迷宮機(jī)器人的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

王珺　單麗慧

摘要：迷宮機(jī)器人主要研究的幾個部分：行走機(jī)構(gòu)、傳感器、驅(qū)動方式、控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計是迷宮機(jī)器人設(shè)計中很關(guān)鍵的一部分，只有具有合理的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定可靠的控制系統(tǒng)，才能保證迷宮機(jī)器人順利迅速地完成行走迷宮的過程，才能保證為研究復(fù)雜的迷宮算法打下良好的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：迷宮機(jī)器人，硬件結(jié)構(gòu)，控制系統(tǒng)設(shè)計

1.引言

迷宮機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)分為兩種：水平式體系結(jié)構(gòu)，垂直式體系結(jié)構(gòu)。

水平式結(jié)構(gòu)最早由Nillsion提出來的，它采用從上而下的方法構(gòu)造系統(tǒng)，根據(jù)信息的流向及行為功能，將機(jī)器人的控制過程分解成不同的子任務(wù)，由不同的功能模塊去執(zhí)行，這些功能模塊組成了一條閉環(huán)鏈，信息流由環(huán)境經(jīng)由傳感器進(jìn)入機(jī)器人處理器，經(jīng)過規(guī)劃決策處理后再經(jīng)由執(zhí)行機(jī)構(gòu)返回環(huán)境，從而實施控制行為，構(gòu)成一個閉環(huán)系統(tǒng)。

垂直式結(jié)構(gòu)是采用從下而上的方法構(gòu)造系統(tǒng)，將完成機(jī)器人某一特定控制的感知、規(guī)劃、任務(wù)執(zhí)行等過程封裝在一起，稱為一個行為（如停止、避障、漫游、跟蹤探測等等），每一個行為都實現(xiàn)傳感器信息與機(jī)器人動作間的一種映射，某一時刻，只有一種行為能夠控制車體，機(jī)器人最終的動作是由各層行為間的相互競爭實現(xiàn)的.

2.迷宮機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)設(shè)計

行走機(jī)構(gòu)是行走機(jī)器人的重要執(zhí)行部件，它由驅(qū)動裝置、傳動裝置、傳動機(jī)構(gòu)、位置檢測元件、傳感器、電纜及管路等組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)只要是機(jī)器人的足、腿、手、臂、腰及關(guān)節(jié)等，它是機(jī)器人運(yùn)動和完成某項任務(wù)所必不可少的組成部分。驅(qū)動裝置和傳動裝置用來有效地驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的裝置，通常采用液壓、電動和氣動，有直接驅(qū)動和間接驅(qū)動二種方式。

要研究迷宮機(jī)器人的路徑規(guī)劃，實現(xiàn)機(jī)器人在迷宮中的準(zhǔn)確行走，都必須建立移動機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)模型，在輪式移動機(jī)器人中，差動轉(zhuǎn)向式機(jī)器人控制復(fù)雜，但精度比較高，因此迷宮機(jī)器人采用雙輪單獨(dú)驅(qū)動、前輪為萬向輪的結(jié)構(gòu)，通過兩個后輪的轉(zhuǎn)速差來實現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎等動作，使得機(jī)器人能夠在迷宮中靈活地行走和避障。

機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要是指機(jī)器人的機(jī)械構(gòu)造、設(shè)備選型等，迷宮機(jī)器人的機(jī)械部分主要有車架、車輪、直流減速電機(jī)及其連接等。移動機(jī)器人的運(yùn)動系統(tǒng)主要有輪式、足步式、履帶式和蛇形等幾種，其中應(yīng)用最為廣泛的是輪式運(yùn)動結(jié)構(gòu)，在相對平坦的地面上，用車輪移動方式行走是相當(dāng)優(yōu)越的。

3.迷宮機(jī)器人傳感器系統(tǒng)設(shè)計

傳感器系統(tǒng)是迷宮機(jī)器人很重要的一部分，它的作用是建立合理的機(jī)器人感覺系統(tǒng)，以便機(jī)器人能建立起完整的信息獲取渠道，也是關(guān)系到迷宮機(jī)器人智能程度的關(guān)鍵，由于環(huán)境的多樣性、自身狀態(tài)的不確定性和單一傳感器的局限性，僅僅依靠一種傳感器難以完成對周圍環(huán)境的感知，為完成在復(fù)雜環(huán)境下的自主移動，機(jī)器人通常裝有用于導(dǎo)航需要的多種傳感器，機(jī)器人選擇什么樣的傳感器完全取決于機(jī)器人的工作需要和應(yīng)用特點(diǎn)，并要求傳感器具有較強(qiáng)的抗干擾性、較好的穩(wěn)定性、快速性以及較低的成本等。

環(huán)境感知能力是移動機(jī)器人除了移動之外最為基本的一種能力，感知能力的高低直接決定了一個機(jī)器人的智能性高低，它的作用是建立合理的機(jī)器人感覺系統(tǒng)，以便機(jī)器人能夠建立起完整的信息獲取渠道。機(jī)器人要具備智能行為就必需依靠傳感器不斷感知外界環(huán)境，從而做出相應(yīng)的決策行為。目前傳感器的種類繁多，功能越來越豐富，像超聲波傳感器、紅外傳感器、光電傳感器等。傳感器系統(tǒng)是機(jī)器人很重要的部分，選擇機(jī)器人傳感器完全取決于機(jī)器人的工作需要和應(yīng)用特點(diǎn)，因此迷宮機(jī)器人的傳感器系統(tǒng)包括三個紅外傳感器和三個黑標(biāo)傳感器。

4迷宮機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

驅(qū)動方式分為電動式，液壓式，氣動式，本文采用直流伺服電動機(jī)。簡單介紹其它兩種。

氣動式分為直線氣缸，擺動汽缸及旋轉(zhuǎn)氣動馬達(dá)。

適合于節(jié)拍快、負(fù)載小且精度要求不高的場合（因為空氣具有可壓縮性）。

氣動馬達(dá)是將壓縮空氣的壓力能轉(zhuǎn)換成回轉(zhuǎn)機(jī)械能的轉(zhuǎn)換裝置。

液壓式從運(yùn)動形式來分分為直線驅(qū)動如直線運(yùn)動液壓缸和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動如液壓馬達(dá)、擺動液壓缸。從控制水平的高低來分分為開環(huán)控制液壓系統(tǒng)和閉環(huán)控制液壓系統(tǒng)。

液壓系統(tǒng)具有較大的功率體積比，適合于大負(fù)載的情形。液壓驅(qū)動的本質(zhì)優(yōu)點(diǎn)在于它的安全性。如噴漆時要求工作區(qū)域所帶電壓不超過9V。

通電導(dǎo)體在磁場中一定會受到力的作用。判斷受力方向用左手法則：磁力線穿過手心，四指指向電流方向，大拇指則指向受力方向。電樞繞組在旋轉(zhuǎn)一周的過程中，每根導(dǎo)體中的電流方向發(fā)生了改變，但由于換向器的作用，保證了每個磁極下的導(dǎo)體的通電方向不變，從而使得電樞的受力方向不變。

5 迷宮機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)是機(jī)器人的信息處理中心

微處理器是機(jī)器人系統(tǒng)的大腦，負(fù)責(zé)各種信息的處理和決策，目前比較常見的有8位、16位和32位處理器，考慮到迷宮機(jī)器人實際系統(tǒng)的特點(diǎn)，要求處理器具有高速度、低功耗、較大的存儲空間，多路PWM功能和豐富的IO口，以方便日后的功能擴(kuò)展.因此微處理器采用C8051系列單片機(jī)。[11]

集成了豐富的外部設(shè)備接口。具有兩路UART和最多可達(dá)5個定時器及6個PCA模塊，此外還根據(jù)不同的需要集成了SPI、USB、CAN、LIN等接口，以及RTC部件。外設(shè)接口在不使用時可以分別禁止以降低系統(tǒng)功耗。與其他類型的單片機(jī)實現(xiàn)相同的功能需要多個芯片的組合才能完成相比，C8051單片機(jī)不僅減少了系統(tǒng)成本，更大大降低了功耗。

增強(qiáng)了在信號處理方面的性能，部分型號具有16x16 MAC以及DMA功能，可對所采集信號進(jìn)行實時有效的算法處理并提高了數(shù)據(jù)傳送能力。

基于上述特點(diǎn)，Silicon Labs 公司C8051F系列單片機(jī)作為SoC芯片的杰出代表能夠滿足絕大部分場合的復(fù)雜功能要求，并在嵌入式領(lǐng)域的各個場合都得到了廣泛的應(yīng)用：在工業(yè)控制領(lǐng)域，其豐富的模擬資源可用于工業(yè)現(xiàn)場多種物理量的監(jiān)測、分析及控制和顯示；正是這些優(yōu)勢，使得C8051單片機(jī)在進(jìn)入中國市場的短短幾年內(nèi)就迅速風(fēng)靡，相信隨著新型號的不斷推出以及推廣力度的不斷加大，C8051系列單片機(jī)將迎來日益廣闊的發(fā)展空間，成為嵌入式領(lǐng)域的時代寵兒。

此系列單片機(jī)完全兼容MCS-51指令集，容易上手，開發(fā)周期短，大大節(jié)約了開發(fā)成本。C8051F系統(tǒng)集成度高，總線時鐘可達(dá)25M 。

參考文獻(xiàn)

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[2] 王典洪等.基于單片機(jī)和傳感器的機(jī)器人設(shè)計與實現(xiàn).微計算機(jī)信息， 2007， 23： 246～248123第36卷（2008）第3期

[3] 張雪平，王志斌.基于模糊控制PLC在溫度控制中的應(yīng)用.電氣傳動，2005，35（8）：54—55

[4 胡壽松. 自動控制原理.北京：科學(xué)出版社.2001.83-90.