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經過50多年的發展，人工智能已形成極廣泛的研究領域，并且取得了許多令人矚目的成就[1]。人工智能也稱機器智能，是一門研究人類智能機理和如何用計算機模擬人類智能活動的學科。智能機器人技術綜合了計算機、控制論、機構學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術，集成了多學科的發展成果，代表高技術的發展前沿[2]。智能機器人的研究，大大促進了人工智能思想和技術的進步，漸漸成為一個備受關注的分支領域，各種智能機器人比賽也成為國內外廣泛推廣和發展的一種競技項目。
智能機器人滅火比賽由美國三一學院于1994年創辦，目前已成為全球規模最大、普及程度最高的全自主智能機器人大賽之一。硬件電路是智能滅火機器人整體的核心骨架，其參數性能及設計的合理性直接決定了智能滅火機器人的性能。本文完成了基于ARM9內核[3]的智能滅火機器人的硬件電路的設計與實現。
1 硬件電路的總體設計
滅火比賽的任務是在一封閉房間模型中，隨機在其中一個房間里放置蠟燭代替的火源，要求機器人在盡可能短的時間里無碰撞地找到火源并完成滅火。
根據比賽要求及功能需要，滅火機器人的總體結構如圖1所示，主要由控制器、傳感器輸入、驅動輸出等模塊組成。
2 硬件電路的主要部件分析與設計
2.1嵌入式系統
為實現機器人高速精確地按照規定路徑行走，要求機器人的CPU能夠實時迅速地讀取多個傳感器端口數值，并在較短的時間內完成對各端口數值的存儲、運算和輸出等多種任務。由于嵌入式微處理器對實時任務具有很強的支持能力，能夠完成多任務并且具有較短的中斷響應，因此在設計過程中選用以嵌入式微處理器ARM9為核心的控制器，其內部采用哈佛結構，每秒可執行一億一千萬條機器指令。
為提高端口數值讀取速度，使機器人能對周圍環境信息做出迅速判斷，本設計在主芯片上設置了ADC0～ADC7（P4.0～P4.7）８路數據輸入端口，每秒可實現50萬次數據采集；另外又設置20路數據輸入端口，通過ATMEGA816-PC輔助單片機連接到主芯片上，用以讀取遠紅外傳感器組及檢測端口的數值，每秒可實現1 000次數據采集。本設計還設置了4路PWM控制信號輸出端口，用以驅動4路大功率直流電機，實現對轉速的精確調節；此外，還設置了7路Do數字輸出端口，用以驅動伺服電機、蜂鳴器、繼電器、發光二極管等。為了給龐大和復雜的程序提供更多的執行空間，本設計附加設置了100 KB的數據存儲器（RAM）和512 KB的程序存儲器（Flash ROM），用以存儲更多的數據和命令。
2.2 電源和驅動電路設計
(1)電源及采樣電路
電源是保證機器人穩定、可靠運行的關鍵部件，它直接影響著機器人性能的好壞。由于本機器人電機驅動和控制器采用兩種不同等級電壓的電源，為避免2個電源相互干擾，本機器人采用雙電源供電系統：電機電源采用高放電倍率聚合物鋰電池，容量為2 500 MAH，工作電壓為24 V，能提供40 A的穩定供電電流，是普通電池的10倍；控制器電源采用8.4 V鋰電池，并提供電壓采樣端口，以供電池檢測，電路圖如圖2所示。
為獲得CPU各端口電路所需要的不同等級的電壓，本設計采用1個LM317T三端穩壓器和2個AMS1117低壓差線性電壓調整器，并通過其附屬電路，得到精確穩定的5 V、3.3 V、1.8 V 三種電壓；采用1個發光二極管LD1和限流電阻R5作為電源指示燈，以顯示電源開關的狀態；為實時采樣電源電壓，防止鋰電池過放或過充，設計中通過R1、R2分壓，引出AD19端口作為電源采樣端口。
（2）直流電機驅動電路
由于競技比賽的需要，機器人要在避免碰撞的前提下盡可能提高速度，因此要求具有更大功率的驅動器和更靈敏的控制方式。為此本文采用的電機驅動電源電壓為16.8 V，電流為20 A；采用占空比范圍為0～95%的4路PWM信號控制直流電機，以實現精確的調速[4]。
由于電機功率較大，并要求能實現雙向、可調速運行，本文設計了半橋式電力MOSFET管，成功實現了對電機的控制。如圖3所示，2路PWM信號通過IR2104半橋驅動器（half-bridge driver）和相應保護電路連接至型號為IRF2807 的MOSFET管，控制電源與電動機連接線路的通與斷，達到控制電機速度的目的。當PWM信號占空比較大時，線路導通時間長，電機速度大；相反，當PWM占空比較小時，線路導通時間短，電機速度小。4個MOSFET管在不同時刻導通組合，實現控制電機轉動方向：當MSFET管1和4導通時，電機端口1為正、2為負，電機正轉；當MOSFET管2和3導通時，電機端口2為正、1為負，電機反轉。
2.3 傳感器
(1)紅外測距傳感器
紅外測距傳感器[5-6]是機器人的“視覺器官”，通過不斷讀取其數值并進行判斷，才能確定機器人所處位置環境，以確定機器人下一步該執行什么命令才不致碰撞，并按照理想的路線行走。依據比賽場地規格，本機器人采用SHARP公司的GP2D12PSD傳感器（后面簡稱PSD傳感器），其有效測距范圍為10 cm～80 cm。其原理如圖4（a）所示。
該傳感器采用三角測量的原理，如圖4（b）所示紅外發光二極管發出紅外線光束，當紅外光束遇到前方的障礙物時，一部分反射回來，通過透鏡聚焦到后面的線性電性耦合器件CCD（Charge Coupled Device）上，根據紅外光線在CCD上聚焦的位置，可知道光線的反射角，進一步折算出物體的距離。由于PSD傳感器輸出電壓和實際距離是非線性關系，可以通過線性插值運算得出其轉換近似公式。
根據比賽的需要，機器人應該能夠測量不同方向的障礙物的距離，理論上8個方位均應設置紅外測距傳感器；在滿足比賽要求前提下，考慮經濟性，本設計采用了6個紅外測距傳感器，其安放位置如圖4（c）所示。通過1個或多個傳感器數值可以較精準地確定機器人的位置和墻壁的關系。例如，當正前傳感器和左前傳感器數值同時很大（距離很小）時，說明機器人處在一個角落上，前方和左側均是墻壁，此時可以執行右拐命令，從而走出角落。
(2)遠紅外火焰傳感器組
為能完成滅火任務，機器人必須能確定火焰的大致位置，并能對火焰是否被撲滅做出判斷。本文設計了由28個紅外接收管組成的2個遠紅外火焰傳感器組，前后每個方位各有14個紅外接收管組成，每2個并聯并指相同一個方向，2個傳感器組共指向14個方向，可以覆蓋360°范圍。如圖5（a）所示，14個端口通過CD4051八路轉換開關連接至ATMEGA8—16PC單片機，其中SCK、MISO、MOSI為位選擇端口。此外，本設計還可以通過對14路讀取數據進行比較，從而確定其最大最小值及相應端口值，方便火源方位的確定。
通過對遠紅外傳感器組的不同端口值的比較，還可以確定機器人和火源的相對位置，以判斷前進方向，完成趨光動作。當機器人與火源相對位置如圖5（b）所示時，可以讀取端口2和端口4的值，并進行作差，端口2的值大于端口4（說明2更靠近火源），則執行左拐命令，使其差值在一定范圍內，然后執行直行命令趨近火源。
(3)地面灰度傳感器
比賽規定，機器人起始位置是直徑為30 cm的白色圓，每個房間入口有一條3 cm寬的白線，其他地面均為黑色。機器人的啟動和停止及進房間的標志都要依靠對地面灰度的判斷，因此需使用能對地面反射光線的強弱做出反應的傳感器。本機器使用一對地面灰度傳感器，放置在前后兩端的底座上。地面顏色越深，其值越大，地面顏色越淺，其值越小。
如圖6所示，地面灰度傳感器通過發光二極管LED照亮地面，地面的反射光線被光敏三極管接收，當地面顏色為黑色時，反射的光線比較弱，則光敏三極管的基極電流越小，集電極電流也相應較小，1端口電壓值較高，其測量值較大；反之當地面為白色時，反射的光線較強，集電極電流越大，1端口電壓值較小，測量值也較小。
本文研究并設計了基于ARM9嵌入式系統的一種智能滅火機器人，具有以下5個創新點：(1)采用了嵌入式系統內核，大大提高了機器人處理信號的能力；(2)雙電源供電系統引入，使機器人的運行更加穩定可靠；(3)采用PWM信號控制大功率直流電機，在速度和精度方面有了很大的改進；(4)通過合理選擇PSD測距傳感器的個數和安放位置，既滿足比賽要求，又能節約成本；(5)本文設計的遠紅外火焰傳感器組，很好地完成了對火源的精確定位任務，提高了滅火可靠性和快速性。
實測證明，本文設計的機器人能夠很好地完成比賽任務，并且在可靠性和速度方面都有了大幅度的提高，具有很強的應用價值。
參考文獻
[1] NISSON N J．Artificial intelligence: a new synthesis[M]．Beijing: China Machine Press, 2006: 72-95．
[2] NORTIOMO T, OKADA M, YAMAMOTO H. A joint antenna and post-DFT combining diversity scheme in OFDM receiver[C] Wireless Communication Systems,? The 1st International Symposium, 2004: 140-143．
[3] 張小偉．ARM9嵌入式系統設計原理與開發實例[M]．北京：電子工業出版社，2008．
[4] 王水平．PWM控制與驅動器使用指南及應用電路[M]．西安：西安電子科技大學出版，2004．
[5] 曹小松, 唐鴻儒, 楊炯． 移動機器人多傳感器信息融合測距系統設計[J]. 自動化儀表，2009，24(5)：4-8．
[6] 梁毓明, 徐立鴻．移動機器人多傳感器測距系統研究與設計[J]. 計算機應用，2008, 28(6)：340-343．
智能機器人滅火比賽由美國三一學院于1994年創辦，目前已成為全球規模最大、普及程度最高的全自主智能機器人大賽之一。硬件電路是智能滅火機器人整體的核心骨架，其參數性能及設計的合理性直接決定了智能滅火機器人的性能。本文完成了基于ARM9內核[3]的智能滅火機器人的硬件電路的設計與實現。
1 硬件電路的總體設計
滅火比賽的任務是在一封閉房間模型中，隨機在其中一個房間里放置蠟燭代替的火源，要求機器人在盡可能短的時間里無碰撞地找到火源并完成滅火。
根據比賽要求及功能需要，滅火機器人的總體結構如圖1所示，主要由控制器、傳感器輸入、驅動輸出等模塊組成。
2 硬件電路的主要部件分析與設計
2.1嵌入式系統
為實現機器人高速精確地按照規定路徑行走，要求機器人的CPU能夠實時迅速地讀取多個傳感器端口數值，并在較短的時間內完成對各端口數值的存儲、運算和輸出等多種任務。由于嵌入式微處理器對實時任務具有很強的支持能力，能夠完成多任務并且具有較短的中斷響應，因此在設計過程中選用以嵌入式微處理器ARM9為核心的控制器，其內部采用哈佛結構，每秒可執行一億一千萬條機器指令。
為提高端口數值讀取速度，使機器人能對周圍環境信息做出迅速判斷，本設計在主芯片上設置了ADC0～ADC7（P4.0～P4.7）８路數據輸入端口，每秒可實現50萬次數據采集；另外又設置20路數據輸入端口，通過ATMEGA816-PC輔助單片機連接到主芯片上，用以讀取遠紅外傳感器組及檢測端口的數值，每秒可實現1 000次數據采集。本設計還設置了4路PWM控制信號輸出端口，用以驅動4路大功率直流電機，實現對轉速的精確調節；此外，還設置了7路Do數字輸出端口，用以驅動伺服電機、蜂鳴器、繼電器、發光二極管等。為了給龐大和復雜的程序提供更多的執行空間，本設計附加設置了100 KB的數據存儲器（RAM）和512 KB的程序存儲器（Flash ROM），用以存儲更多的數據和命令。
2.2 電源和驅動電路設計
(1)電源及采樣電路
電源是保證機器人穩定、可靠運行的關鍵部件，它直接影響著機器人性能的好壞。由于本機器人電機驅動和控制器采用兩種不同等級電壓的電源，為避免2個電源相互干擾，本機器人采用雙電源供電系統：電機電源采用高放電倍率聚合物鋰電池，容量為2 500 MAH，工作電壓為24 V，能提供40 A的穩定供電電流，是普通電池的10倍；控制器電源采用8.4 V鋰電池，并提供電壓采樣端口，以供電池檢測，電路圖如圖2所示。
為獲得CPU各端口電路所需要的不同等級的電壓，本設計采用1個LM317T三端穩壓器和2個AMS1117低壓差線性電壓調整器，并通過其附屬電路，得到精確穩定的5 V、3.3 V、1.8 V 三種電壓；采用1個發光二極管LD1和限流電阻R5作為電源指示燈，以顯示電源開關的狀態；為實時采樣電源電壓，防止鋰電池過放或過充，設計中通過R1、R2分壓，引出AD19端口作為電源采樣端口。
（2）直流電機驅動電路
由于競技比賽的需要，機器人要在避免碰撞的前提下盡可能提高速度，因此要求具有更大功率的驅動器和更靈敏的控制方式。為此本文采用的電機驅動電源電壓為16.8 V，電流為20 A；采用占空比范圍為0～95%的4路PWM信號控制直流電機，以實現精確的調速[4]。
由于電機功率較大，并要求能實現雙向、可調速運行，本文設計了半橋式電力MOSFET管，成功實現了對電機的控制。如圖3所示，2路PWM信號通過IR2104半橋驅動器（half-bridge driver）和相應保護電路連接至型號為IRF2807 的MOSFET管，控制電源與電動機連接線路的通與斷，達到控制電機速度的目的。當PWM信號占空比較大時，線路導通時間長，電機速度大；相反，當PWM占空比較小時，線路導通時間短，電機速度小。4個MOSFET管在不同時刻導通組合，實現控制電機轉動方向：當MSFET管1和4導通時，電機端口1為正、2為負，電機正轉；當MOSFET管2和3導通時，電機端口2為正、1為負，電機反轉。
2.3 傳感器
(1)紅外測距傳感器
紅外測距傳感器[5-6]是機器人的“視覺器官”，通過不斷讀取其數值并進行判斷，才能確定機器人所處位置環境，以確定機器人下一步該執行什么命令才不致碰撞，并按照理想的路線行走。依據比賽場地規格，本機器人采用SHARP公司的GP2D12PSD傳感器（后面簡稱PSD傳感器），其有效測距范圍為10 cm～80 cm。其原理如圖4（a）所示。
該傳感器采用三角測量的原理，如圖4（b）所示紅外發光二極管發出紅外線光束，當紅外光束遇到前方的障礙物時，一部分反射回來，通過透鏡聚焦到后面的線性電性耦合器件CCD（Charge Coupled Device）上，根據紅外光線在CCD上聚焦的位置，可知道光線的反射角，進一步折算出物體的距離。由于PSD傳感器輸出電壓和實際距離是非線性關系，可以通過線性插值運算得出其轉換近似公式。
根據比賽的需要，機器人應該能夠測量不同方向的障礙物的距離，理論上8個方位均應設置紅外測距傳感器；在滿足比賽要求前提下，考慮經濟性，本設計采用了6個紅外測距傳感器，其安放位置如圖4（c）所示。通過1個或多個傳感器數值可以較精準地確定機器人的位置和墻壁的關系。例如，當正前傳感器和左前傳感器數值同時很大（距離很小）時，說明機器人處在一個角落上，前方和左側均是墻壁，此時可以執行右拐命令，從而走出角落。
(2)遠紅外火焰傳感器組
為能完成滅火任務，機器人必須能確定火焰的大致位置，并能對火焰是否被撲滅做出判斷。本文設計了由28個紅外接收管組成的2個遠紅外火焰傳感器組，前后每個方位各有14個紅外接收管組成，每2個并聯并指相同一個方向，2個傳感器組共指向14個方向，可以覆蓋360°范圍。如圖5（a）所示，14個端口通過CD4051八路轉換開關連接至ATMEGA8—16PC單片機，其中SCK、MISO、MOSI為位選擇端口。此外，本設計還可以通過對14路讀取數據進行比較，從而確定其最大最小值及相應端口值，方便火源方位的確定。
通過對遠紅外傳感器組的不同端口值的比較，還可以確定機器人和火源的相對位置，以判斷前進方向，完成趨光動作。當機器人與火源相對位置如圖5（b）所示時，可以讀取端口2和端口4的值，并進行作差，端口2的值大于端口4（說明2更靠近火源），則執行左拐命令，使其差值在一定范圍內，然后執行直行命令趨近火源。
(3)地面灰度傳感器
比賽規定，機器人起始位置是直徑為30 cm的白色圓，每個房間入口有一條3 cm寬的白線，其他地面均為黑色。機器人的啟動和停止及進房間的標志都要依靠對地面灰度的判斷，因此需使用能對地面反射光線的強弱做出反應的傳感器。本機器使用一對地面灰度傳感器，放置在前后兩端的底座上。地面顏色越深，其值越大，地面顏色越淺，其值越小。
如圖6所示，地面灰度傳感器通過發光二極管LED照亮地面，地面的反射光線被光敏三極管接收，當地面顏色為黑色時，反射的光線比較弱，則光敏三極管的基極電流越小，集電極電流也相應較小，1端口電壓值較高，其測量值較大；反之當地面為白色時，反射的光線較強，集電極電流越大，1端口電壓值較小，測量值也較小。
本文研究并設計了基于ARM9嵌入式系統的一種智能滅火機器人，具有以下5個創新點：(1)采用了嵌入式系統內核，大大提高了機器人處理信號的能力；(2)雙電源供電系統引入，使機器人的運行更加穩定可靠；(3)采用PWM信號控制大功率直流電機，在速度和精度方面有了很大的改進；(4)通過合理選擇PSD測距傳感器的個數和安放位置，既滿足比賽要求，又能節約成本；(5)本文設計的遠紅外火焰傳感器組，很好地完成了對火源的精確定位任務，提高了滅火可靠性和快速性。
實測證明，本文設計的機器人能夠很好地完成比賽任務，并且在可靠性和速度方面都有了大幅度的提高，具有很強的應用價值。
參考文獻
[1] NISSON N J．Artificial intelligence: a new synthesis[M]．Beijing: China Machine Press, 2006: 72-95．
[2] NORTIOMO T, OKADA M, YAMAMOTO H. A joint antenna and post-DFT combining diversity scheme in OFDM receiver[C] Wireless Communication Systems,? The 1st International Symposium, 2004: 140-143．
[3] 張小偉．ARM9嵌入式系統設計原理與開發實例[M]．北京：電子工業出版社，2008．
[4] 王水平．PWM控制與驅動器使用指南及應用電路[M]．西安：西安電子科技大學出版，2004．
[5] 曹小松, 唐鴻儒, 楊炯． 移動機器人多傳感器信息融合測距系統設計[J]. 自動化儀表，2009，24(5)：4-8．
[6] 梁毓明, 徐立鴻．移動機器人多傳感器測距系統研究與設計[J]. 計算機應用，2008, 28(6)：340-343．
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