摘 要
本文主要讨论了以凌阳16位单片机SPCE06lA 为控制核心的轮式移动机器人控制系统, 采用了光电编码盘, 用来实现机器人的运动反馈；控制上采用凌阳单片机的语音识别功能，实现语音控制，并且实现键盘控制，完成不同轨迹。文中详细介绍了该控制系统的设计、硬件电路、软件组成、系统中各模块的功能以及所用到的控制算法，给出了标记的识别方案；并对基于解耦控制的轮式移动机器人的数学模型进行了理论推导。
关键词：轮式移动机器人 凌阳单片机 语音控制 伺服放大器 直流电机
ABSTRACT
This paper mainly describe a control system for Wheeled －mobile robot ．The
hardcore of the control system is the SPCE061A ，a 16－bit architecture product ，developed by Sunplus Technology ．We adopt the photoelectric encoder ．Depending on the system，the robot can move and stop on its self-determination，avoid obstacle automatically ．And accomplish the assignment on schedule ．It Is introduced particularly in this paper that the design of the control system，the component of the hardware and software ，the function of each modular in the system and the control arithmetic used in the system．Then ，the mathematic model of wheeled－mobile robot based on decoupling control techniques is deducted theoretically．
KEYWODS ：Wheeled －mobile Robot μ’nSP（Microcontroller and Signal Processor ）Single Chip Micyoco Digital to Analogy Converter Servo －amplifier Direct Current Motor
目 录
第一章 绪论
第一节 移动机器人发展概况„„„„„„„„„„„„„„„„„ （1） 第二节 移动机器人分类„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ （1） 第三节 移动机器人技术的主要研究方向和发展趋势„„„„„„„ （1）
第二章 机器人控制系统总体设计
第一节 系统总体设计方案„„„„„„„„„„„„„„„„„„ （3） 第二节 系统各模块器件的选用„„„„„„„„„„„„„„„„ （5）
第三章 机器人控制系统硬件结构
第一节 单片机系统板控制模块„„„„„„„„„„„„„„„„„（6） 第二节 电机、编码盘及伺服放大器模块„„„„„„„„„„„„„（9） 第三节 DA 变换模块„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„（13） 第四节 RS232串口通信模块„„„„„„„„„„„„„„„„„ （15） 第五节 超声波测距防撞模块„„„„„„„„„„„„„„„„„ （19）
第四章 控制系统的软件设计
第一节 解耦控制算法的研究„„„„„„„„„„„„„„„„„ （24） 第二节 程序流程图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ （27）
第五章 调试过程中遇到的问题及解决方案„„„„„„„„„„（40） 结束语„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„（43） 参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ （44）
第一章 绪论
第一节 移动机器人发展概况
移动机器人的研究始于60年代末期。斯坦福研究院在1966年至1972年中研制出了取名Shakey 的自主移动机器人。目的是研究应用人工智能技术，在复杂环境下机器人系统的自主推理和控制。与此同时，最早的操作式步行机器人也研制成功，从而开始了机器人步行机构方面的研究，以解决机器人在不平整地域的运动问题。设计并研制出了多足步行机器人。70年代末，随着计算机的应用和传感技术的发展，移动机器人研究又出现了新的高潮。特别是在80年代中期，设计和制造机器人的浪潮席卷全世界。一大批世界著名的公司开始研制移动机器人平台，这些移动机器人主要作为大学实验室及研究机构的移动机器人实验平台，从而促进了移动机器人学多种研究方向的出现。90年代以来，以研制高水平的环境信息传感器和信息处理技术，高适应性的移动机器人控制技术，真实环境下的规划技术为标志，开展了移动机器人更高层次的研究。
§1.1.1 移动机器人分类
移动机器人从工作环境来分，可分为室内移动机器人和室外移动机器人；按移动方式来分：轮式移动机器人、步行移动机器人、蛇形机器人、履带式移动机器人、爬行机器人等；按控制体系结构来分：功能式（水平式）结构机器人、行为式（垂直式）结构机器人和混合式机器人；按功能和用途来分：医疗机器人、军用机器人、助残机器人、清洁机器人等．按作业空间来分：陆地移动机器人、水下机器人、无人飞机和空间机器人。
本文所讨论的投篮机器人是属于室内轮式移动机器人。轮式移动机器人是机器人研究的重要方向之一，随着控制技术、电源技术和传感技术的日益完善和发展，人们对轮式移动机器人轨迹跟踪精度等性能指标也提出了越来越高的要求。轮式移动机器人在运行过程中往往受到复杂的内部外部因素的影响，比如驱动电机特性不一致、车轮打滑。负载改变、地面不平整等，这些都会影响移动机器人轨迹跟踪精度，而且这些因素对机器人造成的影响很难进行精确建模或预估。本文就是针对这些问题进行了讨论。
§1.1.2移动机器人技术的主要研究方向和发展趋势 1. 导航、定位和路径规划
导航和定位是移动机器人研究的两个重要问题．移动机器人的导航方式可
分为：基于环境信息的地图模型匹配导航；基于各种导航信号的陆标导航、视觉导航和味觉导航等．
作为移动机器人导航最基本环节，定位是确定机器人在二维工作环境中相对于全局坐标的位姿。定位方法根据机器人工作环境复杂性，配备传感器的种类和数量等不同有多种方法。主要方法有：惯性定位、陆标定位和声音定位等。惯性定位是在移动机器人的车轮上装有光电编码器，通过对车轮转动的记录来粗略地确定位置和姿态；陆标定位是在移动机器人工作的环境里，人为地设置一些坐标己知的陆标，如超声波发射器、激光反射板等，通过对陆标的探测来确定自身的位姿。本文讨论的投篮机器人是采用惯性定位和陆标定位相结合的定位方法。
不论采用何种导航方式，智能移动机器人主要完成路径规划、定位和避障等任务。路径规划是自主式移动机器人导航的基本环节之一。它是按照某一性能指标搜索一条从起始状态到目标状态的最优或近似最优的无碰路径。根据机器人对环境信息知道的程度不同，可分为两种类型：环境信息完全知道的全局路径规划和环境信息完全未知或部分未知，通过传感器在线地对机器人的工作环境进行探测，以获取障碍物的位置、形状和尺寸等信息的局部路径规划。 2. 多传感器信息融合方面的研究
移动机器人的多传感器信息融合方面的研究始于80年代。多传感器融合的常用方法有：加权平均法、贝叶斯估计、卡尔曼滤波、统计决策理论、D －S 证据推理、神经网络和模糊推理法以及带置信因子的产生式规则。 3. 多机器人系统与足球机器人 4. 仿生学与机构的研究
5. 移动机器人传感技术常用的传感器
移动机器人传感技术主要是对机器人自身内部的位置和方向信息以及外部环境信息的检测和处理。采用的传感器分为内部传感器和外部传感器。其中内部传感器有：编码器、线加速度计、陀螺仪、磁罗盘、激光全局定位传感器、GPS （Global Position System）、激光雷达。其中编码器粗略地确定机器人位置；线加速度计获取线加速度信息，进而得到当前机器人的线速度和位置信息；陀螺仪测量移动机器人的角度、角速度、角加速度以得到机器人的姿态角、运动方向和转
动时的运动方向的改变等绝对航向信息弥补应用编码器测位置的航位推测法的不足；激光全局定位传感器运用三角测量法得到机器人的位置坐标信息，与GPS 一样多用于室外移动机器人定位．外部传感器有：视觉传感器、超声波传感器、红外传感器、接触和接近传感器．视觉传感器采用CCD 像机进行机器人的视觉导航与定位。目标识别和地图构造等；超声波传感器测量机器人工作环境中障碍物的距离信息和地图构造等；红外传感器多采用红外接近开关来探测机器人工作环境中的障碍物以避免碰撞；接触和接近传感器多用于避碰规划。 6. 移动机器人发展趋势
移动机器人主要发展趋势，包括导航与定位、仿生学和类人机器人机构与能源方面的研究、多传感器信息的集成融合、网络机器人、多机器人系统和特种机器人。
第二节 游戏规则
机器人竞赛是近年来国际上迅速开展起来的高技术对抗活动，它涉及人工智能、机器人学、通讯、传感、精密机械和仿生材料等诸多领域的前沿研究和技术融合，集高新技术、娱乐和比赛于一体，所以引起了社会的广泛关注和极大的兴趣。机器人竞赛是科普活动的一个良好载体，同时也能反映出一国科技水平的高低。
顺应机器人竞赛的潮流，我国首届全国大学生机器人比赛于2001年10月启动，比赛题目是“抢登珠穆朗玛峰”，并于2002年6月进行正式比赛。中央电视台看到了大学生机器人比赛在社会上的影响和大学生机器人比赛的意义，决定继续举办第二届全国大学生机器人比赛，题目是“太空征服者”，规则和亚广联第二届大学生机器人比赛规则一致。
本文所论述的小车仅要求实现预设轨迹的手动及其语音控制。
第二章 机器人控制系统总体设计
第一节 小车设计要求
本文要求小车能完成预先设定轨迹：直线前进、直线后退、顺时针圆周运动、逆时针圆周运动、螺旋线运动。其完成方式为：1. 对键盘响应：分为调用自动运动程序和通过读键完成不同的轨迹; 2. 对语音响应：通过语音的识别调用相应的运动子程序，以实现不同的轨迹。
*本文重点论述键盘控制
第二节 总体设计方案及框图
§2.2.1 机器人的结构
本文说设计的机器人，由两独立驱动与两从动轮按图2.1所示的结构所组成的。
图2.1（a ） 小车俯视图
图2.1（b ） 小车正视图
§2.2.2 机器人的总体框图
1.手动机器人的原理框图：
2. 语音控制机器人原理框图
第二节 系统各模块的选择
§2.3.1 直流电机、编码盘和伺服放大器的选用
直流电机是机器人的执行装置，选用瑞士MAXON 公司的直流伺服电机作为驱动单元，包括带有减速齿轮的直流电机、伺服放大器、以及用作速度反馈和检测的光电编码盘。
(1)双电机的运动控制框图见图2，单片机控制两个电机协同工作。由控制计算机经过计算，分别由D/A输出来给出控制量到各个电机的功率放大器的输入端（给定值端）。
(2)图2右边部分分别是电机的速度控制环，可以控制电机在给定的速度下恒速运动。由控制单片机发出控制电压，然后由两台瑞士生产的4Q-DC 伺服直流放大器ADS 来分别担任对两个驱动轮电机的控制。ADS 的组成框图见图3。
功率输出采用脉冲宽度调制PWM 来实现，具有节能、控制性能好等特点。并具有良好的保护功能。
(3)直流电动机采用瑞士maxon motor Co.Ltd 公司生产的4Q-DC 伺服直流电动机RE35，其标称功率90W 、额定电压30V 、空载转速
7220rpm 、堵转转矩949mNm 、最大输入功率175W 、机械时常数5ms 、转子惯量65.5gc ㎡、电机电感量为0.34mH 。
(4)减速箱采用瑞士maxon motor Co.Ltd 公司生产的GP32C 行星轮减速箱，减速比为33：1、精确减速比为529/16。
(5)数字编码器采用瑞士maxon motor Co.Ltd
公司生产
的HEDL 55
（含线驱动器RS 422），其输入的方波能被用来计算精确位置及速度。本实验是利用光电编码盘构成速度环和位置环。
其中位置半闭环是由单片机直接读入转角信号来判断其相对位置
(6) 机器人的测距系统
为了实现机器人的避障功能，我们采用超声波测距，结合软件编程，可使机器人准确获得障碍物的位置，从而完全避免机器人和障碍物的相撞。
(c) 输出波形示意图 图4 光电编码盘
§2.3.2 单片机的选用
单片机是控制系统的神经中枢，其性能的好坏直接关系到系统设计的成败，通过对机器人功能的分析，我们选用了凌阳16位单片机SPCE061A ，该单片机集成了32K 自闪存，32个I/O端口，双路10位DAC 输出，两个外部中断，RS232串口，其工作电压范围在2.6V~3.6V；工作频率为0.32MHz~49.152MHz，具有较高的工作速度；2K 字SRAM 和32K 字闪存ROM 仅占一页存储空间；32位可编程的多功能I/O端口；两个16位定时器/计数器；32768Hz 实时时钟；低电压复位。其诸多功能正好适应了机器人的控制需求。其主多功能正好适应了机器人的控制需求。本文所选用为凌阳十六位单片机最小系统板，简称35板。
（1）SPCE06lA 基本结构
随着单片机功能集成化的发展，其应用领域也逐渐地由传统的控制，扩展为控制处理、数据处理以及数字信号处理（DSP ，Digital Signal Processing ）等领域。凌阳的16位单片机就是为适应这种发展而设计的。它的CPU 内核采用凌阳最新推出的μ’nsp（Microcontroller and Signal Processor）16位微处理器芯片（以下简称μ’nSP）。围绕μ’nSP所形成的16位μ’nSP系列单片机采用的是模块式集成结构，它以μ’nSP内核为中心集成不同规模的ROM 、RAM 和功能丰富的各种外设接口部件。SPCE061A 的结构框图及u ’nsp 内核的结构：
μ’nSP的内核结构如图3.2所示：
图3.2 μ’nSP的内核结构
它基本是由总线、算术逻辑运算单元、寄存器组和堆栈所组成。
（2） SPCE06lA的功能
SPCE061A 里只内嵌32K 字的闪存（FLASH ）。较高的处理速度使μ’nSP能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号。因此，与SPCE500A 相比，以μ’nSP为核心的SPCE061A 微控制器是适用于数字语音识别应用领域产品的一种最佳选择。 其性能如下：
● 16位μ’nSP微处理器；
● 工作电压：为2.6~3.6V(cpu),
● CPU时钟：0.32MHz~49.152MHz ；
● 内置2K 字SRAM ；
● 内置32K FLASH；
● 可编程音频处理；
● 晶体振荡器;
● 系统处于备用状态下(时钟处于停止状态) ，耗电小于2μ[email protected]； ● 2个16位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值) ；
● 2个10位DAC(数-模转换) 输出通道；
● 32位通用可编程输入/输出端口；
● 14个中断源可来自定时器A / B，时基，2个外部时钟源输入，键唤醒； ● 具备触键唤醒的功能；
● 使用凌阳音频编码SACM_S240方式(2.4K位/秒) ，能容纳210秒的语音数据；
● 锁相环PLL 振荡器提供系统时钟信号；
● 32768Hz实时时钟；
● 7通道10位电压模-数转换器(ADC)和单通道声音模-数转换器；
声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器和自动增益控制(AGC) 功能； ● 具备串行设备接口；
● 具有低电压复位(LVR)功能和低电压监测(LVD)功能；
● 内置在线仿真电路ICE （In- Circuit Emulator）接口；
● 具有保密能力；
● 具有WatchDog 功能（由具体型号决定：WDOG_en or WDOG_dis）。
§2.3.3 语音控制模块的选用
语音控制模块仍然选用凌阳十六位单片机的简易开发系统板。61 板是SPCE061A EMU BOARD 的简称, 是以16 位单片机SPCE061A 为核心的精简开发仿真实验板是凌阳大学计划专为大学生电子爱好者等进行电子实习课程设计毕业设计电子制作及电子竞赛所设计的, 也可作为单片机项目初期研发使用61 板除了具备单片机最小系统电路外还包括有电源电路音频电路, 含MIC 输入部分和DAC 音频输出部分复位电路等。
摘 要
本文主要讨论了以凌阳16位单片机SPCE06lA 为控制核心的轮式移动机器人控制系统, 采用了光电编码盘, 用来实现机器人的运动反馈；控制上采用凌阳单片机的语音识别功能，实现语音控制，并且实现键盘控制，完成不同轨迹。文中详细介绍了该控制系统的设计、硬件电路、软件组成、系统中各模块的功能以及所用到的控制算法，给出了标记的识别方案；并对基于解耦控制的轮式移动机器人的数学模型进行了理论推导。
关键词：轮式移动机器人 凌阳单片机 语音控制 伺服放大器 直流电机
ABSTRACT
This paper mainly describe a control system for Wheeled －mobile robot ．The
hardcore of the control system is the SPCE061A ，a 16－bit architecture product ，developed by Sunplus Technology ．We adopt the photoelectric encoder ．Depending on the system，the robot can move and stop on its self-determination，avoid obstacle automatically ．And accomplish the assignment on schedule ．It Is introduced particularly in this paper that the design of the control system，the component of the hardware and software ，the function of each modular in the system and the control arithmetic used in the system．Then ，the mathematic model of wheeled－mobile robot based on decoupling control techniques is deducted theoretically．
KEYWODS ：Wheeled －mobile Robot μ’nSP（Microcontroller and Signal Processor ）Single Chip Micyoco Digital to Analogy Converter Servo －amplifier Direct Current Motor
目 录
第一章 绪论
第一节 移动机器人发展概况„„„„„„„„„„„„„„„„„ （1） 第二节 移动机器人分类„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ （1） 第三节 移动机器人技术的主要研究方向和发展趋势„„„„„„„ （1）
第二章 机器人控制系统总体设计
第一节 系统总体设计方案„„„„„„„„„„„„„„„„„„ （3） 第二节 系统各模块器件的选用„„„„„„„„„„„„„„„„ （5）
第三章 机器人控制系统硬件结构
第一节 单片机系统板控制模块„„„„„„„„„„„„„„„„„（6） 第二节 电机、编码盘及伺服放大器模块„„„„„„„„„„„„„（9） 第三节 DA 变换模块„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„（13） 第四节 RS232串口通信模块„„„„„„„„„„„„„„„„„ （15） 第五节 超声波测距防撞模块„„„„„„„„„„„„„„„„„ （19）
第四章 控制系统的软件设计
第一节 解耦控制算法的研究„„„„„„„„„„„„„„„„„ （24） 第二节 程序流程图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ （27）
第五章 调试过程中遇到的问题及解决方案„„„„„„„„„„（40） 结束语„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„（43） 参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ （44）
第一章 绪论
第一节 移动机器人发展概况
移动机器人的研究始于60年代末期。斯坦福研究院在1966年至1972年中研制出了取名Shakey 的自主移动机器人。目的是研究应用人工智能技术，在复杂环境下机器人系统的自主推理和控制。与此同时，最早的操作式步行机器人也研制成功，从而开始了机器人步行机构方面的研究，以解决机器人在不平整地域的运动问题。设计并研制出了多足步行机器人。70年代末，随着计算机的应用和传感技术的发展，移动机器人研究又出现了新的高潮。特别是在80年代中期，设计和制造机器人的浪潮席卷全世界。一大批世界著名的公司开始研制移动机器人平台，这些移动机器人主要作为大学实验室及研究机构的移动机器人实验平台，从而促进了移动机器人学多种研究方向的出现。90年代以来，以研制高水平的环境信息传感器和信息处理技术，高适应性的移动机器人控制技术，真实环境下的规划技术为标志，开展了移动机器人更高层次的研究。
§1.1.1 移动机器人分类
移动机器人从工作环境来分，可分为室内移动机器人和室外移动机器人；按移动方式来分：轮式移动机器人、步行移动机器人、蛇形机器人、履带式移动机器人、爬行机器人等；按控制体系结构来分：功能式（水平式）结构机器人、行为式（垂直式）结构机器人和混合式机器人；按功能和用途来分：医疗机器人、军用机器人、助残机器人、清洁机器人等．按作业空间来分：陆地移动机器人、水下机器人、无人飞机和空间机器人。
本文所讨论的投篮机器人是属于室内轮式移动机器人。轮式移动机器人是机器人研究的重要方向之一，随着控制技术、电源技术和传感技术的日益完善和发展，人们对轮式移动机器人轨迹跟踪精度等性能指标也提出了越来越高的要求。轮式移动机器人在运行过程中往往受到复杂的内部外部因素的影响，比如驱动电机特性不一致、车轮打滑。负载改变、地面不平整等，这些都会影响移动机器人轨迹跟踪精度，而且这些因素对机器人造成的影响很难进行精确建模或预估。本文就是针对这些问题进行了讨论。
§1.1.2移动机器人技术的主要研究方向和发展趋势 1. 导航、定位和路径规划
导航和定位是移动机器人研究的两个重要问题．移动机器人的导航方式可
分为：基于环境信息的地图模型匹配导航；基于各种导航信号的陆标导航、视觉导航和味觉导航等．
作为移动机器人导航最基本环节，定位是确定机器人在二维工作环境中相对于全局坐标的位姿。定位方法根据机器人工作环境复杂性，配备传感器的种类和数量等不同有多种方法。主要方法有：惯性定位、陆标定位和声音定位等。惯性定位是在移动机器人的车轮上装有光电编码器，通过对车轮转动的记录来粗略地确定位置和姿态；陆标定位是在移动机器人工作的环境里，人为地设置一些坐标己知的陆标，如超声波发射器、激光反射板等，通过对陆标的探测来确定自身的位姿。本文讨论的投篮机器人是采用惯性定位和陆标定位相结合的定位方法。
不论采用何种导航方式，智能移动机器人主要完成路径规划、定位和避障等任务。路径规划是自主式移动机器人导航的基本环节之一。它是按照某一性能指标搜索一条从起始状态到目标状态的最优或近似最优的无碰路径。根据机器人对环境信息知道的程度不同，可分为两种类型：环境信息完全知道的全局路径规划和环境信息完全未知或部分未知，通过传感器在线地对机器人的工作环境进行探测，以获取障碍物的位置、形状和尺寸等信息的局部路径规划。 2. 多传感器信息融合方面的研究
移动机器人的多传感器信息融合方面的研究始于80年代。多传感器融合的常用方法有：加权平均法、贝叶斯估计、卡尔曼滤波、统计决策理论、D －S 证据推理、神经网络和模糊推理法以及带置信因子的产生式规则。 3. 多机器人系统与足球机器人 4. 仿生学与机构的研究
5. 移动机器人传感技术常用的传感器
移动机器人传感技术主要是对机器人自身内部的位置和方向信息以及外部环境信息的检测和处理。采用的传感器分为内部传感器和外部传感器。其中内部传感器有：编码器、线加速度计、陀螺仪、磁罗盘、激光全局定位传感器、GPS （Global Position System）、激光雷达。其中编码器粗略地确定机器人位置；线加速度计获取线加速度信息，进而得到当前机器人的线速度和位置信息；陀螺仪测量移动机器人的角度、角速度、角加速度以得到机器人的姿态角、运动方向和转
动时的运动方向的改变等绝对航向信息弥补应用编码器测位置的航位推测法的不足；激光全局定位传感器运用三角测量法得到机器人的位置坐标信息，与GPS 一样多用于室外移动机器人定位．外部传感器有：视觉传感器、超声波传感器、红外传感器、接触和接近传感器．视觉传感器采用CCD 像机进行机器人的视觉导航与定位。目标识别和地图构造等；超声波传感器测量机器人工作环境中障碍物的距离信息和地图构造等；红外传感器多采用红外接近开关来探测机器人工作环境中的障碍物以避免碰撞；接触和接近传感器多用于避碰规划。 6. 移动机器人发展趋势
移动机器人主要发展趋势，包括导航与定位、仿生学和类人机器人机构与能源方面的研究、多传感器信息的集成融合、网络机器人、多机器人系统和特种机器人。
第二节 游戏规则
机器人竞赛是近年来国际上迅速开展起来的高技术对抗活动，它涉及人工智能、机器人学、通讯、传感、精密机械和仿生材料等诸多领域的前沿研究和技术融合，集高新技术、娱乐和比赛于一体，所以引起了社会的广泛关注和极大的兴趣。机器人竞赛是科普活动的一个良好载体，同时也能反映出一国科技水平的高低。
顺应机器人竞赛的潮流，我国首届全国大学生机器人比赛于2001年10月启动，比赛题目是“抢登珠穆朗玛峰”，并于2002年6月进行正式比赛。中央电视台看到了大学生机器人比赛在社会上的影响和大学生机器人比赛的意义，决定继续举办第二届全国大学生机器人比赛，题目是“太空征服者”，规则和亚广联第二届大学生机器人比赛规则一致。
本文所论述的小车仅要求实现预设轨迹的手动及其语音控制。
第二章 机器人控制系统总体设计
第一节 小车设计要求
本文要求小车能完成预先设定轨迹：直线前进、直线后退、顺时针圆周运动、逆时针圆周运动、螺旋线运动。其完成方式为：1. 对键盘响应：分为调用自动运动程序和通过读键完成不同的轨迹; 2. 对语音响应：通过语音的识别调用相应的运动子程序，以实现不同的轨迹。
*本文重点论述键盘控制
第二节 总体设计方案及框图
§2.2.1 机器人的结构
本文说设计的机器人，由两独立驱动与两从动轮按图2.1所示的结构所组成的。
图2.1（a ） 小车俯视图
图2.1（b ） 小车正视图
§2.2.2 机器人的总体框图
1.手动机器人的原理框图：
2. 语音控制机器人原理框图
第二节 系统各模块的选择
§2.3.1 直流电机、编码盘和伺服放大器的选用
直流电机是机器人的执行装置，选用瑞士MAXON 公司的直流伺服电机作为驱动单元，包括带有减速齿轮的直流电机、伺服放大器、以及用作速度反馈和检测的光电编码盘。
(1)双电机的运动控制框图见图2，单片机控制两个电机协同工作。由控制计算机经过计算，分别由D/A输出来给出控制量到各个电机的功率放大器的输入端（给定值端）。
(2)图2右边部分分别是电机的速度控制环，可以控制电机在给定的速度下恒速运动。由控制单片机发出控制电压，然后由两台瑞士生产的4Q-DC 伺服直流放大器ADS 来分别担任对两个驱动轮电机的控制。ADS 的组成框图见图3。
功率输出采用脉冲宽度调制PWM 来实现，具有节能、控制性能好等特点。并具有良好的保护功能。
(3)直流电动机采用瑞士maxon motor Co.Ltd 公司生产的4Q-DC 伺服直流电动机RE35，其标称功率90W 、额定电压30V 、空载转速
7220rpm 、堵转转矩949mNm 、最大输入功率175W 、机械时常数5ms 、转子惯量65.5gc ㎡、电机电感量为0.34mH 。
(4)减速箱采用瑞士maxon motor Co.Ltd 公司生产的GP32C 行星轮减速箱，减速比为33：1、精确减速比为529/16。
(5)数字编码器采用瑞士maxon motor Co.Ltd
公司生产
的HEDL 55
（含线驱动器RS 422），其输入的方波能被用来计算精确位置及速度。本实验是利用光电编码盘构成速度环和位置环。
其中位置半闭环是由单片机直接读入转角信号来判断其相对位置
(6) 机器人的测距系统
为了实现机器人的避障功能，我们采用超声波测距，结合软件编程，可使机器人准确获得障碍物的位置，从而完全避免机器人和障碍物的相撞。
(c) 输出波形示意图 图4 光电编码盘
§2.3.2 单片机的选用
单片机是控制系统的神经中枢，其性能的好坏直接关系到系统设计的成败，通过对机器人功能的分析，我们选用了凌阳16位单片机SPCE061A ，该单片机集成了32K 自闪存，32个I/O端口，双路10位DAC 输出，两个外部中断，RS232串口，其工作电压范围在2.6V~3.6V；工作频率为0.32MHz~49.152MHz，具有较高的工作速度；2K 字SRAM 和32K 字闪存ROM 仅占一页存储空间；32位可编程的多功能I/O端口；两个16位定时器/计数器；32768Hz 实时时钟；低电压复位。其诸多功能正好适应了机器人的控制需求。其主多功能正好适应了机器人的控制需求。本文所选用为凌阳十六位单片机最小系统板，简称35板。
（1）SPCE06lA 基本结构
随着单片机功能集成化的发展，其应用领域也逐渐地由传统的控制，扩展为控制处理、数据处理以及数字信号处理（DSP ，Digital Signal Processing ）等领域。凌阳的16位单片机就是为适应这种发展而设计的。它的CPU 内核采用凌阳最新推出的μ’nsp（Microcontroller and Signal Processor）16位微处理器芯片（以下简称μ’nSP）。围绕μ’nSP所形成的16位μ’nSP系列单片机采用的是模块式集成结构，它以μ’nSP内核为中心集成不同规模的ROM 、RAM 和功能丰富的各种外设接口部件。SPCE061A 的结构框图及u ’nsp 内核的结构：
μ’nSP的内核结构如图3.2所示：
图3.2 μ’nSP的内核结构
它基本是由总线、算术逻辑运算单元、寄存器组和堆栈所组成。
（2） SPCE06lA的功能
SPCE061A 里只内嵌32K 字的闪存（FLASH ）。较高的处理速度使μ’nSP能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号。因此，与SPCE500A 相比，以μ’nSP为核心的SPCE061A 微控制器是适用于数字语音识别应用领域产品的一种最佳选择。 其性能如下：
● 16位μ’nSP微处理器；
● 工作电压：为2.6~3.6V(cpu),
● CPU时钟：0.32MHz~49.152MHz ；
● 内置2K 字SRAM ；
● 内置32K FLASH；
● 可编程音频处理；
● 晶体振荡器;
● 系统处于备用状态下(时钟处于停止状态) ，耗电小于2μ[email protected]； ● 2个16位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值) ；
● 2个10位DAC(数-模转换) 输出通道；
● 32位通用可编程输入/输出端口；
● 14个中断源可来自定时器A / B，时基，2个外部时钟源输入，键唤醒； ● 具备触键唤醒的功能；
● 使用凌阳音频编码SACM_S240方式(2.4K位/秒) ，能容纳210秒的语音数据；
● 锁相环PLL 振荡器提供系统时钟信号；
● 32768Hz实时时钟；
● 7通道10位电压模-数转换器(ADC)和单通道声音模-数转换器；
声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器和自动增益控制(AGC) 功能； ● 具备串行设备接口；
● 具有低电压复位(LVR)功能和低电压监测(LVD)功能；
● 内置在线仿真电路ICE （In- Circuit Emulator）接口；
● 具有保密能力；
● 具有WatchDog 功能（由具体型号决定：WDOG_en or WDOG_dis）。
§2.3.3 语音控制模块的选用
语音控制模块仍然选用凌阳十六位单片机的简易开发系统板。61 板是SPCE061A EMU BOARD 的简称, 是以16 位单片机SPCE061A 为核心的精简开发仿真实验板是凌阳大学计划专为大学生电子爱好者等进行电子实习课程设计毕业设计电子制作及电子竞赛所设计的, 也可作为单片机项目初期研发使用61 板除了具备单片机最小系统电路外还包括有电源电路音频电路, 含MIC 输入部分和DAC 音频输出部分复位电路等。