智能机器人构成原理【骄阳书苑】

1、第二章 智能机器人构成原理,主讲：张涛 Email: 电话办公室：1#实验楼1505,河南理工大学电工电子实验中心,第二章 智能机器人构成原理,物理学家来告诉我们,一、怎样制造智能机器人,第二章 智能机器人构成原理,物理学家来告诉我们,一、怎样制造智能机器人,Primary Objectives（基本目标） （一）Recognize the Environment （识别环境） （二）Learn on its own （自主学习） （三）Super-fast brain （超快大脑） （四）Versatile Body （多功能本体,Primary Objective

2、s（基本目标） （一）Recognize the Environment （识别环境） （二）Learn on its own （自主学习） （三）Super-fast brain （超快大脑） （四）Versatile Body （多功能本体,第二章 智能机器人构成原理,一般可以分为硬件和软件两部分构成,二、智能机器人的构成,硬件,软件,第二章 智能机器人构成原理,从结构和功能上来分,三、智能机器人的硬件构成,一）Recognize the Environment （识别环境） （三）Super-fast brain （超快大脑） （四）Versatile Body （多功能本体,第二章 智

3、能机器人构成原理,一）Recognize the Environment （识别环境） 各种传感器来实现（机器感觉,三、智能机器人的硬件构成,我们人类是通过眼睛来观察事物、耳朵来辨别声音、手脚来触摸事物、鼻子来辨别气味、舌头来感觉味道等，那机器人用什么来感世界呢,第二章 智能机器人构成原理,一）Recognize the Environment （识别环境） 各种传感器来实现（机器感觉,三、智能机器人的硬件构成,1、 碰撞传感器 碰撞传感器是使智能机器人有感知碰撞信息能力的传感器。也叫“限位开关,第二章 智能机器人构成原理,三、智能机器人的硬件构成,2、远红外传感器 远红外传感器将外界红外光的

4、变化转化为电流的变化，在电阻上产生电压，通过A/D 转换器反映为01023 范围内的数值。外界红外光越强，数值越小。因此越靠近热源，机器人显示读数越小。根据函数返回值的变化能判断红外光线的强弱,从而能大致判别出热源的远近,一）Recognize the Environment （识别环境） 各种传感器来实现,第二章 智能机器人构成原理,三、智能机器人的硬件构成,3、光敏传感器 光敏传感器其实是一个光敏电阻，它的阻值受照射在它上面的光线强弱的影响。大学版机器人智能机器人所用的光敏电阻的阻值在很暗的环境下为75，室内照度下几千，阳光或强光下几十,一）Recognize the Environmen

5、t （识别环境） 各种传感器来实现,第二章 智能机器人构成原理,三、智能机器人的硬件构成,4、麦克风 麦克风(microphone)是能够识别声音声强大小的声音传感器,一）Recognize the Environment （识别环境） 各种传感器来实现,第二章 智能机器人构成原理,三、智能机器人的硬件构成,5、光电编码器 光电编码器是一种能够传递位置信息的传感器，它由光电编码模块及码盘组成,一）Recognize the Environment （识别环境） 各种传感器来实现,第二章 智能机器人构成原理,三、智能机器人的硬件构成,6、热释电传感器 热释电传感器对移动的人体热源敏感，可以探测几

6、米外的人体。机器人装上1个或几个热释电传感器后，你可以让他一看见你，就向你迎过来，让他跟着你走,一）Recognize the Environment （识别环境） 各种传感器来实现,第二章 智能机器人构成原理,三、智能机器人的硬件构成,7、超声传感器 超声传感器是机器人测距的专业传感器，测量距离一般为20cm-6m，测量精度为1%，是测量声波发射与收到回波之间的时间差来测量距离的,一）Recognize the Environment （识别环境） 各种传感器来实现,第二章 智能机器人构成原理,三、智能机器人的硬件构成,8、连续测距红外传感器 SHARP公司推出了创新的GP2D02/ GP2

7、D12连续测距红外传感器，测量范围为10cm-80cm，参加灭火比赛时，用它来找房间门非常棒,一）Recognize the Environment （识别环境） 各种传感器来实现,第二章 智能机器人构成原理,三、智能机器人的硬件构成,9、数字指南针 自主机器人的导航至今仍是世界性难题，借助数字指南针，可以使大学版机器人辨别方向,一）Recognize the Environment （识别环境） 各种传感器来实现,第二章 智能机器人构成原理,三、智能机器人的硬件构成,10、温度传感器 想让机器人动态告诉你气温吗？加一个温度传感器是个好方法,一）Recognize the Environmen

8、t （识别环境） 各种传感器来实现,第二章 智能机器人构成原理,三、智能机器人的硬件构成,11、无线视觉传感器 用智能机器人来作移动的监视平台。你可以在上安装无线摄像头，把视频信号发射出来，用PC机接收后进行图象处理,一）Recognize the Environment （识别环境） 各种传感器来实现,第二章 智能机器人构成原理,三、智能机器人的硬件构成,11、红外避障传感器 用来探测的不同方向的障碍物，可以使机器人有效的避开障碍物,一）Recognize the Environment （识别环境） 各种传感器来实现,第二章 智能机器人构成原理,三、智能机器人的硬件构成,还有各种各样的传感

9、器，如火星车上的矿物质传感器，用来探测火星上的岩石的元素，从而来推测火星上是否有水的存在；湿度传感器、烟雾传感器等等。 总之，随着电子技术、纳米技术、控制技术、机械加工等科技的发展，传感器技术进一步发展，能够为智能机器人提供更多的先进的传感器，使其“感觉”更加丰富,一）Recognize the Environment （识别环境） 各种传感器来实现,智能机器人构成原理,三）Super-fast brain （超快大脑,三、智能机器人的硬件构成,我们人类是通过眼睛来观察事物、耳朵来辨别声音、手脚来触摸事物、鼻子来辨别气味、舌头来感觉味道等，把这些信息送到大脑里，进行判断处理，指挥我们的肢体进行

10、相应的动作，那机器人用什么来进行思考呢？ 各种处理器,智能机器人构成原理,三）Super-fast brain （超快大脑） 各种处理器,三、智能机器人的硬件构成,处理器通常指微处理器、微控制器和数字信号处理器这三种类型的芯片。 1、微处理器（MPU） 通常代表一个功能强大的CPU,但不是为任何已有的特定计算目的而设计的芯片。这种芯片往往是个人计算机和高端工作站的核心CPU。微处理器在电路板上必须包含ROM、RAM、总线接口及这种外设器件，从而降低了系统的可靠性。ARM9以上和INTEL X86等,智能机器人构成原理,三）Super-fast brain （超快大脑） 各种处理器,三、智能机器

11、人的硬件构成,2、微控制器（MCU） 微控制器一般以某一种内核为核心，芯片内部集成ROM、E2ROM、RAM、总线、总线逻辑、定时、计数器、看门狗、GPIO、PWM、AD、DA、FLASH等各种必要功能和外设，实现嵌入式应用,故称单片机(single chip microcomputer)。为了更好满足控制领域的嵌入式应用,单片机中不断扩展满足控制要求的电路单元。目前,单片机已广泛称作微控制器（MCU）。ARM7、ARM CortexM3内核组成的芯片等,智能机器人构成原理,三）Super-fast brain （超快大脑） 各种处理器,三、智能机器人的硬件构成,3、数字信号处理器（DSPs）

12、 数字信号处理器（DSPs）里的CPU是专门设计用来极快地进行离散时间信号处理计算的,比如那些需要进行音频和视频通信的场合。DSPs内含乘加器,能比其它处理器更快地进行这类运算。最常见的是TI的TMS320CXX系列和Motorola的5600X系列,智能机器人构成原理,三）Super-fast brain （超快大脑） 各种处理器,三、智能机器人的硬件构成,4、可编程控制器（PLC） 可编程控制器(Programmable logic Controller) ，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。说明的是PLC其实也是单片机做的，只是特殊的单片机专用的一类芯片），主要特点；稳定性高。缺

13、点：价格高,智能机器人构成原理,三）Super-fast brain （超快大脑） 各种处理器,三、智能机器人的硬件构成,5、PC机计算机 直接用我们的计算机，来做为机器人的大脑进行复杂的数据处理，来控制机器人相应的动作,智能机器人构成原理,三）Super-fast brain （超快大脑） 各种处理器,三、智能机器人的硬件构成,目前我们常用的处理器有哪些呢？ 1、8051 单片机 最早有Intel公司推出8051/31类单片机,也是世界上使用量最大的几种单片机之一.由于Intel公司将重点放在186,386,奔腾等与PC类兼容的高档芯片开发上,8051类单片机主要有Philips,三星,华帮

14、等公司接手.这些公司在保持与8051单片机兼容基础改善了8051的许多特点.提高了速度,降低了时钟频率,放宽了电源电压的动态范围,降低了产品价格,智能机器人构成原理,三）Super-fast brain （超快大脑） 各种处理器,三、智能机器人的硬件构成,2、Atmel 单片机 ATMEL 公司最令人注目的是它的EEPROM 电可擦除技术、闪速存储器技术。其生产的AT90系列是增强型RISC内载FLASH单片机,通常称为AVR系列.AT91M系列是基于ARM7TDMI 嵌入式处理器的ATMEL 16/32 微处理器系列中的一个新成员该处理器用高密度的16 位指令集实现了高效的32 位 RISC

15、 结构且功耗很低.另外ATMAL的增强型51系列单片机目前在市场上仍然十分流行,其中AT89S51/52十分活跃,智能机器人构成原理,三）Super-fast brain （超快大脑） 各种处理器,三、智能机器人的硬件构成,3、Microchip 单片机 Microchip 单片机是市场份额增长最快的单片机.他的主要产品是 16C 系列 8 位单片机,CPU采用 RISC 结构,仅 33 条指令,运行速度快,且以低价位著称,一般单片机价格都在 1 美元以下. Microchip 单片机没有掩膜产品,全部都是 OTP 器件(现已推出 FLASH 型单片机).Microchip 强调节约成本的最优

16、化设计,是使用量大,档次低,价格敏感的产品,智能机器人构成原理,三）Super-fast brain （超快大脑） 各种处理器,三、智能机器人的硬件构成,4、TI 公司的 MSP430 系列单片机 MSP430 系列单片机是由 TI公司开发的 16 位单片机。其突出特点是超低功耗，非常适合于各种功率要求低的场合。有多个系列和型号，分别由一些基本功能模块按不同的应用目标组合而成。典型应用是流量计、智能仪表、医疗设备和保安系统等方面。由于其较高的性能价格比，应用已日趋广泛,智能机器人构成原理,三）Super-fast brain （超快大脑） 各种处理器,三、智能机器人的硬件构成,5、凌阳单片机

17、中国台湾凌阳科技股份有限公司(Sunplus Technology CO. LTD)至力于8位和16位机的开发.SPMC65 广泛应用于家用电器、工业控制、仪器仪表、安防报警、计算机外围等领域。SPMC75 系列单片机自主知识产权的MSP（Microcontroller and Signal Processor）16 位微处理器SPMC75 系列单片机集成了多种功能模块：多功能 I/O 口、串行口、 ADC 、定时计数器等，以及 能产生电机驱动波形的 PWM 发生器 、多功能的捕获比较模块、 BLDC 电机驱动专用位置侦测接口、两相增量编码器接口等特殊硬设，主要用于变频马达驱动控制,智能机器人

18、构成原理,三）Super-fast brain （超快大脑） 各种处理器,三、智能机器人的硬件构成,6、Motorola 单片机 Motorola是世界上最大的单片机厂商,品种全,选择余地大,新产品多,在8位机方面有68HC05和升级产品68HC08,8位增强型单片机68HC11,升级产品有68HC12. 16位单片机68HC16也有十多个品种.32位单片机683XX系列也有几十个品种.近年来以PowerPC,Codfire,M.CORE等作为 CPU,用 DSP 作为辅助模块集成的单片机也纷纷推出,目前仍是单片机的首选品牌. Motorola 8 位单片机过去策略是掩膜为主,最近推出OTP计

19、划以适应单片机的发展,在32位机上,M.CORE在性能和功耗上都胜过 ARM7,智能机器人构成原理,三）Super-fast brain （超快大脑） 各种处理器,三、智能机器人的硬件构成,7、Zilog 单片机 Z8 单片机是该公司的产品,采用多累加器结构,有较强中断处理能力.产品为 OTP 型,Z8 单片机的开发工具可以说是物美价廉.Z8 单片机以低价位的优势面向低端应用,以18引脚封装位主,ROM 位 0.52KB.最近 Zilog 公司又推出了 Z86 系列单片机,该系列内部集成廉价的 DSP单元,智能机器人构成原理,三）Super-fast brain （超快大脑） 各种处理器,三、

20、智能机器人的硬件构成,8、Scenix单片机 Scenix单片机(Ubicom公司)的I/O模块最有创意.I/O模块的集成与组合技术是单片机技术不可缺少的重要方面.除传统的I/O功能模块如并行I/O, URT, SPI, I2C, A/D,PWM,PLL,DTMF等,新的I/O模块不断出现,如USB,CAN,J1850,最具代表的是Motorola 32 位单片机,它集成了包括各种通信协议在内的I/O模块,而Scenix单片机在I/O模块的处理上引入了虚拟I/O的概念. Scenix单片机采用了RISC结构的 50MHz CPU. 单片机的封装采用 20/28 引脚.公司提供各种I/O的库函数

21、,如多路UART,多种A/D, PWM, SPI, DTMF, FSK,LCD驱动等,这些都是通常用硬件实现起来相当复杂的模块,智能机器人构成原理,三）Super-fast brain （超快大脑） 各种处理器,三、智能机器人的硬件构成,9、NEC单片机 NEC 单片机自成体系,以 8 位机 78K 系列产量最高,也有 16 位,32 位单片机.16 位单片机采用内部倍频技术,以降低外时钟频率.有的单片机采用内置操作系统. NEC 的销售策略注重服务大客户,并投入相当大的技术力量帮助大客户开发新产品,智能机器人构成原理,三）Super-fast brain （超快大脑） 各种处理器,三、智能机

22、器人的硬件构成,10、东芝单片机 东芝单片机从 4 位倒 64 位,门类齐全.4 位机在家电领域仍有较大市场.8 位机主要有 870 系列,90 系列等.该类单片机允许使用慢模式,采用 32KHz 时钟功耗低至 10uA数量级.CPU 内部多组寄存器的使用,使得中断响应与处理更加快捷.东芝公司的32位机采用MIPS3000 ARISC的 CPU结构,面向 VCD,数字相机,图象处理市场,智能机器人构成原理,三）Super-fast brain （超快大脑） 各种处理器,三、智能机器人的硬件构成,11、富士通单片机 富士通也有 8 位,16 位和 32 位单片机,但是 8 位机使用的是 16 位

23、的 CPU 内核.也就是说 8 位机与16位机指令相同,使得开发比较容易.8位机有名是MB8900系列,16位机有MB90系列。富士通注重服务大公司,大客户,帮助大客户开发产品,智能机器人构成原理,三）Super-fast brain （超快大脑） 各种处理器,三、智能机器人的硬件构成,12、Epson 单片机 Epson(日本爱普生)公司以擅长制造液晶显示器著称,故Epson单片机主要为该公司生产的LCD配套.其单片机的LCD驱动做的特别好.在低电压,低功耗方面也很有特色.目前0.9V供电的单片机已经上市,不久 LCD显示手表将使用 0.5V供电,智能机器人构成原理,三）Super-fast

24、 brain （超快大脑） 各种处理器,三、智能机器人的硬件构成,13、NS单片机 COP8 单片机是美国国家半导体公司的产品,该公司以生产先进的模拟电路著称,能生产高水平的数字模拟混合电路.COP8 单片机内部集成了 16 位 A/D, 这在单片机中是不多见的. COP8单片机内部使用了 EMI 电路, 在”看门狗”电路以及 STOP 方式下的唤醒方式都有独到之处.此外, COP8 的程序加密也做的非常好,智能机器人构成原理,三）Super-fast brain （超快大脑） 各种处理器,三、智能机器人的硬件构成,14、STC 单片机 STC单片机完全兼容51单片机,并有其独到之处,其抗干扰

25、性强,加密性强,超低功耗,可以远程升级,内部有 MAX810 专用复位电路,价格也较便宜,由于这些特点使得 STC 系列单片机的应用日趋广泛,智能机器人构成原理,三）Super-fast brain （超快大脑） 各种处理器,三、智能机器人的硬件构成,15、三星单片机 三星单片机有 KS51 和 KS57 系列 4 位单片机,KS86 和 KS88 系列 8 位单片机,KS17 系列 16位单片机和KS32系列32位单片机,三星还为ARM公司生产ARM单片机,常见的S344b0等. 三星单片机为 OTP型 ISP 在片编程功能,智能机器人构成原理,三）Super-fast brain （超快大

26、脑） 各种处理器,三、智能机器人的硬件构成,16、华帮单片机 华帮单片机属于8051类单片机,它们的W78系列与标准的8051兼容,W77系列为增强型51,对8051的时序做了改进.同样时钟下速度快了不少.在4位机上华帮有921系列,带LCD驱动的 741 系列.在 32 位机方面,华帮使用了惠普公司 PA-RISC 单片机技术,生产低位 32 位 RISC单片机,智能机器人构成原理,三）Super-fast brain （超快大脑） 各种处理器,三、智能机器人的硬件构成,17、SST 单片机 美国 SST 公司推出的 SST89 系列单片机为标准的 51 系列单片机,包括 SST89E/V5

27、2RD2, SST89E/V54RD2, SST89E/V58RD2, SST89E/V554RC,SST89E/V564RD等.它与8052系列单片机兼容.提供系统在线编程(ISP 功能).内部 flash 擦写次数 1 万次以上,程序保存时间可达 100年,智能机器人构成原理,三）Super-fast brain （超快大脑） 各种处理器,三、智能机器人的硬件构成,单片机应用领域汇总 1.用图象传感器测量线才系统 2.卫星电视的串口模拟SPI、I2C的应用，如雷达录取的数据传送。 3.直接与AD芯片配合进行各种数据传感器配合。 4.利用单片机与PC机的232通讯进行控制，单片机为控制对象。

28、 5.通过IC卡、单片机、PC机构成的各种收费系统。 6.通过单片机控制各种步进电机完成工控任务系统 7.通过单片机控制各种电慈设备完成工控任务系统（如程控交换系统） 8.可应用在电机的变频技术上的控制领域中。 9.各种测量工具如水位尺，它在水文上的应用很普及,智能机器人构成原理,三）Super-fast brain （超快大脑） 各种处理器,三、智能机器人的硬件构成,单片机应用领域汇总 10.大型指针钟控制器，主要根据时间控制电机带动指针。 11.电子配料控制仪，基于小型生产的自动或半自动控制，如控制上料、搅拌等 12.用定时器和捕获功能进行某一系统的检测。可提供报警、控制等。如水位控制、温

29、度控制，全自动洗衣机等。 13.电子称重计 14.教学用仪器、医疗仪器。 15.由单片机构成的霓虹灯控制器。 16.在刚的热处理中采用热磁仪测量,智能机器人构成原理,三）Super-fast brain （超快大脑） 各种处理器,三、智能机器人的硬件构成,单片机应用领域汇总 17.各种金属探伤仪器。 18.矿山生产智能监测仪。 19.煤矿的产煤计数器 20.汽车安全系统 21.智能玩具 22.用超声波测量江河水位 23.交流电监测仪 24.消防系统报警监测仪 25.各类水表、电表,智能机器人构成原理,三）Super-fast brain （超快大脑） 各种处理器,三、智能机器人的硬件构成,总之，单片机技术使用范围广，在各种仪器仪表生产单位、石油、化工