1、安防机器人的设计与制作安防机器人的设计与制作摘要本设计是一台智能化的移动监控机器人，它主要包括移动机器人和主控台两大部分，能够实现防盗监控，温度监视，火灾报警等功能。该机器人能够自主移动，也可以通过主控台遥控机器人的动作。本设计以单片机 MTC89C52R为C中央控制核心， 采用彩色 CCD摄像头 UM-800C采集图像，反射型红外光电开关 RMF-DU1检0 测障碍物，两个直流减速电机为主要动力驱动，采用 DF数据发射、接收模块实现数据的无线传输，采用四频道无线微波影音传输模块无线传输视频，可以实现远程视频监控 .本设计的特色是改变了现有监控系统的单一固定形式， 大大提高了监控的灵活性和实时
2、性， 不存在监控死角。 开启机器人的自动巡逻功能后， 机器人可以自动按照设定的路线巡逻，途中遇到障碍物时能够自动识别并绕过障碍物 , 并且还可以实时摄像。此外本机器人监控系统不需另外架设线路，适应性强，即投即用，简单、方便、经济、可靠。安防机器人的设计与制作 . 12 设计任务 . 32.1 基本要求 . 32.2 发挥部分 . 33 可行性分析 . 43.1 机器人的可行性方案 . 43.2 障碍物检测 . 43.3 动力及转向系统 . 53.4 电源系统 . 54 总体设计 . 55 硬件设计 . 65.1STC89C52RC的最小系统电路图： . 65.2 带有红外光探照灯的 CCD摄像
3、头的设计 . 75.3 直流电机驱动设计 . 75.4 云台的控制 . 105.5 无线遥控发射接收模块 . 156 软件设计 . 196.1 机器人主程序控制流程图 . 196.2 自动避障算法及程序控制 . 196.3 串口通信参数设置 . 206.4 实时监控 . 216.5 实时报警 . 217 功能测试与性能调试 . 227.1 功能测试 . 227.2 性能调试 . 228 结束语 . 221 引言近年来，随着智能机器人技术的迅速发展， 智能机器人的应用领域正在不断地扩大。 并且， 随着人们生活质量的日益提高， 智能机器人已经开始进入了家庭服务行业。 由智能型家庭服务机器人代替人来
4、完成清洁卫生、 物品搬运、 家电控制、家庭娱乐、病况监视、儿童教育、报时催醒、电话接听等各种家务劳动，不仅是一项极具应用前景的高新技术行业， 而且也是智能机器人目前研究的一个重要热点。 另一方面， 世界各国的老龄化问题也更进一步地加剧了对智能型家庭服务机器人的需求。例如，目前在加拿大已有 3，800，000 以上人的年龄超过 65岁，在德国超过 82，000，000 人的年龄在 60 岁以上， 分别占该国人口的 12. 43%和 22%，而且近年来还有加重趋势。在中国专家预言到 2010 年中国独生子女和老龄化问题将更加严重。 国际上较早开展安防机器人研究的是美国与前苏联， 稍后，英国、日本、
5、法国、德国等国家也纷纷开始研究该类技术。我国大约有 30家左右的高等院校和研究院在从事各类机器人的研究工作，在 40 多年来，已在机器人的各方面取得了可惜的成就，某些产品技术已接近国际先进水平。因此，家庭服务机器人将在许多以老弱、 病残、独子为主的家庭中占据一席之地。 此外，以防盗监测和电及煤气安全检查为主要内容的家居智能安防系统在我国发展迅速，近几年的增长速度达到 1520，家居智能安防业已经形成了一个巨大的市场。为此，我们将家庭服务机器人与家居智能安防系统结合在一起， 利用家庭服务机器人的机动性和自律能力来实现家居智能安防系统的功能， 以便更有效地完成家庭服务和家居安防。2 设计任务本设计
6、的主要任务是在设计并制作一个可以移动监控的人形机器人。2.3 基本要求1）机器人可以前进，后退，转弯等基本动作，并具有多自由度的手臂 ( 自由度4)。2）具有图像，温度，湿度，火灾，防盗的监控功能，处于监控模式时，发现不法分子闯入时发出恐吓声音警报， 发现温度湿度不在正常范围内发出语音提示，并自动开启空调调节室内温度湿度。发现可燃气体泄漏时及时发出语音警报并关闭燃气总阀门。当主人不在家时，能及时通过手机短信通知主人。3）可以遥控控制机器人的移动，可以舞蹈供主人娱乐。4）主人可以通过手机发短信控制机器人做些规定好的任务，如喂宠物，开空调等。5）机器人可以设置为巡逻监控模式，此模式下机器人能够按照
7、设定的线路巡逻， 并能识别障碍物， 行驶过程中时能够自动饶过障碍物， 实现自主移动监控。2.4 发挥部分1）防盗报警，温度湿度调节，可燃气体报警，并及时关闭燃气总阀门。2）通过短信的方式，把家中的情况告知主人。3）可以通过手机发短信控制机器人做些规定好的任务，如喂宠物，开空调等。4) 其它。3 可行性分析2.5 机器人的可行性方案1）采用笔记本计算机控制，编程灵活，多种软件均可实现。2）采用单片机控制，处理速度相对较低，但成本低廉。3）采用输出标准 TV视频信号的彩色 CCD摄像头，可以直接配合使用无线视频发送器，且这种摄像头价格低廉；另配以大功率无线视频发送模块实现视频图像的采集。决策方案：
8、采用单片机作为控制器，本设计本着降低成本的原则设计。2.6 障碍物检测可行性方案：1）采用红外线反射管， 反映灵敏， 可靠性高， 缺点是探测距离较近，一般在 5cm以内。2）采用反射型红外光电开关，探测距离可调，一般可以检测 40cm以内的障碍物。其工作原理是根据红外发光管发出的光束，遇到障碍物时发生漫反射，红外接收管收到信号由同步回路选通而检测到障碍物，其障碍物不限于金属，对所有能反射光线的物体均能检测。光电开关RMF-DU10操作简单，使用方便。当有光线反射回来时，输出低电平。当没有光线反射回来时，输出高电平。3）采用超声波传感器，超声波传感器的原理是：超声波由压电陶瓷超声波传感器发出后，
9、 遇到障碍物便反射回来， 再被超声波传感器接收。然后将信号放大后送入单片机。超声波传感器在避障的设计中被广泛应用。但是超声波传感器需要 40KHz 的方波信号来工作，因为超声波传感器对工作频率要求较高， 偏差在 1内，所以用模拟电路来做方波发生器比较难以实现。而用单片机来作方波发生器未免有些浪费资源。决策方案：采用方案 2， 机器人可以原地转圈，在 40cm内检测到障碍物，可以自由绕过去，比方案 3经济，简单。2.7 动力及转向系统机器人需要前进、 后退、转向以及机械手臂的动作，完成这样的动作需要多个电机才能实现。驱动电机的可选方案：1）使用带有减速器的直流电动机，采用控制器调速。2）使用步进
10、电机，能够精确控制位移量，可实现机器人精确定位行使。3）采用伺服电动机，转速稳定可靠且调速方便。4）采用舵机控制，可以精确控制角度。决策方案：从可行性分析，机器人没有必要要精确定位行使，从经济角度考虑，直流电机的成本较低，因此驱动电机采用带有减速器的直流电动机。机械手臂采用大扭力舵机控制，动作精度高。2.8 电源系统电机驱动系统要求大功率的电源供应， 因此电源系统应具有低内阻、 大电流输出的性能。 电机驱动器在工作时会产生大量的电脉冲和干扰信号， 会使电源的产生纹波， 而处理器和一些传感器电源质量要求较高。 因此， 为保证机器人的可靠运行，采用动力系统与控制系统单独供电的方法。 为了节约成本，
11、 同时在环境也许的条件下， 我们采用直流稳压电源对电机进行供电， 通过USB转TTL串口线对单片机进行供电。 这种供电方式有两种好处， 由于直流稳压电源中的电源大小可以调节和控制， 所以可以很方便地选择输出电压的大小； 通过USB转TTL串口线对单片机进行供电，可以简化电路。4 总体设计机器人系统主要由中央处理器、传感器系统、驱动及转向系统、无线数据传输系统、电源系统组成。传感器系统无 线 数 据 传 主 机 监电输系统中央处理器 控系统源系统驱动及转向系统5 硬件设计2.9STC89C52RC的最小系统电路图：通过 USB转 TTL串口线与电脑实现连接，并且还可以给单片机供电。2.10 带有
12、红外光探照灯的 CCD摄像头的设计名称：彩色 CCD摄象机型号： UM-800C信号制式： PAL工作电压： +8V+12V DC工作环境： -10 +50彩色 CCD摄象机图像显示设备可以采用彩色电视机，将 CCD摄像头输出的标准 TV视频信号通过同轴电缆输入到电视机的视频输入端， 即可以看到监控的图像。 也可以在电脑上安装一块视频数据采集卡， 然后安装驱动软件， 就可以通过电脑显示监控的图像了。本设计通过编写的视频采集软件，实现了视频图像的显示，拍照保存，录像保存等功能。2.11 直流电机驱动设计驱动电路的性能很大程度上影响整个系统的工作性能。有许多问题需要慎重设计，例如，导通延时、泵升保
13、护、过压过流保护、开关频率、附加电感的选择等。1)开关频率和主回路附加电感的选择力矩波动也即电流波动， 由系统设计给定的力矩波动指标为 I/IN，对有刷直流电动机而言，通常在 (510)%左右。为了便于分析可认为I/IN= I/(Us/Rd) (1)式中 Rd为电枢回路总电阻。代入前面各种驱动控制方式的 I 表达式中，消去 Us，可求出：对于单极性控制 Ld/Rd 5T2.5T( 可逆或不可逆 ) (2)对于双极性控制Ld/Rd 10T5T （3）式中 T 为功率开关的开关周期。对于有刷直流电动机，电磁时间常数Ld/Rd 一般在 10ms至几十毫秒。若采用 GTR，开关频率可取2K
14、Hz左右， T=0.5ms。若采用 IGBT，开关频率可取18KHz以上，所以上式均能满足。若采用 GTO或可控硅功率器件，由于工作频率只有100Hz左右，此时应考虑在主回路附加电抗器，且Ld=Lf+La (4)对不可逆系统还应进一步检查临界电流， IaL=UsT/8Ld Ia0 应小于电机空载电流，防止空载失控。对于低惯量电机、力矩电动机，由于电磁时间常数很小 （几个毫秒或更小） ，此时应考虑采用开关频率高的 IGBT功率开关器件。2) 功率驱动电路的选择图1 H 桥开关电路 ( ); 图 2 H 桥开关电路 ( )小功率驱动电路可以采用如图 1 所示的 H桥开关电路。UA和UB是互补的双极
15、性或单极性驱动信号， TTL电平。开关晶体管的耐压应大于 1.5 倍 Us以上。由于大功率 PNP晶体管价格高， 难实现， 所以这个电路只在小功率电机驱动中使用。当四个功率开关全用 NPN晶体管时，需要解决两个上桥臂晶体管 (BG1和 BG3)的基极电平偏移问题。 图 2 中H桥开关电路利用两个晶体管实现了上桥臂晶体管的电平偏移。但电阻 R上的损耗较大，所以也只能在小功率电机驱动中使用。（由于本次使用的电机功率较小，所以不考虑大功率的驱动电路 ）3) 防直通导通延时电路对H桥驱动电路上下桥臂功率晶体管加互补信号， 由于带载情况下， 晶体管的关断时间通常比开通时间长， 这样，例如当下桥臂晶体管未
16、及时关断， 而上桥臂抢先开通时就出现所谓“桥臂直通”故障。 桥臂直通时电流迅速变大， 造成功率开关损坏。 所以设置导通延时， 是必不可少的。 图 6 是导通延时电路及其波形。导通延时，有时也称死区时间，可通过 RC时间常数来设置；对 GTR可按2.12 s/A 来设置；对 MOSFE可T 按 0.10.2 s 设计，且与电流无关， IGBT可按25s 设计。举例说明，若为 GTR，f=5kHz，双极性工作，调宽区域为T/2=1/10=0.1ms 。若 I=100A，则 t=0.2X100=20s，则 PWM调制分辨率最大可能性为(T/2) t=0.1/0.02=5 (5)这说明死区时间占据了调
17、制周期的 1/5 ，显然是不可行的。所以对于 100A的电机系统，GTR的开关频率必须低于 5kHz。例如，2kHz以下，此时分辨率达3.5 左右。驱动电路的设计还有很多问题，例如过压、过流、过热、泵升保护等等。5.6 云台的控制传统的电视监控译码器通过继电器的触点来控制云台和镜头， 设计了一种基于STC89C52R单C片机的无触点云台镜头通讯控制电路， 具有低功耗、 可靠性高等特点。1)电视监控系统是一种典型的分布式计算机信号采集系统。 每个摄像机由中央控制室控制， 为简化布线， 中央控制器与各摄像机间由 RS485总线连接， 镜头和云台的控制由前端的解码器实现。 解码器将主控系统送来的串行
18、码控制信号转换成不同功能电压以驱动前端设备，其原理图如图 1 所示。2)电动云台有俯仰、 旋转两个单相交流电机， 每个电机有两个绕组， 两个绕组有一个公共端， 两个非公共端接移相电容。 当交流电压从一个绕组接入时， 电机正向旋转； 当交流电压从另一个绕组接入时， 电机反向旋转。 单片机发出的云台左右、上下运动的控制信号实际上是对云台的交流电机的正以向控制。图 2 是用双向可控硅的云台控制单路电路图。 图中的光耦 MOC3041是用来隔离可控硅上的交流高压和直流低压控制信号的。 其输出用来触发双向可控硅， 选用 ST Microelectronics 公司的 T4 系列，内部集成有缓冲续流电路，
19、不用在双向可控硅两端并联 RC吸收电路，可以直接触发，电路设计比较简单。3) 镜头控制电路设计变焦镜头有光圈、聚焦、变倍三个直流电机，三个电机有一个公共接地端，在非公共端加正、 负电压时电机正、 反向旋转。 单片机发出的镜头控制信号实现上是对镜头的直流电机的正向电压控制。直流伺服电机的正反向控制电路一般有 H型（桥式） 互补对称式和 T 型互补对称式两种。其中，H型（桥式）互补对称式两路的集成芯片很多， 例如 UDN2952，BMB3863，L298等。考虑到这类芯片一般较贵，而且镜头的控制路数较多，为了降低成本，采用 T 型互补对称式驱动电路。图 3 为对针对单个电机的镜头控制电路。 为了防
20、止上下两个 FET功率管同时导通，采用 4555 双四选一构成硬件互锁，值得注意的是 4555 由3.3V 供电。镜头的电机电源与数字电路之间通过光耦隔离， 以避免电机接通和断开时所造成的毛刺影响数字电路的工作。 光耦隔离器驱动两个 FET功率管，后者直接用来驱动直流电机。两个 FET管一个是 P 型沟道，另一个是 N型沟道，形成互补结构。为了避免 FET管因电压尖峰而损坏， 电路中采用了金属氧化物压敏电阻 8 作为瞬时吸收保护器。4）通讯解码电路软硬件设计a) 硬件电路解码器与主控系统之间的数据传送经过 RS485收发器 MAX48，5由单片机的 TXD和 RXD串行口发送和接收。解码器的单
21、片机有一个规定的地址码， CPU不断查寻RXD口数据，当判别地址数据为本解码对应地址时，读入操作数据，再判别是何种控制功能，发出对应的控制信号。图 4 为 RS485通讯接口电路。 为了提高数据传输的抗干扰性， MAX485为+5V单独供电，采用高速光耦 6N137与其他的电源完全隔离， 不共地。 由于传输线较长且现场可能有电磁干扰， 所以在传输线上并联瞬变电压抑制器 TVSC，串联熔断器，传输线有屏蔽层的电缆。b) 通讯协议与指令结构监控指令可以简单地分：视频切换、音频切换、电话会议、报警输入、报警布撤防、紧急报警输入、模拟采集、采集设置、请求读入采集量、行动输出、遥控等 11 种指令类型。这里仅介绍与云台镜头控制有关的指令。指令类型 5：（解码器使用）说明：遥控指令，有 2 个字节参数前 1 个字节表示状态字；第 99 状态表示遥控云台、镜头。其它状态用户自定义。后一个字节，当第 99状态（前 1 字节为 99）时，高 4 位代表云台动作，低4 位代表镜头动作。具体描述如下：云
