BuddyRobotX100机器人硬件手册

PAGEBuddy_Robot_X100硬件手册目录第一章BuddyRobot介绍第一节BuddyRobot机器人概述1第二节BuddyRobotX100应用案例2第二章X100机器人控制板第一节X100机器人控制原理3第二节机器人端口介绍5第三节大功率电机驱动卡7第四节USB下载8第三章常用传感器第一节红外测障传感器10第二节远红外复眼传感器11第三节数字指南针传感器13第四节灰度检测传感器15第五节其它传感器16第四章机器人输出设备第一节LCD显示屏19第二节蜂鸣器20第三节减速电机20第四节其它输出设备22BuddyRobotX100硬件手册第19页第一章BuddyRobot介绍第一节BuddyRobot机器人概述机器人（Robot）一词源出自1920年捷克斯洛伐克作家萨佩克写的一个科幻剧本，他把在洛桑万能机器人公司生产劳动的那些家伙取名“robota”（意为“强迫劳动”）。然而在人类文明的悠远长河中，对机器人的梦想和追求已有3000多年的历史，人类一直梦想能制造一种象人一样的机器，以便代替人类完成各种工作。在古希腊、古代中国和古代日本的历史文献中，都有自动玩偶和自动作业机的记载，记录了古人设计自动机械代替人工劳动或从事娱乐的实践活动，展示了古代人的智慧，在不同程度上体现了人类拓展自身能力，甚至是自我复制的原始思想。随着信息技术和人工智能的飞速发展，机器人在功能和技术层次上有了很大的提高，推动了机器人概念的延伸。20世纪80年代，将具有感觉、思考、决策和动作能力的系统称为智能机器人，这是一个概括的、含义广泛的概念。这一划时代的概念产生，为机器人技术的发展，也为信息技术的发展，拓开了巨大的想象空间和新的创造天地。各种用途的机器人相继问世，大大推进了机器人应用的广度和深度，智能机器人成为信息科学的前沿学科。1986年我国863计划“智能机器人”主题正式启动，主题奋斗目标为：跟踪世界先进水平，增强国家综合实力。中国机器人科学家预言：21世纪的中国可以成为“站在机器人肩膀上的国家”。与众多学科高度交叉综合的智能机器人技术扩散和渗透到各个领域，形成了各式各样的机器人化的机器和系统——智能化机器、智能化系统；与多媒体和网络技术的交互和融合又产生了“软件机器人”、“网络机器人”。1996年首届机器人世界杯足球赛的举行将智能机器人的研究推向高潮。近年来，各类教育、娱乐机器人相继诞生，机器人正在一步步地融入我们的社会、融入我们的校园、融入我们的生活，必将对未来社会产生深远的影响。BuddyRobot机器人是上海彼林电子科技有限公司出品的新型教育机器人。该机器人具有计算速度快，代码效率高，抗干扰能力强等优点，而且在满足各项机器人教学和竞赛要求的同时，又具有相当高的性能价格比。第二节BuddyRobotX100应用案例BuddyRobotX100系列是针对机器人比赛定制开发的竞赛型机器人套装，套装中使用的X100控制系统是机器人机器人征战沙场，冲锋陷阵的神兵利器。下面是X100系列机器人部分应用案例：灭火机器人RCJ搜救机器人足球进攻机器人足球守门机器人游中国机器人擂台机器人更多机器人案例，请上网查询：

第二章X100机器人控制板第一节X100机器人控制原理BuddyRobot是具有感知、思维和行动功能的智能机器，是机构学、自动控制、计算机、人工智能、微电子学、光学、通信技术、传感技术、仿生学等多种学科和技术的综合成果。在BuddyRobotX100的核心控制系统上我们采用了STM32系列32位微控制器和ATmega8两块芯片构成，其中STM32主要负责高速程序控制以及数字运算处理，ATmega8主要负责USB下载及外围低速设备控制。控制程序采用图形化模块或高级语言编写，经过编译后以机器代码下载到机器人计算单元的程序存储器内执行。全面优化的硬件设计架构和软件驱动程序，给BuddyRobotX100提供了更快的执行效率，相对BuddyRobotV系列机器人运行速度提升了几倍。图2.1.5STM32系列32位微控制器特性：◆基于ARM＠CortexTM-M3内核、哈怫总线结构◆DMA控制器、单周期乘法指令、硬件除法指令◆与ARM7TDMI相比运行速度最多可快35%且代码最多可节省45%◆90DMIPs运行速度，72MHZ主频运行的CPU◆6K20K字节的SRAM，32K128K字节的FLASH◆2个16通道12位模数转换器，1US的转换时间◆高速通讯口：USB、USATR、CAN、SPI、I2C◆带唤醒功能的低功耗模式、内部RC震荡器、内置复位电路◆在待机模式下，典型的耗电值仅为2UA，非常适合电池供电的应用◆2.0V3.6V工作电压（5VI/O电压容限)◆封装：48LQFP144L1FP，工作温度范围：-40℃+85℃~◆3个16位通用的定时器、PWM输出、死区工致、边缘/中间对齐波形和紧急制动、1个系统时间定时器:24位自减型创新而出众的外设:USB2.012兆位/秒高速SPI18兆位/秒,主和从模式GPIO最大翻转频率为18MHZUSART4.5兆位/秒高速I2C40KHZPWM定时器72MHZ时钟输入图2.1.2STM32芯片框架结构图图2.1.3Cortex-M3性能与ARM7TDMI比较第二节控制板端口介绍整个机器人控制板在硬件设计上选择了功能齐全、可靠稳定的STM32芯片作为微控制芯片，在端口上提供更多、功能更齐全的端口供用户使用。如16路高速模拟输入口，8路数字输入输出口，6路模拟输入口，4路电机驱动口，4路辅助电机驱动口，1路专用总线接口等。具体参考如下：517161514131112910875171615141311129108764321图2.2.1机器人主板1、ADC1~8：高速模拟输入口，可以连接各种传感器，返回数值为0~1023，对应的参考电压为0~5V；2、ADC9~16：高速模拟输入口，可以连接各种传感器，返回数值为0~1023，对应的参考电压为0~5V；在使用中，一般用于连接远红外复眼传感器、地面寻迹搜救卡等；3、I/O1~8：数字输入输出口，可以连接各种数字传感器，如红外测障传感器、碰撞开关等，返回数值为0或1；也可以连接各种输出设备，如发光模块、蜂鸣器等；4、USART：BuddyRobot专用总线接口，可以连接端口扩展卡、指南针模块、超声传感器等；5、EADC1~6：模拟输入口，可以连接各种传感器，返回数值为0~1023，对应的参考电压为0~5V；6、SERVO1~4：辅助电机驱动口，可以连接直流电机、伺服电机等装置，每个端口支持1A连续电流，输出电压可通过电压选择端口（7）选择5V或主板电源输入电压；7、PWR：电源输入口，连接电源时注意电源正负极；8、电压选择端口，当跳线插在“5V”处时电机驱动口输出电压为5V，当跳线插在“POWER”处时电机驱动口输出电压为电池电压；图2.2.2跳线选择9、SPK：蜂鸣器，是机器人的发音装置；10、DC1~2：电机驱动口，可以连接大功率电机驱动卡，控制电机的正转、反转与停止；11、LCD：显示屏插槽，用于安装LCD显示屏；12、电源开关；13、PRG：程序选择拨盘，用于选择机器人运行程序，范围为0~10；14、USB下载口，用于机器人与计算机通讯、下载程序等；15、RST：复位按钮；16、RUN：运行按钮；17、开机指示灯，当机器人开机通电后蓝灯常亮。

第三节大功率电机驱动卡BuddyRobotX100的大功率电机驱动卡可以控制2路电机变速以及变向运转，，每路电机口有2个电机接口并联组成。大功率电机驱动卡提供单路10A持续电流，30A峰值电流的驱动能力，允许扩展的最大电压值为36V，如图图2.3.1电机驱动卡在机器人中我们采用脉宽调制方式（即PWM，PulseWidthModulation）来调整电机的转速和转向。脉宽调制是通过改变发出的脉冲宽度来调节输入到电机的平均电压，也就是机器人提供给电机的信号是方波，通过不同方波的平均电压不同来改变电机转速。图2.3.2脉宽调制电机驱动卡与控制板的连接参考：图2.3.3连接参考第四节USB下载BuddyRobotX100机器人与计算机采用USB进行相互通讯与下载，使用时将编写的项目程序从计算机USB口通过USB下载线传输到机器人控制板中。图2.4.1USB下载线进行程序下载时，首先将机器人电源打开，使机器人在开机状态下，然后将USB下载线的一头插入计算机USB端口，将USB下载线的另一头插入机器人的下载口中，具体如图2.4.2所示。图2.4.2USB连接机器人USB下载驱动程序可以从机器人随机光盘或从彼林电子网站上下载安装，具体操作参考软件使用手册。

第三章常用传感器第一节红外测障传感器红外测障传感器（如图3.1.5）通常用于检测前方是否有一、工作原理红外测障传感器在使用过程中，当前方有障碍物时，发射的红外就会被反射回来，红外接收传感器接收到反射光，认为此时传感器前方有障碍物。下面是红外测障传感器引脚说明。Ｓ：信号线＋：正极（5V）Ｓ：信号线＋：正极（5V）－：负极图3.1.2红外测障二、硬件安装红外测障传感器可以连接到机器人主板的任意模拟输入口或者数字输入口上。图3.1.3红外测障传感器连接传感器固定时，可以将传感器模块通过传感器连接座直接插在机器人底盘上，或用双面胶等固定在特殊位置。三、检测距离调节用户可以调节红外测障传感器上的电位器来改变其检测距离，如图3.1.6所示。当顺时针旋转电位器时，红外发射变强，检测距离变远；当逆时针旋转电位器时，红外发射变弱，检测距离变近。图3.1.4红外发射灵敏度调节在使用中，红外测障传感器对于不同颜色与粗糙程度的障碍物，使用中其检测距离不一样。当障碍物颜色是黑色或深色时，会吸收大部分的红外光，只反射回一小部分，有时会使红外接收传感器接收到的红外光强度不够，不足以产生有障碍的信号；当障碍物颜色是白色或浅色时，正好相反。第二节远红外复眼传感器远红外复眼传感器（如图3.2.1）主要用于检测红外光强弱的传感器，它可以用于检测和追踪红外发射源（如：火焰、太阳）等，如在机器人灭火比赛中用于机器人寻找火源，在机器人足球比赛中用于机器人寻找足球等。图3.2.1远红外复眼传感器一、工作原理远红外复眼传感器上装有多个远红外火焰传感器，每个远红外火焰传感器将外界700~1000nm波长的红外光强度变化转化为电阻变化的传感器，通过A/D转换器在机器人中反映为0~1023范围内的数值。当外界光线越强，数值越小；当外界光线越弱，数值越大。每个远红外火焰传感器的探测角度为60°，在使用中，越靠近中心角度灵敏度越高。远红外火焰传感器工作温度为-25℃~85℃二、硬件操作1、接口说明a、D1-D8：8组远红外火焰传感器，每组有2个传感器并联组成。b、连复眼A-连复眼B：每套远红外复眼传感器有A与B两块组成，通过P2与P3接口连接。c、连主机P1：通过数据线与机器人主板ADC9-16进行连接。2、传感器连接远红外复眼传感器可以连接到机器人主板高速模拟口ADC9~ADC16，如图3.2.4所示。图3.2.4远红外复眼器连接图

第三节数字指南针传感器数字指南针是根据地磁原理进行检测机器人的方向，例如机器人足球比赛中判断机器人运动方向。一、硬件操作1、硬件连接使用前，先将指南针水平固定好，防止指南针模块转动或晃动，影响测量准确性。安装时，指南针模块要远离电子部件（包括主控板、电机等）至少10指南针模块与机器人进行连接时，将指南针接线直接插入机器人主板USART接口。2、正北校正功能：将指南针模块当前所指方向设置为正北方向，即0度。使用方法：把指南针水平指向用户所需方向，在机器人开机状态下按一下指南针模块上的正北按钮并放开。3、铁磁补偿功能：消除指南针附近的铁物质等产生的磁场引起的角度偏差，使传感器读出的方向角度更精确。使用方法：在机器人开机状态下，按住铁磁按钮2秒钟再放开，此时绿灯闪烁，把指南针模块在水平位置按顺时针方向慢慢的匀速速旋转一圈以上，再按一下铁磁按钮完成铁磁补偿。每次铁磁补偿的结果在指南针模块断电后也会保存下来，所以在同一个地点可以只进行一次补偿；但在不同的地点则因为环境不同，磁场干扰也不相同，用户需要重新进行铁磁补偿。每次执行铁磁补偿都会取消上一次的补偿结果，并以最新这次的结果取代。铁磁补偿功能会取消正北校正信息，使指南针模块指向恢复与地球磁场方向一致。所以在执行了铁磁补偿后要再次进行正北校正。注：在铁磁补偿过程中，指南针返回值始终为69。4、工作状态指示灯工作状态指示灯用于表示当前指南针模块的工作状态。当绿灯常亮时表示指南针已通电，处于准备状态；每读取一次指南针数据，绿灯闪烁一次；当指南针进行铁磁补偿或指南针死机时，绿灯一直闪烁。二、软件操作指南针模块在使用时，返回0~359的数值来表示指南针所指的方向。当指南针模块在铁磁补偿过程中，指南针返回值为69。1、流程图2、C代码函数compass();

第四节灰度检测传感器灰度检测传感器主要用于检测地面不同颜色的灰度值，例如在灭火比赛中判断门口白线，在足球比赛中判断机器人在场地中的位置，在各种轨迹比赛中沿黑线行走等。图3.4.1灰度检测传感器一、工作原理灰度检测传感器主要由一个光敏电阻和一个发光二极管组成。其中光敏电阻是由一种特殊的半导体材料制成的电阻器件，它应用了半导体材料的光电效应原理。当无光照射时，光敏电阻（暗电阻）值很大，电路中暗电流很小；当光敏电阻受到一定波长范围的光照射时，它的电阻（亮电阻）急剧减小，电路中光电流迅速增大。灰度检测传感器利用光敏电阻的阻值会随着光照强弱的变化而变化的这一特性，通过发光二极管照亮地面，地面的反射光线被光敏电阻接收，电阻值根据反射光线强弱而改变。地面灰度深，光敏电阻值大；地面灰度浅，光敏电阻值小。然后，将阻值的变化转变成电信号，通过机器人主板上的模拟口输入到机器人微控制器，再由微控制器中的A/D转换器将电信号转换成0~1023的数值。当地面颜色越深数值越大，地面颜色越浅数值越小。下面是灰度检测传感器的电路图和引脚说明。图3.4.2灰度检测传感器电路图Ｓ：信号线＋：正极Ｓ：信号线＋：正极（5V）－：负极图3.4.3灰度检测传感器引脚说明二、硬件安装灰度检测传感器可以连接到机器人主板高速模拟输入口ADC1~ADC16或者模拟输入口EADC1~EADC6的任一端口。图3.4.4灰度检测传感器连接传感器固定时，可以将传感器模块直接插在机器人底盘底部的灰度传感器专用安装孔内，或用双面胶等固定在特殊位置。第五节其它传感器在BuddyRobot机器人上还可以连接其他各种各样的传感器，它的魅力就是在于你的想象力与动手能力，以及如何处理现实情况中的复杂性和难以预测性。1、红外测距传感器红外测距传感器是机器人测量物体距离的专业传感器，测量范围为10~80cm。图3.6.1红外测距传感器2、超声测距传感器超声测距传感器也是机器人测量物体距离的专业传感器之一，它的测量范围比红外测距范围还要广，一般可以达到30~300cm，测量精度为1%。图3.6.2超声测距传感器3、温度传感器温度传感器主要用于检测环境温度，可以让机器人动态告诉你每时每刻的气温。图3.6.3温度传感器4、湿度传感器湿度传感器主要用于检测环境空气中的湿度情况，通过数字的方式反馈给你。图3.6.45、烟雾传感器烟雾传感器主要用于检测空气中烟雾的浓度，通过检测烟雾，我们可以制作各种烟雾报警器。图3.6.56、压力传感器压力传感器主要用于检测压力的大小，它又分为气压传感器、液压传感器等。图3.6.6压力传感器7、人体热释电传感器人体热释电传感器对移动的人体热源敏感，加上菲尼尔透镜后检测距离可以达到10米远。图3.6.78、气体传感器气体传感器主要用于检测空气中各种气体的成分和浓度，如一氧化碳传感器、二氧化碳传感器等。图3.6.8气体传感器

第四章机器人输出设备第一节LCD显示屏LCD显示屏主要用于显示机器人实时运行的信息，如显示检测传感器返回的数据、显示机器人与用户之间的交互信息等。图4.1.1BuddyRobotX100机器人上安装的LCD显示屏为14字×6行的字符型液晶显示屏，整个屏幕可以显示84个字符。在LCD显示屏中加入背光模块，使机器人即使在黑暗中能清楚的显示各种信息。机器人开机后在初始状态下，屏幕显示机器人版本号、当前程序选择拨盘位置与输入电源电压等信息，如图4.1.2所示。（注：在使用USB下载时，电压显示非实际电压值）图4.1.2LCD显示图一第二节蜂鸣器蜂鸣器作为机器人的嘴巴，是机器人与人进行交互的一个重要设备，它可以发出各种频率的声音。通过你的编程控制，还可以演唱出各种美妙动听的歌曲。图4.2.1蜂鸣器机器人在每次开机或按复位按钮时，蜂鸣器都会发一个“嘟”的声音，提示用户。第三节减速电机减速电机是机器人重要的驱动装置，通过电机转动带动轮子的转动，实现机器人的移动，既可以前进后退，又可以左转右转。在使用中，通过电机驱动卡的控制，可以调节电机转速的快与慢，从静态到最高速转动的过程