1、智能排爆機器人指導老師：果莉歐陽斌林 姓名：張爭憲 學 校：東北農業大學I目錄1. 引言. - 1 -2. 系統要求設計 . . - 1 -2.1 任務. - 1 -2.2 基本要求 . . - 2 -2.3 發揮部分 . . - 2 -2.4 說明 . . - 2 -3. 方案論證及比較 . . - 2 -3.1主控系統 . . - 2 -3.2 模塊設計及比較 . . - 3 -3.2.1 尋跡模塊 . - 3 -3.3.2 直流電機及其驅動模塊 . - 3 -3.2.3 硬件抗干擾的實現 . - 4 -3.2.4 電源方案的選擇和論證 . - 4 -3.3 車體元件選擇與比較 . . -

2、 5 -3.3.1 車輪選擇 . - 5 -3.3.2 排爆裝置 . - 5 -4. 系統原理及理論分析 . . - 5 -4.1 單片機最小系統組成 . . - 5 -4.2各功能模塊的實現 . . - 5 -4.2.1 尋跡實現 . - 5 -4.2.2 電機驅動實現 . - 6 -4.2.3 顯示模塊實現 . - 6 -4.2.4 電源模塊 . - 7 -4.3 軟件抗干擾的實現 . . - 7 -5. 系統程序設計 . . - 8 -6. 結論. - 8 -7. 參考文獻 . . - 9 - 1 -摘要本課題組設計制作了一款自動排爆的機器人。機器人以直流電機為主驅動，通過傳感器件采集信

3、息，送入主控單元ATmage16；電機驅動電路采用四通道驅動集成芯片L298，并采用在車身上四個位置安裝光電傳感器使小車可以在固定區域內走動，進行障礙的排除；并在車頭的位置安放九個金屬傳感器，用于探測鐵磁材料薄片的位置，方便測量兩次計數的時間，即從起始位置到找到障礙物從找到障礙物到返回起始位置；經不斷的調試，此機器人實現了無人控制即可完成一系列動作，達到了賽題的基本要求。關鍵字： 智能判斷 排爆 機器人1. 引言設計一個具有排爆功能的智能小車，該小車在傳統手動小車基礎上作了改進，使之可以尋跡行駛到指定地點，找到任意放置的可疑鐵磁材料薄片，搜索到可疑鐵磁材料薄片后將其搬移到起點，機器人小車運行采

4、取分段計時方式，從起點出發開始到搜索到可疑鐵磁材料薄片計一次時，從搜索到可疑鐵磁材料薄片到搬運回起點再計一次時。停止計時，整個排爆過程結束。返回、停止，相當于一個簡易機器人。該技術可以應用于無人駕駛的機動車、服務機器人等領域，具有非常廣泛的發展空間。2. 系統要求設計2.1 任務設計并制作一個能模擬自動進入危險現場排除險情的簡易排爆機器人小車。危險現場的通道起點距危險現場50cm ，通道寬30cm ，畫有1cm 寬的黑色中心線，危險現場為直徑80cm 的圓形平面，面積小于1.5cm 1.5cm 的可疑鐵磁材料薄片任意放置于圓形平面內，現場所有邊界均為寬2cm 的黑線。- 2 - 圖1 排爆機器

5、小車的運行軌道 2.2 基本要求（1）要求機器人小車進入現場找到任意放置的可疑鐵磁材料薄片。在整個搜索和轉移過程中機器人小車除探頭和排爆工具外均不得接觸邊線和可疑鐵磁材料薄片，搜索到可疑鐵磁材料薄片后將其搬移到起點，整個過程要求在5分鐘內完成。（2）機器人小車運行采取分段計時方式，從起點出發開始到搜索到可疑鐵磁材料薄片計一次時，從搜索到可疑鐵磁材料薄片到搬運回起點再計一次時。停止計時，整個排爆過程結束。2.3 發揮部分（1）增加聲、光報訊功能，用以區分運行狀態（2）用顯示裝置顯示機器人小車運行狀態及兩次的計時數據（3）其它2.4 說明（1）不允許在跑道內外區域另外設置任何標志或檢測裝置；（2）

6、車輛（含在車體上附加的任何裝置）外圍尺寸的限制：長度<35cm，寬度20cm ；（3）測試場地由參賽隊自行準備；3. 方案論證及比較3.1主控系統方案一：采用各類數字電路來組成小車的控制系統，實現黑帶檢測信號及小車自動往返。本方案原理簡單但控制電路復雜，靈活性不高，效率低，不利于小車向智能化拓展，對各路信號處理比較困難。方案二：采用A Tmage16，包含復位電路，電源、運行狀態指示燈，直流5V 單電源供- 3 - 電。處理速度快，反應靈敏，能很好的控制我們設計的這個智能自動排爆小車因此我們采用方案二來實現。方案二的基本原理如圖2所示。 圖2 智能排爆車運行系統框圖本方案以ATmage1

7、6為核心系統。黑帶尋跡依靠安裝在車底部中間二對光電傳感器來對地面反射光感應，并將信息送到控制系統，實現對小車速度和轉彎的控制。金屬傳感器用于檢測可疑鐵磁材料薄片的位置，通過傳感器把信息傳送到控制系統，兩次實現記時和語音由軟件實現。此系統比較靈活，采用軟件方法來解決復雜的硬件電路部分，使系統硬件簡潔化，各類功能易于實現。3.2 模塊設計及比較本系統以ATmage16為核心，由LCD 顯示模塊、金屬檢測模塊、直流電機及其驅動模塊、尋跡模塊組成。3.2.1 尋跡模塊方案一：使用簡易光電傳感器結合外圍電路探測。光電傳感器，由于采用帶有交流分量的調制信號，則可大幅度減少外界干擾；另外紅外線發射接收管的最

8、大工作電流取決于平均電流，如果采用占空比小的調制信號，再拼軍電流不變的情況下，瞬間電流很大（50MA100MA），則大大提高了信噪比，試驗中，我們發現他對黑色的物體的檢驗效果很好，測試其反應速度約為5us ，外圍電路也很簡單。市場上有很多紅外光電探頭也都是基于這個原理，這樣不但能準確的完成測量而且能避免電路的復雜性。由于所采用光電傳感器實際效果并不理想，對行駛過程中的穩定性要求很高，且誤測幾率較大、易受光線環境和路面介質影響。在使用過程極易出現問題，而且容易因為該部件造成整個系統的不穩定。故最終未采用該方案。方案二：由于黑白物體對光的反射和吸收程度不同，因此本系電路采用的是反射式光電管TCRT

9、5000，通過調整合適的分壓阻值使輸出信號可以達到在白紙上小于0.7V 、在黑紙上大于4.5V 的高低電平。用四對TCRT5000組成檢測黑線的光電傳感電路，分別控制4個方向，可以預測軌跡，使物體能夠沿線行走，本方案也易于實現，比較可靠，因此采用方案二。 當小車底部的一邊反射式光電對管遇到黑帶時輸入電平為高電平，反之為低電平。結合中斷查詢方式，通過程序控制小車行駛方向。電路中的可調電阻可以調節比較電路靈敏度，以滿足小車在不同光度的環境光中能夠準確尋跡。3.3.2 直流電機及其驅動模塊1. 電機的選擇與論證方案一：采用直流電動機。直流電動機具有優良的調速特性，調速平滑、方便，調整范圍廣，過載能力

10、強。能承受頻繁的沖擊負載，可實現頻繁的無極快速啟動、制動和反轉。能滿足生成過程自動化的系統各種不同的特殊運行的基本要求。方案二：采用步進電機。步進電機有一個顯著的特點就是快速啟停能力，如果負荷不超過步進電機所能提供的動態轉矩值，就能夠立即使步進電機啟動和反轉，轉換精度高，正轉反轉控制靈活。但是比較費電，容易使驅動芯片燒壞，成本比較高，不適合這個作品。 由于直流電機更容易購買，并且電路也相對簡單，所以才擁擠直流電動機即可。2. 驅動電路選擇本系統采用的是市場上較為常見的三輪輪玩具小車模型，其兩個主控輪分別各配有一個直流電機，一個萬向輪作為支撐和控制方向，使得小車車體具有保持平衡且沿直線行走的功能

11、，所以電機驅動電路有以下幾個方案：方案一：采用分立元件組成的平衡式驅動電路，這種電路可以由單片機直接對其進行操作，但由于分立元件占用的空間比較大，還要配上兩個繼電器，考慮到小車的空間問題，此方案不夠理想。方案二：采用電機驅動芯片L293D ，市場上不容易買到，且驅動能力較弱。故而放棄。 方案三：采用市面易購的電機驅動芯片L298N ，該芯片是利用TTL 電平進行控制，對電機的操作方便，通過改變芯片控制端的輸入電平，即可以對電機進行正反轉操作，很方便單片機的操作。我們采用兩個電機分別對左輪和右輪驅動，這樣有利于小車的轉彎。通過比較，使用L298N 芯片充分發揮了它的功能，能穩定地驅動步進電機，且

12、價格不高，故選用L298N 驅動電機。而使用L298N 時，可以節省開發板的GPIO 口的使用。3.2.3 硬件抗干擾的實現為了使系統硬件穩定可靠，我們采用了一系列的措施來減少干擾：1、 采用數字電源與模擬電源分開的方案；2、 采用地線、電源線加粗，做成PCB 板的形式；3、 印制板圖布線時盡量減少回路環的面積，降低感應噪聲。4、 路線檢測方案的選擇與論證方案一：受到鼠標工作原理的啟發，采用光電碼盤進行檢測。旋轉軸轉動，帶動碼盤轉動，碼盤上刻有許多狹縫，碼盤轉動時透過狹縫接收，用接收器對對接收到的信號進行計數，用這種方法可以精確的算出小車已經走過的距離，將信號整形后送入計數器。方案二：采用霍爾

13、元件集成片。該器件內部有三個霍爾元件組成。當磁鐵正對金屬板時，由于霍爾效應，可以發生電流的變化，對此加以判斷，但需要在車輪底下安裝磁片，而將霍爾集成片固定在軸上，通過脈沖計數進行對車速的測量。以上兩種都得到了廣泛的應用，都是比較可行的轉速測量的方案?；魻栐诠I上得到了廣泛的應用，但本題小車的車輪較小，磁片安裝十分困難，容易產生相互干擾，無法給小車提供足夠的定位坐標。而方案一精度較高，故選擇方案一。3.2.4 電源方案的選擇和論證方案一：采用兩個電源供電。將電動機驅動電源與單片機以及其周邊電路電源完全隔離開，利用光電耦合器傳輸信號，這樣做雖然可以將電動機的驅動所造成的干擾徹底消除，提高了系統

14、的穩定性，但是會增加重量，增加小車的慣性，方案二：采用單一電源。這樣供電會比較簡單，但是由于電動機啟動瞬間電流較大，驅動的波動較大，會造成電壓不穩定。經過反復的實驗，采用方案一，雖然增加了重量，但是整個車體的穩定性要比方案二好得多。3.3 車體元件選擇與比較本次賽題對小車車體的要求很高，我們不僅要考慮小車沿直線運動時的速度還需要考慮小車在搜尋過程中的穩定性。要提高小車的穩定性就要減小車子的慣性降低車子的重心，減小車子的慣性就要減小車子的質量。3.3.1 車輪選擇方案一：采用市場所賣的車輪，輪子的質量好、彈性大，但是規格單一、價格昂貴、且其中心高，不符合我們所要的尺寸。因此放棄此方案。方案二：按

15、所需的尺寸自己制作，經過車、磨、鉆等過程打造出直徑為70mm 的車輪，在為車輪裝一圈輪胎，雖然車輪制作消耗大量時間以及人力但是卻滿足所需尺寸，能夠降低車子的底盤即降低車子的重心，增加車子的穩定性。因此采用此方案。3.3.2 排爆裝置方案一：采用電磁鐵方案二：車體底部安裝普通磁鐵由于方案一成本比較高，且易產生干擾，故選擇方案二，在車體底部安裝磁鐵。4. 系統原理及理論分析4.1 單片機最小系統組成單片機系統是整個智能系統的核心部分，它對各路傳感信號的進行采集、處理、分析及對各部分整體調控。主要組成部分：ATmage16、小車驅動系統芯片L298N 、液晶屏MS12864、反相器芯片74HC14及

16、各路的光電傳感器和金屬傳感器。4.2各功能模塊的實現4.2.1 尋跡實現（1）黑帶檢測原理利用光的反射原理，當光線照射在白紙上，反射量比較大，反之，照在黑色物體上，由于黑色對光的吸收，反射回去的量比較少，這樣就可以判斷黑帶軌道的走向。 圖3 對管發射接收原理 圖4 光強度相應曲線 4反射表面反射式光電對管的反射光強度的輸出信號電壓Vout 是反射面與傳感器之間距離x 的函數，設反射面物質為同種物質時，x 與Vout 的響應曲線是非線性的，如圖4所示。設定輸出電壓達到某一閾值時作為目標，不同的目標距離閾值電壓是不同的。距離X 與遇到黑白實線反射回來的電壓關系的測試結果如表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及小車的實際高度綜合考慮，我們選擇距離X 為5mm ，這樣有利于我們的電路板的安裝。（2）尋跡實現通過讀取GPD2-GPD5所接傳感器的狀態來判斷軌跡所在方向，并通過推理，預測下一步小車行走的位置，循環判斷，直至走完全程。小車的前端底部安置3個光電對管，左中右各一個，T1，T2，T3。在車的尾部安裝一個光電對管T4。左端的用來檢測跑道左邊的黑色邊線，剛開始小車啟動，車的右輪比左輪快一些，當T1檢測到左

18、邊線時車的左輪的速度比右輪快一點，延時1s 后，繼續右輪比左輪快，如此反復，小車就會沿著小車的左邊的邊線行駛，當行駛到T2檢測到跑道中間的黑色線時，小車右輪不動，左輪向前轉，直到小車掉頭大約180度，進入圓形區域的中間區域，在這個區域內，通過一些算法和不斷調試的經驗使車檢測到所有的可能存在鐵磁材料的區域，最后通過T3檢測跑道的左邊線返回。在進入圓形區域的過程內，小車前端的金屬傳感器會檢測到鐵磁材料，并且停車大約2秒，然后繼續行駛并返回，當車尾部的對管檢測到起始線時車停止，整個排爆過程結束。4.2.2 電機驅動實現驅動電機的電路選擇L298。CLOCK 控制脈沖的頻率從而控制小車電機的轉速；CW

19、 控制小車的正反轉；half 控制電機是半步還是整步，本次實驗half 置1，始終保持電機半步運行；Enable 是使能端，當它是低電平時停止工作，驅動框圖如圖6。 圖6 電機驅動系統框圖4.2.3 顯示模塊實現本系統采MS12864LCD 作為顯示模塊，單片機串行控制實時數據顯示。MS12864 系列液晶顯示模塊是深圳TOPWAY 公司生產的中文顯示模塊中的一員。采用了臺灣的ST792O 控制芯片，并提供了中文字庫，為中文顯示開發方面帶來了更多的方便。現以MS12864為例說明MS12864 系列液晶顯示模塊的應用。該模塊的主要特性有：漢字顯示：內置漢字字庫、提供8192 個16 x16 點

20、陣漢字（簡體）半寬字型顯示：內置128 個16xs 點陣字符繪圖顯示：繪圖顯示畫面提供個64x256 點的繪圖區域GDRAM自定義字型顯示：含CGRAM 提供2組軟件可編程的16X16 點陣造字功能電源電壓：5V 單電源供電顯示分辨率：128x64 點顯示方式：STN 、正顯、半透顯示顏色：綠底黑字通訊方式：8 / 4 位并行方式或串行方式每屏可顯示4行8列共32 個16x16 點陣的漢字，每個顯示RAM 可顯示1 個中文字符或2 個16x8 點陣全高ASCII 碼字符即每屏最多可實現32 個中文字符或64 個ASCII 碼字符的顯示。字符顯示是通過將字符顯示編碼寫入該字符顯示RAM 實現的。

21、根據寫入內容的不同，可分別在液晶屏上顯示CGROM （中文字庫）、HCGROM(ASCII碼字庫 及CGRAM （自定義字形）的內容。字符顯示RAM 在液晶模塊中的地址80H-9FH 。字符顯示RAM 的地址與32 個字符顯示區域有著對應的關系，其對應關系如下表所示：表3 RAM 地址于32個字符對應表 繪圖顯示RAM 提供64*32 個位元組的記憶空間（由擴充指令設定繪圖RAM 位址），在更改繪圖RAM 時，由擴充指令設定GDRAM 地址先設置垂直位址，再設置水平位址（連續寫入兩個位元組的資料來完成垂直與水平的坐標地址），再寫入兩個8位的資料到繪圖RAM ，而地址計數器（AC ）會自動加一，

22、整個寫入繪圖RAM 的步驟如下：a 先將垂直的位元組（Y ）寫入繪圖RAM 位址b 再將水平的位元組（x ）寫入繪圖RAM 位址c 將D15-D8 寫入到RAM 中d 將D7-DO 寫入到RAM 中4.2.4 電源模塊由于電機在正常工作時對整個系統的干擾大，單電源供電會影響單片機的正常工作，所以我們將模擬電源和數字電源這兩個電源分開供電。數字電源（5V ）供給單片機和數字控制電路，模擬電源（12V ）給電機供電。測試中發現用12V 電源直接驅動電機，那么小車的速度很快，并且轉彎比較靈活，所以用12V 電源驅動電機，使小車可以在高速狀態下行駛并且很穩定。電路框圖如圖7所示： 圖7 電源的電路框圖

23、4.3 軟件抗干擾的實現延時去抖技術:對于傳感器檢測電路，由于存在傳感器檢測時間和邊緣抖動等問題，在軟件檢測時采用了延時檢測的方法，確保數據采集的可靠性和穩定性。 圖8 穩壓模塊原理圖5. 系統程序設計小車的前端底部安置3個光電對管，左中右各一個，T1，T2，T3。在車的尾部安裝一個光電對管T4。左端的用來檢測跑道左邊的黑色邊線，剛開始小車啟動，車的右輪比左輪快一些，當T1檢測到左邊線時車的左輪的速度比右輪快一點，延時1s 后，繼續右輪比左輪快，如此反復，小車就會沿著小車的左邊的邊線行駛，當行駛到T2檢測到跑道中間的黑色線時，小車右輪不動，左輪向前轉，直到小車掉頭大約180度，進入圓形區域的中間區域，在這個區域內，通過一些算法和不斷調試的經驗使車檢測到所有的可能存在鐵磁材料的區域，最后通過T3檢測跑道的左邊線返回。在進入圓形區域的過程內，小車前端的金屬傳感器