智能滅火機器人硬件電路設計及實現
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智能機器人滅火比賽由美國三一學院于1994年創(chuàng)辦，目前已成為全球規(guī)模最大、普及程度最高的全自主智能機器人大賽之一。硬件電路是智能滅火機器人整體的核心骨架，其參數性能及設計的合理性直接決定了智能滅火機器人的性能。本文完成了基于ARM9內核[3]的智能滅火機器人的硬件電路的設計與實現。
1 硬件電路的總體設計
滅火比賽的任務是在一封閉房間模型中，隨機在其中一個房間里放置蠟燭代替的火源，要求機器人在盡可能短的時間里無碰撞地找到火源并完成滅火。
根據比賽要求及功能需要，滅火機器人的總體結構如圖1所示，主要由控制器、傳感器輸入、驅動輸出等模塊組成。
2 硬件電路的主要部件分析與設計
2.1嵌入式系統(tǒng)
為實現機器人高速精確地按照規(guī)定路徑行走，要求機器人的CPU能夠實時迅速地讀取多個傳感器端口數值，并在較短的時間內完成對各端口數值的存儲、運算和輸出等多種任務。由于嵌入式微處理器對實時任務具有很強的支持能力，能夠完成多任務并且具有較短的中斷響應，因此在設計過程中選用以嵌入式微處理器ARM9為核心的控制器，其內部采用哈佛結構，每秒可執(zhí)行一億一千萬條機器指令。
為提高端口數值讀取速度，使機器人能對周圍環(huán)境信息做出迅速判斷，本設計在主芯片上設置了ADC0～ADC7（P4.0～P4.7）８路數據輸入端口，每秒可實現50萬次數據采集；另外又設置20路數據輸入端口，通過ATMEGA816-PC輔助單片機連接到主芯片上，用以讀取遠紅外傳感器組及檢測端口的數值，每秒可實現1 000次數據采集。本設計還設置了4路PWM控制信號輸出端口，用以驅動4路大功率直流電機，實現對轉速的精確調節(jié)；此外，還設置了7路Do數字輸出端口，用以驅動伺服電機、蜂鳴器、繼電器、發(fā)光二極管等。為了給龐大和復雜的程序提供更多的執(zhí)行空間，本設計附加設置了100 KB的數據存儲器（RAM）和512 KB的程序存儲器（Flash ROM），用以存儲更多的數據和命令。
2.2 電源和驅動電路設計
(1)電源及采樣電路
電源是保證機器人穩(wěn)定、可靠運行的關鍵部件，它直接影響著機器人性能的好壞。由于本機器人電機驅動和控制器采用兩種不同等級電壓的電源，為避免2個電源相互干擾，本機器人采用雙電源供電系統(tǒng)：電機電源采用高放電倍率聚合物鋰電池，容量為2 500 MAH，工作電壓為24 V，能提供40 A的穩(wěn)定供電電流，是普通電池的10倍；控制器電源采用8.4 V鋰電池，并提供電壓采樣端口，以供電池檢測，電路圖如圖2所示。
為獲得CPU各端口電路所需要的不同等級的電壓，本設計采用1個LM317T三端穩(wěn)壓器和2個AMS1117低壓差線性電壓調整器，并通過其附屬電路，得到精確穩(wěn)定的5 V、3.3 V、1.8 V 三種電壓；采用1個發(fā)光二極管LD1和限流電阻R5作為電源指示燈，以顯示電源開關的狀態(tài)；為實時采樣電源電壓，防止鋰電池過放或過充，設計中通過R1、R2分壓，引出AD19端口作為電源采樣端口。
（2）直流電機驅動電路
由于競技比賽的需要，機器人要在避免碰撞的前提下盡可能提高速度，因此要求具有更大功率的驅動器和更靈敏的控制方式。為此本文采用的電機驅動電源電壓為16.8 V，電流為20 A；采用占空比范圍為0～95%的4路PWM信號控制直流電機，以實現精確的調速[4]。
由于電機功率較大，并要求能實現雙向、可調速運行，本文設計了半橋式電力MOSFET管，成功實現了對電機的控制。如圖3所示，2路PWM信號通過IR2104半橋驅動器（half-bridge driver）和相應保護電路連接至型號為IRF2807 的MOSFET管，控制電源與電動機連接線路的通與斷，達到控制電機速度的目的。當PWM信號占空比較大時，線路導通時間長，電機速度大；相反，當PWM占空比較小時，線路導通時間短，電機速度小。4個MOSFET管在不同時刻導通組合，實現控制電機轉動方向：當MSFET管1和4導通時，電機端口1為正、2為負，電機正轉；當MOSFET管2和3導通時，電機端口2為正、1為負，電機反轉。
2.3 傳感器
(1)紅外測距傳感器
紅外測距傳感器[5-6]是機器人的“視覺器官”，通過不斷讀取其數值并進行判斷，才能確定機器人所處位置環(huán)境，以確定機器人下一步該執(zhí)行什么命令才不致碰撞，并按照理想的路線行走。依據比賽場地規(guī)格，本機器人采用SHARP公司的GP2D12PSD傳感器（后面簡稱PSD傳感器），其有效測距范圍為10 cm～80 cm。其原理如圖4（a）所示。
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