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智能救援机器人的设计解析

自从1920年捷克斯洛伐克作家卡雷尔，恰佩克的《罗萨姆的机器人万能公司》问世，人们便对机器人充满了幻想与期待。随着社会的不断发展，各行各业的分工越来越明细，机器人也能在其中扮演重要的角色来替代人们的劳动。与此同时，随着科学技术的发展，探险、救灾、排爆等危险场合工作的机器人，以及自动化生产中机器人的应用也日益广泛。因此，智能救援机器人的研制已成为急需和必要，文章就智能救援机器人的设计进行了探讨。　　1 智能救援机器人的硬件设计　　该智能救援机器人主要由电源模块、检测感应模块（实现巡线、避障、捡放硬币、测距功能）、声光报警模块、控制器模块、电机驱动模块、显示模块六部分组成，其结构框图如图1所示。　　　　智能救援机器人全部能量来源于位于机器人底部的六节五号电池，经过传统的7805稳压电路给其单片机及外围传感器供电，其电路如图2所示。部分传感器采用5V低电压供电可以避免机器人过早检测障碍物而停止前进。　　　　1.2 检测感应模块　　1.2.1 巡线电路　　巡线模块我们采用红外对管。红外对管由LED和光电三极管组成，光电三极管根据从地面反射回来的LED的光的强度而改变积极基极电流。在光电三极管基极接一上拉电阻，则可根据基极电压的测量判断反射光的强弱，强光说明探测器下方是白色，弱光说明下方光较弱，大部分光被黑线吸收。对于输出的模拟信号，我们将其引入五个电压比较器LM339进行处理。电压比较器LM339的一输入端接红外对管，另一端接滑动变阻器，通过对滑动变阻器的调节可以实现对红外对管对黑线的灵敏度。比较器LM339的另一端接上拉电阻后进入单片机进行探测。　　1.2.2 避障电路　　避障部分采用光电开关，将其安放在机器人需要测量的各个方向。为减少它的测量距离保证机器人的正常运行，我们采用的是低电压5V供电，供电电压虽略显不足，但能保证它的正常短距离探测。光电开关的信号线的高低电平可反映前方障碍物的有无，障碍物检测电路如图3所示。　　　　1.2.3 超声波测距电路　　由于超声波执行性强、能量消耗慢、在介质中传播距离较远的特点。我们采用DIP-ME007超声波测距模块完成高度的测量功能，其电路板如图4所示。DIP-ME007超声波测距模块能比较迅速、方便地测出桥底部距测距模块之间的距离，此模块共有五个引脚VCC、tring、echo、out、 GND。DIP-ME007超声波测距模块输出为pwm方式，VCC、GND接好后向tring发一个10 s以上的高电平，就可以在接收口echo等待高电平输出。单片机采用跳变沿触发，触发后即开始计时。当电平变低后即开始读定时器，此时的值即为此次测距所用的时间。根据S=Ct/2即可得出所测得的距离。如此周期性测量即可实现移动测距。单片机内部自动将测得数据保存并与上一次测距结果比较，保留最大值，当连续五次未测得大于前一次的数据时停止检测并记录最大值。当再次检测到黑线即已成功过桥，是时单片机控制显示模块将测得的最大值在液晶屏上显示出来。　　　　1.3 控制器电路　　由于主控制器的任务较多，电路要求引脚较多，且显示器的控制程序较为复杂，我们单独配备了一个同样的单片机作为主控制器的辅助部分，通过它来分担主控制器的工作，来完成显示部分的工作。其中主控制器与其它模块的连接如图5所示。　　　　1.4 声光报警电路　　声光报警模块主要应用于搜救报警电路中，同时为进一步扩展应用，我们在控制其开关的同时引入另一条信号线实现了对声音的控制。在搜救过程和平安到达安置区时经采用不同频率和音色的声音给出表示。寻找硬币我们采用金属探测传感器，当发现金属时，其信号线上电平从低电平变为高电平，触发单片机中断，在单片机的控制下机器人停止运动，启动音乐发生模块并点亮LED进行声光报警，具体实现电路如图6所示。　　　　1.5 电机驱动电路　　单片机通过传感器的反馈信号控制电机正转、反转或者停止，来实现控制机器人完成各种动作。L298N是专用电机驱动芯片，他可以实现电机的正反转、刹车、pwm调速等多种功能，是对机器人电机进行控制的比较理想的芯片，因此我们采用L298N芯片对两个普通电机进行控制。通过编程完全可以控制实现题目的基本要求和发挥部分，也可增加各种创新功能。L298N芯片信号电源与驱动电源的分开，可以根据需要对电机的电压进行调节，其驱动电路如图7所示。　　　　1.6 显示电路　　采用MSl602C-1型LCD显示相应的信息。此显示器模块的工作电压为5V左右，支持显示2行字符，每行可显示16个字符，每个字符由5&TImes;7点阵显示。可以通过编程实现多种显示，显示信息比数码管更多，显示效果更好。　　由于主控制器的单片机任务较多，电路接线较复杂，我们采用单独的单片机控制显示模块。　　2 智能救援机器人的软件设计　　本智能救援机器人的软件控制部分采用C语言编程，借助C语言的强大功能来实现单片机AT89S52的控制功能。主程序流程图如图8所示。　　　　3 结论　　以AT89S52单片机为核心部件，利用红外传感检测、电机控制等技术，通过各种方案的讨论及尝试，再经过多次的整体软硬件结合调试，不断地对系统进行优化，最后智能救援机器人可以实现;避开障碍物，并寻找到合适的路径;顺利通过受损的桥梁，并能较准确地测出桥梁的高度;自动识别路线状况，并根据实时状况快速做出判断，准确控制机器人的转向;自动显示所要求的信息;自动寻线前进，能智能检测、捡起、放下硬币;声光报警，并有彩灯闪烁;行驶到规定的地点自动停止并显示救援结束。　　在设计过程中，力求硬件电路简单，外形美观，充分发挥软件设计的优势来满足系统的要求。

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