基于52系列单片机的轮式机器人开发研究的论文
摘要：本文设计的是一款基于52系列单片机的轮式机器人, 以89S52单片机为机器人控制核心, 以红外传感器和光电传感器为传感器对火苗与障碍进行检测, 以直流减速电机作为机器人移动手段, 并通过喷水方式作为灭火手段, 以实现轮式机器人能够自动避障、自动寻找火源并实施灭火的功能。本文可以作为轮式灭火机器人制作与实现的理论参考。
关键词：单片机; 传感器; 轮式机器人; 灭火机器人;
随着科学技术的不断发展, 机器人在工业生产和日常生活中应用越来越广泛。轮式驱动的机器人作为比较常见的形式之一, 属于移动机器人的一类, 具有运动效率高、稳定性强、可搭载性强、可扩展性强等一系列优点, 在AGV、救援机器人、探测机器人等领域有着广泛的实践。在未来的机器人发展过程中, 移动机器人将拥有广阔的应用前景。本文设计的一款以单片机作为控制核心, 能够实现对某小型火场进行火源自动寻找和自动灭火的功能。
1 机器人整体结构设计
轮式灭火机器人以89S52为控制核心, 在寻找火源的过程中以光电传感器实现避障, 同时通过红外传感器实现对火源的探测, 当发现火源后, 采用喷水系统作为灭火手段, 以实现精准定位火场、高效实施灭火的功能。单片机作为常用的系统控制核心, 具有体积小、成本低、可扩展性强、编程简便等特点, 适用于小型电子系统的开发与应用, 故本系统选择单片机为系统控制核心。火光中包含红外线, 故选用红外传感器作为火焰的检测手段。在机器人移动中, 会遇到障碍, 选择光电传感器对障碍物进行检测, 当检测到障碍时将信号传送至单片机后, 由单片机发出指令实现机器人的避障。
如图1所示为轮式灭火机器人整体结构框图。系统前向通道包含2类传感器, 即红外传感器和光电开关传感器;后向通道包含2类执行器, 分别是灭火系统执行器和直流减速电机。本系统中, 运动功能是轮式机器人的关键功能之一, 只有首先实现轮式机器人的运动功能, 才能在此基础上实现检测、避障和灭火等功能。本设计选用双减速电机作为轮式机器人的驱动方式。减速电机具有扭矩大的特点, 在执行灭火和避障任务时具有一定的优势。
图1 轮式灭火机器人系统整体框图
2 硬件电路设计
2.1 多路电源电路设计
系统多路电源模块的功能是为轮式机器人中各个系统提供稳压电源:光电开关传感器供电电压为+5V;红外传感器供电电压为+5V;最小系统供电电压为+5V;直流电机驱动供电电压为+24V;小型喷水灭火系统供电电压为+24V。轮式机器人选用额定电压为24V、容量为10000m Ah的锂电池作为系统供电电源。
综上可知, 本系统的供电电压基本分为两类, 即+24V和+5V。+24V供电部分采用锂电池直接供电, 其额定电压为+24V, 充满电量后电压小于+26V, 满足直流电机驱动和小型喷水灭火系统供电电压范围的要求, 因此本部分不再做稳压电路设计。而+5V电路选用稳压电路实现, 其电路原理图如图2所示。
其中, 稳压模块选择三端稳压模块LM7805, 该模块成本较低, 输入电压大于+7.5V即可稳压输出+5V电压, 输出电流可达1A, 功率5W, 足够为传感器和控制核心提供可靠稳定的电压输出。C1选用25V/1000μF电容;C2选用16V/1000μF电容, 以防止负载突变时提供临时电源输出;C3和C4电容是防止三端稳压芯片自激振荡。D1是电源指示LED, 选用红色。通过该设计电路可以实现将额定电压为24V的锂电池输入电压稳压为+5V, 为传感器和控制核心供电。
图2 直流稳压电源电路
2.2 系统整体电路接线设计
如图3所示为轮式灭火机器人系统整体电路图, 其中, U3是系统控制核心AT89S52单片机, 电路设计中包含其按钮复位电路和晶体振荡器电路, 以构成最小系统电路;A1-A4位4个光电开关传感器, 作用是分布于轮式灭火机器人四周, 以达到检测障碍物的目的;A5和A6是红外传感器, 目的是检测环境内的火源;U4和U5是两个电机驱动, 控制电机部分分别与U6和U7两个电机进行接线;U8是灭火系统装置, 该装置内部集成控制继电器等元件, 与单片机I/O口直接接线, 采用数字量控制, 具有控制方便的特点, 在使用时, 只需单片机发出低电平控制指令, 即进行喷水作业, 反之单片机给出高电平指令, 停止喷水作业。
3 软件程序设计
3.1 PWM调速部分软件设计
本系统中的2个电机驱动模块采用PWM调速形式实现控制, PWM即脉冲宽度调制信号, 具有调速稳定的特点。轮式机器人电机驱动部分, 采用PWM调速, 可以合理控制其运行节奏, 控制电机速度时主要以采用占空比进行调节, 占空比与输出电压成正比, 即0%占空比对应速度0, 即0V电压;100%占空比对应全速, 即24V电压。在设计PWM软件程序过程中, 本设计采用定时中断法, 以单片机的'I/O口为信号输出端。电机控制频率1k Hz, 定时中断设置0.1ms。定时中断初始化程序, 这里不赘述;PWM核心程序语句中, pwm_i是中断计数变量, IO_ZUO和IO_YOU是机器人两侧电机的占空比输出变量。具体程序如下:
3.2 系统主程序流程设计
图4所示为轮式灭火机器人主程序流程图。将机器人防止在灭火区域内, 然后将系统上电, 完成系统初始化工作, 包括定时中断初始化、传感器自检、灭火系统自检和驱动自检等。自检完毕后发出自检结束信号, 随后自动运行至活在区域内, 开始巡航搜索火源。在搜索过程中, 当轮式机器人四周的光电传感器检测到有障碍物时, 轮式机器人选择合理避障。在遇到疑似火源后, 轮式机器人在保持自身安全的距离内, 将对准火源, 执行灭火指令, 直至该处火源成功消灭。当完成一处火源灭火后, 继续进行巡航并搜索火源, 直至将整个区域内的火源消灭。
图3 轮式灭火机器人系统整体电路图
图4 主程序流程图
3.3 巡航路径规划
在未知区域内进行灭火时, 由于地势情况复杂、火源位置未知, 为了提高灭火效率, 必须进行合理的路巡航径规划, 达到以最短时间内消灭所有火源的目的。本设计路径规划的方法是:通过行走距离的测算和光电传感器检测的反馈, 对每次行走的位置进行记录和分析, 在下一次运行时, 避免走过无火患路线, 从而提高运行效率。
4 结语
本文设计了一款以单片机为控制核心的轮式灭火机器人, 通过系统整体方案设计、硬件电路设计和软件程序设计, 阐述了轮式灭火机器人基本功能的设计和实现方法, 初步实现了机器人的运动功能、对障碍物的检测识别功能、对火源的检测识别功能和灭火功能。在今后的实践过程中, 为了完善机器人功能, 可以加入若干传感器 (如摄像头传感器) , 从而丰富机器人的检测手段, 提高灭火效率。同时加入位置传感器和SD卡记录模块, 通过wifi模块和手持仪器进行通信, 从而绘制出火场情况, 传输火场图像, 丰富救援手段。可见, 轮式灭火机器人在未来的发展中, 将具有更广阔的发展空间和应用价值。
参考文献
[1]李小燕, 陈帝伊, 马孝义.智能灭火机器人的设计与实现[J].电子设计工程, 2010, 3.
[2]柏龙灏, 柏硌, 赵刚要.智能灭火机器人的设计与实现方法研究[J].合肥学院学报 (自然科学版) , 2015, 10.
[3]林小杰, 吴凡.灭火机器人竞赛中火焰搜索路径的设计与实现[J].浙江树人大学学报 (自然科学版) , 2014, 3.
【基于52系列单片机的轮式机器人开发研究的论文】相关文章：
基于单片机的交流源转换直流源研究的论文10-10
基于制造业优化产品开发流程的研究的论文10-11
基于XML的GIS工程研究与开发08-01
基于实验平台和仿真平台的AVR单片机的课程开发论文06-29
基于单片机的线阵CCD实时检测系统的开发01-20
基于单片机的等效采样示波器设计论文09-09
基于PROFIBUS开发的FTU及同步采样方法的研究01-20
基于林业整地造林研究论文09-08