智能救援機(jī)器人的設(shè)計(jì)

O 引言
    自從1920年捷克斯洛伐克作家卡雷爾，恰佩克的《羅薩姆的機(jī)器人萬(wàn)能公司》問世，人們便對(duì)機(jī)器人充滿了幻想與期待。隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，各行各業(yè)的分工越來(lái)越明細(xì)，機(jī)器人也能在其中扮演重要的角色來(lái)替代人們的勞動(dòng)。與此同時(shí)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，探險(xiǎn)、救災(zāi)、排爆等危險(xiǎn)場(chǎng)合工作的機(jī)器人，以及自動(dòng)化生產(chǎn)中機(jī)器人的應(yīng)用也日益廣泛。因此，智能救援機(jī)器人的研制已成為急需和必要，文章就智能救援機(jī)器人的設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討。

1 智能救援機(jī)器人的硬件設(shè)計(jì)
    該智能救援機(jī)器人主要由電源模塊、檢測(cè)感應(yīng)模塊(實(shí)現(xiàn)巡線、避障、撿放硬幣、測(cè)距功能)、聲光報(bào)警模塊、控制器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、顯示模塊六部分組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1．1 電源電路
    智能救援機(jī)器人全部能量來(lái)源于位于機(jī)器人底部的六節(jié)五號(hào)電池，經(jīng)過傳統(tǒng)的7805穩(wěn)壓電路給其單片機(jī)及外圍傳感器供電，其電路如圖2所示。部分傳感器采用5V低電壓供電可以避免機(jī)器人過早檢測(cè)障礙物而停止前進(jìn)。
1．2 檢測(cè)感應(yīng)模塊
1．2．1 巡線電路
    巡線模塊我們采用紅外對(duì)管。紅外對(duì)管由LED和光電三極管組成，光電三極管根據(jù)從地面反射回來(lái)的LED的光的強(qiáng)度而改變積極基極電流。在光電三極管基極接一上拉電阻，則可根據(jù)基極電壓的測(cè)量判斷反射光的強(qiáng)弱，強(qiáng)光說明探測(cè)器下方是白色，弱光說明下方光較弱，大部分光被黑線吸收。對(duì)于輸出的模擬信號(hào)，我們將其引入五個(gè)電壓比較器LM339進(jìn)行處理。電壓比較器LM339的一輸入端接紅外對(duì)管，另一端接滑動(dòng)變阻器，通過對(duì)滑動(dòng)變阻器的調(diào)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外對(duì)管對(duì)黑線的靈敏度。比較器LM339的另一端接上拉電阻后進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行探測(cè)。
1．2．2 避障電路
    避障部分采用光電開關(guān)，將其安放在機(jī)器人需要測(cè)量的各個(gè)方向。為減少它的測(cè)量距離保證機(jī)器人的正常運(yùn)行，我們采用的是低電壓5V供電，供電電壓雖略顯不足，但能保證它的正常短距離探測(cè)。光電開關(guān)的信號(hào)線的高低電平可反映前方障礙物的有無(wú)，障礙物檢測(cè)電路如圖3所示。

1．2．3 超聲波測(cè)距電路
    由于超聲波執(zhí)行性強(qiáng)、能量消耗慢、在介質(zhì)中傳播距離較遠(yuǎn)的特點(diǎn)。我們采用DIP-ME007超聲波測(cè)距模塊完成高度的測(cè)量功能，其電路板如圖4所示。DIP-ME007超聲波測(cè)距模塊能比較迅速、方便地測(cè)出橋底部距測(cè)距模塊之間的距離，此模塊共有五個(gè)引腳VCC、tring、echo、out、GND。DIP-ME007超聲波測(cè)距模塊輸出為pwm方式，VCC、GND接好后向tring發(fā)一個(gè)10 s以上的高電平，就可以在接收口echo等待高電平輸出。單片機(jī)采用跳變沿觸發(fā)，觸發(fā)后即開始計(jì)時(shí)。當(dāng)電平變低后即開始讀定時(shí)器，此時(shí)的值即為此次測(cè)距所用的時(shí)間。根據(jù)S=Ct／2即可得出所測(cè)得的距離。如此周期性測(cè)量即可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)測(cè)距。單片機(jī)內(nèi)部自動(dòng)將測(cè)得數(shù)據(jù)保存并與上一次測(cè)距結(jié)果比較，保留最大值，當(dāng)連續(xù)五次未測(cè)得大于前一次的數(shù)據(jù)時(shí)停止檢測(cè)并記錄最大值。當(dāng)再次檢測(cè)到黑線即已成功過橋，是時(shí)單片機(jī)控制顯示模塊將測(cè)得的最大值在液晶屏上顯示出來(lái)。
1．3 控制器電路
   由于主控制器的任務(wù)較多，電路要求引腳較多，且顯示器的控制程序較為復(fù)雜，我們單獨(dú)配備了一個(gè)同樣的單片機(jī)作為主控制器的輔助部分，通過它來(lái)分擔(dān)主控制器的工作，來(lái)完成顯示部分的工作。其中主控制器與其它模塊的連接如圖5所示。

1．4 聲光報(bào)警電路
    聲光報(bào)警模塊主要應(yīng)用于搜救報(bào)警電路中，同時(shí)為進(jìn)一步擴(kuò)展應(yīng)用，我們?cè)诳刂破溟_關(guān)的同時(shí)引入另一條信號(hào)線實(shí)現(xiàn)了對(duì)聲音的控制。在搜救過程和平安到達(dá)安置區(qū)時(shí)經(jīng)采用不同頻率和音色的聲音給出表示。尋找硬幣我們采用金屬探測(cè)傳感器，當(dāng)發(fā)現(xiàn)金屬時(shí)，其信號(hào)線上電平從低電平變?yōu)楦唠娖?，觸發(fā)單片機(jī)中斷，在單片機(jī)的控制下機(jī)器人停止運(yùn)動(dòng)，啟動(dòng)音樂發(fā)生模塊并點(diǎn)亮LED進(jìn)行聲光報(bào)警，具體實(shí)現(xiàn)電路如圖6所示。
1．5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路
    單片機(jī)通過傳感器的反饋信號(hào)控制電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)或者停止，來(lái)實(shí)現(xiàn)控制機(jī)器人完成各種動(dòng)作。L298N是專用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，他可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、剎車、pwm調(diào)速等多種功能，是對(duì)機(jī)器人電機(jī)進(jìn)行控制的比較理想的芯片，因此我們采用L298N芯片對(duì)兩個(gè)普通電機(jī)進(jìn)行控制。通過編程完全可以控制實(shí)現(xiàn)題目的基本要求和發(fā)揮部分，也可增加各種創(chuàng)新功能。L298N芯片信號(hào)電源與驅(qū)動(dòng)電源的分開，可以根據(jù)需要對(duì)電機(jī)的電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，其驅(qū)動(dòng)電路如圖7所示。

1．6 顯示電路
    采用MSl602C-1型LCD顯示相應(yīng)的信息。此顯示器模塊的工作電壓為5V左右，支持顯示2行字符，每行可顯示16個(gè)字符，每個(gè)字符由5×7點(diǎn)陣顯示?？梢酝ㄟ^編程實(shí)現(xiàn)多種顯示，顯示信息比數(shù)碼管更多，顯示效果更好。
    由于主控制器的單片機(jī)任務(wù)較多，電路接線較復(fù)雜，我們采用單獨(dú)的單片機(jī)控制顯示模塊。

2 智能救援機(jī)器人的軟件設(shè)計(jì)
    本智能救援機(jī)器人的軟件控制部分采用C語(yǔ)言編程，借助C語(yǔ)言的強(qiáng)大功能來(lái)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)AT89S52的控制功能。主程序流程圖如圖8所示。

3 結(jié)論
    以AT89S52單片機(jī)為核心部件，利用紅外傳感檢測(cè)、電機(jī)控制等技術(shù)，通過各種方案的討論及嘗試，再經(jīng)過多次的整體軟硬件結(jié)合調(diào)試，不斷地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，最后智能救援機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)；避開障礙物，并尋找到合適的路徑；順利通過受損的橋梁，并能較準(zhǔn)確地測(cè)出橋梁的高度；自動(dòng)識(shí)別路線狀況，并根據(jù)實(shí)時(shí)狀況快速做出判斷，準(zhǔn)確控制機(jī)器人的轉(zhuǎn)向；自動(dòng)顯示所要求的信息；自動(dòng)尋線前進(jìn)，能智能檢測(cè)、撿起、放下硬幣；聲光報(bào)警，并有彩燈閃爍；行駛到規(guī)定的地點(diǎn)自動(dòng)停止并顯示救援結(jié)束。
    在設(shè)計(jì)過程中，力求硬件電路簡(jiǎn)單，外形美觀，充分發(fā)揮軟件設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)來(lái)滿足系統(tǒng)的要求。