智能灭火机器人硬件电路设计及实现
智能机器人灭火比赛由美国三一学院于1994年创办，目前已成为全球规模最大、普及程度最高的全自主智能机器人大赛之一。硬件电路是智能灭火机器人整体的核心骨架，其参数性能及设计的合理性直接决定了智能灭火机器人的性能。本文完成了基于ARM9内核[3]的智能灭火机器人的硬件电路的设计与实现。
1 硬件电路的总体设计
灭火比赛的任务是在一封闭房间模型中，随机在其中一个房间里放置蜡烛代替的火源，要求机器人在尽可能短的时间里无碰撞地找到火源并完成灭火。
根据比赛要求及功能需要，灭火机器人的总体结构如图1所示，主要由控制器、传感器输入、驱动输出等模块组成。
2 硬件电路的主要部件分析与设计
2.1嵌入式系统
为实现机器人高速精确地按照规定路径行走，要求机器人的CPU能够实时迅速地读取多个传感器端口数值，并在较短的时间内完成对各端口数值的存储、运算和输出等多种任务。由于嵌入式微处理器对实时任务具有很强的支持能力，能够完成多任务并且具有较短的中断响应，因此在设计过程中选用以嵌入式微处理器ARM9为核心的控制器，其内部采用哈佛结构，每秒可执行一亿一千万条机器指令。
为提高端口数值读取速度，使机器人能对周围环境信息做出迅速判断，本设计在主芯片上设置了ADC0～ADC7（P4.0～P4.7）８路数据输入端口，每秒可实现50万次数据采集；另外又设置20路数据输入端口，通过ATMEGA816-PC辅助单片机连接到主芯片上，用以读取远红外传感器组及检测端口的数值，每秒可实现1 000次数据采集。本设计还设置了4路PWM控制信号输出端口，用以驱动4路大功率直流电机，实现对转速的精确调节；此外，还设置了7路Do数字输出端口，用以驱动伺服电机、蜂鸣器、继电器、发光二极管等。为了给庞大和复杂的程序提供更多的执行空间，本设计附加设置了100 KB的数据存储器（RAM）和512 KB的程序存储器（Flash ROM），用以存储更多的数据和命令。
2.2 电源和驱动电路设计
(1)电源及采样电路
电源是保证机器人稳定、可靠运行的关键部件，它直接影响着机器人性能的好坏。由于本机器人电机驱动和控制器采用两种不同等级电压的电源，为避免2个电源相互干扰，本机器人采用双电源供电系统：电机电源采用高放电倍率聚合物锂电池，容量为2 500 MAH，工作电压为24 V，能提供40 A的稳定供电电流，是普通电池的10倍；控制器电源采用8.4 V锂电池，并提供电压采样端口，以供电池检测，电路图如图2所示。
为获得CPU各端口电路所需要的不同等级的电压，本设计采用1个LM317T三端稳压器和2个AMS1117低压差线性电压调整器，并通过其附属电路，得到精确稳定的5 V、3.3 V、1.8 V 三种电压；采用1个发光二极管LD1和限流电阻R5作为电源指示灯，以显示电源开关的状态；为实时采样电源电压，防止锂电池过放或过充，设计中通过R1、R2分压，引出AD19端口作为电源采样端口。
（2）直流电机驱动电路
由于竞技比赛的需要，机器人要在避免碰撞的前提下尽可能提高速度，因此要求具有更大功率的驱动器和更灵敏的控制方式。为此本文采用的电机驱动电源电压为16.8 V，电流为20 A；采用占空比范围为0～95%的4路PWM信号控制直流电机，以实现精确的调速[4]。
由于电机功率较大，并要求能实现双向、可调速运行，本文设计了半桥式电力MOSFET管，成功实现了对电机的控制。如图3所示，2路PWM信号通过IR2104半桥驱动器（half-bridge driver）和相应保护电路连接至型号为IRF2807 的MOSFET管，控制电源与电动机连接线路的通与断，达到控制电机速度的目的。当PWM信号占空比较大时，线路导通时间长，电机速度大；相反，当PWM占空比较小时，线路导通时间短，电机速度小。4个MOSFET管在不同时刻导通组合，实现控制电机转动方向：当MSFET管1和4导通时，电机端口1为正、2为负，电机正转；当MOSFET管2和3导通时，电机端口2为正、1为负，电机反转。
2.3 传感器
(1)红外测距传感器
红外测距传感器[5-6]是机器人的“视觉器官”，通过不断读取其数值并进行判断，才能确定机器人所处位置环境，以确定机器人下一步该执行什么命令才不致碰撞，并按照理想的路线行走。依据比赛场地规格，本机器人采用SHARP公司的GP2D12PSD传感器（后面简称PSD传感器），其有效测距范围为10 cm～80 cm。其原理如图4（a）所示。
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