基于MCS-51單片機(jī)的智能機(jī)器人自動控制系統(tǒng)研究

劉 輝

濰坊理工學(xué)院 新松機(jī)器人學(xué)院，山東 濰坊 261000

0 引言

現(xiàn)今，機(jī)器人技術(shù)在鐵路公路隧道、礦山隧道、油田防護(hù)工程等建筑領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。另外，機(jī)器人技術(shù)也應(yīng)用在了人力較難實現(xiàn)或者較危險的地方，如掃雷、援救探險等工作。當(dāng)前，智能機(jī)器人還沒有具體的定義，但通常來說，智能機(jī)器人應(yīng)該滿足感覺性、運(yùn)動性和思考性三個條件。這三個性能是依賴智能機(jī)器人的“大腦”一一控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的，機(jī)器人的“大腦”采用的是單片機(jī)控制系統(tǒng)[1]。

智能工業(yè)機(jī)器人技術(shù)研究在當(dāng)前工業(yè)機(jī)器人技術(shù)研究應(yīng)用范圍中已具有十分突出的地位，其顯著的研究特點是使其具有工業(yè)環(huán)境信息感知、判斷企業(yè)決策、人機(jī)交互等多種功能。研究如何將單片機(jī)運(yùn)動控制系統(tǒng)技術(shù)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代智能工業(yè)機(jī)器人的重要組成部件上的課題，能夠極大地提高智能機(jī)器人正常工作的可靠性和工作智能性[2]。

1 智能機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀

上海交通大學(xué)自主研制了基于手機(jī)全景移動視覺的智能足球直播機(jī)器人；臺灣交通大學(xué)自主研制了智能家庭生活服務(wù)管理機(jī)器人；哈爾濱工業(yè)大學(xué)成功自主研制了噴涂機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人、餐飲機(jī)器人等；香港城市大學(xué)機(jī)械自動化及智能制遣技術(shù)研究開發(fā)中心自主研發(fā)了自動駕駛導(dǎo)航和游客服務(wù)管理機(jī)器人等；中國科學(xué)院沈陽自動化研究所自主研發(fā)的“靈蜥”系列排爆機(jī)器人是我國排爆機(jī)器人的典型代表。這些機(jī)器人技術(shù)都有力推進(jìn)了國內(nèi)企業(yè)智能移動機(jī)器人快速發(fā)展的新進(jìn)程[3]。

2 智能機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 智能機(jī)器人控制器技術(shù)

機(jī)器人的微控制器被稱為機(jī)器人的“大腦”，任何一個智能機(jī)器人要有大腦，就必須先擁有一塊智能芯片。在選擇使用微控制器的硬件時，需要重點考慮以下三點：微處理器的運(yùn)行速度；單片機(jī)I/O端口的類型和接口數(shù)量；編程腳本語言及系統(tǒng)功耗。

2.2 智能機(jī)器人傳感器技術(shù)

智能機(jī)器人技術(shù)是由人類計算機(jī)自動控制的復(fù)雜工作機(jī)器，它主要擁有類似人的各種肢體語言及視覺感官等功能，手部動作簡單且靈活，并具有一定成熟度。智能機(jī)器人生理傳感器在機(jī)器人的生理控制中起著非常重要的主導(dǎo)作用，正因為有這些傳感器，機(jī)器人才真正具備類似于人類的生理感覺控制功能和生理反應(yīng)控制能力。其主要產(chǎn)品包括二維視覺傳感器、三維視覺傳感器、紅外運(yùn)動傳感器、力扭矩傳感器、安全傳感器、霍爾傳感器、碰撞檢測感器和姿態(tài)運(yùn)動傳感器等。單一的傳感信號往往難以更好地讓智能機(jī)器人系統(tǒng)獲取全面、準(zhǔn)確的環(huán)境信息，以提升其決策能力。為了彌補(bǔ)單一傳感信號的缺點，可采用多傳感器集成和融合技術(shù)，利用傳感信息獲得對環(huán)境的準(zhǔn)確理解。正因為機(jī)器人的控制系統(tǒng)具有容錯性的特點，也就保證了其能更加快速、準(zhǔn)確地處理系統(tǒng)信號[4-5]。

3 基于MCS-51單片機(jī)的智能機(jī)器人自動控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 驅(qū)動電路模塊

為了讓智能機(jī)器人在行走的過程中具有更加穩(wěn)定的性能，需要選擇穩(wěn)定的高速智能機(jī)器人驅(qū)動行走系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用三極晶體管高速放大器對一臺單片機(jī)I/O口中的電流信號進(jìn)行高速放大，驅(qū)動電路繼電器用來控制一臺電動機(jī)高速轉(zhuǎn)動，且完全不會對電路輸入端的電流輸出有不良影響。完全放電可以給直流電動機(jī)電路提供大量的電流，保證其在電路中的工作穩(wěn)定。驅(qū)動電路原理如圖1所示。其中，IN1～I(xiàn)N4為邏輯輸入，控制電機(jī)M1和M2的轉(zhuǎn)動，通過4個引腳輸出的高低電平，進(jìn)而控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)[6]。

圖1 驅(qū)動電路原理圖

3.2 視覺電路模塊

為了實現(xiàn)智能機(jī)器人的面部視覺識別功能，檢測其前方區(qū)域是否存在特定目標(biāo)，采用紅外線和熱反射激光傳感器技術(shù)。紅外線和熱反射激光傳感器技術(shù)使用的探測設(shè)備型號均為TX05D。

TX05D常用的是紅外式和反射式無線接近控制開關(guān)，內(nèi)部安裝有紅外線接收發(fā)射管和紅外線反射接收管。紅外線傳感器通過發(fā)送探測信號和接收反饋信號，使該方向下單片機(jī)處于高電平狀態(tài)，并在該方向下發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，使得機(jī)器人向目標(biāo)移動。

3.3 地面障礙探測模塊

為了實現(xiàn)智能機(jī)器人的地面障礙探測功能，需要在機(jī)器人上安裝一個超聲波測距模塊。模塊工作原理如下：（1）超聲波發(fā)射器向某個方向發(fā)射超聲波，同時計數(shù)器開始計時；（2）超聲波在傳播的過程中遇到障礙物時，會立刻反射回到超聲波接收器，自動通過引腳2（Echo）輸出一個高電平信號，同時計數(shù)器停止計時；（3）根據(jù)時間和速度計算出障礙物的距離。其電路原理圖如圖2所示。

圖2 超聲波測距原理圖

3.4 光電轉(zhuǎn)換模塊

光電轉(zhuǎn)換模塊主要采用光敏電阻作為光敏傳感器，將該傳感器加載在智能機(jī)器人上，光敏電阻的阻值會隨著照射光線的強(qiáng)弱而改變，從而可以改變單片機(jī)系統(tǒng)輸出的電壓值。通過電壓值的測量可以間接測量光照的強(qiáng)弱，在光照強(qiáng)度較弱和較強(qiáng)時，電壓分別接近5 V和0。因此，在智能機(jī)器人左右兩側(cè)會安裝兩個光敏傳感器，通過比較兩側(cè)輸出的電壓值，就可以判斷光源的位置。

3.5 行走機(jī)器人的里碼表設(shè)計

該行走機(jī)器人里碼表的設(shè)計采用MCS-51單片機(jī)作為主控制芯片，通過1602顯示器顯示行走的里程、速度、時間等信息。為了避免產(chǎn)生行走機(jī)器人行走量過飽和情況，增加機(jī)器人報警功能，當(dāng)超過設(shè)定的上限里程量時或者速度超過某一固定值時，機(jī)器人指示燈亮紅燈且蜂鳴器進(jìn)行報警[7]。

系統(tǒng)硬件框圖如圖3所示。其中，采用開關(guān)型霍爾元件產(chǎn)生里程數(shù)的脈沖電信號，行走速度可以通過脈沖信號進(jìn)行傳輸；脈沖電信號傳輸?shù)組CS-51單片機(jī)之后，MCS-51單片機(jī)的定時/計數(shù)器對輸入的脈沖信號進(jìn)行計數(shù)，為了精確地計算出檢測到的脈沖數(shù)，可以通過單片機(jī)的T1定時器來控制輸入引腳T0；最終的計算結(jié)果先存儲在MCS-51單片機(jī)內(nèi)部EEPROM內(nèi)，再通過1602顯示器顯示出來。

圖3 系統(tǒng)硬件框圖

4 結(jié)束語

基于單片機(jī)應(yīng)用智能機(jī)器人的自動控制處理系統(tǒng)的基本設(shè)計，可在一定程度上模擬現(xiàn)代人類的視覺、觸覺、聽覺、語音及簡單的肢體思考活動能力，并實現(xiàn)一個智能機(jī)器人最基本的各種人機(jī)交互信息顯示控制功能，但新的市場需求和創(chuàng)新任務(wù)也對智能機(jī)器人的基本性能設(shè)計提出了更高的技術(shù)要求。相較于發(fā)達(dá)國家，現(xiàn)有的智能機(jī)器人水平還比較落后，因此智能機(jī)器人以后的發(fā)展關(guān)鍵是努力提高智能機(jī)器人全方位的技術(shù)、智能程度及其綜合應(yīng)用，并提高其智能的自主性和適應(yīng)性。這就需要科研人員不斷創(chuàng)新和研究，為智能機(jī)器人的蓬勃發(fā)展作出貢獻(xiàn)。