傳感器技術(shù)課程設(shè)計尋跡機(jī)器人(小車)設(shè)計

1、中文摘要機(jī)器人技術(shù)是集機(jī)械工程學(xué)、計算機(jī)技術(shù)、控制工程、電子技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等學(xué)科為一體的綜合技術(shù)，它是多學(xué)科科技革命的必然結(jié)果。機(jī)器人（robot）是自動執(zhí)行工作的機(jī)器裝置，它既可以接受人類指揮，又可以執(zhí)行事先編排好的程序，也可以根據(jù)以人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動。機(jī)器人一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動裝置、檢測裝置和控制系統(tǒng)和復(fù)雜機(jī)械等組成。驅(qū)動裝置是驅(qū)使執(zhí)行機(jī)構(gòu)運動的機(jī)構(gòu)，按照控制系統(tǒng)發(fā)出的指令信號，借助于動力元件使機(jī)器人進(jìn)行動作。它輸入的是電信號，輸出的是線、角位移量。機(jī)器人使用的驅(qū)動裝置主要是電力驅(qū)動裝置，如步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)等，此外也有采用液壓、氣動等驅(qū)動裝置。檢測裝置的作用是實時檢測

2、機(jī)器人的運動及工作情況，根據(jù)需要反饋給控制系統(tǒng)，與設(shè)定信息進(jìn)行比較后，對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，以保證機(jī)器人的動作符合預(yù)定的要求。其中最重要的就是傳感器的作用，能實時的檢測外界信息并將這些信息進(jìn)行融合得到一個綜合的結(jié)論，用以驅(qū)動機(jī)器人的相關(guān)運動。此次課程設(shè)計所要實現(xiàn)的是機(jī)器人的循跡操作，這不僅需要外部硬件部分對外界信息進(jìn)行感測、傳動驅(qū)動裝置對機(jī)器人的運動進(jìn)行驅(qū)動控制，還需要相應(yīng)的軟件部分（c8051單片機(jī)）對傳感器檢測到的信息進(jìn)行融合和分析，得到一個綜合的結(jié)論并使機(jī)器人做出適當(dāng)?shù)牟僮?。關(guān)鍵詞： 機(jī)器人，傳感器，直流電機(jī)，硬件，軟件，pwm 1 設(shè)計任務(wù)描述1.1 設(shè)計題目：循跡機(jī)器人設(shè)計1.2 設(shè)計

3、要求1.2.1 設(shè)計目的1）了解機(jī)器人技術(shù)的基本知識以及有關(guān)電工電子學(xué)、單片機(jī)、機(jī)械設(shè)計、傳感器等相關(guān)技術(shù)。2）初步掌握機(jī)器人的運動學(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)計中。3）通過學(xué)習(xí)，具體掌握循跡機(jī)器人的控制技術(shù)，并使機(jī)器人能獨立執(zhí)行一定的循跡任務(wù)。1.3 基本要求 1）要求設(shè)計一個能循跡(白底黑線或黑底白線，線寬25mm)的機(jī)器人；2）要求設(shè)計機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)、傳感器類型的選擇及排列布局；3）要有循跡的策略（軟件流程圖）。1.4 發(fā)揮部分 1）蔽障功能2 設(shè)計思路循跡機(jī)器人是一種運用簡單的視覺作用進(jìn)行一系列后續(xù)操作的機(jī)器人，在機(jī)器人的運動中起著非常重要的作用，為

4、機(jī)器人運動過程中位置的準(zhǔn)確性提供了保障。為了使機(jī)器人能在任意區(qū)域內(nèi)沿循跡線行走，并且自動繞開障礙物，到達(dá)指定的位置，本控制系統(tǒng)采用紅外光電傳感器檢測路面循跡線；使用紅外線測障傳感器檢測路面的障礙物，使機(jī)器人及時的蔽障；超聲波測距；用光電傳感器或者微動開關(guān)檢測、判斷機(jī)器人是否到位；應(yīng)用pwm技術(shù)動態(tài)控制機(jī)器人的轉(zhuǎn)動方向和轉(zhuǎn)速。再利用軟件和硬件的結(jié)合，實現(xiàn)機(jī)器人前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、繞障、停止的精確控制。該機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2-1所示。超聲波檢測 控制器（單片機(jī)內(nèi)核）后退紅外檢測光電編碼檢測前進(jìn)紅外檢測計數(shù)檢測行走電機(jī)驅(qū)動信號 圖2-1 機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 機(jī)器人在地面的移動方式采用的是三輪式的，前

5、輪輔助后輪的差動式行走方式。前輪為隨動輪，僅起到支撐的作用，沒有導(dǎo)向作用，后輪分別是兩個獨立的驅(qū)動輪，利用它們的轉(zhuǎn)速差來控制機(jī)器人的運動方向。當(dāng)兩個驅(qū)動輪以相同的速度相反的方向驅(qū)動時，車體便會以兩個驅(qū)動輪連線的中點自轉(zhuǎn)，易于定位。對驅(qū)動輪采用直流電機(jī)驅(qū)動，這樣可以達(dá)到很大的力矩/質(zhì)量比，并且精度高、加速迅速且可靠。3 設(shè)計方框圖結(jié)束系統(tǒng)初始化開始任務(wù)計數(shù)器歸零任務(wù)計數(shù)器+1是否完成全部任務(wù)循跡子程序是否完成本次任務(wù)圖 3-1 主程序流程4 硬件系統(tǒng)設(shè)計4.1循跡線路 機(jī)器人按照規(guī)定的線路從a地運輸貨物到b地，然后再原路返回重復(fù)搬運過程，下圖4-1為循跡機(jī)器人的軌道線路圖。 圖4-1機(jī)器人循跡軌

6、道路線圖4.2傳感器模塊 傳感器是整個機(jī)器人得以準(zhǔn)確循跡的核心部件，只有經(jīng)過傳感器采集了外界信息后才能對機(jī)器人身處的環(huán)境進(jìn)行識別，才能使機(jī)器人根據(jù)軌跡運動。傳感器的種類繁多，有測距傳感器、視覺傳感器、接觸覺等等不同類型的傳感器，本次設(shè)計運用的傳感器主要是用來檢測路線、檢測障礙物和測距的，分別用紅外傳感器和超聲波傳感器。整個傳感器的感測過程可以概括為下圖4-2。未偏獲取傳感器信息轉(zhuǎn)換為機(jī)身偏離狀況直線行駛函數(shù)較大偏離微偏微調(diào)函數(shù)調(diào)整函數(shù)圖4-2 傳感器子流程圖4.2.1軌跡檢測 對于循跡機(jī)器人的軌跡檢測，在本設(shè)計中用的是紅外傳感器，紅外光的發(fā)送接收選用型號為st168 的對管當(dāng)小車在白色地面行駛

7、時裝在車下的紅外發(fā)射管發(fā)射紅外線信號經(jīng)白色反射后被接收管接收一旦接收管接收到信號,那么圖中光敏三極管將導(dǎo)通比較器輸出為低電平;當(dāng)小車行駛到黑色引導(dǎo)線時,紅外線信號被黑色吸收后光敏三極管截止,比較器輸出高電平,從而實現(xiàn)了通過紅外線檢測信號的功能將檢測到的信號送到單片機(jī)i/o口;當(dāng)i/o口檢測到的信號為高電平時,表明紅外光被地上的黑色引導(dǎo)線吸收了,表明小車處在黑色的引導(dǎo)線上同理當(dāng)i/o口檢測到的信號為低電平時表明小車行駛在白色地面上此種方法簡單價格便宜靈敏度可調(diào)但是容易受到周圍環(huán)境的影響,特別是在較強(qiáng)的日光燈下,對檢測到的信號有一定影響。下圖4-3為黑線檢測流圖，4-4-1為紅外傳感器探頭安裝的位

8、置。否自動循跡程序是否檢測到黑線左轉(zhuǎn)是右轉(zhuǎn)前進(jìn)探測黑線判斷處理程序 圖4-3 黑線檢測流程圖圖4-4-1 紅外探頭位置其電路原理圖為圖4-4-2所示。圖4-4-2 檢測原理圖4.2.2障礙物檢測 機(jī)器人在行進(jìn)的過程中不可能是一帆風(fēng)順的，很可能在過程中遇到各式各樣的障礙，這就需要有一個探測障礙物的傳感器來保證機(jī)器人的前進(jìn)過程不受阻。紅外線傳感器能在機(jī)器人前進(jìn)的過程中檢測其測量范圍內(nèi)是否存在障礙物，它是一種非接觸式的測障開關(guān)，其原理與雷達(dá)相似，發(fā)射紅外線，遇到障礙物會被反射回來，這時傳感器就認(rèn)為發(fā)現(xiàn)了障礙物。測障過程圖如4-5所示。 運用紅外測障傳感器的優(yōu)點在于其成本較低，電路簡單，檢測范圍大，并

9、且如果在電路中加上一個電位器可以隨時調(diào)節(jié)傳感器的檢測范圍，控制起來更靈活也更好看，但是其缺點便事多個紅外傳感器之間容易互相干擾。否獲取傳感器信息黑線上是否有障礙物是右轉(zhuǎn)前進(jìn)10cm左轉(zhuǎn)前進(jìn)5cm后左轉(zhuǎn)前進(jìn)10cm并檢測黑線繼續(xù)前進(jìn)圖4-5 測障流程圖 反射式光電傳感器的光源有多種，常用的有紅外發(fā)光二極管，普通發(fā)光二極管，以及激光二極管，前兩種光源容易受到外界光源的干擾，而激光二極管發(fā)出的光的頻率較集中，傳感器只接收很窄的頻率范圍信號，不容易被干擾但價格較貴。理論上光電傳感器只要位于被測區(qū)域反射表面可受到光源照射同時又能被接收管接收到的范圍就能進(jìn)行檢測，然而這是一種理想的結(jié)果。因為光的反射受到多

10、種因素的影響，如反射表面的形狀、顏色、光潔度，日光、日光燈照射等不確定因素。如果直接用發(fā)射和接收管進(jìn)行測量將因為干擾產(chǎn)生錯誤信號，采用對反射光強(qiáng)進(jìn)行測量的方法可以提高系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性。紅外反射光強(qiáng)法的測量原理是將發(fā)射信號經(jīng)調(diào)制后送紅外管發(fā)射，光敏管接收調(diào)制的紅外信號，原理如圖4-6所示。圖4-6 紅外發(fā)射接受原理 4.3驅(qū)動部分設(shè)計考慮到機(jī)器人必須能夠前進(jìn)、倒退、停止，并能靈活轉(zhuǎn)向，在左右兩輪各裝一個電機(jī)分別進(jìn)行驅(qū)動。當(dāng)左輪電機(jī)轉(zhuǎn)速高于右輪電機(jī)轉(zhuǎn)速時小車向右轉(zhuǎn)，反之則向左轉(zhuǎn)。為了能控制車輪的轉(zhuǎn)速，可以采取pwm調(diào)速法，即由單片機(jī)的iob8、iob9輸出一系列頻率固定的方波，再通過功率放大來

11、驅(qū)動電機(jī)，在單片機(jī)中編程改變輸出方波的占空比就可以改變加到電機(jī)上的平均電壓，從而可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。左右輪兩個電機(jī)轉(zhuǎn)速的配合就可以實現(xiàn)小車的前進(jìn)、倒退、轉(zhuǎn)彎等功能。4.3.1驅(qū)動電機(jī)的選擇由于系統(tǒng)為智能的循跡機(jī)器人，對于其驅(qū)動輪的驅(qū)動電機(jī)的選擇就顯得十分重要。為了要實現(xiàn)對路徑的準(zhǔn)確定位和精確測量，我們綜合考慮了一下兩種方案：方案1：采用步進(jìn)電機(jī)作為該系統(tǒng)的驅(qū)動電機(jī)。由于其轉(zhuǎn)過的角度可以精確的定位，可以實現(xiàn)小車前進(jìn)路程和位置的精確定位。雖然采用步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩較低，隨轉(zhuǎn)速的升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時會急劇下降，其轉(zhuǎn)速較低，不適用于有一定速度要求的系統(tǒng)。經(jīng)綜合比較考慮，我們放棄了此方案。方案2：

12、采用直流減速電機(jī)。直流減速電機(jī)轉(zhuǎn)動力矩大，體積小，重量輕，裝配簡單，使用方便。由于其內(nèi)部由高速電動機(jī)提供原始動力，帶動變速（減速）齒輪組，可以產(chǎn)生較大扭力。電機(jī)的驅(qū)動電路如圖4-7所示。圖4-7電機(jī)驅(qū)動電路4.3.2直流電機(jī)驅(qū)動輸入或輸出為直流電能的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，稱為直流電機(jī)，它是能實現(xiàn)直流電能和機(jī)械能互相轉(zhuǎn)換的電機(jī)。其驅(qū)動電機(jī)的流程見圖4-8.邏輯信號轉(zhuǎn)換光耦隔離h橋驅(qū)動電機(jī)圖4-8 電機(jī)驅(qū)動流程4.3.3直流電機(jī)的特性 圖4-5直流電動機(jī)的機(jī)械特性 圖4-6 pmw脈沖寬度調(diào)制示意圖（1）額定功率：是指軸上輸出的機(jī)械功率，單位為kw。（2）額定電壓：安全工作的最大外加電壓或輸出電壓，單位為v(

13、伏)。（3）額定電流：允許流過的最大電流，單位為a(安)。（4）額定轉(zhuǎn)速：額定轉(zhuǎn)速是指電機(jī)在額定電壓、額定電流和輸出額定功率的情況下運行時，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，單位為rpm(轉(zhuǎn)/分)。4.3.4h橋驅(qū)動原理圖4-9 h橋原理圖h橋原理簡述 ：所謂 h 橋驅(qū)動電路是為了直流電機(jī)而設(shè)計的一種常見電路，它主要實現(xiàn)直流電機(jī)的正反向驅(qū)動，其典型電路形式如上圖4-9. 其工作過程如下：當(dāng)開關(guān) a、d接通，電機(jī)為正向轉(zhuǎn)動；當(dāng)開關(guān)b、c接通時，直流電機(jī)將反向轉(zhuǎn)動；當(dāng)將b 、d開關(guān)（或a、c）接通，則電機(jī)慣性轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的電勢將被短路，形成阻礙運動的反電勢，形成“剎車”作用當(dāng)4個開關(guān)全部斷開，則電機(jī)產(chǎn)生的電勢將無法形成

14、電路，從而也就不會產(chǎn)生阻礙運動的反電勢，電機(jī)將慣性轉(zhuǎn)動較長時間，這叫電機(jī)的惰行。在驅(qū)動電機(jī)時，保證h橋兩個同側(cè)的三極管不會同時導(dǎo)通是非常重要的。如果同側(cè)的三極管同時導(dǎo)通，那么電流就會從正極通過兩個三極管直接回到負(fù)極，此時，容易發(fā)生燒壞三極管的現(xiàn)象，因此在實際電路中通常要用硬件電路控制三極管的通斷。4.3.5直流電源穩(wěn)壓上圖是為整個電路提供穩(wěn)定的直流電源，穩(wěn)壓后給單片機(jī)系統(tǒng)和其他系統(tǒng)供電。5 機(jī)器人的軟件設(shè)計智能尋跡機(jī)器人采用現(xiàn)在較為流行的8位單片機(jī)作為系統(tǒng)大腦。以8051系列家族中的at89s51/at89s52為主芯片。40腳的dip封裝使它擁有32個完全io(gpio通用輸入輸出)端口，通

15、過對這些端口加以信號輸入電路，控制電路，執(zhí)行電路共同完成尋跡機(jī)器人。傳感系統(tǒng)傳感器作為循線小車的眼睛，起著將外界環(huán)境的信息讀取給單片機(jī)的作用。紅外傳感器能把被測物體的紅外線反射能量很好地轉(zhuǎn)換成電信號，并將電信號傳輸給單片機(jī)，因此循線的探測任務(wù)我們就交給了紅外傳感器。紅外傳感器傳達(dá)的信息通過運算放大器輸入單片機(jī)，由單片機(jī)根據(jù)讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷并輸出相應(yīng)的結(jié)果控制小車的行走，由單片機(jī)的i/o口輸出高低電平控制其電機(jī)轉(zhuǎn)動方向，其速度控制則有單片機(jī)輸出的pwm波控制。 否獲取傳感器信息黑線上是否有障礙物是右轉(zhuǎn)前進(jìn)10cm左轉(zhuǎn)前進(jìn)5cm后左轉(zhuǎn)前進(jìn)10cm并檢測黑線繼續(xù)前進(jìn)圖5-1 蔽障軟件流程圖 如上圖

16、5-1所示為循跡機(jī)器人在行進(jìn)過程中躲避障礙物的軟件流程圖，清楚的表示出了機(jī)器人是如何蔽障的。這部分的信息來源是通過紅外傳感器檢測而來的，當(dāng)檢測到在行動的黑線上有障礙物時，傳感器將信息發(fā)送到單片機(jī)控制中心，驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)向，經(jīng)過一系列的處理之后，機(jī)器人便能運動到規(guī)定的軌道上去。 既然有蔽障的軟件流程，那么在進(jìn)行蔽障之前，肯定要先使機(jī)器人能沿著預(yù)定的黑線運動，完成從a點到b點的往返運動，這就要不斷的檢測黑線位置，防止機(jī)器人偏離預(yù)定的軌道運行，這樣的一個不斷循環(huán)的過程如圖5-2所示，清晰地表明了機(jī)器人單片機(jī)核心部分的工作順序。否自動循跡程序是否檢測到黑線左轉(zhuǎn)是右轉(zhuǎn)前進(jìn)探測黑線判斷處理程序5-2 軌跡運行

17、流程圖 單片機(jī)與外部傳感器之間采集到的信息經(jīng)過信息處理電路處理之后要進(jìn)入單片機(jī)還需要有串口與之相連，這就需要在外部器件和單片機(jī)之間放置一個串口，以便信息傳遞的快速準(zhǔn)確性，而機(jī)器人也可以通過軟件編程實現(xiàn)相關(guān)動作連續(xù)不間斷實現(xiàn)，這在僅是硬件設(shè)備中是一個明顯的提升，下圖5-3便是外部與串口的鏈接圖。圖5-3 串口連接圖6 元器件清單序號元件名稱規(guī)格及用途數(shù)量1電源5v102電阻133發(fā)光二極管4148 44整流二極管1n400185電機(jī)26單片機(jī)8051系列17電容48接地149三端集成穩(wěn)壓器lm2940110晶振12m111比較器512開關(guān)2小結(jié)通過本次的循跡機(jī)器人課程設(shè)計,讓我對機(jī)器人和傳感器這

18、兩門學(xué)科有了更好的掌握與理解。與次同時，通過此次的課程設(shè)計也讓我充分地認(rèn)識到了我在學(xué)習(xí)這門課程中存在的不足之處。當(dāng)剛拿到機(jī)器人課設(shè)的題目時，我頭腦里是一片茫然啊，這個循跡機(jī)器人應(yīng)該從哪里著手開始做呢，但是，經(jīng)過老師對我們的設(shè)計思路講解之后，就知道應(yīng)該怎么逐次實現(xiàn)機(jī)器人的循跡功能了。在整個的設(shè)計過程中，我需要做的就是循跡機(jī)器人的硬件電路設(shè)計，既要能檢測到路線和障礙物，還能對障礙進(jìn)行躲避和不斷變換的路線進(jìn)行跟蹤跟隨，最終到達(dá)目的地。 通過這次的課程設(shè)計讓我學(xué)到了很多平時課上學(xué)不到的東西，讓我知道了哪些方面是自己的薄弱環(huán)節(jié)，自己需要在哪些方面下一些功夫。更重要的是通過這次的設(shè)計我對電路的設(shè)計更加熟練

19、了，也能更加快速的看懂電路各部分的作用，也知道了該如何去利用圖書館和網(wǎng)絡(luò)上的資源，這對我們以后的課程設(shè)計和學(xué)習(xí)是有很大幫助的?？傊n程設(shè)計對我們的幫助是非常大的，在提高我們的動手能力和開發(fā)邏輯思維之余也能在一定的程度上激發(fā)我們對機(jī)器人和傳感器的學(xué)習(xí)興趣，讓我們的學(xué)習(xí)從單一的理論升華到實踐的高度。 很慶幸能有這樣一次課設(shè)的機(jī)會，讓我學(xué)嘗試了理論與實際的結(jié)合，讓我學(xué)到了很多知識，讓我認(rèn)識到了自己的不足，知道光是掌握了理論知識并不代表什么，必須還要與實際結(jié)合才能更好的理解這些知道，使之掌握得更牢靠。在以后的學(xué)習(xí)生涯中我會不斷的完善自己，用更多知識來豐富和充實自己，為自己以后的人生道路打下堅實的基礎(chǔ)！

20、致謝短短一周的機(jī)器人課程設(shè)計就這樣結(jié)束了，很感謝祝老師在這一周里給我?guī)淼膸椭椭笇?dǎo)。還要感謝在這一周時間里與我共同討論和交流的同學(xué)，感謝他們的細(xì)心指導(dǎo)和他們提出的疑點。祝老師在硬件方面很厲害，因為他本來就是我們機(jī)器人和傳感器這兩門科目的老師，在遇到很多跟電路設(shè)計相關(guān)的知識的時候，必然會有很多請教祝老師的時候，只要遇到這些問題就可以找他，老師肯定會盡責(zé)為我們講解，并且老師還會就我們提出的問題給我們引申出挺多在設(shè)計的時候應(yīng)該注意的事項、細(xì)節(jié)。還要感謝為我提供課設(shè)資料的學(xué)校圖書館，圖書館的大量書籍為我提供了廣闊的資源，讓我熟悉掌握了各種傳感器的工作原理、大部分機(jī)器人應(yīng)采用的驅(qū)動傳動裝置以及控制源等相關(guān)信息，這些信息都是對我的課程設(shè)計非常重要的，能讓