輪式機器人-設計報告(共33頁)

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1、精選優(yōu)質文檔-----傾情為你奉上 專業(yè)綜合實驗設計報告 項 目：自動循跡輪式機器人的設計制作 班 級： 電131 姓 名： 學 號： 同組同學： 學 期： 2016-2017-1 1 實驗目的和要求 1.1實驗目的 自動循跡、智能避障機器人是一個與電氣工程專業(yè)有著密切關系的實際工程裝備，本綜合實驗以此

2、為依托，把自動循跡避障輪式機器人能夠沿著設置的道路路線運動作為控制目標，完成從模型建立、控制方案確定、控制參數仿真分析、硬件線路設計到實物機械安裝、硬件安裝調試、控制程序編寫集成、系統(tǒng)調試等步驟過程的訓練。 本實驗涉及到《電路分析》、《電子技術》、《電力電子技術》、《電機學》、《電力拖動》、《自動控制原理》、《傳感器與檢測技術》、《電機控制技術》等課程的理論和實驗知識。是學生接觸實際電氣工程專業(yè)復雜工程問題的重要及關鍵途徑。通過實驗培養(yǎng)學生實踐動手能力，運用現(xiàn)代工程工具和信息技術工具的能力，分析和解決實際工程問題的能力。從而使學生初步能夠解決主要涉及電氣工程專業(yè)知識的復雜工程問題。 1.2

3、實驗要求 要求同學綜合運用課程的理論和實驗知識，以自動循跡避障輪式機器人能夠以一定的速度沿著設置的道路路線運動作為控制目標（技術指標為：機器人行走速度≥1m/s，行走偏離導航的線速度≤2/3車身寬度），要求完成從模型建立、控制方案確定、控制參數仿真分析、硬件線路設計到實物機械安裝、硬件安裝調試、控制程序編寫集成、系統(tǒng)調試等實驗步驟。具體要求為： 1）檢索資料，對自動循跡避障輪式機器人的發(fā)展狀況，當前的研究熱點，技術發(fā)展的現(xiàn)狀，發(fā)展趨勢有所了解，查閱工程規(guī)范文件、產品樣本、使用說明，了解實際系統(tǒng)運行時必須遵守的工程規(guī)范和系統(tǒng)實現(xiàn)時所受到的商用產品的實際限制。 2）理解自動循跡避障輪式機器人

4、的機械結構，用CAD軟件繪制機械零部件的加工圖紙，安裝自動循跡避障輪式機器人。 3）綜合運用物理特性分析法和實驗參數測定法建立自動循跡避障輪式機器人的數學模型，必要時在工作點附近近似線性化，以獲得線性數學模型。 4）設計自動循跡避障輪式機器人控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)，包括控制芯片的選型，外圍電路的設計，傳感器類型型號的選擇、功率驅動電路的選擇、人機交互部件的選擇，掌握所選擇元器件、部件的性能、用法。用電子線路設計軟件繪制硬件原理圖，設計相應的PCB設計圖，安裝硬件并調試。 5）根據控制要求，設計控制系統(tǒng)的控制結構，選擇合適的控制算法，結合具體數學模型，計算系統(tǒng)所能達到性能指標，利用MATLAB

5、軟件進行必要的系統(tǒng)仿真，通過仿真掌握控制參數的整定方法，使自動循跡避障輪式機器人系統(tǒng)滿足性能指標。 6）掌握系統(tǒng)聯(lián)調的步驟方法，調試參數的記錄方法，動態(tài)曲線的測定記錄方法。記錄實驗數據，采用數值處理方法和相關軟件對實驗數據進行處理并加以分析，記錄實驗曲線，與理論分析結果對比，得出有意義的結論。 2 實驗儀器設備與器件 表1：設備與器件 器件名稱 數量 雙12V變壓器 1 紅外避障傳感器直流電機 1 聲音傳感器 1 有源蜂鳴器 1 紅外循跡傳感器 1 穩(wěn)壓芯片7805/7812 5 繼電器 1 紅外避障傳感器 1 LM298電機驅動 1 STC15

6、W4K58S4單片機 1 四輪車模型 1 PC機 1 烙鐵 1 焊錫 1 起子 1 按鍵 若干 軟件平臺： window7操作平臺 keil軟件編程 protues軟件 AD軟件 AutoCAD軟件 Matlab軟件 3 實驗原理分析 3.1自動循跡避障輪式機器人的工作原理 智能車，又稱為自動循跡避障輪式機器人，它是以輪子作為移動設備、實現(xiàn)自主行駛的移動機器人。智能車是一種基于計算機技術、電子技術、傳感器技術、信息融合技術、通信技術、網絡技術、導航技術、智能控制技術及自動化控制技術等發(fā)展起來的現(xiàn)代智能控制系統(tǒng)，是一個集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、自主行駛與

7、行為控制等功能于一體的高技術綜合系統(tǒng)[1]，它可以在復雜環(huán)境下，通過計算機控制調節(jié)行駛方向、控制啟停、實現(xiàn)速度的自主控制等。目前，智能車在各個領域都具有廣泛的應用前景，如它可以代替人類對零部件、線路板等類似產品進行檢測；可以為顧客提供導購幫助；可以幫助殘疾人改善生活質量和生活自由度;可以用于水下、太空及遠程的服務與探測；可以完成在各種惡劣環(huán)境下的貨物搬運以及系統(tǒng)維護和監(jiān)測等工作；可以代替人類在危險地帶完成軍事任務；可以幫助人類完成地質勘探；可以改善道路交通安全，提高道路網絡利用率，降低能源消耗等等。 自動循跡避障輪式機器人要實現(xiàn)自動尋跡功能和避障功能就必須要感知導引線和障礙物，感知導引線相當

8、給機器人一個視覺功能[2]。避障控制系統(tǒng)是基于自動導引自動循跡避障輪式機器人(avg—auto-guide vehicle)系統(tǒng)，基于它的自動循跡避障輪式機器人實現(xiàn)自動識別路線，判斷并自動避開障礙，選擇正確的行進路線.使用傳感器感知路線和障礙并作出判斷和相應的執(zhí)行動作。 本設計自動循跡避障輪式機器人主要由主控模塊的單片機開發(fā)板，遙控模塊的遙控板，電源模塊，電機驅動模塊，超聲波模塊，機械臂控制模塊等組成。根據研究進展的深淺可基于單片機開發(fā)板增加聲控模塊，避障模塊，循跡模塊，跟蹤模塊等等。 3.2 數學模型的建立 3.2.1 運動數學模型的建立 采用的四輪結構，驅動系統(tǒng)采用兩輪差速驅動方式

9、，后兩個為從動輪，只起到支撐平衡作用。假定左右兩個驅動輪與地面之間沒有滑動，也沒有側移，只是做純粹的滾動，則機器人滿足鋼體運動規(guī)律。圖3.1所示｛XW,YW,O｝為世界坐標系，｛X,Y,O｝為移動坐標系，PX為機器人前進方向。 圖1坐標系圖 智能循跡機器人運動學主要處理控制參數和系統(tǒng)在狀態(tài)空間的運動兩者之間的關系，它包括正運動學和逆運動學兩個方面。正運動學解決如何根據智能循跡機器人的速度來計算它的位姿或運動軌跡，當機器人的位姿（，, θ）時，差動智能循跡機器人的正運動學就是利用這連個差動輪的速度（，）來計算其位置，通用公式計算如下

10、 （1） （2） （3） 其中， 和分別為左右輪的驅動速度，是兩個驅動輪之間的距離，為智能循跡機器人的驅動輪半徑；智能循跡機器人逆運動學解決如何控制輪子的速度以達到智能循跡機器人所需的運動軌跡或位姿，即在已知位置（，，）時，如果根據以上公式，求出兩輪差動速度（，）。由于差動輪式驅動屬于非完整性約束問題，故智能循跡機器人逆運動學只有在特殊條件下求解，其解往往不唯一，根據系統(tǒng)的需求，本文對智能循跡機器人的運動學分析按照兩種情況分別進行。 直線運動 當差動輪式智能循跡機器人左右兩輪的速度大小相等且方向相同時，機

11、器人的運動軌跡為直線，所圖3.2所示。 圖2直線運動原理圖 設t=0時，機器人移動坐標系｛X0，Y0，P0｝與世界坐標系｛XW,YW,O｝重合，經過時間t后機器人運動到新的移動坐標系｛Xt，Yt，Pt｝，當機器人左右兩輪的速度大小相等且方向相同(即=)時由公式(3)有： 將其代入公式（1）、（2）得： （4） （5） 由和公式（4）、（5）式可知：機器人左右兩輪的速度大小相等而方向相同時機器人的運動軌跡為直線。 圓弧運動 當差動智能循跡機器人

12、左右兩輪的運動方向相同速度大小保持不變且差速度固定不變時，機器人的運動軌跡為圓弧。 設t=0時，機器人移動坐標系｛X0，Y0，P0｝與世界坐標系｛XW,YW,O｝重合，經過時間ｔ后機器人運動到新的移動坐標系｛Xt，Yt，Pt｝，如圖： 圖3圓弧運動原理圖 當機器人左右兩輪的速度差恒定，且方向保持不變時，由公式(3)有： （6） 將和代入公式(1) 有： （7） 求定積分得： （8） 將和代入公式(2) 有： （9） 由公式（9

13、）有： （10） 由公式（10）有： （11） （12） 由上可知，機器人的運動軌跡為一圓弧，將上式轉化為圓的標準方程： 由式（11）、（12）可知，當機器人左右兩輪的運動方向相同、速度大小保持不變且速度固定不變時，機器人的運動軌跡為圓弧。圓心在世界坐標系YW的軸上。其圓心坐標為： (0,), 圓弧半徑為： 當機器人右輪速度大于左輪速度時，機器人的運動軌跡在世界坐標系的一、二象限；當機器人右輪速度小于左輪速度時，機器人的運動軌跡在世界坐標系的三、四象限。運動軌跡如圖： a :

14、 b : 圖4圓弧運動圖 電機模型的建立 輪式機器人運動過程中，輪子受到的力包括電機牽引力，摩擦力、轉彎引起的滾轉阻力改變，輪式機器人加速度為，根據力矩平衡原理，可得： （13） 輪式機器人動力為直流電動機，機械特性為： （14） （15） 假設電池電壓為U0，控制滿肚為Xumax，電壓為： （16） 其中：U為電樞端的輸入電壓；Ra為電樞繞組電阻；Rj為串入電樞回路的調節(jié)電阻；CE為電動勢常數；C

15、T為轉矩常數；T2為機械輸出轉矩，T0為空載轉矩，為每極磁通量。 ，， （17） ， （18） 其中：，可見：，，與電機本身，電池電壓，輪式機器人質量、勻速行駛的阻力等有關，可通過實驗獲得；是輪式機器人轉向的影響，與因轉彎而增加的滾動摩擦阻力呈正比，因此，假設可表示為： （19） 實驗大致過程為：先假設偏轉角為0，將，，看作待定系數，理論上來說，如果有三組占空比與輪式機器人速度v、速度變化率的對應關系，就可以求出，，，實際上考慮實驗誤差和可靠性，

16、應進行多次實驗，采用最小二乘法估計，，。 然后將，，帶入，通過多次實驗，得到大量與v的對應關系，確定。 3.3.1車體設計 本次設計的機器人采用輪式結構，它共有四個車輪，前面兩個車輪為舵輪，控制車體運動時的轉角方向，前輪轉動輪采用連桿式結構，由一個57式步進電機控制;后面兩個為驅動輪，不可轉向，分別由兩個同步的步進電機控制，作為驅動的步進電機與后輪采取直連的方式，即不經過任何傳動裝置和減速器，電機轉子的角速度即為后輪轉動的角速度。車體采用長方體結構，車體牢固可靠，能夠承載需要的載重重量。 3.3.2電機驅動設計 驅動模塊 目前，驅動智能循跡機器人行走或是機械轉動所使用的動力裝

17、置有很多種，大部分采用以下幾類驅動電機。 1、直流伺服電機(DC Servo Motor)其特點是運行穩(wěn)定性好、控制容易、響應速度快，調速范圍寬，損耗小、啟動轉矩大，但制造成本高、結構復雜，會產生電磁干擾，容易受工作環(huán)境的影響。因此它可以用于成本敏感的普通工業(yè)和民用場合。 2、交流伺服電機，主要由定子和轉子構成，其工作原理是通電線圈在磁場中受到力的作用而發(fā)生轉動。多用于需要高轉速大力矩輸出的條件要求。 3、步進電機是一種將高頻率電脈沖信號轉變?yōu)檗D子的角位移或者線位移的電氣設備。其轉動速度速的大小、轉動的圈數多少與接收到的脈沖控制信號的頻率和脈沖數目相關，脈沖頻率越大，步進電機轉動的越快，

18、反之越慢；脈沖數越多，轉過的角度或走過的位移就越大，反之越小。步進電機驅動器每接收到一個驅動信號，它轉過的角度是固定的，即電機步距角，步距角的大小與步進電機本身的特性有關。步進電機還可以簡單地實現(xiàn)開環(huán)控制，這是步進電機另一個重要特性，不需要復雜的控制系統(tǒng)，因此，被廣泛使用。 方案一：采用四個直流電機驅動小車底盤，留兩路電機接口，方便接舵機或控制機械臂，以及作為充電器接口。其優(yōu)點是取物時平衡性好，行動穩(wěn)定，速度快，動力強。其缺點是車體笨重，電路設計相對復雜，功耗大，編寫程序也相對困難。 方案二：采用四輪兩驅車體，同樣留兩路電機接口。其優(yōu)點是電路設計簡單，功耗小，行動靈活。缺點是取物是平衡性不

19、好。為設計及實現(xiàn)簡單，故我認為取方案二合理。 3.3.3循跡模塊設計 利用光電傳感器實現(xiàn)循跡的基本原理 3.3.3.1 光電傳感器的工作原理 光電傳感器是通過把光強度的變化轉換成電信號的變化來實現(xiàn)控制的。光電傳感器在一般情況下，有三部分構成，它們分為：發(fā)送器、接收器和檢測電路。 發(fā)送器對準目標發(fā)射光束，發(fā)射的光束一般來源于半導體光源，發(fā)光二極管(LED)、激光二極管及紅外發(fā)射二極管。光束不間斷地發(fā)射，或者改變脈沖寬度。接收器有光電二極管、光電三極管、光電池組成。在接收器的前面，裝有光學元件如透鏡和光圈等。在其后面是檢測電路，它能濾出有效信號和應用該信號。 此

20、外，光電開關的結構元件中還有發(fā)射板和光導纖維。 三角反射板是結構牢固的發(fā)射裝置。它由很小的三角錐體反射材料組成，能夠使光束準確地從反射板中返回，具有實用意義。它可以在與光軸0到25的范圍改變發(fā)射角，使光束幾乎是從一根發(fā)射線，經過反射后，還是從這根反射線返回。 3.3.3.2 光電傳感器的分類和工作方式 這里的循跡是指智能循跡機器人在黑色地板上循白線行走，通常采取的方法是紅外探測法。 紅外探測法，即利用紅外線在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質的特點，在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當紅外光遇到白色紙質地板時發(fā)生漫反射，反射光被裝在小車上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收

21、，小車上的接收管接收不到紅外光。單片機就是否收到反射回來的紅外光[3]為依據來確定黑線的位置和小車的行走路線。紅外探測器探測距離有限，一般最大不應超過3cm。 常用室內機器人的定位傳感器根據其定位與導航方式的不同分類較多，包括:采用航跡推算的光電編碼器;采用路標方式的超聲波測距儀、光電開關、光纖傳感器;采用磁導航方式的電子羅盤;采用慣性導航方式的陀螺、加速度計;采用視覺導航方式的攝像頭等[5]。 3.3.3.3 光電傳感器的選擇 方案1：用光敏電阻組成光敏探測器。 光敏電阻的阻值可以跟隨周圍環(huán)境光線的變化而變化[4]。當光線照射到白線上面時，光線發(fā)射強烈，光線照射到黑線上面時，光線發(fā)射

22、較弱。因此光敏電阻在白線和黑線上方時，阻值會發(fā)生明顯的變化。將阻值的變化值經過比較器就可以輸出高低電平。但是這種方案受光照影響很大，不能夠穩(wěn)定的工作。 方案2：用紅外發(fā)射管和接收管自己制作光電對管循跡傳感器。 紅外發(fā)射管發(fā)出紅外線，當發(fā)出的紅外線照射到白色的平面后反射，若紅外接收管能接收到反射回的光線則檢測出白線繼而輸出低電平，若接收不到發(fā)射管發(fā)出的光線則檢測出黑線繼而輸出高電平。這樣自己制作組裝的循跡傳感器基本能夠滿足要求，因此我們考慮這種方案。 3.3.4控制系統(tǒng)模塊設計 考慮選用一片CPLD（如EPM7128LC84-15）作為系統(tǒng)的核心部件，實現(xiàn)控制與處理的功能。CPL

23、D具有速度快、編程容易、資源豐富、開發(fā)周期短等優(yōu)點，可利用VHDL語言進行編寫開發(fā)。但CPLD在控制上較單片機有較大的劣勢。同時，CPLD的處理速度非?？?，而小車的行進速度不可能太高，那么對系統(tǒng)處理信息的要求也就不會太高，在這一點上，MCU就已經可以勝任了。若采用該方案，必將在控制上遇到許許多多不必要增加的難題。為此，不采用該種方案，進而提出了其他設想。 結合實際需求采用89C52作為主控制芯片，該芯片有足夠的存儲空間，可以方便的在線ISP下載程序，能夠滿足該系統(tǒng)軟件的需要，對于本作品系統(tǒng)已經足夠，采用該芯片可以比較靈活的選擇各個模塊控制芯片，能夠準確的計算出時間，有很好的實時性。 3.3

24、.4.1 單片機的發(fā)展 1946年第一臺電子計算機誕生至今，依靠微電子技術和半導體技術的進步，從電子管——晶體管——集成電路——大規(guī)模集成電路，使得計算機體積更小，功能更強。特別是近20年時間里，計算機技術獲得飛速的發(fā)展，計算機在工農業(yè)，科研，教育，國防和航空航天領域獲得了廣泛的應用，計算機技術已經是一個國家現(xiàn)代科技水平的重要標志。 單片機誕生于20世紀70年代，像Fairchild公司研制的F8單片微型計算機。所謂單片機是利用大規(guī)模集成電路技術把中央處理單元(Center Processing Unit,也即常稱的CPU)和數據存儲器(RAM)、程序存儲器(ROM)及其他

25、I/O通信口集成在一塊芯片上，構成一個最小的計算機系統(tǒng)，而現(xiàn)代的單片機則加上了中斷單元，定時單元及A/D轉換等更復雜、更完善的電路，使得單片機的功能越來越強大，應用更廣泛[6]。 20世紀70年代，微電子技術正處于發(fā)展階段，集成電路屬于中規(guī)模發(fā)展時期，各種新材料新工藝尚未成熟，單片機仍處在初級的發(fā)展階段，元件集成規(guī)模還比較小，功能比較簡單，一般均把CPU、RAM有的還包括了一些簡單的I/O口集成到芯片上，像Fairchild公司就屬于這一類型，它還需配上外圍的其他處理電路方才構成完整的計算系統(tǒng)。類似的單片機還有Zilog公司的Z80微處理器。 1976年INTEL公司推出了

26、MCS-48單片機，這個時期的單片機才是真正的8位單片微型計算機，并推向市場。它以體積小，功能全，價格低贏得了廣泛的應用，為單片機的發(fā)展奠定了基礎，成為單片機發(fā)展史上重要的里程碑[20]。 在MCS-48的帶領下，其后，各大半導體公司相繼研制和發(fā)展了自己的單片機，像Zilog公司的Z8系列。到了80年代初，單片機已發(fā)展到了高性能階段，像INTEL公司的MCS-51系列，Motorola公司的6801和6802系列，Rokwell公司的6501及6502系列等等,此外,日本的著名電氣公司NEC和HITACHI都相繼開發(fā)了具有自己特色的專用單片機。 80年代，世界各大公司均競相研制出品

27、種多功能強的單片機，約有幾十個系列，300多個品種，此時的單片機均屬于真正的單片化，大多集成了CPU、RAM、ROM、數目繁多的I/O接口、多種中斷系統(tǒng)，甚至還有一些帶A/D轉換器的單片機，功能越來越強大，RAM和ROM的容量也越來越大，尋址空間甚至可達64kB，可以說，單片機發(fā)展到了一個新的平臺[7]。 單片機經歷了SCM、MCU、SOC三大階段。? 1.SCM即單片微型計算機（Single Chip Microcomputer）階段，主要是尋求最佳的單片形態(tài)嵌入式系統(tǒng)的最佳體系結構?！皠?chuàng)新模式”獲得成功，奠定了SCM與通用計算機完全不同的發(fā)展道路。在開創(chuàng)嵌入式系統(tǒng)獨立發(fā)

28、展道路上，Intel公司功不可沒。? 2.MCU即微控制器（Micro Controller Unit）階段，主要的技術發(fā)展方向是：不斷擴展?jié)M足嵌入式應用時，對象系統(tǒng)要求的各種外圍電路與接口電路，突顯其對象的智能化控制能力。它所涉及的領域都與對象系統(tǒng)相關，因此，發(fā)展MCU的重任不可避免地落在電氣、電子技術廠家。從這一角度來看，Intel逐漸淡出MCU的發(fā)展也有其客觀因素。在發(fā)展MCU方面，最著名的廠家當數Philips公司。? Philips公司以其在嵌入式應用方面的巨大優(yōu)勢，將MCS-51從單片微型計算機迅速發(fā)展到微控制器。因此，當我們回顧嵌入式系統(tǒng)發(fā)展道路時，不要忘記I

29、ntel和Philips的歷史功績。 單片機是嵌入式系統(tǒng)的獨立發(fā)展之路，向MCU階段發(fā)展的重要因素，就是尋求應用系統(tǒng)在芯片上的最大化解決；因此，專用單片機的發(fā)展自然形成了SOC化趨勢。隨著微電子技術、IC設計、EDA工具的發(fā)展，基于SOC的單片機應用系統(tǒng)設計會有較大的發(fā)展。因此，對單片機的理解可以從單片微型計算機、單片微控制器延伸到單片應用系統(tǒng)。 3.3.4.2 AT89C52單片機的簡單介紹 在眾多的單片機系列中，AT89C52是一種低功耗，高性能CMOS8位微控制器，具有8K系列可編程Flash存儲器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術制造，與工業(yè)80C51產品指

30、令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序儲存器在系統(tǒng)可編程，也適應于常規(guī)編程。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89C52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超高效的解決方案。 圖5 穩(wěn)壓電路 AT89C52有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內含2個外中斷口，3個16位可編程定時計數器，2個全雙工串行通信口，2個讀寫口線，AT89C52可以按照常規(guī)方法進行編程，但不可以在線編程(S系列的才支持在線編程)。其將通用的微處理器和Flash存儲器結合在一起，特別是可反復擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。 方案一：所有器件采

31、用單一電源（6節(jié)AA電池）。這樣供電比較簡單；但是由于電動機啟動瞬間電流很大，而且PWM驅動的電動機電流波動較大，會造成電壓不穩(wěn)、有毛刺等干擾，嚴重時可能造成單片機系統(tǒng)掉電，缺點十分明顯。 方案二：雙電源供電。將電動機驅動電源與單片機及其周邊電路電源完全隔離，利用光電耦合器傳輸信號。這樣做法雖然不如單電源方便靈活，但可將電動機驅動所造成的干擾完全消除，進一步提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。 所以，我認為選擇方案二來實現(xiàn)供電。 3.4 硬件設計 3.4.1智能循跡機器人總體概述 智能循跡機器人采用前輪驅動，前輪左右兩邊各用一個電機驅動，調制前面兩個輪子的轉速起停從而達到控制轉向的目的，后輪是萬

32、象輪，起支撐的作用。將循跡光電對管分別裝在車體下的左右。當車身下左邊的傳感器檢測到黑線時，主控芯片控制左輪電機停止，車向左修正，當車身下右邊傳感器檢測到黑線時，主控芯片控制右輪電機停止，車向右修正。 電路分為電源模塊、單片機模塊、電機驅動模塊、循跡模塊。 3.4.2智能循跡機器人總體設計框圖 圖6 循跡機器人總體設計圖 3.4.3電源模塊設計 方案一：采用交流電經直流穩(wěn)壓處理后供電。 采用交流電提供直流穩(wěn)壓電源，電流驅動能力及電壓穩(wěn)定性最好，且負載對電源影響也最小。但由于需要電線對小車供電，極大影響了智能小車行動的靈活性及地形的適應能力。而且避障小車極易把拖在地上的

33、電線識別為障礙物，人為增加了不必要的障礙，故放棄了這一方案。 方案二：采用蓄電池供電 。 蓄電池具有較強的電流驅動能力和較好的電壓穩(wěn)定性能，且成本低廉?？刹捎眯铍姵亟?812芯片穩(wěn)壓后給電機供電，再經過降壓接7805芯片給單片機及其他邏輯單元供電。但蓄電池體積相對龐大，且重量過大，造成電機負載過大，故最終放棄了這一方案。 方案三：采用干聚合鋰電池供電。 系統(tǒng)采用聚合鋰電池供電，具有能量比大，質量輕等優(yōu)點。供電電壓為16.8V，電機額定電壓為24V。 綜合以上考慮，我們采用方案三。 3.4.4驅動電路設計 電機驅動采用H橋式驅動電路，L298N內部集

34、成了H橋式驅動電路，從而采用L298N電路來驅動電機。通過單片機給予L298N電路PWM信號來控制小車的速度，起停。 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2.0 IN1 5 IN2 7 ENA 6 OUT1 2 OUT2 3 ENB 11 OUT3 13 OUT4 14 IN3 10 IN4 12 SENSA 1 SENSB 15 GND 8 VS 4 VCC 9 U2 L298 左輪 右輪 +6V 圖7 電機驅動電路圖 3.4.5循跡模塊信號檢測電路設計 小車循跡原理是小車在畫有黑線的

35、白紙 “路面”上行駛，由于黑線和白紙對光線的反射系數不同，可根據接收到的反射光的強弱來判斷“道路”——黑線。在該模塊中我采用了簡單、應用也比較普遍的檢測方法——紅外探測。 圖8 智能循跡小車系統(tǒng)控制框圖 紅外探測法，即利用紅外線在不同顏色的物理表面具有不同的反射性質的特點。在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當紅外光遇到白色地面時發(fā)生漫發(fā)射，反射光被裝在小車上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，則小車上的接收管接收不到信號，再通過LM324作比較器來采集高低電平，從而實現(xiàn)信號的檢測。 圖9 循跡傳感器電路圖 3.4.6主控電路設計 本模塊主要是對采集信號進行分析

36、，同時給出PWM波控制電機速度，起停。以及對數碼管進行顯示的作用。 ①單片機最小系統(tǒng)設計 單片機是小車的控制中心，單片機最小系統(tǒng)的合理設計是小車平穩(wěn)運行的前提。用AT89C52單片機構成最小應用系統(tǒng)時，只要將單片機接上晶振電路和復位電路再接上ISP下載接口即可。由于集成度的限制，最小應用系統(tǒng)只能用作一些小型的控制單元[15]。其應用的特點有： （1） 有可供用戶使用的大量I/O接口 （2） 內部存儲器容量有限 （3） 應用系統(tǒng)開發(fā)具有特殊性 Ⅰ時鐘電路 89C52雖然有內部振蕩電路，但要形成時鐘，必須外部附加電路。89C52單片機的時鐘產生

37、方法有兩種。內部時鐘方式和外部時鐘方式。 本設計采用內部時鐘方式，利用芯片內部的振蕩電路，在XTAL1、XTAL2引腳上外接定時元件，內部的振蕩電路便產生自激振蕩。本設計采用最常用的內部時鐘方式，即用外接晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。振蕩晶體可在1.2MHZ到12MHZ之間選擇。電容值無嚴格要求，但電容取值對振蕩頻率輸出的穩(wěn)定性、大小、振蕩電路起振速度有少許影響，C2、C5可取22pf。 在設計印刷電路板時，晶體和電容應盡可能靠近單片機芯片安裝，以減少寄生電容，更好的保證振蕩器穩(wěn)定和可靠地工作。為了提高溫度穩(wěn)定性，應采用NPO電容。 圖10 單片機晶振電路圖 Ⅱ復位電路

38、 89C52的復位是由外部的復位電路來實現(xiàn)的。復位引腳RST通過一個斯密特觸發(fā)器用來抑制噪聲，在每個機器周期的S5P2,斯密特觸發(fā)器的輸出電平由復位電路采樣一次，然后才能得到內部復位操作所需要的信號。 復位電路通常采用上電自動復位和按鈕復位兩種方式。 最簡單的上電自動復位電路中上電自動復位是通過外部復位電路的電容充電來實現(xiàn)的。只要Vcc的上升時間不超過1ms，就可以實現(xiàn)自動上電復位。時鐘頻率用6MHZ時C取22uF，R取999歐。 除了上電復位外，有時還需要按鍵手動復位。本設計就是用的按鍵手動復位。按鍵手動復位有電平方式和脈沖方式兩種。其中電平復位是通過RST端經電

39、阻與電源Vcc接通而實現(xiàn)的。時鐘頻率選用6MHZ時，C取10uF，R3取1500歐，R4取200歐。 圖11 單片機復位電路圖 Ⅲ ISP下載接口 ISP 下載接口，與常用的并口下載線，串口下載線和筆記本用的USBASP 下載線兼容，只需接上下接線接口就可以直接向單片機燒程序。 圖12 最小系統(tǒng)電路圖 ② 主控電路圖 圖13 主控電路圖 如圖所示的主控電路圖為智能機器人的電路原理圖，左側為單片機的連接原理，右側為雙8位數碼管，以及感應電路。 3.5 小車CAD圖 1 主視圖 圖14 主視圖 2 仰視圖 圖15 仰視圖

40、 3 俯視圖 圖16 俯視圖 4 左視圖 圖17 左視圖 5 3D視圖 圖18 3D視圖 3.6 軟件設計 3.6.1開發(fā)環(huán)境 Keil uVision4 IDE是基于Windows的開發(fā)平臺，包含一個高效的編譯器、一個項目管理器和一MAKE工具。uVision4支持所有的Keil C51工具，包括C編譯器、宏匯編器、連接/定位器、目標代碼到HEX的轉換器。 （1）Windows應用程序uVision4是一個集成開發(fā)環(huán)境，它把項目管理，源代 碼編輯，程序調試等集成到一個功能強大的環(huán)境中。 （2）C51美國標準優(yōu)化C

41、交叉編譯器從C源代碼產生可重定位的目標文件。 （3）A51宏匯編器從8051匯編源代碼產生可重定位的目標文件。 （4）BL51連接/重定位器組合由C51和A51產生的可重定位的目標文件， 生成絕對目標文件。LIB51庫管理器組合目標文件，生成可以被連接器使用的庫文件。 （5）OH51目標文件到HEX格式的轉換器從絕對目標文件創(chuàng)建Intel HEX格式文件。 （6）RTX-51實時操作系統(tǒng)簡化了復雜和對時間要求敏感的軟件項目。 3.6.2調試方法 （1）.打開軟件，菜單欄中選擇“project------new project”，彈出“Create New Project”對話窗口，

42、選擇目標路徑，輸入項目名，保存。 （2）.上一步保存時會彈出“Select Device for Target”對話窗，在此選擇cpu類型，確定。 （3）.在菜單欄選擇“File-------New”新建文檔，再“File---Save”保存，寫上文件名及擴展名“.asm"先保存在寫的好處是Keil會自動識別匯編語言的關鍵字，并以不同的顏色顯示，減少輸入代碼的語法錯誤。 （4）.程序寫完后，保存。在Keil中"Project Workspace"子窗口中雙擊“Target 1”，展開此目錄。在“Source Group 1”文件夾上單擊鼠標右鍵，選擇“Add File to Group

43、Source 1”，彈出“Add File to Group”對話窗口選擇文件類型“Asm Source File”并找到剛才寫的.asm文件，添加到Source Group 中。 （5）.在“Project Workspace”窗口中的“Target 1”文件夾上單擊鼠標右鍵，選擇“Option for Target”，則會彈出“Option for Target”對話窗口，選擇“Output”選項卡，選擇"Create HEX File"選項。 （6）.在Keil菜單欄選擇“Project-------Build Target”命令，編譯匯編源文件。Build窗口顯示 0 Er

44、ror(s）即可。 3.6.3 程序介紹 專心---專注---專業(yè) 1 定義存儲空間 P0M0 = 0x00; P0M1 = 0x00; P1M0 = 0x00; P1M1 = 0x00; P2M0 = 0x00; P2M1 = 0x00; P3M0 = 0x00; P3M1 = 0x00; P4M0 = 0x00; P4M1 = 0x00; P5M0 = 0x00; P5M1 = 0x00; P6M0 = 0x00; P6M1 = 0x00;

45、 P7M0 = 0x00; P7M1 = 0x00; 2 調用子程序 SCI1_Init(); PWM_Init(); delay_ms(2000); Motor(0,0); InitADC(); Motor(10,10); SendString("123"); 3 根據運行狀態(tài)選擇判斷 while(1) { SendString("000"); SendNum(GetADCResult(0)); delay_ms(500); SendString("111"); SendNum(Ge

46、tADCResult(1)); delay_ms(500); SendString("222"); SendNum(GetADCResult(2)); delay_ms(500); SendString("333"); SendNum(GetADCResult(3)); delay_ms(500); SendString("444"); SendNum(GetADCResult(3)); delay_ms(500); } } while(1) { if(GetADCResult(2)>2

47、00) { Motor(30,30); delay_ms(00); } else if(GetADCResult(1)>220) { Motor(15,30); delay_ms(500); } else if(GetADCResult(3)>200) { Motor(30,15); delay_ms(500); } else if(GetADCResult(4)>200) { Motor(35,15);

48、 delay_ms(500); } else if(GetADCResult(0)>200) { Motor(15,35); delay_ms(500); } e 4 實驗步驟設計 4.1 系統(tǒng)模型圖 圖19 系統(tǒng)模型圖 4.2 仿真結果 P=200，I=10，D=50時的波形： 圖20 小車理論輸入速度 最初小車啟動加速度非常大，但進過0.2s之后小車速度穩(wěn)定在1.5m/s左右保持穩(wěn)定。 圖21 小車理論輸出速度 當小車速度過大時，小車的速度會驟減，經過一定的時間之后速度穩(wěn)定保持在1.5m/s左右。

49、圖22 小車內輪占空比 當小車轉向時，小車內輪的占空比會突然增大，但轉向結束之后內輪的占空比會穩(wěn)定在51.5%附近。 圖23 小車外輪占空比 當小車轉向時，小車內外輪的占空比會突然增大，但轉向結束之后內輪的占空比會穩(wěn)定在51.5%附近。 圖24 小車實際輸入速度 起初小車啟動加速度非常大，但進過0.2s之后小車速度穩(wěn)定在1.5m/s左右保持穩(wěn)定。 圖25 小車實際輸出速度 最初小車啟動加速度非常大，但進過0.2s之后小車速度穩(wěn)定在1.5m/s左右保持穩(wěn)定。 圖26 小車行駛時的偏差角度 當小車未沿著直線運動時，小車內外會有一定的偏差，這就是偏差

50、角度，小車會立即偏轉調整，當調整結束之后小車的偏差角度則趨于0，并保持不變。 圖27 小車行駛時的偏轉角度 當小車轉向時，小車內外會有一定的偏差，這就是偏差角度，當轉向結束之后小車的偏差角度則趨于0，并保持不變。 4.3檢查元件 按電路圖清點元件后首先檢查買回元件的好壞，按各元件的檢測方法分別進行檢測，一定要仔細認真。而且要認真核對原理圖是否一致，在檢查好后才可上件、焊件，防止出現(xiàn)錯誤焊件后不便改正。 4.4放置、焊接各元件 按原理圖的位置放置各元件，在放置過程中要先放置、焊接較低的元件，后焊較高的和要求較高的元件。特別是容易損壞的元件要后焊，在焊集成芯片時連續(xù)焊接時間不要

51、超過10s，注意芯片的安裝方向。 4.5電路調試 首先燒入電機控制小程序，控制電機正反轉，停止均正常。說明電機及驅動電路無誤。然后加入避障子程序，小車運轉正常時，光電開關模塊靈敏度使達到理想效果。接下來測試紅外循線模塊的二極管是否有亮燈，有的話，代表有用不需更換，接著輸入程序進行簡單的循線活動，測試靈敏度是否達到要求。在調試程序時，發(fā)現(xiàn)有的指令用的不正確，特別測試紅外循線模塊的時候，一些比較急的彎，轉彎不夠靈活，非常容易走出跑道，對于這段程序調試了比較長的時間。 4.6電機模塊調試過程 由于采用的電機供電電壓是9V，而電機額定工作電壓是6V，所以可使電機轉動的PWM值范圍可從5% ~6

52、5%左右。由于電機的感性阻抗作用，隨著PWM頻率的升高，感抗增大，導致電流減小。尤其設計中所采用的電機是遙控車電機，額定電流較小，線圈匝數必然較多，感抗自然就較大。 PWM的原理，其實就是面積等效原理，在采樣控制理論中有一個重要的結論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。所以可用等幅值的不同寬度的脈沖來等效一些想要的波形。 4.7測試方法 （1）開啟電源開關，將智能電動車放于起跑線位置，智能電動小車在“直道區(qū)”行駛過程中，檢查看其是否沿跑道運行，再檢測是否能順利轉彎。 （2）當小車穿過障礙物區(qū)時看小車是否碰到障礙物及小車能否順利通過障礙物。 附件：

53、 #include "stc15w.h" #include "SCI.h" #include "PWM.h" #include "Motor.h" #include "ADC.h" void delay_ms(int num); void main() { P0M0 = 0x00; P0M1 = 0x00; P1M0 = 0x00; P1M1 = 0x00; P2M0 = 0x00; P2M1 = 0x00; P3M0 = 0x00; P3M1 = 0x00; P4M0 = 0x00;

54、 P4M1 = 0x00; P5M0 = 0x00; P5M1 = 0x00; P6M0 = 0x00; P6M1 = 0x00; P7M0 = 0x00; P7M1 = 0x00; SCI1_Init(); PWM_Init(); //delay_ms(2000); Motor(0,0); InitADC(); Motor(10,10); SendString("123"); while(1) { SendString("000"); SendNum(GetADCResult(

55、0)); delay_ms(500); SendString("111"); SendNum(GetADCResult(1)); delay_ms(500); SendString("222"); SendNum(GetADCResult(2)); delay_ms(500); SendString("333"); SendNum(GetADCResult(3)); delay_ms(500); SendString("444"); SendNum(GetADCResult(3)); delay_ms(

56、500); } } while(1) { if(GetADCResult(2)>200) { Motor(30,30); delay_ms(00); } else if(GetADCResult(1)>220) { Motor(15,30); delay_ms(500); } else if(GetADCResult(3)>200) { Motor(30,15); delay_ms(500); }

57、 else if(GetADCResult(4)>200) { Motor(35,15); delay_ms(500); } else if(GetADCResult(0)>200) { Motor(15,35); delay_ms(500); } else if((GetADCResult(0)<200)&(GetADCResult(1)<220)&(GetADCResult(2)<200)&(GetADCResult(3)<200)&(GetADCResult(4)<200)) { Motor(0,0)

58、; PWMCR = 0x00; } } } void delay_ms(int num) //@11.0592MHz { unsigned char i, j; _nop_(); _nop_(); _nop_(); i = 11; j = 190; while(num) { do { while (--j); } while (--i); num--; i = 11; j = 190; } } 參考文獻 [1] 崔佳超.無人駕

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