智能排爆机器人论文

1、智能排爆机器人指导老师：果莉欧阳斌林 姓名：张争宪 学 校：东北农业大学I目录1. 引言. - 1 -2. 系统要求设计 . . - 1 -2.1 任务. - 1 -2.2 基本要求 . . - 2 -2.3 发挥部分 . . - 2 -2.4 说明 . . - 2 -3. 方案论证及比较 . . - 2 -3.1主控系统 . . - 2 -3.2 模块设计及比较 . . - 3 -3.2.1 寻迹模块 . - 3 -3.3.2 直流电机及其驱动模块 . - 3 -3.2.3 硬件抗干扰的实现 . - 4 -3.2.4 电源方案的选择和论证 . - 4 -3.3 车体元件选择与比较 . . -

2、 5 -3.3.1 车轮选择 . - 5 -3.3.2 排爆装置 . - 5 -4. 系统原理及理论分析 . . - 5 -4.1 单片机最小系统组成 . . - 5 -4.2各功能模块的实现 . . - 5 -4.2.1 寻迹实现 . - 5 -4.2.2 电机驱动实现 . - 6 -4.2.3 显示模块实现 . - 6 -4.2.4 电源模块 . - 7 -4.3 软件抗干扰的实现 . . - 7 -5. 系统程序设计 . . - 8 -6. 结论. - 8 -7. 参考文献 . . - 9 - 1 -摘要本课题组设计制作了一款自动排爆的机器人。机器人以直流电机为主驱动，通过传感器件采集信

3、息，送入主控单元ATmage16；电机驱动电路采用四通道驱动集成芯片L298，并采用在车身上四个位置安装光电传感器使小车可以在固定区域内走动，进行障碍的排除；并在车头的位置安放九个金属传感器，用于探测铁磁材料薄片的位置，方便测量两次计数的时间，即从起始位置到找到障碍物从找到障碍物到返回起始位置；经不断的调试，此机器人实现了无人控制即可完成一系列动作，达到了赛题的基本要求。关键字： 智能判断 排爆 机器人1. 引言设计一个具有排爆功能的智能小车，该小车在传统手动小车基础上作了改进，使之可以寻迹行驶到指定地点，找到任意放置的可疑铁磁材料薄片，搜索到可疑铁磁材料薄片后将其搬移到起点，机器人小车运行采

4、取分段计时方式，从起点出发开始到搜索到可疑铁磁材料薄片计一次时，从搜索到可疑铁磁材料薄片到搬运回起点再计一次时。停止计时，整个排爆过程结束。返回、停止，相当于一个简易机器人。该技术可以应用于无人驾驶的机动车、服务机器人等领域，具有非常广泛的发展空间。2. 系统要求设计2.1 任务设计并制作一个能模拟自动进入危险现场排除险情的简易排爆机器人小车。危险现场的通道起点距危险现场50cm ，通道宽30cm ，画有1cm 宽的黑色中心线，危险现场为直径80cm 的圆形平面，面积小于1.5cm 1.5cm 的可疑铁磁材料薄片任意放置于圆形平面内，现场所有边界均为宽2cm 的黑线。- 2 - 图1 排爆机器

5、小车的运行轨道 2.2 基本要求（1）要求机器人小车进入现场找到任意放置的可疑铁磁材料薄片。在整个搜索和转移过程中机器人小车除探头和排爆工具外均不得接触边线和可疑铁磁材料薄片，搜索到可疑铁磁材料薄片后将其搬移到起点，整个过程要求在5分钟内完成。（2）机器人小车运行采取分段计时方式，从起点出发开始到搜索到可疑铁磁材料薄片计一次时，从搜索到可疑铁磁材料薄片到搬运回起点再计一次时。停止计时，整个排爆过程结束。2.3 发挥部分（1）增加声、光报讯功能，用以区分运行状态（2）用显示装置显示机器人小车运行状态及两次的计时数据（3）其它2.4 说明（1）不允许在跑道内外区域另外设置任何标志或检测装置；（2）

6、车辆（含在车体上附加的任何装置）外围尺寸的限制：长度<35cm，宽度20cm ；（3）测试场地由参赛队自行准备；3. 方案论证及比较3.1主控系统方案一：采用各类数字电路来组成小车的控制系统，实现黑带检测信号及小车自动往返。本方案原理简单但控制电路复杂，灵活性不高，效率低，不利于小车向智能化拓展，对各路信号处理比较困难。方案二：采用A Tmage16，包含复位电路，电源、运行状态指示灯，直流5V 单电源供- 3 - 电。处理速度快，反应灵敏，能很好的控制我们设计的这个智能自动排爆小车因此我们采用方案二来实现。方案二的基本原理如图2所示。 图2 智能排爆车运行系统框图本方案以ATmage1

7、6为核心系统。黑带寻迹依靠安装在车底部中间二对光电传感器来对地面反射光感应，并将信息送到控制系统，实现对小车速度和转弯的控制。金属传感器用于检测可疑铁磁材料薄片的位置，通过传感器把信息传送到控制系统，两次实现记时和语音由软件实现。此系统比较灵活，采用软件方法来解决复杂的硬件电路部分，使系统硬件简洁化，各类功能易于实现。3.2 模块设计及比较本系统以ATmage16为核心，由LCD 显示模块、金属检测模块、直流电机及其驱动模块、寻迹模块组成。3.2.1 寻迹模块方案一：使用简易光电传感器结合外围电路探测。光电传感器，由于采用带有交流分量的调制信号，则可大幅度减少外界干扰；另外红外线发射接收管的最

8、大工作电流取决于平均电流，如果采用占空比小的调制信号，再拼军电流不变的情况下，瞬间电流很大（50MA100MA），则大大提高了信噪比，试验中，我们发现他对黑色的物体的检验效果很好，测试其反应速度约为5us ，外围电路也很简单。市场上有很多红外光电探头也都是基于这个原理，这样不但能准确的完成测量而且能避免电路的复杂性。由于所采用光电传感器实际效果并不理想，对行驶过程中的稳定性要求很高，且误测几率较大、易受光线环境和路面介质影响。在使用过程极易出现问题，而且容易因为该部件造成整个系统的不稳定。故最终未采用该方案。方案二：由于黑白物体对光的反射和吸收程度不同，因此本系电路采用的是反射式光电管TCRT

9、5000，通过调整合适的分压阻值使输出信号可以达到在白纸上小于0.7V 、在黑纸上大于4.5V 的高低电平。用四对TCRT5000组成检测黑线的光电传感电路，分别控制4个方向，可以预测轨迹，使物体能够沿线行走，本方案也易于实现，比较可靠，因此采用方案二。 当小车底部的一边反射式光电对管遇到黑带时输入电平为高电平，反之为低电平。结合中断查询方式，通过程序控制小车行驶方向。电路中的可调电阻可以调节比较电路灵敏度，以满足小车在不同光度的环境光中能够准确寻迹。3.3.2 直流电机及其驱动模块1. 电机的选择与论证方案一：采用直流电动机。直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调整范围广，过载能力

10、强。能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无极快速启动、制动和反转。能满足生成过程自动化的系统各种不同的特殊运行的基本要求。方案二：采用步进电机。步进电机有一个显著的特点就是快速启停能力，如果负荷不超过步进电机所能提供的动态转矩值，就能够立即使步进电机启动和反转，转换精度高，正转反转控制灵活。但是比较费电，容易使驱动芯片烧坏，成本比较高，不适合这个作品。 由于直流电机更容易购买，并且电路也相对简单，所以才拥挤直流电动机即可。2. 驱动电路选择本系统采用的是市场上较为常见的三轮轮玩具小车模型，其两个主控轮分别各配有一个直流电机，一个万向轮作为支撑和控制方向，使得小车车体具有保持平衡且沿直线行走的功能

11、，所以电机驱动电路有以下几个方案：方案一：采用分立元件组成的平衡式驱动电路，这种电路可以由单片机直接对其进行操作，但由于分立元件占用的空间比较大，还要配上两个继电器，考虑到小车的空间问题，此方案不够理想。方案二：采用电机驱动芯片L293D ，市场上不容易买到，且驱动能力较弱。故而放弃。 方案三：采用市面易购的电机驱动芯片L298N ，该芯片是利用TTL 电平进行控制，对电机的操作方便，通过改变芯片控制端的输入电平，即可以对电机进行正反转操作，很方便单片机的操作。我们采用两个电机分别对左轮和右轮驱动，这样有利于小车的转弯。通过比较，使用L298N 芯片充分发挥了它的功能，能稳定地驱动步进电机，且

12、价格不高，故选用L298N 驱动电机。而使用L298N 时，可以节省开发板的GPIO 口的使用。3.2.3 硬件抗干扰的实现为了使系统硬件稳定可靠，我们采用了一系列的措施来减少干扰：1、 采用数字电源与模拟电源分开的方案；2、 采用地线、电源线加粗，做成PCB 板的形式；3、 印制板图布线时尽量减少回路环的面积，降低感应噪声。4、 路线检测方案的选择与论证方案一：受到鼠标工作原理的启发，采用光电码盘进行检测。旋转轴转动，带动码盘转动，码盘上刻有许多狭缝，码盘转动时透过狭缝接收，用接收器对对接收到的信号进行计数，用这种方法可以精确的算出小车已经走过的距离，将信号整形后送入计数器。方案二：采用霍尔

13、元件集成片。该器件内部有三个霍尔元件组成。当磁铁正对金属板时，由于霍尔效应，可以发生电流的变化，对此加以判断，但需要在车轮底下安装磁片，而将霍尔集成片固定在轴上，通过脉冲计数进行对车速的测量。以上两种都得到了广泛的应用，都是比较可行的转速测量的方案。霍尔元件在工业上得到了广泛的应用，但本题小车的车轮较小，磁片安装十分困难，容易产生相互干扰，无法给小车提供足够的定位坐标。而方案一精度较高，故选择方案一。3.2.4 电源方案的选择和论证方案一：采用两个电源供电。将电动机驱动电源与单片机以及其周边电路电源完全隔离开，利用光电耦合器传输信号，这样做虽然可以将电动机的驱动所造成的干扰彻底消除，提高了系统

14、的稳定性，但是会增加重量，增加小车的惯性，方案二：采用单一电源。这样供电会比较简单，但是由于电动机启动瞬间电流较大，驱动的波动较大，会造成电压不稳定。经过反复的实验，采用方案一，虽然增加了重量，但是整个车体的稳定性要比方案二好得多。3.3 车体元件选择与比较本次赛题对小车车体的要求很高，我们不仅要考虑小车沿直线运动时的速度还需要考虑小车在搜寻过程中的稳定性。要提高小车的稳定性就要减小车子的惯性降低车子的重心，减小车子的惯性就要减小车子的质量。3.3.1 车轮选择方案一：采用市场所卖的车轮，轮子的质量好、弹性大，但是规格单一、价格昂贵、且其中心高，不符合我们所要的尺寸。因此放弃此方案。方案二：按

15、所需的尺寸自己制作，经过车、磨、钻等过程打造出直径为70mm 的车轮，在为车轮装一圈轮胎，虽然车轮制作消耗大量时间以及人力但是却满足所需尺寸，能够降低车子的底盘即降低车子的重心，增加车子的稳定性。因此采用此方案。3.3.2 排爆装置方案一：采用电磁铁方案二：车体底部安装普通磁铁由于方案一成本比较高，且易产生干扰，故选择方案二，在车体底部安装磁铁。4. 系统原理及理论分析4.1 单片机最小系统组成单片机系统是整个智能系统的核心部分，它对各路传感信号的进行采集、处理、分析及对各部分整体调控。主要组成部分：ATmage16、小车驱动系统芯片L298N 、液晶屏MS12864、反相器芯片74HC14及

16、各路的光电传感器和金属传感器。4.2各功能模块的实现4.2.1 寻迹实现（1）黑带检测原理利用光的反射原理，当光线照射在白纸上，反射量比较大，反之，照在黑色物体上，由于黑色对光的吸收，反射回去的量比较少，这样就可以判断黑带轨道的走向。 图3 对管发射接收原理 图4 光强度相应曲线 4反射表面反射式光电对管的反射光强度的输出信号电压Vout 是反射面与传感器之间距离x 的函数，设反射面物质为同种物质时，x 与Vout 的响应曲线是非线性的，如图4所示。设定输出电压达到某一阈值时作为目标，不同的目标距离阈值电压是不同的。距离X 与遇到黑白实线反射回来的电压关系的测试结果如表1。表1X (mm30

17、20 17 15 12 10 5 黑色(V4.97 3.16 1.38 1.04 0.28 0.07 0.07 白色(V 4.97 4.97 4.97 4.97 4.97 4.97 4.97由表1及小车的实际高度综合考虑，我们选择距离X 为5mm ，这样有利于我们的电路板的安装。（2）寻迹实现通过读取GPD2-GPD5所接传感器的状态来判断轨迹所在方向，并通过推理，预测下一步小车行走的位置，循环判断，直至走完全程。小车的前端底部安置3个光电对管，左中右各一个，T1，T2，T3。在车的尾部安装一个光电对管T4。左端的用来检测跑道左边的黑色边线，刚开始小车启动，车的右轮比左轮快一些，当T1检测到左

18、边线时车的左轮的速度比右轮快一点，延时1s 后，继续右轮比左轮快，如此反复，小车就会沿着小车的左边的边线行驶，当行驶到T2检测到跑道中间的黑色线时，小车右轮不动，左轮向前转，直到小车掉头大约180度，进入圆形区域的中间区域，在这个区域内，通过一些算法和不断调试的经验使车检测到所有的可能存在铁磁材料的区域，最后通过T3检测跑道的左边线返回。在进入圆形区域的过程内，小车前端的金属传感器会检测到铁磁材料，并且停车大约2秒，然后继续行驶并返回，当车尾部的对管检测到起始线时车停止，整个排爆过程结束。4.2.2 电机驱动实现驱动电机的电路选择L298。CLOCK 控制脉冲的频率从而控制小车电机的转速；CW

19、 控制小车的正反转；half 控制电机是半步还是整步，本次实验half 置1，始终保持电机半步运行；Enable 是使能端，当它是低电平时停止工作，驱动框图如图6。 图6 电机驱动系统框图4.2.3 显示模块实现本系统采MS12864LCD 作为显示模块，单片机串行控制实时数据显示。MS12864 系列液晶显示模块是深圳TOPWAY 公司生产的中文显示模块中的一员。采用了台湾的ST792O 控制芯片，并提供了中文字库，为中文显示开发方面带来了更多的方便。现以MS12864为例说明MS12864 系列液晶显示模块的应用。该模块的主要特性有：汉字显示：内置汉字字库、提供8192 个16 x16 点

20、阵汉字（简体）半宽字型显示：内置128 个16xs 点阵字符绘图显示：绘图显示画面提供个64x256 点的绘图区域GDRAM自定义字型显示：含CGRAM 提供2组软件可编程的16X16 点阵造字功能电源电压：5V 单电源供电显示分辨率：128x64 点显示方式：STN 、正显、半透显示颜色：绿底黑字通讯方式：8 / 4 位并行方式或串行方式每屏可显示4行8列共32 个16x16 点阵的汉字，每个显示RAM 可显示1 个中文字符或2 个16x8 点阵全高ASCII 码字符即每屏最多可实现32 个中文字符或64 个ASCII 码字符的显示。字符显示是通过将字符显示编码写入该字符显示RAM 实现的。

21、根据写入内容的不同，可分别在液晶屏上显示CGROM （中文字库）、HCGROM(ASCII码字库 及CGRAM （自定义字形）的内容。字符显示RAM 在液晶模块中的地址80H-9FH 。字符显示RAM 的地址与32 个字符显示区域有着对应的关系，其对应关系如下表所示：表3 RAM 地址于32个字符对应表 绘图显示RAM 提供64*32 个位元组的记忆空间（由扩充指令设定绘图RAM 位址），在更改绘图RAM 时，由扩充指令设定GDRAM 地址先设置垂直位址，再设置水平位址（连续写入两个位元组的资料来完成垂直与水平的坐标地址），再写入两个8位的资料到绘图RAM ，而地址计数器（AC ）会自动加一，

22、整个写入绘图RAM 的步骤如下：a 先将垂直的位元组（Y ）写入绘图RAM 位址b 再将水平的位元组（x ）写入绘图RAM 位址c 将D15-D8 写入到RAM 中d 将D7-DO 写入到RAM 中4.2.4 电源模块由于电机在正常工作时对整个系统的干扰大，单电源供电会影响单片机的正常工作，所以我们将模拟电源和数字电源这两个电源分开供电。数字电源（5V ）供给单片机和数字控制电路，模拟电源（12V ）给电机供电。测试中发现用12V 电源直接驱动电机，那么小车的速度很快，并且转弯比较灵活，所以用12V 电源驱动电机，使小车可以在高速状态下行驶并且很稳定。电路框图如图7所示： 图7 电源的电路框图

23、4.3 软件抗干扰的实现延时去抖技术:对于传感器检测电路，由于存在传感器检测时间和边缘抖动等问题，在软件检测时采用了延时检测的方法，确保数据采集的可靠性和稳定性。 图8 稳压模块原理图5. 系统程序设计小车的前端底部安置3个光电对管，左中右各一个，T1，T2，T3。在车的尾部安装一个光电对管T4。左端的用来检测跑道左边的黑色边线，刚开始小车启动，车的右轮比左轮快一些，当T1检测到左边线时车的左轮的速度比右轮快一点，延时1s 后，继续右轮比左轮快，如此反复，小车就会沿着小车的左边的边线行驶，当行驶到T2检测到跑道中间的黑色线时，小车右轮不动，左轮向前转，直到小车掉头大约180度，进入圆形区域的中间区域，在这个区域内，通过一些算法和不断调试的经验使车检测到所有的可能存在铁磁材料的区域，最后通过T3检测跑道的左边线返回。在进入圆形区域的过程内，小车前端的金属传感器