基于單片機自動排爆機器人的研究與設計

張樹偉 李穎

摘 要：該文以MCS-51單片機為控制核心設計了一個能夠完成自動排除可疑爆炸物的機器人裝置，該設計結構簡單，采用模塊化的設計方法，像搭積木一樣完成了機器人的硬件制作，同時應用順序控制方法實現了在規定區域內尋找可疑物品并將其帶離危險區，設計構思新穎，具有較強的實際應用價值。

關鍵詞：自動控制 循跡 單片機

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）12（a）-00-02

電子技術的發展為人類活動開辟了廣闊的空間，使人們可以探索許多未知的領域，未知領域的危險性是不可預料的，應用電子技術研究制造某些使之具有人類的某些感覺和知覺功能的機器人，可以為人類活動的安全提供保障。該文設計并制作了一個能自動進入危險現場排除危險品的簡易排爆機器人，能夠在感全區檢測機器人的活動，找到可疑的危險物品，并帶離危險區。

1 設計要求

（1）機器人從安全區域啟動，按指定路線運行，自動區分直線軌道和彎路軌道，在指定彎路處拐彎，實現靈活前進、轉彎、倒退等功能。進入直徑為1 m的圓形危險區找到任意放置的可疑鐵磁材料薄片。整個搜索和轉移過程中機器人除探頭和機械手外均不得接觸邊線和可疑鐵磁材料薄片。

（2）機器人完成運行任務后，將其搬移自動返回出發起點。整個過程不超過5 min。搜索路線如圖1所示。

（3） 具有聲、光報訊功能，用以區分運行狀態。

（4） 具有無線數據傳送功能，將機器人運行狀態及計時數據傳送到自制的接受顯示裝置放置在現場便于觀察處。

圖1 現場示意圖

2 可疑物品搜尋的算法研究

通過對設計題目的分析，要求排爆機器人能夠在直徑為1 m的圓內搜尋可疑物品，這對機器人的搜尋路線提出了要求，即能夠在規定的時間內完成整個危險區的搜尋，不能有死角，找到可疑物品，并且把它拾起來送到起點。由于對機器人的尺寸限制，在圓內又無軌跡可循，因此要求對機器人行走的路徑進行分析運算，以便按要求完成任務。

采用定式搜索法檢測可疑鐵磁材料。如圖2所示（箭頭部分為機器人小車中心線），在小車通過安全通道后，先沿著圓形區域掃描一圈。車身寬度為18 cm，所以先掃描此扇形區域，回到圓形區域起點后車身轉動90 °直線掃描指定剩余半徑為32 cm的圓形區域，考慮到車身的長度先轉90 °后行走一段距離，再轉90 °以防其車身超出邊界，搜索四圈左右，場地內所有區域全部掃描完后尋邊線出現場。若在掃描過程中發現可疑物體便攜帶其尋邊線回到起始點。當整個區域掃描完畢后沒有發現可疑物品，也沿著邊線返回到起點。該方案的優點是安全性高，可實現全面掃描即效率高，保證能夠將整個危險區域掃描完整而不留死角。

圖2 算法示意圖

3 機器人硬件電路設計

該文采用ATMEL公司的89S51為主控芯片，完成對各路信號的采集和處理，并且按照預先設定的控制算法，控制執行機構完成機器人的整個排爆過程。輔助設計主要包括電源電路、循跡電路、行走電路、無線收發電路、危險物品檢測與拾起機構和顯示等。系統結構框圖如圖3所示。

圖3 系統結構框圖

3.1 循跡電路設計

循跡采用紅外對管傳感器。它是一種一體化反射型紅外探測器，其發射器是一個砷化鎵紅外發光二極管，而接收器是一個高靈敏度，硅平面光電三極管。RPR220采用DIP4封裝，當發光二極管發出的光反射回來時，三極管導通輸出低電平。紅外對管檢測到信號后通過電壓比較器LM324調節靈敏度后輸出到單片機I/O口。

3.2 行走機構設計

采用直流減速電機帶動輪子轉動實現機器人的行走。直流減速電機轉動力矩大，體積小，重量輕，裝配簡單，使用方便。由于其內部由高速電動機提供原始動力，帶動變速（減速）齒輪組，可以產生較大扭力。

本設計選用的直流電機減速比為1∶74，減速后電機的轉速為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到

V=2πr·v=2×3.14×0.03×100/60=0.314 m/s

能夠較好的滿足設計題目速度的要求。電機驅動模塊采用電機驅動模塊采用專用芯片L293作為電機驅動芯片。L293是一個四大功率管分為兩組，交替導通截止，以保證小車完成前進和后退、左、右轉彎等運行動作，有控制使能端。用該芯片作為電機驅動，操作方便，穩定性好，性能優良。

3.3 其他電路設計

①顯示電路設計：應用數碼管來分段顯示搜索時間、返回時間和總時間，由于在5 min內完成，所以應用4個數碼管就足夠了，采用P0口低位BCD碼輸出，接74ls47驅動7段數碼管，再用74ls138控制4位數碼管動態顯示。

②無線收發電路設計：采用無線通信編解碼芯片PT2262/PT2272再配以外電路來實現。

③危險物品檢測與拾起電路：采用干簧管來檢測鐵磁性材料，當干簧管檢測到鐵磁性材料后，電路接通，單片機的一個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作為機器人的行走驅動，消耗電能較大，一般的高性能電池只能運行幾次電能就消耗掉了，而且電壓的降低對電機的轉速影響極大，因此采用高性能、大容量的手機電池串聯在一起，通過穩壓電路提供給整機，效果顯著。

4 軟件設計

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

在這三部分運行的過程中，還要完成可疑物品的尋找、拾起并發出聲、光報警和無線數據的收發。具體程序流程如圖4

所示。

圖4 主程序流程圖

5 結語

該文應用MCS-51單片機為主控制芯片，輔以電源電路、循跡電路、行走電路、無線收發電路、危險物品檢測與拾起機構和顯示等完成了排爆機器人由安全區通道進入危險區，并且在危險區內搜尋可疑物品，通過無線數據通訊，能夠將危險現場的情況發送給接收機，使操作者在安全區以外的現場了解排爆小車的運行情況，以便及時進行處理。在很長一段時間的測試過程中，都達到了設計題目的要求。此設計電路簡單，構思新穎，應用單片機順序控制技術完成復雜的運算，具有較強的實際應用價值。

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