收端都加入了由VD2056和VD2057组成的编码、解码电路。通过编码、解码电路对超声波进行加密和解密处理后，每一对超声波传感器就只能发射和接收由自己产生的超声波，从而增强了传感器的抗干扰性和独立工作的能力。 （3） 超声波发射电路 超声波的发射电路由拨码开关、VD2056、74HC00、40kHz晶振、NPN型三极管C181 5组成。VD2056编码器的18引脚是编码的输入端，通过拨码开关u1可以手动由硬件实现对超声波的编码。引脚TE为VD2056编码器的使能端，它与单片机的P34引脚相连，当丁E为低电平时，地址编码信息以及数据线DOD3上的信息从DOUT端串行输出。74HC00的10引脚是产生40kHz的方波信号控制端，它与单片机的P33引脚相连。1、2引脚是编码输入端。40kHz的方波信号经放大电路，由T40发射出超声波。 (4) 超声波接收电路 超声波接收器R40接收到反射回来的经过编码调制的超声波，转换为微弱的电压信号进入放大器删741放大，放大后输出的仍是编码信号调制的40kHz的载波，然后再进入锁相环电路NE567的3脚。NE567在这里相当于一个精密的控制开关，当输入的频率信号落在锁相环电路的中心频率时，NE567的引脚8能立即将其输出。锁相环电路的中心频率可以通过调整R9和c9来实现，这里将中心频率调整为所接收的超声波频率(约40kHz)，这样NE567还起到了解调、滤波作用。译码器VD5027起到解码的作用，当VD5026发出的编码与VD5027预置的编码相同时，VD5027就会输出高电平到单片机的P35引脚。 2. 电机驱动模块步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线或角位移的执行元件，它不能直接接到交直流电源上工作，而必须使用专用设备，即步进电机控制驱动系统。典型的步进电机控制驱动系统如图34所示。变频信号源环形分配器功率放大器步进电机负 载方向控制 图34典型步进电机控制驱动系统框图 变频信号源是一个脉冲频率从几赫到几十千赫可以连续变化的信