实用机器人制作讲座_十五_计算机与微控制器的接口_上_.pdf

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1、一一实用机器人制作讲座十五刊口陈森饰编译计算机与微控制器的接口上机器人的大脑并不是工作在真空里。它们需要与电机连接,以便让机器人运动它们也需要与传感器连接,以便感知周围的情况。在大多数情况下这些外部设备不能直接连接到机器人的计算机或徽控制器。相反地,通常需要对这些输入进行特殊处理,以适合机器人大脑使用。本章讲述把真实世界的设备与计算机和徽控制器连接起来的最常见,最实用的方法。为了读者方便起见,本章的一些内容与其他章有点重复以利于衔接。一、传感器作为输入迄今为止,机器人最常用的输入是传感器,从极简单者到极复杂者。所有的传感器都有一个目的为机器人提供它可以使用的数据,以作出聪明的决定。例如,温度传

2、感器可以帮助机器人决定继续工作下去是否太热。或者,“能钟表”机器人可能会记录下整个房间内它走过的地方的温度,寻找温度变化大的地方表明该处有能泄漏。传感器类型从大的方面来说,传感器有两种类型,如图所示。辨麒由位、字节或其他的分立台阶形式的效值来表示倍号数字传感器提供通断或真假的结果。开关是数字传感器的好例子开关不是断开就是闭合。模拟传感器提供一个范围的许多数值,通常是电压。在许多情况中,这种传感器提供可变的阻值或电流,然后由外部电路转换成电压。例如硫化锅】电阻的电阻值在光的照射下发生剧烈改变。在配上一个固定电阻的简单电路中,硫化锅电阻用来输出一个可变的电压。无论是数字还是模拟传感器,最后的输出都

3、是电压,可以馈送给计算机、微控制器或其他电子器件。在数字传感器方面,机器人电路感兴趣的只是电压属于逻辑“低”通常为伏或逻辑“高”通常为伏。所以,数宇传感器往往不需附加的接口电路,可以直接连到机器人控制用的计算机。在模拟传感器的悄形中,可变的电压电平必须由附加的机器人电路转变成适合控制计算机使用的形式。这一般孺要使用模数转换器,本章在后面将会详述。传感器实例制作机器人的一大乐趣是考虑它们采用哪些新方法来对环境改变作出反应。现在有许多很便宜的传感器,因而这种事做起来很容易。新传感器还层出不穷,而且与最新的发展保持同步。对于业余爱好者的机器人制造师来说,不是所有的新颖传感器都是买得起的您要买万多美元

4、的视觉系统,那等于白日做梦。但是,价廉物美的其他传感器多的是,许多还只售几美元。本讲座将在以后讲述了适合于机器人应用的许多不同类型的常用传感器。下面的简介是要暖暖您的胃口。声纳测距器。它利用反射声波来判断距离。它的有效测距离大约是英尺到英尺。接近或运动声纳。利用反射的声波来判断机器人是否在接近物体即所谓“接近检测”。人、狗等的运动会使反射的声波发生改变,同样可以检测出来。其测范围为英寸至英尺。红外浏距器或接近度感知器。利用反射的红外光来确定距离和接近度。检浦的距离一般为英寸至或英尺。光检测器。各种光检测器能够检查出有无光线。当光检测器成组称为“阵列使用时,它们可以检测出有无图案。由数千个光敏元

5、件组成的阵列型光检测器如摄像机】可以用来作为机器人的眼睛。热电红外检测器。热电红外检测器能检查出热影像的变化经常被用作运动检测器。检测的距离为至英尺或更远。语音输入或语音识别。您的声音和讲话可以用来给机器人发命令。声音。机器人能够检测音源。您可以调节机器人使它只听某些声波长或高于某一音的声音。接触开关。接触开关被用作“触摸传感器。当这些开关被触动时,便表示机器人接触到某些物体。加速计。它用来检测速度的变化和或地球引力的变化。加速计可以用来确定机器人的活动速度或偏离其中心是否达到危险程度。气体或烟界检测器。气体或烟雾检测器可 以查出有害气体或有毒烟雾是否达到危险的程度。沮度传感器。温度传感器可

6、以查出环境或外加的热。环境热是房间或空气的热外加热是直接加到传感器上的某些热源或冷源。二、电机和其他输出机器人利用各种输出来作出一些身体反应。最经常的做法是把一个或更多的电机作为机器人的翰出使机器能够运动。在活动机器人上电机驱动车轮,使机器人可以在地面上活动。在静止机器人上,电机被安装在手竹和手掌机构上,使机器人可以抓住和操纵物体。电子一作年绍翔电机并不是为机器人提供活动能力的唯一手段。机器人可以利用螺线管绕桌子踊跃,或利用泵和阀门给气动或水流动压力系统提供动力。不管机器人使用什么系统基本概念都是相同的机器人的控制电路如计算机把电压送到输出端,去接通电机、螺线管或泵。当电压撤除时,电机之类的执

7、行装停止动作。其他的常用翰出类型其他的输出类型用于以下目的声音。机器人可 以发声来,告您注意面临的危险或者恐吓入侵者。如果您已建造了一之类的机器人那么机器人可能用啾声和噢噢声与您交流。但您仍能听恤它讲的意思。话音。合成的或录制的话音使机器人能够以更像人的方式进行交流。视觉指示。利用发光二极管、数值显示器、或液晶显示器之类的视觉指示帮助机器人以直接的方式与您交流。考虑功率而求机器人的愉出通常是 驱动重负载电机、螺线管、泵、甚至于大音的声音,因而需要很大的电流。典型的机器人控制计算机不能在任何翰出端提供大于的电流。这只够点亮一个或两个,但远不足以满足其他播要。为了用一个输出端驱动负载必须增加一个大

8、功率元件 以提供适当的电流。这样的功率元件可以是一个晶体管这么简单也可以是现成的功率驱动器电路,它能够驱动很大马力的大型电机。一种常见的功率驱动器是电桥,这种叫法来源于其中所用的多个晶体管以电机或其他负载为中心组成“日形线路请参阅“直流电机工作原理“,可更深入了解形电桥。电桥可直接连接机器人的控制计算机,以便向负载提供合适的电压与电流。三、输入与输出结构机器人的体系结构需要模式设定或传感器之类的输入以及电机控制或语音之类的输出。如您所知计算机或徽控制器的基本输入和输出是两态的二进制电压电平断和通,通常为伏和伏。两类接口用来把 这 些几高低】数宇信号转换给机器人的控制计算机,它们是并行接口和串行

9、接口。并行接口在并行接口中利用根线每次传输多位的数据。并行接口能够在较短的时间内传输更多的信息因而并行接口的速度高。它每次发送整个字节位】的数据。在打印文本时,每个字节代表一个不同的字符如或。这些字符可以用不同组合的位数据来表示。串行接口并行接口的缺点是耗用了机器人计算机或徽控制较多的输入输出线。控制计算机的外接线线很有限,一盘为根或更少。如果机器人使用两个位的并行口,就没有什么线可供他用。另一方面,串行接口只用一根线来传输数据,因此节约了线。串行接口的工作方式是把一个字节分成一个个的位 然后以一个文件的方式把每个位沿线路发送下去。串行接口有许多种方案,分别使用、或根线。另外的线被用于在数据的

10、发送方和数据的接收方之间进行定时和协调等。机器人可用的许多传感器都有串行接口,从表面上看串行接口似乎比并行接口不太好用。但事实上并非如此,如果硬件和软件严格配合的话。在您可以使用来自传感器的串行数据之前,您必须先拆分出所有的位,然后把它们组装成位或位数据,用它来代表某种有意议的数值【如传感器与某个物体之间的距离。重组串行数据会比较容易,如果您使用计算机或徽控制器的话因为在控制计算机里有您所裕的软件替您做一切工作。例如,“只藉一条命令就可做好这项工作。在本书的余下几章中,您会学会机器人的计算机和其他电子控制电路的更多知识。四、输出接口一州。继电,又又心心卜卜翰入控制如前所述,大多数翰出电路耍求比

11、机器人的控制电路计算机、徽处理器、徽控制器所能提供的还要大的电压和电流。所以,您需要莱种形式的功率驱动器,以便把控制电路提供的伏断通信号转变成输出所姗的电流和或电压电平。图至图是各种具体的实现方法,其中包括继电器、晶体管、下电子翻作侧娜年,翔正向反向。,沟道朋某些数字翰入设备的工作电压可以不同于控制电路的工作电压。如果您把电压源差别很大的部件连接在一起,翰入设备或控制电路就可能发生错误的动作甚或损坏。这样的一些接口铸耍所谓的逻辑翻译电路。有几种集成电路可以提供这些功能。您可以利用标准的和,逻辑芯片做成所姗的大多数接口。图说明使用不同电源 的一电路伏如何与电路连接即使两种电路都用伏电源,也要用这

12、个电路。图有异曲同工之妙是如何把使用不同电源的电路转换到电路。使用光电隔离器器特隔密间斯或为器示冲图级启动阴方向刹车橄处理器徽控制器翰入徽控制器输入【工一厂一或高于电源的电压阅丁器任何门抽入任何门功率晶体管、分立元件日电桥、单一封装的电桥和缓冲器电路。所有这些电路各有优缺点,在本书中的相关部分将分别叙述。为了更详细 了解这些功率驱动器技术,请特别留意“直流电机工作原理”和“步进电机工作原理”的章节。五、数字输入接口以下几节讲迷机器人控制 电路微控制器、计算机或徽控制器】的数宇翰入端的常见连接方法。基本接口概念开 关和其他严格意义 上的数字通断传感器可以方便地连接到控制电路。图至说明其中的各种方

13、法,包括开关式传感器的直接连接、开关消顺器接口和缓冲器接口,建议多采用缓冲器以把翰入源与控制电路隔开。不同电压电平的接口请注意以上两个 电路都有公 共地。您可能需要使输入部分的电源和控制电路的电源完全分开。最容易的做法是使用现成的光电祸合器,其封装与封装一样。图说明光电隔离器的墓本概念输入源控制发光二极管,而控制电路的输入端连至光电隔离器的光检测器。电子创作年 策翔自己动手制作导航地图三如何利用软件精确校准地图口阂雪峰前两篇文章已经把大家引入了如何利用软件制作导航地图的门槛,相信有些读者已经开始小试牛刀了。不过光会用软件还不行必须位得如何利用各种资源巧妙搭配,做出真正精确的好图,那才是我们用这

14、款软件的真正目的。下面给大家介绍一个技巧如何用带有经纬度的地曰来校准地图身边有很多印刷的纸质地图都带有经纬度【地图上纵横交错的小方格便是经纬度线,虽然这些经纬度的构成和印刷精度都不高,甚至经常发生比例失调,但是对于很大比例的地图来说,我们是不可能跑出去采集很多航点的,在这种没有任何可以利用的校准数据的情况下,用这些经纬度来校准地图确实是一种最简单和有效的方法。如下图广东省地图上共有个经纬度点 这种图就是我们要寻找的典型的带有经纬度的纸质地图运行程序,用菜单中的“文件”一“载入并矫正地图图像把份要校准的地图调入。将上 图扫描成尸格式的电子文档并转换成最高效的地图文件,格式是,作为最后使用的导航地

15、图。有关地图的扫描和文件格式转换,请参阅前两期文章。有一 点要注意一旦地图用于校准后,其大小和位都不能再改变了,否则就需要重新校准了。当然在不改变大小和位皿的前提下,增加一条线路或移动一个村庄还是可以的。或高干电源的电压较入的任何门翰出竺夕“任何门请注意,由于光电隔离器的每一侧各有自已的电源,所以可以用这些器件来进行简单的电平移动,例如把信号变成信号,或者反过来。齐纳二极管辅入保护如果信号源可能超过控制电路的工作电压,您可以用一个齐纳二极管去钳住翰入端的电压。齐纳二极管的作用如同阀门,只有在加到其上的电压达到玉玉翰出光电隔离器限流电限根据摇要输入输出齐纳借齐纳管某一值时它才导通。如图所示,把齐纳二极管连接于翰入端的十和地之间,您基本上就可以把多余的电压旁路掉,防止它达到控制电路。齐纳二极管有各种不同的电压标准或,伏齐纳管作为翰入端接口保护是最理想的。选用的齐纳二极管瓦数指标取决于输入端上承受的最大电压和翰入端流过的电流。对于大多数应用来说,源信号不超过,一伏,因此,瓦的齐纳管对付这种情况绰绰有余。流过的电流越大,就要用更大瓦数的电阻。本 刊 读者服务郁提供一种制作潜力极强机器人平 台,可扩 充印个控制接口,详细资抖见本刊网站一柳介绍。叮一智能机器人闷扫元套另加元坏费电瓶及 专用充 电 器元套另加元娜费。欲汇北京信 箱电子制作杂志社,邮编电子侧作年,翔