智能機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書

智能機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書摘要本設(shè)計(jì)采用Motorola生產(chǎn)的68HC11單片機(jī)，來實(shí)現(xiàn)該機(jī)器人的硬件仿真設(shè)計(jì)和實(shí)物驗(yàn)證。首先完成了能力風(fēng)暴智能機(jī)器人的自主運(yùn)行、躲避障礙、智能跟隨的仿真設(shè)計(jì)和實(shí)際控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。隨后在Proteus平臺上采用68HC11單片機(jī)進(jìn)行了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，通信模塊與68HC11之間的存儲設(shè)計(jì)，編程傳感器的仿真驅(qū)動程序，并實(shí)現(xiàn)避障、智能跟隨等功能的模擬;最終，借助能力風(fēng)暴智能機(jī)器人自帶的交互式C語言下載軟件，避障、智能跟隨等功能從仿真轉(zhuǎn)化到實(shí)物，從而完成了整個智能機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)將計(jì)。關(guān)鍵詞:智能機(jī)器人;Proteus仿真;68HC11IAbstractThisdesignusestheMotorola68HC11MCUproduction,thehardwaredesignandSimulationofthephysicalverificationoftherobot.Thisdesignmainlycompletesthedesignofsimulationdesignandpracticalcontrolsystemforautonomousoperation,abilitystormrobottoavoidobstacles,intelligentfollows.Andthehardwaredesignofthesystemis68HC11microcontrollerontheProteusplatform,completedthedesignofstoragebetweenthecommunicationmoduleand68HC11,thesensorsimulationdriver,toachievethewholeprocesscontrol,simulation,intelligentobstacleavoidancewithfeaturessuchascomplete;then,withthehelpofabilitystormrobotcomeswithinteractiveClanguagedownloadsoftware,theobstacleavoidance,intelligentfollowfunctionsfromsimulationtoreality,thuscompletingthedesignoftheintelligentrobotcontrolsystem.Keywords:Robot;Proteussimulation;68HC11II目錄第一章緒論11.1課題來源11.2本課題的研究目的及意義11.3智能小車的現(xiàn)狀11.4小結(jié)2第二章系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及論證32.1模塊方案比較及論證32.2電機(jī)驅(qū)動方案選擇52.3避障模塊方案選擇62.4檢測模塊的設(shè)計(jì)72.4.1碰撞傳感器72.4.2紅外傳感器82.4.3光敏傳感器92.4.4麥克風(fēng)92.4.5光電編碼器92.4.6其他傳感器102.5小結(jié)10第三章機(jī)器人硬件電路設(shè)計(jì)113.168HC11A1最小系統(tǒng)113.2復(fù)位及啟動方式133.3檢測模塊硬件仿真133.3.1碰撞模塊仿真133.3.2紅外避障模塊仿真143.4機(jī)器人動作驅(qū)動模塊163.568HC11單片機(jī)編譯環(huán)境173.6小結(jié)19第四章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與調(diào)試204.1系統(tǒng)流程圖設(shè)計(jì)204.1.1避障流程圖204.1.2循跡與智能跟隨流程圖214.2驅(qū)動程序與編程234.3按鍵檢測軟件設(shè)計(jì)254.4程序下載與調(diào)試26I4.5小結(jié)26總結(jié)27外文資料29外文翻譯38致謝47附錄149附錄256II第一章緒論1.1課題來源智能機(jī)器人是一種自動化的機(jī)器，所不同的是這種機(jī)器具備一些與人或生物相似的能力，如感知能力、避障能力、判斷能力和協(xié)同能力，是一種具備高度靈活性的自動化機(jī)器。智能機(jī)器人是二十一世紀(jì)新的熱點(diǎn)，也是一個國家整體實(shí)力的顯示。機(jī)器人的發(fā)展及普及更是一個國家的科技基礎(chǔ)和制造業(yè)發(fā)展水平的重要體現(xiàn)。近年來，在智能機(jī)器人和自動化領(lǐng)域里移動機(jī)器人的研究吸引了眾多研究者的注意力，其中智能機(jī)器人以其結(jié)構(gòu)簡單、容易實(shí)現(xiàn)仿真功能受到歡迎。在另一方面，智能機(jī)器人在移動方向辨別的問題上，具有廣闊的運(yùn)動空間，這更成為它吸引注意力的有利武器，紅外避障成為智能機(jī)器人所必須具備的模塊。在這種背景下，有關(guān)智能機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)課題應(yīng)運(yùn)而生。1.2本課題的研究目的及意義“能力風(fēng)暴”(AbilityStorms)機(jī)器人由上海廣茂達(dá)電子信息有限公司開發(fā)，外形酷似UFO,是專為個人機(jī)器人的需求設(shè)計(jì)的，專門面向教育的機(jī)器人。它是專門為大學(xué)進(jìn)行課程教學(xué)、工程訓(xùn)練、機(jī)器人競賽、科技創(chuàng)新以及研究服務(wù)開發(fā)的新型移動智能機(jī)器人。能力風(fēng)暴個人機(jī)器人配有5種十幾個傳感器，另外還可以根據(jù)需要擴(kuò)展其他傳感器，對環(huán)境的感知能力很強(qiáng)。感知環(huán)境的能力是產(chǎn)生智能行為的前提，因此能力風(fēng)暴能產(chǎn)生許多智能性行為。能力風(fēng)暴智能機(jī)器人作為革命性的能力培養(yǎng)平臺，用于培養(yǎng)個人動手能力、創(chuàng)造能力、綜合能力、合作能力和進(jìn)取精神。能力風(fēng)暴智能機(jī)器人融合了光學(xué)、電子、計(jì)算機(jī)、人工智能等高科技知識，他集輔助教學(xué)和娛樂于一身。它具有三方面的特點(diǎn):l.提供強(qiáng)大的交互式C語言;2.采用模塊化結(jié)構(gòu);3.能力風(fēng)暴運(yùn)用開放式接口，達(dá)到了硬件的高度開放?；谝陨先c(diǎn)可知，能力風(fēng)暴軟硬件開放性很大。這就讓使用人員的動手能力在娛樂中得以提高。又由于它是多種高科技的融合，使用人員的綜合能力也不容置疑地得以提高這對于我們而言，正是培養(yǎng)創(chuàng)造力、合作能力、進(jìn)取精神的絕好機(jī)會。1.3智能小車的現(xiàn)狀智能小車發(fā)展很快，從智能玩具到其它各行業(yè)都有實(shí)質(zhì)成果。其基本可實(shí)現(xiàn)智能跟隨、避障、檢測地面灰度、尋光跟隨等基本功能，近年來，隨著個人計(jì)算機(jī)的普及，計(jì)1算機(jī)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，這就促進(jìn)了智能機(jī)器人的發(fā)展，我國機(jī)器人起步于二十世紀(jì)七十年代,那是我國機(jī)器人的萌芽期,經(jīng)過長期的研究和發(fā)展,已經(jīng)有了很大進(jìn)步,但相對于發(fā)達(dá)國家,還是有很多不足之處,智能機(jī)器人以其優(yōu)越的性能、強(qiáng)大的功能正逐漸被普及應(yīng)用，將在以后的生活中扮演重要的角色。使用68HC11單片機(jī)開發(fā)小型智能機(jī)器人控制系統(tǒng)，主要的作用是研究單片機(jī)開發(fā)技術(shù)，學(xué)習(xí)常用傳感器的硬件設(shè)計(jì)和軟件驅(qū)動，以及前后臺控制思想在機(jī)器人控制系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)。具體總結(jié)來說，主要的研究內(nèi)容如以下幾個方面:(1)學(xué)習(xí)掌握摩托羅拉68HC11單片機(jī);(2)對能力風(fēng)暴智能機(jī)器人的功能進(jìn)行研究，選擇傳感器;(3)分析傳感器和機(jī)器人行動機(jī)構(gòu)的原理和特點(diǎn)，設(shè)計(jì)控制思路完成機(jī)器人自主行動，可以避障，可以實(shí)現(xiàn)一些簡單的機(jī)器人交互行為;(4)在Proteus仿真平臺里設(shè)計(jì)硬件電路圖，并設(shè)計(jì)軟件，模擬機(jī)器人的運(yùn)行;(5)將仿真的軟件思路移植到“能力風(fēng)暴”機(jī)器人實(shí)物平臺上，實(shí)現(xiàn)真實(shí)小型機(jī)器人基本避障等功能。1.4小結(jié)本章主要了解了該課題研究的主要內(nèi)容及意義以及智能小車的發(fā)展與現(xiàn)狀，對整個設(shè)計(jì)內(nèi)容有了初步認(rèn)知，明確本設(shè)計(jì)所要做的工作。2第二章系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及論證根據(jù)題目的要求，確定如下方案，首先設(shè)計(jì)出小車的基本模型以及方案，并在車上加裝傳感器，實(shí)現(xiàn)對電動車的速度、位置、運(yùn)行狀況的實(shí)時測量，并將測量數(shù)據(jù)傳送至控制器中進(jìn)行處理，然后由單片機(jī)根據(jù)所檢測的各種數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對電動車的智能控制。這種方案能實(shí)現(xiàn)對電動車的運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時控制，控制靈活、可靠，精度高，可滿足對系統(tǒng)的各項(xiàng)要求。穩(wěn)壓與低壓復(fù)位系統(tǒng)控制器檢測模塊驅(qū)動模塊擴(kuò)展部分圖2.1能力風(fēng)暴主體框圖2.1模塊方案比較及論證能力風(fēng)暴智能機(jī)器人由檢測模塊、控制模塊以及驅(qū)動模塊組成?？梢赃x用的控制器有很多，據(jù)此，擬定了以下兩種控制方案并進(jìn)行了綜合的比較論證，具體如下:方案一:選用一片CPLD作為系統(tǒng)的核心部件，來實(shí)現(xiàn)控制與處理的功能。CPLD是一種用戶根據(jù)各自需要而自行構(gòu)造邏輯功能的數(shù)字集成電路，具有速度快、編程容易、資源豐富、開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，可利用VHDL語言進(jìn)行編寫開發(fā)。但CPLD在控制上較單片機(jī)有較大的劣勢。同時，CPLD的處理速度非?？?，而智能機(jī)器人的行進(jìn)速度不要求太高，那么對系統(tǒng)處理信息的要求也就不會要求太高，在這一點(diǎn)上，MCU就已經(jīng)可以勝任了。若采用該方案，必將在控制上遇到許許多多不必要增加的難題。為此，我們不采用該種方案，3進(jìn)而提出了第二種設(shè)想。方案二:采用單片機(jī)作為整個系統(tǒng)的核心，來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的控制與需要的性能指標(biāo)。充分分析該控制系統(tǒng)，其關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)智能小車的自動避障控制，而在這一點(diǎn)上，單片機(jī)就顯現(xiàn)出來它的優(yōu)勢——控制簡單、方便、快捷。這樣一來，單片機(jī)就可以充分發(fā)揮其資源豐富、有較為強(qiáng)大的控制功能及可位尋址操作功能、價格低廉等優(yōu)點(diǎn)。因此，這種方案是一種較為理想的方案。本設(shè)計(jì)特點(diǎn)是多開關(guān)量輸入的復(fù)雜控制系統(tǒng)，需要的處理器能夠處理很多開關(guān)量，根據(jù)這些分析,我選定了MC68HC11A1單片機(jī)作為本設(shè)計(jì)的主控裝置。圖2.2最小系統(tǒng)電路圖M68HC11A1單片機(jī)主要具有如下功能:(1)無內(nèi)部RAM，512字節(jié)EEPROM，可重定位的256字節(jié)RAM;(2)16位高性能定時系統(tǒng)，8M晶振，定時器頻率2MHz，3個輸入捕捉，可測量脈沖數(shù)量及脈沖周期、寬度和相位等。5個輸出比較，可輸出PWM信號，可以完成各種定時控制功能，有定時溢出中斷功能;(3)串行通訊接口SCI，智能機(jī)器人用于和PC機(jī)通信。全雙工同步串行外圍接口SPI，用于擴(kuò)展外圍芯片和多機(jī)通訊,智能機(jī)器人將用于其他設(shè)備驅(qū)動;(4)復(fù)位,時鐘監(jiān)視復(fù)位，上電自動復(fù)位，外部Reset復(fù)位，系統(tǒng)保護(hù)特性:計(jì)算4機(jī)操作正常(COP)監(jiān)視(Watchdog);(5)特別地，MC68HC11系列具有自動下載功能，可以利用交互C語言(JC)開發(fā)高層應(yīng)用程序，也可開發(fā)低層驅(qū)動,還能交互調(diào)試。在綜合考慮了傳感器、兩部電機(jī)的驅(qū)動等諸多因素后，我們決定采用一MC68HC11A1單片機(jī)，能力風(fēng)暴充分利用MC68HC11A1的全部硬件資源。M68HC11系列單片機(jī)的結(jié)構(gòu)基本相同,它有兩個主要部分組成:控制單元和執(zhí)行單元?？刂茊卧袝r序發(fā)生器、控制存儲器和隨機(jī)控制邏輯組成，能為執(zhí)行單元提供所有的控制。執(zhí)行單元包含所有的寄存C68HC11系列采用模塊化設(shè)計(jì)，各種不同型號的單片機(jī)可由不同器、ALU和總線接口。M的模塊組成，MC68HC11A1是其中的代表產(chǎn)品，它速度快、功能強(qiáng)、功耗低、可靠性高、價格低。MC68HC11A1有CPU、片內(nèi)存儲器、定時器系統(tǒng)、串行口、A/D、并行I/O口，中斷和復(fù)位系統(tǒng)組成。2.2電機(jī)驅(qū)動方案選擇我們知道，機(jī)器人可以做很多動作，這些動作的配合也會產(chǎn)生非常多的效果，電機(jī)起著非常關(guān)鍵的作用。我們需要控制電機(jī)的因子有:電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)以及電機(jī)的調(diào)速，并且兩個電機(jī)是獨(dú)立驅(qū)動的。由這個分析我們設(shè)計(jì)的雙電機(jī)驅(qū)動電路有兩個驅(qū)動方案:方案一:使用雙極型D/A轉(zhuǎn)換芯片單片機(jī)使用一個8位并口輸出數(shù)字量，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換為-5V到+5V的輸出電壓，從而驅(qū)動電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，以及電機(jī)的調(diào)速。電壓絕對值越大，電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，反之越小。電機(jī)的正反轉(zhuǎn)由輸出電壓的極性控制。這個方案的優(yōu)點(diǎn)在于單片機(jī)編程簡單，只需要在一個8位并口上輸出對應(yīng)的數(shù)字量，電機(jī)驅(qū)動的部分直接交給D/A轉(zhuǎn)換電路，輸出0則反轉(zhuǎn)速度最大，輸出128電機(jī)不轉(zhuǎn)，輸出255電機(jī)正轉(zhuǎn)速度最大。但這個方案的缺點(diǎn)卻是很明顯的:首先是需要專用的D/A轉(zhuǎn)換芯片以及相應(yīng)的外圍器件電路，電路復(fù)雜，且模擬電路容易受環(huán)境的干擾，造成控制精度很差。其次，該方案中，一個電機(jī)的驅(qū)動電路就要占用一個8位并口，既8個單片機(jī)引腳，非常浪費(fèi)單片機(jī)的資源。雖然可以改由串口發(fā)送數(shù)據(jù)再由專用芯片轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)供D/A使用，但這樣又會大大增加硬件電路的成本和復(fù)雜度，同時降低穩(wěn)定性。所以，我們提出下面第二種方案。方案二:使用H橋驅(qū)動電路控制電機(jī)H橋電機(jī)驅(qū)動的原理比較容易理解，既使用四個晶體管組成一個電流H橋，電機(jī)接中間的橋臂，四個晶體管成對導(dǎo)通，從而在電機(jī)上產(chǎn)生相反的電流，控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速則由晶體管門極的導(dǎo)通時間和關(guān)斷時間的比值來控制。這種調(diào)速控制的方法叫做“脈沖寬度調(diào)制”(PWM)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速由PWM波的占空比控制。H橋驅(qū)動有專門的驅(qū)動芯片，常用的有L298，L293等。直流電機(jī)可以直接用L2985來驅(qū)動，它是一個雙H橋驅(qū)動芯片。圖2.2是一個L298驅(qū)動雙電機(jī)的電路。圖2.2L298驅(qū)動雙電機(jī)的電路L298使用5V電源供電(VCC)，電機(jī)的驅(qū)動電源VS輸入范圍是5-40V，ENA和ENB分別輸入電機(jī)1和電機(jī)2的驅(qū)動PWM信號，IN1,IN2,IN3,IN4為兩個電機(jī)轉(zhuǎn)動方向的控制。下面以左輪電機(jī)示例:ENA=1，IN1=1，IN2=0時，電機(jī)正轉(zhuǎn);ENA=1，IN1=0，IN2=1時，電機(jī)反轉(zhuǎn);ENA=1，IN1=1，IN2=1時，電機(jī)急停;ENA=1，IN1=0，IN2=0時，電機(jī)不動作;ENA=0時，電機(jī)不動作;、D2、D3、D4、D9、D10、D11、D12右輪電機(jī)的控制和左輪完全相同，該電路中，D1這八個二極管的作用是防止電機(jī)啟動和停止時，電機(jī)中電樞電感產(chǎn)生的反向電動勢燒壞芯片或者燒掉電機(jī)。由于PWM控制信號的頻率可能比較高，因此這八個二極管一定要選擇快速恢復(fù)二極管，最好選用電流1A以上的肖特基二極管，這有利于電路的穩(wěn)定運(yùn)行。2.3避障模塊方案選擇“能力風(fēng)暴”智能機(jī)器人主要功能為避障功能，能力風(fēng)暴是移動的機(jī)器人，為確保機(jī)器人行動安全。必須有避障模塊來使機(jī)器人能夠自主運(yùn)行，不能避障的機(jī)器人就不能行動自如，更不用說完成其他的功能，所以，避障模塊對機(jī)器人來說是非常重要的，根據(jù)本設(shè)計(jì)要求，可設(shè)計(jì)如下兩種方案來完成避障功能。方案一:采用一只紅外對管置于機(jī)器人前面。這種方案安裝簡易，也可以檢測到障礙物的存在，但難以確定智能機(jī)器人在水平方向上是否會與障礙物相撞，也不易讓智能機(jī)器人做出精確的轉(zhuǎn)向反應(yīng)，所以不能精確的檢測機(jī)器人的運(yùn)動狀態(tài)。方案二:采用兩只紅外發(fā)射管和一只紅外接收模塊構(gòu)成紅外傳感系統(tǒng)，主要用來檢測前方、左前方和右前方的障礙，檢測距離為10~80cm，這種方案很好的避免了機(jī)器人與左右兩6側(cè)的障礙物碰撞，也能對智能機(jī)器人與障礙物相對距離和方位能作出較為準(zhǔn)確的判別和及時反應(yīng)。但紅外接收模塊只有在接收到了一定強(qiáng)度的紅外光時才能起到質(zhì)的變化，認(rèn)為有障礙，所以遇到障礙物太細(xì)、紅外光強(qiáng)度不夠時，不足以產(chǎn)生有障礙的信號。紅外傳感器電路圖如下圖所示:圖2.3紅外傳感器電路圖比較兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，智能小車不要求太高的速度，為了能夠讓能力風(fēng)暴機(jī)器人更準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)避障功能，所以選擇第二種方案。2.4檢測模塊的設(shè)計(jì)2.4.1碰撞傳感器碰撞傳感器是使能力風(fēng)暴個人機(jī)器人有感知碰撞環(huán)上的碰撞信息能力的傳感器。在能力風(fēng)暴個人機(jī)器人的左前、右前、左后、右后設(shè)置有四個碰撞開關(guān)(常開)，它們與圖2.3碰撞傳感器方位碰撞環(huán)共同構(gòu)成了碰撞傳感器。碰撞環(huán)與底盤柔性連接，在受力后與底盤產(chǎn)生相對位移，觸發(fā)固連在底盤上相應(yīng)的碰撞開關(guān)，使之閉合。然后經(jīng)過控制器來完成相應(yīng)的動作，它在機(jī)器人中占有很重要的地位，通過碰撞傳感器來感知周圍的環(huán)境。我們把來自四周的7碰撞分為八個方向。在機(jī)器人碰到障礙物時相應(yīng)方向的行程開關(guān)接觸，從而產(chǎn)生電平變化信號，由單片機(jī)掃描檢測到以后判定該方向發(fā)生碰撞，然后控制執(zhí)行模塊使機(jī)器人轉(zhuǎn)向從而避開障礙物。其碰撞方位圖如圖2.3所示。2.4.2紅外傳感器能力風(fēng)暴運(yùn)用了2只紅外發(fā)射管(970nm)和一只紅外接收模塊構(gòu)成紅外傳感系統(tǒng)，主要用來檢測前方、左前方和右前方的障礙，檢測距離范圍為10,80cm。用戶可以通過調(diào)節(jié)IRLEFT和IRRIGHT兩個電位器來調(diào)節(jié)左右兩個紅外的檢測距離。主板中的R5為24K電阻，它將紅外光發(fā)射的調(diào)制頻率固化在38KHz左右，這是紅外接收模塊中帶通濾波器的中心頻率。紅外發(fā)射管的頭部象一個發(fā)光二極管，它是兩針的;紅外接收器的頭部是個集成塊，它是三針的。紅外接收模塊集成了紅外接收管、前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、峰值檢波器、整前電路和輸出放大電路，靈敏度很高。有時從紅外管側(cè)面和后面漏出的紅外光也會被接受模塊探測到，在能力風(fēng)暴個人機(jī)器人上，兩個紅外發(fā)射管和一個紅外接收器都是先裝在套管里再固定在外殼上的，有效的避免了這種情況的發(fā)生。用戶在自己擴(kuò)展紅外傳感器時，如果遇到這種情況，只需用黑膠布把發(fā)射管的側(cè)面和后部包住即可，紅外傳感器是靠發(fā)射并接收由障礙物反射回來的紅外光來判斷是否有障礙。圖2.4紅外測障原理示意圖在紅外線檢測避障中，紅外光以60度的散角向外發(fā)射，碰到障礙物然后反射回來，陰影區(qū)域分別是左右兩個紅外的反射光區(qū)域，而紅外的接收模塊正好處于左右兩個反射光區(qū)域內(nèi)，能接收到左右兩個紅外發(fā)射管的反射光，所以判斷此時前方有障礙，從而實(shí)現(xiàn)避障功能。紅外接收模塊只是在接收到了一定強(qiáng)度的紅外光時才起到質(zhì)的變化，認(rèn)為有障礙。所以，當(dāng)障礙物太細(xì)時，能力風(fēng)暴個人機(jī)器人會檢測不到;當(dāng)障礙物是黑色或深色時，會吸收大部分的紅外光，而只反射回一小部分，有時會使接收模塊接收到的紅外光強(qiáng)度不夠，不足以產(chǎn)生有障礙的信號。根據(jù)采集的數(shù)據(jù)可以判別是否有反射，只有在初始探測無反射而第二次探測有反射8時，左反射管才是有反射的，這樣系統(tǒng)才認(rèn)為左方有障礙。同理，初始探測無反射而第三次探測有反射時，右反射管才是有反射的，右方被認(rèn)為有障礙。2.4.3光敏傳感器能力風(fēng)暴個人機(jī)器人上有2只光敏傳感器，它可以檢測到光線的強(qiáng)弱。光敏傳感器其實(shí)是一個光敏電阻，它的阻值受照射在它上面的光線強(qiáng)弱的影響。能力風(fēng)暴個人機(jī)器人所用的光敏電阻的阻值在很暗的環(huán)境下為幾百,Ω，室內(nèi)照度下幾,Ω，陽光或強(qiáng)光下幾十Ω。光敏傳感器很靈敏，若需要左右兩個光敏傳感器對光強(qiáng)的反應(yīng)非常一致，則把光敏傳感器對準(zhǔn)照度均勻的白墻進(jìn)行調(diào)節(jié)，數(shù)字較小的一邊，在光敏傳感器上貼一小片黑膠布;或者通過軟件進(jìn)行偏差值調(diào)整，光敏傳感器在能力風(fēng)暴個人機(jī)器人里表現(xiàn)出的光越暗，數(shù)值越大，光越強(qiáng)，數(shù)字越小是因?yàn)?光敏電阻和10K的電阻R8，R10相連后構(gòu)成分壓器。左右兩個光敏電阻分別與模擬輸入口PE0，PE1相連，在系統(tǒng)中采集的是光敏電阻上的電壓值。光暗時，光敏電阻上的電壓接近5V，光強(qiáng)時，接近0V，模數(shù)轉(zhuǎn)換為8位數(shù)字量后的范圍為0-255。2.4.4麥克風(fēng)能力風(fēng)暴個人機(jī)器人上的麥克風(fēng)(microphone)是能夠識別聲音聲強(qiáng)大小的聲音傳感器，對著microphone發(fā)出一些聲音，可以看到microphone的值不斷變化。它的變化范圍是0,255。麥克風(fēng)采集到的信號通過LM386(IC5)進(jìn)行放大，放大倍數(shù)為200(由C13確定)，輸出信號接至PE2。沒有聲音時，電壓為2(5V左右，轉(zhuǎn)換為8位二進(jìn)制數(shù)后得到的十進(jìn)制整數(shù)為127左右。當(dāng)有聲音時，LM386的輸出電壓在2.5V上下波動。PE2測得的電壓和2.5V相減的絕對值越大，則聲音越大。如MIC=100=(127-27)與MIC,154=(127+27)表示兩次采集時的瞬時聲強(qiáng)是相同的,只是波動的方向不同。R1，C12構(gòu)成高頻濾波，濾去線路板其他元器件產(chǎn)生的高頻噪聲。2.4.5光電編碼器光電編碼器是一種能夠傳遞位置信息的傳感器，它由光電編碼模塊及碼盤組成。能力風(fēng)暴個人機(jī)器人有2只光電編碼器，運(yùn)用紅外發(fā)射接收模塊。反射器(即碼盤)是黑白相間的鋁合金制成的圓片，66等分。當(dāng)碼盤隨輪子旋轉(zhuǎn)時，黑條和白條交替經(jīng)過光電編碼器，反饋的信號狀態(tài)不同,即構(gòu)成一個脈沖。因此360度共產(chǎn)生33個脈沖，每個脈沖的分辨率約為10.91度，輪子直徑為65mm，則周長方面的分辨率約為6.19mm。碼盤裝在輪子的內(nèi)側(cè)，光電編碼器原理上也是靠發(fā)射與接收紅外光來工作的。能力風(fēng)暴個人機(jī)器人上用的光電編碼器芯片集成了發(fā)射與接收功能。紅外光射在黑色輻條上時沒有反射信號，因?yàn)榧t外光大部分已經(jīng)被黑色輻條吸收;當(dāng)紅外光射在白色輻條上時有反射信號，因?yàn)榧t外光在白輻條上反射強(qiáng)烈。92.4.6其他傳感器1.人體熱釋片傳感器人體熱釋片傳感器對移動的人體熱源敏感，加上菲涅耳透鏡后可以探測10米外的人體。能力風(fēng)暴裝上1個或幾個人體熱釋片傳感器后，你可以讓他一看見你，就向你迎過來，讓他跟著你走。2.超聲傳感器超聲傳感器是機(jī)器人測距的專業(yè)傳感器，測量距離一般為20cm-6m，測量精度為1%，是測量聲波發(fā)射與收到回波之間的時間差來測量距離的。運(yùn)用能力風(fēng)暴本體上帶的傳感器在房間里找到門不容易，但運(yùn)用聲納對房間掃描一周后，就能較方便找到房門。3.連續(xù)測距紅外傳感器SHARP公司推出了創(chuàng)新的GP2D02/GP2D12連續(xù)測距紅外傳感器，測量范圍為10cm-80cm，參加滅火比賽時，用它來找房間非常好。4.溫度傳感器想讓機(jī)器人動態(tài)告訴你氣溫嗎,加一個溫度傳感器是個好方法。能力風(fēng)暴的魅力在于你能控制所有的資源，直接領(lǐng)悟信息采集與處理的機(jī)制，以及如何處理現(xiàn)實(shí)情況的復(fù)雜性和難以預(yù)測性。2.5小結(jié)本章主要完成了系統(tǒng)方案的選擇及器件的選型，對系統(tǒng)各模塊有了初始的設(shè)計(jì)。通過查閱相關(guān)書籍和相關(guān)資料，知道了MC68HC11系列采用模塊化設(shè)計(jì)，各種不同型號的單片機(jī)可由不同的模塊組成，我選擇了MC68HC11A1。這個型號是其中的代表產(chǎn)品，它速度快、功能強(qiáng)、功耗低、可靠性高、價格低。由于程序代碼量也不是很大，為了合理完成對系統(tǒng)的控制，我們選擇68HC11A1作為主控芯片來完成對系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。10第三章機(jī)器人硬件電路設(shè)計(jì)能力風(fēng)暴的輪子一共有四只，兩只主動輪，兩只從動輪，主動輪帶動整個能力風(fēng)暴機(jī)器人運(yùn)動，從動輪起到平衡和導(dǎo)向的作用，在四只輪子的共同配合下能力風(fēng)暴機(jī)器人能夠完成向前直走，向后倒退，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)，原地打轉(zhuǎn)等這些平地上的技術(shù)動作,將紅外接受模塊裝在能力風(fēng)暴機(jī)器人的前面,當(dāng)檢外發(fā)射器裝在能力風(fēng)暴的左前和右前,紅測到有障礙時，控制器會控制平移速度和旋轉(zhuǎn)速度的大小，從而避開障礙。跟隨的原理和避障一樣，當(dāng)其檢測到有移動的物體時，會跟隨上去，沒有檢測到時，會一直停在原地。主板設(shè)計(jì)框圖如下圖所示:穩(wěn)壓與低壓復(fù)位系統(tǒng)4只碰撞傳感器電機(jī)驅(qū)動2只紅外傳感器MC68HC112只光敏傳感LCD器2只光電編碼喇叭驅(qū)動器1只麥克風(fēng)ASBUS總線串口通訊圖3.1能力風(fēng)暴機(jī)器人主板結(jié)構(gòu)3.168HC11A1最小系統(tǒng)摩托羅拉MC68HC11單片機(jī)的最小系統(tǒng)，即單片機(jī)要正常工作必須具備的最少外圍器件組成的電路，包括電源供給、復(fù)位電路、系統(tǒng)時鐘電路及其他部分。1.電源68HC11A8使用5V單電源供電，VDD是電源正，VSS是地。單片機(jī)內(nèi)部共有兩組電源，VDD和VSS是給單片機(jī)內(nèi)部數(shù)字電路供電，AVDD和AVSS是給內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換電路供電，兩部分電源可以單獨(dú)去耦，這樣可以減少模擬電路對數(shù)字電路的影響，保證了MCU核心11的穩(wěn)定性同時提高了A/D轉(zhuǎn)換的抗噪聲能力。2.復(fù)位電路68HC11A8的復(fù)位引腳是RESET，該引腳低電平有效，當(dāng)該引腳保持低電平8個時鐘周期則系統(tǒng)復(fù)位，該復(fù)位方式稱為外部復(fù)位。該單片機(jī)還有內(nèi)部復(fù)位，內(nèi)部復(fù)位時該引腳自動變?yōu)榈碗娖讲⒈３?個時鐘周期后變?yōu)楦唠娖?。另外，由于該單片機(jī)內(nèi)部有EEPROM，為了防止VDD電壓過低造成EEPROM中數(shù)據(jù)丟失，在穩(wěn)定的系統(tǒng)中應(yīng)使用低壓保護(hù)電路，既電源電壓過低時在RESET引腳上產(chǎn)生低電平使系統(tǒng)復(fù)位，從而防止EEPROM中數(shù)據(jù)的意外丟失。在本文的電路中由于仿真時電源穩(wěn)定，從而省略了低壓保護(hù)電路，直接讓RESET保持高電平，從而一直讓系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行而不復(fù)位。3.外部時鐘電路外部時鐘輸入引腳是XTAL和EXTAL。這兩個引腳直接接外部晶體振蕩器為系統(tǒng)提供時鐘，這里選用8M晶振，從而為系統(tǒng)提供時鐘。需要注意的是內(nèi)部時鐘的頻率是該晶振頻率的四分之一，既2M。系統(tǒng)時鐘可以在E管腳上輸出。4.中斷請求引腳的處理該單片機(jī)有兩個外部中斷引腳，分別為IRQ和XIRQ引腳。IRQ是異步中斷請求的輸入引腳，通過配置OPTION寄存器中的相應(yīng)位可以配置成下降沿觸發(fā)還是電平觸發(fā)，默認(rèn)是低電平觸發(fā)。該中斷引腳是可軟件屏蔽的。XIRQ是不可屏蔽中斷引腳。該引腳的機(jī)制是在CPU復(fù)位時系統(tǒng)自動將CCR寄存器中的X位置位，此時所有中斷被屏蔽，而此后不能通過軟件設(shè)置來屏蔽這個中斷，既這CCR中這個X位不能置位。該中斷是電平觸發(fā)中斷，不能配置成下降沿觸發(fā)。5.模式選擇根據(jù)前面敘述的該單片機(jī)工作模式，對照下表中的MODA和MODB的電平配置，我們選擇單片工作模式，因此MODA接VDD，MODB接地。Vrh和Vrl引腳的處理，這兩個引腳分別為單片機(jī)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換的參考電壓和模擬地，這里Vrh接VDD，Vrl接地。本系統(tǒng)根據(jù)能力風(fēng)暴機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，首先選用同系列的摩托羅拉68HC11單片機(jī)，在Proteus仿真平臺里搭建仿真環(huán)境，根據(jù)各部分需要的功能設(shè)計(jì)了以下模塊:電機(jī)驅(qū)動模塊，避障模塊，地面檢測模塊，用戶交互模塊。其中，各部分電路和程序均需重新從底層設(shè)計(jì)。因此本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)放在了基于68HC11單片機(jī)的底層軟件驅(qū)動的開發(fā)，和最后各模塊配合工作的調(diào)試上。最終，在Proteus仿真模型里實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，完成機(jī)器人行走、轉(zhuǎn)彎、后退功能，然后加入避障模塊的檢測，完成避障功能;最后加入地面灰度傳感器，和前面的模塊綜合聯(lián)調(diào)，經(jīng)過不斷的參數(shù)對比來完成綜合的避障和循跡功能。在仿真結(jié)束后，在能力風(fēng)暴機(jī)器人上再根據(jù)仿真的算法思想來設(shè)計(jì)具體的操作實(shí)物機(jī)器人的程序，完成實(shí)際機(jī)器人的避障和循跡等所有功能。123.2復(fù)位及啟動方式計(jì)算機(jī)有多種復(fù)位方式:上電自動復(fù)位;外部RESET復(fù)位;看門狗復(fù)位(軟件工作不正常時);時鐘監(jiān)視復(fù)位。能力風(fēng)暴采用前兩種復(fù)位方式，并且在工作是有4種工作模式可選。初始工作模式的確定是靠在MODA和MODB兩條引腳上加高低不同電平而實(shí)現(xiàn)的。1.單片工作模式只能是先有了應(yīng)用程序并寫入片子中，才能使之工作在單片方式下。在我們學(xué)習(xí)和開發(fā)單片機(jī)時，顯然不適合這種工作方式。2.擴(kuò)展模式單片機(jī)提供給外界數(shù)據(jù)總線和地址總線，允許用戶在64K空間上擴(kuò)展RAM和EPROM,，擴(kuò)展I/O。這給用戶開發(fā)程序帶來了極大的方便。這種方式的缺點(diǎn)是擴(kuò)展地址和數(shù)據(jù)總線占用了兩個8位的I/O端口，而另外擴(kuò)展出兩個8位并行口并不困難。當(dāng)開發(fā)工作基本完成后，回到單片方式去，將兩個并口還給系統(tǒng)，這種工作方式是開發(fā)階段最適用的。3.自引導(dǎo)模式在自引導(dǎo)模式下，單片機(jī)加電復(fù)位后，可以從串行口向芯片內(nèi)部的256個字節(jié)RAM中裝入一段程序，并開始執(zhí)行這段程序?？梢韵胂?，裝入的程序不同，單片機(jī)能實(shí)現(xiàn)很多不同的功能。例如對系統(tǒng)作不同的初始化，然后跳轉(zhuǎn)到不同的ROM中程序起始地址。只能等到對68HC11應(yīng)用嫻熟時才能這種工作方式也是要先有應(yīng)用程序在ROM中才行，用得巧妙。4.測試模式該模式用于工廠中對產(chǎn)品進(jìn)行測試，對這種模式暫不考慮。確切地說，工作模式的確定是靠68HC11復(fù)位后鎖存MODA和MODB端的電平狀態(tài)完成的，工作模式的切換也可用寫寄存器指令在程序中進(jìn)行。各模式和對用MODEA和MODEB對應(yīng)電平:單片模式(01)擴(kuò)展模式(11)測試模式(10)自引導(dǎo)模式(00)3.3檢測模塊硬件仿真3.3.1碰撞模塊仿真智能機(jī)器人通常用行程開關(guān)裝在機(jī)器人的周圍來感知碰撞，在機(jī)器人碰到障礙物時相應(yīng)方向的行程開關(guān)接觸，從而產(chǎn)生電平變化信號，由單片機(jī)掃描檢測到以后判定該方13向發(fā)生碰撞，然后控制執(zhí)行模塊使機(jī)器人轉(zhuǎn)向從而避開障礙物。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是電路簡單，驅(qū)動容易，軟件調(diào)試和編程也相對簡單容易。但是該方法由于檢測方法的限制，只能在機(jī)器人發(fā)生碰撞以后才能檢測，不能預(yù)先檢測到障礙物然后繞行，因此存在很大弊端。碰撞傳感器仿真電路圖如圖3.2所示:R94.7kR24.7kR84.7kR34.7kR74.7kR44.7kR64.7kR5C14C154.7k15u15u圖3.2碰撞仿真電路圖該電路中四個行程開關(guān)通過上拉電阻接單片機(jī)PE口，單片機(jī)PE口是專門的輸入口，通過軟件不斷查詢掃描PE口的高低電平就可以判斷出行程開關(guān)是否按下，按下時為低電平，則判斷出該方向碰到障礙了，不按下時為高電平,上拉電阻的作用是在沒有碰撞時是單片機(jī)輸入電平為高。3.3.2紅外避障模塊仿真紅外傳感器是機(jī)器人的感知行為的重要組成部分，紅外線一般是指波長在940nm以內(nèi)的光波，它的的特點(diǎn)是人的肉眼看不見，但是容易被障礙物反射回來。通過一個紅外接收管來檢測反射回來的紅外線強(qiáng)度，就可以判斷出機(jī)器人前面有沒有障礙物。但是做為傳感器，紅外探頭為了減少環(huán)境中可見光和其他波長光線干擾，通常要加載波調(diào)制成38Khz的調(diào)制波，然后再檢測。紅外避障一般使用940nm波長以內(nèi)的紅外發(fā)射探頭，通過單片機(jī)的IO口將信號波和調(diào)制波疊加后經(jīng)過三極管放大，通過紅外發(fā)射管發(fā)射出去。紅外接收管有專門的芯片，可以將接收到的紅外強(qiáng)弱轉(zhuǎn)換成電壓信號，送入單片機(jī)檢測。紅外壁障相對克服了行程開關(guān)壁障的弱點(diǎn)，不需要等機(jī)器人碰到障礙物了以后才判斷出障礙物的方向，可以在一定距離以內(nèi)不經(jīng)碰撞直接檢測出障礙物。但是其實(shí)現(xiàn)起來相對較復(fù)雜，使用元器件多，軟件編程要配合硬件來調(diào)整，比較復(fù)雜。紅外傳感器的仿真電路圖如圖3.3所示。14R12R114.7k4.7kU2U4U6R12727274.7k363636R10OPTOCOUPLER-NANDOPTOCOUPLER-NANDOPTOCOUPLER-NAND10kR17R18C830p1k1kLDR20.1X1LDR8MC9U130p30XTALPB[0..7]29EXTAL圖3.3紅外傳感器仿真圖27EPC[0..7]2526在仿真機(jī)器人紅外傳感器的部分時，遇到了仿真平臺Proteus里不能模擬紅外線被MODA/LIRSTRA2428MODBSTRB障礙物反射而被紅外接收探頭接收到的情況。因此在Proteus仿真里使用了模擬紅外傳418IRQPA0/IC3407XIRQPA1/IC2感器的折衷辦法，即:使用光耦來模擬紅外傳感器，使用按鈕來改變光耦接收信號的值396RESETPA2/IC15PA3/OC5/OC1來模擬紅外傳感器檢測到障礙物的電平信號變化，從而模擬出了紅外傳感器的工作模4PA4/OC4/OC1173PE0/AN0PA5/OC3/OC1182式。之所以用光耦而不直接用按鈕來模擬障礙物的信號，是因?yàn)楣怦畹墓ぷ髟硪彩怯蒔E1/AN1PA6/OC2/OC1191PE2/AN2PA7/PAI/OC120光電器件傳遞電平變化的信號，他們的工作原理基本一致，不同點(diǎn)是紅外避障傳感器是PE3/AN342PD0/RxD43PD1/TxD向外界發(fā)射紅外線，而光耦的發(fā)射和接收是封裝在塑料殼內(nèi)部的。44PD2/MISO45PD3/MOSI在真實(shí)紅外傳感器的工作機(jī)理中，為了減少環(huán)境光線對傳感器的影響，防止傳感器2246VRHPD4/SCK2147VRLPD5/SS誤檢測障礙物信號，需要對紅外發(fā)射管的信號進(jìn)行調(diào)制。這里，能力風(fēng)暴機(jī)器人上采用MC68HC11A1了最常用的38Khz載波信號調(diào)制的方法，讓紅外發(fā)射管發(fā)射的紅外線和38Khz載波疊加，從而產(chǎn)生38Khz紅外線檢測信號。在紅外接收探頭部分，直接使用工作在38Khz的紅外接收管，即可輸出相應(yīng)高低電平。既，有38Khz紅外線反射回來被接收管接收到，則輸出低電平，說明相應(yīng)方向上有障礙物;若沒有38Khz紅外線反射回來，輸出高電平，則說明相應(yīng)方向上沒有障礙物;若接收到的紅外信號不是38Khz，則說明這個信號是環(huán)境中光線或者其他信號的干擾，同樣輸出高電平，說明相應(yīng)方向上沒有障礙物。紅外避障電路是使用光耦模擬紅外傳感器的電路，電路的工作方式如下:光耦的發(fā)射端通過4.7K上拉電阻接5V，光耦輸出端通過2K電阻接地，然后將輸出端接單片機(jī)PA.0、PA.1、PA.2。按鍵用來模擬機(jī)器人相應(yīng)方向上可檢測范圍內(nèi)有障礙物的情況，當(dāng)按鍵按下時光耦發(fā)射端發(fā)射出去的紅外光被接收端接收，輸出端由光耦的自帶與非門輸出高電平，說明檢測到障礙物，從而完成避障。不難看出，紅外避障的控制流程和行程開關(guān)避障的控制流程相似，他們的軟件編寫方法也相似，但是不同點(diǎn)是，行程開關(guān)是接觸式避障，效果差;紅外避障是非接觸式避障，效果較好。153.4機(jī)器人動作驅(qū)動模塊機(jī)器人使用的各種傳感器是機(jī)器人的感覺器官，下面研究機(jī)器人的執(zhí)行器官。能力風(fēng)暴機(jī)器人采用圓形平板機(jī)身的設(shè)計(jì)，他的支撐機(jī)構(gòu)是由兩個處于直徑位置的主動輪和前后兩個萬向輪組成的。主動輪不僅承擔(dān)了機(jī)器人的動力，充當(dāng)“發(fā)動機(jī)”的角色，而且也完成轉(zhuǎn)向動作。機(jī)器人如何轉(zhuǎn)向?qū)⒃谙旅嬗懻?，首先介紹能力風(fēng)暴機(jī)器人的底盤結(jié)構(gòu)，如圖3.4所示:圖3.4能力風(fēng)暴機(jī)器人的底盤結(jié)構(gòu)圖機(jī)器人的行動是這樣控制的:直行:左電機(jī)正轉(zhuǎn)，右電機(jī)正轉(zhuǎn)，且轉(zhuǎn)速一致;R1114.7kVSS2VDDU2U4U63R12727VEE2744.7kRSR13R1953636RW3610k6LCD1E1kLM016LR107OPTOCOUPLER-NANDOPTOCOUPLER-NANDOPTOCOUPLER-NANDD010k8D19D2R17R18LDR110C80.1D3LDR1130p1k1kD412D5LDR2130.1X1D6LDR148MD7C9U130p30XTALPB[0..7]29EXTAL27EPC[0..7]2526RSMODA/LIRSTRAC52428RWMODBSTRBEC10U3418C7C615uIRQPA0/IC31.0u4071.0u1.0uXIRQPA1/IC254396RESETPA2/IC15PA3/OC5/OC1C2-C2+4R15PA4/OC4/OC1173PE0/AN0PA5/OC3/OC16VS-1k182PE1/AN1PA6/OC2/OC12VS+191PE2/AN2PA7/PAI/OC1R920PE3/AN389R2INR2OUT42PD0/RxD710R164.7kT2OUTT2IN43PD1/TxD13121kR1INR1OUT44R2PD2/MISO1411T1OUTT1IN45R144.7kPD3/MOSIC42246MAX2321.5kVRHPD4/SCKC1-C1+2147R8VRLPD5/SSMC68HC11A11.0u4.7k31C13R34.7kC1215uR7U5D7D8D9D109415uDIODEDIODEDIODEDIODE4.7k5R4VCCVSIN1724.7kIN2OUT110IN3123R6IN4OUT26ENA4.7k1113ENBOUT3+88.8R5114SENSAOUT4C14C154.7k15SENSBGNDD3D4D5D615u15uL298DIODEDIODEDIODEDIODE8圖3.5總電路仿真圖行進(jìn)中左轉(zhuǎn):左電機(jī)正轉(zhuǎn)，右電機(jī)正轉(zhuǎn)，左電機(jī)轉(zhuǎn)速小于右電機(jī);16行進(jìn)中右轉(zhuǎn):左電機(jī)正轉(zhuǎn)，右電機(jī)正轉(zhuǎn)，左電機(jī)轉(zhuǎn)速大于右電機(jī);后退:左電機(jī)和右電機(jī)均反轉(zhuǎn);原地180度轉(zhuǎn)彎:左電機(jī)正轉(zhuǎn)，右電機(jī)反轉(zhuǎn)，或者左電機(jī)反轉(zhuǎn)，右電機(jī)正轉(zhuǎn)，且兩個電機(jī)轉(zhuǎn)速一致。以一個電機(jī)為圓心;以機(jī)器人直徑為半徑做圓弧轉(zhuǎn)彎:左電機(jī)停轉(zhuǎn)，右電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，或者右電機(jī)停轉(zhuǎn)，左電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。Proteus仿真的總電路圖如圖3.5所示,該電路綜合了單片機(jī)最小系統(tǒng)、避障行程開關(guān)電路、紅外傳感器電路、電機(jī)驅(qū)動電路、按鍵、蜂鳴器、LED指示燈、串口模塊。3.568HC11單片機(jī)編譯環(huán)境68HC11單片機(jī)可以使用的IDE環(huán)境不多，這里選擇使用ICC11。ICC11集成開發(fā)環(huán)境是ICC公司面向摩托羅拉68HC系列單片機(jī)推出的一款集成開發(fā)環(huán)境，可以對68HC05到68HC11全系列單片機(jī)進(jìn)行代碼的編寫、編譯、連接、生成燒寫用的s19文件。68HC11單片機(jī)需要人為分配其ROM地址以供代碼存貯、堆棧和中斷向量表使用，這里修改include文件夾下的vector.c文件來完成。我們選擇C語言開發(fā)，使用C語言的好處是可移植性強(qiáng)，程序易讀易懂。Vector.c文件中，使用語句“#pragmaabs_address:0xffd6”定義中斷向量表的地址;然后將函數(shù)“void(*interrupt_vectors[])(void)”中的相應(yīng)默認(rèn)中斷向量入口地址“DUMMY_ENTRY”改為用戶需要使用的中斷服務(wù)程序名稱即可。原定義如下:#pragmaabs_address:0xffd6void(*interrupt_vectors[])(void){DUMMY_ENTRY,/*SCI*/DUMMY_ENTRY,/*SPI*/DUMMY_ENTRY,/*PAIE*/DUMMY_ENTRY,/*PAO*/DUMMY_ENTRY,/*TOF*/DUMMY_ENTRY,/*TOC5*/DUMMY_ENTRY,/*TOC4*/DUMMY_ENTRY,/*TOC3*/DUMMY_ENTRY,/*TOC2*/DUMMY_ENTRY,/*TOC1*/DUMMY_ENTRY,/*TIC3*/DUMMY_ENTRY,/*TIC2*/17DUMMY_ENTRY,/*TIC1*/DUMMY_ENTRY,/*RTI*/DUMMY_ENTRY,/*IRQ*/DUMMY_ENTRY,/*XIRQ*/DUMMY_ENTRY,/*SWI*/DUMMY_ENTRY,/*ILLOP*/DUMMY_ENTRY,/*COP*/DUMMY_ENTRY,/*CLM*/DUMMY_ENTRY,/*TIC1*/DUMMY_ENTRY,/*RTI*/DUMMY_ENTRY,/*IRQ*/DUMMY_ENTRY,/*XIRQ*/DUMMY_ENTRY,/*SWI*/_start/*RESET*/};#pragmaend_abs_address自定義完中斷向量表以后，需要在主程序的末尾加上語句include<vectors.c>來使用自定義的中斷向量表。在編譯環(huán)境中新建工程，添加文件后，必須設(shè)置軟件中的一些參數(shù)才能夠進(jìn)行在仿真，這些仿真參數(shù)保證了軟件能夠正常的仿真出來所想要的結(jié)果，在軟件中進(jìn)行如下設(shè)置就可以使用C語言進(jìn)行開發(fā)了:圖3.6編譯環(huán)境設(shè)置183.6小結(jié)本章設(shè)計(jì)出了68HC11單片機(jī)的最小系統(tǒng);設(shè)計(jì)了碰撞避障模塊，機(jī)器人通過周圍行程開關(guān)來感知碰撞，在機(jī)器人碰到障礙物時相應(yīng)方向的行程開關(guān)接觸，從而產(chǎn)生電平變化信號，由單片機(jī)掃描檢測到以后判定該方向發(fā)生碰撞，然后控制執(zhí)行模塊使機(jī)器人轉(zhuǎn)向從而避開障礙物;設(shè)計(jì)了紅外避障模塊，紅外避障一般使用940nm波長以內(nèi)的紅外發(fā)射探頭，通過單片機(jī)的IO口將信號波和調(diào)制波疊加后經(jīng)過三極管放大，通過紅外發(fā)射管發(fā)射出去。紅外接收管有專門的芯片，可以將接收到的紅外強(qiáng)弱轉(zhuǎn)換成電壓信號，送入單片機(jī)檢測，然后經(jīng)過處理完成相應(yīng)的動作。19第四章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與調(diào)試4.1系統(tǒng)流程圖設(shè)計(jì)4.1.1避障流程圖碰撞傳感器相當(dāng)于能力風(fēng)暴機(jī)器人的皮膚,通過他們可以使機(jī)器人在碰到障礙物后能做出反應(yīng),使機(jī)器人能夠正常的行走.碰撞檢測的軟件設(shè)計(jì)，就是在主函數(shù)里通過一個死循環(huán)讓其一直讀取PE口的電平，然后進(jìn)入判斷函數(shù)判斷四個行程開關(guān)的狀態(tài)。單片機(jī)檢測PE口的規(guī)則是:若檢測到二進(jìn)制數(shù)為0010，則說明左前方發(fā)生碰撞;若檢測到二進(jìn)制數(shù)為0001，則說明右前方發(fā)生碰撞;若檢測到二進(jìn)制數(shù)為1000，則說明左后方發(fā)生碰撞;若檢測到二進(jìn)制數(shù)為0100，則說明右后方發(fā)生碰撞。如果其他四個派生方向發(fā)生碰撞，則可經(jīng)過相應(yīng)的計(jì)算得到應(yīng)檢測到的值，從而判斷是哪個方向發(fā)生了碰撞。碰撞檢測避障是接觸后才能開始實(shí)現(xiàn)避障，如果沒有接觸則不能起作用，這是碰撞檢測避障的不利的方面。運(yùn)行仿真程序以后，系統(tǒng)既開始運(yùn)行，不斷掃描傳感器的信號。例:當(dāng)按下碰撞傳感器的“右前”時，PE3口電平被傳感器拉低，單片機(jī)檢測到這個電平變化既認(rèn)為機(jī)器人右前方碰撞傳感器動作，然后控制電機(jī)，首先左右電機(jī)同時減速，機(jī)器人剎車，然后右輪開始加速，左輪不加速，那么右輪轉(zhuǎn)速高于左輪，機(jī)器人開始左轉(zhuǎn)。左轉(zhuǎn)時兩個電機(jī)的轉(zhuǎn)速差很容易在仿真截圖中看出:從圖中讀數(shù)，左輪電機(jī)轉(zhuǎn)速為20，右輪電機(jī)轉(zhuǎn)速為36，顯示此時機(jī)器人正在左轉(zhuǎn)。這就完成了一次避障過程。其他方向的避障過程類似，左前方有障礙時，機(jī)器人調(diào)整右轉(zhuǎn);正前方有障礙時，機(jī)器人掉頭，然后行走;后邊被撞到后，機(jī)器人加速，然后恢復(fù)正常行駛。紅外傳感器是能力風(fēng)暴機(jī)器人的眼睛，他能夠和人眼一樣，在看見前方的障礙物后，通知“大腦”然后避開。紅外傳感器共包含兩種器件:紅外發(fā)射管和紅外接收管，通過插針位置圖就可以發(fā)現(xiàn)紅外接收管位于能力風(fēng)暴機(jī)器人的正前方，兩只紅外發(fā)射管位于紅外接收管的兩側(cè)，他們共同組成了能力風(fēng)暴機(jī)器人的“眼睛”。紅外傳感器是機(jī)器人的重要組成部分，機(jī)器人主要靠他來避開障礙物，從而保證自己能夠正常的行走。紅外避障模塊的仿真和避障開關(guān)的作用非常相似，不同之處僅在于紅外和碰撞行程開關(guān)的實(shí)現(xiàn)機(jī)理不同，程序的流程是相同的。既:當(dāng)按下紅外傳感器的“右前”觸發(fā)按鈕時，模擬的是機(jī)器人左前方向的紅外傳感器檢測到障礙物反射回來的38Khz紅外線，這時通過光耦輸出端與非門模擬紅外接收管輸出的低電平，PA2口電平被傳感器拉低，單片機(jī)檢測到這個電平變化既認(rèn)為機(jī)器人右前方遇到障礙，然后控制電機(jī)，首先左右電機(jī)同時減速，機(jī)器人剎車，然后右輪開始加速，左輪不加速，那么右輪轉(zhuǎn)速高于左輪，機(jī)器人開始左轉(zhuǎn)。這就完成了一次紅外避障過程。相比碰撞檢測的避障過程，紅外避障是非接觸20的。避障系統(tǒng)控制流程圖如下:子程序開始子程序開始紅外傳感器碰撞傳感器檢測值數(shù)值YY障礙物在前面發(fā)音并轉(zhuǎn)身碰撞物在左前方,發(fā)音并右轉(zhuǎn)NNYY障礙物在左前方發(fā)音并右轉(zhuǎn)碰撞物在右前方,發(fā)音并左轉(zhuǎn)NNYY障礙物在右前面發(fā)音并左轉(zhuǎn)碰撞物在左后方?發(fā)音前進(jìn)并右轉(zhuǎn)NN前進(jìn)前進(jìn)并左轉(zhuǎn)，發(fā)音延時一個采樣周期延時一個采樣周期圖4.1避障流程圖4.1.2循跡與智能跟隨流程圖機(jī)器人智能跟隨在機(jī)器人應(yīng)用中占有很重要的地位，可以通過這個功能讓機(jī)器人跟人行走，為了提高機(jī)器人的智能性，就要求機(jī)器人全自主的對移動的主人進(jìn)行準(zhǔn)確的跟隨，機(jī)器人的智能跟隨是通過紅外傳感器實(shí)現(xiàn)的，程序開始后，在機(jī)器人前面放一移動的物體或者人站在機(jī)器人前面。機(jī)器人就會跟隨上去，隨著障礙物移動，如果前方有移動的物體，機(jī)器人就向前運(yùn)動，如果左前方有移動的物體，機(jī)器人就會左轉(zhuǎn)然后再前進(jìn)，完成機(jī)器人的智能跟隨動作。21地面灰度檢測傳感器是能力風(fēng)暴機(jī)器人的第三只眼睛，如果說前兩只眼睛起到探知外界環(huán)境以躲避外界障礙的作用，那么這第三只眼睛就是利用外地面環(huán)境提供的不同信息，根據(jù)傳感器采集的數(shù)值來執(zhí)行相應(yīng)的動作，如沿地面上黑色線條前進(jìn)。地面檢測傳感器可以探測到地面各個位置的不同顏色和不同亮度，它由一個發(fā)光管和一個光敏電阻組成。我們以黑白兩種顏色的地面為例，能力風(fēng)暴在進(jìn)行地面檢測時，首先由發(fā)光管發(fā)出光線，然后光敏電阻就可以檢測地面反射回來的光線的強(qiáng)度，我們知道黑、白兩種顏色反射光的能力不一樣，白色地面反射的光線多，而黑色地面反射的光線少，這樣當(dāng)光敏電阻檢測到反射光的強(qiáng)弱時就將信息發(fā)回給“大腦”，大腦就可以根據(jù)這個信息判斷出檢測到的地面是黑色的還是白色的，機(jī)器人就可以沿著地面上黑色的線條前進(jìn)了。這就是智能機(jī)器人的循跡功能。其流程圖如圖4.2所示:開始開始紅外檢測數(shù)值紅外檢測數(shù)值YY前方是否有障礙右轉(zhuǎn)人在前面前進(jìn)NNY人在左前面左轉(zhuǎn)并前進(jìn)前進(jìn)NY人在右前面右轉(zhuǎn)并前進(jìn)地面灰度檢測值N延時一個采樣周期N是否沿黑線前進(jìn),發(fā)音并調(diào)整Y結(jié)束顯示延時一個采樣周期圖4.2循跡與智能跟隨流程圖結(jié)束224.2驅(qū)動程序與編程基于C的單片機(jī)編程一般有兩個構(gòu)造:一、使用嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng);二、使用前后臺查詢的方式。第一種方法是實(shí)時性最好的一種方法。目前市面上有許多實(shí)時操作系統(tǒng)可以供選擇，例如UcOSII，VxWorks等等。UcOSII有很高的可裁剪性，對于68HC11單片機(jī)有限的資源和有限的ROM來說比較合適。但是其移植非常復(fù)雜，盡管實(shí)時性很高，但是不適合本機(jī)器人的開發(fā)，會大大增加該機(jī)器人控制系統(tǒng)的開發(fā)難度。第二種方法是比較常見的一種偽實(shí)時的方法，既前后臺查詢的方法。單片機(jī)是單流水線工作的，而單片機(jī)要控制的外設(shè)卻有多個:一組避障開關(guān)，一組紅外傳感器，一組光敏傳感器，一組光電編碼器，兩個電機(jī)，蜂鳴器，LED等等。因此，當(dāng)一個外設(shè)需要單片機(jī)響應(yīng)的時候，單片機(jī)并不能保證實(shí)時響應(yīng)。一個折衷的辦法是讓單片機(jī)以一定的頻率查詢各個外設(shè)的端口，并將查詢結(jié)果不斷的更新到相應(yīng)的全局變量中，然后在主函數(shù)里不斷掃面這些全局變量的值，根據(jù)變量的值的變化控制外設(shè)的動作，這樣可以做到相對實(shí)時性比較好，而且編程較為簡單。這種方法稱為前后臺方式。根據(jù)電機(jī)的硬件電路連接，PD2、3控制左電機(jī)的方向，PD4、5控制右電機(jī)的方向，由前面分析得知，PD2、3、4、5分別輸出0101時機(jī)器人直行。因此直行的程序?yàn)?voidMotorGoSt(void){DDRD=DDRD|(bit(2)|bit(3)|bit(4)|bit(5));//將PD2345設(shè)置為輸出PORTD=PORTD&(~(bit(2)|bit(3)|bit(4)|bit(5)));//先將PD2、3、4、5都置零Delay(10);//延時PORTD=PORTD&(~(bit(2)|bit(4)));//將PD2、PD4設(shè)置為低電平Delay(10);PORTD=PORTD|(bit(3)|bit(5));//將PD3、PD5設(shè)置為高電平}做仿真的目的就是要在實(shí)物編程之前了解機(jī)器人底層的運(yùn)行機(jī)理和實(shí)現(xiàn)的控制方法。然而，Proteus仿真的局限性決定了它只能模擬各部分電路的信號，而不能顯示機(jī)器人實(shí)際的運(yùn)行狀態(tài)，例如走了多遠(yuǎn)，紅外避障多遠(yuǎn)的距離才有效，最致命的是，物理上紅外傳感器檢測的是障礙物反射38Khz紅外線，而仿真中根本沒有辦法模擬障礙物反射紅外線的過程，因此只能在仿真中用光耦代替紅外傳感器。那么，在程序移植時就要考慮能力風(fēng)暴自身的軟件條件和硬件條件。能力風(fēng)暴機(jī)器人使用的是自由的JC交互語言開發(fā)環(huán)境，而不是基于原68HC11單片機(jī)的編譯環(huán)境，JC交互開發(fā)環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)是擁有豐富的庫函數(shù)，許多底層模塊的驅(qū)動不需要再重新編寫。但是，它的缺點(diǎn)是不自由，由于能力風(fēng)暴的硬件電路圖并沒有公開，因此我們也不能自行23的修改其底層的驅(qū)動程序，只能利用現(xiàn)有的庫函數(shù)來實(shí)現(xiàn)原來仿真的控制方法。在能力風(fēng)暴實(shí)物中，對原有仿真程序的改動為:將中斷程序去掉，改由主程序中while(1)永遠(yuǎn)循環(huán)來查詢傳感器狀態(tài)。假設(shè)定義碰撞用全局變量為bmpr,則碰撞傳感器檢測行為語句為bmpr=bumper();即可采樣得到碰撞傳感器的狀態(tài)。用ir=ir_detect()就可以得到紅外傳感器的值。因此，實(shí)物中，能力風(fēng)暴機(jī)器人的運(yùn)行流程和仿真的軟件控制流程一樣，只是檢測方式改變了。該系統(tǒng)工作的流程如圖4.3所示。開始關(guān)閉全局中斷初始化設(shè)置10ms定時中斷打開全局中斷查詢碰撞傳感器狀態(tài)查詢紅外傳感器狀態(tài)根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)，控制電機(jī)與LED動作圖4.368HC11系統(tǒng)工作的流程圖能力風(fēng)暴智能機(jī)器人有很多庫函數(shù)，這些庫函數(shù)讓能力風(fēng)暴調(diào)試編程更容易些，利用庫函數(shù)可以編程各種程序，使機(jī)器人更加智能化。244.3按鍵檢測軟件設(shè)計(jì)在仿真中我們使用了一個按鍵用來控制仿真程序的運(yùn)行，一個按鍵通過上拉電阻接到PA7上。一般的按鍵輸入軟件接口程序通常非常簡單，在程序中一旦檢測到按鍵輸入口為低電平時，便調(diào)用軟件延時程序延時10ms。然后再次檢測按鍵輸入口，如果還是低電平則表示按鍵按下，轉(zhuǎn)入執(zhí)行按鍵處理程序。如果第二次檢測按鍵輸入口為高電平，則放棄本次按鍵的檢測，重新開始一次按鍵檢測過程。這種方式實(shí)現(xiàn)的按鍵輸入接口，可做為基礎(chǔ)學(xué)習(xí)和一些簡單的系統(tǒng)中可以采用，但在多數(shù)的設(shè)計(jì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，這種按鍵輸入軟件的實(shí)現(xiàn)方法有很大的缺陷和不足。傳統(tǒng)簡單的按鍵檢測處理方法，不僅由于調(diào)用了軟件延時而使得MCU的效率降低，而且也不容易同系統(tǒng)中其他功能模塊協(xié)調(diào)工作，系統(tǒng)的實(shí)時性也差。在仿真中，實(shí)驗(yàn)用延時的方法處理的按鍵檢測程序?qū)斐蓡纹瑱C(jī)判斷障礙物的實(shí)時性變差，效果不好。將單個按鍵看出一個狀態(tài)機(jī)，首先需要對一次按鍵操作和確認(rèn)的過程進(jìn)行分析，然后根據(jù)實(shí)際情況和系統(tǒng)需要確認(rèn)按鍵在整個過程的狀態(tài)和每個狀態(tài)的輸入信號和輸出信號，以及狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，最后還要考慮時間序列的間隔。按鍵的操作是隨機(jī)的，因此系統(tǒng)軟件對按鍵需要一直循環(huán)查詢。由于按鍵的檢測過程需要進(jìn)行消抖處理，因此取狀態(tài)機(jī)的時間序列的周期約為10ms。這樣不僅可以跳過按鍵抖動的影響，同時也遠(yuǎn)小于按鍵0.3s-0.5s的穩(wěn)定閉合期，不會將按鍵操作過程丟失。0為按鍵的初始狀態(tài)，這個狀態(tài)我們稱為狀態(tài)1。當(dāng)有按鍵按下時，系統(tǒng)查詢到按鍵按下的電平變?yōu)榈碗娖?，則跳到狀態(tài)2;由于每隔10ms判斷一次按鍵的狀態(tài)，因此只有當(dāng)過了10ms后進(jìn)入中斷判斷，如果此時是狀態(tài)2，并且按鍵仍處于狀態(tài)2，則跳到狀態(tài)3，在狀態(tài)2中輸出按鍵的判斷結(jié)果。如果按鍵一直按下沒有松開，那么在下一個按鍵檢測周期中狀態(tài)3沒有跳出來，并不會繼續(xù)輸出判斷結(jié)果，所以就沒有了按鍵連擊的錯誤。當(dāng)按鍵松開后，下一個檢測周期來臨時，由狀態(tài)3轉(zhuǎn)換到狀態(tài)1，重新準(zhǔn)備好了下一次按鍵的檢測。設(shè)計(jì)出了68HC11單片機(jī)的最小系統(tǒng),設(shè)計(jì)了碰撞避障模塊，機(jī)器人通過周圍行程開關(guān)來感知碰撞，在機(jī)器人碰到障礙物時相應(yīng)方向的行程開關(guān)接觸，從而產(chǎn)生電平變化信號，由單片機(jī)掃描檢測到以后判定該方向發(fā)生碰撞，然后控制執(zhí)行模塊使機(jī)器人轉(zhuǎn)向從而避開障礙物;設(shè)計(jì)了紅外避障模塊，紅外避障一般使用940nm波長以內(nèi)的紅外發(fā)射探頭，通過單片機(jī)的IO口將信號波和調(diào)制波疊加后經(jīng)過三極管放大，通過紅外發(fā)射管發(fā)射出去。紅外接收管有專門的芯片，可以將接收到的紅外強(qiáng)弱轉(zhuǎn)換成電壓信號，送入單片機(jī)檢測;設(shè)計(jì)了機(jī)器人動作驅(qū)動模塊，即電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計(jì);完成了基于狀態(tài)機(jī)的按鍵檢測軟件設(shè)計(jì)。254.4程序下載與調(diào)試寫好的應(yīng)用程序必須下載到能力風(fēng)暴個人機(jī)器人上運(yùn)行。我們可以選擇菜單上“下載”來下載當(dāng)前窗口里的應(yīng)用程序或直接選擇工具欄里“下載當(dāng)前程序”按鈕完成同樣的操作，JC會在交互式窗口里顯示你的應(yīng)用程序的編譯下載過程。如果編譯下載都正確，JC會在最后一行顯示“完成”表明下載成功。下載過程中，你可以看到控制板前面的黃色LED在閃動，表明數(shù)據(jù)在傳動。但是，若你編寫的JC的程序有語法錯誤，那么JC編譯就不會通過,也不能下載。JC會在交互式窗口里顯示程序的語法錯誤，提示錯誤可能在第幾行(已用括號注明)，并提示可能的語法錯誤。請回原程序窗口(可以在菜單“窗口”里找到你的程序窗口)，修改有關(guān)錯誤，再次編譯下載，直到?jīng)]有編譯錯誤下載成功為止。用戶程序下載后，按下能力風(fēng)暴的“復(fù)位”鍵就能立即運(yùn)行。也可以先關(guān)機(jī)，拔掉串口線，帶到其他場地，開機(jī)就能運(yùn)行原來下載的程序。4.5小結(jié)本章主要進(jìn)行了硬件仿真電路的設(shè)計(jì)及其仿真，設(shè)計(jì)了機(jī)器人動作驅(qū)動模塊，即電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計(jì);完成了基于狀態(tài)機(jī)的按鍵檢測軟件設(shè)計(jì)。硬件仿真電路綜合了單片機(jī)最小系統(tǒng)、避障行程開關(guān)電路、紅外傳感器電路、電機(jī)驅(qū)動電路、按鍵、蜂鳴器、LED指示燈、串口模塊。這里選擇了ICC11集成開發(fā)環(huán)境，可以對68HC05到68HC11全系列單片機(jī)進(jìn)行代碼的編寫、編譯、連接、生成硬件連接圖仿真燒寫用的s19文件。完成了仿真實(shí)驗(yàn)，能模擬出碰撞避障和紅外避障功能。26總結(jié)我做的畢業(yè)設(shè)計(jì)題目是:“能力風(fēng)暴”智能機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，開始選題時，由于不知道機(jī)器人的題目有實(shí)物，所以就沒有選擇這個。后來經(jīng)過老師對每個題目的分析，感覺智能機(jī)器人挺有意思的，也比較喜歡動手操作，所以就選擇了這個題目。開始做時，對MC68HC11系列單片機(jī)完全不了解，自己從網(wǎng)上下了介紹這個系列單片機(jī)的書籍，從內(nèi)部結(jié)構(gòu)到I/O口，到通信和擴(kuò)展，花費(fèi)了很長時間對它有了了解。最roteus中模擬完成了設(shè)計(jì)要求的部后，在馮老師幫助下，我掌握了它的使用方法，在P分功能。因?yàn)橛袑?shí)物，在拿到能力風(fēng)暴后，需要用自帶的編程軟件進(jìn)行程序調(diào)試，我仔細(xì)閱讀了交互式語言的有關(guān)書籍，因?yàn)閷W(xué)習(xí)過c語言，便很快理解了JC語言的編譯方法，并在能力風(fēng)暴中實(shí)現(xiàn)了避障等功能。27參考文獻(xiàn)[1]胡漢才.單片機(jī)原理及系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2002:103-188.[2]王耀南.機(jī)器人智能控制工程[M].北京:科學(xué)出版社,2004:156-201.[3]鐘玉琢,喬秉新等.機(jī)器人視覺技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,1994:156-189.[4]蔡文貴.CCD技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,1992:233-276.[5]趙加祥.TMS320C54xDSP應(yīng)用程序設(shè)計(jì)教程[J].2007,8(2):122-138.[6]辛春艷.VHDL硬件描述語言[M].北京:國防工業(yè)出版社,2002:89-122.[7]趙明忠,顧斌,王鈞銘等.DSP應(yīng)用技術(shù)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2004:56-147.[8]張俊謨，北京工業(yè)大學(xué)教師.單片機(jī)中級教程:原理與應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2000:135-208.28外文資料5.1DiscreteDeltaDomainModelsqTheforwardshiftoperator,,definedinsection?12.5isthemostcommonlyuseddiscretetimeoperator.However,insomeapplicationstheforwardshiftoperatorcanleadtodifficulties.Thereasonforthesedifficultiesareexplainedbelow.Althoughthereisaclearresemblancebetweenthedifferentialoperatormodelofequation(4.2.4)andtheshiftoperatormodelofequation(12.5.2),thereisasubtle,butfarreaching,differencebetweentheserepresentations.Toillustrate,considerthefirstordercontinuoustimeequationdy(t)(5.1.1),y(t)，y(t),，y(t),u(t)dtAndthediscreteshiftoperatorequation(5.1.2)aqy(t)，ay(t),bu(t)2k1k1kExpandingthedifferentialexplicitlyasalimitingoperationin(5.1.1),weobtainy(t，,),y(t)(5.1.3)lim()，y(t),u(t),,0,Ifwenowcompare(12.8.1)totheexpandedformof(5.1.2)(5.1.4)ay(t，,)，ay(t),bu(t);211where,,t,tk，1kwethenseethatthefundamentaldifferencebetweencontinuousanddiscretetimeistangiblycapturedbythelimitingoperationin(5.1.3).Beyondthat,however,wenoticethaty(t，,),y(t)(5.1.3)isfundamentallybasedonarelativeandtimescaleddisplacementfrom,theabsolutepositiony(t),whereas(5.1.4)modelsthesamedynamicsbythetwoabsolutepositionsy(t)and.Inlaterchapterswewillseethatthissubtledifferencepreventsy(t，,)thediscretetimeresultsbasedonshiftoperatorsfromhavinganysensiblerelationshiptothecorrespondingcontinuoustimeresultsas??0.Thisfundamentaldifficultyisavoidedbyuseofanalternativeoperator;namelytheDeltaoperator:f((k，1),),f(k,)(f(k,)),(5.1.5),,Where?denotesthesamplingperiod.Forsampledsignals,animportantfeatureofthisoperationistheobservationthat29lim[,{f(k,)}],,(f(t))(5.1.6),,0I.e.Asthesamplingtimegoestozero,theδoperatortendstothedifferentialoperator.Note,however,thatnoapproximationswillbeinvolvedinemployingthedeltaoperatorforfinitesamplingperiodssincewewillderiveexactmodeldescriptionsrelevanttothisoperatoratthegivensamplingrate.Example12.7.ConsiderthePIcontrollerofExample12.4onpage322andlet?denotethesamplingperiod.Dividingbothsidesof(12.4.5)by?leadstothefollowingexactDeltadomainformofthecontroller:c1(5.1.7),u(k,),c,e(k,)，e(k,)2,Indeltaform,thegeneraldiscretemodel(12.4.1)canbeexpressedas1nn,m,,,,,y[k]，a,y[k]，？，ay[k],b,u[k]，？bu[k](5.1.8)100n,m(a,b)Notethatthereisasimpleonetoonerelationshipbetweenthecoefficientsin(12.4.1)ii,,and(a,b)in(5.1.8).iiDiscretetimestatespacemodelscanalsobedescribedinthedeltadomain.Theappropriatestatespacemodelformatis(5.1.9),x[k],Ax[k]，Bu[k],,(5.1.10)y[k],Cx[k]，Du[k],,Wecanreadilyconvertadiscretestatemodel,giveninshiftformtooneindeltaform(andviceversal).Forexample,themodel(12.5.3),(12.5.4)becomes,(AI)B,qx[k]x[k]qq,，(5.1.11)x[k]u[k],,,y[k],Cx[k]，Du[k]qqThismodelisasin(5.1.9),(5.1.10)whereA,IBqq(5.1.12)A,;B,;C,C;D,D,,,q,q,,Example12.8.ForthePIcontrollerofexample12.7onthefacingpagewehavec1(5.1.13)A,0,B,,C,1,D,c,,,,2,Thesolutionof(12.8.9),(12.8.10)iseasilyseentobek,lklx[k],(I，A,)x[0]，,(I，A,)Bu[k,l,1](5.1.14),,,,0l,k,1kLy[k],C(I，A,)x[0]，C,(I，A,)Bu[k,l,1]，Du[k](5.1.15),,,,,,,l,0305.2DiscreteDeltaTransformAscanbeseenfrombycomparingtheresultsinTable12.1withthoseinTable4.1,expressionsinLaplaceandZ–transformdonotexhibitanobviousstructuralequivalence.Intuitively,wewouldexpectsuchanequivalencetoexistwhenthediscretesequenceisobtainedbysamplingacontinuoustimesignal.InparticularonewouldexpectthattheLaplaceTransformshouldapproachtheZ–transformasthesamplingfrequencyincreases.Wewillshowthatthisindeedhappensifweusethealternativedeltaoperator.Toshowhowthisarisingfromsamplingacontinuoustimeoccurs,considerthesequence{y[k]},y(k,)signalevery?seconds.y(t)RecallthattheLaplaceTransformisgivenby,st,(5.2.1),[y(t)],ey(t)dt,0,ItisnaturaltoseekadiscreteversionofthisLaplaceTransformbyusingtheRiemannsum,stx,(5.2.2)Y(s),ey(t),t,k,,k,kk0,Forreasonstobemotivatedpresently,itisalsodesirabletoinvoketheisomorphicchangeofarguments,(5.2.3)e,1，,,