相撲機(jī)器人實驗指導(dǎo)書

實驗一相撲機(jī)器人的認(rèn)知一．實驗?zāi)康牧私庀鄵錂C(jī)器人的基本構(gòu)成及原理熟悉和掌握機(jī)器人軟件之一PBASIC語言下的BASICSTAMP編譯軟件二．實驗要求通過組裝機(jī)器人使學(xué)生能了解機(jī)器人學(xué)基本原理、運動基礎(chǔ)以及相關(guān)擴(kuò)展功能，并熟悉和掌握BASICSTAMP編譯軟件的原理和方法三．實驗設(shè)備相撲機(jī)器人教學(xué)套件箱（內(nèi)含小尖嘴鉗、小號螺絲刀）四．實驗內(nèi)容1．組裝相撲機(jī)器人安裝電池盒所需配件：電池盒2顆4/403/8”平頭螺釘2顆4/40螺母SumoBot底盤安裝伺服電機(jī)所需配件：Parallax連續(xù)旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)8顆4/403/8”盤頭螺釘8顆4/40螺母SumoBot底盤安裝SumoBotPCB后面支柱所需配件：2根5/8”支柱2顆4/403/8”盤頭螺釘SumoBot底盤安裝SumoBotPCB前面支柱所需配件:2根5/8”支柱2顆4/401”盤頭螺釘SumoBot底盤裝配PCB面板所需配件：SumoBotPCB2顆4/403/8”盤頭螺釘2顆1-1/4”支柱2個墊片SumoBot底盤安裝車輪所需配件：安裝好的車輪黑色小螺釘（隨伺服電機(jī)）SumoBot底盤安裝鏟子所需配件：SumoBot鏟子2顆4/401/4”盤頭螺釘2顆4/40螺母SumoBot底盤安裝QTI傳感器電線所需配件：2根10”3-pin延長線SumoBot底盤安裝QTI傳感器所需配件：2個QTI傳感器2顆4/401/4”盤頭螺釘SumoBot底盤連線X7=左邊伺服電機(jī)X6=右邊伺服電機(jī)X5=左邊QTI傳感器X4=右邊QTI 傳感器將電池盒線連接至X1，其中白線連接到+端。教學(xué)底板上有一個三位開關(guān)，見下圖?！?”位：關(guān)斷教學(xué)底板電源“1”位：教學(xué)底板上電“2”位：教學(xué)底板和伺服電機(jī)一同上電2．學(xué)習(xí)使用BASICSTAMP軟件1）通訊測試為了確認(rèn)BASICStamp模塊與你的計算機(jī)通訊正常，點擊“Run”菜單項，選擇“Identify”。這時，會出現(xiàn)一個下圖所示的窗口，樣例顯示系統(tǒng)在COM2端口檢測到BASICStamp2。這就意味著你的計算機(jī)與BASICStamp模塊通訊是正常的。2）編寫Hello程序'{$STAMPBS2}'{$PBASIC2.5}DEBUG"Hello,thisisamessagefromyoursumobot."END第一條指令是“Stamp”指令，它告訴BASICStamp編輯器你將下載程序到BASICStamp第二條指令是“PBASIC”指令，它告訴BASICStamp編輯器你使用的是2.5版本的PBASIC編程語言。這兩條消息語句叫做編譯器指令，以后所有的程序都要用到這兩句指令。END在程序運行結(jié)束之后，這個命令把BASICStamp模塊置于低功耗模式，所以這個命令比較簡便。在低功耗模式下，BASICStamp模塊等待復(fù)位鍵按下（或釋放）或有新的程序通過編輯器下載。如果板上的復(fù)位鍵被按下，BASICStamp模塊將再運行一次已加載的程序；如果新程序被加載進(jìn)來，舊程序會被擦除，并且開始運行新程序?！癉EBUG”就是讓BASICStamp發(fā)送到調(diào)試終端的信息以某種特定方式顯示的指令。“DEC”就是一個格式詞，告訴調(diào)試終端顯示十進(jìn)制數(shù)值。“CR”是一個向調(diào)試終端發(fā)送回車命令的控制符?？刂品癈R”之后的文本或數(shù)值會顯示在原有文本的下一行。你可以修改你的程序使它包含更多的格式詞或控制符的調(diào)試命令。五．思考題1．機(jī)器人的定義和基本組成是什么？2．什么是嵌入式系統(tǒng)？實驗二相撲機(jī)器人伺服電機(jī)的控制一．實驗?zāi)康牧私釶arallax微型伺服電機(jī)的基本構(gòu)成及原理學(xué)會搭建LED測試電路，掌握揚(yáng)聲器的使用完成伺服電機(jī)的調(diào)零，學(xué)會調(diào)整、測試電機(jī)二．實驗要求通過連接、調(diào)整和測試相撲機(jī)器人的伺服電機(jī)，以及LED測試電路的搭建使學(xué)生能夠基本掌握對伺服電機(jī)的控制。三．實驗內(nèi)容伺服電機(jī)簡介本次實驗所用的機(jī)器人采用的是Parallax公司的連續(xù)旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)伺服電機(jī)主要有三根線，分別為：黑、紅、白，其中紅色的為電源線（最大為6V直流電壓）；黑色為地線；白色的為控制信號線（一般輸入周期為23ms左右的脈沖序列），通過對這信號線輸入脈沖序列來控制電機(jī)的運動，可以控制電機(jī)的運動速度，運動方向）。所有電機(jī)使用前必須進(jìn)行零位校正。控制伺服電機(jī)速度和方向涉及如何讓BASICStamp微控制器不斷發(fā)送相同命令給電機(jī)。該命令通常以每秒50次的頻率重復(fù)發(fā)送到伺服電機(jī)以維持其速度和方向PAUSE命令：讓BASICStamp微控制器在執(zhí)行下一條命令之前先等待一段時間。PAUSEDurationDuration是PAUSE命令的參數(shù)，它的值告訴BASICStamp移到下一條命令之前要等待多久。Duration的單位是千分之一秒。假如你想延時1秒，可以給Duration賦值為1000重復(fù)執(zhí)行指令。DO……LOOP:要重復(fù)執(zhí)行某個動作可以調(diào)用DO……LOOP，例如，如果你想每隔一秒打印一條信息，按如下方式將DEBUG和PAUSE命令放在“DO……LOOP”之間即可：DODEBUG"Hello!",CRPAUSE1000LOOPLED測試電路的搭建搭建電路如下圖所示。確認(rèn)發(fā)光二極管的短針腳（陰極）插入標(biāo)有Vss的黑色插孔中。確認(rèn)發(fā)光二極管的長針腳（陽極）插入白色面包板上圖示的位置。編程控制LED測試電路HIGH和LOW：使BASICStamp把LED與Vdd和Vss交替連接PULSOUT：伺服電機(jī)根據(jù)信號的高電平持續(xù)時間的長短作為向什么方向轉(zhuǎn)動的指示。對于精確的伺服電機(jī)控制而言，信號的高電平持續(xù)的時間要求比HIGH命令和PAUSE命令的時間值要精確的多。你只能每次以1ms為單位改變PAUSE命令參數(shù)Duration的取值。有一條不同的命令PULSOUT，能把高電平細(xì)分成更高的時間精度。參數(shù)Duration的計量單位是百萬分之2秒（即2微秒）。PULSOUTPin,Duration要求學(xué)生編程控制P13燈先亮5秒然后熄滅1秒轉(zhuǎn)為P12燈亮4秒……循環(huán)。伺服電機(jī)調(diào)零運行一個程序，發(fā)送一個脈沖信號到伺服電機(jī)，讓電機(jī)保持靜止。由于伺服電機(jī)在工廠沒有預(yù)先調(diào)整，它們在接收到該信號時將轉(zhuǎn)動?？梢杂寐萁z刀調(diào)節(jié)伺服電機(jī)讓其保持靜止。這就是伺服電機(jī)調(diào)零。調(diào)節(jié)之后，須測試伺服電機(jī)，驗證其功能是否正常。測試程序?qū)l(fā)送信號讓伺服電機(jī)順時針和逆時針以不同的速度旋轉(zhuǎn)。發(fā)送零點標(biāo)定信號下圖顯示的信號是發(fā)送到與P12連接的伺服電機(jī)的校準(zhǔn)信號，稱為零點標(biāo)定信號。伺服電機(jī)調(diào)節(jié)好之后，這個信號就可以指示電機(jī)保持靜止。這個指令是由時間間隔為20ms的脈寬為1.5ms的一系列脈沖組成PULSOUT命令參數(shù)Pin值的計算：I/O管腳是P12，那么Pin的值就是12。下面計算脈寬為1.5ms時PULSOUT命令的參數(shù)Duration的取值。1.5ms即0.0015秒。前面講過，無論P(yáng)ULSOUT命令的參數(shù)Duration的值是多少，都要乘以2μs，這樣就可以計算出脈沖將持續(xù)多長時間。公式：如何保存值并計數(shù)本任務(wù)介紹在PBASIC程序中用于保存數(shù)值的變量。后面的機(jī)器人程序很大程度上依賴這些變量。能保存數(shù)值最主要的意義是程序能用這些變量來計數(shù)。一旦你的程序能計數(shù)，它就不但能控制也能記錄某件事件發(fā)生的次數(shù)。PBASIC語言在使用變量之前，要先給出它的名字（variableName）和大?。⊿ize）。這叫聲明一個變量：variableNameVARSize在聲明變量之后，你也可以對它初始化，即給它一個初始值（或起始值）。value=500在“value=500”中，符號“=”是個運算符。其中Word:0~65535Byte:0~255Nib:0~15Bit:0~1計數(shù)并控制循環(huán)次數(shù)最方便的控制一段代碼執(zhí)行次數(shù)的方法是利用FOR…NEXT循環(huán)，語法如下：FORCounter=StartValueTOEndValue{STEPStepValue}…NEXT三個點”…”表示你可以在FOR和NEXT之間放一個或多個的命令。確保要先聲明一個變量參數(shù)Counter。參數(shù)StartValue和EndValue可以是數(shù)值也可以是變量。你在語法描述中看到的位于{}之間的東西，表示可選參數(shù)。換句話說，沒有它FOR…NEXT仍將工作，但是你可以將之用于一些特殊目的。測試電機(jī)在裝配相撲機(jī)器人之前還有最后一件事要做，那就是測試電機(jī)。在本任務(wù)中，你將運行程序，使電機(jī)以不同速度和不同的方向旋轉(zhuǎn)。通過這些測試，將確保在裝配之前電機(jī)工作是正常的。調(diào)整速度和方向兩個電機(jī)的PULSOUT命令的參數(shù)Duration有多種不同的組合，假如你想讓兩個電機(jī)都運行，給與P13連接的電機(jī)發(fā)出850的脈寬，給與P12連接的電機(jī)發(fā)出650的脈寬，現(xiàn)在每通過循環(huán)一次要用的時間是：1.7ms–與P13連接的電機(jī)1.3ms–與P12連接的電機(jī)20ms–中斷持續(xù)時間1.6ms–代碼執(zhí)行時間---------------------------------------一共是24.6ms測試揚(yáng)聲器FREQOUT命令：FREQOUTPin,Duration,Freq1{,Freq2}下面的FREQOUT命令實例FREQOUT3,2000,3000參數(shù)Pin的值是3，意味著高/低信號將送給I/O腳的P3，Duration代表著高/低信號持續(xù)的時間是2000，即2000毫秒或2秒。參數(shù)Freq1是信號的頻率，在此例中，將產(chǎn)生一個3000赫茲的音調(diào)。四．思考題1．簡述伺服電機(jī)的工作原理2．給與P13連接的電機(jī)發(fā)出850的脈寬，給與P12連接的電機(jī)發(fā)出650的脈寬，PAUSE=20,如果打算讓兩個電機(jī)運行1分鐘，須給兩電機(jī)多少個脈沖？實驗三相撲機(jī)器人巡航控制一．實驗?zāi)康耐ㄟ^編程使機(jī)器人能做出一些基本的動作，并能調(diào)節(jié)使動作更加精確。通過本次實驗讓學(xué)生掌握調(diào)節(jié)和校正機(jī)器人巡航路徑的方法，為后面的實驗做好準(zhǔn)備。掌握子程序調(diào)用方法。二．實驗要求要求學(xué)生能編程實現(xiàn)機(jī)器人的各種巡航路徑的控制，并且能利用子程序調(diào)用的思想簡化編程。三．實驗內(nèi)容基本的機(jī)器人動作可以看出，當(dāng)機(jī)器人向前走時，它的右輪順時針旋轉(zhuǎn)，而左輪會逆時針旋轉(zhuǎn)。請同學(xué)編程使機(jī)器人向前走。思考：向后走呢？原地左轉(zhuǎn)？原地右轉(zhuǎn)？繞左輪左轉(zhuǎn)？（轉(zhuǎn)90度的效果經(jīng)測試需要FORcounter=0TO20左右）繞右輪右轉(zhuǎn)？繞左輪右轉(zhuǎn)？繞右輪左轉(zhuǎn)？計算運動某一距離所需時間：編程讓機(jī)器人前進(jìn)1s看所走距離是多少，即可得到速度勻變速運動：勻變速運動的關(guān)鍵是給PULSOUT命令的Duration參數(shù)賦予變量。下面的例程顯示的是一個FOR…NEXT循環(huán)它能使相撲機(jī)器人的速度由停止到全速。FOR…NEXT循環(huán)每重復(fù)執(zhí)行一次，pulseCount變量就增加1。第一次循環(huán)后，pulseCount變量的值是1，就像是在執(zhí)行命令PULSOUT13,751和PULSOUT12,749。第二次循環(huán)后，pulseCount變量的值是2，就像在執(zhí)行命令PULSOUT13,752和PULSOUT12，748。隨著pulseCount變量值的增加，電機(jī)的速度也在逐漸增加。勻加速：FORpulseCount=1TO100PULSOUT13,750+pulseCountPULSOUT12,750-pulseCountPAUSE20NEXT勻減速呢？用子程序簡化運動程序在后面的要求中，相撲機(jī)器人將執(zhí)行運動來避開障礙物。避開障礙物的一個關(guān)鍵的步驟就是需要按預(yù)先編好運動程序執(zhí)行動作。執(zhí)行這些動作的一個很好的方法是用子程序。子程序一個PBASIC子程序有兩個部分。一部分是子程序調(diào)用，它告訴程序跳到可重復(fù)執(zhí)行代碼部分，執(zhí)行后回到調(diào)用點。另一部分是實際的子程序，它以作為自己的名字的標(biāo)號為子程序的起點，以RETURN命令結(jié)束。這個標(biāo)號和RETURN命令之間的命令組成一個代碼段，執(zhí)行你想讓子程序做的工作。四．思考題1．寫出相撲機(jī)器人繞右輪左轉(zhuǎn)的程序。2．假如機(jī)器人前進(jìn)速度為23cm/s，現(xiàn)欲使其前進(jìn)53厘米，求出BASICStamp發(fā)給伺服電機(jī)的脈沖數(shù)。3．寫出使相撲機(jī)器人勻減速向右旋轉(zhuǎn)四分之一周的程序?qū)嶒炈募t外線導(dǎo)航一．實驗?zāi)康牧私饫眉t外光探測障礙物的原理。能夠搭建并測試相關(guān)IR電路。編程實現(xiàn)機(jī)器人對障礙物的避開動作。二．實驗要求要求學(xué)生在掌握紅外發(fā)射和探測器原理的前提下，能編程實現(xiàn)相撲機(jī)器人避開障礙物的動作要求。三．實驗內(nèi)容用紅外光探測障礙物的基本原理：在相撲機(jī)器人上建立的紅外物體探測系統(tǒng)在許多方面就象汽車的前燈。當(dāng)汽車前燈的射出的光從障礙物體反射回來時，你的眼睛發(fā)現(xiàn)障礙物體，然后你的大腦處理這些信息，并據(jù)此控制你的身體引導(dǎo)汽車。相撲機(jī)器人使用紅外線兩極管LEDs作為前燈，如上圖所示。他們發(fā)射紅外光，在一些情況下，紅外線從物體反射從機(jī)器人前進(jìn)的方向折回。相撲機(jī)器人的眼睛是紅外檢測器。紅外檢測器發(fā)出信號來表明它們是否檢測到從物體反射回的紅外線。相撲機(jī)器人的大腦，BASICStamp微控制器據(jù)此做出判斷并基于這個傳感器的輸入控制伺服電機(jī)。IR（紅外線）檢測器有內(nèi)置的光濾波器，除了需要我們用它的內(nèi)部的光敏二極管傳感器檢測的980nm紅外線，它幾乎不允許其它光通過。紅外檢測器也有一個電子濾波器，它只允許大約38.5kHz的信號通過。換句話說，檢測器只尋找每秒閃爍38,500次的紅外光。這就防止了普通光源象太陽光和室內(nèi)光對IR的干涉。太陽光是直流干涉（0Hz），室內(nèi)光依賴于所在區(qū)域的主電源，閃爍頻率接近100或120Hz。由于120Hz在電子濾波器的38.5kHz通帶頻率之外，它完全被IR探測器忽略。搭建并測試IR發(fā)射和探測器用FREQOUT命令測試紅外發(fā)射探測器FREQOUT命令主要是用來合成音頻。它的實際范圍是1到32768Hz。數(shù)字音調(diào)合成包括被稱為和聲的信號，和聲是混在你聽到的音調(diào)里的更高頻率的音調(diào)。人不能辨別頻率范圍從20Hz到20kHz的音調(diào)。由FREQOUT命令產(chǎn)生的和聲從32769Hz開始直到更高。你可以用高于32768Hz的參數(shù)Freq1直接控制和聲。本任務(wù)中，用命令FREQOUT4,1,38500向P4發(fā)送持續(xù)1秒的38.5kHz和聲，連接P4的紅外LED電路將發(fā)送和聲。如果紅外光被小車路徑上的物體反射回來，紅外檢測器將給BASICStamp發(fā)送一個信號，讓它知道已經(jīng)檢測到反射回的紅外光。例：發(fā)送38.5kHz信號給連接到P4的IR發(fā)射器，然后用位變量irDetectLeft存儲連接到P11的IR探測器的輸出，。FREQOUT4,1,38500irDetectLeft=IN11當(dāng)沒有IR信號返回時，IN11=1;當(dāng)它探測到被物體反射的38500Hz和聲時，IN11=0。當(dāng)FREQOUT命令發(fā)送和聲后，IR探測器的輸出處于低狀態(tài)不到1毫秒，因此當(dāng)發(fā)送完FREQOUT命令后立即將IR探測器的輸出存儲到變量中是很重要的。這些存儲的值會顯示在調(diào)試終端或被機(jī)器人用來導(dǎo)航。探測紅外線干擾如果你偶爾注意到即使檢測范圍內(nèi)沒有任何物體，你的相撲機(jī)器人指示探測到了物體，這說明附近的燈光正產(chǎn)生頻率接近38.5kHz的紅外光。如果你想在這種燈光下進(jìn)行機(jī)器人比賽或演示，你的紅外系統(tǒng)可能會停止工作。因此在動手做演示之前，用這個紅外線干涉探測程序仔細(xì)檢查任何要演示相撲機(jī)器人的區(qū)域是非常必要的。程序原理：不用IRLED發(fā)送任何紅外光，只是監(jiān)控有沒有檢測到紅外光，如果檢測到紅外光，用揚(yáng)聲器發(fā)出警報。探測和避開障礙物條件判斷命令語句IF…THEN：其句法是：IF(condition)THEN…{ELSEIF(condition)}…{ELSE}…ENDIF句中“…”的意思是，你可以在關(guān)鍵詞之間放置一個代碼段（由一條或多條命令組成）。如果左右IR都檢測到物體，則執(zhí)行以下操作：Back_up,Turn_Left,Turn_Left如果只左側(cè)IR檢測到物體，則執(zhí)行以下操作：Back_up,Turn_Right如果只右側(cè)IR檢測到物體，則執(zhí)行以下操作：Back_up,Turn_Left請同學(xué)完成探測和避開障礙物動作程序：（后退pulsecount=0TO40旋轉(zhuǎn)pulsecount=0TO20）四.思考題1．列舉出機(jī)器人常用的傳感器，并簡述它們各自的工作原理2．如何使機(jī)器人紅外設(shè)備能檢測到更遠(yuǎn)的范圍？實驗五邊界識別一．實驗?zāi)康?.了解利用QTI傳感器識別邊界的原理。2.能夠搭建并測試相關(guān)IR電路。3.編程實現(xiàn)機(jī)器人對邊界的識別及避開動作。二．實驗要求要求學(xué)生在掌握QTI傳感器原理的前提下，能編程實現(xiàn)相撲機(jī)器人識別邊界以及做出反饋動作的要求。三．實驗內(nèi)容QTI傳感器由紅外發(fā)射和接收器組成，用來檢測物體表面的反射率,原本是用在相撲機(jī)器人上檢測邊界。原理及其應(yīng)用：當(dāng)QTI傳感器走過一個黑的表面，反射率較低，經(jīng)過一個亮的表面，反射率是較高。模塊里面有一個RC電路，反射率的變化使得電路中的電流變化，而導(dǎo)致RC電路充放電時間的變化，通過RCtime來測量反射率，來實現(xiàn)對特定的表面（例如：黑膠帶）進(jìn)行跟蹤。QTI傳感器電路分析：QTI傳感器通過給W管腳提供5V(Vdd)電壓得以激活。這會產(chǎn)生電流流經(jīng)470歐的電阻并到達(dá)QRD1114的LED一邊。傳感器通過下面反射的紅外光會改變流過QRD1114光電晶體管一邊的電流大小。晶體管實際上表現(xiàn)得像一個紅外光控制的電阻。BASICStamp有一個特定的命令RCTIME用來讀取可變電阻值。當(dāng)與電容器相結(jié)合，BASICStamp可以通過讀取電容器充放電的時間來測量可變電阻。QTI被激活后,把R端子置于高位電容處于放電狀態(tài)大約持續(xù)1毫秒。RCTIME可以用來計算電容要充電到特定水平所需要的時間，這個時間是由流過QRD1114光電晶體管的電流控制的。當(dāng)經(jīng)過黑色區(qū)域時,光電晶體管電流會很低,于是電容器需要較長時間來充電,因此RCTIME將返回一個大的值。當(dāng)QTI處于白色的界線時,通過光電晶體管的電流值高,于是電容器充電快,從而RCTIME會返回一個小的值。RCTIMEPin,State,Duration參數(shù)Pin是你要測量的I/O端口值。例如，如果你要測量P9，參數(shù)Pin應(yīng)該是9。參數(shù)State可以是1也可以是0。如果通過電容兩端的電壓從高于1.4V向下衰減，參數(shù)State應(yīng)該是1；如果電容兩端電壓從小于1.4V向上增加，參數(shù)State應(yīng)該取0。Duration是存儲測量的時間的變量，其單位是2μs。timeLeftVARWord下面三行代碼是給電容充電，測量RC衰減時間并