自学习循路的移动机器人模型设计与实现
发布时间:2007/4/23 0:00:00 访问次数:496
关键词：MCU；机器人；学习记忆；循路
随着科学技术的不断发展，机器人技术在航天、海洋、军事、建筑、交通、工业及服务业等领域已经取得广泛的应用和发展。而在一些特殊场合（如航天、深海作业及核工业等领域），以无人探察车、无人排险车及无人运输车等为代表的机器人技术越来越受到关注。为此，笔者设计了一种具有道路记忆功能、使用灵活方便、应用范围较广的轮式移动机器人模型。
该机器人模型以微控制器ＭＣＵ为核心，先由人对机器人模型按照所要行走的路线进行训练，即让机器人模型记忆该路线（将路线数据存储在存储器中）。以后机器人模型就可沿此路线重复行走。其记忆路线的方式灵活方便，可根据不同的要求和需要对其进行不同的路线训练以完成不同的任务。
该模型可以应用于一些人类不宜活动或较难控制的场合（如微型核反应堆的金属罐管系统、火场探测、辐射、消防、有毒、易燃、易爆物体场所的探测等），也可作为室内服务机器人使用，以代替人完成家务劳动、厂区货物搬运、医院病历及资料的传递等。
该机器人模型具有以下特性：
●具有道路学习记忆和道路循迹重复功能；
●可模拟地图仿真训练，输出放大倍数可按需要设定；
●在实际工作时，如遇到障碍物可采用道路转移法绕过障碍物并沿原学习道路继续前进；
●工作时无人控制；
●光线较暗时会自动打开光源；
●前进距离可用ＬＣＤ实时显示；
●运动状态可用指示灯实时显示；
●具有系统故障报警功能。
１ 系统硬件设计
系统硬件设计框图如图１所示，核心控制部分采用Ａｔｍｅｌ公司的普及型８位ＭＣＵ ＡＴ８９Ｃ５１。作为一款目前广泛应用的ＭＣＵ，ＡＴ８９Ｃ５１提供有电机控制、ＬＣＤ驱动显示以及传感信息等多种驱动功能和接口，另一方面，该ＭＣＵ价格低廉，有很高的性价比。外接存储模块采用容量为２５６ｋＢ的２４ＬＣ２５６闪存芯片，当然，也可以根据实际需要选用其它容量的闪存芯片。感光探测选用光敏电阻即可感应外界光线的强弱。障碍物探测采用美国邦纳工程有限公司的ＰｉｃｏＤｏｔ ＰＤ系列激光传感器，该传感器能对被测物体进行精确的到位检测、定位和计数。
２ 系统设计要点
轮式移动机器人模型的速度及方向可由两个后轮作为驱动轮来控制，ＭＣＵ通过驱动芯片Ｌ２９３Ｂ驱动两个后轮电机。ＡＴ８９Ｃ５可通过两个后轮对应的两个计速器来分别控制这两个后轮的转速，从而实现模型的前进和转向功能。
２．１ 计速部分
系统计速部分由光电开关及带有均匀分布小孔的圆盘组成，其电路及皮带轮连接示意图如图２所示。当光电开关中间有黑色物体挡住时，输出电平为０；无遮挡时，输出电平为１。当均匀分布小孔的圆盘边缘在光电开关的槽中转动时，可根据输出的一系列脉冲及圆盘上的孔数计算出圆盘的转速Ｎ。皮带轮１与圆盘粘在一起，因而转速相同；皮带轮２与模型后驱动轮同轴，速度相同；皮带轮１、皮带轮２由皮带相连。假设皮带轮２周长是皮带轮１周长的５倍，则皮带轮２的转速为Ｎ／５，即车轮转速为Ｎ／５。
２．２ 道路学习记忆
计数芯片选用７级二进制串行计数器ＣＤ４０２４，光电开关的输出波形经施密特触发器整形为标准脉冲波形可使ＣＤ４０２４计数更方便。设每隔Ｔ时间记录到脉冲数Ｍ，那么，Ｔ时间内圆盘转速Ｎ＝Ｍ／（ＬＴ）（设Ｌ为圆盘上的孔数），则车轮的速率为Ｎ／５＝Ｍ／（５ＬＴ）。由于Ｔ越小，结果越精确，故Ｔ取几至几十毫秒。记录的数据经微控制器ＭＣＵ送至外接闪存２４Ｌ
关键词：MCU；机器人；学习记忆；循路
随着科学技术的不断发展，机器人技术在航天、海洋、军事、建筑、交通、工业及服务业等领域已经取得广泛的应用和发展。而在一些特殊场合（如航天、深海作业及核工业等领域），以无人探察车、无人排险车及无人运输车等为代表的机器人技术越来越受到关注。为此，笔者设计了一种具有道路记忆功能、使用灵活方便、应用范围较广的轮式移动机器人模型。
该机器人模型以微控制器ＭＣＵ为核心，先由人对机器人模型按照所要行走的路线进行训练，即让机器人模型记忆该路线（将路线数据存储在存储器中）。以后机器人模型就可沿此路线重复行走。其记忆路线的方式灵活方便，可根据不同的要求和需要对其进行不同的路线训练以完成不同的任务。
该模型可以应用于一些人类不宜活动或较难控制的场合（如微型核反应堆的金属罐管系统、火场探测、辐射、消防、有毒、易燃、易爆物体场所的探测等），也可作为室内服务机器人使用，以代替人完成家务劳动、厂区货物搬运、医院病历及资料的传递等。
该机器人模型具有以下特性：
●具有道路学习记忆和道路循迹重复功能；
●可模拟地图仿真训练，输出放大倍数可按需要设定；
●在实际工作时，如遇到障碍物可采用道路转移法绕过障碍物并沿原学习道路继续前进；
●工作时无人控制；
●光线较暗时会自动打开光源；
●前进距离可用ＬＣＤ实时显示；
●运动状态可用指示灯实时显示；
●具有系统故障报警功能。
１ 系统硬件设计
系统硬件设计框图如图１所示，核心控制部分采用Ａｔｍｅｌ公司的普及型８位ＭＣＵ ＡＴ８９Ｃ５１。作为一款目前广泛应用的ＭＣＵ，ＡＴ８９Ｃ５１提供有电机控制、ＬＣＤ驱动显示以及传感信息等多种驱动功能和接口，另一方面，该ＭＣＵ价格低廉，有很高的性价比。外接存储模块采用容量为２５６ｋＢ的２４ＬＣ２５６闪存芯片，当然，也可以根据实际需要选用其它容量的闪存芯片。感光探测选用光敏电阻即可感应外界光线的强弱。障碍物探测采用美国邦纳工程有限公司的ＰｉｃｏＤｏｔ ＰＤ系列激光传感器，该传感器能对被测物体进行精确的到位检测、定位和计数。
２ 系统设计要点
轮式移动机器人模型的速度及方向可由两个后轮作为驱动轮来控制，ＭＣＵ通过驱动芯片Ｌ２９３Ｂ驱动两个后轮电机。ＡＴ８９Ｃ５可通过两个后轮对应的两个计速器来分别控制这两个后轮的转速，从而实现模型的前进和转向功能。
２．１ 计速部分
系统计速部分由光电开关及带有均匀分布小孔的圆盘组成，其电路及皮带轮连接示意图如图２所示。当光电开关中间有黑色物体挡住时，输出电平为０；无遮挡时，输出电平为１。当均匀分布小孔的圆盘边缘在光电开关的槽中转动时，可根据输出的一系列脉冲及圆盘上的孔数计算出圆盘的转速Ｎ。皮带轮１与圆盘粘在一起，因而转速相同；皮带轮２与模型后驱动轮同轴，速度相同；皮带轮１、皮带轮２由皮带相连。假设皮带轮２周长是皮带轮１周长的５倍，则皮带轮２的转速为Ｎ／５，即车轮转速为Ｎ／５。
２．２ 道路学习记忆
计数芯片选用７级二进制串行计数器ＣＤ４０２４，光电开关的输出波形经施密特触发器整形为标准脉冲波形可使ＣＤ４０２４计数更方便。设每隔Ｔ时间记录到脉冲数Ｍ，那么，Ｔ时间内圆盘转速Ｎ＝Ｍ／（ＬＴ）（设Ｌ为圆盘上的孔数），则车轮的速率为Ｎ／５＝Ｍ／（５ＬＴ）。由于Ｔ越小，结果越精确，故Ｔ取几至几十毫秒。记录的数据经微控制器ＭＣＵ送至外接闪存２４Ｌ
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