SPCE061A的教育機(jī)器人硬件平臺設(shè)計(jì)

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

另外，國家對學(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、寓教于樂的智能教育機(jī)器人平臺，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，我們研制開發(fā)了一種具有較高性價(jià)比的嵌入式教育機(jī)器人通用平臺，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)競賽。該系統(tǒng)的核心是以智能小車為載體的基于spce061a微控制器的嵌入式控制平臺及編程環(huán)境，在該機(jī)器人平臺上配有各種傳感器（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，通過通信接口下載到機(jī)器人平臺上。

1 機(jī)器人硬件平臺的研制

本設(shè)計(jì)以凌陽spce061a微控制器為核心，通過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)整小車的速度和方向，實(shí)現(xiàn)小車尋跡、尋找光源、躲避障礙物、入庫等自動(dòng)控制。系統(tǒng)框圖如圖1所示，車上裝載的各種傳感器通過后向反饋通道將信息不斷傳遞給車載微控制器，微控制器通過前向控制通道實(shí)時(shí)調(diào)整小車的行車狀態(tài)，從而構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。

1.1 spce061a

spce061a是凌陽推出的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，具有極高的性價(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，這對機(jī)器人對電源的要求有著特殊的意義。

圖3為智能小車機(jī)器人平臺電路原理框圖。它由spce061a和紅外避障、自動(dòng)泊車、尋線、超聲測距、碼盤測速和電機(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)制信號解調(diào)為基帶信號，提供給接收的單片機(jī)，該芯片接收靈敏度高，性能穩(wěn)定，其基本工作過程為：當(dāng)接收到37.9k赫茲信號時(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，其方法無外乎控制通過紅外發(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)射頻率來控制紅外發(fā)射響應(yīng)的范圍。

（2）自動(dòng)泊車

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

（3）尋跡

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

（4）超聲測距

超聲探測模塊主要由超聲波發(fā)生電路和超聲波接收電路組成，其基本原理很簡單，一般采用時(shí)差法，即通過檢測發(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)電路和說明見參考文獻(xiàn)[1]。

（5）碼盤測速

常用的碼盤測速機(jī)構(gòu)一般比較復(fù)雜，制造也比較麻煩，筆者使用一種簡易的碼盤模擬方法實(shí)現(xiàn)測速：打印出黑白相見的環(huán)形紙張，粘貼固定車輪內(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)算出的小車行駛速度，該方法精度可達(dá)毫米級，并可通過控制打印黑白個(gè)數(shù)，調(diào)節(jié)精度。此方法缺點(diǎn)之一是對環(huán)境光線要求較高，但對于教育機(jī)器人精度，此法是簡單可行的。圖6為采用tcrt1000構(gòu)成的簡易碼盤測速機(jī)構(gòu)。

（6）驅(qū)動(dòng)電路

目前輪式機(jī)器人平臺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的方案，各用一個(gè)普通直流電機(jī)控制小車的左右輪，通過左右輪速度的調(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，功能齊全，外圍電路簡單，可維護(hù)性強(qiáng)，其軟件編程采用c語言和匯編語言混合編程實(shí)現(xiàn)，極大程度地簡化了編程過程，豐富了編程思想，給學(xué)習(xí)開發(fā)者帶來莫大的方便。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)以性價(jià)比較高的spce061a微控制器為核心，集成了常見的超聲、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。通過編程控制機(jī)器人的行為培養(yǎng)他們的邏輯思維能力。