探险机器人.docx

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探险机器人

探险机器人

随着社会的向前发展，人们的生活水平不断提高。

人类早就渴望有个机器的装置来解放人的枯燥甚至危险的工作。

随着科学的技术的发展，各个学科的共同进步，机器人这个概念被提了出来。

机器人是综合了人的特长和机器特长的一种拟人电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力。

并非是常人理解简单意义上代替人工的劳动。

从某种意义上说它也是机器的进化过程的产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。

有必要先了解机器人的概况。

自从七十年代工业机器人应用与工业生产以来，机器人对工业生产的发展，劳动生产率、劳动市场、环境工程都产生了深远的影响。

几十年来，机器人技术以惊人的速度发展起来。

第一代示教机器人已广泛应用于生产；第二代具有感知的机器人的研究已取得了很大的突破；第三代类人智能机器人的研究已成为许多国家的高科技前沿项目之一。

在核工业场所，深海石油平台的维护、战场上排雷、弹药运输、火场救火等方面，机器人相对与人类来说都有很大的优越性。

机器人在其他工农业领域也正有越来越广泛的应用。

人们对未知险情世界的了解和探索。

怎样解决人不能进入得危险区域，最大程度上减少探险时可能对人身造成的伤害。

探险机器人成为他们首选产品。

所以市场对各种探险机器人需求越来越大。

各种性能机器人的开发也成了研究热点。

未来的机器人都是朝着节能化,高级智能化,超级微型化方向发展。

的探险机器人起步比较早并且有着下面几个发展特点和趋势：

（1）性能可靠，功能全面，精确度高；

（2）机器人语言研究发展较快，语言类型多、应用广，水平高居世界之首；

（3）智能技术发展快，其视觉、触觉等人工智能技术应用到探险机器人的装置中

（4）高智能、高难度的军用探险机器人、太空探测机器人等发展迅速典型用于扫雷、侦察、太空探测方面。

（5）系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，趋于标准化、网络化；器件高度集成化，提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。

（6）机械结构向模块化、可重构化发展。

下位机是整个系统的主体部分，所有探测数据工作全部由它完成。

由轮式装置作为载体，STC89C58单片机作为中央处理器。

配合各种传感器模块。

下位机是整个系统的主体部分，所有探测数据工作全部由它完成。

由轮式装置作为载体，STC89C58单片机作为中央处理器。

配合各种传感器模块。

本章介绍了下位机的整个硬件与软件设计部分。

系统组成框如图

图2.1系统组成框架图

虽然探险机器人的机械、电气和计算的结构千差万别，但大多数有四个共同的主要部件：

（1）机械手（机械单元）；

（2）一个或一个以上的传感器；（3）控制器（大脑）；（4）动力源。

（一）机械手 

它是机器人的工作装置，以关节连在一起的许多连杆集合体，形成开环的运动学链系，包括齿轮、联轴器等。

它在各个方向都能运动，而这些运动认为是机器人在“做工”。

按关节—连杆结构所构成的机械手，一般有三个主要结构部件，即臂、腕和手。

除大多数机械手还含有使各种机械部件产生运动的装置，这些装置称为驱动部件，可以是气动的、液压的或电动的。

它们总是直接或间接地与臂的不同机械连杆或关节（轴）连结在一起。

在间接连结的情况下，可以使用齿轮、皮带、链条、谐波驱动装置或丝杠来传动。

（二）传感器 

传感器将有关机械手的信息传递给机器人的控制器。

信息传递可连续进行，或在预定动作终了时进行。

近代机器人所用的传感器可分为视觉和非视觉两大类。

视觉类包括光导摄像管、电荷耦合器件或电荷注入器件、TV摄像机。

非视觉类包括限位开关、位置传感器、速度传感器以及力和触觉传感器。

它们用于跟踪、目标识别或目标捕获。

（三）控制器 

机器人的控制器一般执行三个功能：

1、使机械手各部件按规定程序在规定的点开始和结束动作；2、将位置和程序的信息存储在存储器中；3、是机器人通过装在工作区域的传感器了解“外部”环境并相互联系。

机器人控制器一般有以下几种：

简单步骤顺序控制器；     

启动逻辑系统；     

电子程序控制器；     

微型计算机；     

小型计算机。

（四）功率变换单元 

它为机械手的驱动部件供给必需的能量，对于伺服电机驱动系统是功率放大器，对于气动或液压设备，可以是装在远处的压缩机。

温度传感器

温度传感器DS18B20芯片的介绍

DALLAS公司生产的型号为DS18B20是DS18xx系列数字化温度传感器。

具有单总线接口，工作温度范围是55℃～125℃，在30℃～85℃范围内温度测量精度为18±0.5℃，可直接将温度转换值以16位二进制数字码的方式串行输出，因此特别适合单线多点温度测量系统；具有温度报警功能，用户可设置最高和最低报警温度，且设置值掉电不丢失；DS18B20数字温度传感器提供9位（二进制）温度读数，指示器件温度，所以无需A/D转换。

为了在总线上可以分布多个DS18B20不产生混乱，因此每一个DS18B20在出厂时已经给定了唯一的序号因此从理论上说任意多个DS18B20可以连接在一条单线总线上。

图2.10DS18B20引脚及外形图

温度传感器的硬件设计

DS18B20[12]有两种工作模式，寄生电源工作方式与外接电源工作方式。

本系统采用外接电源的电路图如图2.12所示

图2.12DS18B20与单片机的连接

图中电源可以用（+3V～+5V）电源供电。

P3用于单片机与DS18B20的通信线，负责两者的数据交换。

R5为上拉电阻将数据信号线的电平往上拉本系统里选择的是4.7K。

温度传感器的软件设计

DS18B20与单片机的接口协议[21]是通过严格的时序来实现的，DS18B20数据的写入与读出都是由主机读写特定的时间暂存器完成的。

DS18B20和计算机之间在工作过程的协议主要有初始化，ROM存储器操作命令，RAM存储器操作命令。

具体编程思路流程图如图2.13所示：

图2.13读取DS18B20的程序流程图

模块仿真及调试结果

如图2.14所示仿真DS18B20运行的电路，该电路是一个子项设计内容是个智能温显水位系统。

借助这个电路对DS18B20的温度读取，及限温警报功能。

仿真初期由于不能正确对高速暂存器中十六制数据正确转换，最终不能正确进行数码显示。

后来通过寄存值分析做了纠正，显示正常，探险机器人的这部分工作正常

图2.14基于DS18B20智能温显调试电路

超声波测距

超声波测距介绍

超声波测距[16]是一种利用超声波的可定向的发射、指向性好等特点，结合电子计数，微电子技术实现的非接触式的检测方式。

在使用中不受光线，电磁波，粉尘等外界因素的影响。

用单片机作为处理单元使之信息处理简单、成本低、速度快。

起到了很好的避障及探测前方距离的功能。

超声波产生原理

超声波发生器如图2.15所示：

图2.15超声波转化结构图

超声波发生器内有两个压电晶片和一个共振板。

当它的两极外加脉冲信号的频率等于压电晶片的固有振荡频率时,压电晶片将会产生共振,并带动振动板振动,这样就产生了超声波。

反之,如果在两电极之间未加外加电压,当共振板接收到超声波时,将压迫压电晶片作振动,将机械能转化成电信号,就成为超声波接收器。

其宽度称为发射超声波的时间间隔,被测物距离越大,脉冲宽度就越大。

输出脉冲个数与被测距离成正比,超声波发生器可以分为两类：

一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。

本系统属于近距离测量，可以采用常用的压电式超声波换能器来实现。

超声波是指频率为40kHZ的机械波。

为了以超声波作为检测手段，必须产生超生波和接收超声波。

完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。

超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。

由单片机为主控芯片，其产生的方波信号频率与超声发生头的频率要一致。

超声波测距原理

超声波测距适用于高精度的中长距离测量。

因为超声波在标准空气中的传播速度为331.45米/秒，由单片机负责计时，本单片机使用12.0M晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。

在应用测距时关键的地方就是要测出超声

波发射到遇到障碍物之后返回的时间，把这个时间除以二便是单程时间。

由这个单程时间乘以超声波相应的传播速度就得到了两物之间的距离了。

由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离远，因而超声波可以用于距离的测量。

利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单，并且在测量精度方面也能达到要求。

超声波测距功能实现

超声波检测系统由超声波发射电路和超声波检测接收电路组成。

接收电路中使用了一块CX20106A红外接收芯片。

该芯片是参考红外转化接收期刊的电路采用集成电路，这是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。

考虑到红外遥控常用的载波频率38KHz与测距超声波频率40KHz较为接近，可以利用它作为超声波检测电路。

实验证明其具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。

适当改变C的大小，可改变接受电路的灵敏度和抗干扰能力。

采用STC89C58来实现对CX20106A红外接收芯片和TCT4010系列超声波组成

转换模块的控制。

单片机通过P口引脚经反相器来控制超声波的发送，然后单片机不停的检测INT0引脚，当INT0引脚的电平由高电平变为低电平时就认为超声波已经返回。

计数器所计的数据就是超声波所经历的时间，通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离。

如图2.16示意了超声波测距的原理

图2.16超声波测距原理图

超声波发射与接收硬件电路设计

如图2.17中所示硬件电路联接图中超声波的发射电路中应用了反向器，目的在于利用它可以起到鉴相能力，同时增加发射头的驱动电流。

在超声探测电路中,发射端输出的脉冲为一系列方波，方波的产生可以编程由单片机的P0输出，也可以由时基电路555制成频率为40KHZ。

图2.17超声波发射电路

红外遥控通信部分

红外线技术主要是应用在无线通信中断而控制机器人主体在险情或者人不能及区域需要控制召回情况下使用。

红光的波长范围为0.62μm～0.76μm，比红光波长还长的光叫红外线。

红外线遥控器就是利用波长0.76μm～1.5μm之间的近红外线来传送控制信号的。

红外线的特点是不干扰其他电器设备工作，也不会影响周边环境。

如图2.28是本系统红外遥控器整个电路图，在键盘部分设定6个按键用来分别表示，左进，左退，进，退，右进，右退。

各个键用来控制探险机器人的不同运动方向。

图2.28红外遥控器硬件电路图

接收电路应用了一体化红外线接收器俗称电视接收头是一种集红外线接收和放大于一体，不需要任何外接元件，就能完成从红外线接收到输出与TTL电平信号兼容的所有工作。

其输入口直接接到单片机P口就可以了。

红外遥控系统软件设计

红外控制的功能模块软件包括发射部分与接收取部分。

发射部分的软件如图2.29所示，首先让中央处理器进行不停地的键盘的扫描，如果有键盘按下那么就要判断哪个键被按下。

再判断其按下的时间是否超过108ms的时间。

如果是说明只按的某个键则只发出冗余码。

如果不是那么由发射的P口调制成38KHZ的频率的调制信号由发射电路通过红外管发出，完成基本单元的发射过程。

接收

部分软件的过程如

图2.29右边所示，首先初始化设定定时器，然后打开中断。

由接收头收到的信号判断是否有中断信号，如果有则打开定时器然后判断其低电平与高电平宽度，来确定其位是0或1。

跟据红外协议提取数据保存，然后具体指令操作下位机的工作方式。

图2.29红外线摇控系统的发射与接收程序流程图

探险机器人所能完成的任务比较广泛，如果注入大量的研究人力及物力对其功能不断完善及提高。

加上其本身具有很强的动态检测、控制功能，所以既可以应用到民方也可以应用到军方。

对机器人应用于各个领域可以减少大量的重复性的劳动，加速国民经济发展。

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