滅火機(jī)器人課程設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　課 程 設(shè) 計(jì)</b></p><p>　　設(shè)計(jì)題目： 滅火機(jī)器人設(shè)計(jì) </p><p><b>　　滅火機(jī)器人設(shè)計(jì)</b></p><p>　　1 設(shè)計(jì)主要內(nèi)容及要求</p><p><b>　　1.1 設(shè)計(jì)目的：</b><

2、;/p><p>　　1了解機(jī)器人技術(shù)的基本知識(shí)以及有關(guān)電工電子學(xué)、單片機(jī)、機(jī)械設(shè)計(jì)、傳感器等相關(guān)技術(shù)。    2初步掌握機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)原理、基于智能機(jī)器人的控制理論，并應(yīng)用于實(shí)踐。  3通過(guò)學(xué)習(xí)，具體掌握智能機(jī)器人的控制技術(shù)，并使機(jī)器人能獨(dú)立執(zhí)行一定的任務(wù)。</p><p><b>　　1.2 基本要求</b></p&

3、gt;<p>　　1要求設(shè)計(jì)一個(gè)能滅火的機(jī)器人（滅火的環(huán)境布局參考國(guó)際滅火機(jī)器人大賽的環(huán)境布局）；</p><p>　　2要求設(shè)計(jì)機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)、傳感器類型的選擇及排列布局。</p><p>　　3要有尋找火源的策略（軟件流程圖）。</p><p><b>　　1.3 發(fā)揮部分</b></p><p

4、>　　可以增加其它的功能。 </p><p>　　2 設(shè)計(jì)過(guò)程及論文的基本要求：</p><p>　　2.1 設(shè)計(jì)過(guò)程的基本要求</p><p>　　1基本部分必須完成，發(fā)揮部分可任選；</p><p>　　2符合設(shè)計(jì)要求的報(bào)告一份，其中包括總體設(shè)計(jì)框圖、電路原理圖各一份；</p><p>

5、;　　3設(shè)計(jì)過(guò)程的資料、草稿要求保留并隨設(shè)計(jì)報(bào)告一起上交；報(bào)告的電子檔需全班統(tǒng)一存盤上交。</p><p>　　2.2 課程設(shè)計(jì)論文的基本要求</p><p>　　1參照畢業(yè)設(shè)計(jì)論文規(guī)范打印，包括附錄中的圖紙。項(xiàng)目齊全、不許涂改，不少于3000字。圖紙為A4，所有插圖不允許復(fù)印。</p><p>　　2裝訂順序：封面、任務(wù)書、成績(jī)?cè)u(píng)審意見表、中文摘要、關(guān)鍵詞、目錄、

6、正文（設(shè)計(jì)題目、設(shè)計(jì)任務(wù)、設(shè)計(jì)思路、設(shè)計(jì)框圖、各部分電路及相應(yīng)的詳細(xì)的功能分析和重要的參數(shù)計(jì)算、工作過(guò)程分析、元器件清單、主要器件介紹）、小結(jié)、參考文獻(xiàn)、附錄（總體設(shè)計(jì)框圖與電路原理圖）。</p><p><b>　　3 時(shí)間進(jìn)度安排</b></p><p><b>　　2012-7-9</b></p><p><b

7、>　　中 文 摘 要</b></p><p>　　控制器是智能機(jī)器人處理和控制信息的主體，它直接決定了機(jī)器人的行為和性能。近幾年來(lái)隨著高性能微控制器和嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的不斷進(jìn)步，為各類實(shí)時(shí)控制應(yīng)用提供了解決方案。</p><p>　　嵌入式系統(tǒng)(ES)是計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、微電子技術(shù)、語(yǔ)音圖像數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，甚至傳感器等先進(jìn)技術(shù)和具體應(yīng)用對(duì)象相結(jié)合后的系統(tǒng)，其是

8、硬件和軟件緊密捆綁在一起的系統(tǒng)。將嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用于滅火機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，對(duì)機(jī)器人的性能智能化、網(wǎng)絡(luò)化、小型化都有了明顯提高。</p><p>　　比賽用滅火機(jī)器人需要機(jī)器人有智能較高的自動(dòng)控制性能與可靠的機(jī)械控制性能的同時(shí)保證，才能在短時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確尋找到火源并滅火回家。在此以ARM9處理器為核心，對(duì)基于嵌入式系統(tǒng)的智能滅火機(jī)器人進(jìn)行了設(shè)計(jì)。本文將從硬件和軟件方面講述智能滅火機(jī)器人控制器的實(shí)現(xiàn)方法，并且給出了機(jī)器人滅火

9、的具體實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了方案的可行性，為智能滅火機(jī)器人的進(jìn)一步研究提供了平臺(tái)。</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　中 文 摘 要V</b></p><p><b>　　1設(shè)計(jì)任務(wù)描述1</b></p><p>　　1.1 設(shè)計(jì)題目1<

10、/p><p>　　1.2 設(shè)計(jì)主要內(nèi)容及要求1</p><p>　　1.2.1 設(shè)計(jì)目的：1</p><p>　　1.2.2 基本要求1</p><p>　　1.2.3 發(fā)揮部分：1</p><p><b>　　2 設(shè)計(jì)思路2</b></p><p><b&g

11、t;　　3 軟件流程圖3</b></p><p>　　4 ARM9系統(tǒng)與輔助單片機(jī)4</p><p>　　5 電源的電路設(shè)計(jì)5</p><p>　　6 直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)6</p><p>　　6.1大功率伺服電機(jī)6</p><p>　　6.2 普通直流電動(dòng)機(jī)8</p><p

12、>　　6.3 H橋及直流電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)介：8</p><p>　　6.3.1 H橋：8</p><p>　　6.3.2 直流電機(jī)：8</p><p>　　7 傳感器設(shè)計(jì)10</p><p>　　7.1 紅外測(cè)距傳感器10</p><p>　　7.2 遠(yuǎn)紅外火焰?zhèn)鞲衅鹘M13</p><p&

13、gt;　　7.3 地面灰度傳感器16</p><p>　　8 風(fēng)扇的控制及語(yǔ)音識(shí)別17</p><p>　　8.1風(fēng)扇控制17</p><p>　　8.2語(yǔ)音辨識(shí)電路17</p><p>　　9 元器件清單18</p><p>　　10 元器件介紹19</p><p><b&g

14、t;　　11小結(jié)22</b></p><p><b>　　12 致謝23</b></p><p>　　13 參考文獻(xiàn)24</p><p><b>　　附錄25</b></p><p><b>　　1設(shè)計(jì)任務(wù)描述</b></p><p>

15、;<b>　　1.1 設(shè)計(jì)題目</b></p><p>　　火災(zāi)預(yù)警機(jī)器人設(shè)計(jì)。</p><p>　　1.2 設(shè)計(jì)主要內(nèi)容及要求</p><p>　　1.2.1 設(shè)計(jì)目的：</p><p>　?。?）了解機(jī)器人技術(shù)的基本知識(shí)以及有關(guān)電工電子學(xué)、單片機(jī)、機(jī)械設(shè)計(jì)、傳感器等相關(guān)技術(shù)。   

16、 （2）初步掌握機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)原理、基于智能機(jī)器人的控制理論，并應(yīng)用于所設(shè)計(jì)的機(jī)器人中。  （3）通過(guò)學(xué)習(xí)，具體掌握機(jī)器人的控制技術(shù)，并使機(jī)器人能獨(dú)立執(zhí)行一定的任務(wù)。</p><p>　　1.2.2 基本要求</p><p>　　（1）要求設(shè)計(jì)一個(gè)具有火災(zāi)預(yù)警滅火功能的機(jī)器人；</p><p>　?。?）要求設(shè)計(jì)機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)、傳感器

17、類型的選擇及排列布局。</p><p>　?。?）要求機(jī)器人具有火災(zāi)預(yù)警功能，避障功能（不能撞到障礙物上），模擬滅火功能。</p><p>　　1.2.3 發(fā)揮部分：</p><p><b>　　自由發(fā)揮。</b></p><p><b>　　2 設(shè)計(jì)思路</b></p><p

18、>　　本次設(shè)計(jì)的題目是滅火機(jī)器人，基于ARM9實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在啟動(dòng)后對(duì)多個(gè)房間進(jìn)行自主尋找用蠟燭模擬的火源，用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，到達(dá)火源附近后，用風(fēng)扇將其吹滅，然后停止工作。機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，主要由控制器、傳感輸入、驅(qū)動(dòng)輸出等模塊組成。</p><p>　　圖 2-1 機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)</p><p><b>　　3 軟件流程圖</b></p>

19、<p><b>　　N</b></p><p><b>　　Y</b></p><p><b>　　N</b></p><p>　　Y </p><p><b>　　N</b></p&g

20、t;<p><b>　　Y</b></p><p>　　圖3—1 主程序方框圖</p><p>　　4 ARM9系統(tǒng)與輔助單片機(jī)</p><p>　　為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人高速精確地按照規(guī)定的路徑行走，要求機(jī)器人的CPU能夠?qū)崿F(xiàn)迅速地讀取多個(gè)傳感器端口數(shù)值，并在較短的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)各端口數(shù)值的存儲(chǔ)、運(yùn)算和輸出等多種任務(wù)。由于嵌入式微處理器對(duì)實(shí)

21、時(shí)任務(wù)具有較強(qiáng)的支持能力，能夠完成多任務(wù)并具有較短的中斷響應(yīng)，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中選用嵌入式微處理器ARM9為核心的控制器，其內(nèi)部采用哈佛結(jié)構(gòu)，每秒可執(zhí)行一億一千萬(wàn)條的機(jī)器指令。</p><p>　　為提高端口數(shù)值的讀取速度，使機(jī)器人能夠?qū)χ車h(huán)境信息做出迅速判斷，笨設(shè)計(jì)在主芯片上設(shè)置了ADC0-ADC7（P4.0-P4.7）8路數(shù)據(jù)輸入端口，每秒可實(shí)現(xiàn)50萬(wàn)次數(shù)據(jù)采集；另外又設(shè)置20路數(shù)據(jù)輸入端口，通過(guò)AT-MEG

22、A816—PC輔助單片機(jī)連接到主芯片上，如圖4-1,用以讀取遠(yuǎn)紅外傳感器組及檢測(cè)端口的數(shù)值，每秒可實(shí)現(xiàn)1000次數(shù)據(jù)采集。本設(shè)計(jì)還設(shè)置了4路PWM控制信號(hào)輸出端口，用以驅(qū)動(dòng)4路大功率直流電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的精確調(diào)節(jié)；此外，還設(shè)置了7路D0數(shù)據(jù)輸出端口，用以驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)、蜂鳴器、繼電器、發(fā)光二極管等。為了給龐大和復(fù)雜的程序提供更多的執(zhí)行空間，本設(shè)計(jì)附加設(shè)置了100KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）和512KM的程序存儲(chǔ)器（Flash Rom）,用

23、以存儲(chǔ)更多的數(shù)據(jù)和命令。</p><p>　　圖4-1 ARM微處理器與輔助單片機(jī)</p><p><b>　　5 電源的電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　電源是保證機(jī)器人穩(wěn)定、可靠運(yùn)行的關(guān)鍵部件，它直接影響著機(jī)器人的性能的好壞。由于本機(jī)器人的電機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制器采用兩種不同等級(jí)電壓的電源，為避免2個(gè)電源互相干擾，本機(jī)器人采用雙電源供電系統(tǒng)

24、：</p><p>　　電機(jī)電源采用高放電倍率聚合物鋰電池，容量為2500MAH，工作電壓為24V，能夠提供40A的穩(wěn)定供電電流，是普通電池的10倍。</p><p>　　控制器電源采用8.4V鋰電池，并提供電壓采樣端口，以供電池檢測(cè)，電路如圖5-1所示。</p><p>　　為獲得CPU各端口電路所需要的不同等級(jí)電壓，本設(shè)計(jì)采用一個(gè)LM317T三端穩(wěn)壓器和2個(gè)AM

25、S1117低壓差線性電壓調(diào)整器，并通過(guò)其附屬電路，得到穩(wěn)定精確的5V、3.3V、1.8V三種電壓；采用1個(gè)發(fā)光二極管LD1和限流電阻R5作為電源指示燈，以顯示電源開關(guān)的狀態(tài)；為實(shí)時(shí)采樣電源電壓，防止鋰電池過(guò)放或過(guò)充，設(shè)計(jì)中通過(guò)R1和R2分壓，引出AD19端口作為電源采樣端口。</p><p>　　圖5-1 控制器電源</p><p>　　6 直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)</p><

26、;p>　　驅(qū)動(dòng)輸出部分主要包括機(jī)器人行走使用的大功率伺服直流電機(jī)、滅火風(fēng)扇用普通直流電機(jī)。</p><p>　　電機(jī)的驅(qū)動(dòng)流程如圖6-1所示。</p><p><b>　　PWM信號(hào)</b></p><p><b>　　方向信號(hào)</b></p><p>　　圖6-1 電機(jī)的驅(qū)動(dòng)流程圖</

27、p><p>　　6.1大功率伺服電機(jī)</p><p>　　設(shè)計(jì)中，機(jī)器人要在避免碰撞的前提下盡可能提高速度，因此要求具有更大功率的驅(qū)動(dòng)器和更敏捷的控制方式。為此本設(shè)計(jì)采用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓為16.8V，直流為20V；采用占空比范圍為0-95%的4路PWM信號(hào)控制直流電機(jī)，以實(shí)現(xiàn)精確的調(diào)速。</p><p>　　由于電機(jī)功率較大，并要求能實(shí)現(xiàn)雙向、可調(diào)速運(yùn)行，本文設(shè)計(jì)了半橋式

28、電力MOSFET管，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)的控制。如圖6-2所示，2路PWM信號(hào)通過(guò)IR2104半橋驅(qū)動(dòng)器（half-bridge driver）和相應(yīng)保護(hù)電路連接至型號(hào)為IFR2807的MOSFET管，控制電源與電機(jī)連接線路的通與斷，達(dá)到控制電機(jī)速度的目的。當(dāng)PWM信號(hào)占空比較大時(shí)，線路導(dǎo)通時(shí)間較長(zhǎng)，電機(jī)速度大；相反，當(dāng)PWM占空比較小時(shí)，線路導(dǎo)通時(shí)間短，電機(jī)速度小。4個(gè)MOSFET管在不同時(shí)刻導(dǎo)通組合，實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向：當(dāng)MOSFET

29、管1和4導(dǎo)通時(shí)，電機(jī)端口1為正、2為負(fù)，電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)MOSFET管2和3導(dǎo)通時(shí)，電機(jī)端口2為正、1為負(fù)，電機(jī)反轉(zhuǎn)。</p><p>　　圖 6-2 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路</p><p>　　6.2 普通直流電動(dòng)機(jī)</p><p>　　機(jī)器人采用風(fēng)扇滅火，前后兩端各有一個(gè)直流電機(jī)帶動(dòng)，直流電機(jī)由主板上的D0擴(kuò)展端口驅(qū)動(dòng)。</p><p>　　6.3

30、 H橋及直流電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)介：</p><p><b>　　6.3.1 H橋：</b></p><p>　　所謂 H 橋驅(qū)動(dòng)電路是為了直流電機(jī)而設(shè)計(jì)的一種常見電路，它主要實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的正反向驅(qū)動(dòng)，其典型電路形式如圖6-3所示。</p><p><b>　　Us</b></p><p>　　K1

31、 K2</p><p>　　K3 K4</p><p>　　圖 6-3 H橋驅(qū)動(dòng)電路</p><p>　　開關(guān)K1、K4接通，電機(jī)為正向轉(zhuǎn)動(dòng)。</p><p>　　開關(guān)K2、K3接通，電機(jī)為反向轉(zhuǎn)動(dòng)。</p><p>　　剎車——將K2、K4開關(guān)（或

32、K1、K3）接通，則電機(jī)慣性轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的電勢(shì)將被短路，形成阻礙運(yùn)動(dòng)的反電勢(shì)，形成“剎車”作用。</p><p>　　惰行 —— 4個(gè)開關(guān)全部斷開，則電機(jī)慣性所產(chǎn)生的電勢(shì)將無(wú)法形成電路，從而也就不會(huì)產(chǎn)生阻礙運(yùn)動(dòng)的反電勢(shì)，電機(jī)將慣性轉(zhuǎn)動(dòng)較長(zhǎng)時(shí)間。</p><p>　　6.3.2 直流電機(jī)：</p><p>　　輸出或輸入為直流電能的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，稱為直流電機(jī)，它是能實(shí)現(xiàn)直流電

33、能和機(jī)械能互相轉(zhuǎn)換的電機(jī)。當(dāng)它作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)是直流電動(dòng)機(jī)，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；作發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)是直流發(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。</p><p>　　直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖6-4所示：</p><p>　　圖6-4 直流電機(jī)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　PWM脈沖寬度調(diào)制如圖6-5所示：</p><p>　　圖6-5 PWM脈沖寬度調(diào)制</

34、p><p>　　直流電機(jī)的機(jī)械特性如圖6-6所示：</p><p>　　圖6-6 直流電機(jī)的機(jī)械特性</p><p>　?。?）額定功率：是指軸上輸出的機(jī)械功率，單位為kW。</p><p>　?。?）額定電壓：安全工作的最大外加電壓或輸出電壓，單位為V(伏)。</p><p>　?。?）額定電流：允許流過(guò)的最大電流，單位

35、為A(安)。</p><p>　?。?）額定轉(zhuǎn)速：額定轉(zhuǎn)速是指電機(jī)在額定電壓、額定電流和輸出額定功率的情況下運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，單位為rpm(轉(zhuǎn)/分)。</p><p><b>　　7 傳感器設(shè)計(jì)</b></p><p>　　7.1 紅外測(cè)距傳感器</p><p>　　紅外測(cè)距傳感器是機(jī)器人的視覺(jué)器官，通過(guò)不斷讀取其

36、數(shù)值并進(jìn)行判斷，才能夠確定機(jī)器人所處位置環(huán)境，以確定機(jī)器人下一步該執(zhí)行什么命令不至于碰撞，并按照規(guī)定的理想路線行走。課設(shè)中采用SHARP公司的GP2D12PSD傳感器（后面簡(jiǎn)稱PSD），其有效測(cè)距范圍為10CM-80CM。其原理圖如7-1圖所示。</p><p>　　圖7-1 紅外測(cè)距傳感器內(nèi)部電路圖</p><p>　　傳感器采用三角測(cè)量的原理，由紅外發(fā)光二極管發(fā)出紅外光束，當(dāng)紅外光束遇

37、到前方的障礙物時(shí)，一部分反射回來(lái)，通過(guò)透鏡聚焦到后面的線性電性耦合器件CCD上，會(huì)獲得一個(gè)偏移量L，在知道了發(fā)射角度a,偏移量L，中心距X，以及濾鏡的焦距f以后，利用三角關(guān)系就可以算出傳感器到物體的距離D，如7-2圖所示</p><p>　　中心線　　　發(fā)射光　　　　　反射光　 中心線</p><p>　　D　　　　　　　　透鏡</p><p>　　紅外發(fā)射管

38、 f</p><p><b>　　CCD</b></p><p><b>　　X　　　　　　?。?lt;/b></p><p>　　圖7-2 PSD傳感器三角測(cè)量原理圖</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用6個(gè)紅外測(cè)距傳感器，其位置如圖7-3所示。該傳感器的有效測(cè)距范圍

39、是10-80CM，故PSD安裝在距離機(jī)器人外圍a為10cm的位置來(lái)躲避傳感器的盲區(qū)。6個(gè)PSD分別位于機(jī)器人的左前、正前、右前、右后、正后及左后位置，其中四角處PSD均可檢測(cè)機(jī)器人2個(gè)方位的障礙物情況，左右兩側(cè)可不必安裝PSD，既經(jīng)濟(jì)又可靠，可對(duì)機(jī)器人周圍各方向的障礙物進(jìn)行測(cè)距，以此來(lái)調(diào)整其前進(jìn)方向，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的全方位避障和導(dǎo)航功能。</p><p><b>　?。?lt;/b></p&g

40、t;<p>　　圖7-3 PSD傳感器布置方式</p><p><b>　　沿墻行進(jìn)規(guī)則：</b></p><p>　　在軟件設(shè)計(jì)上,利用沿墻行進(jìn)規(guī)則，簡(jiǎn)捷地編輯主程序?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人的沿墻壁行進(jìn)。因?yàn)闄C(jī)器人在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上滿足雙向行進(jìn)，前后兩側(cè)均可探測(cè)并熄滅火源，故可分解為前方沿左、右墻，以及后方沿左、右墻行進(jìn)規(guī)則。該規(guī)則要求機(jī)器人能夠沿某墻壁快速無(wú)碰撞行進(jìn)

41、，在墻壁轉(zhuǎn)折處或無(wú)墻壁時(shí)，智能機(jī)器人可以自動(dòng)沿著某墻壁轉(zhuǎn)彎進(jìn)行。以沿右墻新進(jìn)為例，如圖7-4所示。</p><p>　　7-4 沿墻走示意圖</p><p>　　當(dāng)PSD1距離小，同時(shí)PSD2距離大時(shí)，機(jī)器人執(zhí)行右轉(zhuǎn)彎；若PSD1距離小，同時(shí)PSD2距離小時(shí)，可執(zhí)行左轉(zhuǎn)彎；若PSD1距離大，同時(shí)PSD2距離小時(shí)，太靠近右墻，執(zhí)行左轉(zhuǎn)彎調(diào)整；若PSD1距離大，同時(shí)PSD2距離也較大時(shí)，太靠近

42、左墻，執(zhí)行右轉(zhuǎn)彎調(diào)整。如表1所示，通過(guò)不斷調(diào)整，使機(jī)器人始終運(yùn)行在距離墻10-15cm的位置，沿墻行進(jìn)，沿左墻行進(jìn)及反方向沿墻行進(jìn)同理，于是實(shí)現(xiàn)了智能機(jī)器人沿墻壁的行進(jìn)，進(jìn)而遍歷房間和尋找火源。</p><p>　　PSD狀態(tài)（距離） 機(jī)器人位置 執(zhí)行操作</p><p>　　PSD1小&PSD2大 右墻壁轉(zhuǎn)彎處 右轉(zhuǎn)彎</p&

43、gt;<p>　　PSD1小&PSD2小 右墻角處 左轉(zhuǎn)彎</p><p>　　PSD1大&PSD2小 靠近右墻處 修正左轉(zhuǎn)彎</p><p>　　PSD1大&PSD2小 遠(yuǎn)離右墻處 修正右轉(zhuǎn)彎</p><p>　　表1 沿右墻行進(jìn)規(guī)則 &

44、lt;/p><p>　　能否高速可靠地沿墻行進(jìn)，決定著真?zhèn)€滅火設(shè)計(jì)的用時(shí)，基于以上基本原理，在試驗(yàn)中機(jī)器人高速行進(jìn)時(shí)，將PSD測(cè)距基準(zhǔn)值劃分為多個(gè)，不同區(qū)域采用不同電機(jī)轉(zhuǎn)速，快速靈敏地控制機(jī)器人使之進(jìn)入既定軌道。高速行進(jìn)時(shí)采用此控制方式，克服了一般控制方式調(diào)整引起的劇烈擺動(dòng)現(xiàn)象，同時(shí)對(duì)機(jī)器人高速行進(jìn)時(shí)的慣性影響祈禱很好的抑制作用。</p><p>　　7.2 遠(yuǎn)紅外火焰?zhèn)鞲衅鹘M</p&g

45、t;<p>　　機(jī)器人要完成滅火任務(wù)，首先需判斷房間是否有火源存在，如果該房間有火，則進(jìn)一步確定滅火的位置，然后根據(jù)檢測(cè)的火源情況快速無(wú)碰撞地趨向火源，行進(jìn)至一定位置，停止機(jī)器人行進(jìn)并滅火，滅火后確認(rèn)火源是否被完全熄滅?；鹧?zhèn)鞲衅鞯倪x配至關(guān)重要，為此設(shè)計(jì)了由多個(gè)遠(yuǎn)紅外火焰?zhèn)鞲衅鲉卧M成的遠(yuǎn)紅外火焰?zhèn)鞲衅鹘M。</p><p>　　遠(yuǎn)紅外火焰?zhèn)鞲袉卧?，電路原理?-5圖所示。</p>&l

46、t;p>　　圖7-5遠(yuǎn)紅外火焰?zhèn)鞲衅麟娐?lt;/p><p>　　由28個(gè)紅外接收管組成的2個(gè)遠(yuǎn)紅外火焰?zhèn)鞲衅鹘M，前后每個(gè)方位各有14個(gè)紅外接收管組成，每2個(gè)并聯(lián)并指向相同方向，2個(gè)傳感器組共指向14個(gè)方向，可以覆蓋360度范圍。如圖7-6所示。此外，本設(shè)計(jì)還可以通過(guò)對(duì)14路讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，從而確定其最大值最小值及相應(yīng)端口值，方便火源方位的確定。</p><p>　　圖7-6 遠(yuǎn)紅外火

47、焰?zhèn)鞲衅鹘M</p><p>　　遠(yuǎn)紅外火焰?zhèn)鞲衅鹘M電路圖如7-7：</p><p>　　圖7-7 遠(yuǎn)紅外火焰?zhèn)鞲衅鹘M電路</p><p>　　遠(yuǎn)紅外傳感器組火源定位和趨光原理為：</p><p>　　當(dāng)機(jī)器人行至莫一房間，如果任意一單元端口數(shù)值大于規(guī)定值，即判斷該房間有火。此設(shè)計(jì)克服了利用單個(gè)遠(yuǎn)紅外傳感器時(shí)，由于傳感器探頭沒(méi)有對(duì)準(zhǔn)火源而誤判

48、該房間有火的缺點(diǎn)。同時(shí)滅火機(jī)器人根據(jù)各個(gè)通道取值的大小，判斷火焰相對(duì)于機(jī)器人的方位，如果端口最大值位于左側(cè)的端口，則機(jī)器人向左尋找火源；如果端口最大值位于右側(cè)的端口，則機(jī)器人向右尋找火源；如果正前方端口數(shù)值為最大值，則說(shuō)明火源位于機(jī)器人正前方，于是機(jī)器人直行至火源旁滅火。一組遠(yuǎn)紅外火焰?zhèn)鞲衅鹘M有6個(gè)端口位于兩側(cè)，可根據(jù)最大值的不同端口設(shè)置不同幅度的轉(zhuǎn)彎，與普通滅火機(jī)器人相比，可更精確的調(diào)整機(jī)器人快速趨向火源。為防止機(jī)器人碰撞蠟燭或蠟臺(tái)，

49、設(shè)計(jì)設(shè)定了如果任意端口的取值大于某個(gè)規(guī)定值，則說(shuō)明機(jī)器人離火焰很近，機(jī)器人必須停止前進(jìn)，啟動(dòng)滅火程序；如果所有端口值都小于某一規(guī)定值，說(shuō)明火源熄滅。趨光原理如圖7-8所示。</p><p>　　用遠(yuǎn)紅外傳感器組可避免普通滅火機(jī)器人進(jìn)入房間必須沿墻行至火焰旁邊滅火的麻煩，縮短了機(jī)器人發(fā)現(xiàn)火源至熄滅火源的用時(shí)，尤其是在房間面積比較大時(shí)，大大減少了整個(gè)機(jī)器人滅火的時(shí)間。其中給定值可根據(jù)具體情況調(diào)試確定。</p&g

50、t;<p>　　圖7-8 趨光原理圖</p><p>　　7.3 地面灰度傳感器</p><p>　　在機(jī)器人的起始位置做一個(gè)直徑為30cm的白色圓，每個(gè)房間入口有一條3CM寬的白線，其它地面均為黑色。機(jī)器人的啟動(dòng)和停止及進(jìn)房間的標(biāo)志都要及進(jìn)房間的標(biāo)志都要依靠對(duì)地面的灰度判別，因此需使用能對(duì)地面反射光線的強(qiáng)弱做出反應(yīng)的傳感器。本機(jī)器人使用一對(duì)地面灰度傳感器，放置在前后兩端的底

51、座上。地面顏色越深，其值越大；地面顏色越淺，其值越小。</p><p>　　如圖7-10所示，地面灰度傳感器通過(guò)發(fā)光二極管LED地面，地面的反射光線被光敏三極管接收，當(dāng)?shù)孛骖伾珵楹谏珪r(shí)，反射的光線比較弱，則光敏三極管的基極電流越小，集電極的電流也相應(yīng)的較小，1端口電壓值較高，其測(cè)量值較大；反之當(dāng)?shù)孛鏋榘咨珪r(shí)，反射的光線較強(qiáng)，集電極電流較大，1端口電壓值較小，測(cè)量值也較小。</p><p>

52、　　圖7-9 地面灰度傳感器</p><p>　　本設(shè)計(jì)具有4個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)：</p><p>　?。?）采用了嵌入式系統(tǒng)內(nèi)核，大大提高了機(jī)器人處理信號(hào)的能力；</p><p>　　（2）雙電源供電系統(tǒng)引入，使機(jī)器人的運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠；</p><p>　?。?）采用PWM信號(hào)控制大功率直流電動(dòng)機(jī)，在速度和精度方面有了很多的進(jìn)不；</p&g

53、t;<p>　?。?）通過(guò)合理的選擇PSD測(cè)距傳感器的個(gè)數(shù)和定位位置，既滿足課設(shè)要求，又能節(jié)約成本；</p><p>　　（5）本設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)紅外火焰?zhèn)鞲衅鹘M，很好地完成了對(duì)火源的精確定位任務(wù)，提高了滅火可靠性和快速性。</p><p>　　8 風(fēng)扇的控制及語(yǔ)音識(shí)別</p><p><b>　　8.1風(fēng)扇控制</b></p>

54、;<p>　　當(dāng)機(jī)器人發(fā)現(xiàn)并趨近火源后，由控制器啟動(dòng)風(fēng)扇滅火。滅火風(fēng)扇直流電機(jī)由控制器的伺服電機(jī)輸出端口的信號(hào)驅(qū)動(dòng)。</p><p>　　滅火風(fēng)扇的驅(qū)動(dòng)電壓為＋5V，為了增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力，我們用三極管8550做驅(qū)動(dòng)電路以加大驅(qū)動(dòng)電流。滅火風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)電路如圖8-1所示：</p><p>　　圖8-1 滅火風(fēng)扇示意圖</p><p>　　在Uin處接控制器的IO

55、口，通過(guò)IO口輸出高低電平可以實(shí)現(xiàn)三極管的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)滅火風(fēng)扇的開關(guān)控制</p><p><b>　　8.2語(yǔ)音辨識(shí)電路</b></p><p>　　我采用的語(yǔ)音播放和語(yǔ)音辨識(shí)的電路與單片機(jī)的接口電路如圖8-2所示：</p><p>　　8-2 語(yǔ)音識(shí)別電路</p><p><b>　　9 元

56、器件清單</b></p><p><b>　　10 元器件介紹</b></p><p><b>　　ARM9簡(jiǎn)介：</b></p><p>　　新一代的ARM9處理器，通過(guò)全新的設(shè)計(jì)，采用了更多的晶體管，能夠達(dá)到兩倍以上于ARM7處理器的處理能力。這種處理能力的提高是通過(guò)增加時(shí)鐘頻率和減少指令執(zhí)行周期實(shí)現(xiàn)的。&

57、lt;/p><p><b>　　1 時(shí)鐘頻率的提高</b></p><p>　　ARM7處理器采用3級(jí)流水線，而ARM9采用5級(jí)流水線，如圖1、2、3所示。增加的流水線設(shè)計(jì)提高了時(shí)鐘頻率和并行處理能力。5級(jí)流水線能夠?qū)⒚恳粋€(gè)指令處理分配到5個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，在每一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)有5個(gè)指令在執(zhí)行。在同樣的加工工藝下，ARM9TDMI處理器的時(shí)鐘頻率是ARM7TDMI的1．8～

58、2．2倍。</p><p><b>　　2 指令周期的改進(jìn)</b></p><p>　　指令周期的改進(jìn)對(duì)于處理器性能的提高有很大的幫助。性能提高的幅度依賴于代碼執(zhí)行時(shí)指令的重疊，這實(shí)際上是程序本身的問(wèn)題。對(duì)于采用最高級(jí)的語(yǔ)言，一般來(lái)說(shuō)，性能的提高在30％左右。</p><p>　　*loads 指令矛n stores指令：</p>

59、<p>　　指令周期數(shù)的改進(jìn)最明顯的是loads指令和stores指令。從ARM7到ARM9這兩條指令的執(zhí)行時(shí)間減少了30％。指令周期的減少是由于ARM7和ARM9兩種處理器內(nèi)的兩個(gè)基本的微處理結(jié)構(gòu)不同所造成的。</p><p>　　(1)ARM9有獨(dú)立的指令和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口，允許處理器同時(shí)進(jìn)行取指和讀寫數(shù)據(jù)。這叫作改進(jìn)型哈佛結(jié)構(gòu)。而ARM7只有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口，它同時(shí)用來(lái)取指令和數(shù)據(jù)訪問(wèn)。</p

60、><p>　　(2)5級(jí)流水線引入了獨(dú)立的存儲(chǔ)器和寫回流水線，分別用來(lái)訪問(wèn)存儲(chǔ)器和將結(jié)果寫回寄存器。</p><p>　　以上兩點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)周期完成loads指令和stores指令。</p><p>　　*互鎖(interlocks)技術(shù)：</p><p>　　當(dāng)指令需要的數(shù)據(jù)因?yàn)橐郧暗闹噶顩](méi)有執(zhí)行完而沒(méi)有準(zhǔn)備好就會(huì)產(chǎn)生管道互鎖。當(dāng)管道互鎖發(fā)生時(shí)

61、，硬件會(huì)停止這個(gè)指令的執(zhí)行，直到數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好為止。雖然這種技術(shù)會(huì)增加代碼執(zhí)行時(shí)間，但是為初期的設(shè)計(jì)者提供了巨大的方便。編譯器以及匯編程序員可以通過(guò)重新設(shè)計(jì)代碼的順序或者其他方法來(lái)減少管道互鎖的數(shù)量。</p><p><b>　　*分枝指令：</b></p><p>　　ARM9和ARM7的分枝指令周期是相同的。而且ARM9TDMI和ARM9E-S并沒(méi)有對(duì)分枝指令進(jìn)行預(yù)測(cè)

62、處理。</p><p>　　3 ARM9結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)</p><p>　　以ARM9E-S為例介紹ARM9處理器的主要結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)。ARM9E-S的結(jié)構(gòu)如圖4所示。其主要特點(diǎn)如下：</p><p>　　(1)32bit定點(diǎn)RISC處理器，改進(jìn)型ARM／Thumb代碼交織，增強(qiáng)性乘法器設(shè)計(jì)。支持實(shí)時(shí)(real-time)調(diào)試；</p><p>　

63、　(2)片內(nèi)指令和數(shù)據(jù)SRAM，而且指令和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器容量可調(diào)；</p><p>　　(3)片內(nèi)指令和數(shù)據(jù)高速緩沖器(cache)容量從4K字節(jié)到1M字節(jié)；</p><p>　　(4)設(shè)置保護(hù)單元(protcction unit)，非常適合嵌入式應(yīng)用中對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行分段和保護(hù)；</p><p>　　(5)采用AMBA AHB總線接口，為外設(shè)提供統(tǒng)一的地址和數(shù)據(jù)總線；&

64、lt;/p><p>　　(6)支持外部協(xié)處理器，指令和數(shù)據(jù)總線有簡(jiǎn)單的握手信令支持；</p><p>　　(7)支持標(biāo)準(zhǔn)基本邏輯單元掃描測(cè)試方法學(xué)，而且支持BIST(built-in-self-test)；</p><p>　　(8)支持嵌入式跟蹤宏單元，支持實(shí)時(shí)跟蹤指令和數(shù)據(jù)。</p><p>　　4 ARM9的典型應(yīng)用</p>

65、<p>　　TI公司的OMAP730是最新的無(wú)線通信基帶信號(hào)處理器。該處理器是TI的GPRS Class 12通信模塊與專用于應(yīng)用處理的ARM926通用處理器(GPP)的集成。由于GPP的速度可達(dá)200MHz，因此OMAP730具有兩倍于上一代OMAP710處理器的應(yīng)用處理性能。如同所有的OMAP處理器一樣，OMAP730可支持領(lǐng)先的移動(dòng)操作系統(tǒng)，其中包括Microsoft的智能電話與Pocket PC PhoneEditio

66、n、Svmbian OS與Series 60、Palm OS以及Linux。</p><p>　　其中ARM926TEJ處理器的主要特性包括：(1)最高頻率200MHz；(2)16KB指令高速緩存，8KB數(shù)據(jù)高速緩存；(3)硬件JAVA加速；(4)擴(kuò)展多媒體指令集結(jié)構(gòu)。</p><p>　　ARM微處理器是一種高性能、低功耗的32位微處器，它被廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中。ARM9代表了ARM公

67、司主流的處理器，已經(jīng)在手持電話、機(jī)頂盒、數(shù)碼像機(jī)、GPS、個(gè)人數(shù)字助理以及因特網(wǎng)設(shè)備等方面有了廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　圖10-1 ARM920T的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p><b>　　11小結(jié)</b></p><p>　　機(jī)器人是我們的主要專業(yè)課之一，記得這學(xué)期開學(xué)時(shí)剛接觸機(jī)器人這門課的時(shí)候，覺(jué)得它很有趣，后來(lái)在祝老師的帶領(lǐng)下我們

68、做了很多實(shí)驗(yàn)，等把那些實(shí)驗(yàn)都做完了之后，覺(jué)得自己對(duì)機(jī)器人的興趣更加濃烈，通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)使我知道了，光光學(xué)理論知識(shí)是不夠的額，一定要理論和實(shí)際相結(jié)合。</p><p>　　在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，我遇到了很多問(wèn)題。像自己設(shè)計(jì)出的程序，當(dāng)真讓它運(yùn)行出來(lái)時(shí)總不能如愿以償，也許存在理解的錯(cuò)誤，有時(shí)更是注意不到的小錯(cuò)誤。每一個(gè)程序的成功都要進(jìn)過(guò)反復(fù)修改和調(diào)試，才能顯示最終滿意的結(jié)果。在同組同學(xué)和老師的幫助下，把這些問(wèn)題都一一解決。

69、而且在這次實(shí)驗(yàn)中我們暴露出來(lái)的知識(shí)盲點(diǎn)，使我對(duì)這些問(wèn)題更加理解的同時(shí)也十分感動(dòng)，我知道了實(shí)踐的重要性。</p><p>　　課程設(shè)計(jì)是對(duì)所學(xué)知識(shí)的綜合理解與應(yīng)用，它不僅要求掌握理論知識(shí)，而且還要具備一定的動(dòng)手實(shí)踐能力。通過(guò)設(shè)計(jì)滅火機(jī)器人，讓我懂得發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，分析問(wèn)題，并解決問(wèn)題，可以提高自己的發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，分析問(wèn)題解決問(wèn)題的能力。同時(shí)通過(guò)分析解決問(wèn)題，加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解與掌握。平時(shí)理論學(xué)習(xí)中容易忽略的細(xì)節(jié)問(wèn)題，也會(huì)在

70、課程設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)里被發(fā)現(xiàn)，</p><p>　　通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)我學(xué)到了很多書本上永遠(yuǎn)都學(xué)不到得東西，設(shè)計(jì)實(shí)踐中的教訓(xùn)也會(huì)教育我在以后的理論學(xué)習(xí)中更加注意知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)和加強(qiáng)自己實(shí)踐動(dòng)手的能力?？傊?，這次課程設(shè)計(jì)讓我受益非淺。</p><p>　　本次的課程設(shè)計(jì)雖然結(jié)束了，但是學(xué)習(xí)的路才剛剛開始。這次的實(shí)訓(xùn)為我以后的路奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，不會(huì)在次犯與這次同樣的錯(cuò)誤。感謝同學(xué)們熱情的意見，感謝老師無(wú)

71、私的教導(dǎo)。今后我會(huì)為之努力學(xué)習(xí)，拓展自己的專業(yè)知識(shí)。</p><p><b>　　12 致謝</b></p><p>　　經(jīng)過(guò)一周的忙碌，本次設(shè)計(jì)已經(jīng)接近尾聲，由于經(jīng)驗(yàn)的缺乏，在課程設(shè)計(jì)過(guò)程中難免有許多考慮不周全的地方，如果沒(méi)有祝老師的督促指導(dǎo)，想要完成這個(gè)設(shè)計(jì)是難以想象的。</p><p>　　這次設(shè)計(jì)雖然凝聚著自己的汗水，但卻不全是個(gè)人努力

72、的結(jié)果，如果沒(méi)有老師的指引和贈(zèng)予，沒(méi)有同學(xué)們的相互幫助與支持，只憑我自己一個(gè)人是沒(méi)有辦法完成的。當(dāng)我打完論文的最后一個(gè)字符，涌上心頭的不僅是完成設(shè)計(jì)的欣喜，還有涌自心底的誠(chéng)摯謝意。</p><p>　　首先我要感謝祝老師對(duì)我的悉心指導(dǎo)。本次設(shè)計(jì)花了一周時(shí)間，在*老師的提示下，我有目的地尋找資料，并且在其細(xì)心指導(dǎo)下完成了設(shè)計(jì)題目,然后到論文完成部分。*老師指出電路的關(guān)鍵性地方，讓我們?cè)谠O(shè)計(jì)中加以重視和注意，對(duì)我的設(shè)

73、計(jì)工作給予了很多的指導(dǎo)和幫助，另外，他對(duì)待問(wèn)題的嚴(yán)謹(jǐn)作風(fēng)也給我留下了深刻的印象。</p><p>　　也感謝**圖書館的支持，科技書刊借閱室和多媒體電子閱覽室提供本設(shè)計(jì)要求所需資料！</p><p>　　最后，還要感謝所有的老師，為我奠定了專業(yè)知識(shí)的基礎(chǔ)；同時(shí)還要感謝所有的同學(xué)們，正是因?yàn)橛辛四銈兊闹С趾凸膭?lì)，此次設(shè)計(jì)才能順利完成。再次對(duì)關(guān)心、幫助我的老師和同學(xué)表示感謝。</p>

74、;<p><b>　　13 參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　【1】張小偉。ARM9嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理與開發(fā)實(shí)例.電子工業(yè)出版社，2008.</p><p>　　【2】王水平。PWM控制與驅(qū)動(dòng)器使用指南及王水平。PWM控制與驅(qū)動(dòng)器使用指南及應(yīng)用電路。西安電子科技大學(xué)出版社，2004、</p><p>　　【3】曹小松。移動(dòng)機(jī)器