一种爬梯机械人的设计
结构有利于实现高层次的智能级。基于知识的体系结构遵循的是从感知到动作的串行功能分解控制路线，是一种典型的自上向下构建系统的方法。本文的结构环境模型比较适合采用该控制体系，后面两种体系结构比较适合课题的延伸使用，在此不再叙述。
本课题的整个爬楼梯机器人系统组成如下图4.2所示。
图4.2 机器人系统组成框图
本系统主要包括红外测距电路、陀螺仪测角电路、电机驱动电路、单片机及其外围电路四大块组成。根据总体设计思路，本系统主要由以下几部分组成：
（1）红外发射电路：由单片机控制发射电路使发射换能器向外发射脉冲。 （2）红外接收电路：发射波经障碍物反射回来，由接收换能器接收回波，并经放大电路与整形电路送至单片机。
（3）陀螺仪测角电路：陀螺仪上的加速度计将测得的加速度信息传输给单片机系统，然后由单片机系统将信息转换成车体与前进方向的夹角或车体爬楼时与竖直方向的夹角传输给陀螺仪，陀螺仪在施矩信息作用下，通过平台稳定回路控制平台（载物台）及车身的姿态，实现机器人的保持载物台水平和车身与楼梯宽度方向的垂直。
（4）电机驱动电路：系统要求控制两个直流电机实现机器人的前进、后退和转向。前方无障碍物时小车轮驱动电机正转，使机器人保持前进状态；若前方楼梯在机器人的能力范围内时，锁轴器工作锁紧小车轴与管轴，小车轮驱动电机保持正转；若前方障碍物高度在机器人能力范围之外，红外传感开始测距，当机器人离障碍物的距离大于某个距离时，小车轮转向电机转动带动后轮轮组左右摆动，机器人开始转向并保持前进；当机器人离障碍物的距离小于某个距离时，小车轮驱动电机反转，机器人保持姿态后退，
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待后退到离障碍物有一定距离时，小车轮驱动电机正转，小车轮转向电机转动带动后轮轮组左右摆动，实现机器人的避障功能。
（5）单片机外围电路：单片机正常工作所必需的外围电路，如外接晶振、复位按钮、“看门狗”电路等。 4.3控制系统主要硬件的选择 4.3.1单片机的选型
（1）单片机简介
随着大规模集成电路的出现及其发展，将计算机的CPU、RAM、ROM、定时/计数器和多种I/0接口集成在一片芯片上，形成芯片级的计算机，因此单片机早期的含义称为单片微型计算机，直译为单片机。单片机外加一些电子元件便可以构成一套简易的控制系统。随着集成电路技术的进步，由单片机构成的计算机应用系统的功能也日益增强，应用领域也越来越广，因此很多公司都致力于开发单片机系统。MCS-51、8051是美国Intel公司推出的比较常用的单片机，同时几家设计半导体芯片的公司陆续推出与之兼容的单片机，如ATMEL89C51系列单片机、DALLAS DA80C320单片机、WINBOND W78C31单片机、Silicon Labs C8051F系列单片机等。本系统采用Silicon Labs公司的C8051F310单片机。
（2）C8051F310单片机性能介绍
C8051F310，它是一种完全集成的混合信号片上系统型MCU芯片，内部主要集成了SMBus/ⅡC、增强型UART和SPI串行接口、单端/差分ADC、高精度可编程的内部时钟振荡器、VDD监视器、内部上电复位模块、捕捉/比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器/定时器阵列(PCA)等功能部件。C8051F310使用Silicon Laboratories专利的高速CIP-51微控制器内核，70%的指令执行时间为一个或者两个系统时钟周期；工作电压为2.7～3.6V，典型工作电流为5mA，功耗比较低。另外，此单片机还具有16kB可在系统编程的FLASH存储器，可用于非易失性数据存储。
C8051F310的主要特性：高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核(可达25MIPS),全速、非侵入式的在系统调试接口(片内)，带模拟多路器、真正10位200ksps的25通道单端/差分ADC，高精度可编程的25MHz内部振荡器，16KB可在系统编程的FLASH存储器，1280字节片内RAM，硬件实现的SMBus/ⅡC、增强型DART和增强型SPI串行接口，4个通用的16位定时器，具有5个捕捉/比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器/定时器阵列(PCA)，片内上电复位、VDD监视器和温度传感器，29/25个端口I/0(容
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许5V输入)，具有片内上电复位、VDD监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的C8051F310是真正能独立工作的片上系统。FLASH存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051固件。用户软件对所有外设具有完全的控制，可以关断任何一个或所有外设以节省功耗。片内Silicon Labs二线(C2)开发接口允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU进行非侵入式(不占用片内资源)、全速、在系统调试。调试逻辑支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、单步、运行和停机命令。在使用C2进行调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。两个C2接口引脚可以与用户功能共享，使在系统调试功能不占用封装引脚。 4.3.2传感器的选择
传感器是机器人系统的视觉单元。外部的路线、障碍等环境信息，都要通过传感器传递给控制单元。根据目前传感器的发展状况，机器人系统使用的传感器主要有接触式和非接触式两种。接触式传感器多采用微动开关控制，其优点是价格低，但可靠性差，使用寿命短，故障多，也不适用较高车速和大型车辆。非接触式传感器种类很多，其工作原理多为通过发射光波、声波或电磁波遇到物体时反射而被接收装置接收以感知物体。
本机器人系统选择较为常用的传感器类型: 陀螺仪和红外线传感器。
（1）陀螺仪
移动机器人要能够自主地爬上楼梯，必须在爬行过程中连续不断地、可靠地估计出两个关键参数（如图 6.3）：①机器人行驶方向与楼梯的方向的夹角θ，称为偏移角。它用于判断机器人是否径直向上爬行。θ越小越好，理想状态下应为零。②在楼梯上的机器人车身相对于水平地面的倾角q。用于控制载台保持水平。用这两个变量作为机器人爬楼梯控制变量。
图4.3 陀螺仪需测参数示意图
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陀螺仪的选型：
本设计选用CRG20-01型陀螺仪，CRG20-01型陀螺仪参数如表4.1所示。
表4.1 CRG20-01型陀螺仪参数
型号 CRG2001 输出方式 模拟电压 速率范围 ±75°/s
零偏稳定性 ＜4.7°/hr 工作温度 -40°C - +105°C （2）红外传感器
爬楼机器人采用了两个红外传感器测量车体与障碍物间的较大距离量(≥10cm)。红外距离传感器主要用于监测车体与前进方向的距离。当没有障碍物时CCD 检测器没有反射光线接受。当前方出现障碍物并且障碍物进入安全范围时CCD检测器检测到反射光线，它与红外障碍物高度传感器的反馈综合决定越障、避障步态。红外高度传感器主要用于监测车体前进方向障碍物的高度值。当障碍物高度没有超过越障安全距离时CCD检测器没有反射光线接受。当前方障碍物高度进入安全范围时CCD检测器检测到反射光线，与红外距离传感器的反馈综合决定越障、避障步态。当距离传感器检测到障碍物，但是高度传感器并没有检测到时采用爬楼越障步态。当距离传感器检测到障碍物同时高度传感器也检测到障碍物时采用避障的步态。
红外传感器是基于三角测量原理圈。红外发射器按照一定的角度发射红外光束，当遇到物体以后，光束会反射回来，如图4.4所示。反射回来的红外光线被CCD检测器检测到以后，会获得一个偏移值L，中心矩X，以及滤镜的焦距f以后，利用相似三角关系，传感器到物体的距离D为：D=Xf/L。因此，只要测出PSD的光点位置坐标L的值，即可测出待测体的距离。
红外传感器的选型：
本设计的载物机器人不属于精确控制型的机器人，因此不需要很精确的距离检测，综合本设计的各参数及前人经验，选择工业控制中常用的GP2Y0A02YK0F型红外测距传感器，GP2Y0A02YK0F型红外测距传感器的参数如表4.2所示。
表4.2 GP2Y0A02YK0F型红外测距传感器参数
型号 GP2Y0A02YK0F
探测范围（cm）
20-150
输出信号 模拟型
灵敏度（cm）
2
分辨率（cm）
2
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图4.4 红外传感器三角测距原理
4.4机器人控制系统的程序编制
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