SPCE061A的教育機(jī)器人硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

當(dāng)今機(jī)器人技術(shù)發(fā)展如火如荼，其應(yīng)用已在包括國(guó)防等眾多領(lǐng)域得到廣泛開(kāi)展，工業(yè)自動(dòng)化，神五、神六升天，無(wú)人探月飛船……無(wú)不得益于機(jī)器人技術(shù)的迅猛發(fā)展。從某種意義上說(shuō)，機(jī)器人技術(shù)水平反映著一個(gè)國(guó)家的綜合技術(shù)實(shí)力的高低。

另外，國(guó)家對(duì)學(xué)生素質(zhì)教育重視程度不斷提高，教育部最新頒布的《信號(hào)技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》已將智能機(jī)器人技術(shù)列為中學(xué)信息技術(shù)課程中的教學(xué)內(nèi)容，廣大中小學(xué)生和教師都渴求一種支持和激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造性思維、寓教于樂(lè)的智能教育機(jī)器人平臺(tái)，而在工業(yè)、醫(yī)療、軍事領(lǐng)域的智能機(jī)器人造價(jià)昂貴，不宜中小學(xué)生學(xué)習(xí)使用，在這種背景下，我們研制開(kāi)發(fā)了一種具有較高性?xún)r(jià)比的嵌入式教育機(jī)器人通用平臺(tái)，定位于中小學(xué)信息技術(shù)課程教學(xué)、課外科普教育活動(dòng)以及相關(guān)競(jìng)賽。該系統(tǒng)的核心是以智能小車(chē)為載體的基于spce061a微控制器的嵌入式控制平臺(tái)及編程環(huán)境，在該機(jī)器人平臺(tái)上配有各種傳感器（紅外、超聲和光敏等）和驅(qū)動(dòng)電機(jī)接口，用戶可在pc機(jī)的編程環(huán)境中完成控制及算法程序的編寫(xiě)，通過(guò)通信接口下載到機(jī)器人平臺(tái)上。

1 機(jī)器人硬件平臺(tái)的研制

本設(shè)計(jì)以凌陽(yáng)spce061a微控制器為核心，通過(guò)紅外和光電等各種傳感器采集外部數(shù)據(jù)，利用pwm技術(shù)實(shí)時(shí)調(diào)整小車(chē)的速度和方向，實(shí)現(xiàn)小車(chē)尋跡、尋找光源、躲避障礙物、入庫(kù)等自動(dòng)控制。系統(tǒng)框圖如圖1所示，車(chē)上裝載的各種傳感器通過(guò)后向反饋通道將信息不斷傳遞給車(chē)載微控制器，微控制器通過(guò)前向控制通道實(shí)時(shí)調(diào)整小車(chē)的行車(chē)狀態(tài)，從而構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。

1.1 spce061a

spce061a是凌陽(yáng)推出的μ′nsp（microcontroller and signal processor）16位微控制器，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。該控制器資源豐富，具有極高的性?xún)r(jià)比，它內(nèi)置32k字flash，2k字sram，cpu時(shí)鐘最高達(dá)49.152m赫茲，32位i/o端口，2路d/a轉(zhuǎn)換，8路a/d轉(zhuǎn)換，14個(gè)中斷源以及可在線仿真等，使得spce061a的工控能力非常強(qiáng)，可很容易地實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的控制，另外，它采用cmos制造工藝，同時(shí)增加軟件激發(fā)的弱振方式，空閑方式和掉電方式，極大地降低其功耗，并能在低電壓供電（最低至2.4v）時(shí)正常工作，這對(duì)機(jī)器人對(duì)電源的要求有著特殊的意義。

圖3為智能小車(chē)機(jī)器人平臺(tái)電路原理框圖。它由spce061a和紅外避障、自動(dòng)泊車(chē)、尋線、超聲測(cè)距、碼盤(pán)測(cè)速和電機(jī)驅(qū)動(dòng)等功能模塊組成。

1.2 功能模塊

（1）紅外避障

紅外發(fā)射電路如圖4（a）所示，d1是紅外發(fā)射管，控制信號(hào)由spce061a的i/o端口發(fā)出。

紅外接收電路如圖4（b）所示，u1是一種紅外接收模塊，采用韓國(guó)kodenshi公司的ksm－603lm，其接收頻率為37.9k赫茲，它直接將37.9k赫茲的調(diào)制信號(hào)解調(diào)為基帶信號(hào)，提供給接收的單片機(jī)，該芯片接收靈敏度高，性能穩(wěn)定，其基本工作過(guò)程為：當(dāng)接收到37.9k赫茲信號(hào)時(shí)，輸出低電平，否則，輸出高電平，為了實(shí)現(xiàn)紅外障礙物判斷，必須控制紅外響應(yīng)的范圍，其方法無(wú)外乎控制通過(guò)紅外發(fā)射管的電流和發(fā)射頻率，因?yàn)榧t外接收模塊有帶通濾波器，所以，如果發(fā)射頻率偏離接收頻率越遠(yuǎn)，則紅外接收效果越差，在這里，用軟件的方式控制發(fā)射頻率來(lái)控制紅外發(fā)射響應(yīng)的范圍。

（2）自動(dòng)泊車(chē)

在小車(chē)的前端放置3個(gè)靈敏度較小的光電池，加上一定的聚光措施，將測(cè)得的模擬電信號(hào)輸入到spce061a的adc端口，由于光源的功率一般較大，為避免小車(chē)來(lái)回?cái)[動(dòng)，通過(guò)a/d轉(zhuǎn)換后的模糊比較，及時(shí)調(diào)整小車(chē)前進(jìn)方向，使小車(chē)沿光源方向行進(jìn)，如圖5所示。

（3）尋跡

尋跡一般采用2.2cm寬的白線，在車(chē)前端下面間隔2cm左右放置6個(gè)反射式光電檢測(cè)開(kāi)關(guān)，實(shí)時(shí)計(jì)算采集的信號(hào)，運(yùn)用模糊算法調(diào)整跟蹤白線。

（4）超聲測(cè)距

超聲探測(cè)模塊主要由超聲波發(fā)生電路和超聲波接收電路組成，其基本原理很簡(jiǎn)單，一般采用時(shí)差法，即通過(guò)檢測(cè)發(fā)射的超聲波與其遇到障礙物后產(chǎn)生回波之間的時(shí)間δt，求出障礙物的距離d。計(jì)算公式為：

式中：為超聲波速度，θ為環(huán)境溫度，單位為攝氏度，其詳細(xì)電路和說(shuō)明見(jiàn)參考文獻(xiàn)[1]。

（5）碼盤(pán)測(cè)速

常用的碼盤(pán)測(cè)速機(jī)構(gòu)一般比較復(fù)雜，制造也比較麻煩，筆者使用一種簡(jiǎn)易的碼盤(pán)模擬方法實(shí)現(xiàn)測(cè)速：打印出黑白相見(jiàn)的環(huán)形紙張，粘貼固定車(chē)輪內(nèi)環(huán)。其工作原理為：tcrt1000發(fā)射紅外線，由于黑、白兩種顏色對(duì)紅外的吸收不一而反射輸出相反的電平，實(shí)現(xiàn)脈沖計(jì)數(shù)，從而計(jì)算出的小車(chē)行駛速度，該方法精度可達(dá)毫米級(jí)，并可通過(guò)控制打印黑白個(gè)數(shù)，調(diào)節(jié)精度。此方法缺點(diǎn)之一是對(duì)環(huán)境光線要求較高，但對(duì)于教育機(jī)器人精度，此法是簡(jiǎn)單可行的。圖6為采用tcrt1000構(gòu)成的簡(jiǎn)易碼盤(pán)測(cè)速機(jī)構(gòu)。

（6）驅(qū)動(dòng)電路

目前輪式機(jī)器人平臺(tái)多采用前后輪分別控制的方式，普通直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)后輪提供動(dòng)力，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)前輪調(diào)整方向。這種方式的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜，控制算法也比較復(fù)雜，并且轉(zhuǎn)向不夠靈活，圖7選用左右輪分別控制小車(chē)的方案，各用一個(gè)普通直流電機(jī)控制小車(chē)的左右輪，通過(guò)左右輪速度的調(diào)節(jié)即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，控制非常方便，還可實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)動(dòng)。

驅(qū)動(dòng)電路的選擇也是非常重要的，通常選用的驅(qū)動(dòng)電路是由晶體管控制繼電器來(lái)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)向和進(jìn)退。這種方法適用于大功率電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，但對(duì)于中小功率的電機(jī)則極不經(jīng)濟(jì)，因?yàn)槊總€(gè)繼電器要消耗20－100ma的電流。還可以使用組合三極管/mosfet管的方法，但比較麻煩，電路也比較復(fù)雜，筆者采用集成電路的驅(qū)動(dòng)方法，極大增強(qiáng)了電路可靠性和簡(jiǎn)明性。

選用sgs公司的恒壓恒流橋式驅(qū)動(dòng)芯片l293，其內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，額定工作電流為1a，最大可達(dá)1.5a，vss為集成芯片工作電壓，電壓最小為4.5v，vs為輸出給電機(jī)的電壓，最大可達(dá)36v，vs電壓必須比vss電壓高。由l293構(gòu)成的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖8所示。

直流電機(jī)轉(zhuǎn)速采用spce061a兩路pwm控制輸出電壓，通過(guò)編程使占空比以1/16的最小間隔在1/16－14/16間變化，以實(shí)現(xiàn)速度的調(diào)節(jié)。

1.3 系統(tǒng)整體實(shí)現(xiàn)

以spce061a為核心的教育機(jī)器人硬件平臺(tái)，功能齊全，外圍電路簡(jiǎn)單，可維護(hù)性強(qiáng)，其軟件編程采用c語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程實(shí)現(xiàn)，極大程度地簡(jiǎn)化了編程過(guò)程，豐富了編程思想，給學(xué)習(xí)開(kāi)發(fā)者帶來(lái)莫大的方便。另外，系統(tǒng)把暫未使用的i/o口引出，極方便今后的功能擴(kuò)展。

2 總結(jié)

該智能教育機(jī)器人系統(tǒng)以性?xún)r(jià)比較高的spce061a微控制器為核心，集成了常見(jiàn)的超聲、紅外和光敏等傳感器和電機(jī)控制模塊，基本具備了一個(gè)簡(jiǎn)單機(jī)器人的各個(gè)組成部分。整個(gè)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔明了，擴(kuò)展性好，同時(shí)又極好的控制了系統(tǒng)成本，使大部分學(xué)生都可以將其作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。通過(guò)編程控制機(jī)器人的行為培養(yǎng)他們的邏輯思維能力。