内容发布更新时间 : 2024/12/26 8:55:30星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

（4）硬件和软件的抗干扰设计。

通过本次设计，掌握了51单片机控制系统的硬件设计与程序调试，最终实现了巡线机器人的自动越障功能，达到了设计要求。

2 机器人的工作原理

2.1机器人的机械结构

巡线机器人是一个机电一体化系统，涉及到机构、控制、通信、定位系统、移动平台上传感器的集成和信息融合、电源等，而机械机构是整个系统的基础，也是目前制约巡线机器人发展的技术障碍之一。 巡线机器人机械机构的设计要求是：

（1）能在架空高压线上以期望的速度平稳爬行； （2）具有一定的爬坡能力；

（3）能够避越高压线路上的防震锤、线夹、绝缘子、线塔等障碍； （4）在故障情况下有可靠的自保安措施，防止机器人摔落；

（5）提供足够的空间安装所携带的电源以及探测、记录和分析处理仪器。

本设计的巡线机器人机械结构如图2.1所示，它主要由机器人机身、控制箱、滑轮、光电传感器、限位开关和直流电机等组成，还包括一个手动控制器。其中，控制箱部分相当于机器人的大脑，机械部分等同于机器人的躯体，根据接收到的光电传感器和限位开关信号，控制器发出信号控制电机的起停及正反转，最终完成巡线机器人的越障动作。

此巡线机器人应用步进式爬行机构，可实现在管线上爬行，该机构通过三只手臂的交替移动完成爬行。越障机构是巡线机器人机械结构的关键。由于机器人悬挂在架空线上,越障时应保证机器人姿态平稳,并保持与其它导线和线塔金属部件的安全间距,因此设计难度较大。本设计采用了仿人攀援的手臂越障机构,姿态控制较为复杂。机械臂上部为爬行驱动机构,下部通过旋转关节相互链接。遇到障碍时,机械臂之间相互配合,采用仿人攀援策略调整姿态,跨越障碍。由于采用多只多自由度机械臂,机器人可以完成复杂的空中姿态调整,因而可跨越各种类型的线路障碍。

机械结构的设计主要是越障机构——机械臂的设计。三只手臂均可完成升降、张开、闭合等动作，分别由驱动电机提供动力源。其中，手臂的主要结构是一螺旋杆机构。

当需要跨越障碍物时，利用小臂和大臂的升降、张开、闭合运动协调动作，完成在电力线上行走，实现越障功能。这种爬行机构结构简单，实现的动作也较单一，但有利于机器人的控制。 2.2机器人的越障过程

本课题设计的巡线机器人，根据检测的传感器信号控制11个直流电机，驱动机器人行走以及大、小臂的张开、闭合与升降,并采用一个继电器附加电路，使其中8个直流电机具有正转(PR )，反转(NR )，停止(ST )三种工作方式，另外3个电机仅具有正转(PR )，停止(ST )两种工作方式，因此对于整个机器人共具有7种工作方式, 即: 1) 机器人本身向前移行走（ PR- ST） 2) 大臂上升（PR- ST） 3) 大臂下降（NR- ST） 4) 小臂上升（PR- ST） 5) 小臂下降（NR- ST） 6) 小臂张开（PR- ST） 7) 小臂闭合（NR- ST）

电机电机电机控制箱

图2.2 巡线机器人的机械机构

这些动作的完成是建立在一定的机械结构基础上的，这些结构主要包括手掌开合装置、螺杆升降装置、电机驱动装置等等。这些装置构成了机器人的一个基本骨架，再附加上控

制电路部分，就构成了一个完整的机电一体化系统。

当按下启动按钮后，行走电机驱动机器人机身在电力线上向前行走，传感器开始检测电路。当检测信号提示碰到障碍物时，机器人最前面开合电机正转，控制手掌开合装置动作，使其相应的小臂张开，张开限位传感器检测，若达到预定的位置后，检测信号提示完成；否则，继续检测，机器人继续向前行走。这样，机器人完成越障过程的第一个动作——小臂张开。随后大臂升降电机反转，控制螺杆升降装置动作，使机器人相应的大臂下降，限位传感器进行位置检测，若达到预定的位置，检测信号提示完成；否则，继续检测，大臂继续下降，直到位置传感器有信号发出。于是，机器人完成了越障过程的第二个动作——大臂下降。

然后，机器人后面的两个行走电机正转，控制机器人机身向前行走。障碍检测传感器检测障碍，若有信号发出，小臂升降电机正转，控制螺杆装置动作，使其相应的小臂上升；否则，继续检测，机器人继续向前行走，直到检测到小臂上升到位。机器人完成了越障过程的第三个动作——小臂上升。位置检测传感器若检测到小臂上升到位，则开合电机反转，控制手掌开合装置动作，完成越障过程的第四个动作——小臂闭合；否则，大臂升降电机正转，控制螺杆升降装置动作，使机器人大臂上升，位置检测传感器继续检测，直到有信号发出为止。传感器检测到小臂闭合到位后，转入第二只臂的越障过程。其具体过程与第一只臂的越障过程类似，在此不再赘述。

越障机构是巡线机器人机构的关键，遇到障碍时，机械臂之间相互配合，由于机器人悬挂在架空线上，越障时应保证机器人姿态平稳，并保持与其它导线间的安全间距。因此具体的设计过程较复杂，要考虑多方面的因素。在机械机构运转良好的前提下，传感器模块才能循环检测，驱动电机控制机器人重复动作，完成了一个完整的越障过程。这个越障过程由预先编入到计算机中的汇编程序进行控制，硬件和软件相结合，从而实现了巡线机器人越障过程的计算机控制。因此，机械结构是整个机系统的基础，是完成越障过程的一个平台。

另外本文所介绍的巡线机器人的越障功能，只是针对静态的障碍物来说的，对于移动障碍物，由于它运动的不确定性，常常要进行运动规划、建模，并加入适量的算法。 2.3 小结

本章简单地介绍了巡线机器人的机械结构，并对其越障过程进行了详细地分析，为硬件和软件相结合的控制系统提供了平台。该机构通过三只手臂的交替移动完成在高压线上的爬行，较好的实现了自动越障功能，后续章节中我们将详细介绍控制系统的设计。

3 控制系统的硬件构成

3.1概述

该机器人的控制系统是由AT89S51单片机、电机驱动模块、传感器电路三大模块组成 。以AT89S51单片机为核心，由传感器对障碍位置进行检测，并把检测信号传回CPU处理，控制机器人自动调节自身位置，自动完成沿轨迹行驶、越障等功能，实现沿高压电力线行走功能。在设计中制作由11台直流电机作为驱动源的机构，还加了稳压电源、单片机控制电路、直流电机驱动电路、LED显示电路等。整个控制系统的原理图如下：

电源模块 AT89S51单片机控制电路 电机驱动模块 障碍检测传感张开限位传感闭合限位传感红外传感器 直流电机正转 直流电机反转 图 3.1 机器人控制系统组成图 3.2控制器的特点及选择

AT89S51芯片以计算机为平台，实现控制作用。该平台采用总线结构，其中三总线结构尤为普遍，如3.2图所示。微处理器MPU是通过AB、DB、CB三总线同存储器ROM和RAM及I/O接口相连的。

微 型 计 算 机ABDBMPUCBROMRAMI/O接口外设

图3.2 计算机平台的基本机构

3.2.1控制器的结构与组成

该设计选用的控制系统是MCS-51单片机。单片机由AT89S51单块集成芯片电路构成，内部包含有计算机的基本功能部件：中央处理器CPU、存储器和I/O接口电路等。它只需要和适当的软件和外部设备相结合，便可以成为一个单片机控制系统。

外部定时元件系统时钟定时期/计时器TTxD复位串行I/ORxD中断ROM电源并行I/ORAM接地CPU

图3.3 单片机内部结构

AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

AT89S51具有如下特点：40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器，128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5