摘要:根据灭火机器人的竞赛规则,给出了灭火机器人的硬件结构设计方案和软件设计流程。所用的机器人处理器为AVR单片机,主要利用红外传感器、光敏传感器对环境进行检测,使机器人在场地中按照预定的方案寻找火源并扑灭。
关键词:灭火机器人;传感器;ATmega32
1 引言
机器人竞赛是近年来迅速开展起来的一种对抗活动,它涉及人工智能、机械、电子、传感器、精密机械等诸多领域。通过竞赛可以培养学生的创新意识、动手能力、团队写作能力等。其中灭火比赛是开展范围最广、影响最大的机器人竞赛项目之一。
比赛规则为模仿生活中消防员灭火,机器人从H点出发,在四个房间内寻找任意摆放的蜡烛,并且设法将其灭掉。比赛场地的墙壁高33cm,材质为木板,颜色为黑色。尺寸如图1所示。对于比赛,得的分越低成绩越好。另外根据选择的模式不同,计分时要乘上相应的系数。
图1比赛场地平面结构
2 系统硬件设计
2.1 系统总体设计
系统以ATmega32单片机为核心,它是一种基于增强RISC结构的、低功耗的8位单片机。其特点为:①片内具有32K字节的可编程Flash;2K字节的片内SRAM数据存储器;1024个字节片内在线可编程EEPROM数据存储器。②片内含JTAG接口。③外围接口。两个带有分别独立、可设置预分频器的8位定时器/计数器;一个16位定时器/计数器;四个通道的PWM输出;8路10位ADC;32个可编程的I/O口。④低功耗,最高工作频率为16MHz。
根据灭火比赛的规则要求,配以碰撞传感器、灰度传感器、火焰传感器和红外传感器。通过两路PWM控制两只电机以驱动灭火机器人,另外一路灭火电机由I/O口通过光电耦合器直接驱动。
图2系统总体框图
2.2 系统电源部分
系统采用单电源供电电路时比较简单,但是考虑到电动机起动瞬间电流很大,会造成电源电压不稳,影响单片机和输入电路工作的稳定性和可靠性,因此采用双电源供电方案。将电机电源和单片机电源完全隔离。单片机以及传感器电路使用8V供电,电动机使用12V供电。提高电动机的供电电压,可以提高机器人的运行速度,从而可以提高灭火的成绩。
2.3 电机驱动部分
机器人需要控制在一个合适的速度行驶,在灭火的过程中既要以较快的速度找到火源,又要防止因为碰撞而影响比赛的成绩。小车的速度是由两只直流电机控制。L298驱动芯片是性能优越的小型直流电机驱动芯片之一。它可被用来驱动两个直流电机或者是双极性步进电机。在6—46V的电压下,可以提供2A的额定电流。L298还有过热自动关断功能,并有反馈电流检测功能。为保证L298正常工作,建议加装片外续流二极管。由ATmega32单片机直接输出两路PWM驱动L298N。改变PWM调制脉冲占空比,可以实现精确调速。脉冲频率对电机转速有影响,脉冲频率高连续性好,但带负载能力差;脉冲频率低则反之。通过PD2和PD3两根I/O口线来控制电机的转动方向。
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