課程設(shè)計(jì)作品自動(dòng)循跡測(cè)距機(jī)器人

1、課程設(shè)計(jì)作品：自動(dòng)循跡測(cè)距機(jī)器人李少鵬 于青 李世杰一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的及用途： 在某些情況下，對(duì)某些路徑的測(cè)量無(wú)法用一般的工具實(shí)現(xiàn)。比如，不規(guī)則的曲線路徑，或者高低起伏的路面，都不能用普通的測(cè)距工具輕易實(shí)現(xiàn)。在這種情況下，我們便可以使用輪式機(jī)器人來(lái)沿著待測(cè)的軌跡行走，同時(shí)實(shí)時(shí)地記錄所走的路程。這樣就可以測(cè)量曲線的長(zhǎng)度。二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想：作為可移動(dòng)式機(jī)器人，我們的作品對(duì)功耗和移動(dòng)性能要求較高。作為測(cè)量工具，它又對(duì)準(zhǔn)確性要求較高。所以，無(wú)論是硬件的選擇，還是軟件的設(shè)計(jì)都以精確、節(jié)能和節(jié)約為核心準(zhǔn)則。三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能原理:1、 循跡的原理：本項(xiàng)目使用黑白反襯底面和紅外探測(cè)法，即利用紅外線在不同顏色的物

2、體表面具有不同的反射性質(zhì)的特點(diǎn)，在小車行駛過(guò)程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到白色紙質(zhì)地板時(shí)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，小車上的接收管接收不到紅外光。單片機(jī)就是否收到反射回來(lái)的紅外光為依據(jù)來(lái)確定黑線的位置和小車的行走路線。紅外探測(cè)器探測(cè)距離有限，一般最大不應(yīng)超過(guò)3cm。2、模塊選擇方案：自動(dòng)循跡測(cè)距機(jī)器人主要由六個(gè)模塊構(gòu)成：車體框架、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。 各模塊分述如下：A、車體框架：在設(shè)計(jì)車體框架時(shí)，我們有兩套起始方案，自己制作和直接購(gòu)買玩具電動(dòng)車。方案一: 自己制作輪式底盤。使用兩普通電機(jī)作驅(qū)動(dòng)，萬(wàn)向輪改變

3、方向，框架用廢舊鐵片焊接。但這樣不但制作復(fù)雜、單個(gè)電機(jī)很難買到，而且質(zhì)量較差且不夠美觀。方案二: 購(gòu)買成品底盤。這種方案花費(fèi)較大，但節(jié)省時(shí)間和精力，質(zhì)量有保障。所以，我們選擇后者。B、電源：由于機(jī)器人對(duì)機(jī)動(dòng)性的要求較高，我們選擇四節(jié)普通干電池作電源。因?yàn)樗Y源廣泛，成本較低，而且我們的機(jī)器人功耗較小,mega16、光電開(kāi)關(guān)、小車電機(jī)對(duì)于供電電壓要求并不苛刻，完全可以用干電池供電。C、主控模塊：本項(xiàng)目使用統(tǒng)一配置的Mega16芯片作為主控模塊的核心。Mega16是高性能、低功耗的8位AVR微處理器，具有先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，內(nèi)部集成兩個(gè)具有獨(dú)立預(yù)分頻器和比較器功能的8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和一個(gè)具有預(yù)分

4、頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器?？赏ㄟ^(guò)JTAG對(duì)MCU進(jìn)行程序燒寫及仿真。內(nèi)置晶振，使用方便。D、邏輯模塊：示意圖如下：E、探測(cè)模塊：方案一：使用視頻采集處理裝置進(jìn)行探測(cè)使用CCD實(shí)時(shí)采集小車前進(jìn)路線上的圖像并進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸及處理，這是最精確的軌跡信息采集方案，可以對(duì)軌跡進(jìn)行精確定位和測(cè)距。但是使用視頻采集會(huì)大大增加小車成本和設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)難度，而且考慮到我們小車行進(jìn)轉(zhuǎn)彎的精確度并未達(dá)到視頻處理的精度，因而使用視頻采集在實(shí)際應(yīng)用中是個(gè)很大的浪費(fèi)，所以我們放棄了這一方案。方案二：使用光電對(duì)管探測(cè)光電對(duì)管價(jià)格低廉，性能穩(wěn)定，探測(cè)距離一般不超過(guò)3cm。我們采用普通直流電機(jī)作為原動(dòng)力，車子速度

5、不大，停止時(shí)慣性滑動(dòng)的距離小，可以達(dá)到預(yù)定的精度，因此我們選擇此方案。示意圖如下：F、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊：方案一：使用分立元件搭建電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路使用分立元件搭建電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路造價(jià)低廉，在大規(guī)模生產(chǎn)中使用廣泛。制作過(guò)程中，老師曾建議我們使用此方案，但我們考慮到分立元件H橋電路工作性能不夠穩(wěn)定，較易出現(xiàn)硬件上的故障，而且組裝成本也很高，故我們放棄了這一方案。方案二：使用L298N芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)L298N是一個(gè)具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動(dòng)芯片，輸出電壓最高可達(dá)50V，可以直接通過(guò)電源來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機(jī)的IO口提供信號(hào)，而且?guī)в惺鼓芏?，方便PWM調(diào)速，電路簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，使用比較方便。L298N芯片可

6、以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)二相電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)四相電機(jī)，正好符合我們小車兩個(gè)二相電機(jī)的驅(qū)動(dòng)要求，價(jià)格也比較合理?？刂剖疽鈭D如下：最終方案如下：使用干電池組對(duì)系統(tǒng)供電，成品電動(dòng)車作為底座，采用Mega16L作為主控芯片，用光電開(kāi)關(guān)進(jìn)行障礙物探測(cè)，使用L298N驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。邏輯關(guān)系處理使用74L系列芯片完成。系統(tǒng)電路圖：四、所用全部硬件資源： 增強(qiáng)版ATMega 16L開(kāi)發(fā)板（進(jìn)行程序的初步調(diào)試） 簡(jiǎn)版JTAG仿真器（程序的下載和仿真） 圓夢(mèng)小車底盤,電動(dòng)車小馬達(dá)2個(gè)，碼盤采樣器兩個(gè)，電容兩個(gè) 光電開(kāi)關(guān)3只 Mega 16L單片機(jī)1片 L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片、散熱片各1片 74LS10芯片1片 4148二極

7、管8只 萬(wàn)用板2塊 5.1K電阻8只，150電阻5只，滑動(dòng)變阻器5只 LED四位七段數(shù)碼管1個(gè) 40引腳底座1只，14引腳底座2只電池盒2只 干電池8節(jié) 列裝排線、插針等五、軟件資源：1、 循跡工作流程：2、 測(cè)距工作流程：五、系統(tǒng)功能及指標(biāo)參數(shù)測(cè)試1、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能：沿著預(yù)定軌跡行進(jìn)：測(cè)量并顯示所走路徑的路程。2、系統(tǒng)主要參數(shù)測(cè)試：給光電對(duì)管供電，讓其在帶有黑色軌跡的白色地板上運(yùn)行，自動(dòng)尋跡，在軌跡的末端自動(dòng)停止。并開(kāi)始顯示所測(cè)距離，測(cè)距過(guò)程在運(yùn)行過(guò)程中完成。六、參考資料：1. ；2.AVR單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用實(shí)踐，馬潮 編著，北京航空航天大學(xué)出版社；3.AVR單片機(jī)C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)入門指導(dǎo)，沈文、Eagle Lee、詹衛(wèi)前 編著，清華大學(xué)出版社；4.