移動機器人硬體說明

本論文所採用 Dr.Robot 公司所開發之 sputnik 智慧型機器人，如圖 6-3 所 示。

圖 6-3 sputnik 智慧型機器人

Sputnik 之輪型平台的兩具 12V DC 馬達，可提供機械人的 18cm 車輪 300 oz.inch(21.6 kg.cm)的扭力，讓最高速可達 1m/s，每個車輪都有高解析度(每轉 1200 格)的增量編碼器(quadrature encoder)，提供車輪移動的機密量測及控制。

sputnik 智慧型機器人本身重 6.1 kg，可以承受 10 kg 的載重，在頭部方面，sputnik 具有 5 個 Servo，並且全部有 7 個自由度(degree of freedom, DOF)，可動式電子 頭部有 5 個 DOF，移動平台有 2 個 DOF，電子頭部的眼睛可以上下左右轉動 攝影(pan/tilt)，眼罩及嘴巴可以獨立的關閉及張開，同樣的，脖子的機械結構，

也可以自行的上下轉動。整體的頭部行為是由多媒體控制卡、彩色影像模組及 伺服馬達進行硬體控制，整體頭部架構圖如圖 6-4 所示。

圖 6-4 sputnik 頭部架構圖

有關 sputnik 頭部所使用的伺服馬達，Dr.Robot 公司是採用 Hitec R/C 伺服 馬達，由於頭部裝置 5 顆伺服馬達，其型號則分別採用 3 顆 HS-322HD、1 顆 HS-475HB 及 1 顆 HS-645MG，伺服馬達外觀圖如圖 6-5、6-6、6-7 所示。

圖 6-5 HS-322HD 圖 6-6 HS-475HB 圖 6-7 HS-645MG

此伺服馬達的控制信號是一個脈波寬度調變(PWM)的控制信號，經由其責 任週期(Duty Cycle)的比例來控制伺服馬達的位置，而伺服馬達本身是由一個連

續脈波信號的控制，並且每秒接收 60 次的脈波，脈衝的寬度決定了伺服馬達 的轉角位置，圖 6-8 所示為脈衝寬度 1.5 ms 時伺服馬達的轉角位置在中間，圖 6-9 為 0.5 ms 時伺服馬達在最左端 0 度角的位置，圖 6-10 為 2.5 ms 時伺服馬達

在最右端 180 度角的位置。

圖 6-8 伺服馬達在 90 度的位置

圖 6-9 伺服馬達在 0 度的位置

圖 6-10 伺服馬達在 180 度的位置

Sputnik 輪型平台裝置有 2 顆 12V 之 DC 馬達，當在軟體中下指令給 DC 馬達時，由前面軟體說明所提到，系統是透過 WiRobot SDK ActiveX 元件中的 兩個控制項 WiRobotSDKMultiActiveX.ocx 及 MSWINSCK.ocx，其中 WiRobotSDKMultiActiveX.ocx 負責將下達的指令轉換為硬體控制指令，

MSWINSCK.ocx 負責將硬體控制指令透過無線網路傳遞給 DSP，使 DSP 產生 脈波訊號，但 DSP 所產生的脈波訊號還不足以推動 DC 馬達，必須使用 DC 馬 達控制模組 MDM5253 將脈波訊號給放大才能推動 DC 馬達，而所使用之 MDM5253 如圖 6-11 所示。

圖 6-11 MDM5253

MDM5253 本身具有位置及電流迴授的功能，並且使用 PWM 來進行功率 放大，才能推動 DC 馬達，而在圖 6-12 說明 PWM 責任週期與推動 DC 馬達之 輸出的關係。其中，輸出電流的平均值為零表示責任週期為 50%；輸出的方向 (表馬達旋轉方向)發生於責任週期是否大於 50%；輸出的大小(表馬達轉速大小) 發生於責任週期與 50%是否有所不同。

圖 6-12 MDM5253 之 PWM 控制的波形

DC 馬達控制模組 MDM5253 本身有六個通道 CH0~CH5，其中 CH0 與 CH1 是控制 sputnik 的左輪與右輪的馬達，而馬達的轉速、反應速度以及位置是 透過 PID 控制器來進行控制，圖 6-13 為 DC 馬達使用 PID 控制器之架構圖：

圖 6-10 MDM5253 之 PWM 控制 圖 6-13 DC 馬達控制系統架構

其中，PID 控制器的轉移函數如(6.1)式所示：

^{( )} ( )

I

P D

K U s K K S

E s = + + S (6.1) 而馬達目前的位置與速度，要經由電位計(Potentiometer)來回傳訊號給系統，

電位計本身是量測馬達旋轉位置的元件，它是利用計算脈波數做為馬達旋轉角 度的控制，因此整體的 DC 馬達控制系統形成一閉迴路控制系統，以使馬達能

正常運作。

有關於 sputnik 智慧型機器人所使用的感測器部份，sputnik 裝置有三個超 音波感測器(Ultrasonic sensor)及七個紅外線感測器(Infrared sensor)，這兩種感 測器都是讀取距離的資訊，以下分別作說明。

超音波感測器：sputnik 所使用之超音波感測模組為 DUR5200，如圖 6-14 所 示，它可偵測到的距離範圍為 4cm 到 340cm，距離數值是根據超音波訊號之發 出及反射所收到的時間差來量測計算，該模組內部建置有時脈振盪器、電流放 大、帶通濾波器、電壓位準轉換與比較器等電路，不僅能有效的與微控制處理 器 的 電 壓 位 準 作 結 合 ， 並 可 以 顯 著 地 減 少 控 制 端 發 送 基 頻 訊 號 所需的額外工作負擔。

圖 6-14 超音波感測模組 DUR5200

超音波在氣體傳播時較容易隨著距離增加而衰減的現象，而導致音波強度 隨著距離增加逐漸衰減的原因，由於波面會因擴大而造成擴散損失，另一方面 是因為被傳播介質吸收及散射而造成波動能量的損失。

超音波感測器之型態可區分為三種，分別是電磁感應型振盪器、磁伸縮振 盪器與壓電型振盪器；DUR5200 模組採用兩顆石英晶體雙壓電晶片之振盪 感測器，分別為超音波發射器與接收器，兩者同樣具有壓電效應，超音波 振動子由壓電元件與金屬板重疊而成，一面伸張另一面壓縮使之彎曲作為 振盪；兩顆配置形成獨立型反射式的檢測距離方式，結合成總共約 60 度角 的圓椎體探測指向。而超音波感測器的規格上，方向在 30 度與 330 度之間

的範圍內，具有最佳的靈敏度，超出此範圍，能量會大幅衰減，如圖 6-15 所示之超音波指向性。

45^D

90^D

135^D

180^D 225^D

270^D 315^D

0^D

30^D 330^D

圖 6-15 超音波的指向性

當微控制器致能 DUR5200 的發射腳位時，利用模組內建的 NE555 單穩態 多諧振盪器產生 40 KHz 的工作頻率，先至 CD74HC00 作前置的電流放大，經 MAX232 作電壓的準位轉換後，予以發射器生成超音波，來自待測物件的超音 回波反射至接收器，透過 RLC 帶通濾波電路與 LMC6001 增益放大後，輸入 LM311 的史密特比較篩選電路以抑制雜訊，產生超音回波訊號回傳微控制器，

微 控 制 器 可 以 根 據 訊 號 之 發 出 及 反 射 收 到 的 時 間 差 來 計 算 前 方 物 體 之 距離數值，圖 6-16 為 DUR5200 之硬體架構圖。

圖 6-16 DUR5200 的感測距離硬體架構圖

DUR5200 有四隻腳位，分別是正 Vcc、超音回波接收 RS 與發射致能 TE 以及接地 GND 等腳位，微控制器可經由 TE 腳致能超音波發射器，致能時間

t

₁ 最小值為 250 us，此時 DUR5200 的振盪器會產生 40 KHz 音波頻率，距離可經 由 回 波 正 準 位 觸 發 的 時 間

t

_d 計 算 ； 致 能 發 射 訊 號 的 間 隔 時 間

t

₂ 至 少 為 20 ms。表 6-1 為 DUR5200 的腳位說明。

表 6-1 DUR5200 腳位說明

當 TE 腳位致能後，利用微控制器產生每 80us作計數時脈，如此能使 DUR5200 的距離量測最大值為 353 cm 與誤差值約為 2.7 cm；經由計數值

(0~255)與 80us的計數週期時間相乘可求得

t

_d乘積值，如(6.2)式所示：

t

_d

= count (0 ~ 255) × count rate _ (80 us )

(6.2) 將所得

t

_d乘上音波於空氣中的傳播速度 v 之後，由於屬反射式的超音波

腳位 名稱 功能

1 Vcc 直流 5 伏特電源供給

2 RS 超音回波的接收端，正緣觸發輸出 3 TE 超音波發射致能端，正準位輸入 4 GND 電源接地端

之折返距離，所以除以 2 即能求得發射端與待測物體的距離數值，空氣中的傳 播速度 v 可由常數值相乘取得，微控制器的系統效能不致因浮點數的計數而被 拖垮，其中 T 為攝氏溫度的單位，如(6.3)及(6.4)式所示：

Distance to object=

2 td ×v

(6.3) v=331.3 0.607+ ×T (6.4)

而 DUR5200 的操作時序如圖 6-17 所示：

圖 6-17 DUR5200 的操作時序

紅 外 線 感 測 器 ： s p u t n i k 智 慧 型 機 器 人 所 採 用 的 紅 外 線 感 測 模 組 為 GP2Y0A21YK，如圖 6-18 所示。其量測範圍為 10cm ~80cm 之間，當紅外線

信號以直線方式打出去，碰到障礙物後直接反射到接收端，其模組利用電壓值 的大小來表示信號的強度，則信號強度的大小來表示距離之遠近，量測之後的

電壓範圍為 0.4V~3.2V。

圖 6-18 紅外線感測模組 GP2Y0A21YK

紅外線感測器是類比電壓訊號，需經由內部訊號處理的電路將類比轉數位 量化的數位訊號，換算出感測器的輸出電壓，其內部電路架構如圖 6-19 所示，

並且轉換感測器的輸出電壓公式如(6.5)式所示，因此，計算出感測器的輸出電 壓後，利用紅外線感測器的特性曲線圖(如圖 6-20 所示)，就可以換算出實際的 距離，而此特性曲線圖，只限於測量區間為 10cm~80cm 之間，也就是說，這 區段為此紅外線感測模組 GP2Y0A21YK 的工作區域，若超過這範圍所得到的 數據均不準確。

圖 6-19 紅外線感測模組內部電路

圖 6-20 際距離與輸出電壓之曲線圖

感測器類比電壓= ³

在文檔中 DNA演化模糊系統應用於移動機器人控制 (頁 43-54)