課程設(shè)計(jì)（論文）循跡機(jī)器人設(shè)計(jì)

1、1 1 設(shè)計(jì)任務(wù)描述設(shè)計(jì)任務(wù)描述 1.11.1 設(shè)計(jì)題目：設(shè)計(jì)題目：循跡機(jī)器人設(shè)計(jì)循跡機(jī)器人設(shè)計(jì) 1.21.2 設(shè)計(jì)目的設(shè)計(jì)目的 （1）了解機(jī)器人技術(shù)的基本知識(shí)以及有關(guān)電工電子學(xué)、單片機(jī)、機(jī)械設(shè)計(jì)、 傳感器等相關(guān)技術(shù)。 （2）初步掌握機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)原理、基于智能機(jī)器人的控制理論，并應(yīng)用于 機(jī)器人的設(shè)計(jì)中。 （3）通過(guò)學(xué)習(xí)，具體掌握循跡機(jī)器人的控制技術(shù)，并使機(jī)器人能獨(dú)立執(zhí)行一 定的循跡任務(wù)。 1.31.3 基本要求基本要求 （1）要求設(shè)計(jì)一個(gè)能循跡(白底黑線或黑底白線，線寬 25mm)的機(jī)器人； （2）要求設(shè)計(jì)機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)、傳感器類(lèi)型的選擇及排列布局。 （3）要有循跡的策略（軟件流

2、程圖） 。 1.41.4 發(fā)揮部分發(fā)揮部分 2 2 設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)思路 這次課設(shè)我設(shè)計(jì)的是循跡機(jī)器人，自動(dòng)循跡測(cè)距機(jī)器人主要由六個(gè)模塊構(gòu) 成：車(chē)體框架、電源、主控模塊、邏輯模塊、探測(cè)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊組成。 （1）車(chē)體框架。突出特點(diǎn)為四輪驅(qū)動(dòng)，四輪獨(dú)立懸掛； （2）mc9s12x128 主控制器。系統(tǒng)采用 112 腳的 mc9s12xs128mal，該單片 機(jī)具有 ect 模塊，2 個(gè) spi 模塊，8 路 16 位計(jì)數(shù)器，4 路外部事件觸發(fā)中斷輸 入端口，8 路 pwm，16 路 10 位 ad，轉(zhuǎn)換時(shí)間約為 3us； （3）傳感器模塊。光電發(fā)射管發(fā)射出光，經(jīng)過(guò)賽道的反射回來(lái)，由于白色 平面和

3、黑線反射光強(qiáng)度不同，不同位置上的光電接收管接收到強(qiáng)弱不同的光， 因此可以判斷出黑線相對(duì)小車(chē)的位置。這種檢測(cè)的方法明顯的優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)速度 快，檢測(cè)的方法簡(jiǎn)單，成本相對(duì)低廉。使用一字線激光器發(fā)射強(qiáng)大光線，用 13 個(gè)光敏傳感器采集路面信息，將信號(hào)反饋給控制單元，由控制單元判別黑線位 置以控制車(chē)的速度、轉(zhuǎn)向和制動(dòng)； （4）電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和速度控制模塊。根據(jù)碼盤(pán)反饋信號(hào)，用 mos 管搭建的 橋式驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，形成閉環(huán)控制，對(duì)電機(jī)的速度機(jī)型準(zhǔn)確快 速的調(diào)節(jié)； （5）轉(zhuǎn)向控制模塊。根據(jù)路面信息，準(zhǔn)確地控制轉(zhuǎn)向舵機(jī)的轉(zhuǎn)角； （6）剎車(chē)模塊。使用伺服舵機(jī)構(gòu)成剎車(chē)裝置，使智能車(chē)在轉(zhuǎn)彎時(shí)兩輪差速， 更

4、及時(shí)地轉(zhuǎn)向； （7）人機(jī)交互模塊。我們使用撥碼開(kāi)關(guān)調(diào)整智能車(chē)的運(yùn)行參數(shù)，并用液晶 將車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)顯示出來(lái)。 3 3 設(shè)計(jì)方框圖設(shè)計(jì)方框圖 mc9s12x s128 mos管驅(qū)動(dòng)電路 直流電機(jī) 智能車(chē)后輪 制動(dòng)裝置 碼盤(pán)信號(hào)輸入 伺服舵機(jī) 光電傳感器 撥碼開(kāi)關(guān)輸入 和狀態(tài)顯示 轉(zhuǎn)向舵機(jī) 智能車(chē)前輪 圖 3.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)方框圖 4 4 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括前輪定位，傳感器的設(shè)計(jì)安裝，轉(zhuǎn)向舵機(jī)的安裝， 測(cè)速編碼器的安裝和后輪剎車(chē)裝置的設(shè)計(jì)。 4.1 車(chē)體結(jié)構(gòu) 車(chē)型結(jié)構(gòu)突出特點(diǎn)為四輪驅(qū)動(dòng)，四輪獨(dú)立懸掛。 智能車(chē)的外形大致如圖 4.1 所示： 圖 4.1 智能車(chē)大致外形 4.2 傳感器

5、的設(shè)計(jì)安裝 如何安裝激光傳感器也是一個(gè)要考慮的機(jī)械結(jié)構(gòu)問(wèn)題，因?yàn)槿绻麄鞲衅麟x 車(chē)太近，則前瞻性會(huì)受到很大影響；而傳感器若離車(chē)太遠(yuǎn)則機(jī)構(gòu)不穩(wěn)定，行走 過(guò)程會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，影響傳感器的工作狀態(tài)，無(wú)法保證穩(wěn)定、準(zhǔn)確的信號(hào)反饋， 采用“一”字型排布方式，如圖 4.2 所示。采用了 13 個(gè)激光傳感器，居于中間 部分的 11 個(gè)傳感器兩兩相距較近，兩個(gè)邊緣的傳感器相對(duì)距離較大些，以探測(cè) 到更寬的平面信息。 1.8cm1.8cm1.8cm1.8cm1.8cm1.8cm1.8cm1.8cm1.8cm1.8cm2.4cm2.4cm 圖 4.2 激光傳感器以“一”字型排布 4.3 轉(zhuǎn)向舵機(jī)的安裝 舵機(jī)響應(yīng)時(shí)間很大程

6、度上決定了小車(chē)的靈活性，從而決定著小車(chē)在一定賽 道條件下的極限速度，為了加快車(chē)輪轉(zhuǎn)向響應(yīng)速度。轉(zhuǎn)向舵機(jī)安裝在小車(chē)的前 輪位置，在循跡遇到彎道時(shí)可以靈活的轉(zhuǎn)彎。 4.4 測(cè)速編碼器的安裝 在車(chē)的調(diào)試過(guò)程中，由于電池的電量時(shí)刻在消耗，車(chē)的實(shí)際速度往往在發(fā) 生變化，于是，采用了光電編碼器。光電編碼器安裝主要考慮的問(wèn)題是與齒輪 的咬合，太緊會(huì)使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)吃力并且會(huì)發(fā)出很大的噪聲，太松有時(shí)候會(huì)丟齒。 因此最好使得安裝的編碼器松緊程度能夠調(diào)整最好。通過(guò)光電編碼器，程序可 以通過(guò)調(diào)整電機(jī)的 pwm 波來(lái)控制車(chē)速在穩(wěn)定在一個(gè)范圍。 4.5 后輪剎車(chē)裝置設(shè)計(jì) 車(chē)模在高速狀態(tài)轉(zhuǎn)急彎時(shí)有時(shí)不夠及時(shí)，導(dǎo)致碾出跑道。為了

7、保證車(chē)輛行 駛的安全，應(yīng)當(dāng)加裝制動(dòng)舵機(jī)。在制動(dòng)舵機(jī)上加裝了一個(gè)連桿，連桿的兩邊各 附有剎車(chē)片。在轉(zhuǎn)彎時(shí)，通過(guò)剎車(chē)片向內(nèi)側(cè)車(chē)輪施加摩擦阻力，當(dāng)內(nèi)側(cè)車(chē)輪由 于受到阻力變慢時(shí)，外側(cè)車(chē)輪將變快，起到了差速作用，這樣車(chē)輛能夠更及時(shí) 地轉(zhuǎn)向，避免沖出跑道，更可以在直道上提高速度。 例如：左轉(zhuǎn)彎時(shí)，調(diào)節(jié)舵機(jī)給左輪一定的摩擦力，降低左輪的速度，起到 減速作用。同時(shí)，由于內(nèi)置的差速器作用，右輪的速度將會(huì)更快。由于兩個(gè)車(chē) 輪間存在差速，速度快的車(chē)輪會(huì)以另一個(gè)車(chē)輪為圓心向左甩，這樣有利于車(chē)左 轉(zhuǎn)。同樣，右彎時(shí)，調(diào)節(jié)舵機(jī)給右輪一定的摩擦力，降低右輪的速度，使其左 轉(zhuǎn)平穩(wěn)而又不沖出跑道 5 5 硬件電路的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn) 5

8、.1 電源模塊 圖 5.1 電源模塊原理圖 5v 穩(wěn)壓電源用于單片機(jī)、激光傳感器模塊、光電編碼器模塊供電，用 lm2940 搭建成的 5v 穩(wěn)壓電路（見(jiàn)圖 5.1），給這些模塊供電，能穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn) 功能，且各個(gè)模塊不會(huì)互相干擾，整個(gè)電路簡(jiǎn)單實(shí)用。 5.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 場(chǎng)效應(yīng)管作為驅(qū)動(dòng)管，其導(dǎo)通電阻可以達(dá)到毫歐級(jí)，且可以提供強(qiáng)大驅(qū)動(dòng)電 流。如圖 5.2，場(chǎng)效應(yīng)管 irf4905 和 irf3205 組成橋式電路，作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)， 從單片機(jī)輸出的控制信號(hào) pp5 和 pp7（pwm 信號(hào)）經(jīng)反相器 cd4011 放大電流后 作為橋式電路的輸入。 圖 5.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊原理圖 5.3 激光傳感器模塊

9、的設(shè)計(jì) 采用激光作為光源可以使光敏傳感器的前瞻能達(dá)到 40cm50cm，這對(duì)智能 車(chē)的控制已經(jīng)足夠。 接收電路如圖 5.3 所示。接送器采用普通的光敏管，接收器的輸出接至單 片機(jī)的 ad 口，通過(guò)讀取 ad 值的方法來(lái)確定路面信息。電位器的作用是調(diào)整 接收器的電流，從而調(diào)整輸出的電壓，從而調(diào)整 ad 值，起到適應(yīng)環(huán)境的作用。 圖 5.3 激光傳感器模塊原理圖 圖 5.4 激光發(fā)射器實(shí)物圖 激光發(fā)射器 ds1 采用一字線激光器，規(guī)格為 650nm/100mw，如圖 5.4 所示。 該發(fā)射器內(nèi)置透鏡，能將激光以一字線型發(fā)射出，這樣代替了多個(gè)的點(diǎn)狀激光 發(fā)射器，從而減輕重量，簡(jiǎn)化了電路。 5.4 人

10、機(jī)交互模塊 圖 5.5 人機(jī)交互模塊原理圖 為能夠?qū)Τ绦蜻\(yùn)行的參數(shù)進(jìn)行方便的修改，使用了一個(gè)八位的撥碼開(kāi)關(guān)。 撥碼開(kāi)關(guān)的狀態(tài)通過(guò)單片機(jī)的 pa 口讀得，在程序里進(jìn)行判斷并決定采用哪一 組參數(shù)。另外，為了能夠方便調(diào)試，我們還外接了一個(gè) 1602 液晶，可以方便地 查看傳感器的輸出值。 5.5 光電編碼器模塊 考慮到小車(chē)在加速和減速時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)輪胎與賽道打滑的現(xiàn)象，就采用檢 測(cè)電機(jī)齒輪的轉(zhuǎn)速作為小車(chē)的當(dāng)前速度。速度檢測(cè)的方法主要有霍爾開(kāi)關(guān)檢測(cè)、 光電編碼器檢測(cè)?；魻栭_(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)速度比較快，精度容易調(diào)節(jié)（只需調(diào)節(jié)小磁 鐵塊的個(gè)數(shù)與間距），但是當(dāng)小車(chē)的速度較快時(shí)，會(huì)出現(xiàn)測(cè)量誤差。光電編碼 器對(duì)速度的反應(yīng)

11、很靈敏，精度比較高，速度的實(shí)時(shí)檢測(cè)比較好。 經(jīng)考慮，決定采用光電編碼器檢測(cè)模型車(chē)的速度。如圖 5.6 所示，lm358 起放大信號(hào)和比較信號(hào)的作用，其輸出經(jīng)上拉接至單片機(jī)的脈沖計(jì)數(shù)管腳 pt7。 圖 5.6 光電編碼器模塊原理圖 5.6 單片機(jī)資源使用情況 單片機(jī)作為本系統(tǒng)唯一的控制器，所有控制信號(hào)都由其作邏輯判斷后輸出， 表 5.1 所示的即為單片機(jī)的管腳分配表。 表 5.1 mc9s12xs128 單片機(jī)管腳分配表 s12 單片機(jī)管腳分配 pa0-pa7八路撥碼開(kāi)關(guān) 普通 io pb0-pb7，pk0-pk2液晶顯示 pt7碼盤(pán)脈沖檢測(cè) pwm23直流電機(jī) pwm1 pwm67直流電機(jī) p

12、wm2 pwm01轉(zhuǎn)向伺服電機(jī) pwm ect pwm45剎車(chē)伺服電機(jī) pwm adad00ad15激光傳感器信號(hào)輸入（含備用） 中斷ph7用于調(diào)整參數(shù) rxd0串口接收 串口通信 txd0串口發(fā)射 6 主程序流程框圖 圖 6.1 主程序流程圖 當(dāng)黑線處于傳感器兩邊緣時(shí)，讓舵機(jī)以最大角度轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)黑線處于中間時(shí) 主要使用 pd 算法，調(diào)試好 pd 的參數(shù)后既可以很穩(wěn)定的跑動(dòng)。 速度采用脈沖計(jì)數(shù)器測(cè)量，光電編碼器的輸出接在定時(shí)器接口上。在軟件 里，通過(guò)每隔 8ms 的中斷處理程序讀取一次脈沖次數(shù)，讀完后立即清零，等待 下一次的中斷。讀取數(shù)據(jù)后除去偶然誤差，做為速度值。再根據(jù)此速度值作為 反饋，使用

13、增量式 pid 算法對(duì)速度進(jìn)行控制，使速度達(dá)到設(shè)定值。 7 元器件清單 元器件標(biāo)稱(chēng)值數(shù)量封裝 電容 10uf1805 電容 10uf3c1206 晶振 12mhz1xtal1 電容 22p2805 極性電容 100uf2rb.2/.4 電容 1043805 電容 220uf1rb.2/.4 電阻 4701805 穩(wěn)壓芯片 1117-3.3v1sot223 單片機(jī) c8051f3101lqfp-32 觸發(fā)器集成塊 cd401061dip14 三頭插針 con31sip3 二極管 diode8m7 jtaghdr2x51hdr5x2-lp 兩頭插針 header 22sip2 六頭插針 heade

14、r 62sip6 發(fā)光二極管 led dc5v1diodet 驅(qū)動(dòng)芯片 lm2981multi15 電壓比較器 lm3932dip8 5v穩(wěn)壓片 lm78051to-220 開(kāi)關(guān) sw-pb1sw-s2-4 小結(jié) 在這次設(shè)計(jì)中，我完成了這次任務(wù)，設(shè)計(jì)出了循跡機(jī)器人，并詳細(xì)的設(shè)計(jì) 了機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)、傳感器類(lèi)型的選擇及排列布局。在軟件方面 也設(shè)計(jì)出了程序的流程圖。 在這次課程設(shè)計(jì)中,我學(xué)到了很多上課時(shí)沒(méi)有學(xué)到的知識(shí)。我先從圖書(shū)館查 閱相關(guān)資料，上網(wǎng)查閱，找到跟我設(shè)計(jì)題目相關(guān)的課題，從歷屆飛思卡爾的報(bào) 告中借鑒了很多有用的東西。 通過(guò)課程設(shè)計(jì)我收獲很多，不僅對(duì)這個(gè)課程有了更深的理解，而且

15、也學(xué)會(huì) 了團(tuán)隊(duì)精神的重要性，個(gè)人的能力是有限的，團(tuán)結(jié)才能有力量，我們都盡自己 所能來(lái)完成這次課程設(shè)計(jì)。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì),我懂得了理論與實(shí)際結(jié)合是很必 要的。只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)際結(jié)合起來(lái)， 從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會(huì)服務(wù)，從而提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú) 立思考能力。重要的是我們?cè)谠O(shè)計(jì)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足，對(duì)前面學(xué)過(guò)的知 識(shí)理解的不夠深刻，掌握的不夠牢固。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我們相當(dāng)于把前面 所學(xué)過(guò)的知識(shí)又重新溫故了一遍。 致謝 課程設(shè)計(jì)結(jié)束了，在課程設(shè)計(jì)的過(guò)程中我學(xué)到了很多課堂上所不能體會(huì)的 知識(shí)。我們做的是循跡機(jī)器人的設(shè)計(jì)，在這次設(shè)計(jì)當(dāng)中，我學(xué)會(huì)了團(tuán)體合作

16、還 有很多關(guān)于機(jī)器人的相關(guān)知識(shí)。一周的課程設(shè)計(jì)結(jié)束了，以前在上課的時(shí)候老 師講解的東西以為明白就可以，但是在這次實(shí)踐中，我明白了，那是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠 的。 在老師、同學(xué)的幫助下，終于完成了這次實(shí)驗(yàn)。查閱資料，請(qǐng)教同學(xué)，相 互討論，還好有老師和同學(xué)，一步一步的修改和講解讓我覺(jué)得非常的暖心?？?能在以后步入社會(huì)以后這種感覺(jué)可能不復(fù)存在。所以我珍惜現(xiàn)在的每一次的設(shè) 計(jì)。 在這里要非常感謝我的老師。每天都來(lái)實(shí)驗(yàn)室為同學(xué)們解答各種問(wèn)題，當(dāng) 我們出錯(cuò)誤的時(shí)候，老師都會(huì)在身邊所以我們感到非常的安心。這也是一次跟 老師更加近距離的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)。 在這里還要感謝我同組的同學(xué)以及幫助我們的同學(xué)。在每天的課程設(shè)計(jì)中， 都有你

17、們的陪伴，在我有困難的時(shí)候，你們永遠(yuǎn)在我的身邊。非常謝謝你們對(duì) 我的幫助。 這次課程設(shè)計(jì)對(duì)我以后的學(xué)習(xí)乃至工作都有很大的幫助，我對(duì)機(jī)器人有了 更深一層次的了解。雖然對(duì)電路設(shè)計(jì)還是有很多困難，很多要學(xué)的。但我想只 要我們珍惜每次設(shè)計(jì)的經(jīng)過(guò)，從中我們肯定會(huì)有一些所得。 再次感謝我們的指導(dǎo)老師祝老師，還有曾經(jīng)一直幫助我的同學(xué)。 參考文獻(xiàn) http:/ 飛思卡爾技術(shù)報(bào)告 光電組-中山大學(xué)-“二次革命” 機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用 機(jī)械工業(yè)出版社 謝存禧 張鐵 主編 學(xué)做智能車(chē)挑戰(zhàn)“飛思卡爾”杯 北京航空航天大學(xué)出版社 卓 晴 黃開(kāi)勝 邵貝貝等 主編 單片機(jī)原理及其應(yīng)用 電子工業(yè)大學(xué)出版社 孫育才 孫華芳 王榮

18、興 主 編 常用電子元器件使用一讀通 人民郵電出版社 沈長(zhǎng)生 編著 附 錄 a1 邏輯電路圖 p3.2 8 p3.3 9 p3.0/c2d 6 p3.1 7 p0.1 1 p0.0 2 g nd 3 v dd 4 rst/c2ck 5 p3.4 10 p2.7 11 p2.6 12 p2.5 13 p2.4 14 p2.3 15 p2.2 16 p2.1 17 p2.0 18 p1.7 19 p1.6 20 p1.5 21 p1.4 22 p1.3 23 p1.2 24 p1.1 25 p1.0 26 p0.7 27 p0.6 28 p0.5 29 p0.4 30 p0.3 31 p0.2 3

19、2 c8051f310/2/4 c8051f361/4/6/8 u 3 c8051f310/2/4_361/4/6/8 v cc c10 10uf c7 104 12 34 56 78 910 j1 h dr2x5 v cc r10 1k r9 1k r8 1k s1 sw-pb c15 0.01uf c16 0.01uf v cc y 1 12m h z c1 22p c2 22p r2 1m x ia l1 xial2 xial1 x ia l2 d 1 1n4007 d 2 led dc5v r1 470 c6 104 c8 10uf adj 1 v out 2 v in 3 u 2 1117-3.3v c3 220uf bt1 battery v cc c9 104p o1 1 i1- 2 i1+ 3 gnd 4 i2+ 5 i2- 6 o2 7 vcc 8 u 4 lm393 o1 1 i1- 2 i1+ 3 gnd 4 i2+ 5 i2- 6 o2 7 vcc 8 u 5 lm393 r4 10k r3 10k v cc r7 10k r6 10k v cc rp1 10k r5 10k v cc 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 g nd 7 8 8