畢業(yè)論文光電導(dǎo)引自主式搬運機器人設(shè)計

1、 2015 屆畢業(yè)設(shè)計（論文）題 目：光電導(dǎo)引自主式搬運機器人設(shè)計專 業(yè)：測控技術(shù)與儀器班 級： 測控1101姓 名： 指導(dǎo)老師：起訖日期：年 月摘 要機器人是一種復(fù)雜的智能機械，包含了電子、機械、傳感器、計算機、仿生學、控制技術(shù)、人工智能等學科。目前已成為世界各國的研究熱點之一，是衡量一國工業(yè)化水平的重要標志。智能移動機器人是一個集環(huán)境感知、動態(tài)規(guī)劃與決策、運動行為控制與執(zhí)行等多種功能與一體的綜合系統(tǒng)，可以說它是機器人的一個重要的分支。本文主要介紹了一種基于光電傳感的移動搬運機器人的設(shè)計與實現(xiàn)。該機器人系統(tǒng)選用stm32f103zet6單片機作為微控制器，采用七路灰度傳感器循跡，三路舵機控制

2、的機械爪，一個紅外光電開關(guān)測距，一個觸碰開關(guān)，四個電機驅(qū)動機器人直線行駛，轉(zhuǎn)彎。整個機器人系統(tǒng)涉及機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計，灰度傳感器信號采集處理，機械爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計，循跡算法和策略優(yōu)化等方面。經(jīng)過多次調(diào)試，比較各種方案的優(yōu)劣，不斷改進和升級，確定了現(xiàn)在的方案?，F(xiàn)在該機器人系統(tǒng)能夠完整完成自主導(dǎo)航及搬運的任務(wù)，達到了實驗預(yù)期目的。關(guān)鍵詞：光電傳感器，搬運機器人，自主導(dǎo)航，循跡ABSTRACTRobotics is a combination of mechanical, electronic, computer, sensors, control technology, artificial intell

3、igence, bionics and other disciplines of complex intelligent machinery, has become one of the hot spots around the world, as a measure of a country's level of industrialization important symbol.Intelligent mobile robot is an important branch of the robot, is a versatile integrated system human-c

4、omputer interaction, situational awareness, planning and decision-making, such as a set of motion control.This paper describes the design and implementation of mobile robot based handling of photoelectric sensors. The robot system selected stm32f103zet6 microcontroller as microcontrollers, sensors t

5、racking the use of seven road gray, three-way servo-controlled mechanical claw, an infrared photoelectric switches ranging, a touch switch, four motor-driven robot straight, turning . Entire robot system involving body structure design, gray sensor signal acquisition and processing, structural desig

6、n of mechanical claw, control algorithms and strategies to optimize other aspects. After several rounds of testing, comparing the pros and cons of various options, continuous improvement and upgrading, determine the current program.The robot system can now complete the task of autonomous navigation

7、and transportation, to achieve the intended purpose of the experiment.Keywords: photoelectric sensors, handling robots, autonomous navigation, tracking摘要IIABSTRACTIII第一章 緒論11.1 自主式搬運機器人概述11.2 發(fā)展歷史與研究現(xiàn)狀11.2.1 國外發(fā)展11.2.2 國內(nèi)發(fā)展21.3 課題研究意義21.4 課題研究內(nèi)容2第二章 機器人總體設(shè)計42.1 設(shè)計目標42.2 導(dǎo)航方式52.3 機械手62.3.1 機械手功能62.3.

8、2 機械手驅(qū)動方式62.4 小車驅(qū)動方式82.5 電源選擇92.6 微控制器選擇102.7 測距抓取102.8 機器人整體框圖10第三章 硬件電路設(shè)計123.1 微控制器123.2 程序下載123.3 電源模塊133.3.1 穩(wěn)壓芯片133.3.2 穩(wěn)壓電路133.4 驅(qū)動模塊143.4.1 電機驅(qū)動模塊選擇143.4.2 電機驅(qū)動電路設(shè)計153.5 灰度檢測模塊173.6 舵機控制電路183.7 碰撞開關(guān)193.8 紅外光電開關(guān)19第四章 軟件設(shè)計204.1 小車運動控制算法204.2 機械臂控制算法254.3 搬運機器人關(guān)鍵函數(shù)264.4 軟件開發(fā)平臺27第五章 實地調(diào)試295.1 基于紅

9、外傳感器的循跡方案試驗295.2 基于高亮LED的循跡方案試驗295.3 車速及轉(zhuǎn)彎調(diào)試305.3.1 車速調(diào)試305.3.2 轉(zhuǎn)彎調(diào)試31第六章 總結(jié)與展望326.1 創(chuàng)新與可取點326.2 不足和改進32參考文獻34致謝36第一章 緒論1.1 自主式搬運機器人概述移動機器人是能夠感知環(huán)境做出相應(yīng)行為控制并執(zhí)行的系統(tǒng)，是機器人學的重要組成部分。由于移動機器人的智能性和對環(huán)境的適應(yīng)性，越來越多的移動機器人被運用于醫(yī)療服務(wù)、宇宙探測、軍事及深海偵察等領(lǐng)域。二十世紀六十年代斯坦福大學研制的一款自主移動機器人SHAKEY拉開了移動機器人研究序幕。 70年代末，計算機和傳感器技術(shù)的發(fā)展將移動機器人的研

10、究帶向新的高度。別是在80年代中期，全世界刮起了一股機器人的浪潮，許多公司開始研制用于大學實驗室和研究機構(gòu)的機器人實驗平臺，機器人研究開始向多領(lǐng)域發(fā)展。90年代以來，以研制高水平的環(huán)境信息傳感器和信息處理技術(shù)，高適應(yīng)性的移動機器人控制技術(shù)， 真實環(huán)境下的規(guī)劃技術(shù)為標志，開展了移動機器人更高層次的研究。1.2 發(fā)展歷史與研究現(xiàn)狀1.2.1 國外發(fā)展20世紀60年代美國斯坦福大學研制了第一款自主移動機器人Shakey，這款機器人可以在不同環(huán)境下識別路徑，做出推理并控制移動功能。 70年代，傳感器和計算機技術(shù)開始運用到移動機器人領(lǐng)域，帶動了移動機器人的發(fā)展。比如前蘇聯(lián)研制的用于月球探測的輪式機器人L

11、unokhod；美國斯坦福大學研制的Stanford Cart移動機器人能通過自身視覺傳感器來識別軌線；法國圖盧茲LAAS實驗室研制了配有激光測距儀、超聲波傳感器等傳感設(shè)備的Hilare輪式移動機器。70年代末80年代中期，許多大學和研究機構(gòu)從事移動機器人平臺的研究，促進了移動機器人的多方向發(fā)展。 進入90年代后，隨著科技進步，移動機器人開始向智能化發(fā)展。如CMU的Navlab系列移動機器人系統(tǒng)；德國Vamors-P和Caravelle系統(tǒng)；由日本本田公司研制的P系列和ASIMO人型機器人；日本索尼的SDR-3X人型機器人和AIBO娛樂型機器人等，展示了移動機器人各方面的先進成果10。 國內(nèi)發(fā)

12、展我國移動機器人研究開始于八五期間。雖然起步較晚，但是發(fā)展迅速。在863計劃的支持下，機器人研究的各領(lǐng)域都取得了顯著成績。比較著名的有清華大學的移動護理機器人，它具有七自由度；香港城市大學研制的自動導(dǎo)航車和服務(wù)機器人；中科院自動化所通過研究，開發(fā)了具有全方位視覺導(dǎo)航系統(tǒng)的移動機器人；上海交通大學設(shè)計的移動機器人 “小蜘蛛”，它具有輪式結(jié)構(gòu)可以用于登月研究。1.3 課題研究意義本選題主要研究移動搬運機器人的設(shè)計與實現(xiàn)。搬運機器人具有智能性，它可以按照人類設(shè)計好的路線搬運貨物。資料顯示：在工廠生產(chǎn)過程中，只有5%的時間是用來生產(chǎn)產(chǎn)品，產(chǎn)品的裝卸、運輸卻要占用95%的時間。有研究顯示在美國，直接生產(chǎn)

13、成本只占總成本的10%，40%成本要用于產(chǎn)品的存儲、運輸。所以現(xiàn)代企業(yè)生產(chǎn)應(yīng)該把優(yōu)化物流結(jié)構(gòu)、降低物流費用作為企業(yè)的核心競爭力之一。移動搬運機器人運用于企業(yè)生產(chǎn)，不僅能提高效率，實現(xiàn)物流的集成化和自動化，而且把人從危險、惡劣、繁重的工作環(huán)境下解放出來，顯示出極大的優(yōu)越性。因此對自主搬運機器人的研究對現(xiàn)代工業(yè)的產(chǎn)生深遠影響，具有實用價值。同時本課題開發(fā)的機器人系統(tǒng)適應(yīng)于一般競賽機器人要求，在其基礎(chǔ)上可以擴展更多功能，滿足更多需求。1.4 課題研究內(nèi)容本文在全國大學生機器人大賽的基礎(chǔ)上設(shè)計了一款以光電導(dǎo)引方式循跡的搬運機器人。具體研究內(nèi)容如下： 機器人整體機械結(jié)構(gòu)設(shè)計。包括小車的大小，機械爪的結(jié)構(gòu)

14、，電池的安裝等。 機器人硬件電路設(shè)計。包括單片機的選取，電源模塊、驅(qū)動模塊、灰度檢測模塊等模塊的設(shè)計。 機器人軟件設(shè)計。包括整個系統(tǒng)的軟件開發(fā)平臺，機器人運動控制、機械爪舵機控制算法的設(shè)計，信號數(shù)據(jù)的采集與處理等。 機器人調(diào)試。包括場地的鋪設(shè)，不斷讓機器人在現(xiàn)場調(diào)試，觀察數(shù)據(jù)，修改參數(shù)最終獲得最佳狀態(tài)。第二章 機器人總體設(shè)計2.1 設(shè)計目標本課題旨在完成一個小型的光電導(dǎo)引式自主搬運機器人的設(shè)計，并能夠自主完整的完成以下規(guī)定動作：（1）機器人查病房；（2）機器人為病人端茶水。（1）機器人查病房。從起點出發(fā)，機器人沿著白線循跡，到達指定甲、乙兩處，并且機器人輕觸甲、乙兩處的擋板即可。（2）機器人為

15、病人端茶水。機器人模擬人手抓住杯子，將S1處的杯子放到指定地點1，將S2處的杯子放到指定地點2，然后回到起點。場景示意圖如下：圖2.1場地示意圖2.2 導(dǎo)航方式移動機器人能夠?qū)崿F(xiàn)自主行駛，最重要的技術(shù)就是導(dǎo)航和導(dǎo)引，沒有可靠的導(dǎo)航系統(tǒng)就無法實現(xiàn)移動機器人的最初目的，所以對移動機器人的研究很大程度上是對導(dǎo)航技術(shù)的研究。隨著科學技術(shù)發(fā)展，為了讓移動機器人適應(yīng)不同工作環(huán)境開發(fā)了各種導(dǎo)航技術(shù)，目前的導(dǎo)航/導(dǎo)引技術(shù)主要有以下幾種：慣性導(dǎo)航慣性導(dǎo)航是利用慣性元件來測量運載體的加速度進而計算出位置和速度，達到機器人導(dǎo)航目的。這種方法運用到了牛頓慣性運動定律。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的缺點是誤差會隨著時間漂移而增長，因此

16、不適合于長時間準確定位。（18）電磁導(dǎo)航電磁導(dǎo)航是讓一定頻率電流流過電纜，產(chǎn)生磁場信號，機器人上安裝的傳感器檢測磁場信號，并判斷路徑。這種方法的優(yōu)點是原理簡單，聲光對其無干擾，缺點路徑改變麻煩，鋪設(shè)電纜工作量大，維護困難。激光導(dǎo)航 該方法需要在移動機器人身上安裝激光發(fā)射器，激光發(fā)射器發(fā)射激光，激光反射并被接收，通過計算發(fā)射光束與反射光束之間的信息可以對移動機器人進行位置導(dǎo)引。這種方法的優(yōu)點是定位精確，缺點是算法復(fù)雜。光學反射導(dǎo)引在深色地面鋪設(shè)淺色條帶或者在淺色地面鋪設(shè)深色條帶，移動機器人攜帶的光學發(fā)射元件對路面進行照射，光學信號被反射或吸收以此來判斷機器人和條帶的相對位置。這種方法操作簡單，但

17、是容易受外界光線影響。（29）視覺導(dǎo)航 通常采用CCD敏感元件拍攝路面信息，運用相關(guān)視覺技術(shù)識別路徑。移動機器人利用視覺技術(shù)導(dǎo)航具有很大的發(fā)展前景，是未來移動機器人導(dǎo)航的發(fā)展趨勢。超聲波導(dǎo)航 超聲波導(dǎo)航是利用超聲波傳感器發(fā)射超聲波遇到物體反射進行定位。這種方法原理簡單，硬件陳本低，缺點是當超聲波束與檢測物體表面不垂直或者物體距離太遠時檢測結(jié)果不夠準確。通過對以上導(dǎo)航方式的優(yōu)劣進行對比，并考慮到實際操作需要，我選擇了光學反射導(dǎo)引的方式循跡。2.3 機械手在工業(yè)生產(chǎn)中，機器人已經(jīng)逐漸被運用各個領(lǐng)域成為重要的生產(chǎn)力。大多數(shù)工業(yè)機器人都需要有自己的機械手作為執(zhí)行機構(gòu)，結(jié)構(gòu)合理的機械手可以大大提高機器人

18、的工作效率，所以對機械手功能和結(jié)夠的研究就很有現(xiàn)實意義。 機械手功能機器人手爪功能是當機器人收到抓取物件信號，按指定路徑抓放物件的能力。為了完成這一系列動作，機械手應(yīng)具備一定運動范圍、物件定位、適當夾緊力等功能。 機械手驅(qū)動方式機器人手爪按照驅(qū)動源的方式可以分為電機、液壓、氣動、形狀記憶記憶合金等，機器人靈巧手傳動系統(tǒng)把驅(qū)動器產(chǎn)生的運動和力以一定的方式傳遞到手指關(guān)節(jié)，從而使關(guān)節(jié)做相應(yīng)的運動。機械手的驅(qū)動和傳動方式可以分為以下幾種類型：腱傳動方式第一類是由腱，一般是繩索、鋼絲繩之類配上滑輪。其特點是能實現(xiàn)多自由度遠距離傳輸，但是由于摩擦和腱的布局產(chǎn)生的力矩耦合等，手爪的抓取控制變得復(fù)雜。連桿傳動

19、方式利用各種連桿結(jié)構(gòu)傳動，其優(yōu)點是動力大，結(jié)構(gòu)牢固，能抓取很重的物體，但是需要用到動力學設(shè)計復(fù)雜。人工肌肉驅(qū)動方式近年來產(chǎn)生一種驅(qū)動方式是模擬人肌肉工作方式，比較典型的是氣動的驅(qū)動方式和液壓驅(qū)動，但是這種技術(shù)還不夠成熟，還遠遠無法達到和人類肌肉一樣工作的高度。形狀記憶合金驅(qū)動方式還有一種方式是利用某些合金的記憶效應(yīng)進行驅(qū)動，這種驅(qū)動方式負載能力強，但是不夠靈活，容易產(chǎn)生衰耗。欠驅(qū)動方式空間機器人研究的一個課題是欠驅(qū)動手爪。通過欠驅(qū)動手指機構(gòu)、 機械限位和彈簧實現(xiàn)無動力關(guān)節(jié)對被抓取形狀的被動自適應(yīng)，具有驅(qū)動元件少，抓取范圍廣泛、控制簡單、出力大、負載能力好等特點。由于其他幾種方式機械手結(jié)構(gòu)較復(fù)雜

20、，且價格較高，本設(shè)計采用舵機配合機械手臂實現(xiàn)抓取物體。一個舵機一般包括控制電路、傳感器、直流電機和減速齒輪組四部分，輸出不同信號則舵機旋轉(zhuǎn)不同角度。本設(shè)計選用舵機如下圖：圖2.2 MG996R舵機 舵機參數(shù)如下：工作電壓產(chǎn)品拉力12kg/cm(6V)反應(yīng)速度0.17sec/60度(4.8V無負載)0.14sec/60度（6V無負載）工作溫度0-55齒輪形式金屬齒輪接線定義黃信號 紅正極 褐負極本設(shè)計采用的是金屬對稱抓取機械手，實物圖如圖2.3所示。機械手長161.8mm，寬72mm，由一只舵機驅(qū)動，通過舵機的轉(zhuǎn)動可以實現(xiàn)機械手的張開與閉合，能穩(wěn)定的抓取大型圓球，圓柱體。圖2.3 機械手2.4

21、小車驅(qū)動方式移動機器人要想完成移動、搬運的功能必須要有運動控制系統(tǒng)，一個完善、高效的運動控制系統(tǒng)能夠讓機器人完整、穩(wěn)定的行駛。本文研究的機器人主體類似于小型智能車，小車按照驅(qū)動方式可以分為單輪驅(qū)動、差速驅(qū)動和全方位驅(qū)動。三輪式小車是單輪驅(qū)動小車最常見的形式，小車的驅(qū)動輪和轉(zhuǎn)向輪都是前輪，兩個后輪起從動作用。差速驅(qū)動小車,采用兩個或四個航輪,分置在車體四周增加小車的穩(wěn)定性,當每組航輪轉(zhuǎn)速不同時執(zhí)行車體轉(zhuǎn)向動作,當速度相同時,車體執(zhí)行直線行動或原地旋轉(zhuǎn)。全方位小車安裝有三個獨立的驅(qū)動轉(zhuǎn)向組合輪,能夠朝任意方向行駛而不改變車體姿態(tài)?？紤]到小車必須要能支撐起機械臂和整個硬件系統(tǒng)，所以小車應(yīng)該是三輪或者

22、四輪形式，由于三輪小車只有后面兩輪是驅(qū)動輪動力不足，所以最終采用四輪的結(jié)構(gòu)，并且是四輪差速驅(qū)動方式，通過調(diào)節(jié)左右兩組航輪的速度可以做到直線行動和轉(zhuǎn)彎。這種結(jié)構(gòu)承載能力強，易于控制，調(diào)速能力優(yōu)良。四輪構(gòu)型如下圖：圖2.4 四輪構(gòu)型2.5 電源選擇機器人驅(qū)動需要有電池供電。普通干電池價格便宜，但是放電快，只能使用一次不符合循環(huán)使用的要求，因此決定采用充電電池，充電電池分為鋰電池和鎳氫電池，鎳氫電池高容量，大電流，可循環(huán)使用，且價格更便宜，所以使用鎳氫充電電池。我使用的是VB品牌的鎳氫電池，電壓7.2V，容量3600毫安，電池規(guī)格23mm，電池實物圖如圖2.5：圖2.5 鎳氫電池實物圖2.6 微控制

23、器選擇目前我們的課程學習了51系列單片機和stm32系列單片機，51單片機較簡單，控制方便但是速度、功能沒有stm32強大，搬運機器人涉及大量數(shù)據(jù)處理，所以單片機速度越快越好，而且stm32外圍接口豐富能滿足機器人的各種設(shè)計要求，為了將課堂學習的知識運用到實際，本設(shè)計選擇了增強型stm32單片機stm32f103zet6作為機器人的微控制器。2.7 測距抓取機器人搬運物體需要知道在什么地方停下抓取物體，所以機器人和物體之間的測距是必要的。本設(shè)計剛開始使用的方案是超聲波測距，圖2.6為超聲波傳感器。但是實際測試過程中發(fā)現(xiàn)超聲波測距精度不高，機器人不能到達正確位置抓取物體，所以拋棄此方案。我轉(zhuǎn)而采

24、用紅外測距，圖2.7為紅外光電開關(guān)，事實證明紅外測距具有探測距離遠，精度高的優(yōu)點，滿足設(shè)計要求。 圖2.6 超聲波傳感器 圖2.7 紅外光電開關(guān)2.8 機器人整體框圖搬運機器人整體結(jié)構(gòu)如圖2.8所示：圖2.8 機器人整體結(jié)構(gòu)組建好的搬運機器人硬件平臺如圖2.9所示：圖2.9 搬運機器人第三章 硬件電路設(shè)計3.1 微控制器MCU主控制器選用的是意法半導(dǎo)體公司出品的stm32f103zet6芯片，其內(nèi)核是Cortex-M3。該芯片是增強型的32位單片機，具有64KB SRAM、512KB FLASH、基本定時器和高級定時器各2個、通用定時器4個、3個SPI、2個IIC、5個串口、1個USB、1個C

25、AN、3個12位ADC、1個12位DAC、1個SDIO接口、1個FSMC接口以及112個通用IO口。其主要特點如下：a) 超低的價格。雖然是32位機卻只有8位機的價格。b) 72MHz的工作頻率，具有快捷強力的的數(shù)值運算和邏輯運算能力。c) 超多的外設(shè)。擁有包括FSMC、TIMER、SPI、USB、CAN、IIC、IIS、SDIO、ADC、DAC、RTC、DMA等眾多外設(shè)及功能，具有極高的集成度。d) 優(yōu)異的實時性能。84個中斷，16級可編程優(yōu)先級，并且所有的引腳都可以作為中斷輸入。e) 杰出的功耗控制。STM32擁有獨立時鐘開關(guān)控制各個外設(shè)，不需要的外設(shè)可以關(guān)閉相應(yīng)時鐘來降低功耗。f) 極低

26、的開發(fā)成本。STM32的開發(fā)不需要昂貴的仿真器，只需要一個串口即可下載代碼，并且支持SWD和JTAG兩種調(diào)試口。在本設(shè)計中采用stm32f103zet6正是利用了它的快速運算處理能力以及豐富的片上資源，從而有效、快速、準確地控制機器人運動。3.2 程序下載本設(shè)計下載程序使用德國SEGGER公司推出的Jlink仿真器，該仿真器配合IAR EWAR，ADS，KEIL，WINARM，RealView等集成開發(fā)環(huán)境支持所有ARM7/ARM9/ARM11,Cortex M0/M1/M3/M4,Cortex A4/A8/A9等內(nèi)核芯片的仿真適用于Keil、IAR等編譯環(huán)境，操作起來非常方便，學習也很簡單，

27、是很好的學習開發(fā)ARM的開發(fā)工具。3.3 電源模塊本設(shè)計采用兩塊7.2V、3600mah的鎳氫電池供電，由于系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜，各模塊供電要求不同，所以將電壓分為3.3V，5V，7.2V三個檔位。 穩(wěn)壓芯片由于STM系列芯片需要3.3V供電，供電電壓任何時刻都不能超過3.6V，否則會導(dǎo)致主芯片燒毀，采用低壓線差線性穩(wěn)壓器AMS1117-3.3提供3.3V電壓。灰度傳感器、紅外光電開關(guān)、觸碰開關(guān)、舵機都需要5V供電，如果還采用單片的線性穩(wěn)壓器件，當輸入輸出壓差較大時器件就會因電流過大而被擊穿，所以最后決定采用開關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片LM2596，該器件功耗很低，轉(zhuǎn)換效率可達75%88%。 穩(wěn)壓電路輸入5V電

28、壓，通過AMS1117-3.3穩(wěn)壓芯片轉(zhuǎn)換輸出3.3V電壓給單片機供電，其電路圖如圖3.0所示。圖3.0 3.3V穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓芯片LM2596輸出5V電壓供給各個模塊使用，其電路圖如圖3.1所示。圖3.1 LM2596穩(wěn)壓電路3.4 驅(qū)動模塊本設(shè)計采用直流減速電機為系統(tǒng)提供必須的的驅(qū)動力。單片機的I/O口能輸出的電流很小無法驅(qū)動電機這種大功率器件，通過添加驅(qū)動電路可以解決這一問題。 電機驅(qū)動模塊選擇有兩種方案可供考慮：方案1：設(shè)計由分離元件組成的驅(qū)動電路實現(xiàn)，但是設(shè)計反鎖，使用不便。方案2：采用專用的驅(qū)動芯片加以實現(xiàn)。由于專用的驅(qū)動芯片結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、價格便宜，所以決定采用方案2。設(shè)計選擇

29、L298N專用芯片驅(qū)動電機。該芯片是ST公司生產(chǎn)的一種工作電壓高，輸出電流大的電機驅(qū)動芯片。其主要特點是：工作電壓高，最高工作電壓可達46V，輸出電流大，最大電流可達3A，持續(xù)工作電流為2A，內(nèi)部集成了兩個H橋，能同時驅(qū)動兩個電機。圖3.2為L298N電機驅(qū)動模塊。圖3.2 L298N電機驅(qū)動 電機驅(qū)動電路設(shè)計圖3.3為典型的H橋電路，H橋式電機驅(qū)動電路由四個三極管和一個電機組成。當對角線上的一對三極管導(dǎo)通時電機工作。電流流向隨不同三極管對導(dǎo)通而改變，以此來控制電機轉(zhuǎn)動的方向。圖3.3 H橋電路例如，如圖3.4所示，當三極管對Q1、Q4導(dǎo)通時，電流從電源正極經(jīng)過Q1，流過電機，最后經(jīng)過Q4流向

30、負極，電流流向是從左至右，驅(qū)動電機順時針旋轉(zhuǎn)；當三極管對Q2、Q3導(dǎo)通時，電流從電源正極經(jīng)過Q3，流過電機，最后經(jīng)過Q2流向負極，電流流向是從右至左，驅(qū)動電機逆時針旋轉(zhuǎn)。 圖3.4 電機正轉(zhuǎn) 圖3.5 電機反轉(zhuǎn)可以直接用單片機的I/O口給L298N提供控制信號。IN1、IN2和IN3、IN4分別接在兩組單片機引腳上控制邏輯信號，然后單片機輸出PWM來控制使能端ENA和ENB的占空比從而調(diào)整轉(zhuǎn)速，OUT1、OUT2和OUT3、OUT4分別接兩個電機輸出。L298N電機控制引腳功能表如圖3.6所示。直流電機旋轉(zhuǎn)方式IN1IN2IN3IN4調(diào)速PWM信號調(diào)速端A調(diào)速端BM1正轉(zhuǎn)高低/高/反轉(zhuǎn)低高/高

31、/停止低低/高/M2正轉(zhuǎn)/高低/高反轉(zhuǎn)/低高/高停止/低低/高圖3.6 L298N邏輯功能圖電機驅(qū)動模塊的電路圖如圖3.7所示，IN1、IN2、IN3、IN4直接接單片機引腳，單片機輸出兩路PWM給ENA和ENB端，VS引腳接電源電壓，電壓范圍為+2.546V，VSS引腳接5V電壓，引腳1和15接地。圖3.7 L298N電路圖3.5 灰度檢測模塊灰度傳感器包含高亮LED和光敏電阻兩部分。其基本電路是讓LED串聯(lián)一個限流電阻接在電源兩端，在電路中并聯(lián)的電阻起到分壓作用，LED是光源，光敏電阻阻值隨光照強度變化而變化。電路圖如圖3.8所示。地面顏色越深，吸收光線的能力越強，則光敏電阻接受到的反射光

32、越弱，光敏電阻值越大，灰度傳感器的輸出電壓也越大；反之，地面灰度淺，輸出電壓小。圖3.8 灰度檢測電路本設(shè)計選用的灰度傳感器實物圖如圖4.1所示，該模塊內(nèi)置AD轉(zhuǎn)換模塊，輸出方式為數(shù)字輸出，即1或0輸出，可以直接接單片機引腳根據(jù)電平高低判斷線路。3.6 舵機控制電路舵機連接到單片機的電路如圖3.9所示：圖3.9 舵機和單片機連接電路舵機有三條線，一條電源線，一條底線，一條信號線，由單片機產(chǎn)生周期為20ms，脈寬12ms的信號，通過PWM設(shè)置占空比改變脈寬從而改變舵機旋轉(zhuǎn)角度。舵機角度和脈寬的要求如圖4.0所示。圖4.0 舵機控制要求3.7 碰撞開關(guān)碰撞開關(guān)即微動開關(guān)，它具有很小間隔的接點機構(gòu)，

33、用一定的力可以連接接點完成開關(guān)動作。本設(shè)計利用車體前安裝的微動開關(guān)檢測觸碰病床并返回。下圖是碰撞開關(guān)原理結(jié)構(gòu)圖：圖4.1 碰撞開關(guān)原理結(jié)構(gòu)3.8 紅外光電開關(guān)紅外光電開關(guān)是一種光電傳感器，可以發(fā)射和接受光信號。檢測距離可以根據(jù)要求進行調(diào)節(jié)，本設(shè)計選用的傳感器工作電壓5V，長5cm，直徑17mm，有效距離3-80cm可調(diào)。具有探測距離遠、受可見光干擾小、價格便宜、易于裝配、使用方便等優(yōu)點，由于是數(shù)字輸出可以直接接單片機引腳，前方無障礙輸出高電平，有障礙輸出低電平。紅外光電開關(guān)與單片機連接圖如下：圖4.2 光電開關(guān)和單片機連接電路第四章 軟件設(shè)計4.1 小車運動控制算法搬運機器人是由車體和機械臂兩

34、部分組成。小車要循跡完整跑完賽道就需要有算法，依靠車體前方安裝的七路循跡傳感器和車體中間安裝的兩路循跡傳感器可以檢測道路信息并反饋給單片機，單片機對數(shù)據(jù)做出處理并控制小車行駛。(1)直線行駛只有傳感器3在白線上放,傳感器1、2、4、5都不在白線上當只有傳感器3引腳輸出低電平時，則傳感器3檢測到白線，此時傳感器分布如圖4.3所示，小車保持直線行駛。圖4.3 傳感器3在白線上只有傳感器2或1在白線上方當只有傳感器2或1引腳輸出低電平時，則傳感器2或1檢測到白線，此時傳感器分布如圖4.4、4.5所示，小車右偏，單片機控制左輪電機減速同時右輪電機加速，小車向左修正。 圖4.4 傳感器2在白線上 圖4.

35、5 傳感器1在白線上只有傳感器4或5在白線上方當只有傳感器4或5引腳輸出低電平時，則傳感器4或5檢測到白線，此時傳感器分布如圖4.6、4.7所示，小車左偏，單片機控制左輪電機加速右輪電機減速，小車向右修正。 圖4.6 傳感器4在白線上 圖4.7 傳感器5在白線上走直線的算法流程圖如圖4.8所示：圖4.8 走直線算法流程圖（2）十字路口和T型路口辨別當小車沿白線循跡時只有辨別出十字路口和T型路口才能做出正確判斷。十字路口傳感器1、2、4、5都輸出低電平，并且隔一段時間傳感器3也輸出低電平。如圖所示： 圖4.9 傳感器1、2、4、5在白線上 圖5.0 傳感器3在白線上T型路口傳感器1、2、4、5都

36、輸出低電平，但是隔一段時間傳感器3輸出高電平。如圖所示： 圖5.1 傳感器1、2、4、5都在白線上 圖5.2 傳感器3不在白線上（3）左轉(zhuǎn)路口和分叉路口分辨在小車實際行駛中會遇到兩條相似的道路如圖所示。所以要有算法分辨這兩種道路。 圖5.3 左轉(zhuǎn)路口 圖5.4 分叉路口左轉(zhuǎn)路口傳感器9和1輸出低電平，但是隔一段時間后傳感器3輸出高電平。如圖所示： 圖5.5 傳感器9和1在白線上 圖5.6 傳感器3不在白線上分叉路口傳感器9和1輸出低電平，過一段時間后傳感器3也輸出低電平。如圖所示： 圖5.7 傳感器9和1在白線上 圖5.8 傳感器3在白線上（4）右轉(zhuǎn)路口和分叉路口分辨在小車實際行駛中會遇到兩條

37、相似的道路如圖所示。所以要有算法分辨這兩種道路。 圖5.9 左轉(zhuǎn)路口 圖6.0 分叉路口右轉(zhuǎn)路口傳感器10和5輸出低電平，但是隔一段時間后傳感器3輸出高電平。如圖所示： 圖6.1 傳感器10和5在白線上 圖6.2 傳感器3不在白線上分叉路口傳感器10和5輸出低電平，并且隔一段時間后傳感器3也輸出低電平。如圖所示： 圖6.3 傳感器10和5在白線上 圖6.4 傳感器3在白線上4.2 機械臂控制算法搬運機器人的機械臂整體是由三個舵機和鋁質(zhì)支架組裝成的，具有三個自由度。通過單片機的定時器2的三個通道輸出三路PWM控制舵機的旋轉(zhuǎn)角度，車前的紅外光電開關(guān)用來檢測物體距離，相互配合從而完成抓住物體，搬運物

38、體，放下物體的整個過程。具體做法如下：首先對三個舵機初始化：TIM2_PWM_Init(199,7199); /定時器2產(chǎn)生20ms的周期信號TIM_SetCompare2(TIM2,8); /設(shè)置通道2占空比TIM_SetCompare3(TIM2,7); /設(shè)置通道3占空比TIM_SetCompare4(TIM2,10); / 設(shè)置通道4占空比 當光電開關(guān)第一次檢測到物體時輸出口電平會從高電平變成低電平，單片機接受到信號設(shè)置三個舵機的占空比完成抓住物體的過程：if(LED11=0) /紅外光電開關(guān)輸出低電平 num+; /計數(shù)num加一次 if(num=1) /第一次檢測到物體 TIM_S

39、etCompare2(TIM2,8); /設(shè)置通道2占空比 TIM_SetCompare3(TIM2,7); /設(shè)置通道3占空比 TIM_SetCompare4(TIM2,19); /設(shè)置通道4占空比 當光電開關(guān)第二次檢測到物體時輸出口電平會從高電平變成低電平，單片機接受到信號設(shè)置三個舵機的占空比完成放下物體的過程：if(LED11=0) /紅外光電開關(guān)輸出低電平 num+; /計數(shù)num加一次 if(num=2) /第二次檢測到物體 TIM_SetCompare4(TIM2,10); /設(shè)置通道4占空比 TIM_SetCompare3(TIM2,7); /設(shè)置通道3占空比 TIM_SetCo

40、mpare2(TIM2,8); /設(shè)置通道2占空比 搬運機器人要重復(fù)完成兩套這樣的抓物，放物過程，其算法同理。4.3 搬運機器人關(guān)鍵函數(shù)為方便軟件程序的編寫和可讀性，本設(shè)計所包含主要關(guān)鍵函數(shù)如下：void delay_init();函數(shù)說明：延時函數(shù)初始化。void LED_Init();函數(shù)說明：stm32f103zet6需要用到的引腳的配置void TIM3_PWM_Init(u16 arr,u16 psc) 函數(shù)說明：TIME3 PWM部分初始化，arr：自動重裝值；psc：時鐘預(yù)分頻數(shù)。該函數(shù)用來生成PWM控制電機轉(zhuǎn)動。void TIM2_PWM_Init(u16 arr,u16 ps

41、c)函數(shù)說明：TIME2 PWM部分初始化，arr：自動重裝值；psc：時鐘預(yù)分頻數(shù)。該函數(shù)用來生成PWM控制舵機轉(zhuǎn)動。void zheng(void)；函數(shù)說明：配置電機驅(qū)動的邏輯信號，使四個電機正轉(zhuǎn)。void left_f(void)；函數(shù)說明：配置電機驅(qū)動的邏輯信號，使左邊兩個電機反轉(zhuǎn)，右邊兩個電機正轉(zhuǎn)。void right_f(void)；函數(shù)說明：配置電機驅(qū)動的邏輯信號，使左邊兩個電機正轉(zhuǎn)，右邊兩個電機反轉(zhuǎn)。void fan(void)；函數(shù)說明：配置電機驅(qū)動的邏輯信號，使四個電機反轉(zhuǎn)。4.4 軟件開發(fā)平臺軟件開發(fā)平臺多種多樣，各有各的優(yōu)勢和特色，常見的如IAR，Keil，因為IAR

42、平臺沒有涉及過而學起來比較困難，Keil正是單片機教學使用的開發(fā)平臺，所以本設(shè)計采用Keil uVision5作為搬運機器人的軟件開發(fā)平臺。Keil uVision5是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，這款軟件的開發(fā)方案非常完整，包含了宏匯編、庫管理、C編譯器、連接器、仿真調(diào)試器等功能，這些功能被集成在一個開發(fā)環(huán)境中。開發(fā)界面如圖6.5所示：圖6.5 Keil操作界面第五章 實地調(diào)試5.1 基于紅外傳感器的循跡方案試驗設(shè)計剛開始采用紅外探測法，其原理是紅外光在不同顏色地面反射情況不同，當紅外光照射到淺色地面時，紅外光大部分被反射回來，接收管接收到紅外

43、光；當紅外光照射到深色地面時，紅外光大部分被吸收，接收管收不到紅外光。不斷向地面發(fā)射紅外光通過反射回來的紅外光接收情況可以判斷小車和軌跡的相對位置。使用的紅外傳感器如圖6.6所示：圖6.6 紅外傳感器模塊實際測試過程中發(fā)現(xiàn)這種紅外傳感器檢測距離短，道路參數(shù)檢測精度低，雖然能夠識別黑白線，但是對綠底白線的賽道識別度不高，特別容易受外界光線干擾，經(jīng)常判斷出錯跑出賽道。5.2 基于高亮LED的循跡方案試驗還有一種光電循跡方案是發(fā)光源采用高亮白色聚光LED，如圖6.7所示，接收管對不同反射光的強弱對比處理，只要對白光反射強弱不同即可，差值越大，分辨越好。實際測試發(fā)現(xiàn)該方案靈敏度高，能精確分辨綠白色，而

44、且抗干擾能力強，普通照明燈基本對其無影響。所以最后采用該方案循跡。圖6.7 高亮LED循跡模塊5.3 車速及轉(zhuǎn)彎調(diào)試 車速調(diào)試小車的車速是通過控制輸出給電機的PWM波形的占空比調(diào)節(jié)的。調(diào)試過種中發(fā)現(xiàn)由于小車整體結(jié)構(gòu)重心的問題小車車速過快容易偏離白線，為了減少偏差，經(jīng)過反復(fù)測試得到小車在不同路況下理想的占空比如表6.8所示。表6.8 不同路況占空比路況左輪占空比右輪占空比直線55%63%左轉(zhuǎn)81%78%右轉(zhuǎn)78%84%T型路口左轉(zhuǎn)81%78%T型路口右轉(zhuǎn)78%87%十字路口左轉(zhuǎn)82%78%十字路口右轉(zhuǎn)78%87% 轉(zhuǎn)彎調(diào)試四輪小車轉(zhuǎn)彎相比較兩輪車更加復(fù)雜，因為在四輪車在轉(zhuǎn)彎過程中要考慮到車子重心

45、、四個輪子的不同阻力等問題?，F(xiàn)有兩種方案：一是左轉(zhuǎn)彎時左邊車輪不轉(zhuǎn)，右邊車輪正轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)彎時右邊車輪不轉(zhuǎn)，左邊車輪正轉(zhuǎn)；第二種方案是左轉(zhuǎn)彎時左邊車輪反轉(zhuǎn)，右邊車輪正轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)彎時右邊車輪反轉(zhuǎn)，左邊車輪正轉(zhuǎn)。實際測試發(fā)現(xiàn)，第一種方案由于有半邊車輪不轉(zhuǎn)，電機動力不夠，經(jīng)常會發(fā)生車子轉(zhuǎn)不過彎甚至原地打滑的情況，相比較而言第二種方案能使小車轉(zhuǎn)彎時有足夠動力，而且減少與地面摩擦更好完成轉(zhuǎn)彎。所以最終采用方案二。機器人在賽道正常循跡如下圖：圖6.9 機器人循跡第六章 總結(jié)與展望6.1 創(chuàng)新與可取點本課題以第五屆江蘇省大學生機器人大賽為基礎(chǔ)，設(shè)計一款光電導(dǎo)引自主式搬運機器人，前期閱讀大量機器人相關(guān)資料文獻，了解

46、了機器人發(fā)展的相關(guān)技術(shù)。后期進行了搬運機器人的硬件和軟件設(shè)計并最終實現(xiàn)了目標。在具體實施過程中主要完成了以下工作：我根據(jù)比賽要求對機器人的整體結(jié)構(gòu)做出規(guī)劃設(shè)計，包括導(dǎo)航方式，小車驅(qū)動方式，電源，微控制器，機械手結(jié)構(gòu)的設(shè)計，最終確定小車搭載機械臂的整體方案，設(shè)計制作賽道，基于賽道完成測試。在硬件設(shè)計方面學習并靈活運用stm32單片機，研究了包括電源，電機驅(qū)動等模塊的電路和使用方法，并且將各個模塊搭建融合在一起組成了一個完整的系統(tǒng)，使之能相互配合工作。深入查閱學習機器人循跡各種方式和算法，在比較和總結(jié)后，拋棄了傳統(tǒng)的四路、五路循跡，而是采取了一種創(chuàng)新的方式即七路循跡，相比傳統(tǒng)循跡，這種循跡方式更加

47、精確穩(wěn)定?；谒O(shè)計的賽道不斷試跑測試，觀察機器人各種運動態(tài)勢并收集數(shù)據(jù)，修改參數(shù)最終達到最穩(wěn)定的狀態(tài)。6.2 不足和改進機器人是一個極其復(fù)雜的系統(tǒng)，由于第一次接觸這類搬運機器人，所以在硬件電路設(shè)計不盡合理，軟件方面也需優(yōu)化。主要的不足與日后改進如下：車體面積不大導(dǎo)致各個模塊安裝擁擠雜亂，不僅影響美觀而且重心不穩(wěn)定影響行駛。若要改進可以選用更大的車體；在測試過程中發(fā)現(xiàn)雖然是同型號的電機，但是在性能上還是有微小差異，這就需要不斷調(diào)速，但是本設(shè)計沒有速度檢測裝置，只能通過差速彌補的方式。若要改進可以安裝測速碼盤或編碼器檢測車速做到閉環(huán)控制，使機器人運動更加穩(wěn)定快速。軟件編寫沒有統(tǒng)一的規(guī)劃，看上去比

48、較雜亂，缺乏邏輯性，以后編寫程序可以先設(shè)計好思路，按模塊分部編寫再整合。參考文獻1 張明路,丁承君,段萍.移動機器人的研究現(xiàn)狀與趨勢J.河北工業(yè)大學學報,2004,33(2):110-1152 張輝. 非完整性移動機器人體系結(jié)構(gòu)設(shè)計與軌跡跟蹤控制研究D.湖南:湖南大學,2007:1-73 孟慶春.智能機器人及其發(fā)展J.中國海洋大學學報,2004,34(5):831-8384 陳建業(yè).移動機械臂動力學控制與基于視覺的物體抓取D.杭州:杭州電子科技大學,20105 譚民.機器人技術(shù)研究進展J.自動化學報,2013,39（7）:963-9726 魏全盛,丁莉英.移動機器人關(guān)鍵技術(shù)分析J.科技資訊,2

49、014,(9):25-267 王川.移動機器人導(dǎo)航中的路徑規(guī)劃與運動控制技術(shù)研究D.武漢:武漢科技大學,20098 李愛蓮,高策,梁惠明.移動機器人導(dǎo)航方法的分析與研究J.儀表技術(shù),2013,(5):42-449 劉承俊.一種基于視覺信息的自主搬運機器人J.科學技術(shù)與工程,2007,7（3）:314-31910 徐國保,尹欣怡,周美娟.移動機器人技術(shù)現(xiàn)狀及展望J.機器人技術(shù)與應(yīng)用,2007,(2):29-3411 駱敏舟,楊秀清,梅濤.機械人手爪的研究現(xiàn)狀與進展J.機器人技術(shù)與應(yīng)用.2008,(2):24-2512 李燦.智能移動機器人導(dǎo)航策略研究與實現(xiàn)D.浙江:浙江工業(yè)大學,201313 楊

50、奇.輪式機器人的實時障礙物識別和視覺導(dǎo)引D.沈陽:沈陽理工大學,201114 楊文亮.蘋果采摘機器人機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析D.鎮(zhèn)江:江蘇大學,200915 王志文.移動機器人導(dǎo)航技術(shù)現(xiàn)狀與展望J.機器人,2003,25(5):470-47416 何發(fā)昌.我國機械手和機器人J.吉林工業(yè)大學學報,1981,(1):135-13917 楊明,程磊,黃衛(wèi)華,吳斌華.基于光電管循跡的智能車舵機控制J.光電技術(shù)應(yīng)用,2007,(1):50-5318鄭吉,王學普.無刷直流電機控制技術(shù)綜述J.微特電機,2002,(3):11-1319莫宏偉,董會云.基于光電傳感器的移動機器人室內(nèi)定位J.2014,33(10):

51、33-3720賀龍豹.競賽用搬運機器人的設(shè)計與實現(xiàn)D.南京:南京財經(jīng)大學,201321李兆盈.裝卸車機械手的結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究D.河北:河北聯(lián)合大學,201322蔡公華,洪乃剛.一種智能車循跡算法的研究J.電子科技,2009,(6):10-1323賈翔宇,季厭庸,丁芳.前饋-改進PID算法在智能車控制上的應(yīng)用J.計算機與信息技術(shù),2008,(12):28-3024高月華.基于紅外光電傳感器的智能車自動循跡系統(tǒng)設(shè)計J.半導(dǎo)體光電,2009,(1):134-13725張敏杰,盧倩,崔治.轉(zhuǎn)彎差速在智能車上的應(yīng)用J.企業(yè)技術(shù)開發(fā),2011,(19):32-3326付國迎.機電一體化智能車電源總成的制作J.

52、電子制作,2009,(5):55-5727李珊珊.基于單片機的兩輪智能車設(shè)計D.南京:南京理工大學,201328陳軍,王軍強.基于MC33886智能車電機驅(qū)動電路設(shè)計J.洛陽師范學院學報,2012,(5):37-38+8329于娟.提高智能車速度的研究D.西安:電子科技大學,201030徐錦康,馬銀忠.小型5自由度關(guān)節(jié)式機器人J.南京工程學院學報,2004,（1）:27-31致謝時間流逝轉(zhuǎn)眼四年大學生活就要結(jié)束了，在論文即將完成之際我衷心的感謝那些在生活和學習上給予我?guī)椭娜?。首先感謝我的導(dǎo)師王鑫國老師，在制作畢業(yè)設(shè)計過程中他給予我資金和技術(shù)方面的支持，當我遇到問題時他總是耐心指導(dǎo)我，給我的方

53、案提出了很多有益的意見。在寫論文的過程中他也非常負責任的監(jiān)督我，幫助我修改論文，他淵博的學識和認真嚴謹?shù)墓ぷ鲬B(tài)度都使我印象深刻。我還要感謝和我一起做畢業(yè)設(shè)計的同學，當我們發(fā)現(xiàn)問題時會互相提醒、請教，正是這種良好積極的學習氛圍使我能更好的完成畢業(yè)設(shè)計。最后我想感謝我的家人，感謝他們四年來對我的關(guān)懷和鼓勵，正是他們的支持讓我能堅持不懈順利完成學業(yè)。您好，為你提供優(yōu)秀的畢業(yè)論文參考資料，請您刪除以下內(nèi)容，O(_)O謝謝！A national survey was recently launched to evaluate 

54、;the eye health of Chinese children andteenagers.On June 6, China's annual National Day for Eye Care, the China Youth Development ServiceCenter and Zhejiang Medicine, a le

55、ading listed Chinese pharmaceutical company, jointlyannounced the kickoff of the survey.In about one month, a questionnaire compiled by top eye care medical experts in China w

56、illbe distributed through multiple online partners, including H, as well asthrough offline survey events held in universities, middle schools and primary schools acrossthe country.A

57、0;report will be released based on the survey statistics and analysis, and most importantly,guidelines for parents and youth on how to care for the eyes and prevent 

58、myopia  agrowing problem in China's digitized society, will also be attached on the report."Myopia is not only a disease that makes people see things blurrily, b

59、ut also leads to severecomplications, such as glaucoma (increased pressure within the eyeball), and can causeblindness," said Zhou Yuehua, an established eye care specialist with Beijing TongrenHospital."It is very important for parents and children to know about t