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AS-MII使用手册
目录第1章1.1 1.2 1.3 1.4 1.4.1 1.4.2 1.4.3 1.5 1.5.1 1.5.2 1.6让你的智能机器人动起来 ...................................1欢迎进入 AS-MII 的世界 .......................................
..... 1 AS-MII 的外形结构................................................. 2 AS-MII 的控制面板................................................. 3 AS-MII 的充电 .................................................... 4 开机充电..................................................... 5 关机充电..................................................... 5 更换电池..................................................... 5 AS-MII 的连接和检测............................................... 5 连接串口通信线............................................... 5 运行自检程序................................................. 5 VJC1.5 编程软件简介............................................... 7第2章2.1 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.1.4 2.2 2.2.1 2.2.2 2.3 2.3.1 2.3.2 2.3.3AS-MII 身体的构成........................................12AS-MII 的身体结构................................................ 12 控制部分DD主板和控制面板 .................................. 12 感官部分DD传感器.......................................... 13 执行部分DD喇叭、液晶屏、轮子、电机 ........................ 14 AS-MII 的能源―电池 ......................................... 15 AS-MII 的传动机构................................................ 16 齿轮传动机构................................................ 16 AS-MII 的齿轮箱 ............................................. 17 AS-MII 的动力与驱动.............................................. 18 AS-MII 的动力 ............................................... 18 AS-MII 中的直流电机 ......................................... 18 AS-MII 的驱动方式 ........................................... 19第3章3.1. 3.2. 3.2.1. 3.2.2. 3.2.3. 3.2.4. 3.2.5. 3.2.6. 3.3. 3.3.1. 3.3.2.感觉、大脑与执行器 ......................................22智能机器人的三大要素 ............................................ 22 能力风暴的传感器及其处理电路 .................................... 23 碰撞传感器.................................................. 23 红外传感器.................................................. 28 光敏传感器.................................................. 31 麦克风（话筒）.............................................. 34 光电编码器.................................................. 35 其他传感器.................................................. 38 能力风暴的计算机硬件 ............................................ 40 微控制器.................................................... 40 外部存储器.................................................. 433.3.3. 3.3.4. 3.4. 3.4.1. 3.4.2. 3.5. 3.5.1. 3.5.2. 3.5.3.电源与复位电路.............................................. 45 通信........................................................ 46 驱动器 .......................................................... 46 电机驱动电路................................................ 46 喇叭（扩展电机）............................................ 50 硬件扩展总线 ASBUS............................................... 51 扩展 2 个光敏传感器.......................................... 51 扩展红外接收传感器.......................................... 52 扩展 8 个数字输出口.......................................... 53第4章4.1 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 4.2.5 4.3 4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.3.4 4.4 4.4.1 4.4.2 4.5 4.5.1 4.5.2编程―赋予能力风暴智慧 ..................................54第一个 VJC 程序，Hello robot！ ................................... 54 让机器人动起来 .................................................. 55 编写流程图.................................................. 55 保存源代码程序.............................................. 56 程序下载.................................................... 56 运行程序.................................................... 57 走出规则轨迹................................................ 57 让机器人感知环境信息 ............................................ 57 编写流程图.................................................. 58 保存程序.................................................... 58 程序下载.................................................... 59 运行程序.................................................... 59 JC 程序的基本程序结构............................................ 59 “台球”DD碰撞传感器的使用 ................................ 60 跟人走DD红外传感器的使用 .................................. 61 JC 程序的高级编程................................................ 62 第一个多进程程序............................................ 62 添加一个新进程.............................................. 64第5章5.1 5.1.1 5.1.2 5.1.3 5.1.4 5.2 5.3 5.3.1 5.3.2 5.3.3机器人项目 ..............................................67进门比赛 ........................................................ 67 活动准备.................................................... 67 方案设计.................................................... 67 程序设计.................................................... 68 运行调试.................................................... 69 机器人的行为控制 ................................................ 70 群鸭过河 ........................................................ 72 活动准备.................................................... 73 方案设计.................................................... 74 画流程图.................................................... 74第6章附录 ....................................................75附录 1:VJC1.5 库函数 ..................................................... 75 附录 2: 产品的主要技术性能和参数 ........................................ 79附录 3:产品的使用条件和使用环境要求 ..................................... 79 附录 4: 常见故障及解决办法 .............................................. 80 附录 5：AS-MII 的主板布局图 .............................................. 83 附录 6：AS-MII 使用注意事项 .............................................. 84
第1章 让你的智能机器人动起来1.1 欢迎进入 AS-MII 的世界提起机器人，我们都不陌生，我们脱口就能说出一大串机器人的名字：铁臂阿童木、 霹雳五号、奥托曼等，这些都是小说和影视作品里的主人翁，他们的音容笑貌我们仍旧记忆 犹新。而现在我们真正的机器人朋友 AS-MII 诞生了！他梦幻般的造型和神奇的智慧将把您 带入到智能机器人的奇妙领域。 AS-MII 有一个功能很强的“大脑”和一组灵敏的“感觉”器官。它不仅可以随着外部 环境敏捷地作出反应，而且还可以与你进行交流。它有听觉、视觉、和触觉，它还会象人一 样使用动作和声音，来表达与它周围世界互动时的感觉。如： AS-MII 会唱歌、会跳舞； 在早晨，他会叫你起床 ； 出去散步的时候他会跟在你后面，边走边唱； 放了学回家，他会哼着小曲欢迎你； 夜晚，他又可以不知疲惫地充当你的忠实卫士，守候在你的身边 保护你； …… 当然，更有趣的是，我们的机器人 AS-MII 就象是一个刚出生的婴儿，大脑一片空白， 他可以按照你的意愿成长。 他完全听从你的命令， 就像一个忠实的仆人顺从着你， 陪伴着你， 理解你，表达你。 AS-MII 是我们给机器人起的名字。AS 是 Ability Storm 的缩写，意思是能力风暴，M 表 示中学版，II 表示第二版本。 AS-MII 是不是很有趣，下面就让我们一起仔仔细细地来了解他！11.2 AS-MII 的外形结构AS-MII 的外形结构参见图 1-1： 上盖LCD 液晶显示屏主板 传感器底 盘上面是我的照片。具体各部分包含什么？有什么功 能？咱们后面再说来……图 1-1 AS-MII 结构简图 注意： 机器人下部的碰撞环是柔性部件，拿的时候要小心，尽量不要接触碰撞环。（a）(b)2拿机器人的姿势如图(a) 所示。图(b) 的拿法要避免，否则会使碰撞传感器失灵。 方式（a） ：正确的拿法，手指勾住传感器孔。 方式（b） ：错误的拿法，双手捧住碰撞环。 在拆卸“能力风暴”个人机器人上盖时，请参考以下步骤进行： 1． 将透明顶盖拆开； 2． 将传感器插针从插孔中拔出； 3． 两手手指由上盖内部向外顶住左前端卡脚，由底盘垂直拔除； 4． 重复上一动作，将其余卡脚一一拔出。 注意： 在进行上述操作时要轻拔轻插，以免造成卡脚断裂，上盖翘起。1.3 AS-MII 的控制面板看见 AS-MII 背后的控制面板了吗？就象下面这个样子。在控制面板旁有 2 个小灯，它 们会告诉你 AS-MII 所处的状态。图 1-2 控制按键部分--开关-开关顾名思义就是控制 AS-MII 电源的按钮，按此按钮可以开机或关机，也就是打开或 关闭机器人电源。 注意： 用户应该避免频繁开关机器，开关机器时间间隔应保持至少 5 秒的间隔。如果出现机 器人 LCD 显示黑块或其它异常情况时，请重新开机。如问题任然没解决，请重新下载操作 系统。 --电源指示灯-电源指示灯的颜色是绿色。 开机时， 这个灯会发光， 告诉你机器人已经进入工作状态了！ 关机时，电源指示灯熄灭。3--充电指示灯-AS-MII 也有电量不足的时候，就像我们“饿”了一样，它也会“饿” ，这时需要及时地 补充能源。当你给机器人充电时，充电指示的红灯发光。 --充电口-要给 AS-MII 充电，充电口这时就派上了用场。只要将充电器的直流输出端插在充电口 上，再将另一端接到 220V 电源上即可。具体使用方法见“1.4 AS-MII 的充电” 。 --下载口-下载口用于下载程序或操作系统到机器人主板上， 使用时只需将串口通信线的一端接下 载口，另一端连接在电脑机箱后面的一个九针串口上，机器人与计算机就连接起来了。具体 使用方法见“1.6 与 AS-MII 进行交流” 。 --“复位/ASOS”按钮-这是个复合按钮，用于下载操作系统和复位。 复位功能：在机器人运行程序的过程中，按下此按钮，机器人就会中断程序的运行。这 时，如果要重新运行程序，须按运行键，或关机再按运行键。 下载操作系统功能：连接好串口通信线，打开机器人电源开关，在 VJC1.5 流程图编辑 界面中选择“工具（T）--更新操作系统(U)”命令，然后按下此按钮，即可下载操作系统。 --“运行”键-机器人开机后，按击“运行”键，就可以运行最近下载的程序。 --通信指示灯-通信指示灯位于机器人主板的前方，是一个黄色的小灯。在给机器人下载程序时，这个 黄灯闪烁，表明下载正常，程序正在进入机器人的“大脑” 。1.4 AS-MII 的充电AS-MII 可以在线充电，也就是不用取出电池，直接为机器人充电。在线充电又可分为 开机充电和关机充电。图 1-3 充电器充电示意图4注意： 在使用充电器充电时请注意安全，应该由成年人将充电器插到 220V 标准电源上。 1.4.1 开机充电 AS-MII 可以一边充电一边活动，这样很方便，不会影响你与它的交流。您要采用这种 方式给 AS-MII 充电时，只需： 1) 将充电器取出； 2) 充电器直流端接机器人充电口； 3) 充电器另一端插在标准电源插座上（220V，50Hz） 。 1.4.2 关机充电 AS-MII 也可以关机充电。只需将机器人关机，再用以上三个步骤给机器人充电。关机 充电约 1.5 小时即可充满，此时用于充电指示的红灯熄灭。 1.4.3 更换电池 电池充满电时电压 8.4V， 额定工作电压 7.2V， 最低工作电压 5V。 电池可重复充电 1000 次以上。因为 AS-MII 用的是锂电池，没有记忆和充爆问题，所以可以随用随充。如需要更 换电池，可按下面步骤进行： 1) 关闭 AS-MII 的电源； 2) 将电池取出（须将电池上的小卡片压紧，贴住池身，以脱离卡槽） ； 3) 装上新电池。 注意： 在第一次使用“能力风暴”个人机器人时请先充饱电。1.5 AS-MII 的连接和检测1.5.1 连接串口通信线 在很多情况下，AS-MII 是要和计算机连接使用的。连接串口通信线是一项基本操作， 下面是连接的步骤： 取出串口通信线。一端接 AS-MII 的下载口 ，另一端接电脑机箱后的 9 针串口。如果你 的电脑后面没有空余 9 针串口，请咨询电脑维护人员。 （可以把暂时不用的设备移开，腾出 一个串口。 ） 1.5.2 运行自检程序 双击 VJC1.5 图标，在打开的对话框中选择“新建―流程图程序” ，进入了流程图编辑界5面。在此界面中你可以发现工具栏中有“自检”按钮，点击此按钮，即可下载自检程序。自检程序下载完毕后，我们就可以检测 AS-MII 了。进行自检时，请拔下串口通信线， 将机器人带到安全的地方（空旷，无障碍平地，2 米×2 米大小即可） 。 按下机器人电源开关，会听到“嘟”的一声，LCD 上显示出“ASOS2002 Grandar Ability Storms” ，同时右下角有太极状的图标在跳。太极图跳动表示 AS-MII 的系统运行正常。按一 下“运行”键，机器人就开始自检了，LCD 上会显示“ AS-MII Intelligent Robot Test” 。 自检内容共有九项，一项内容自检完成后， 再按一下运行键，将进行下一项检测内容。下 面就让我们逐项看一看： 1) LCD 液晶显示是否正常？ 字符显示清晰，16×2 个字符不应有缺行、缺列现象。 2) 扬声器（喇叭）是否正常？ 扬声器所播放的乐曲应清晰洪亮，无明显噪声。 3) 光敏传感器是否正常？ 1Yes 1No 1Yes 1No 1Yes 1Noa) 左右光敏传感器的感应数值随光强不同而变化，其范围为 0～255。光强越弱，数 值越大，光强越强，数值越小。在相同光强条件下，左右两光敏传感器数值偏差小 于 10。 b) 如： （photo L172 R210 ）表示左边的光线强。 1Yes 1No4) 红外传感器是否正常？ 显示，并指明障碍物所在的方位（左前、右前或者正前） 。 b) 如： &&&& a) IR Test c) 表示机器人右前方有障碍。 5) 话筒是否正常？a) 在前方 10cm～80cm 范围内，有 A4 纸大小的障碍物时，在 LCD 上会有“&&&&”符号1Yes1No对着 AS-MII 话筒槽孔（蜂窝状小孔）说话，看 LCD 上的 & 是否增加。 6) 碰撞传感器是否正常？ 按动机器人下部的碰撞环，在 LCD 上能显示碰撞方位（英文） 。 7) 运动系统是否正常？ Motor Test 30 31 L R 100 100 1Yes 1No 1Yes 1No机器人可移动、转弯，同时在 LCD 上显示光电编码器累计计数值和瞬时电机转速。如：表示左电机速度 100，右电机速度 100，左轮转过 30 个单位，右轮转过 31 个单位。 8) 光电编码器是否正常？ 1Yes 1No6机器人左、右轮子分别转动 1 圈，轮子内侧码盘也随之转动 1 圈，LCD 上显示光电编码 器的计数值约为 33。轮子连续转动，LCD 上则显示光电编码器的累计计数值。 自检程序全部完成后，按一下复位键，机器人就会停止运行。最后关闭电源开关。也可 以不按复位键，直接关闭电源开关。 通过上述检测，我们可以大体了解 机器人各部分的功能，为以后编制程序打下基础。 如果你拿到的 AS-MII 已经被使用过， 可能内存里已经没有了自检程序， 请按照下一节 “VJC1.5 编程软件简介”中介绍的方法下载自检程序，然后再进行自检。1.6 VJC1.5 编程软件简介图形化交互式 C 语言（简称 VJC）是用于 AS-MII 的专用开发系统。VJC1.5 运行在 Windows95/98/2000/XP 和 WindowsNT4.0 以上版本的操作系统上。 VJC1.5 由流程图编辑界面 和 JC 代码编辑界面组成。具体应用参考《VJC1.5 开发版使用手册》 。 双击桌面上的 VJC1.5 图标， 进入流程图编辑界面 （如图 1-4） 可以看到这样几个部分： ， 菜单栏、工具栏、模块库（包括执行器模块库、传感器模块库、控制模块库和程序模块库） 、 垃圾箱、流程图生成区、JC 代码显示区。通过点击工具栏中的“编辑 JC 代码程序”快捷按 钮（界面切换按钮）可以切换到 JC 代码编辑界面（如图 1-5） 。图 1-4 流程图编辑界面7图 1-5 JC 代码编辑界面 VJC1.5 的 JC 代码编辑界面 由这样几个部分组成：菜单栏、工具栏、编辑界面、JC 信息窗口。通过点击工具栏中的“ 流程图窗口” 快捷按钮（界面切换按钮）就可以切换到 流程图编辑界面。我们先看看 流程图编辑界面： 新建程序：要编写流程图程序，可以在流程图生成区直接编写 。如果编辑过之后，还 想再新建一个程序， 那么可以选择菜单栏中 “文件―新建” 命令， 也可以利用工具栏里的 “新 建”快捷按钮，直接新建一个新程序，见图 1-6。8图 1-6 新建程序菜单、图标打开程序：可以选择菜单栏上“文件(F)―打开(O)”命令（或点击工具栏中的“打开” 快捷按钮），来查看或编辑以前保存的程序。 下载程序：写好的应用程序必须下载到 AS-MII 上运行。可以选择菜单栏中“工具（T） ―下载当前程序(D)”来下载程序（或点击工具栏中的“下载”快捷按钮）。如图 1-7。图 1-7 下载当前程序菜单 下载程序时，会弹出如图 1-8 所示“智能下载程序”对话框，对话框中有两条提示，当 你按提示操作无误后，两项提示前端会打勾，然后出现蓝色条码显示编译下载的进程。图 1-8 下载窗口 下载过程中，你可以看到主板上通讯指示灯（黄色）在闪动，表示数据在传送。如果编9译下载都正确，VJC1.5 会提示下载成功，如图 1-10 所示：图 1-10 下载成功下面再看看 JC 代码编辑界面： 新建程序：可以在 JC 代码编辑界面中直接编写 JC 代码程序。如果你还想再新建一个 程序，那么可以选择菜单栏中“文件―新建”命令，然后在新建的窗口里编写程序。你也可 以利用工具栏里的“新建”快捷按钮，直接新建一个 JC 代码程序，见图 1-5。 打开程序：可以选择菜单栏上的“文件(F)―打开(O)”命令，来查看或编辑以前保存 的程序。 下载程序：写好的应用程序必须下载到机器人上运行。可以选择菜单栏中“工具（T）―下载当前程序(D)”来下载程序（或点击工具栏中的“下载”快捷按钮 ）。VJC1.5 会在JC 信息窗口中显示程序的编译下载过程。下载过程中，你可以看到主板前面的黄灯在闪动， 表示数据在传送。调试程序：所编写的 JC 程序如果有语法错误，那么在编译下载时就会在 JC 信息窗口 中显示程序的语法错误，提示错误可能在程序的第几行（用括号注明），并提示可能的错误原因。 这时你使用工具栏中的 按钮， 就会出现跳转对话框。 将出错的行数写入此对话框，光标就会自动跳转到该错误行，那么你就可以找出错误，并修改它。这样反复编译下载，直 到没有编译错误为止，就可下载成功。用这种方式可以加快调试程序的过程。 实际应用中，两种编辑界面切换是经常要用到的。现将编辑界面切换方法总结如下： 流程图编辑界面切换到 JC 代码编辑界面的途径： 1) 在菜单栏的“窗口”选项卡中选择任一个“JC 程序” 2) 在菜单栏的“编辑”选项卡中选择“编辑 JC 代码” 3) 点击工具栏中“编辑 JC 代码”快捷按钮10JC 代码编辑界面切换到流程图编辑界面的途径： 1) 在菜单栏的“窗口”选项卡中选择“流程图窗口” 2) 点击工具栏中“流程图窗口”快捷按钮 3) 打开文件时选择文件类型为“流程图文件*.flw” 。 使用键盘上的 F12 键也可以在两个界面之间来回切换。 VJC1.5 的详细操作方法请参见《VJC1.5 开发版使用手册》或直接查询 VJC1.5 的“帮助 。 （H）－帮助主题(H)”11第2章 AS-MII 身体的构成本章分为三个部分， 主要描述了： AS-MII 的身体结构， AS-MII 的传动机构， 以及 AS-MII 的动力与驱动。2.1 AS-MII 的身体结构2.1.1 控制部分DD主板和控制面板 控制部分主要是指我们在和 AS-MII 机器人进行交流时，对它进行直接操作的部件，见 图 2-1。从图中我们可以清楚地看到 AS-MII 的控制部分主要由以下两个部分组成：主板和 控制面板。主板控制按键部分控制面板 图 2-1 AS-MII 控制部分--主板-主板是 AS-MII 的大脑，它由很多电子元器件组成。跟人的大脑一样，它在控制身体的 运动时，要完成接收信息、处理信息、发出指令等一系列过程。 AS-MII 的大脑有记忆功能，这主要由主板上的内存来实现。至于“大脑”的分析、判 断、决策功能则由主板上的众多芯片共同完成。12--控制面板-位于 AS-MII 背部的控制面板，是 AS-MII 机器人的按钮和接口集中的地方，它的组成和 功能在前面 1.3 中已做了介绍，这里就不再重复了。2.1.2 感官部分DD传感器 感官部分是 AS-MII 机器人用来同环境进行交流――采集环境信息的一组器件，我们称 之为传感器。如图 2-2 所示，AS-MII 上用到的传感器有以下 5 种：碰撞传感器，红外传感 器，光敏传感器，话筒，光电编码器。--碰撞传感器-AS-MII 机器人的碰撞传感器能够检测到 360°范围内的碰撞，使 AS-MII 机器人遭遇到 碰撞之后，能够转弯避开，或作出其它反应。话筒碰撞环光敏传感器 红外接收模块 红外发射管碰撞传感器结构示意图＋＝光电编码传感器码盘 图 2-2光电耦合器 AS-MII,AS-UII 感官部分--红外传感器-红外传感器能够和人眼一样“看见”前方的障碍物，然后通知“大脑”作出反应。 红外传感器共包含两种器件：红外发射管和红外接收模块，如图 2-2 所示。红外接收模 块位于 AS-MII 机器人的正前方，两只红外发射管紧靠在红外接收模块的两侧，它们共同组13成了 AS-MII 机器人的“眼睛” 。 红外发射管可以发出红外线，红外线在遇到障碍后反射回来，红外接收模块接收到被反 射回来的红外线以后，发出电信号给机器人主板，这样机器人就“看见”东西了。 人的眼睛有时发现不了太小、太近或太远的东西，这是因为人眼有一定的可视范围。 AS-MII 机器人的“眼睛”也一样。AS-MII 的“眼睛”能够看到前方 10cm80cm，90°范围 内的障碍物，障碍物面积须在 210mmx150mm 以上。如果障碍物太小太细、或者在可视范围以 外，它可就没法看到了，注意这点哟！ 在 AS-MII 机器人的可视距离是可以调整的，参见后面传感器部分 3.２.２节。--光敏传感器-光敏传感器是由两个光敏电阻组成，位于机器人的左前和右前方（参见图 2-2） 。 光敏传感器不但能够探测光线强弱，而且我们可以让它看见特定的颜色。我们可以在光 敏传感器上罩一层滤光纸，通过滤光纸的颜色来决定机器人能探测到什么颜色的光线。 --话筒（麦克风）-话筒在主板上位于喇叭的内侧，液晶显示屏的下方。 话筒可以检测到声音，也可叫做 声音传感器。 话筒能听见的声音频率跟人能听到的大致一样，频率范围大约是 16Hz20000Hz。 --光电编码器-光电编码器由码盘（在主动轮内侧）和光电耦合器（在主动轮支架内侧）组成。光电 耦合器通过发射红外线，然后测定随轮轴一起转动的码盘的反射脉冲，得出轮子转动的圈 数，从而测定机器人行走的距离。2.1.3 执行部分DD喇叭、液晶屏、轮子、电机 AS-MII 机器人的执行部分是执行具体功能时所要用到的部件，如图 2-3 所示。AS-MII 机器人的执行部分共有以下五种：喇叭，液晶显示屏，主动轮，从动轮，电机。喇叭 LCD 液晶 显示屏14直流电机 主动轮导向轮图 2-3 AS-MII 执行部分--喇叭（扬声器）-AS-MII 机器人也可以说话，它的嘴就是喇叭。 当然现在还不能让 AS-MII 机器人的嘴讲“人话” 喇叭只能按照输入的频率和时间来 ， 发声。 想一想，你是不是可以让 AS-MII 高歌一曲呢！ --LCD 液晶显示屏-人类会因为各种原因不能通过声音语言来交流，这时候我们会借助手势或是文字来交 流。 AS-MII 机器人则利用一种特殊的方式来表达自己， 这种方式就是液晶显示屏， 简称 LCD。 LCD 显示屏可以显示英文、数字等字符，告诉你它遇到了什么、正在做什么或是想干什 么？别小看这些信息，在你调试程序时它们可有用了。 --主动轮及其驱动机构-主动轮有两只， 电机输出的动力通过齿轮箱传给主动轮， 带动整个机器人运动 。 AS-MII 是平面移动机器人，它能够完成直行、走弧线、左转、右转、原地打转这些技术动作 。机 器人采用的是差动驱动方式，即每只主动轮由独立的电机驱动，这使得机器人有较高的灵 活性。 --从动轮-如果 AS-MII 机器人只靠两个主动轮，难以保持平衡。有了从动轮作为支撑，就能实现 动态和静态的平衡了。 从动轮共 2 只，与机身弹性连接，可以在垂直于地面的方向上下移动，以保持机器人动 态平衡，并能实现一定的越障功能。 --直流电机-AS-MII 机器人上有两个直流电机，可以将电池提供的电能转化为动能，让机器人动起 来。机器人的运动速度是通过电机来调节的。2.1.4 AS-MII 的能源―电池 AS-MII 机器人的底盘下安装有电池，见图 2-4。机器人的能量就来自于这个电池。15电池图 2-4 AS-MII 的电池2.2 AS-MII 的传动机构2.2.1 齿轮传动机构 齿轮，顾名思义就是带了齿的轮子。齿轮传动机构就是以齿轮为主要传动件的传动机 构。工作时，主动轮先转动起来，与从动轮的齿一个一个地咬合下去，带动从动轮旋转，这 叫做齿轮的啮合传动。 齿轮的种类很多，它们通过不同的配合可以实现不同的传动类型，图 2-7 是传动类型 示意图：(a)(b) 图 2-7 传动类型示意图(c)图 2-7(a)所示的传动类型能够将旋转运动变成直线运动。齿轮作旋转运动，下方的齿 条则作直线运动。 图 2-7(b)所示传动类型能够改变旋转运动的速度。小齿轮带动大齿轮则减速，大齿轮 带动小齿轮则增速。 图 2-7(c)所示传动类型不仅改变旋转运动的速度，而且改变旋转运动的方向。162.2.2 AS-MII 的齿轮箱 如图 2-8 所示，机器人的齿轮箱是三级减速的，即用了三对齿轮减速机构。也许你会感 到纳闷了：为什么齿轮箱里的传动系统不能用一级减速机构呢？这是因为如果只用一对齿 轮，为了达到降低速度的要求，就必须一个齿轮超小，一个齿轮超大，这样不仅会造成空间 上的浪费，而且对小齿轮性能指标的要求很高。所以，为了将输出的速度降低，并将输出的 扭矩增大，我们采用了三级减速机构，一级一级地改变速度和扭矩，直到将输出轴的速度和 扭矩调整到所需要的指标。 对于改变速度的传动形式来说，就有一个传动比的概念。 齿轮传动的传动比 k 可以用 两个齿轮的齿数来定义：k = z1z2Z1 为主动齿轮的齿数，Z2 为从动齿轮的齿数从动轮的转速 V从动轮 可表达为：V 从动轮＝V 主动轮×kAS-MII 机器人的齿轮箱展开图见图 2-8： 注：为了能看的更清楚，我们将齿轮箱展开了，实际情况会略有不同。17图 2-8 齿轮箱展开图 当然，AS-MII 机器人的传动机构除了齿轮箱以外，还有其他部件，轴就是其中一个关 键的部件。 轴在日常生活中是比较常见的，它与轴承配合，支撑齿轮、涡轮等零件，并与之一起旋 转，以传递运动、扭矩。 观察上图，我们可以发现在齿轮箱里有四根轴，它们分别是电机轴、中间轴、中间轴和 输出轴。在整个齿轮传动中， 轴的功能有三种： 1. 2. 3. 输入轴---直接与动力源（电机）联接； 输出轴---直接与执行器（轮子）联接； 中间轴---在齿轮箱中仅作为齿轮支架，起过渡的作用。2.3 AS-MII 的动力与驱动2.3.1 AS-MII 的动力 AS-MII 的动力来源于位于机器人底盘内的电池。 电池提供电能，而机器人运动需要的是动能。这两种能量是怎么转化的呢？ 电能转化为动能须利用电机。电机是现代工业必不可少的，是工业电气化的标志。 2.3.2 AS-MII 中的直流电机 以电为原动力产生机械旋转动力的装置叫做电动机。电动机如果是依靠直流电源工作， 则称为直流电机。18在 AS-MII 中，直流电机将轴的旋转运动输入到齿轮箱，齿轮箱将转速降低，将扭矩增 大，最后将动力输出给机器人的主动轮，从而驱动整个机器人运动。 机器人的调速是通过调节电机的平均电压实现的， 因为直流电机上的电压大小影响它的 转速和扭矩。观察下图：图 2-9 直流电动机 T-N 图直流电机在一定电压下，其转速与扭矩成反比。在图 2-9 中 12V 转速扭矩线上取两个 点 J、K，可以看出 Jn & Kn, JT & KT。由此我们可以发现，当电机电压一定时，转速（n） 变小 ，则扭矩（T）增大；转速（n）变大，则扭矩（T）减小，这就叫转速与扭矩成反比。 从图中还可以看出，如果电压降低，则转速扭矩线向下方移动。 在智能机器人负载一定时（即扭矩一定时） ，降低电压，转速扭矩线向下方移动，从而 可以降低转速；提高电压，转速扭矩线向上方移动，从而可以增大转速，这样就可以实现调 速。在智能机器人里正是采用改变电压的方式，来改变电机转速的。 智能机器人电机上得到的电压是方波，不同的方波的脉冲宽度不同，平均电压也就不同 （参见图 2-10） ，我们就利用这一点来进行电机的速度控制。采用不同的脉冲宽度，调节平 均 电 压 的 高 低 ， 进 而 调 节 电 机 的 转 速 ， 这 种 方 式 叫 做 脉 宽 调 制 （ PWM ， Pulse Width Modulation） 。智能机器人通过主板发出信号，改变脉冲宽度，实现脉宽调制。图 2-10 不同宽度的方波（虚线表示平均电压）2.3.3 AS-MII 的驱动方式 AS-MII 机器人的驱动方式是差动驱动。19差动是指将两个有差异的或两个独立的运动合成为一个运动。 当我们把两个电机的运动 合成为一个运动时，就形成了差动驱动。 仔细观察智能机器人的底盘，你会发现机器人有两个直流电机。两个直流电机分别控制 两个主动轮。在运行时，我们可以分别设置两个电机的转速，组合起来就能使机器人实现各 种运动方式，如直行、转弯、走弧线等，这就是差动驱动。 想一想，既然我们的智能机器人是差动方式驱动的，由两个直流电机分别控制。那么， 智能机器人能走出多少种不同的路线来呢？ 下面我们以 JC 代码编程为例，介绍两个库函数 ，以便更深刻地理解机器人的差动驱动 方式。这两个库函数是 motor()和 drive()。 库函数 motor（a，b）应用时应注意： 1) 库函数 motor（a，b）只控制单个的电机转速； 2) 库函数 motor（a，b）有两个参数 a、b，都是整型数； 3) 库函数 motor（a，b）中 a 指定是左轮或是右轮，a=1 代表左轮，a=2 代表右轮；b 指定转速，b 的取值范围是－100～＋100。 例 1：在 JC 代码编辑界面中写入以下程序 void main() { motor( 1 , 40 ); motor( 2 , 80 ); wait( 0.500000 ); stop(); } 然后下载运行，你会发现，机器人以左轮 40 右轮 80 的速度前进了 0.5 秒钟，划了一条 弧线。 库函数 drive（a，b）应用时应注意： 1) 此库函数是复合语句，同时控制左右两个电机的转速； 2) 此语句有两个参数 a、b，都是整型数； 3) a 指定平移的速度，b 指定旋转的速度。左轮的速度＝a＋b，右轮的速度＝a－b。 观察下面两个例子，看看它们有什么不同： 例 2： void main() { drive( 80 ,0); wait( 0.500000 ); stop(); }20例 3： void main() { drive( 60 ,20); wait( 0.500000 ); stop(); } 请下载这两个程序运行，验证您观察的结论。 VJC1.5 的详细操作方法请参见《VJC1.5 开发版使用手册》或直接查询 VJC1.5 的帮助。 在下面的第 5 章《尝试迷人的机器人项目》里，我们还将作进一步的介绍。21第3章 感觉、大脑与执行器3.1. 智能机器人的三大要素人对周围环境的反应过程是：感觉→大脑思考→作出反映。机器人的信息处理流程也 是如此。机器人的信息处理流程由以下三大要素来完成：传感器，微控制器和执行器。 能力风暴智能机器人配有 5 种十几个传感器，另外还可以根据需要扩展其他传感器。 能力风暴对环境的感知能力很强。 感知环境的能力是产生智能行为的前提， 因此能力风暴能 产生许多智能性行为。 能力风暴通过微控制器（microcontroller）来思维。我们采用的是 Motorola 公司 8 位单片机中功能最强、集成功能最全的高档机种 68HC11E1。它的可靠性很高，有程序自下 载功能。 计算机硬件决定了机器人的极限潜能，去开发这种潜能是软件的工作。为了充分利用 68HC11E1 的功能，我们为用户提供了图形化交互式 C 语言―VJC1.5，它使开发能力风暴的 高层行为充满了乐趣。 能力风暴智能机器人的执行器有：二只高性能直流电机；一只喇叭；一只 2*16 字符的 液晶显示器。稳压与低电 压复位系统 电机 驱动 2只红外传感器 外部存储器 2只光敏传感器 喇叭 驱动 直流 驱动 1只麦克风 喇叭BUS4只碰撞传感器2只直流电机LCD2只光电编码器单片机1只直流电机 或伺服电机各种外部 扩展卡ASBUS 总线串口 通讯 PC图 3-1 能力风暴智能机器人的系统结构223.2. 能力风暴的传感器及其处理电路3.2.1. 碰撞传感器碰撞传感器是感知碰撞信息的传感器。在能力风暴智能机器人的左前、右前、左后、右 后设置有四个碰撞开关，它们与碰撞环共同构成了碰撞传感器(见图 3-2)。碰撞环与底盘柔 性连接，在受力后与底盘产生相对位移，触发固连在底盘上的碰撞开关，使之闭合。图 3-2 碰撞开关及碰撞环 我们把来自四周的碰撞分为八个方向(见图 3-3)。图 3-3 碰撞传感器方位 应用 我们在 VJC1.5 环境中，编写一个碰撞检测程序，来理解如何在程序中使用碰撞开关。 VJC 流程图编辑界面参见图 1-4。 1) 进入 VJC1.5 的流程图编辑界面，将“控制模块库”中的“永远循环”模块拖入到流程图生成区，并与“主程序”模块相连； 2) 3) 将“传感器模块”库中“碰撞检测”模块连接到循环体内部，见图 3-6； 将“执行器模块库”中的“显示模块”连接在“碰撞检测”模块下方；234)设置“显示”模块。在“显示”模块上右击鼠标，在弹出的对话框中选择“引用变量”，会出现“变量百宝箱”对话框（见图 3-5） ，点击“碰撞”图标，在碰撞变量引用中 点击“碰撞变量一” ，按“确定” ；图 3-5 VJC1.5 碰撞显示变量设置图 5) 在“显示”模块正下方，连接“延时等待”模块，在“延时等待”模块上右击鼠标，设置时间为 2 秒； 6) 将“程序模块库”中的 “任务结束”模块连接在循环体的下方，完成碰撞检测程序的编写。图 3-6 碰撞检测程序流程图24下载并运行此程序，观察 LCD 上的显示： bmp_1=0 若左后方受到碰撞，LCD 上显示： bmp_1=4 在其它方向施加碰撞，LCD 显示的值将不同，八个方向发生碰撞时返回值的意义为： 1 左前，2 右前，4 左后，8 右后，3 前，12 后，5 左，10 右。 上面使用的是流程图程序，下面我们再用 JC 语言（交互式 C 语言）编写程序来理解碰 撞传感器是如何工作的。 在 JC 语言中，碰撞传感器的库函数是 bumper()，在程序运行过程中此库函数仅在被调 用到时执行一次，即采集数据一次。因此要连续查询碰撞传感器的状态就要在 JC 代码编辑 界面中间一行编辑框（JC 对话窗口）中输入如下程序块（while(1)表示永远循环） ： {while(1) {printf(&bump=%d\n&,bumper());wait(0.1);}} 按回车（Enter） ，JC 能立即编译这一段程序并下载运行（须连接串口通信线并开机） ， LCD 上显示： bump=0 （表示此时没有碰撞） （表示此时没有碰撞）按左前碰撞环，LCD 上显示：bump=1。在其他方向施加碰撞，显示的值将不同。 JC 代码编辑中的这种交互式能力特别便于调试、测试和学习。 安装 以下是碰撞传感器的接线图 左后 右后 左前 右前图 3-4 碰撞传感器的接线图25用户在使用时须注意四个碰撞开关的安装位置， 然后将组合插针以正确的方向插入主板 相应的接口（参见图 3-5） 。碰撞开关图 3-5 碰撞传感器的插针位置图 原理 到此，碰撞传感器已经能够被用户直接使用。但是，对应于每一个方向的碰撞，用户是 怎样得到一个二进制数值的呢？ 在能力风暴智能机器人里，四个碰撞开关接在一个电阻网络里，通过采集模拟口 PE3 上电压值的变化， 来识别出哪些碰撞开关闭合， 从而判断出哪个方向有碰撞。 为了帮助理解， 让我们在 JC 代码编辑界面中间一行编辑框（JC 对话窗口）中输入如下程序块： {while(1) {printf(&pe3=%d\n&,analogport(3));wait(0.1);}} 按回车（Enter） ，JC 能立即编译这一段程序并下载运行（须连接串口通信线并开机） ， LCD 上显示： pe3=0 (表示此时无碰撞)在各个方向上按压碰撞环，pe3 返回值各不相同（参见图 3-6） ，这些值是 pe3 上电压值 通过模数转换（模拟量转化为数字量）得到的结果。它们不直观，也不方便记忆。对此在库 函数 bumper()中进行了变换，将模拟口上采得的电压值变为直观表示各个方位的四位二进 制数（参看 VJC1.5\robots\AS-MII\libs\lib_AS_MII.jc 样就得到了在应用中的对应关系、计算方式和调用方法。 中的子函数 int bumper()） ，这261K1K2K3.9K图 3-6 碰撞传感器的电路图 注意： 由于运行键与碰撞开关共用 PE3，当拔掉碰撞传感器时，PE3 口采集到的是高电平， 会导致运行键失效。解决办法是用短路端子插在如图所示 1 脚和 3 脚。短路帽在整机的附 件包中。短接帽范例 void main() { int { bumpvalue=bumper(); /* 获取bumper（）碰撞检测值 */ /* 定义整形变量bumpvalue */ /* 永远循环 */ while(1)27printf(&bump=%b\n&,bumpvalue); /* 以二进制形式打印出检测值 */ wait(0.5); } } 运行以上程序，前后左右按碰撞环，可直接从显示屏上读出显示值。 /* 等待0.5秒 */3.2.2.红外传感器能力风暴运用了 2 只红外发射管（970nm）和一只红外接收模块构成红外传感系统（见 图 3-7） ，主要用来检测前方、左前方和右前方的障碍，检测距离范围为 10～80cm。 用户可以通过调节两个电位器（主板上靠近红外传感器接口的黄色旋钮）来调节左右 两个红外的检测距离，顺时针红外发射强，检测距离远，逆时针红外发射弱，检测距离近。 逆时针将电位器旋转到底，将关闭红外发射管。 主板中的 XT2 为 38kHz 的晶体，它将红外光发射的调制频率固化在 38KHz 左右，这是 红外接收模块中带通滤波器的中心频率。红外光发射管 图 3-7 红外传感器红外接收模块从图 3-7 中可以看出红外发射管的头部象一个发光二极管， 它是两针的； 红外接收模块 的头部是个集成块，它是三针的。 安装 红外传感器的插针是有方向性的，用户自己安装时应注意方向。 红外线发射接口 IRR 和 IRL 的正极已经标出。插反不会损坏元件，但传感器会不工作。 红外线接收模块的正确接法是将紫色线朝向主板中间的缺口。如果插反不会损坏器件，但 错位有可能损坏红外接收模块。左红外发射调节电位器红外接收调节电位器右红外发射28图 3-8 红外传感器插针位置图 应用 在 JC 语言中，红外传感器的库函数是 ir_detector()，在程序运行过程中，此库函数 仅在被调用到时执行一次，即采集数据一次。 在 JC 代码编辑界面中间一行编辑框（JC 对话窗口）中输入如下程序块： {while(1) {printf(&ir=%b\n&, ir_detector());wait(0.5);}} 按回车，JC 能立即编译这一段程序并下载运行，LCD 上显示： ir=0 （表示此时没有障碍）用一张白纸分别挡在能力风暴智能机器人的前方、左方和右方，液晶显示屏上显示的 ir 的值都不一样，可总结如下： 无障碍 十进制表示： 原理 红外接收模块集成了红外接收管、 前置放大器、 限幅放大器、 带通滤波器、 峰值检波器、 整前电路和输出放大电路， 灵敏度很高。 有时从红外管侧面和后面漏出的红外光也会被接收 模块探测到。 在能力风暴智能机器人上， 两个红外发射管和一个红外接收模块都是先装在套 管里再固定在外壳上的，有效地避免了这种情况的发生。用户在自己扩展红外传感器时，如 果遇到这种情况，只需用黑胶布把发射管的侧面和后部包住即可。 红外传感器是靠发射红外光，并接收由障碍物反射回来的红外光来判断是否有障碍的 （如图 3-9） 。 0 左方 1 右方 2 前方 429图 3-9 红外测障原理图 图 3-9 中所示即为前方有障碍时的情况，红外光以 60 度的散角向外发射，阴影区域分 别是左右两个红外的反射光区域， 而红外接收模块正好处于反射光区域内， 能接收到左右两 个红外发射管的反射光，由此即判断出前方有障碍。 应特别注意， 红外接收模块只是在接收到了一定强度的红外光时才有反应， 判断有障碍。 所以，当障碍物太细时，机器人会检测不到；当障碍物是黑色或深色时，会吸收大部分红外 光，只反射回一小部分，不足以产生有障碍的信号。 下面是红外传感器的电路图：U6A 1 C30 74HC14 22p C31 XT2 38Khz R23 1M 74HC14 2 3 U6B 4 R24 3K9 D2 PD2 R25 1N 74HC14 U6F 12 74HC14 U6E 10 AR1 VM6CK332 R9 1K AR2 VM6CK332 R10 1K Q3
Q4 9012 IRR CL5R 603M C23 100uF/16VVCCR29 100IRL CL5RR26 3K9 IRMOLDR31 473K9 D3 PD3 R15 12K 1N4148 PE42200pINFRARED SENSOR图 3-10 红外传感器电路图 从图 3-10 中可以看出， I/O 口 PD2， PD3 分别控制左右红外光发射管的关闭和打开， AR1 和 AR2 控制左右红外光发射管的发射强度。 红外传感器检测障碍的过程如下： 1) 首先，左右发射管均关闭，红外探测器探测一次当前信号，并保存下来，以跟后面采集 到的数据比较。 2) 当程序中调用库函数 ir_detector()时， 红外探测系统启动。 左红外发射管先发射一次， 延时 1ms 后红外接收模块探测一次信号；然后，右红外发射管发射一次，延时 1ms 后红 外接收模块探测一次信号。红外接收模块采样一次信号的时间为 0.064ms。红外接收模 块通过 PE4 口采样当前值，并保存下来。由于先后时间的不同，就可以分别探测左右两30边的红外信号。 3) 每调用一次 ir_detector()函数，红外探测系统开启一次。完成后，左右红外发射管关 闭。 根据采集的数据可以判断是否有反射。 在初始探测无反射而第二次探测有反射时，左 反射管才是有反射的，这样系统认为左方有障碍。同理，初始探测无反射而第三次探测有反 射时，右反射管才是有反射的，右方被认为有障碍。采用这种方法可以抑制许多环境红外噪 音。 范例 void main() { int ir = 0; while(1) { ir=ir_detector(); if(ir!=0) { drive(-60,-30); wait(0.1); } drive(40,0); } } 运行此程序，将会看到，在机器人前进过程中，当前方(左前，右前，正前方)有障碍时， 能力风暴智能机器人会作出反应。 /* 否则前进 */ /* 有障碍就倒退并转向 0.1 秒 */ /* 获取ir_detector()的检测值ir */ /* 判断有否障碍 */ /* 定义一个整型变量ir */3.2.3.光敏传感器能力风暴智能机器人上有 2 只光敏传感器（见图 3-11） ，在机器人左前和右前方，可以 检测到光线的强弱。图 3-11 光敏传感器31光敏传感器其实是一个光敏电阻，它的阻值随光线强弱而变化。能力风暴智能机器人 所用的光敏电阻的阻值在很暗的环境下为几百Ｋ， 室内照度下几Ｋ， 阳光或强光下几十 。 安装 光敏传感器是可变电阻， 它的接插方式没有方向性， 它在主板上的位置如图 3-12 所示。左光敏 传感器右光敏 传感器图 3-12 光敏传感器插针位置图 应用 在 JC 语言中，光敏传感器的库函数是：左光敏 photo(1)，右光敏 photo(2)。在程序运 行过程中，光敏检测库函数 photo 仅在被调用到时执行一次，即采集数据一次。 在 JC 代码编辑界面中间一行编辑框（JC 对话窗口）中输入如下程序块（程序仅采集了 左光敏的读数） ： {while(1) {printf(&photoleft=%d\n&,photo(1));wait(0.5);}} 按回车（Enter） ，JC 能立即编译这一段程序并下载运行，LCD 上会有如下显示： photoleft=180 （表示此时照射在左光敏上的光强值是 180）注意观察读数的变化。光越暗，数字越大，光越强，数字越小。 原理 以下是光敏电阻的结构及工作原理图321．电极2．光导体图 3-13 光敏电阻的电极图案图 3-14 光敏电阻的工作原理图光敏传感器工作原理如下：光敏电阻和 10K 的电阻 R13，R14 相连后构成分压器。左右 两个光敏电阻分别与模拟输入口 PE0，PE1 相连，在系统中采集的是光敏电阻上的电压值。 光暗时，光敏电阻上的电压接近 5V，光强时，接近 0V，模数转换为 8 位数字量后的范围为 0-255。参见光敏传感器的电路图（图 3-15） ：VCC R13 10K PE1 C5 104 R14 10K PE0 ORR N5AC04067 ORL N5AC0LIGHT SENSOR图 3-15 光敏传感器的电路图 范例 void main() { while(1)33{ right=photo(2); if(right&200) { beep(); beep(); } } } 下载运行此程序，当光线暗于一定值时，能力风暴智能机器人将叫两声。3.2.4. 麦克风（话筒）能力风暴智能机器人上的麦克风(microphone)是能够检测声强大小的声音传感器（见 图 3-16） ，麦克风的安装位置在主板上喇叭的内侧，液晶显示屏的下方。图 3-16 麦克风应用 在 JC 语言中，声音传感器的库函数是 microphone( )，在程序运行过程中此库函数仅 在被调用到时执行一次，即采集数据一次。 在 JC 对话窗口中输入如下程序块： {while(1) {printf(&mic=%d\n&, microphone());wait(0.5);}} 按回车，JC 能立即编译这一段程序并下载运行，如果周围的环境很静 LCD 上显示： mic = 12 （表示此时很安静）对着麦克风发出声音，可以看到显示值不断变化。它的变化范围是 0～255。 原理 麦克风采集到的信号通过 LM386（U1）进行放大，放大倍数为 200（由 C25 确定） ，输出 信号接至 PE2。没有声音时，电压为 2．5V 左右，转换为 8 位二进制数后得到的十进制整数 为 127 左右（如图 3-18） ，库函数 microphone()对数据进行处理，使返回值为 0～255。34VCCMICROPHONE CIRCUTR2 2K C1 104 1 2 3 4 U1 GAIN ININ+ GND C25R3 MG47 C26 100uF/16V 8 7 6 5 R5 1K PE2 C2 10410uF/16V GAIN BYPS VCC VOUTLM386N-1 MIC MIC46图 3-18 麦克风电路图 当有声音时，LM386 的输出电压在 2.5V 上下波动。PE2 测得的电压和 2.5V 相减的绝对 值越大，则声音越大。R5、C2 构成高频滤波，滤去线路板其他元器件产生的高频噪声。 范例 void main() { int b=1; while(1) { mic= microphone(); printf(&mic=%d\n&,mic); wait(0.5); if(mic&40) b=b*(-1); if(b==-1) drive( 20 , 0 ); if(b==1) stop(); } } 运行上面的程序，第一次声音大于 40 时，机器人前进；第二次声音大于 40 时，机器 人停止运动；如此循环。 /* 停止 */ /* 前进 */ /* 条件满足，改变运动状态 */ /* 检测麦克风 */ /* 显示检测值 */ /* 延时0.5秒，可调整 */ /* 状态标志位 */3.2.5.光电编码器光电编码器是一种能够传递位置信息的传感器，它由码盘和光电编码模块组成（见图 3-19） ，分别安装在主动轮内侧和轮子支架内侧。光电编码模块运用反射式红外发射接收模 块。反射器(即码盘)是黑白相间的铝合金圆片，黑白条纹把圆分成 66 等分。当码盘随轮子 旋转时，光电编码模块发出的红外线照射在码盘上，黑条和白条反射回来的信号状态不同, 从而产生一个脉冲。轮子转一圈共产生 33 个脉冲，每个脉冲对应角度约为 10.91 度。35图 3-19 码盘及光电编码模块外形 安装 码盘装在轮子的内侧，光电编码模块的插针位置如下图所示：光电编码器 和电机插座图 3-20 光电编码芯片的插针位置示意图应用 ，encoder（2） 。 检测左右光电编码器当前状态的库函数为：encoder（1） 在 JC 对话窗口中输入如下程序块： {while(1){printf(&encoder_1=%d\n&,encoder(1));wait(1.0);}} 按回车（Enter） ，JC 能立即编译这一段程序并下载运行，LCD 上会显示 0 或 1。0 表示 当前无反射信号，码盘片的黑格正对编码器；1 表示当前有反射信号，码盘片的白格正对编 码器。然后缓慢转动左轮，看转一圈是否有 33 个脉冲。 库函数 rotation(1)、rotation(2)可以读出左右光电编码器脉冲累计值。 原理 光电编码器是靠发射与接收红外光来工作的。 能力风暴智能机器人上用的光电编码模块 集成了发射与接收功能，参见图 3-２１。36无返回信号有返回信号 图 3-21 光电编码器的工作原理图反射型红外光电传感器从图中可以看出：红外光射在黑色辐条上时没有反射信号，因为红外光大部分已经被 黑色辐条吸收； 当红外光射在白色辐条上时有反射信号， 因为红外光在白色辐条上反射强烈。图 3-22 光电编码器电路图2 4 6 8 101 3 5 7 91 2 3 4 5 6 7 8 9 10左编码器1 2 3 1 2 3Vcc Gnd Vout Vcc Gnd Vout右编码器图 3-22 光电编码器和 motor/encoder 插座的接线图范例： void main() { rotation_clear(1); drive(70,0); /*将左轮脉冲记数清零*/ /*前进*/37wait(2.0);/*延时2秒*/ /*读出的左轮脉冲数值除 以33即得左轮旋转圈数*/printf(&left=%f\n&,(float)rotation(1)/33.0); stop(); } /*停止*/以上是 int rotation(int index)函数的应用。运行此程序，不同的速度值（在此为 70） 可观测到不同的结果。3.2.6.其他传感器能力风暴还能集成很多其他的传感器，插在 ASBUS（参见 3.5 节）上即可使用。下面作 简单介绍。 --人体热释片传感器-人体热释片传感器对移动的人体热源敏感， 加上菲涅耳透镜后可以探测 10 米外的人体。 能力风暴装上一个或几个人体热释片传感器后，你可以让他一看见你，就向你迎过来，让他 跟着你走。 --超声传感器-超声传感器是机器人测距的专业传感器，测量距离一般为 20cm-6m，测量精度为 1%，通 过测量声波发射与收到回波之间的时间差来测量距离。 运用能力风暴本身的传感器在房间里 找到门不容易，但运用超声传感器对房间扫描一周后，就能较方便地找到房门。 --连续测距红外传感器-SHARP 公司推出了创新的 GP2D02/ GP2D12 连续测距红外传感器， 测量范围为 10cm-80cm， 参加灭火比赛时，用它来找房间门非常棒。 --数字指南针-自主机器人的导航至今仍是世界性难题，借助数字指南针，可以使能力风暴辨别方向。 --温度传感器-想让机器人动态地告诉你气温吗？加一个温度传感器是个好方法。 --视觉-让能力风暴处理视觉是有些力不从心了， 但你可以用它来作移动的监视平台。 你可以在 能力风暴上装微型摄像头，把视频信号发射出来，计算机接收信号后进行图象处理。 --火焰传感器-用来发现火焰，参加机器人灭火比赛最好使用火焰传感器。 还有许多传感器，可以让能力风暴拥有特殊本领。大部分传感器可以方便地运用 ASBUS38接在能力风暴上，并用 JC 来编驱动程序。个别传感器需要用汇编语言编写驱动程序。详细 信息请看广茂达网站： 。 能力风暴的魅力在于你能控制所有的资源， 直接领悟信息采集与处理的机制， 以及如何 处理现实情况的复杂性和难以预测性。393.3. 能力风暴的计算机硬件能力风暴计算机硬件的设计策略是尽量选择功能齐全、 可靠、 周边设备集成度高的微控 制器， 价格也需控制， 能让中国的学生以可以承受的价格获得世界上先进的智能机器人平台。 Motorola 生产的 68HC11E1，使我们以极少的周边芯片获得了齐全的功能：8 个模拟口，5 个输入捕捉，3 个 PWM 输出，16 位地址，8 位数据总线，串口，以及 4 个通用 I/O。 同时，考虑软件开发工具问题。没有优秀的软件开发工具，硬件只能成为专有系统，而 无法成为开发平台。68HC11E1 的自下载功能，使我们拥有了纯软件开发调试的工具 JC。JC 是优秀的软件开发工具，可用于开发高层应用软件，又便于开发低层驱动，还能交互调试。 在观察能力风暴控制板时要注意识别芯片管脚， 特别是 1 脚位置。 常见芯片的封装形式 有两种，双列直插（DIP）和塑料扁平封装（PLCC） ，参见下图。正面视图 图 3-24 DIP 芯片管脚正面视图 图 3-25 PLCC 芯片管脚和插座引脚3.3.1.微控制器68HC11E1 由 CPU、片内存储器、定时器系统、串行口、A/D、并行 I/O 口、中断和复位 系统组成，见图 3-26。40--CPU-计算机的计算原理是什么？68HC11E1 的 CPU 有两个 8 位累加器， 两个 16 位变址寄存器、 一个 8 位条件寄存器，一个 16 位堆栈指针和程序计数器；M 指令系统，共 300 多条指令；16 位加、减、乘、除指令。学习使用单片机，可以真切感受计算原理，指令的 构成，时钟周期，指令周期等等。图 3-26 68HC11E1 原理结构图 --片内存储器-68HC11E1 无内部 ROM，有 512 字节 EEPROM，可重定位的 256 字节 RAM。 --定时器和脉冲电路-16 位高性能定时器系统，8M 晶振，定时器频率为 2MHZ（周期 0.5μs） 个输入捕捉， ，3 可测量脉冲数量，脉冲周期、宽度和相位等；5 个输出比较，可输出 PWM 信号，可以完成各 种定时控制功能，有定时器溢出中断功能。高性能定时器是 68HC11E1 的特色，能力风暴中 用输入捕捉计码盘信号，用输出比较功能控制直流电机。 --串行口-串行通讯接口 SCI， 能力风暴用于和 PC 机通信。 全双工同步串行外围接口 SPI 图 3-27） （ ， Motorola 单片机独有的串口标准，速度可达 2Mbps 以上，用于扩展外围芯片和多机通讯。 能力风暴中已将其用于其他设备驱动中。41图 3-27 SPI 全双工同步串行接口引脚排列 --A/D 转换器-8 个输入通道和四个转换结果寄存器，具有一次完成四路 A/D 转换或连续对同一路采样 转换 4 次的功能。后一种功能可以方便实施去掉最大、最小、取均位的滤波方法。能力风暴 中碰撞传感器、声音传感器均使用 A/D 转换器，非常方便，这也是 68HC11E1 的特色。 --中断-有 16 个硬件中断和两个软件中断，它们各有独立的中断向量和中断允许位，响应中断 时能自动保护所有的 CPU 寄存器。 另外具有实时中断电路， 可每隔指定的时间产生一次中断。 而 8051 单片机则只有 5 个硬件中断。 --并行 I/O 口-单片方法工作时，有 38 个 I/O；扩展方式时：有 8 位数据单线和 16 位地址总线，可扩 展 64K 存储器。另有 2 个 8 位 I/O 口和一个 I/O 口。 --复位系统和电源-计算机有多种复位方式：上电自动复位；外部 RESET 复位；看门狗复位（软件工作不正 常时） ；时钟监视复位。能力风暴采用前两种复位方式。 --68HC11E1 的管脚-68HC11E1 的一大特色是功耗低，工作电流小于 15mA，有 WAIT 和 STOP 两种方式进行省 电。68HC11E1 的管脚图见图 3-28。42图 3-28 68HC11E1 的管脚 VDD，VSS----电源脚，VDD 为+，VSS 为 C MODB/VSTBY，MODA/LIR----运行方式选择输入脚，备用电源供给脚。 EXTAL，EXTAL----晶振脚。能力风暴接 8M 晶振。 E----总线时钟输出脚。能力风暴中为 2MHZ。 RESET----复位脚，低电压复位。 XIRQ，IRQ --- XIRQ 不可屏蔽中断请求输入。 IRQ 外部中断输入脚 VREFL，VREFH ---- A/D 参考电压输入。能力风暴中 VREFL=0，VREFH=5V。 PE（PEO-PE7）----A/D 模拟输入或通用输入 PA（PAO-PA7）---- PA0-PA2，输入捕捉脚。 PA3-PA6，定时器输出比较脚，PA7，能作通用 I/0，或脉冲累加器输入或比较输出。 PD0-PD5----可作通用 I/0 脚，或者 PDO 为串口 RXD 输入，PD1，串口 TXD 输出，PD2-P5 分别为 MISO，MOSI，SCK，SS，构成 SP2 串口总线。 STRA，STRB，PB，PCD----单片时，可作通用 I/O 口，扩展方地址选择 AS 和读（R/W） 控制线。 能力风暴运行于扩展工作方式， 扩展了 32K 静态 RAM 和 8 个 I/O 口。 注意： 为了省引脚， 单片机中一般以低 8 位地址和 8 位数据以时分多路方式合用 PC 的 8 只引脚。 能力风暴充分利用了 68HC11E1 的全部硬件资源。3.3.2.外部存储器能力风暴智能机器人扩展了 32K 的静态不挥发 RAM。其优点是既有静态 RAM 的速度和43方便（70ns） ，又有 EEPROM 或 FlashRom 的掉电不丢失性，从而能将程序和数据合用一个芯 片。AS62256 写入的数据可保存十年以上，同时具有可靠的上电、掉电、强静电等数据保护 功能。 --选址和并行口扩展-32KRAM 用了 AO-A14 共 15 根地址线， 构成 32K 的地址空间， 为高电平时和 E， A15 RESET 等信号复合片选 32K RAM，因此 32K RAM 的地址空间为 OX8000-OXFFFF。另一根地址线 A15 和其余地址线及读/写线复合扩展 4 个输入控制线，4 个输出控制线，见图 3-29。15 14 13 12 11 10 9 7Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5A B C E1 E2 E31 2 3 4 5 6 8 16 VCC12 13 R / -W10 11 74HC1414 15EY6 GND Y7 VCC 74HC138图 3-29扩展地址选择线地址空间与 8 个读写控制线选择对应表：OX4000―OX4FFF OX5000―OX5FFF OX6000―OX6FFF OX7000―OX7FFF写操作 OS0 OS1 OS2 OS3读操作 IS0 IS1 IS2 IS3对地址 OX4000 进行写操作，OS0 口线被选中，OS0 作为片选信号，即把数据总线上的数 据写往 OSO 选中的并行接口芯片上。对地址 OX4000 进行读操作，IS0 口线被选中，IS0 作为 片选信号，即把选中的芯片上的 8 位数据通过并行口读至 CPU。 32K 空间用来选择四对输入输出控制线， 在能力风暴在 ASBUS 上能扩展 4 块平行输入卡， 4 块平行输出卡。目前 PC 机上也只有 4-5 个 PCI 扩展槽。只要使用一对输入输出选择线就 可以扩展 8 个输出口，8 个输入口。 --能力风暴地址空间的分配― 能力风暴智能机器人的操作系统 ASOS 放在高端内存 10K 左右，往下到 0x8000 之上有 近 20K 左右是用户程序空间。在下载用户程序的时候，JC 会显示编译后代码有多少字节， 存放的位置。你可以计算一下 20K 能放多少行 JC 程序。 能力风暴地址空间的分配如图 3-30，图中地址为 16 进制。44A(12:15)图 3-30 能力风暴智能机器人的地址空间3.3.3.电源与复位电路能力风暴控制板采用 Maxim603 稳压芯片，提供 500MA，5V 电压，该芯片自身的功耗很 低。低电压复位保护电路采用 DS1233D-10，当电压低于 4.5V，将产生复位信号，同时红色 RST 发光二极管变亮，见图 3-31。2 1EXT C2.54X2PBEXTVMOTVDDD801 21DQ04F801 R804 7R5/2W R801 1K Q801 KR185SBAT U801 D802 21DQ04 K T-MEC-C2 1 3 5 4 6 1 2 3 4 IN OUT GND GND GND GND OFF SET 8 7 6 5 VCCU5 RESET VCC VCC RESET GND U4B 4 R8 1K 2 74HC14N 3 2 1VCCMAX603C802 VCC 100uF/16V R802 1KRST RED3DS 74HC14NJ801 DCJACK BAT2 1C2.54X2P RED3 CHARGEC803 C801 104 100uF/16VPWR GRN3U4A 1未使用扩展电池，电机的供电是由系统电源提供的使用扩展电池，系统电源只为主板电路提供电能图 3-31 电源与复位电路45注意： 主板上有两个电池连接插座，扩展电池接口只用来为电机（两只轮子驱动电机、MDCA3 直流电机、伺服电机）提供电源，使用时要将主板左下脚的短路跳线帽从 SBAT（无扩展电 池）位置移到 BEXT（使用扩展电池）位置（如图 3-31，为了便于与主板图对照没有将示意 图翻转。，这时所有电机的电源都来自扩展电池。注意电池的电压不能超过电机的额定电 ） 压，例如大多数伺服电机的额定电压为 9V，并注意认真核对两个电池插口的正负符号（与 背面大块铜皮相连的引脚为“－”负） 。3.3.4.通信能力风暴采用 MAX202 串口驱动芯片，PC 机发过来的信号经过 U4E 和 U4F 去驱动 SCI 发光二极管，因此 PC 传送数据给能力风暴时，黄色 SCI 发光二极管会闪动。见图 3-32。SERIAL 1 2 3 4 RXD TXD R19 47 VCCSERIAL PORTC11 104 C10 104 C13 104 C12 104U11 1 2 3 4 5 6 7 8 C1+ VCC V+ GND C1T1OUT C2+ R1IN C2R1OUT VT1IN T2OUT T2IN R2IN R2OUT MAX202 16 15 14 13 12 11 10 9VCCVCC YEL3R11 1K U4FUSBB R20 47 ZD2 15VZD3 15V ZD4U4E 74HC14N TXD RXD 1113 10 SCI12 74HC14NZD115V15V图 3-32 通信模块3.4. 驱动器机器人获取环境信息，计算处理后，会作用于环境。能力风暴作用于环境的驱动器 有三个。 1) 直流电机 两只直流电机构成能力风暴智能机器人的行走装置，采用差动驱动方式。 2) 喇叭 喇叭是能力风暴的嘴，碰到障碍可以发出警告声，可以唱歌，可以呼叫同伴。 3) LCD 液晶显示屏 LCD 液晶显示屏用于显示能力风暴运行的信息，在状态检测和故障诊断时特别有 用。3.4.1.电机驱动电路电机驱动采用直流电机驱动芯片 U7（AS611） ，其连接电路如图 3-33。46PD5 U6C PD4 PA5 PA6 59U6D86 74HC14 74HC14VCC 16 2 1 7 10 9 15U7 VCC VMOTOR IN1 RMOT+ EN12 RMOTIN2 LMOTIN3 LMOT+ EN34 MGND IN4 MGND MGND MGND SN 104VMOT 8 3 6 11 14 4 5 12 13C7 104VCCMOTOR IDC10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10PA0 PA7MOTOR DRIVER图 3-33 电机驱动电路 直流电机在一定电压下，转速与转矩成反比；如果改变电压，则转速转矩线随着电压 的升降而升降（如图 3-34） 。在能力风暴智能机器人负载一定时（即转矩一定时） ，降低电 压，对应的转速也跟着降低， 这样就可实现用电机调速，参见图 3-34。图 3-34 转矩、转速与电压关系图 在能力风暴智能机器人里采用的是改变电机电压的方式来改变电机的转速。能力风暴 智能机器人提供给电机的信号是方波，不同的方波平均电压不同（如图 3-35） ，我们就利用 这一点来进行能力风暴智能机器人的速度控制。 采用不同的脉宽调节平均电压的高低， 进而 调节电机的转速，即脉宽调制（PWM，Pulse Width Modulation） 。PA5，PA6 分别给 AS611 发脉宽调制信号，通过改变脉冲宽度来调节输入到电机的平均电压。AS611 每路电机控制输 出为 1A，并有超载保护功能（如图 3-33） 。47图 3-35 不同宽度的方波实现 PWM 控制 电机通过减速器将转动传给轮子， 将高速转化为低速。 能力风暴通过三级直齿轮传动减 速，以满足运行的速度和转矩要求。图 3-36 三级减速器（齿轮头） 电机的驱动――AS611芯片的使用 “能力风暴” 机器人电机驱动采用广茂达定制的直流电机驱动芯 片AS611（IC8） 。 AS611采用四路高电流half-H 驱动设计， 提供宽电源电压4.5V ~ 36V，最高1A 的驱动电流，用来驱动感应负载像继电器、螺线管、直 流、双极步进马达，以及其他正电源应用下的高电流/电压负载。 特性： 1、每路提供1A电流输出驱动； 2、每路峰值电流1.2A； 3、输出钳位二极管抑制瞬态感应； 4、宽电源电压4.5V ~ 36V； 5、热关闭； 6、内部防静电保护； 7、高噪声抗干扰输入；48逻辑图表： 功能描述： AS611所有输入为TTL兼容。 每路输出具有达林顿管容器和伪达林顿源的完全标准极性驱 动电路。可以通过一对使能端，即1,2EN（第1引脚）和3,4EN（第9引脚）分别对驱动端1A （第2引脚） 、2A（第7引脚）和3A（第10引脚） 、4A（第15引脚）进行驱动。 从功能表中我们可以看出，当使能端为高电平时，相关驱动被允许，其输出随着输入而 被激活。外部高速输出钳位二极管将抑制瞬态感应输出。 当使能端为低电平时，相关驱动被禁止，其输出关闭并处于高阻抗状态。随着正确的数 据输入，每对full-H(或桥接)可逆驱动适用于螺线管或马达使用。 Vcc1端与Vcc2端是分离的。 推荐的操作条件： 最小 逻辑支持电压，Vcc1 输出支持电压，Vcc2 高电平输入电压，VIH 低电平输入电压，VIL 运行温度，TA Vcc1 ≤7V Vcc1 ≤7V 4.5 Vcc1 36 2.3 2.3 -0.3 0 Vcc1 7 1.5 70 V °C V 最大 7 单位 V V在“能力风暴”个人机器人里采用的是改变电机电压的方式来改变电机的转速。 “能力 风暴”个人机器人提供给电机的信号是方波，不同的方波它的平均电压不同， （如下图） ，我 们就利用这一点来进行“能力风暴”个人机器人的速度控制。采用不同的脉宽调节平均电压 的高低，进而调节电机的转速，即脉宽调制（PWM，Pulse Width Modulation） 。PA5，PA6 分别给AS611发脉宽调制信号， 通过改变脉冲宽度来调节输入到电机的平均电压。 AS611每路 电机控制输出为1A，并有超载保护功能。49附：电路连接图：3.4.2.喇叭（扩展电机）喇叭由 PA3 控制。能力风暴在主板上扩展了一个直流电机接口和一个伺服电机接口， 都由 PA3 控制。因此喇叭、直流电机和扩展电机三者不能同时使用，须用短路端子加以选 择。如图 3-37 所示。出厂状态，单片机 PA3 口驱动扬声器单片机 PA3 口驱动 直流电机（如灭火 风扇）单片机 PA3 口驱动 伺服电机（如机器 手爪）图 3-37 PA3 跳线选择503.5. 硬件扩展总线 ASBUS能力风暴控制板设计了 ASBUS 总线（图 3-38） ，类似于 ISA 和 PCI 总线。采用堆叠式的 ASBUS 扩展卡可以方便扩展控制板的功能。D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 PC0 PC1 PC2 PC3 PC4 PC5 PC6 PC7 /IRQ /RESET Vcc GND Vmotor GND ASBUS A PE7 PE6 PE5 PA1 PA2 PA3 OS0 OS1 OS2 OS3 IS0 IS1 IS2 IS3 ASBUS B 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14Vmotor图 3-38 ASBUS 信号线 ASBUSA 和 ASBUSB 分别有 14 个信号线。 PCO-PC7：数据总线 RESET：复位信号 IRQ：外部中断输入脚 VCC：+5V 电源（负载不要超过 300MA） Vmotor：电机电压，也即电池电压，可接较大负载 GND：地 IS0-IS3：输入选择线 0-3 OS0-0S3：输出选择线 0-3 PA1-PA2：输入捕捉口 PA3：输出比较口，已被喇叭、DC3，servo 使用， PE5-PE7：模拟输入口 下面举例介绍具体的扩展方法。3.5.1.扩展 2 个光敏传感器ASBUS 上还有 3 个模拟输入口 PE5-PE7，选择 PE5，PE6 作为 2 个光敏传感器输入口， 见图 3-39。具体实施时，可采用 ASDIY 通用实验板，在上面布置电阻和插座，2 个光敏电阻 焊在附带的圆形传感器板 PCB 上，焊上插头，装入传感器管，滴一点 502 胶水固定，然后装 在能力风暴外壳空闲传感器孔内，即完成 2 个光敏传感器的扩展。51图 3-39 扩展两个光敏传感器 调用库函数 analogport（5） ，analogport（6） ，可以检测新扩展的光敏传感器的光强 值。扩展温度传感器、力传感器等模拟量输入传感器均可采用这种方法。3.5.2.扩展红外接收传感器利用 ASBUSB 上的模拟口或数字口可方便地扩展红外接收传感器。红外接收传感器的扩 展电路见图 3-40，其中 +5V 接 ASBUSA 的 Vcc，地接 Gnd，输入口可以接在 ASBUSB 的任一 个模拟口或数字口。例如在 PA2 口扩展一个红外接收传感器，调用 digitalport（2）获取 数据。如果在 PE5 口扩展一个红外接收传感器，则调用 analogport（5）获取数据。扩展的 红外接收传感器可用于扩展其他方向的测障能力，或感知其他能力风暴伙伴发来的红外信 号，可用在捉迷藏游戏中。图 3-40 扩展一个红外接收传感器3 Vcc1 VOUT红 外 接 收前 置 放 大限幅 放大 器带通 滤波 器峰值 检波 器整形 电路 输出放大 2 GND图 3-4 能力风暴红外接收传感器模块原理图52PA1，PA2 可用来扩展数字或脉冲输入的传感器，如光电编码器，超声传感器等。研究 一下怎样扩展一个超声传感器，使能力风暴看得更远。3.5.3.扩展 8 个数字输出口想再增加 2 个 LED 来装饰能力风暴， 想增加一个步进电机， 想增加 2 个伺服电机制作的 手爪，需要扩展更多的输出口。 利用 ASBUS 的并行口扩展功能，采用地址锁存芯片 74HC373，用 OS0 线进行片选。数据 总线送到 74HC373 后将被锁存， 从而输出给外部设备， 数字输出口的状态可由发光二极管的 状态显示，outputo=1，则 LED0 亮。Outputo0-Outputo7 加驱动电路后可控制电机、继电器、 灯泡等等。LED GND 1K output 0OC Coutput 8 Q7 Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1 Q0 Vcc D1 D0 GND ASBUSBPE7 PE6 PE5 PA1 PA2 PA3 OS0 OS1 OS2 OS3 IS1 IS2 IS3 IS474HC373D7 D6 D5 D4 D3 D2ASBUSAPC0 PC1 PC2 PC3 PC4 PC5 PC6 PC7 RESET IRQ Vcc GND Vmotor GND74HC04图 3-42 扩展 8 个数字输出口 想一下， 怎样扩展 8 个数字输入口？怎样扩展每个伺服电机控制接口？怎样扩展一片键 盘控制芯片？怎样扩展语音芯片？ ASBUS 的扩展潜力很大，如果你开发出自己的 ASBUS 卡，请告诉我们。53第4章 编程―赋予能力风暴智慧4.1 第一个 VJC 程序，Hello robot！双击桌面上的 VJC1.5 图标，可以打开一个对话框。VJC1.5 支持流程图程序和交互式 C 语言（JC）程序，可在对话框中加以选择，然后进入机器人编程界面。 下面我们就用 VJC1.5 的流程图（参见 1．６节）为机器人编写第一个程序 ，在能力风 暴的液晶显示屏 LCD 上显示“Hello,robot!” 我们要编写的程序如图 4-1 左图所示：图 4-1 Hello,robot！ a) 点击工具栏中的“新建” 按钮，新建一个程序；b) 用鼠标将“执行器模块库”中的“显示”模块拖入到流程图生成区，放在主程序 模块正下方，看看“主程序”模块与“显示”模块之间是不是有箭头连接，有则 说明连接上了，否则再调整一下“显示”模块的位置。 c) 右键点击“显示”模块，就会出现如图 4-1 右图所示的对话框，请将显示信息由 HI 改写为 Hello,robot!，设定完毕，按“确定” ； d) 在“程序模块库”中选择“结束”模块，将它连在“显示”模块之后，这样整个 程序就编写完成了。 e) 将机器人与计算机连接起来（用串口通信线，一端接计算机的九针串口，一端接 机器人控制面板上的下载口） 。 f) 将机器人的“开关”按钮打开，使机器人处于开机的状态。g)按 VJC1.5 界面中的“下载”按钮，待看到“下载成功！ ”字样时，取下串口通信线，按机器人控制面板上的“运行”按钮，机器人的液晶显示屏上就会显示出 Hello,robot! 每个 VJC1.5 的图形模块都代表一组 JC 代码，将流程图编辑界面切换为 JC 代码编辑界54面就可看出来（参见 1.6 节） 。也可在流程图编辑界面中，使用工具栏中的“JC 代码” 快捷按钮，直接显示与流程图对应的 JC 代码。 下面我们用 JC 语言编同样的程序，并对 JC 编程的相关知识作简单介绍： void main( ) { printf(&Hello robot!\n&); } 1) main 是主函数，每一个 JC 程序总是从 main 函数开始执行的；main 函数的开始和 结尾分别有个“ ｛”和“｝； ” 2) void 可以理解为“不带返回值” ；所以第一句就可以理解为一个程序的“开头” ； 3) printf 函数的作用是： 向输出设备 （这里是指 LCD 显示屏） 输出数据。 那么 printf 一句的含义就是把 Hello,robot!输出到机器人的液晶显示屏上。 4) 程序中每一句结尾都要加“； ”这是 C 语句结束的标志。 如果你把上面这段程序下载到机器人中去，机器人就会显示 Hello,robot!4.2 让机器人动起来下面我们尝试着让机器人动起来。 （相关的知识介绍请参看《VJC1.5 开发版使用手册》 ） 在 VJC1.5 执行器模块库中有一专门控制机器人“直行”的模块，这里我们就用它来编 写一个机器人直线行走的程序。要求：先让机器人以速度 100 前进 3 秒，再让机器人以速度 -60 后退 5 秒，再在原地以功率 80 旋转 1 秒。 （如图 4-2 所示）图 4-2 机器人移动示范操作步骤如下：4.2.1编写流程图1) 用鼠标将“执行器模块库”中的“直行”模块移到流程图生成区，并与“主程序” 模块连接上；552) 右击“直行”模块，在弹出的对话框中输入速度为 100、时间为 3 秒； 3) 再用鼠标将“执行器模块库”中的“直行”模块移到流程图生成区并连接在第一个 “直行”模块的下面； 4) 设置第二个“ 直行” 模块， 在对话框中输入移动速度为-60、时间为 5 秒； 5) 再将“执行器模块库”中的“转向”模块连接到程序中，在模块上点击右键，在弹 出的对话框中设置速度和时间分别为：80 和 1 6) 再将“程序模块库”中的“任务结束”模块移入到流程图生成区，并连接在程序的 末尾。 下面就是编好的流程图：图 4-3 机器人移动 VJC 程序 点击“工具栏”中的“编辑 JC 程序代码”按钮，切换到 JC 代码界面，可以对此界面 中显示的 JC 代码进行修改，比如我们可以让机器人后退 7 秒，那么我们就可以把程序中对 应的参数 5.0 修改为 7.0。 4.2.2 保存源代码程序 点击工具栏中的“保存”按钮，输入文件名，按“确定” ，即可将编好的程序保存起来。 4.2.3 程序下载 下载程序时，能力风暴要处于开机状态，并且串口通信线已与计算机连接。在菜单栏里 ”选项卡中选择“下载当前程序（D），就会出现“智能下载程序”对话框，并 ” “工具（T） 显示下载进程，待出现“下载成功！ ”字样，程序就已经下载到能力风暴里了。564.2.4 运行程序 将串口通信线取下，将机器人带到宽敞平坦的地方，按机器人身上的“运行”键，能力 风暴智能机器人就会运行程序，快速前进 3 秒，再后退 7 秒，然后再旋转 1 秒。 4.2.5 走出规则轨迹 下面我们让能力风暴在地上走出一个规则的轨迹。 例 1： void round() { drive(60,30); wait(10.000); stop(); } 以上程序让能力风暴顺时针走直径约一米的圆形路径。 例 2： void rectangle() { for(i = 0; i & 4; i++) { drive(100,0); wait(1.0); drive(0,60); wait(0.2); } stop(); } 以上程序让能力风暴逆时针走约一米见方的正方形路径。其中 wait(0.2)是能力风暴转 90 弯所需要的时间。 以上参数仅供参考，需要实际调整。4.3 让机器人感知环境信息在 VJC1.5 的“传感器模块库”中，有让机器人感知环境信息的模块，这些模块的调用 能够带给机器人感觉。比如说， “光敏检测”能够让机器人感觉到外界光线的强弱； “红外测 障” 能够让机器人检测前/左前/右前方的障碍等等。 下面我们就试着让机器人感知外界环境。57例： 让机器人对外界的光线进行检测， 并在 LCD 液晶显示屏上显示左右光敏所检测到的 外界光线强度的平均值。 示范操作步骤如下： 4.3.1 编写流程图 1) 用鼠标将“控制模块库”中的“永远循环”模块移到流程图生成区并与“主程序” 模块连接上； 2) 用鼠标将“传感器模块库”中的“光敏检测”模块移到“永远循环”模块内部并连 接上； 3) 设置时，右击“光敏检测”模块，在弹出的对话框中选择“平均” ，确定； 4) 再用鼠标将“执行器模块库”中的“显示”模块移到流程图生成区，并连接在“光 敏检测”模块的后面； 5) 设置“显示”模块，点击右键在弹出的对话框中选择“引用变量” ，就会出现一个 “变量百宝箱” ，点击“光敏”图标， 选择“光敏变量一” 确定 。这样“显示” ， 模块中的“显示信息”就为“光敏变量一” ； 6) 再将“程序模块库”中的“任务结束”模块移入到流程图生成区，并连接在程序的 末尾。 编好的程序如下图所示：图 4-4 机器人感光 VJC 程序 我们也可以点击“工具栏”中的“编辑 JC 程序代码”按钮，切换到 JC 代码编辑界面， 对 JC 代码进行修改。 4.3.2 保存程序 点击工具栏中的“保存”按钮，文件名输入：感光，按“确定” 。此时， “感光.flw”流58程图程序文件就保存起来了。 4.3.3 程序下载 下载程序时，能力风暴要处于开机状态，并且串口连接线已与计算机连接。在菜单栏里 ”选项卡中选择“下载当前程序（D），就会出现“智能下载程序”对话框，并 ” “工具（T） 显示下载进程，当出现“下载成功！ ”字样，程序就已经下载到能力风暴智能机器人里了。 4.3.4 运行程序 将串口通信线取下，将机器人带到安全的地方，按机器人身上的“运行”键，在机器人 的 LCD 上就会显示出外界光线强度的平均值。4.4 JC 程序的基本程序结构下面是 JC 程序中最常见的一种程序模式。while(1) { ir=ir_detector(); if(ir&0) { 语句 A; } else { 语句 B; }/* 循环检测 */ /* 对环境采样 */ /* 条件判断 */ /* 做相应的处理 */59wait(0.1); } 4.4.1 “台球”DD碰撞传感器的使用/* 采样周期 */下面结合“台球”程序来学习碰撞传感器的使用。 void main () { int bill_trans=0; int bill_rot=0; int bmpr=0; while(1) { bmpr=bumper(); if(bmpr!=0) { if(bmpr==0b0011) { bill_trans=-80; bill_rot=0; } else if(bmpr==0b1100) { bill_trans=80; bill_rot=0; } else if(bmpr & 0b0101) /* 左侧发生碰撞，&是按位与运 算符，故 bmpr & 0b0101 有零 和非零两种情况 */ { bill_trans=0; bill_rot=80; drive(bill_trans,bill_rot); /* 顺时针转一个角度 */ wait(0.5); bill_trans=80; bill_rot=0; } else if(bmpr & 0b1010) { bill_trans=0; bill_rot=-80; drive(bill_trans,bill_rot); /* 逆时针转一个角度 */ /* 右侧发生碰撞*/ /* 前进 */ /* 正后方发生碰撞 */ /* 前进 */ /* 正前方发生碰撞 */ /* 后退 */ /* 预设的前进速度 */ /* 预设的旋转速度 */ /* 无限循环检测 */ /* 检测碰撞传感器 */60wait(0.5); bill_trans=80; bill_rot=0; } drive(bill_trans,bill_rot);/* 电机驱动库函数，参见 2.3.3 */ } } } 注：if()括号中的值有两种情况---零与非零，if()即据此进行判断。 在以上程序中有一个常用结构 while(1) { 检测传感器； 作出响应； } 该结构实现了对传感器的循环检测，使能力风暴能够对周围环境的变化及时作出响应。 能力风暴作出的响应可以是改变运动方式，也可以是改变一个内部变量。在这个例子里，能 力风暴响应来自外部四个方向上的碰撞，并相应地改变运动方向。程序刚开始运行时，能力 风暴静止。这时你只要给它一个初始碰撞，它就不停地运动起来，在障碍物之间撞来撞去。 如果你有不止一个能力风暴，试着给每个能力风暴下载这样的程序，把它们摆在一起， 让其中一个能力风暴从远处撞过来，那场面一定象打台球，非常有趣。 4.4.2 跟人走DD红外传感器的使用 能力风暴的红外传感器可以说是它最有用的武器。 通过红外传感器， 能力风暴可以探测 到前方和左右两侧 10－80 厘米以内的障碍物。红外传感器就象一对“眼睛” 。下面我们看一 个有趣的程序，看看如何使用能力风暴的“眼睛” 。 void main() { int ir = 0; int bmp = 0; int old_bmp = 0; int fol_trans_def =60; int fol_rot_def =30; printf(&Follow\n&); while(1) { ir = ir_detector(); /* 取红外系统检测结果 */ /* 用于储存红外检测结果的变量 */ /* 用于储存碰撞检测结果的变量 */ /* 用于储存前一次的碰撞检测结果的变量.*/ /* 预设的前进速度 */ /* 预设的旋转速度 */ /* 在 LCD 屏幕上显示 Follow */ /* 前进 */61bmp = bumper() & 0b0011; /* 检测左前、右前方向上的碰撞， &是按位与运算符 */ if (old_bmp && bmp) { stop(); wait(0.5); } else if (bmp) stop(); else if (ir == 0) stop(); else if (ir == 4) else if (ir == 1) else if (ir == 2) wait(0.1); old_bmp = } } 注：if()括号中的值有两种情况---零与非零，if()即据此进行判断。 这个例子实现了跟随前方物体。 能力风暴可以跟随前方移动的人或物； 如果撞上前方的 物体，就停一停；如果在红外传感器探测范围内，前方没有物体，它就停下来。物体的面积 须大一点，在 30 厘米×30 厘米以上。 /* 如果前方有碰撞，即 bmp 不为零。 碰撞可能发生在左前、右前或正前方 */ /* 停止运动 */ /* 前方没有物体 */ /* 停止运动 */ /* 前方有物体 */ /* 物体在左侧 */ /* 物体在右侧 */ /* 让运动持续一会儿*/ /* 等一会 */ /*如果连续两次发生同样碰撞，&&是逻辑 与运算符 */drive(fol_trans_def,0); /* 往前追 */ drive(fol_trans_def,(-fol_rot_def)); /* 转向左 */ drive(fol_trans_def, fol_rot_def); /* 转向右 */4.5 JC 程序的高级编程JC 支持多任务。多任务允许能力风暴同时做多件事情，如检测光源的同时避开障碍。 在 JC 中实现多任务是很简单的，只要调用 start_process（） ，括号中填写作为进程的函数 名。任何一个函数都能作为一个进程来运行。在 JC 中进程的内存空间不是独立的，所有的 进程共用一个内存空间，因此全局变量在任何进程里都可以访问。 4.5.1 第一个多进程程序 下面我们把 4.4.1 节的“台球”程序改成多进程的程序。 int bill_trans=0; int bill_rot=0; /* 预设的前进速度，全局变量 */ /* 预设的旋转速度，全局变量 */62void main() { start_process(billiards_drive()); start_process(billiards()); } void billiards_drive() { while(1) drive(bill_trans,bill_rot); } void billiards () { int bmpr=0; while(1) { bmpr=bumper(); if(bmpr!=0) { if(bmpr==0b0011) { bill_trans=-80; bill_rot=0; } else if(bmpr==0b1100) { bill_trans=80; bill_rot=0; } else if(bmpr & 0b0101) { bill_trans=0; bill_rot=80; wait(0.2); bill_trans=80; bill_rot=0; } else if(bmpr & 0b1010) { bill_trans=0; bill_rot=-80;/* 主程序 */ /* 创建电机驱动进程 */ /* 创建碰撞处理进程 *//* 电机驱动函数 *//* 驱动电机 *//* 碰撞处理函数 *//* 无限循环检测 */ /* 检测碰撞传感器 *//* 正前方发生碰撞 */ /* 后退 *//* 正后方发生碰撞 */ /* 前进 *//* 左侧发生碰撞 *//* 顺时针转一个角度 */ /* 前进 *//* 右侧发生碰撞 */63wait(0.2); bill_trans=80; bill_rot=0; } } } }/* 逆时针转一个角度 */ /* 前进 */“台球”改成多进程后，运行的效果没变，但结构已经完全不一样了。电机驱动进程 billiards_drive()专门设置电机速度，碰撞处理进程 billiards()判断碰撞并改变电机速 度。 两个进程之间通过全局变量 bill_trans 和 bill_rot 进行通讯。 能力风暴的操作系统自 动调度两个进程，给它们分配时间片 0.005 秒，两个进程交替运行。从执行效果来讲，就相 当于这两个进程并列运行。 这样的结构非常便于增加新的进程， 同时便于处理更多的外部信 息。 4.5.2 添加一个新进程 我们给前面的程序增加一个红外避障进程，改变它的行为，而其它部分不做大的变动。 改动后的程序如下。 int bill_trans=0; int bill_rot=0; int bmpr=0; int forward=0; int running=0; void main() { start_process(billiards_drive()); start_process(billiards_ir()); start_process(billiards()); } void billiards_drive() { while(1) { running = bill_ drive(bill_trans,bill_rot); } } void billiards_ir() { /* 红外避障函数 */ /* running 标志位移运动状态 */ /* 驱动电机 */ /* 电机驱动函数 */ /*创建电机驱动进程*/ /*创建红外避障进程*/ /*创建碰撞处理进程*/ /* 预设的前进速度，全局变量 */ /* 预设的旋转速度 ，全局变量*/ /* 碰撞变量 */ /* 标志后退与否的变量 */ /* 标志位移运动状态的变量 */64
while(1) { if(running) { ir=ir_detector(); /* 能力风暴一旦运动， 就开始检测障碍 */ /* 检测红外传感器 */if(bmpr==0 && forward)/* 未发生碰撞且前进时， 开始红外避障 */ { if(ir==2) { bill_trans=20; bill_rot=-80; } else if(ir==1) { bill_trans=20; bill_rot=80; } else if(ir==0) { bill_trans=80; bill_rot=0; } } wait(0.1); } } } void billiards () { while(1) { bmpr=bumper(); if(bmpr!=0) {if(bmpr==0b0011) { forward=0; bill_trans=-80; bill_rot=0; } else if(bmpr==0b1100) /* 正后方发生碰撞 */ /* 后退 */ /* 碰撞处理函数 */ /* 无限循环检测 */ /* 检测碰撞传感器 */ /* 正前方发生碰撞 */ /*前方没有障碍，恢复直行*/ /* 顺时针转 */ /* 左侧有障碍，向右绕 */ /* 逆时针转 */ /* 右侧有障碍，向左绕 */65{ forward=1; bill_trans=80; bill_rot=0; } else if(bmpr & 0b0101) { bill_trans=0; bill_rot=80; wait(0.2); forward=1; bill_trans=80; bill_rot=0; } else if(bmpr & 0b1010) { bill_trans=0; bill_rot=-80; wait(0.2); forward=1; bill_trans=80; bill_rot=0; } } } } 改动以后的程序增加了红外避障行为。下载运行这个程序，与前面的“台球”}