实训项目1认识实验套件.doc

实训项目一 熟悉“创意之星”机器人套件一、 实训目的（1） 熟悉“创意之星”机器人结构套件及控制器、传感器、执行器等部件（2） 熟悉 NorthSTAR 图形化开发环境及 UP-Debugger 下载调试器的应用二、 实训器材计算机， “创意之星”机器人套件，配套光盘等三、 实训内容1、结构套件“创意之星”结构件根据功能可以分为 7 大类：LUI 型结构件、连接件、舵机结构件、机械手结构件、履带全向轮结构件、仿人结构件和其它结构件，详见图 1.1LUI 型零件和舵机结构件是机器人骨架的主体，通过连接件将其结合在一起构成机器人主体；仿人结构件、履带全向结构件、机械手结构件都是比较专用的零件图 1.1 “创意之星”零件汇总2、控制器及电源1） MultiFLEXTM2-AVR 控制器MultiFLEXTM2-AVR 控制器的处理器是 ATMEL 公司出品的 AVR 系列 ATmega128 单片机MultiFLEX TM2-AVR 控制器功能高度集成，具有众多 IO、AD 接口，能够控制 R/C 舵机、机器人舵机，具有 RS-232 接口和 RS-422 总线接口，能够胜任常规机器人控制。

对照图示1.2，MultiFLEX TM2-AVR 控制器功能如下所示： ATmega128@16MHz 8 个机器人舵机接口，完全兼容 Robotis Dynamixel AX12+ 8 个 R/C 舵机接口 12 个 TTL 电平的双向 I/O 口，GND/SIG/VCC 三线制 8 个 AD 转接器接口(0-5V) 2 个 RS-422 总线接口（可连接 1-127 个 422 设备） 1 个无源蜂鸣器 通过 RS-232 与上位机通讯，可选无线通讯模组 使用 USB 接口的 AVR-ISP 下载调试器图 1.2 MultiFLEXTM2-AVR 控制器功能示意图MultiFLEXTM2-AVR 控制器的电气规范如下表所示：表 1.1 MultiFLEXTM2-AVR 控制器的电气规范2） 直流稳压电源“创意之星”配置了一个直流稳压电源，电源的输出为 8V/5A，峰值电流可达 8A3、传感器“创意之星”配套的传感器有模拟量传感器、数字量传感器、总线式传感器三种，具体如下表所示：表 1.2 “创意之星”配套传感器的数据类型及电气规范1) 红外接近传感器红外接近传感器俗称光电开关。

它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测工作原理如图 1.3a 所示多数光电开关选用的是波长接近可见光的红外线光波型，因此也称为红外开关a) 红外接近传感器工作原理 (b)红外接近传感器图 1.3 红外接近传感器及其工作原理如图 1.3b “创意之星”机器人所使用的红外光电开关型号为 E18-B0，规格数据为： VCC：5V 工作电流：小于 100mA 输出形式：NPN 三极管 OC 输出 封装形式：工程塑料红外接近传感器的是开关量传感器，接 IO0~IO11 的任意一个接口都可以通过NorthSTAR 进行数值读取和编程由于输出是开关量，只能判断在测量距离内有无障碍物，不能给出障碍的实际距离但是该传感器带有一个灵敏度调节旋钮，可以调节传感触发的距离 “创意之星”套件在出厂前已经将感应触发距离调整到约 20cm2) 霍尔接近传感器霍尔效应接近传感器是利用霍尔效应（Hall Effect）制成的接近开关，主要用于检测磁性物体。

市场上常见的霍尔接近传感器的检测距离为 10mm 左右霍尔接近传感器是开关量传感器，接 IO0~IO11 的任意一个接口都可以通过 NorthSTAR 进行状态读取和编程，使用方法和红外接近传感器一致图 1.4 是“创意之星”使用的霍尔接近传感器，前方突起是传感器的探头：图 1.4 霍尔接近传感器3) 红外测距传感器日本 SHARP 公司推出了一系列的红外测距传感器（Infrared Range Finder） ，用来测量前方物体和传感器探头之间的距离GP2D12 是该系列传感器中的典型它的输出为： 0~2.5V 模拟量（电压值随距离变化） ；量程范围 10~80 cm这个型号的传感器作为大多数微型移动机器人的避碰和漫游测距用传感器都是足够的另外还可以用于检测机器人各关节位置、姿态等GP2D12 主要是由红外发射器、PSD （位置敏感检测装置）及相关处理电路构成，红外发射器发射一束红外光线，红外光线遇到障碍物被反射回来，通过透镜投射到 PSD 上，投射点和 PSD 的中心位置存在偏差值 a，GP2D12 根据上图所示的 a、b、α 三个值就可以计算出 H 的值，并输出相应电平的模拟电压。

图 1.5 GP2D12 及其原理图图 1.6 列出了不同距离下，采用一个 16 位 A/D 转换器对传感器的输出信号进行 A/D 转换后的结果注意这种传感器的输出不是线性的，也就是说，输出值与实际反射物距离并非成反比或正比关系，在使用的时候，要对传感器的这一特性进行标定，多测量一些数据，并采用查表的方式来得到输出数据与实际距离的对应关系图 1.6 GP2D12 测距结果与障碍物距离的关系图 1.7 为“创意之星”使用的 GP2D12 红外测距传感器，与常见 GP2D12 不同的是我们为它设计了一个类似机器人头部的外壳，可以方便地安装到“创意之星”零件上红外测距传感器为模拟量传感器，接 AD0~AD7 的任意一个接口都可以通过 NorthSTAR 进行数值读取和编程传感器的规格数据如下： 探测距离：10-80cm 工作电压：4-5.5V 标准电流消耗：33-50mA 输出量：模拟量输出，输出电压和探测距离非比例相关图 1.7 红外测距传感器MultiFLEX™2-AVR 控制器的 AD 精度为 10 位，测量电压范围 0~5V，对应输出值0~1023您如果要得到真实的距离值需要做 2 次换算，假设从 NorthSTAR 读取的 AD 值为491，换算为真实电压值为 5*(491/1023)=2.4V，从 1.6 的对照图可以知道当前传感器探头到障碍物的距离是 10cm。

4) 声音传感器图 1.8 是“创意之星”的声音传感器，声音传感器是开关量传感器，接 IO0~IO11 的任意一个接口都可以通过 NorthSTAR 进行数值读取和编程声音传感器是一种很好的人机交互设备，您可以借此让机器人响应您的动作，比如拍下手掌——机器狗站起来，快速拍手——机器狗往前跑高级版“创意之星”有麦克风，它和这里的声音传感器不一样，麦克风接在音频输入接口上，能够采集人耳朵能够听到的所有声音，输出连续的电平信号声音传感器是 IO 量传感器，输出只有 0 或 1 两种电平状态，比如声音高过 60 分贝时输出为 1，低于 60 分贝输出为 0图 1.8 声音传感器5) 碰撞传感器碰撞传感器是由一个按钮开关和外围电路构成，其输出信号为数字信号当按钮按下时，信号输出端输出低电平；按钮被释放时，信号输出高电平图 1.9 是“创意之星”的碰撞传感器，输出开关量信号，接 IO0~IO11 的任意一个接口都可以通过 NorthSTAR 进行数值读取和编程碰撞传感器可以当成机器人的触角，或某些位置的限位开关图 1.9 碰撞传感器6) 倾覆传感器姿态传感器采集的是机器人的姿态信息，专业的姿态传感器（电子罗盘、陀螺仪等）价格昂贵， “创意之星”机器人套件提供了一个基本的姿态传感器——水银开关（输出开关量信号） 。

水银开关里有一个位于玻璃管，可自由移动的水银粒水银开关输出不同的信号与水银粒在玻璃管的位置相关比如水银粒位于玻璃管 A 端时，水银开关输出高电平；当传感器由于某种原因姿态改变过大移动到玻璃管 B 端，水银开关输出低电平根据水银开关这种输出信号与其本身姿态有关的特性，我们可以借此来检测机器人的姿态水银开关在测量机器人是否倾覆上非常好用且成本低廉，所以我们也常将之称为倾覆传感器图 1.10 是“创意之星”的倾覆传感器，输出开关量信号，接 IO0~IO11 的任意一个接口都可以通过 NorthSTAR 进行数值读取和编程图 1.10 倾覆传感器7) 温度传感器温度传感器是一种检测温度的部件其核心是美国 National Semiconductor 公司的 LM35温敏传感器这款传感器的标称温度检测范围是 0~70 摄氏度为了传感器的安全起见，不要将传感器放置在超过 80 摄氏度的环境中，该传感器并不具备防水能力，请不要用该传感器测量水温图 1.11 是“创意之星”的温度传感器，输出模拟量信号，接 AD0~AD7 的任意一个接口都可以通过 NorthSTAR 进行数值读取和编程图 1.11 温度传感器8) 光强传感器光强传感器对可见光波长的光照强度（专业术语即“照度” ）很敏感，其核心元件是一只光敏电阻，其输出信号为与光强相关的模拟信号。

图 1.12 是“创意之星”的光强传感器，输出模拟量信号，接 AD0~AD7 的任意一个接口都可以通过 NorthSTAR 进行数值读取和编程图 1.12 光强传感器9) 灰度传感器灰度传感器通过自身的高亮白色 LED 照亮被检测物体，被检测物体反射 LED 的白光由于不同的颜色对白光的反射能力不一样，同样材质白色反射度最高，黑色反射度最低灰度传感器前端有一个光敏电阻，用于检测反射光的强弱，据此可以推断出被检测物体的灰度值图 1.13 是“创意之星”的灰度传感器，输出模拟量信号，接 AD0~AD7 的任意一个接口都可以通过 NorthSTAR 进行数值读取和编程在机器人武术擂台赛中或者足球机器人比赛中，使用多个灰度传感器组成阵列就可以判断比赛场地的颜色梯度在巡线机器人案例中，可以作为区别白线与周围地面的传感器图 1.14 灰度传感器4、执行器机器人常用的运动驱动部件有直流有刷电机、直流无刷电机、步进电机、舵机等 “创意之星”配置了直流有刷电机、微型舵机、机器人专用舵机等proMOTION CDS 系列机器人舵机属于一种集电机、伺服驱动、总线式通讯接口为一体的集成伺服单元，主要用于微型机器人的关节、轮子、履带驱动，也可用于其它简单位置控制场合。

CDS 5516 的特点如下所示：大扭矩： 16Kgfcm 的持续转动输出扭矩，大于20Kgfcm 位置保持扭矩 位置伺服控制模式下转动范围 0-300°高转速：最高0.16s/60°输出转速 在速度控制模式下可连续旋转，调速DC 6.8V～14V 宽电压范围供电 总线连接，理论可串联254 个单元0.32°位置分辨率 高达1M 通讯波特率双端输出轴，适合安装在机器人关节 0.25KHz 的伺服更新率高精度全金属齿轮组，双滚珠轴承 具备位置、温度、电压、速度反馈连接处 0 型环密封，防尘防溅水图 1.15 CDS 5516 机器人舵机1) 总线通讯的特点CDS5516 采用半双工串行异步总线通讯，控制器可以通过一个 UART 接口，控制多达255 个的 CDS5516总线是指能为多个功能部件服务的一组信息传输线，它是计算机中系统与系统之间、或者各部件之间进行信息传送的公共通路。

它由一定的物理线路和接口、数据协议规范所构成2) CDS5516 的使用如上一小节的介绍，CDS5516 采用半双工串行异步总线进行控制，每个舵机都有自己单独的 ID 号，在机器人构型搭建时需要对 ID 号。