毕业论文-扫雷机器人控制系统设计

扫雷机器人控制系统设计摘要机器人技术融合了机械、电子、传感器、计算机、人工智能等许多学科的新理论和新技术，本课题对扫雷机器人的研究具有重要的意义。本文首先结合国内外移动机器人的研究现状，综述了扫雷机器人控制系统相关技术的发展概况，对扫雷机器人控制系统进行了初步论证，阐明了本课题的研究背景和意义，并概况了简述本论文的主要研究内容和所做工作。本文重点研究了扫雷机器人控制系统的设计。按照扫雷机器人的总体控制方案，设计了以PC机为核心的机器人控制系统，重点设计了PC机接口电路，包括I/O插槽、接口电路地址分配、地址译码电路控制模块、D/A控制模块、8254计时电路、I/O检测控制电路模块等部分，绘制出了接口电路原理图和PCB图。文中还介绍了步进电机及步进驱动器的选择和控制。本文所设计的接口电路的功能可以满足实验室正在研制的扫雷机器人的要求。最后，本文对所作的研究和主要工作进行了总结，并对今后的研究方向做出了展望。关键词：机器人控制系统，智能控制，自主机器人，接口电路，步进电机3扫雷机器人控制系统设计AbstractRobottechnologyintegration,machinery,electronics,computers,artificialintelligenceandsensoretcmanydisciplinesofnewtheoriesandtechnologies,thesubjectofdeminingrobotresearchhasimportantsignificance.Thispaperbasedonthemobilerobotresearchstatus,summarizedthedeminingrobotcontrolsystem,thedevelopmentsituationofrelatedtechnologiesofdeminingrobotcontrolsystemhascarriedonthepreliminarydemonstration,illustratesthistopicresearchbackgroundandsignificance,andbrieflyinthispaperthesituationofthemainresearchcontentsandwork.Thispaperfocusesonthedesignofminerobotcontrolsystem.Accordingtotheoverallcontrolschememinesrobot,designwithPCasthecoreoftherobotcontrolsystemdesign,focusingonPC,interfacecircuitincludingtheI/Oslots,interfacecircuitaddressassignment,addressdecodercircuitcontrolmodule,D/A,timer8254module,thecontrolcircuitandtheI/Ocontrolcircuitmodule,drawthepartoftheinterfacecircuitprinciplediagramandPCB.Inthearticlealsointroducedandsteppermotordrivesteppingcontrolandchoice.Thedesignoftheinterfacecircuitcansatisfythefunctionofdeminingrobotslaboratoryistherequirement.Finally,basedonresearchandmainworkissummarized,andthefutureresearchdirection.Keywords:robotcontrolsystem,intelligentcontrol,autonomousrobot,interfacecircuit,steppingmotor4扫雷机器人控制系统设计目录第一章前言.11.1课题的提出及选题的意义.11.1.1课题的提出.11.1.2课题研究的意义31.2国内外扫雷机器人研究现状31.3国内外扫雷机器人控制系统的研究现状51.3.1基于PC机的机器人控制系统.61.3.2基于微控制器的机器人控制系统81.3.3基于模糊控制的机器人控制系统91.3.4基于Internet的机器人控制系统.91.4设计目标及设计内容101.4.1设计目标101.4.2设计内容11第二章扫雷机器人控制系统结构组成.122.1控制系统的基本构成.122.2具体组成单元.122.2.1PC机控制单元132.2.2定位单元.132.2.3无线通讯单元132.2.4图像采集与传输单元132.2.5扫雷车控制单元142.2.6机械手控制单元.14第三章控制电路设计.153.1接口电路功能设计.153.2接口电路各部分功能设计.163.2.1I/O扩展槽163.2.2接口电路地址分配183.2.3地址译码电路控制模块195扫雷机器人控制系统设计3.2.4步进电机的运动方向和GATE门控信号模块203.2.5可编程硬件定时器8254芯片213.2.6振荡信号发生器.243.2.7I/O控制电路模块243.2.8D/A转换电路模块.253.3接口电路PCB图的设计.28第四章步进电机控制电路设计.294.1步进电机的应用及特点.294.2步进电机的分类.304.3步进电机驱动控制系统组成.304.4计算机与步进电机驱动器之间的接口方法及运行控制.314.5步进电机的速度和距离控制344.5.1步进电机的速度控制344.5.2步进电机运动距离控制354.5.3步进电机的运动过程控制35第五章结论与展望.38第六章经济技术分析报告.40参考文献.41致谢.43附录1原理图.44附录2PCB板线路图.45附录3PCB板3D效果图.46附录4元器件清单.47声明.486扫雷机器人控制系统设计第一章前言机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。作为一个复杂的综合系统，机器人控制系统涉及到很多学科(如计算机、机械、传感器技术、人工智能等)。其中，机器人控制系统的结构设计具有重要的意义。随着机器人功能的日益复杂，如何综合考虑模块功能、控制性能要求，设计一个合乎要求的机器人控制系统，将是一项十分有意义的工作。1.1课题提出及选题的意义1.1.1课题的提出智能机器人即所谓的“第二代机器人”，它是指那种本身能认识工作环境、工作对象及其状态的机器人，它根据人给予的指令和“自身”认识外界的结果来独立地决定工作方法，利用操作机构和移动机构实现任务目标.并能适应工作环境的变化。近年来，随着人们对机器人高速高精度要求的不断提高，使得整个机器人系统对其控制部分的先进性需求也越来越迫切。将控制理论的最新成果引进到机器人控制中、研究和开发具有智能的机器人已是大势所趋。战争的遗患总是要比战争持久得多。据联合国有关组织估计,自从地雷产生以来，全世界被埋设的地雷种类达700多种,总数已经超过1.11亿枚。在最近15年中,死、伤于触雷爆炸的人数已超过100万,与第二次世界大战中美军投在日本广岛、长崎的原子弹造成的伤亡相比,也绝不逊色4。如何清理这些雷场，在各种战争结束后尤显突出,为此,世界许多国家付出了大量的人力、财力去研制扫雷装备。自从二十世纪六十年代人类研究了第一台机器人以来，机器人技术就显示出了强大的生命力，在随后的40年时间里，机器人技术得到迅速发展。机器人学是现代高科技发展的重要方向之一，其在工业、民用及军事等领域具有广泛应用前景。机器人技术是一个多学科交叉的高科技领域，对人工智能、模式识别、自动控制、电子电气等多学科提出了很高的要求。因此，开展机器人的研究对人工智能、自动控制、电子电气及相关领域的发展具有重要的推动作用。有关资料显示，目前，世界上仍有55个国家生产各种地雷，仅杀伤人员地雷7扫雷机器人控制系统设计就有300多种，年产量1000万枚以上。从阿富汉到尼加拉瓜，从安哥拉到柬埔寨，全球有68个国家埋有近1亿枚未清除的地雷及其它爆炸物，其中伊拉克、阿富汗等国家有1000万颗以上；柬埔寨、安哥拉、莫桑比克、波黑等国家均有500万颗以上，更不要说许多地方还在不断埋下新的地雷。现在世界上每月有2000人死于地雷爆炸，每年约有22.6万人因触雷而丧生，地雷已使25万人以上致残3。因此，广大地雷受害国与国际社会要求限制使用地雷、清除“地雷污染”的呼声越来越高，联合国国际人道主义维和扫雷行动及研究扫雷机器人也正是在这种背景产生的。1.1.2课题研究的意义近年来，机器人技术己成为高技术领域内具有代表性的一项技术。机器人技术的出现和发展，不但使传统的工业生产面貌发生根本性的变化，而且将对人类的社会生活产生深远的影响。以前，在陆军器材中没有扫雷机器人，突击车辆的乘员主要依靠战斗工兵用手持式金属探测器和刺刀来判明雷场，容易造成功兵伤亡。扫雷机器人是装有扫雷器的专用机器人,用于在地雷场中为部队开辟道路，很大程度上减少了人员伤亡，提高了作战效率。据统计，全世界共有700种，1.1亿颗地雷分别埋在64个国家里，如果按照目前的扫雷速度，全世界需要1100年才能清除掉现有的地雷，更不要说新埋下的地雷。寻找和清除掉一颗仅30美元，需要耗费300-1000美元，1.1亿颗地雷至少需要330亿美元，而且在扫雷过程中还会造成工兵战士的伤亡，因此，机器人扫雷具有极其重大的意义3。同时，机器人技术融合了机械、电子、传感器、计算机、人工智能等许多学科的知识，涉及到当今许多前沿领域的技术。作为机器人学的重要分支，自主机器人能够运动到特定位置，执行相应任务，具备环感知、实时决策和行为控制等功能，拥有很高的军事、商业价值3一5。现今研制出的扫雷机器人在技术上仍然存在问题，比如说利用地雷物理特征来探雷往往虚警率过高，探测率很低。用提高灵敏度的办法必然会增加杂波的干扰，虚警率随之增加。因此探测效率不仅受到探测能力的限制，也受到杂波干扰的限制。这个缺点在人道主义扫雷中特别严重，因为杀伤地雷的数量很大，而人工扫雷又特别慢。8扫雷机器人控制系统设计探雷中的另一个重大难题是，尽管现在有各种各样的传感器和计算技术可用，但问题是如何把这些技术集成到作战系统中去。而且用一种传感器探雷往往非常有限，效果较差，于是人们就把多种传感器结合起来，以求得到更好的效果。由于探雷所需的数据来自不同的传感器，要做到准确判断，复杂的数据融合技术就非常重要，而传感器融合所需要的计算量特别大，尤其对于小型杀伤地雷。本课题设计并实现的自主机器人控制系统，具有很高的系统集成度和广泛的功能扩展空间，很好的兼顾了控制系统的通用性和实用性要求。该控制系统可通过控制单元的扩充和升级，增强机器人的功能，具有很强的实用意义。1.2国内外扫雷机器人研究现状机动能力是未来作战制胜的关键，有效的探扫雷装置是反地雷战中至关重要的装备器材。因此，外军仍在积极研究和发展这类器材，总的趋势是在现有扫雷机器人的研发基础上，应用新技术，发展更智能更安全更有效的自主扫雷机器人。目前各国研制的扫雷机器人有两种类型：一种是利用现成的技术改造现有的车辆，加上遥控装置进行扫雷；另一种是在新的遥控车上装上各种新型传感器及扫雷工具，以便更好的发现及扫除地雷7。扫雷车又分为机械扫雷车、机械爆破联合扫雷车和爆破扫雷车。它们一般是以主战坦克、装甲输送车以及某些轮式车辆为底盘，改装后加装探扫雷装置发展而成，也有将探扫雷装置悬挂安装在坦克、装甲车辆等前部，其主要任务是快速探测、引爆、清除地雷或使其失效；克服各种地雷障碍，迅速开辟雷场通路，以保障部队在战场上快机动实施进攻。如图1-19扫雷机器人控制系统设计图1-1美国近距离探雷标识机器人该机器人是由美国佛罗里达智能机械设计实验室研制的近距离探雷标识机器人（Landminedetectionandmarkingrobot），是一种可探测地雷和标示地雷的自动作业机器人。该系统带有一个希伯尔公司的AN-19/2地雷探测器，标识地雷器材选用喷漆，可完全自动实施探测作业。该机器人采用摩托罗拉68HC11微处理器和6811组件控制其作业。当探测器探测到地雷时可越过地雷，对其标识后继续实施探测6。早在第二次世界大战期间，美、苏、英等国就已经装备了各种机械式扫雷装置:如滚压式、犁掘式和链击式等扫雷装置。六十年代初，各国开始研究新的扫雷技术，对机械式扫雷装置进行改进，出现了混合机械扫雷车，研制了直列装药等爆破扫雷器材。进入七十年代，由于各种新式反坦克地的的出现以及火箭、火炮、飞机乃至导弹等布雷技术迅速发展，苏、美等国十分重视发展新的探扫雷技术，研制了机械爆破联合扫雷车、遥控扫雷车、微波探雷车，研究试验了磁性扫雷、微处理技术探雷等新型探扫雷技术，并取得了很大进展4。目前，探扫雷车已发展成为战斗工程保障中不可缺少的重要装备器材，探扫雷作业能力有很大提高。扫雷机器人发展现状如表1-1所总结。表1-1现有扫雷机器人10扫雷机器人控制系统设计种类结构特点举例机械式扫雷车用坦克推送安装在车机械强度高,能承受前苏军20世纪50年(按工作原理则可分体前面的扫雷滚、扫压发地雷的爆炸冲代装备的-54/55型为滚压式、犁掘式、雷犁或链锤等扫雷器击,而且滚轮在导向滚压式扫雷车、前联锤击式和混合式4材在雷场中进行扫雷轴上能灵活运动,适邦德国和法国联合研种)作业宜在起伏度较小的地制的快速扫雷器形上行驶,结构简便、LSM、英国“阿德瓦自身质量小,所需功克”锤击式扫雷坦克、率小、使用寿命长苏军使用的KMT-5型混合扫雷车机械爆破联合式扫雷扫雷器与爆破扫雷器一般不会降低底盘自美军ROBAT型遥控车集中在同一辆车上,身的机动能力和防护扫雷坦克、KMT-4车辆前部装机械压辊能力，而且集机械扫型机械爆破联合扫雷或犁刀,车体上部装雷和爆破扫雷于一车（如图1-1）直列装药和发射装身，可根据地形、地置。雷种类和季节情况使用机械式扫雷器或爆破式扫雷器，或同时使用或先后使用。扫雷速度不低，效果也较好爆破扫雷车通常使用一辆坦克或打破了机械扫雷车传英军“大蝮蛇”爆破装甲车辆为基础车，统扫雷方式，为扫雷式扫雷车其上装配有发射装置方式开辟新的途径操和扫雷装药，或用牵作方便，开辟雷场通引车牵引到发射场地路快，不受气候条件的限制，也不易遭受11扫雷机器人控制系统设计破坏新型扫雷车包括装甲驱动和控制地雷爆炸的冲击波不德国莱茵金属公司无装置以及模块组件，被车体所吸收，任何人扫雷车组件的设计便于更换损坏情况都可以被观察到，这可以帮助人们替换组件和对所遇到的地雷的类型进行评价1.3国内外扫雷机器人控制系统的研究现状众所周知，符合国际标准化组织ISO严格定义的第一台工业机器人Unimate在六十年代初已在美国新泽西州的一家通用汽车制造厂安装使用14。该产品在六十年代中后期引进日本15.其后自八十年代中期起，工业机器人的研究与应用在日本迅速发展并步入了黄金时代；进入九十年代，日本国内的机器人装机数量己占全世界总装机台数的约六成，雄居全球机器人制造和使用大国的地位。相对于机器人的发展来说，其控制部分的发展则显得比较缓慢。时至今日，大部分实际生产的工业机器人仍以采用PID加前馈的控制方案为主流17。在此期间，控制理论的发展经历了：1)五十年代发展成熟的针对单输入单输出(SISO)线性系统控制分析与综合的频域方法；2)六十年代开始针对多输入多输(MIMO)线性多变量系统控制和综合的现代控制理论；3)在前二者对线性系统透彻而极富成果的研究与应用基础上，近十年来，随着人们认识世界的不断深入和要求的不断提高，非线性控制己成为当代控制界普遍关注和主攻的方向。近年来，随着人们对机器人高速高精度要求的不断提高，使得整个机器人系统对其控制部分的先进性需求也越来越迫切。将控制理论的最新成果引进到机器人控制中去、研究和开发具有智能的机器人已是大势所趋。1.3.1基于PC机的机器人控制系统12扫雷机器人控制系统设计随着当今科技的不断发展，机器人应用领域的不断扩展，人们对机器人的控制想越来越方便、快捷。基于PC机的机器人控制系统极大的促进了机器人的遥控操作技术。基于VC+.NET的机器人控制平台的设计，提高了系统的人机交互性和可扩展性。采用标准的操作系统和标准的操作语言；利用计算机平台的软、硬件资源对控制器进行扩展；实现友好的人机界面；采用离线规划以减轻计算负担。基于PC机的扫雷机器人控制系统大致由四部分组成：定位系统、16位微机、CPU接口(串行接口用于外围设备，并行接口用于伺服电路)、伺服电路。如图1-2图1-2基于PC的扫雷机器人控制系统硬件组成基于微机的机器人控制系统设计方案，其主要特点为:1、系统独立性强，软件设计模块化，易移植、扩展；2、图形仿真动画质量好，效果逼真；3、人机界面友好，改善了编程操作环境；4、数据计算处理能力增强，能够进行实时多任务处理；从系统的功能层次结构来看，基于PC的机器人控制系统由用户级(任务级)、系统级(执行层、应用层)、伺服级(运动控制层、手臂控制层和电机控制层)这三层组成，其示意图见图1-3。13扫雷机器人控制系统设计图1-3基于PC的扫雷机器人控制系统系统功能层结构示意图用户级:用户给出控制指令，设定控制任务。这一功能层也可称为任务级，即对于用户而言，所见为以任务为划分的操作，底层操作被屏蔽。系统级:实现了用户控制意图的解释，综合处理各种信息，如控制算法的择优选择，传感器信息的处理。这一功能层主要在控制微机实现。伺服级:负责机器手臂的直接运动控制，包括电机控制，电信号反馈等。基于PC的机器人控制系统是一个反馈控制系统，其控制回环见图1-4。图表明了整个系统的信号流程。图1-4基于PC的扫雷机器人控制系统系统控制回环在PC机的Windows操作环境下，操作系统的多线程处理能力极大的增加了程序的计算能力。控制系统可以同时进行多个运算，将结果存入统一格式的数据文件，14扫雷机器人控制系统设计最后一起下传给后继处理程序。1.3.2基于微控制器的机器人控制系统传统的微处理器虽然开发周期短，成本低，但其实时性不好，难以实现复杂的控制算法；另外，增加的外围电路数据转换速度慢，使机器人的性能得不到充分的发挥。高速DSP的出现虽然使得系统模块化和全数字化，但其开发成本高。与DSP具有同等性能的ARM微处理器资源丰富，具有很好的通用性，其主要技术优点是高性能，低价格，低功耗，广泛地应用于各个领域，因此将ARM应用于机器人控制系统不失为一种好的策略。LPC2210是飞利浦带有一个支持实时仿真和跟踪的ARM7TDMI-S微处理器，其采用3级流水线技术，能够并行处理指令。由于具有非常小的尺寸和极低的功耗，多个32位定时器、PWM输出和32个GPIO使它特别适用于工业控制和小型机器人系统，满足了机器人对控制器运算速度的要求,设计结构简单，性能稳定7。以移动机器人的控制系统作为研究例子，其控制系统将微控制器模块作为核心，主要包括：微控制器模块、避障模块、电机驱动模块、测速模块、遥操作模块、串行通信模块及电源模块等部分。控制系统的总体框图如图1-5。15扫雷机器人控制系统设计图1-5基于微控制器移动机器人控制系统框图1.3.3基于模糊控制的机器人控制系统模糊控制是以人类的思维逻辑为基础建立的一种控制新技术，它不用数学函数来描述输入和输出参量之间的关系，而是运用专家的实践知识，根据控制对象的输出结果及其发展趋势是否符合人们的要求，来判断输入参量的调整方向。模糊控制系统包括精确量的模糊化，模糊控制算法和模糊决策。在机器人控制系统的应用中，由于简单的模糊控制很难完全消除系统的稳态误差，其使用范围也受到限制，而且在大偏差时，系统调节速度不能满足实际需要，单一的控制规则不能根据偏差的实际情况进行在线调整。为此，许多研究者将模糊控制和其他控制方法结合起来，以满足自主机器人的控制需要。1.3.4基于Internet的机器人控制系统机器人控制系统的控制方式网络化是近来机器人研究中的一个重点，网络化控制能够使操作者不受地域限制，对机器人进行遥操作和监控观察。针对不同的机器人系统应用方向和控制特点，设计方案的侧重也有所不同。基于Intemet的机器人控制系统在实现上有这样几种形式:客户机下载专用的独立的应用控制程序，通过Internet网络连接机器人服务器，早期的机器人网络控制系统多采用这样的形式，优点是一次下载，无限次使用，但是因为每当控制程序改动时，用户需要重新下载，对于系统维护更新来说，不是很方便7。Web形式的机器人控制系统有很多，系统访问浏览非常方便，控制程序与客户机隔离，维护方便，对于一般的机器人网络控制系统而言，能够很好的满足各项要求。综合考虑机器人控制系统的需求，将系统划分为这样几个组成部分:图像服务器、数据库服务器、机器人服务器、web服务器和客户端应用。远程的web用户发出控制目标(任务)给本地服务器的操作系统，该指令由位于本地的系统控制模块完成运算、解释、执行过程，并将执行情况返回给用户。在监督控制方式下，选择算法、规划路径和执行运动命令都是本地服务器(机器人服务器)完成的，称其为系16扫雷机器人控制系统设计统的局部控制7。远程用户的控制作用主要体现在任务的的给出或最终目标点的设定上。控制流程如下图1-6图1-6基于INTERNET的机器人控制流程图1.4设计目标及设计内容1.4.1设计目标本文主要是关于扫雷机器人控制系统的设计。目的是在现有高尔夫车上加装扫雷控制装置后变成扫雷车，实现自动控制。1.4.2设计内容具体内容主要包括方案分析、硬件系统设计及步进电机控制三方面：1方案分析根据资料，了解现有自主机器人控制系统软硬件的结构和特点，确定自己的设计方案。2硬件系统设计设计并搭建以PC机为核心的控制系统硬件结构，重点是PC机接口设计，原17扫雷机器人控制系统设计理图及PCB图的绘制。3步进电机控制设计设计步进电机软硬件及其驱动器。包括启动、停止、前进、后退、速度及转弯的控制。18扫雷机器人控制系统设计第二章扫雷机器人控制系统结构组成2.1控制系统的基本构成扫雷机器人整个控制系统包括远程控制系统和车载控制系统两部分。其中，远程控制系统由PC主控机、图像采集卡、无线电台组成,主要负责对扫雷机器人实施远程遥控；车载控制系统由定位系统、电台、CCD、PC机接口卡、PC从控机、扫雷车运动控制系统和机器手控制系统等部分组成，控制扫雷机器人的整个扫雷运动。如图2-1所示为扫雷机器人控制系统的基本组成。扫雷车运GPS定动控制位系光电机器手控统池精制定位PC机接口卡PC主机电台1电台1图像采集电台2电台2CCD卡PC从机图2-1扫雷机器人硬件系统组成2.2具体组成单元2.2.1PC机控制单元PC机控制单元分为PC主机和PC从机两个部分，主要作用包括对无线电发射、接收、数据采集与处理、图像处理、计算、显示等等进行控制。19扫雷机器人控制系统设计PC主机为主控机，是整个控制系统的中心，主要负责接受图像信息和定位信息，并将图像信号传给电台1,通过电台1实施对扫雷机器人车载系统的远程遥控；而PC从机是车载系统的核心，它与PC机接口电路相连接，通过接口电路与扫雷机器人的其他部分连接从而控制其运动。在设计初期选用PC机作为车载系统的核心，免去了复杂的编程过程，可以优化系统进行实时控制，还可以方便试验阶段的设备调试工作，这样在设计整个过程中可节省出大量时间。2.2.2定位单元定位单元包括GPS粗定位系统和激光精定位系统两部分。正如前文所讲述，扫雷机器人对定位的精度要求很高，需要整个定位系统能够在最快的时间内精确地找到地雷的位置以便确定扫雷机器人的位置，误差要求尽可能的小，这一过程决定了整个扫雷过程是否可以成功实现。所以，本定位单元先采用GPS做粗定位，确定扫雷机器人的大概范围，再经由激光定位系统做精确定位，确定扫雷机器人的精确位置，最后获得扫雷机器人的准确位置。激光精定位系统采用硅光电池作为传感元件，通过硅光电池对激光光线的感知，决定扫雷机器人的走向，从而实现导航功能。当激光光线发生偏转的时候，通过不同方位的硅光电池，从而决定小车偏转的角度及方向。2.2.3无线通讯单元本扫雷机器人的无线通讯单元即电台1，它承担起了在主机与从机之间的信息互相交换的功能。该电台装有发送和接收无线电信号设备的台站。分为发射台、接收台和收发兼备的电台，并且电台的天线和收发信机分设两地，以避免干扰，由控制室遥控。电台1将定位系统获得的信息传给PC机并且将PC机处理的图像信息传给车载接口电路。2.2.4图像采集与传输单元该单元由CCD、电台2、图像采集卡三部分组成，完成对周围环境的识别，并通过电台2将CCD对环境识别的图像信息传给图像采集卡，经图像采集卡将视频信号转换成数字信号后再传到PC主机中。CCD，英文全称：Charge-coupledDevice，中文全称：电荷耦合元件。可20扫雷机器人控制系统设计以称为CCD图像传感器，它是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。CCD上植入的微小光敏物质称作像素（Pixel）。一块CCD上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。它的作用就像胶片一样，但它是把图像像素转换成数字信号。CCD上有许多排列整齐的电容，能感应光线，并将影像转变成数字信号。经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容。CCD图像传感器可直接将光学信号转换为数字电信号，实现图像的获取、存储、传输、处理和复现。其显著特点是：1.体积小、重量轻；2.功耗小、工作电压低、抗冲击与震动、性能稳定、寿命长；3.灵敏度高、噪声低、动态范围大；4.响应速度快、有自扫描功能、图像畸变小、无残像；5.应用超大规模集成电路工艺技术生产，像素集成度高、尺寸精确、商品化生产成本低。因此，许多采用光学方法测量外径的仪器，把CCD器件作为光电接收器。2.2.5扫雷车控制单元扫雷车的控制单元是对X、Y两个方向的速度、距离及运动方向的准确控制，即工作台运动控制电路模块。其中包括I/O模块对启动、停止、前进、后退的控制；D/A模块对速度的控制；步进电机对扫雷车方向的控制。2.2.6机械手控制单元该单元主要是由步进电机完成对机械手臂方向和速度的控制。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。由于脉冲信号数与步距角的线性关系，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。21扫雷机器人控制系统设计第三章接口电路设计扫雷机器人对控制系统有一定要求，一般的接口电路满足不了我所设计的控制系统的功能，所以，需要自行设计扫雷机器人接口电路。接口电路的设计是主要包括：I/O扩展槽、地址译码、GATE门信号、D/A转换器、8254计时器、振荡信号发生器等部分组成。3.1接口电路功能设计计算机接口控制电路设计的好坏对控制系统的性能有决定性的影响。接口控制电路对从计算机总线上发送来的数据进行处理，从而获得必要的控制信息和精确的时序脉冲信号并提供给外部驱动电路去控制外部设备的工作，同时它又把外部设备的运行信息反馈给计算机进行实时判断、控制。扫雷机器人的工作环境非常复杂，这就对控制系统提出了应该能保证高精度定位的要求。根据扫雷过程的特殊需求，设计了接口电路的整体结构。为了提高控制系统的可操作性和充分利用现代计算机的高速运算性能，本接口电路被设计成基于计算机总线的内置式接口卡。此接口控制电路功能如图3-1所示。运动方向和GATE门控信号模块电机驱动信号外部晶振电路步进电机驱动器GAL8254译码控制电路定时器速度控制驱动器I/O检测控制模块D/A转换地址总线数据总线图3-1接口电路功能22扫雷机器人控制系统设计接口电路包括的部分有：I/O扩展槽；接口控制电路地址分配；地址译码电路设计；步进电机；可编程的硬件定时器8254芯片；振荡信号发生器；I/O控制电路设计；I/O接口设计。3.2接口电路各部分功能设计3.2.1I/O扩展槽IBMPC/XT/AT微机系统支持的端口数目为1024个，地址范围从03FFH,其中前512个端口地址被系统板占用。用户可对00H以后注明保留或者未出现在该表中的地址可以由用户自行设计扩展板时使用10。因此选择控制端口地址，最好是利用512个端口地址没有出现的地址，例如25026FH，33034FH等。根据需要我们选用8位ISA作为扩展I/O插槽，如图3-2，它的总线定义了62条信号线，通过一个31脚分A、B两面的连接插槽来实现,其中，A面为元件面，B面为焊接面。ISA总线与CPU兼容，具有20根地址线、8根数据线以及一些控制信号线、电源线、地线等接口信号线。我们选用其中的4根电源线供电，8根数据线传送数据，选用20根地址线中的10根来控制板上的其它芯片器件。23扫雷机器人控制系统设计图3-2ISA8位扩展I/O插槽1.地址线A0A9（共10条）输出线，A为最低位，它们用来指出内存地址或I/O寻址，在系统总线周期中0由CPU驱动，在DMA周期由DMA控制器驱动。对I/O寻址时只使用AA9，0故I/O地址范围为200H3FFH，可用AEN线来限定。2.数据线D0D7（共8条）双向线，D0为最低位，用来在CPU、存储器以及I/O端口之间传送数据，可用IOW、IOR来选通数据。3.控制线1）AEN：地址允许信号，输出线，高电平有效。由DAM控制器发出，当该信号有效时，表明DMA控制器已经控制系统的地址总线、数据总线和对存储器及24扫雷机器人控制系统设计I/O的读/写命令线。DMA控制，简单的说就是可实现PC机的读入/写出功能可以不通过CPU而直接进行，这样不仅节省了CPU的使用空间，也缩减了程序运行的时间。ISA总线的I/O地址通常设为0000H-03FFH。2）IOR：I/O读命令，输出线，用来把选中的I/O设备的数据读到数据总线上。在CPU启动的I/O周期，通过地址线选择I/O；在DMA周期，I/O设备由DACK选择。3）IOW：I/O写命令，输出线，用来把数据总线上的数据写入被选中的I/O端口。除了上述信号线外，还有12V、+5V电源线和地线。3.2.2接口电路地址分配为使I/O端口能被CPU访问，必须给每个I/O端口分配相应的端口地址。IBMPC/XT使用10位地址（A9A0）作为I/O端口地址，即可用端口为1024个。其中，低端512个（000001FFH）供系统板接口电路所使用，如表3-1所示24；高端512个（020003FFH）供扩展槽使用，如表3-2所示24。显然，用户在设计新增加的I/O设备接口卡时，一定要使接口地址译码电路中的A9=1。表3-1系统板I/O端口地址分配地址空间器件/接口适配器实际使用端口地址0000001FHDMA控制器8237000FH0020003FH中断控制器8259A2021H0040005FH计数器/定时器82534043H0060007FH并行接口片8255A6063H0080009FHDMA页面寄存器（74LS70）8083H00A000BFHNMI寄存器A0H00C001FFH未用表3-2扩展槽I/O端口地址分配地址空间器件/接口适配器地址空间器件/接口适配器20020FH游戏卡38038FHSDLC通信卡210217H扩充部件3903AFH未用2182F7H未用3B03BFH单显/打印卡2F82FFH异步通信卡（COM2）3C03CFH未用30031FH未用3D03DFH彩显/图形卡25扫雷机器人控制系统设计32032FH硬盘卡3E03F7H未用330377H未用3F03F7H软盘卡37837FH打印卡3F83FFH异步通信卡（COM1）显然，根据PC机和ISA插槽的共同特点，电路的I/O端口地址可选用3E0H-3EEH。如表3-3的十根数据线可完成接口电路的I/O端口地址要求。即：表3-3地址对应图A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0地址对应使用的管脚11111000003E0H11111000013E1HCSDA11111000103E2H11111000113E3H11111001003E4H11111001013E5HCST111111001103E6H11111001113E7H11111010003E8H11111010013E9HCST211111010103EAH11111010113EBH11111011003ECHLDAC11111011013EDHCSOUT11111011103EEHCSIN3.2.3地址译码电路控制模块因为本控制系统的核心是8254芯片，而每块8254要占用四个连续的口地址。它们对应着3个通道的3个计数寄存器CR和一个公用的控制寄存器端口。是否选中该芯片，由片选信号引脚CS的电平来控制。当CS为有效低电平时，该8254芯片被选中；反之，当CS为高电平时，则此芯片被禁止访问。CS接地址译码器输出，8。同时如CP脉冲的方向信地址译码器负责对地址线A2以上的地址信息进行译码26扫雷机器人控制系统设计号，8254的GATE门，开关信号，以及复位信号等也都需要入口地址。又由于本控制系统的工作是基于PC机总线的工作方式，因此译码电路是必不可少的。我们选用通用逻辑阵列芯片GAL16V8作为译码电路的核心器件。传统的地址译码电路一般采用线选法或全地址译码的方式。尽管线选法硬件电路简单，但由于片选线都是高位地址线，它们的权值较大，地址空间没有充分利用，造成了存储空间的浪费。全地址译码采用低位地址线作为片内地址，采用译码器对高位地址线进行译码。译码器的输出地址选择线作为片选线。译码器通常使用74LS138或者74LS139等芯片8。由于这些芯片的逻辑功能是固定不变的，所以一旦地址需要变化，硬件电路就必须重新设计，这给开发带来很大损失。GAL器件的好处是，可以通过使用PC机改写程序，从而达到对使用器件实时监控的目的。尤其是在研制过程中，设计人员不可避免地出现需要修改原设计方案的情况。若采用传统式的非重复编程器件，一旦需要变动设计，原编程器件就得报废，不得不重换器件。根据其性质，我们使GAL16V8的输入端与地址线相连，输出线与需要地址译码的芯片的片选信号引脚相连。并把它引入地址译码中，可实现地址译码的功能。即使电路板制作成型后，只需修改GAL中的程序就可实现地址变化的目的，使硬件电路具有一定的通用性和灵活性。下图是本控制系统使用的译码器以及输入输出网络标号。其中A0,A1,A2,A3,A4,A5,A6,A7,A8,A9,WR,RD为输入信号，通过对它们的组合逻辑运算去控制CST1,CST2,CST3,CSIN,CSOUT输出端信号的电平，来决定控制卡上的哪个芯片有效。译码方式如图3-3所示。27扫雷机器人控制系统设计图3-3地址译码器3.2.4步进电机的运动方向和GATE门控信号模块与一般的片选信号、地址信号不同，8254的GATE门信号和步进电机的方向信号是持久性信号。在计数器正常工作状态时，GATE门要始终保持高电平，直到人为地终止计数过程25。在扫雷车正常移动的过程中，也要保持方向信号的稳定存在。如果在其移动过程中，DIR信号意外的发生了翻转，则扫雷车可能会改变运动的方向，造成扫雷过程错误。当然在扫雷中人为地控制改变DIR信号还是允许和必要的。图3-4所示即为运动方向和GAET门控制电路。它是由采用数值译码的GAL时序逻辑产生相应输出引脚的控制信号，然后传送给74LS245。74LS245在此起的作用是提高GAL输出负载能力。图3-4GATE门和方向控制模块3.2.5可编程硬件定时器8254芯片对扫雷车的运动控制需要精确的延时和大量的计数工作。通常定时的方法有软件定时和硬件定时两种26。软件定时它是利用CPU执行指令需要若干周期的原理，运用软件编程，然后循环执行一段程序而产生的延时，再配合简单的输出和输入接口可以向外送出定时器控制信号。这种方法的优点是不需要增加硬件(用于延时)或硬件很简单。只需要编制相应28扫雷机器人控制系统设计的延时程序以备调用。缺点是执行延时程序会增加CPU的时间开销，浪费CPU的资源。更致命的缺点是程序可移植性差。因为不同的计算机的CPU速度不同，造成执行指令的周期长度不同。硬件定时硬件定时有专用的多谐振器件或单稳器件。使用这些定时器件获得定时的缺点是改变定时要改变硬件，所以使用起来很不方便。8254定时器本控制系统采用的是INTEL公司的8254芯片作为控制硬件部分的核心。利用它来作为方波信号发生器以及延时器，产生扫雷车移动和其它需要控制的转动部件的步进电机驱动控制信号、触发脉冲信号以及接收反馈信号。之所以选用此芯片，是因为利用它作为定时器或计数器有许多优点26。(1)8254是一种通用的可编程计数器定时器。这种可编程芯片使用灵活，定时时间长，改变定时时间或工作方式只要改变编程控制参数即可。另外，初始化编程后，就按设定的方式工作，不再占用CPU的时间。(2)8254具有3个独立的16位计数器通道。每个通道都可以编程设定六种工作方式之一。每个计数器可设定为按二进制计数或二十进制计数，最高计数频率可达10MHz；使用单5V电源，具有24条引脚双列直插式封装的大规模集成电路芯片；它的所有输入输出引脚都与TTL兼容。(3)由于8254的读/写操作对系统时钟没有特殊的要求，因此它几乎可以应用于由任何一种微处理器组成的系统中，可作为可编程的方波频率发生器12，分频器，实时时钟，事件计数器和单脉冲发生器等。INTEL8254管脚图如图3-5所示。29扫雷机器人控制系统设计图3-58254管脚图INTEL8254的内部结构如图3-6所示15，由数据总线缓冲器、控制寄存器读/写控制逻辑和计数器等部分组成。图3-68254的内部结构INTEL8254的计数器逻辑结构如图3-7所示。30扫雷机器人控制系统设计图3-7INTEL8254计数器逻辑结构从上图可以看出每个计数器通道有三条引线：CLK：输入脉冲线。计数器就是对这个脉冲计数。8254规定，加在CLK引脚的输入时钟周期不能小于380ns。GATE：门控信号输入引脚。这是控制计数器工作的一个外部信号。当GATE引脚为低电平（无效）时，通常都是禁止计数器工作；只有当GATE为高电平时，才允许计数器工作。OUT：输出引脚。当计数到“0”时，OUT引线上必然有输出，输出信号的波形取决于工作方式。3.2.6振荡信号发生器在本控制系统中振荡器采用的晶振频率是2.00000MHz。经过一级分频后方波频率为500000Hz，此方波可以作为CLK信号直接供给XY方向运动。振荡信号的发生电路如图3-8所示。它采用了施密特触发器。它可以把变化非常缓慢的输入脉冲波形整形成为适合于数字电路需要的矩形脉冲，而且由于有回差电压，所以抗干扰能力也较强26。它的输出级采用推拉式电路，所以带负载的能力较强。因此施密特触发器在脉冲的产生和整形电路中应用很普遍。31扫雷机器人控制系统设计图3-8振荡信号发生器3.2.7I/O控制电路模块I/O控制模块电路是由采用数值译码的GAL16V8时序逻辑产生相应输出引脚的控制信号，然后传送给74LS245，如图3-9。其中74LS245起到缓冲放大,并且提高GAL输出负载能力的作用。图3-9I/O输出开关选通3.2.8D/A转换电路模块我们选用有2路模拟信号输出的芯片MAX7837作为D/A转换器。32扫雷机器人