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作者:謝佩均(2005-07-19);推薦:徐業良(2005-07-19)
附註:本文為九十四學年度元智大學機械工程研究所謝佩均碩士論文「具基礎自主行為能力之遠端臨場機器人之研發」第三章。

具基礎自主行為能力之遠端臨場機器人之研發—硬體規劃

本文說明具基礎自主行為能力之遠端臨場機器人的系統硬體設計,主要包括電源配置、控制訊號線配置、網路元件配置、以及硬體元件選用與設計等規劃。

1.     電源配置規劃

具基礎自主行為能力之遠端臨場機器人總共有以下元件需要配置電源:

(1)    IP CAM網路攝影機模組

(2)    閃光蜂鳴器

(3)    PIC_SERVER與行控電腦

(4)    AP無線網路路由器

(5)    軌道辨識器模組

(6)    左右馬達控制板

(7)    超音波模組控制板

(8)    警示燈控制板

(9)    充電裝置RC_SERVO馬達電源板

(10)擴充備用供電板

上述10項元件中AP無線網路路由器為5V電壓,RC_SERVO馬達為6V電壓,其餘皆為12V電壓,而在擴充備用供電板保留電壓為5V12V擴充電源各一組。此10個元件電源配置規劃如圖1,電源皆從12V蓄電池連接到電源板,在電源板中將電源整合並且降壓或是穩壓成各個元件所需之電源。

1. 總電源配置圖

2.     控制訊號線配置

機器人的控制方式主要分成使用者遠端控制及機器人自主行為兩種。使用者遠端控制之訊號流程如圖2所示,使用者在遠端電腦透過網際網路及近端無線網路路由器下達指令給PIC_SERVER後,經由5個腳位的數位輸入(DI)傳達給行控電腦,行控電腦接收到指令後會控制馬達、RC Servo、蜂鳴器、及IP CAM作動,IP CAM的影音訊號則直接經由網際網路回傳給遠端使用者,達到控制機器人作動、回傳遠端影音資訊、與了解環境資訊等功能。此處遠端使用者控制IP CAM的指令(鏡頭縮放、旋轉等)是經由網際網路下達到PIC_SERVER,再由PIC_SERVER以網路指令傳送給IP CAM

3所示為機器人自主行為之訊號流程,由行控電腦整合內部多組訊號(軌道辨識器、超音波、電池電量)後自主發出控制訊號控制馬達、RC Servo、蜂鳴器、超音波警示燈、及IP CAM作動,讓機器人達到自主依循軌道行走、定點巡邏、自動避障、與自動充電等自主行為。

2. 遠端使用者下指令控制各元件之訊號流程

3. 行控電腦控制各元件之訊號流程

PIC_SERVER和行控電腦均是使用MICROCHIP公司的PIC18F452單晶片為核心,其工作時脈為20MHzEPROM32KbytesOn-Chip RAM1536bytes,使用CCS來編譯。行控電腦的訊號傳輸主要分成兩類,一類為接收處理,如接收PIC_SERVER指令、電池電量、軌道辨識器、超音波等;另一類為傳輸控制訊號,如透過RS232控制IP CAM,和控制左右馬達、、RC Servo、超音波模警示燈、以及蜂鳴器的作動。圖4是行控電腦腳位規劃圖,以下繼續作更詳細說明。

4. 行控電腦腳位規劃圖

5為行控電腦接收各元件訊號示意圖。行控電腦利用5個接腳(PIN_A0~PIN_A5)接收PIC_SERVER所傳的32組數位控制訊號,2個接腳(PIN_C1, PIN_C5)接收超音波模組的數位訊號,以及7個接腳(PIN_B1~PIN_B7)128組由軌道辨識器回傳的數位訊號,1個接腳(PIN_E0)接收檢測電池電壓的類比訊號。

5. 行控電腦接收各元件訊號示意圖

6是行控電腦控制各元件訊號示意圖,由2個接腳(PIN_D6, PIN_D0)控制超音波模組的啟動,2個接腳(PIN_D7, PIN_D1)控制警示燈訊號,4個接腳(PIN_D2~D5)分兩組控制馬達各自正反轉的訊號,1個接腳(PIN_C3)傳輸數位脈衝訊號控制RC_SERVO的作動,還有1個接腳(PIN_C4)傳輸啟動充電繼電器的數位訊號,與1個接腳(PIN_C6)透過RS232將控制訊號傳給IP CAM

6. 行控電腦控制各元件訊號示意圖

3.     網路元件配置

機器人中IP CAMPIC_SERVER需上網,且要讓機器人在近端空間中自由運動,因此使用無線網路路由器來讓機器人與網際網路透過無線網路相連接。圖7為機器人整體網路連接的示意圖,透過無線網路路由器接收網際網路的訊號,然後再分送到其他元件,如此即可讓網路元件透過無線網路和網路使用者溝通。

7. 無線網路路由器與整體網路連接示意圖

4.     硬體元件選用與設計

硬體元件部分超音波模組採用SRF04,其原理與簡介參見附錄A「超音波測距模組SRF04應用簡介」;網路攝影機採用SONY SNC-RZ25N,其簡介與控制方式參見附錄B「網路攝影機SONY SNC-RZ25N簡介與控制」;馬達控制器採用TECELD200大功率直流馬達控制器,其簡介與控制參見附錄CTECELD200大功率直流馬達控制器簡介與控制」。

圖騰辨識器是採用一般自動引導車輛(AGV)原理設計,設計原理詳述於附件D「自動引導車輛(AGV)原理探討與實驗」;自動充電裝置為自行設計,設計原理詳述於附錄E「行動式遠端監控系統自動充電裝置設計」。