维普资讯 http://www.cqvip.com ５０ 福 建 电脑 ２００２年第９期 尊 鼍厶中厂 痊用 ３５０００２ 福州大学电气系 李维谦 吴耀彬 【摘 要】 本文简要介绍单片机在智能机器人中的应用，着重讨论现场信号检测、单片机输入输出接 口以及系统执行机Ｉ构的控制，并进一步展望了智能机器人的未来发展。 【关键词】 单片机机器人 传感器 执行机构 单片机以其功能强、体积小、可靠性 高、价格便宜的特点，广泛应用于智能仪器 仪表、电子玩具、家用电器和智能机器人 中。机器人自二十世纪６Ｏ年代问世以来 历经４Ｏ年的潜心研究，有了飞跃的发展。 早期的机器人不具备感觉装置，只是依靠 人们给予的程序，重复进行各种操作，故也 称它们为机械手；第二代机器人具有简单 的传感器反馈信息，能对自身的实际位置、 方向、速度等进行测量，从而由这些反馈信 息在事先编好的程序指导下对操作过程进 行调整，以达到预先设计的目标；第三代机 器人是能感知外界环境与对象，并具有对 复杂信息进行准确处理，对自身行为做出 自主决策能力的智能机器人。它能识别景 物，有触觉、视觉、力觉、听觉和味觉；能实 现搜索、追踪、辩色识图等多种仿生动作； 具有专家知识、语音功能和自学能力。因 此，人类已将智能机器人应用于科学探索、 工业制造、农业生产、军事行动、医疗卫生 以及生活服务等各行各业，我们用机器人 去完成那些危险性高的、环境恶劣有害健 康的、繁重的或精确的、总之人们难以胜任 的工作。可以相信，二十一世纪机器人将 对人类社会的发展和进步，产生更加深远 的影响。 本文以上海广茂达电子信息有限公司 产品——能力风暴个人机器人为例，简要 介绍单片机在智能机器人中的应用。 能力风暴个人机器人是一种靠两个轮 子移动的个人机器人，它以单片机为核心， 输入由传感器检测、经‘电子线路放大、滤 波、整形和线性化处理后的现场信息，单片 机根据事先编制的程序，对输入信息进行 分析、比较、判断，然后输出相应数据，控制 和驱动执行机构，使机器人实现各种行为 动作。一个单片机测控系统的结构框图如 图１所示： 图１ 单片机测控系统的结构框图 ． 兰 现场信号的检测与处理 机器人可以按事先设计的轨迹移动， 也可以由机器人在移动过程中自主决策： 每当碰到障碍物或即将碰到障碍物时立即 改变方向移动，避免与障碍物发生碰撞。 为实现上述功能，机器人采用以下几种常 用传感器：匿 １．光电编码器 光电编码器是用来检测机器人位移的 传感器，它使机器人能按预先设计的轨迹 移动。 光电编码器由码盘和光电编码模块组 成。其中码盘是固定在机器人移动轮子内 侧的圆盘，它被分成黑白相间的６６等分， 而光电编码模块上有红外发射和接收装 置，红外发射装置发出的红外光，照到码盘 上时，由于码盘上的白色部分对红外光反 射强烈，反之黑色部分将红外光大部分吸 收，这样光电编码模块的红外接收装置便 将码盘反馈回来的强弱光线转换成一个脉 冲序列，轮子旋转一圈，红外接收装置将产 生３３个脉冲，因此，机器人移动的距离Ｓ＝ ３．１４×轮子直径×脉冲效／３３。单片机根据 从光电编码器输入的脉冲效，可以控制机 器人在某个方向上移动的距离。 ２．碰撞传感器 个人机器人也可在移动过程中自主决 策，每当碰障碍物时，立即改变移动方向。 碰撞传感器是机器人用来感知碰撞信息的 传感器。 碰撞传感器由碰撞环和四个碰撞开关 组成。每当机器人在某个方向上碰到障碍 物时，碰撞环受力使该方向上的碰撞开关 闭合，碰撞传感器能感知来自前、后、左、 右、前右、前左、后右、后左８个方向上的碰 撞信息，碰撞开关将这些信息转换成电压 信号输入单片机的模拟输入端口。 ３．红外传感器 如果希望个人机器人在即将碰上障碍 物时，就改变移动方向，那么红外传感器就 用来感知与个人机器人有一定距离障碍物 的传感器。 红外传感器由位于机器人前面的左右 两个红外发射装置和位于中间的一个红外 接收模块组成，检测时，先关闭左右两个红 外发射装置，让红外接收模块先接收一次 信息，然后启动左发射装置，再接收第二 次，与第一次接收到的信息进行比较，判断 左前方是否有障碍物，同样再按上述步骤 启动右发射装置，接收第三次信息，与第一 次比较，判断右前方是否有障碍物，正前方 是否有障碍物。由于红外传感器是利用障 碍物上反射的红外光信号进行检测的，因 此假如遇到的障碍物颜色太深或面积太 小，将使红外光反射信号太弱，而导致无法 正确检测。红外传感器的接收模块中除有 接收装置外，还包括信号放大、滤波、整形 等电子线路，它的输出信号可直接送单片 机的模拟输入端口。 ４．其他传感器 能力风暴个人机器人还配备了一些其 他传感器：能检测光线强弱的光敏传感器、 能辨别声音大小的麦克风声音传感器；用 于检测运动人体的人体热释片传感器，以 及超声传感器、火焰传感器、温度传感器和 视觉传感器等，这些传感器的扩展，可大大 增强个人机器人对周围环境的感知能力， 它们检测的信号经过电子线路处理后，均 输入单片机的模拟输入端口。 二、执行机构 能力风暴个人机器人的执行机构主要 维普资讯 http://www.cqvip.com ２００２年第９期 福 建 电脑 ５１ １．手功能：能对外界物体进行操作，其 是带动机器人移动的两台高性能直流电 感器等将现场信息经电子线路处理后，由 机。机器人移动的速度和方向都是通过调 单片机的模拟输入通道ＰＥ口输入；而光电 动作不同于简单的专用自动化设备，而是 节直流电机的速度来实现的。 编码器检测的机器人位移信息，则由单片 具有多样性、通用性和柔软性； ２．足功能：能在外界环境中自由移动。 直流电机的转速与转距和电压有关， 机ＰＡ口的输入捕捉引脚输入。输入捕捉 电压一定时，转速与转距成反比，转矩一定 是ＭＣ８６ＨＣｌ１单片机定时器系统的功能之 无论是平地还是凹凸不平的山路、海底；时转速随电压变化而变化。由于机器人的 定时系统有３个的输入捕捉功 ３．感知功能；具有认识环境与物体，并 负载一定，即转矩一定，因此我们可以通过 能，可自动记录定时器输入引脚上脉冲触 利用这些信息作自治动作的能力； 改变电压来控制电机转速。直流电机的工 发边沿（可正、可负、可又正又负）出现的时 ４．记忆功能：能记忆所示教过的动作 作电压由单片机输出提供，单片机输出的 刻，可测量脉冲数量、周期和相位，还可在 信息，并再现这些操作； 是脉冲信号，如图２所示。单片机通过改 允许时向ＣＰＵ提供一个输入捕捉中断。５．思考功能：对状态变化能自主地做 变脉冲的宽度来调节输入到直流电机的平 完成输入捕捉功能的模块有３个，每个模 出与之相适应的行为决策和规划。 均电压，即采用脉宽调制来控制电机转速， 块都包括一个ｌ６位定时器输入捕捉锁存 另外，电机的驱动由专用芯片提供。 器，输入信号沿检测逻辑和中断控制逻辑。 每当输入捕捉模块检测到光电编码器一次 有效跳变时，便将定时器的计数值装入模 块中的输入捕捉锁存器，同时在允许情况 下产生一次中断，并在中断程序中处理锁 图２不同宽度的方波实现ＰＷＭ控制 存器的值。 三、单片机及其接口 ２．单片机的输出 能力风暴个人机器人采用Ｍｏｔｏｒｏｌａ公 机器人执行机构直流电机是由单片机 司的高性能８位单片机ＭＣ６８ＨＣｌ１，它的 ＰＡ口的比较输出端输出脉宽调制信号进 片内含ＣＰＵ、存贮器、并行口、串行口、 Ｄ 行控制的。输出比较功能也是ＭＣ６８ＨＣｌ１ 转换电路、定时器系统以及中断和复位系 单片机定时器系统的功能之一。定时器系 统。单片机输入传感器检测的现场信息， 统有５个输出比较功能模块，每个模块有 进行 Ｄ转换，并按事先编制的程序，对现 各自的ｌ６位比较寄存器和ｌ６位比较器。 场信息分析、比较、判断，然后根据设计要 需要输出一个指定的脉冲宽度时，先将输 求，输出脉宽调制信号控制机器人的行为 出的极性和对应的时间计数值写入比较模 动作。同时，单片机还扩展了输出设备 块的ｌ６位比较寄存器，启动定时器，当定 ＬＣＤ显示器和喇叭，２×１６字符ＬＣＤ显示 时器的计数值与比较寄存器的值相等时， 器用于显示机器人的工作状态，喇叭只是 输出端的极性自动改变，这样，重复上述操 在需要时发出声响或歌唱。 作，便可产生一个指定宽度的脉冲序列。 单片机的通用输入输出端口有５个： 四、智能机器人技术展望 ＰＡ口、ＰＢ口、ＰＣ口、ＰＤ口和ＰＥ口，它们 智能机器人是尖端科技的成果，它能 除了作为通用Ｉ『Ｏ口使用外，还有其他功 高强度、持久地在各种环境下从事重复劳 能：ＰＡ口的ＰＡ０～ＰＡ２还具有输入捕捉功 动，它对环境有很强的适应性，很广泛的通 能．ＰＡ３～ＰＡ７有输出比较功能；ＰＢ口和 用性，而且机器人动作准确迅速，可明显提 ＰＣ口在系统扩展时作为数据总线和地址 高生产率、降低成本。所以如果没有机器 总线使用；ＰＤ口可作为串行口用于数据通 人的帮助，２ｌ世纪我们国家在很多领域的 信；ＰＥ口是单片机的模拟输入通道。 发展将达不到世界先进水平。机器人要向 １．单片机的输入 高智能水平发展，它应具备以下功能： 在个人机器人中，碰撞传感器、红外传 参考文献： １．Ｍｏｔｏｒｏｌａ单片机应用技术 张辉等编著 北京航天航空大学出版社 ２．能力风暴个人机器人用户使用手册 广茂达电子信息有限公司 ３．机器人控制技术 诸静编著 浙江大学出版社 为了达到上述高智能机器人功能，机 器人技术将从以下几方面开展： １．操纵臂技术：研制高速、高精度，并 具有柔性、多自由度的操纵臂，既有能操纵 大重量物体的操纵臂，也有能在显微镜下 进行作业的微型操纵臂； ． ２．移动装置：能对移动环境图像快速 识别，并能在各种情况下做出综合性判断 的适应不同环境的新型移动机构； ３．传感器技术：提高视觉精度．引入高 分辨率、高清晰度、高可靠性的电视摄像技 术，使视觉与手臂的协调程序进一步提高； 采用压力计、加速度计、气体色谱分析仪等 微型传感器，提高机器人触觉的感知水平； ４．高级计算机和人工智能技术：将机 器人各部分的功能和动作控制分别作为计 算机的子系统并行处理，各子系统之间应 有很强的通信功能，采用分布式计算机，存 量机器人作业环境和工作内容的智能 常识，可随时存取的知识数据库，开发实时 性强、多样性和模糊性的机器人操作系统， 开发机器人用的语言，以增强机器人的操 纵手臂、移动装置和人工智能的协调功能。 人工智能是解决机器人规划的重要技术， 机器人知识库使机器人有可能完成感知与 动作相结合的高智能操作。 人类社会需要机器人，机器人作为我 们的未来伙伴，将给人类带来新的技术革 命、高科技成果和更加文明进步的社会。
