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1、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，具有防盗监控，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。本设计以美国德州仪器公司的单片机MSP430F247为中央控制核心，采用彩色CCD摄像头UM-800C采集图像，温度传感器DS18B20测量温度，火焰传感器R2868检测火灾，反射型红外光电开关RMF-DU10检测障碍物，两个直流减速电机为主要动力驱动，液晶显示屏OCM2X16B显示机器人参数及运行状态，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
2、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。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。关键词：智能监控；温度传感器；火焰传感器；视频监控；无线传输。目 录1 设计任务42 方案设计及可行性分析42.1 中央处理器的选型42.2 视频图像的采集42.3 温度的检测52.4 火灾的监测52.5 障碍物探测52.6 动力及转向系统62.7视频无线传输方案62.8 电源系统73 总体方案的设计73.1 机器人的总体
3、设计73.2 监控中心的设计83.3 转向系统机械结构设计94.电路部分硬件设计94.1系统总电路图94.2 中央处理单元94.3 视频图像的采集与显示104.4 温度的采集114.5 火灾的识别检测124.6 动力驱动设计134.7 机械手臂的驱动设计144.8 无线数据传输154.9 视频的无线传输155 程序设计及功能实现175.1 机器人主程序控制流程图175.2 监控报警程序控制175.2.1 温度超限报警175.2.2 火灾监测报警195.3 自动避障算法及程序控制195.4 无线数据通信收发程序205.5 主机监控系统软件介绍216 功能测试与性能调试226.1功能测试226.2
4、性能调试227 结论22附 录23附录1 系统总电路图23附录2 制作实物照片24附录3 机器人实物照片25可移动监控机器人1 设计任务本设计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。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，火灾，防盗的监控功能，发现情况及时报警。3） 可以远程控制机器人的移动，并控制机器人拍照，录像等。发挥部分1） 制作监控中心，机器人实时将采集的图像无线传输到监控中心。2） 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
5、自主移动监控。3） 可以遥控机器人的手臂完成一些简单动作。4） 其它。2 方案设计及可行性分析2.1 中央处理器的选型可行性方案：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FPGA作为处理器，功能强大，运算速度快，各种接口可以使用。3）采用单片机控制，处理速度相对较低，但成本低廉。决策方案：采用单片机作为控制器，本设计本着降低成本的原则设计。2.2 视频图像的采集可行性方案：1）采用彩色数字CCD，图像清晰，像素分辨率高，价格比较贵。2）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。3）采用近距离无线摄像头，可以用无线视频
6、接收机接收视频。缺点是发射功率小，无法实现稍远距离的无线传输。决策方案：采用方案2，另配以大功率无线视频发送模块实现视频图像的采集。2.3 温度的检测可行性方案：1）采用集成电路式半导体温度传感器AD590，测温范围为-50-+150。2）采用专用单线数字温度传感器DS18B20，测温范围为-55-+125。3）采用IC总线的温度传感器LM75A，测量范围：-55+125。4）采用热敏电阻式HM815温度传感器，测量范围：-10+110。决策方案：由DALLAS半导体公司生产的DS18B20型单线智能温度传感器,属于新一代适配微处理器的智能温度传感器,它具有体积小，接口方便，传输距离远，价格低
7、等特点。因此选用方案2。 2.4 火灾的监测可行性方案：1）采用红外光敏电阻，检测到火焰发出的红外光时输出模拟电压信号，但是受外界光线影响太大。2）用烟雾传感器。烟雾传感器广泛应用与火灾检测。如果火灾较小，烟雾不大时难以检测到。3）用紫外传感器检测火焰。紫外火焰传感器主要应用于火灾消防系统，尤其是一些易燃易爆场所，用来监测火焰的产生。紫外线火焰传感器的灵敏度高，相应速度快，抗干扰能力强，对明火特别敏感，能对火灾立即作出反应。决策方案：采用方案3，反应迅速，远距离就可以识别火灾，灾情较小时亦可识别，且这种传感器型号较多，可根据具体性能要求选择合适的型号。2.5 障碍物探测可行性方案：1）采用红外
8、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，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
9、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。2.6 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）使用步进电机，能够精确控制位移量，可实现机器人精确定位行使。但成本较高。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
10、，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。2.7 视频无线传输方案一般无线数据通讯的架构如图2.1：信源交换器信宿变换器接收器发送器传输信道图2.1 通信系统架构图 本设计要用到无线视频监控，因此必须要解决视频的无线传输问题。无线视频传输的可行性方案：1）采用频率为2.4GHz无线视频发射模块， 由CPU 编程来控程无线通信过程。缺点是要占用CPU，且对CPU速率要求较高。2）采用四频道无线微波影音传输模块。用单片机即可控制模块的工作状态和频道的选
11、择，发射与接收比较方便。决策方案：采用方案2，本设计采用单片机为中央控制单元，因此选用方案2比较合适，其次四频道无线微波影音传输模块很好购买，价格也不很贵。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， 采用两块7.2V大容量镍镉充电电池组提供电能。一块电池通过5V稳压电路给单片机、传感器、显示器供电和12V斩波升压电路为CCD传感器供电。另一块电池专用于动力和转向系统。电源
12、系统的设计结构如图2.2。7.2V充电电池组5V稳压器MSP单片机DC-DC12V升压CCD传感器传感器系统7.2V充电电池组驱动电机6V稳压舵机无线视频发射模块图2.2 电源系统的设计结构3 总体方案的设计3.1 机器人的总体设计仓库监控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、 车载显示系统、无线数据传输系统、电源系统、主机监控系统组成。传感器系统中央处理器驱动及转向系统车载显示系统电源系统无线数据传输系统主机监控系统图1.1 系统结构框图3.2 监控中心的设计除了机器人之外，还应有一个主机监控系统(即主控台，见图2.3），包括无线数据收发器和PC机监控软件,采用PC机做终端
13、监控显示器。本监控系统主要的任务是完成显示图像及处理接收到的数据，及时反映机器人的运行状态、报警情况以及发送控制信号等。 图2.3 机器人和主控台监控系统3.3 转向系统机械结构设计图1.2 机器人底盘实物图由图1.2可以看出机器人是靠两个动力轮和一个万向转向轮支撑的，动力轮用两个相同型号的减速直流电机驱动，当两个电机转速相同时，机器人直线行驶，调节两个电机转速差，可以实现机器人自由转弯，当两电机转向相反时，可以实现机器人原地转向。因此，这样设计是非常合理的。4.电路部分硬件设计4.1系统总电路图系统总电路图见附录1。4.2 中央处理单元MSP430 f247是一个 16 位的、具有精简指令集
14、的、超低功耗的混合型单片机，采用了精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式（ 7 种源操作数寻址、 4 种目的操作数寻址）有较高的处理速度，在 8MHz 晶体驱动下指令周期为 125 ns 。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。16 位的数据宽度、 125ns 的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加）相配合，能实现数字信号处理的某些算法（如 FFT 等）并且其抗干扰能力强，适应温度范围宽，还可以很方便地实现多机和分布式控制。使整个系统的效率和可靠性大为提高。MSP430 F247主要功能特性： MSP430F247单片机最小系统电路图如图4.1所示。图4.1 MSP430F247
15、单片机最小系统电路图4.3 视频图像的采集与显示本设计采用带有红外光探照灯的CCD摄像头（如图3.2）。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 图3.2 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。电池只能够提供7.2V 电压，所以要选用升压电路来升压为CCD
16、提供12V的稳定电压。升压芯片我们选用的是摩托罗拉公司的MC34063API,转换效率高，升压的范围也比较广，最大能够提供1.5 A 的电流，足够CCD 使用。所需的外围器件也较少。其电路原理图如图4.3所示。图4.3 12V 升压电路原理图4.4 温度的采集由DALLAS半导体公司生产的DS18B20型单线智能温度传感器,属于新一代适配微处理器的智能温度传感器,可广泛用于工业、民用、军事等领域的温度测量及控制仪器、测控系统和大型设备中。它具有体积小，接口方便，传输距离远等特点。 DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM,温度传感器,非挥发的温度报警触发器TH和TL,高速暂存器
17、。DS18B20的管脚排列如图3.5所示。 图3.5 DS18B20封装引脚分布图图 3.6 温度传感器18B20 DS18B20与单片机的连接有两种方法，一种是Vcc接外部电源，GND接地，I/O与单片机的I/O线相连；另一种是用寄生电源供电，此时UDD、GND接地，I/O接单片机I/O。无论是内部寄生电源还是外部供电，I/O口线要接5K左右的上拉电阻。本电路采用Vcc接外部电源接法，通过软件编写18B20的驱动程序，串行数据输入输出，读取温度传感器18B20测得的温度值。4.5 火灾的识别检测火焰传感器是将火焰燃烧时发出的光线（可见光、红外光、紫外光）检测出来，并能换成相应的标准二线制4-
18、20mA信号输出的仪表，这种仪表具有灵敏可靠、寿命长、使用简单的特点。 火焰传感器R2868可以探测 185 到 260 个不同的狭窄光谱敏感源。它对可见光完全没有感应,也不需要过滤器任何可见光(不像半导体探测器)。 它具有很小的体积和很宽敏感角度(择向性),并能快速准确地发现从火焰被发出的弱紫外线。(能够探测 5 m 或在稍远处发现香烟点大小的火焰。) 图4.7 R2868传感器电路R2868火焰传感器发现火灾会发出信号，经比较器将其整形为TTL电平输入单片机的PT0脚，当单片机检测到PT0口的一系列脉冲时，即发现火灾。4.6 动力驱动设计本设计采用PWM信号控制的场效应管开关电路，配合测速
19、传感器能够精确调整电动机转速，并使用两个快速继电器的动作实现驱动电机的正反转控制。驱动电路（见图4.2）采用PWM控制的场效应管开关电路。图4.2 动力驱动直流电机控制电路这种电路由于工作在管子的饱和截止状态下，效率非常的高。开关速度快，稳定性强。精确调整电动机转速。每个直流电机分别用两个继电器控制电机的正反转，实现机器人前进，转弯，后退等动作。本电路还利用霍尔传感器检测机器人的速度，使机器人具有更高的移动精度。在对直流电动机电枢电压的控制和驱动中，半导体功率器件在使用上可以分为两种方式：线性放大驱动方式和开关驱动方式。在线性放大驱动方式，半导体功率器件工作在线性区，优点是：控制原理简单，输出
20、波动小，线性好，对邻近电路干扰小。但是功率器件工作在线性区，效率低和散热问题严重。开关驱动方式是使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制（PWM）来控制电动机的电枢电压，从而实现电动机转速的控制。电动机的电枢绕组两端的电压平均值U0为： （31）占空比D表示了在一个周期T里开关管导通的时间与周期的比值。D的变化范围为0Dl。由式（3-2）可知，当电源电压Us不变的情况下，电枢两端电压的平均值U0取决于占空比D的大小，改变D值也就改变了电枢两端电压的平均值，从而达到控制电动机转速的目的，即实现PWM调速。4.7 机械手臂的驱动设计机械手臂和头部的运动是用舵机来驱动的，每个活动的关节处使用一个
21、舵机。舵机是标准PWM信号来驱动的，一般PWM控制信号的周期为20ms,其调制波如图3.8所示。当给舵机输入脉宽为0.5ms，即占空比为0.5/20=2.5%的调制波时，舵机右转90度；当给舵机输入脉宽为1.5ms，即占空比为1.5/20=7.5%的调制波时，舵机静止不动；当给舵机输入脉宽为2.5ms，即占空比为2.5/20=12.5%的调制波时，舵机左转90度。可以推导出舵机转动角度与脉冲宽度的关系计算公式为：注：其中t为正脉冲宽度（ms）；为转动角度；当左转时取加法计算，右转时取减法计算结果。图3.8 舵机驱动PWM波形两只机械手臂和头部的运动是用舵机控制的，总共用了7个舵机，其连接电路如
22、图11。舵机的驱动是采用标准的PWM信号控制的，每个舵机使用单片机的一路PWM。图 4.5 机械手臂控制电路4.8 无线数据传输DF数据发射模块的工作频率为315M，采用声表谐振器SAW稳频，频率稳定度极高，当环境温度在2585度之间变化时，频飘仅为3ppm/度。特别适合多发一收无线遥控及数据传输系统。声表谐振器的频率稳定度仅次于晶体，而一般的LC振荡器频率稳定度及一致性较差，即使采用高品质微调电容，温差变化及振动也很难保证已调好的频点不会发生偏移。图4.8 无线数据发送与接收电路4.9 视频的无线传输本设计采用四频道无线微波影音传输模块实现视频的无线传输。四频道无线微波传输模块主要由一个高频
23、发射器和接收器组成，发射功率微弱，不会对其它设备酿成干扰，无需架设线缆，适合超市、商店、农场、果场、小型工厂、生产车间、仓库、办公室、计算机房、网吧、图书馆、音响店、医院特护以及家庭中监护使用。四频道无线微波传输模块说明如图3.12。接收模块(PZD-12S001)A：天线接口B：频道控制，从左至右为第4、3、2、1频道C：视频输出接口D：音频输出接口注意：频道设定应与发射机对应发射模块(PZD-12F500A)A：天线接口B：频道控制，从左至右为第1、2、3、4频道C：AV信号、电源四芯输入接口D：音频输入接口注意：频道设定应与接收机要对应图3.12 四频道无线微波传输模块说明5 程序设计及
24、功能实现5.1 机器人主程序控制流程图查询运行状态参数散转表开始状态运行子程序等待设置参数，待命状态PE1中断更改运行参数结束解码程序，接收数据火灾检测子程序结 束重新设定TIMER定时TIMER定时中断（T=1S）温度检测子程序图5.1 机器人主程序控制流程图5.2 监控报警程序控制5.2.1 温度超限报警CPU对DS18B20的访问流程是：先对DS18B20初始化，再进行ROM操作命令，最后才能对存储器操作，数据操作。DS18B20每一步操作都要遵循严格的工作时序和通信协议。如主机控制DS18B20完成温度转换这一过程，根据DS18B20的通讯协议，须经三个步骤：每一次读写之前都要对DS1
25、8B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。本设计中温度超限报警程序流程图如图5.4所示。YDS18B20初始化开始ROM操作命令设定温度报警界限N结 束是否超限？温度超限报警读取温度寄存器的值并转化成图5.4 温度超限报警程序流程图5.2.2 火灾监测报警YTIMER定时中断（T=1S）结 束开启捕获通道PT0（下降沿有效）计数器灵敏度？155？火灾报警N重新设定TIMER定时计数器清零注：灵敏度参数在主程序中可以设置图5.5 火灾监测报警程序流程图本程序采用TIMER定时中断监测火灾，定时为1S,当捕获通道PT0在1S内捕捉到
26、的脉冲数大于灵敏度，即为有火灾情况，如果小于灵敏度，则视为干扰信号，此算法可大大排除由其它光源等因素造成的干扰。5.3 自动避障算法及程序控制避障系统需要的重要数据，是机器人与障碍物的距离参数。使用红外光电传感器检测前方没有障碍物，本设计采用了三个红外光电开关相差45安装。安装布局如图5.6。图5.6 红外光电开关安装布局 检测障碍物位置与行走策略见表5.2所示。表5.2 检测障碍物位置与行走策略障碍物位置传感器1传感器2传感器3行走策略无000继续前进正前010随机左右转左100右转右001左转左前110右转右前011左转左前右111转180后，向前行根据上图，在程序中建立决策跳转表。程序控
27、制流程图（如图5.7）：YN调用行走策略子程序有无障碍物？查询决策跳转表向前行驶开始采集传感器的数据图5.7 自动避障程序控制流程图5.4 无线数据通信收发程序无线发送和接收数据程序控制流程图（如图5.8）：NY开始启动发送端口更新发送数据键盘有无按下？结束PE1中断调用任务子程序查询程序散转表结束接收数据图5.8 无线发送和接收数据程序控制流程图5.5 主机监控系统软件介绍图5.9 主控台实时监控图像主机监控软件具有自动检测通讯线路的连接情况，接收并显示监控的视频图像，能通过软件界面显示机器人运行状态，检测温度，防盗报警等信息。图5.9为机器人实时监控的图像。软件还可以对监控情况实时拍照，录
28、像等。当温度超限或发现偷盗情况时可以发出语音报警。通过软件实现远程遥控操作机器人。6 功能测试与性能调试6.1功能测试1） 图像监控：机器人通过CCD 摄像机采集仓库内环境的图像，通过高频载波将图像实时发送到主机监控系统（PC 机端），图像很清晰。2） 温度监控： 温度传感器检测现场温度后将数据无线传送到监控台，监控台屏幕上实时显示温度值。3） 火灾监控：发现火灾后能够向主机发送报警信号，主机系统发出语音报警。4） 防盗监控：开启防盗监控功能后，发现有人闯入时准确报警。5） 巡逻监控：机器人设置为巡逻监控模式，能够按照设定的线路巡逻，并能识别障碍物，自动饶过障碍物行驶。6） 遥控操作：机器人设
29、置为遥控模式时，主机系统可以无线远程遥控机器人。6.2性能调试通过对软件算法的优化以及参数的调整，机器人运动更加灵活自如，在一定程度上实现了机器人的柔性动作，基本上消除了机器人的失控，误报警等现象。7 结论本设计通过远程监控台实时对仓库进行图像监控，并能够直观、形象、美观的显示机器人的运行状态。 机器人实时检测仓库内的温度和火灾情况，并将数据无线传输到监控台，当温度发生超限或发现火灾时可以发出警报，此时，监控台的监控软件还可以发出语音警报。本设计比较实用，经济，可靠。能够适应各种不同的仓库环境的监控，有效监控距离达到150米，如果在直线无障碍的情况下，有效监控距离可以达到1000米。如将此机器人应用到其它场合，同样可以起到很好的跟踪监控效果。因此，此机器人具有很大的市场推广价值。附 录附录1 系统总电路图 附录2 制作实物照片 附录3 机器人实物照片
