实训项目1 认识实验套件

实训项目一熟悉“创意之星”机器人套件

一、实训目的

（1）熟悉“创意之星”机器人结构套件及控制器、传感器、执行器等部件

（2）熟悉NorthSTAR 图形化开发环境及UP-Debugger下载调试器的应用

二、实训器材

计算机，“创意之星”机器人套件，配套光盘等

三、实训内容

1、结构套件

“创意之星”结构件根据功能可以分为7大类：LUI型结构件、连接件、舵机结构件、机械手结构件、履带全向轮结构件、仿人结构件和其它结构件，详见图1.1。LUI型零件和舵机结构件是机器人骨架的主体，通过连接件将其结合在一起构成机器人主体；仿人结构件、履带全向结构件、机械手结构件都是比较专用的零件。

图1.1 “创意之星”零件汇总

2、控制器及电源

1）MultiFLEX TM2-A VR控制器

MultiFLEX TM2-A VR控制器的处理器是ATMEL公司出品的A VR系列ATmega128单片机。MultiFLEX TM2-A VR控制器功能高度集成，具有众多IO、AD接口，能够控制R/C舵机、机器人舵机，具有RS-232接口和RS-422总线接口，能够胜任常规机器人控制。对照图示1.2，MultiFLEX TM2-A VR控制器功能如下所示：

ATmega128@16MHz

8个机器人舵机接口，完全兼容Robotis Dynamixel AX12+

8个R/C舵机接口

12个TTL电平的双向I/O口，GND/SIG/VCC三线制

8个AD转接器接口(0-5V)

2个RS-422总线接口（可连接1-127个422设备）

1个无源蜂鸣器

通过RS-232与上位机通讯，可选无线通讯模组

使用USB接口的A VR-ISP下载调试器

图1.2 MultiFLEX TM2-A VR控制器功能示意图

MultiFLEX TM2-A VR控制器的电气规范如下表所示：

表1.1 MultiFLEX TM2-A VR控制器的电气规范

2） 直流稳压电源

“创意之星”配置了一个直流稳压电源，电源的输出为8V/5A ，峰值电流可达8A 。

3、传感器

“创意之星”配套的传感器有模拟量传感器、数字量传感器、总线式传感器三种，具体如下表所示：

表1.2 “创意之星”配套传感器的数据类型及电气规范

1)红外接近传感器

红外接近传感器俗称光电开关。它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。工作原理如图1.3a所示。多数光电开关选用的是波长接近可见光的红外线光波型，因此也称为红外开关。

(a)红外接近传感器工作原理(b)红外接近传感器

图1.3 红外接近传感器及其工作原理

如图1.3b “创意之星”机器人所使用的红外光电开关型号为E18-B0，规格数据为： VCC：5V。

工作电流：小于100mA。

输出形式：NPN三极管OC输出。

封装形式：工程塑料。

红外接近传感器的是开关量传感器，接IO0~IO11的任意一个接口都可以通过NorthSTAR 进行数值读取和编程。由于输出是开关量，只能判断在测量距离内有无障碍物，不能给出障碍的实际距离。但是该传感器带有一个灵敏度调节旋钮，可以调节传感触发的距离。“创意之星”套件在出厂前已经将感应触发距离调整到约20cm。

2)霍尔接近传感器

霍尔效应接近传感器是利用霍尔效应（Hall Effect）制成的接近开关，主要用于检测磁性

物体。市场上常见的霍尔接近传感器的检测距离为10mm左右。霍尔接近传感器是开关量传感器，接IO0~IO11 的任意一个接口都可以通过NorthSTAR进行状态读取和编程，使用方法和红外接近传感器一致。图1.4是“创意之星”使用的霍尔接近传感器，前方突起是传感器的探头：

图1.4 霍尔接近传感器

3)红外测距传感器

日本SHARP 公司推出了一系列的红外测距传感器（Infrared Range Finder），用来测量前方物体和传感器探头之间的距离。GP2D12是该系列传感器中的典型。它的输出为：0~2.5V 模拟量（电压值随距离变化）；量程范围10~80 cm。这个型号的传感器作为大多数微型移动机器人的避碰和漫游测距用传感器都是足够的。另外还可以用于检测机器人各关节位置、姿态等。GP2D12 主要是由红外发射器、PSD（位置敏感检测装置）及相关处理电路构成，红外发射器发射一束红外光线，红外光线遇到障碍物被反射回来，通过透镜投射到PSD 上，投射点和PSD的中心位置存在偏差值a，GP2D12根据上图所示的a、b、α三个值就可以计算出H的值，并输出相应电平的模拟电压。

图1.5 GP2D12及其原理图

图1.6列出了不同距离下，采用一个16位A/D转换器对传感器的输出信号进行A/D转换后的结果。注意这种传感器的输出不是线性的，也就是说，输出值与实际反射物距离并非成反比或正比关系，在使用的时候，要对传感器的这一特性进行标定，多测量一些数据，并采用查表的方式来得到输出数据与实际距离的对应关系。

图1.6 GP2D12测距结果与障碍物距离的关系

图1.7为“创意之星”使用的GP2D12红外测距传感器，与常见GP2D12不同的是我们为它设计了一个类似机器人头部的外壳，可以方便地安装到“创意之星”零件上。红外测距传感器为模拟量传感器，接AD0~AD7 的任意一个接口都可以通过NorthSTAR 进行数值读取和编程。传感器的规格数据如下：

探测距离：10-80cm

工作电压：4-5.5V

标准电流消耗：33-50mA

输出量：模拟量输出，输出电压和探测距离非比例相关

图1.7 红外测距传感器

MultiFLEX?2-A VR 控制器的AD 精度为10 位，测量电压范围0~5V，对应输出值0~1023。您如果要得到真实的距离值需要做2 次换算，假设从NorthSTAR 读取的AD 值为491，换算为真实电压值为5*(491/1023)=2.4V，从1.6的对照图可以知道当前传感器探头到障碍物的距离是10cm。

4)声音传感器

图1.8是“创意之星”的声音传感器，声音传感器是开关量传感器，接IO0~IO11的任意一个接口都可以通过NorthSTAR 进行数值读取和编程。

声音传感器是一种很好的人机交互设备，您可以借此让机器人响应您的动作，比如拍下手掌——机器狗站起来，快速拍手——机器狗往前跑。高级版“创意之星”有麦克风，它和这里的声音传感器不一样，麦克风接在音频输入接口上，能够采集人耳朵能够听到的所有声音，输出连续的电平信号。声音传感器是IO量传感器，输出只有0或1两种电平状态，比如声音高过60分贝时输出为1，低于60分贝输出为0。

图1.8 声音传感器

5)碰撞传感器

碰撞传感器是由一个按钮开关和外围电路构成，其输出信号为数字信号。当按钮按下时，信号输出端输出低电平；按钮被释放时，信号输出高电平。

图1.9是“创意之星”的碰撞传感器，输出开关量信号，接IO0~IO11的任意一个接口

都可以通过NorthSTAR进行数值读取和编程。碰撞传感器可以当成机器人的触角，或某些位置的限位开关。

图1.9 碰撞传感器

6)倾覆传感器

姿态传感器采集的是机器人的姿态信息，专业的姿态传感器（电子罗盘、陀螺仪等）价格昂贵，“创意之星”机器人套件提供了一个基本的姿态传感器——水银开关（输出开关量

信号）。

水银开关里有一个位于玻璃管，可自由移动的水银粒。水银开关输出不同的信号与水银粒在玻璃管的位置相关。比如水银粒位于玻璃管A 端时，水银开关输出高电平；当传感器由于某种原因姿态改变过大移动到玻璃管B 端，水银开关输出低电平。根据水银开关这种输出信号与其本身姿态有关的特性，我们可以借此来检测机器人的姿态。水银开关在测量机器人

是否倾覆上非常好用且成本低廉，所以我们也常将之称为倾覆传感器。

图1.10是“创意之星”的倾覆传感器，输出开关量信号，接IO0~IO11的任意一个接口都可以通过NorthSTAR进行数值读取和编程。

图1.10 倾覆传感器

7)温度传感器

温度传感器是一种检测温度的部件。其核心是美国National Semiconductor公司的LM35温敏传感器。这款传感器的标称温度检测范围是0~70 摄氏度。为了传感器的安全起见，不要将传感器放置在超过80 摄氏度的环境中，该传感器并不具备防水能力，请不要用该传感器测量水温。

图1.11是“创意之星”的温度传感器，输出模拟量信号，接AD0~AD7的任意一个接口都可以通过NorthSTAR进行数值读取和编程。

图1.11 温度传感器

8)光强传感器

光强传感器对可见光波长的光照强度（专业术语即“照度”）很敏感，其核心元件是一只光敏电阻，其输出信号为与光强相关的模拟信号。

图1.12是“创意之星”的光强传感器，输出模拟量信号，接AD0~AD7的任意一个接口都可以通过NorthSTAR进行数值读取和编程。

图1.12 光强传感器

9)灰度传感器

灰度传感器通过自身的高亮白色LED 照亮被检测物体，被检测物体反射LED的白光。由于不同的颜色对白光的反射能力不一样，同样材质白色反射度最高，黑色反射度最低。灰度传感器前端有一个光敏电阻，用于检测反射光的强弱，据此可以推断出被检测物体的灰度值。

图1.13是“创意之星”的灰度传感器，输出模拟量信号，接AD0~AD7的任意一个接口都可以通过NorthSTAR 进行数值读取和编程。在机器人武术擂台赛中或者足球机器人比赛中，使用多个灰度传感器组成阵列就可以判断比赛场地的颜色梯度。在巡线机器人案例中，可以作为区别白线与周围地面的传感器。

图1.14 灰度传感器

4、执行器

机器人常用的运动驱动部件有直流有刷电机、直流无刷电机、步进电机、舵机等。“创意之星”配置了直流有刷电机、微型舵机、机器人专用舵机等。proMOTION CDS系列机器人舵机属于一种集电机、伺服驱动、总线式通讯接口为一体的集成伺服单元，主要用于微型机器人的关节、轮子、履带驱动，也可用于其它简单位置控制场合。CDS 5516的特点如下所示：

◆ 大扭矩：16Kgf?cm 的持续转动输出扭矩，

大于20Kgf?cm 位置保持扭矩◆ 位置伺服控制模式下转动范围0-300°

◆ 高转速：最高0.16s/60°输出转速◆ 在速度控制模式下可连续旋转，调速

◆ DC 6.8V～14V 宽电压范围供电◆ 总线连接，理论可串联254 个单元

◆ 0.32°位置分辨率◆ 高达1M 通讯波特率

◆ 双端输出轴，适合安装在机器人关节◆ 0.25KHz 的伺服更新率

◆ 高精度全金属齿轮组，双滚珠轴承◆ 具备位置、温度、电压、速度反馈

◆ 连接处0型环密封，防尘防溅水

图1.15 CDS 5516机器人舵机

1)总线通讯的特点

CDS5516采用半双工串行异步总线通讯，控制器可以通过一个UART接口，控制多达255个的CDS5516。总线是指能为多个功能部件服务的一组信息传输线，它是计算机中系统与系统之间、或者各部件之间进行信息传送的公共通路。它由一定的物理线路和接口、数据协议规范所构成。

2)CDS5516 的使用

如上一小节的介绍，CDS5516 采用半双工串行异步总线进行控制，每个舵机都有自己单独的ID号，在机器人构型搭建时需要对ID号进行配置，以免机器人的某些关节的ID号重叠。博创出厂的CDS5516默认ID 为1，在“创意之星”包装盒里有CDS5516 ID编号的不干胶，设好ID后可以将不干胶粘贴到舵机后盖上，避免遗忘。

CDS5516有专用的调试环境RobotServo Terminal，在这个环境下，可以设置舵机ID、波特率、工作模式、速度限制、角度限制、电压限制等等。CDS5516采用总线式通讯，可以串联使用。需要注意的是：每个CDS5516 需要使用不同ID；每串CDS5516 的数量不能太多，最好是6个以下。正常工作下单个CDS5516的电流可能达到500mA~1A，堵转电流可达到2.5A，单组6 个CDS5516 的工作电流可能达到3-8A。这样的电流会让舵机线发热，并产生比较大的电压降，最后一个CDS5516 可能因为沿途舵机线的分压而导致工作电压过低，CDS5516在电压过低时会出现复位、数据通讯不正常等等状况。

图1.16 CDS5516舵机的串联使用

3)CDS5516 的自我保护

CDS5516还有其它的功能，诸如角度限制、扭矩限制等。在搭建机器人过程中，这些功能很是重要，某些时候需要根据构型进行重新配置。

在使用传统R/C舵机时，经常遇见舵机长时间卡死，导致过热烧毁的现象，这是舵机自我保护功能不完善的一种表现。在实际使用过程中，每一个舵机的使用条件都是不一样的，有些舵机的使用环境非常良好，有些则是工作条件恶劣。比如机械手根部关节（图1.16的1 、2 关节），负载远远高于机械手爪（图1.16的7 关节）。

CDS5516会实时检测工作电流、负载、温度，借此判断各种工作状态。当出现过载、过热、过压、指令错误等就会发出报警信息，甚至直接卸载以保护舵机。如下表所示，CDS5516定义了7 种错误、危险的工作状态，可定义CDS5516 对这7 中工作状态的应对措施，比如报警、指示灯闪亮、卸载等。

注意：上文提到的“卸载”这个概念，可以将其理解为“切断扭矩输出”。CDS5516卸载进入保护模式，意思是CDS5516由于出现错误工作状态，进入保护模式，切断舵机的扭矩输出，舵机处于没有力量的状态。卸载这个概念在接下去的章节里还会重复出现。

表1.3 CDS5516 保护状态说明

可以对以上的保护措施进行参数调节，以达到适合使用条件又能保护CDS5516 的目的。主要有以下四个方面：

角度限制

CDS5516在舵机模式下，有效角度控制范围是0-300°，对应控制量为0-1023。在某些运用场合，可能需要限制舵机的转角，比如舵机转过200°之后可能出现卡死，需要将角度限制设置为0-682（控制量682对应角度200°），当控制指令在0-682之间，舵机能够按照指令运动；指令如果超过682，舵机将保持到682位置，不会往更高角度运转。

电压限制

可以设置CDS5516 的工作电压范围，由于硬件设计的限制，CDS5516 的工作电压是6.8V-14V，低于6.8V CDS5516将不能正常工作，高于14V 会烧毁CDS5516。设定好电压限制之后，当CDS5516上的加载电压高于或低于此范围舵机将会置位错误标志位，软件的“电压超范围”指示灯会点亮。

温度限制

CDS5516能够检测自身工作温度，温度过高可能会烧毁舵机。可以设置正常工作温度范围，当CDS5516检测到温度过高后，舵机将会强制卸载停止工作。

转矩限制

“转矩限制”限制了CDS5516 的最大工作电流，起到限制CDS5516 的最大输出扭矩的作用。在机器人手掌关节或需要长时间堵转的场合常常用到这个功能，默认为最大值1023，即为最大扭矩输出。通过限制扭矩大小，可以让机械手爪能够抓起草莓，而又不会将草莓捏碎。

4)CDS5516 的调试设置软件

CDS5516 的基础参数设置、保护参数调节、性能测试等都可以通过RobotSevo Terminal 软件来实现。可以在光盘“……\InnSTAR 产品光盘\部件资料汇总\CDS5516 机器人舵机”里找到软件和软件帮助说明。

图1.17 RobotSevo Terminal

5、NorthSTAR 图形化开发环境

NorthSTAR 是一个图形化交互式机器人控制程序开发工具。在NorthSTAR 中，通过鼠标的拖动类似逻辑框的控件和对控件做简单的属性设置，就可以快捷的编写机器人控制程序。程序编辑完后，可以编译并下载到机器人控制器中运行。NorthSTAR 编程环境具有操作简便、功能强大特点，能在图标拖动中创建复杂的逻辑，让机器人按照意愿动作。

1)安装及使用介绍

直接运行产品光盘中的安装文件（“……\InnSTAR 产品光盘\NorthSTAR 图形化集成开发环境”），按照提示操作即可。此外，可以从https://www.360docs.net/doc/bd13697106.html, 下载程序的最新版本。需要注意的是图1.18中可以选择安装组件，NorthSTAR 是主程序，Stk500_tool是下载工具。如果已经安装了A VRStudio，就不需要安装Stk500_tool。

图1.18安装组件选择

2)使用流程图开发

NorthSTAR 的详细操作可以参考NorthSTAR 帮助文档，帮助文件可以从开始->程序->NorthSTAR 目录->NorthSTAR_Help内打开，或者运行NorthSTAR 后，在帮助菜单中点击“帮助主题”即可打开帮助文档。

这里通过一个例子来学习NorthSTAR的使用。该例子的目的是用一个开关控制舵机的正反转。

(a)从开始->程序->NorthSTAR 目录运行程序，从菜单或者工具栏选择“新建”，弹出工

程选项，选择控制器为MultiFlex2-A VR，选择构型为Customized，如图1.19所示；点击下一步按钮，设置舵机个数为2，将ID为2的舵机设置为电机模式，如图1.20所示；点击下一步按钮，不用设置AD，直接点击下一步，如图1.21所示；设置IO个数为2，点击完成，如图1.22所示；

图1.19设置控制器和构型

图1.20设置舵机

图1.21 设置AD

图1.22 设置IO

(b)创建“while”和“while-end”模块，如图1.23所示；

图1.23创建“while”和“while-end”模块

(c)添加变量以保存传感器的值，设置属性如图1.24所示；

图1.24添加变量以保存传感器的值

(d)创建“IO Input”模块查询开关的状态，设置属性如图1.25所示；

图1.25设置“IO Input”模块属性

(e)初步连接如图1.26 所示；

图1.26初步连接各模块

(f)创建“if”和“if-end”模块，判断开关状态，设置属性如图1.27所示；

图1.27设置“if”模块属性

(g)创建“Servo”模块，根据开关状态让舵机正转，设置属性如图1.28所示；

图1.28 设置“Servo”模块属性

(h)连接模块如图1.29；

图1.29 连接模块

(i)创建“Servo”模块，让舵机反转，设置属性如图1.30所示；

图1.30 设置“Servo”模块属性

(j)创建“Delay”模块，让舵机有时间执行动作，设置属性如图1.31；

1.31 设置“Delay”模块属性

(k)连接所有模块如图1.32；

图1.32连接所有模块后

(l)从菜单或者工具栏选择“Compile”，结果如图1.33所示；

图1.33 编译结果

(m)连接控制器，从菜单或者工具栏选择“Download”，即可下载程序；把ID 为1和2的舵机连接到控制器上，将一个插入IO0通道，按下开关和放开时，舵机就会正反转。

至此，我们已经完成了开关控制舵机正反转的例子。更详细的使用说明，可以参考NorthSTAR_Help。

3)手写代码开发

在流程图编辑过程中，如果需要手动输入代码，从Tools菜单或者工具栏点击Edit Code，软件就会切换到代码编辑模式，如图1.34 所示。此时手动输入代码，然后编译，下载，即可运行程序。图中选中的区域即为手动输入的代码。可以通过File 菜单下的Save Code 将代码窗口的代码保存成.c 或者.cpp文件，或者通过Load Code 来加载代码文件到代码窗口。