智能灭火机器人硬件电路的设计与实现

2016-01-25 09:51:16

[导读] 人工智能也称机器智能，是一门研究人类智能机理和如何用计算机模拟人类智能活动的学科。经过50多年的发展，人工智能已形成极广泛的研究领域，并且取得了许多令人瞩目的成就。智能机器人技术综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，集成了多学科的发展成果，代表高技术的发展前沿。智能机器人的研究，大大促进了人工智能思想和技术的进步，渐渐成为一个备受关注的分支领域，各种智能机器人比赛也成为国内外广泛推广和发展的一种竞技项目。

人工智能也称机器智能，是一门研究人类智能机理和如何用计算机模拟人类智能活动的学科。经过50多年的发展，人工智能已形成极广泛的研究领域，并且取得了许多令人瞩目的成就。智能机器人技术综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，集成了多学科的发展成果，代表高技术的发展前沿。智能机器人的研究，大大促进了人工智能思想和技术的进步，渐渐成为一个备受关注的分支领域，各种智能机器人比赛也成为国内外广泛推广和发展的一种竞技项目。

智能机器人灭火比赛由美国三一学院于1994年创办，目前已成为全球规模最大、普及程度最高的全自主智能机器人大赛之一。硬件电路是智能灭火机器人整体的核心骨架，其参数性能及设计的合理性直接决定了智能灭火机器人的性能。本文完成了基于ARM9内核[3]的智能灭火机器人的硬件电路的设计与实现。

1 硬件电路的总体设计

灭火比赛的任务是在一封闭房间模型中，随机在其中一个房间里放置蜡烛代替的火源，要求机器人在尽可能短的时间里无碰撞地找到火源并完成灭火。

根据比赛要求及功能需要，灭火机器人的总体结构如图1 所示，主要由控制器、传感器输入、驱动输出等模块组成。

2 硬件电路的主要部件分析与设计

2.1 嵌入式系统

为实现机器人高速精确地按照规定路径行走，要求机器人的CPU能够实时迅速地读取多个传感器端口数值，并在较短的时间内完成对各端口数值的存储、运算和输出等多种任务。由于嵌入式微处理器对实时任务具有很强的支持能力，能够完成多任务并且具有较短的中断响应，因此在设计过程中选用以嵌入式微处理器ARM9为核心的控制器，其内部采用哈佛结构，每秒可执行一亿一千万条机器指令。

为提高端口数值读取速度，使机器人能对周围环境信息做出迅速判断，本设计在主芯片上设置了ADC0～ADC7(P4.0～P4.7)8路数据输入端口，每秒可实现50万次数据采集;另外又设置20路数据输入端口，通过ATMEGA816-PC辅助单片机连接到主芯片上，用以读取远红外传感器组及检测端口的数值，每秒可实现1 000次数据采集。本设计还设置了4路PWM控制信号输出端口，用以驱动4路大功率直流电机，实现对转速的精确调节;此外，还设置了7路Do数字输出端口，用以驱动伺服电机、蜂鸣器、继电器、发光二极管等。为了给庞大和复杂的程序提供更多的执行空间，本设计附加设置了100 KB的数据存储器(RAM)和512 KB的程序存储器(Flash ROM)，用以存储更多的数据和命令。

2.2 电源和驱动电路设计

(1) 电源及采样电路

电源是保证机器人稳定、可靠运行的关键部件，它直接影响着机器人性能的好坏。由于本机器人电机驱动和控制器采用两种不同等级电压的电源，为避免2个电源相互干扰，本机器人采用双电源供电系统：电机电源采用高放电倍率聚合物锂电池，容量为2 500 MAH，工作电压为24 V，能提供40 A的稳定供电电流，是普通电池的10倍;控制器电源采用8.4 V锂电池，并提供电压采样端口，以供电池检测，电路图如图2所示。

为获得CPU各端口电路所需要的不同等级的电压，本设计采用 1个LM317T三端稳压器和2个AMS1117低压差线性电压调整器，并通过其附属电路，得到精确稳定的5 V、3.3 V、1.8 V 三种电压;采用1个发光二极管LD1和限流电阻R5作为电源指示灯，以显示电源开关的状态;为实时采样电源电压，防止锂电池过放或过充，设计中通过R1、 R2分压，引出AD19端口作为电源采样端口。

(2)直流电机驱动电路