基于單片機(jī)自動(dòng)排爆機(jī)器人的研究與設(shè)計(jì)

張樹偉 李穎

摘 要：該文以MCS-51單片機(jī)為控制核心設(shè)計(jì)了一個(gè)能夠完成自動(dòng)排除可疑爆炸物的機(jī)器人裝置，該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，像搭積木一樣完成了機(jī)器人的硬件制作，同時(shí)應(yīng)用順序控制方法實(shí)現(xiàn)了在規(guī)定區(qū)域內(nèi)尋找可疑物品并將其帶離危險(xiǎn)區(qū)，設(shè)計(jì)構(gòu)思新穎，具有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)控制 循跡 單片機(jī)

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2012）12（a）-00-02

電子技術(shù)的發(fā)展為人類活動(dòng)開辟了廣闊的空間，使人們可以探索許多未知的領(lǐng)域，未知領(lǐng)域的危險(xiǎn)性是不可預(yù)料的，應(yīng)用電子技術(shù)研究制造某些使之具有人類的某些感覺和知覺功能的機(jī)器人，可以為人類活動(dòng)的安全提供保障。該文設(shè)計(jì)并制作了一個(gè)能自動(dòng)進(jìn)入危險(xiǎn)現(xiàn)場(chǎng)排除危險(xiǎn)品的簡(jiǎn)易排爆機(jī)器人，能夠在感全區(qū)檢測(cè)機(jī)器人的活動(dòng)，找到可疑的危險(xiǎn)物品，并帶離危險(xiǎn)區(qū)。

1 設(shè)計(jì)要求

（1）機(jī)器人從安全區(qū)域啟動(dòng)，按指定路線運(yùn)行，自動(dòng)區(qū)分直線軌道和彎路軌道，在指定彎路處拐彎，實(shí)現(xiàn)靈活前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎、倒退等功能。進(jìn)入直徑為1 m的圓形危險(xiǎn)區(qū)找到任意放置的可疑鐵磁材料薄片。整個(gè)搜索和轉(zhuǎn)移過程中機(jī)器人除探頭和機(jī)械手外均不得接觸邊線和可疑鐵磁材料薄片。

（2）機(jī)器人完成運(yùn)行任務(wù)后，將其搬移自動(dòng)返回出發(fā)起點(diǎn)。整個(gè)過程不超過5 min。搜索路線如圖1所示。

（3） 具有聲、光報(bào)訊功能，用以區(qū)分運(yùn)行狀態(tài)。

（4） 具有無線數(shù)據(jù)傳送功能，將機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)及計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)傳送到自制的接受顯示裝置放置在現(xiàn)場(chǎng)便于觀察處。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)示意圖

2 可疑物品搜尋的算法研究

通過對(duì)設(shè)計(jì)題目的分析，要求排爆機(jī)器人能夠在直徑為1 m的圓內(nèi)搜尋可疑物品，這對(duì)機(jī)器人的搜尋路線提出了要求，即能夠在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成整個(gè)危險(xiǎn)區(qū)的搜尋，不能有死角，找到可疑物品，并且把它拾起來送到起點(diǎn)。由于對(duì)機(jī)器人的尺寸限制，在圓內(nèi)又無軌跡可循，因此要求對(duì)機(jī)器人行走的路徑進(jìn)行分析運(yùn)算，以便按要求完成任務(wù)。

采用定式搜索法檢測(cè)可疑鐵磁材料。如圖2所示（箭頭部分為機(jī)器人小車中心線），在小車通過安全通道后，先沿著圓形區(qū)域掃描一圈。車身寬度為18 cm，所以先掃描此扇形區(qū)域，回到圓形區(qū)域起點(diǎn)后車身轉(zhuǎn)動(dòng)90 °直線掃描指定剩余半徑為32 cm的圓形區(qū)域，考慮到車身的長(zhǎng)度先轉(zhuǎn)90 °后行走一段距離，再轉(zhuǎn)90 °以防其車身超出邊界，搜索四圈左右，場(chǎng)地內(nèi)所有區(qū)域全部掃描完后尋邊線出現(xiàn)場(chǎng)。若在掃描過程中發(fā)現(xiàn)可疑物體便攜帶其尋邊線回到起始點(diǎn)。當(dāng)整個(gè)區(qū)域掃描完畢后沒有發(fā)現(xiàn)可疑物品，也沿著邊線返回到起點(diǎn)。該方案的優(yōu)點(diǎn)是安全性高，可實(shí)現(xiàn)全面掃描即效率高，保證能夠?qū)⒄麄€(gè)危險(xiǎn)區(qū)域掃描完整而不留死角。

圖2 算法示意圖

3 機(jī)器人硬件電路設(shè)計(jì)

該文采用ATMEL公司的89S51為主控芯片，完成對(duì)各路信號(hào)的采集和處理，并且按照預(yù)先設(shè)定的控制算法，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成機(jī)器人的整個(gè)排爆過程。輔助設(shè)計(jì)主要包括電源電路、循跡電路、行走電路、無線收發(fā)電路、危險(xiǎn)物品檢測(cè)與拾起機(jī)構(gòu)和顯示等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3.1 循跡電路設(shè)計(jì)

循跡采用紅外對(duì)管傳感器。它是一種一體化反射型紅外探測(cè)器，其發(fā)射器是一個(gè)砷化鎵紅外發(fā)光二極管，而接收器是一個(gè)高靈敏度，硅平面光電三極管。RPR220采用DIP4封裝，當(dāng)發(fā)光二極管發(fā)出的光反射回來時(shí)，三極管導(dǎo)通輸出低電平。紅外對(duì)管檢測(cè)到信號(hào)后通過電壓比較器LM324調(diào)節(jié)靈敏度后輸出到單片機(jī)I/O口。

3.2 行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用直流減速電機(jī)帶動(dòng)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的行走。直流減速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩大，體積小，重量輕，裝配簡(jiǎn)單，使用方便。由于其內(nèi)部由高速電動(dòng)機(jī)提供原始動(dòng)力，帶動(dòng)變速（減速）齒輪組，可以產(chǎn)生較大扭力。

本設(shè)計(jì)選用的直流電機(jī)減速比為1∶74，減速后電機(jī)的轉(zhuǎn)速為100 r/min。我們的車輪直徑為6cm，因此我們的小車的最大速度可以達(dá)到

V=2πr·v=2×3.14×0.03×100/60=0.314 m/s

能夠較好的滿足設(shè)計(jì)題目速度的要求。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用專用芯片L293作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。L293是一個(gè)四大功率管分為兩組，交替導(dǎo)通截止，以保證小車完成前進(jìn)和后退、左、右轉(zhuǎn)彎等運(yùn)行動(dòng)作，有控制使能端。用該芯片作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，操作方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良。

3.3 其他電路設(shè)計(jì)

①顯示電路設(shè)計(jì)：應(yīng)用數(shù)碼管來分段顯示搜索時(shí)間、返回時(shí)間和總時(shí)間，由于在5 min內(nèi)完成，所以應(yīng)用4個(gè)數(shù)碼管就足夠了，采用P0口低位BCD碼輸出，接74ls47驅(qū)動(dòng)7段數(shù)碼管，再用74ls138控制4位數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示。

②無線收發(fā)電路設(shè)計(jì)：采用無線通信編解碼芯片PT2262/PT2272再配以外電路來實(shí)現(xiàn)。

③危險(xiǎn)物品檢測(cè)與拾起電路：采用干簧管來檢測(cè)鐵磁性材料，當(dāng)干簧管檢測(cè)到鐵磁性材料后，電路接通，單片機(jī)的一個(gè)I/O口輸出高電平，從而給電磁鐵通電，拾起鐵磁性物品。

④電源電路：由于采用直流減速電機(jī)作為機(jī)器人的行走驅(qū)動(dòng)，消耗電能較大，一般的高性能電池只能運(yùn)行幾次電能就消耗掉了，而且電壓的降低對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速影響極大，因此采用高性能、大容量的手機(jī)電池串聯(lián)在一起，通過穩(wěn)壓電路提供給整機(jī)，效果顯著。

4 軟件設(shè)計(jì)

通過對(duì)機(jī)器人行走軌跡的算法研究，將機(jī)器人完成整個(gè)運(yùn)行分成三部分，第一部分為通過光電傳感器對(duì)邊界的循跡，完成半徑為18 cm的外圓掃描；第二部分走蛇形路線完成內(nèi)徑32 cm圓內(nèi)掃描，第三部分利用光電傳感器尋找邊界并找到出口。

在這三部分運(yùn)行的過程中，還要完成可疑物品的尋找、拾起并發(fā)出聲、光報(bào)警和無線數(shù)據(jù)的收發(fā)。具體程序流程如圖4

所示。

圖4 主程序流程圖

5 結(jié)語

該文應(yīng)用MCS-51單片機(jī)為主控制芯片，輔以電源電路、循跡電路、行走電路、無線收發(fā)電路、危險(xiǎn)物品檢測(cè)與拾起機(jī)構(gòu)和顯示等完成了排爆機(jī)器人由安全區(qū)通道進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)，并且在危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)搜尋可疑物品，通過無線數(shù)據(jù)通訊，能夠?qū)⑽ｋU(xiǎn)現(xiàn)場(chǎng)的情況發(fā)送給接收機(jī)，使操作者在安全區(qū)以外的現(xiàn)場(chǎng)了解排爆小車的運(yùn)行情況，以便及時(shí)進(jìn)行處理。在很長(zhǎng)一段時(shí)間的測(cè)試過程中，都達(dá)到了設(shè)計(jì)題目的要求。此設(shè)計(jì)電路簡(jiǎn)單，構(gòu)思新穎，應(yīng)用單片機(jī)順序控制技術(shù)完成復(fù)雜的運(yùn)算，具有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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