尋線搬運機器人模型及其控制系統(tǒng)設計含開題及6張CAD圖,搬運,機器人,模型,及其,控制系統(tǒng),設計,開題,cad 尋線搬運機器人模型及其控制系統(tǒng)設計 摘 要 近年來，隨著機器人技術的發(fā)展，移動機器人軌跡跟蹤問題受到了人們越來越多的關注。前輪轉向、后輪驅動的輪式類車移動機器人與四輪汽車的運動學模型相近，因此對輪式類車移動機器人的軌跡跟蹤控制問題的研究在汽車自動駕駛、智能交通等方面具有重要的意義。 自動引導機器人技術可用于無人駕駛汽車，無人工廠、倉庫及服務機器人等領域。本文詳細介紹了基于51單片機的巡線機器人設計，其主要包括超聲波檢測模塊、紅外巡線檢測、電動機調速驅動以及搬用機械手模塊。該系統(tǒng)在單片機的控制下，采集、存儲、處理巡線系統(tǒng)輸入的數(shù)字信號，并通過驅動系統(tǒng)來控制直流電機，使機器人按照預設的路線行走及搬運物體。該系統(tǒng)使用反射式紅外傳感器識別與地面顏色差別較大的引導線信息，采用L298H橋驅動電路和PWM波調速方法控制行走電機。給出了系統(tǒng)調試方法并分析了試驗數(shù)據(jù)，討論了提升系統(tǒng)性能的必要手段，實現(xiàn)了機器人的自動巡線功能。 本設計采用以AT89C51單片機為核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示超聲波測距儀的硬件電路和軟件設計方法。整個電路采用模塊化設計，由主程序、預置子程序、發(fā)射子程序、接收子程序模塊組成。探頭的信號經(jīng)單片機綜合分析處理，實現(xiàn)超聲波測距的功能。在此基礎上設計了系統(tǒng)的總體方案，最后通過硬件和軟件實現(xiàn)了各個功能模塊。相關部分附有硬件電路圖、程序流程圖。 關鍵詞：機器人；巡線；光電三極管；PWM波；51單片機；超聲波 Abstract With the development of robot technology，the trajectory—tracking problem of mobile robot is paid more and more attention．A wheeled car-like mobile robot，which is steered by two front wheel sand driven by two real wheels，has similar kinematic model to that of a four-wheel car．So the study on the trajectory-tracking problem of the wheeled car-like mobile robot is significant for automatic drive of car as well as intelligent transportation． Automatic Guided robot technology can be used for unmanned aerial vehicles, unmanned factories, warehouses and service robots, and other fields. This paper describes Line-tracking robot design on the base of the 51. Its main module include: photoelectric detection module ultrasonic measurement detection and line patrols and infrared detection, Motor-driven, human-machine interfaces. Under the control of the single-chip microcomputer subsystem, the system can collect, save and process the digital signal from the line-tracking system, then controls the motor through the driving system, and with the system robot can move according to reinstalling tracking. The system uses infrared reflectance sensor identification with the ground vary greatly in color line guide information, Drivers using L298H bridge circuit and PWM control methods wave speed motor running. Commissioning is a systematic method of analysis and test data, discussed the upgrade system performance necessary means, the robot's automatic line-tracking function. At the core of the design using AT89C51 low-cost, high accuracy, Micro figures show that the ultrasonic range finder hardware and software design methods. Modular design of the whole circuit from the main program, pre subroutine fired subroutine receive subroutine. display subroutine modules form. SCM comprehensive analysis of the probe signal processing, and the ultrasonic range finder function. On the basis of the overall system design, hardware and software by the end of each module. Keyword: robot； line-tracking； photoelectric triode ；PWM wave,；51single-chip microcomputer；ultrasonic 目 錄 引言 1 1 緒 論 2 1.1 移動機器人概述 2 1.1.1巡線機器人的發(fā)展 2 1.2 移動機器人的設計思路 5 1.3 課題設計的任務和要求 5 2 移動機器人總體設計 7 2.1移動機器人整體設計 7 2.2移動機器人整體方案論證 7 2.2.1 傳感器設計方案 7 2.2.2 電機的選擇及驅動方案 9 2.2.3 電機的控制方案選擇 10 3 移動機器人模型結構及引導系統(tǒng)設計 12 3.1移動機器人模型結構 12 3.2移動機器人引導系統(tǒng) 12 3.2.1 導軌引導系統(tǒng) 12 3.2.2 機器視覺引導系統(tǒng) 13 4 控制系統(tǒng)電路設計 15 4.1 單片機的功能特點 15 4.2 紅外檢測電路的設計 17 4.3 超聲波測距的硬件設計 18 4.3.1超聲波測距的原理 18 4.3.2 超聲波發(fā)射電路 19 4.3.3 超聲波檢測接收電路 20 4.4 搬用物檢測電路 20 4.5 電機驅動電路 21 4.6 電源模塊設計 23 4.7 報警電路設計 23 5 系統(tǒng)軟件的設計 24 5.1 編程思路及總流程圖 24 5.1.1總流程圖 24 5.1.2 程序設計思路 25 5.2 超聲波測距的算法設計 25 5.3 巡線算法設計 26 5.4電機控制設計 27 5.5 超聲波發(fā)生子程序與超聲波接受中斷程序 28 5.6 完整源程序 29 5.7控制效果報告 33 6 結 論 35 謝 辭 36 參考文獻 37 附 錄 38 引言 輪式移動機器人是機器人研究領域的一項重要內容．它集機械、電子、檢測技術與智能控制于一體。在各種移動機構中，輪式移動機構最為常見。輪式移動機構之所以得到廣泛的應用。主要是因為容易控制其移動速度和移動方向。因此．有必要研制一套完整的輪式機器人系統(tǒng)。并進行相應的運動規(guī)劃和控制算法研究。 隨著微電子技術的不斷發(fā)展，微處理器芯片的集成程度越來越高，單片機已可以在一塊芯片上同時集成cpu、存儲器、定時器／計數(shù)器、并行和串行接口、看門狗、前置放大器、a／d轉換器、d／a轉換器等多種電路，這就很容易將計算機技術與測量控制技術結合，組成智能化測量控制系統(tǒng)。這種技術促使機器人技術也有了突飛猛進的發(fā)展，目前人們已經(jīng)完全可以設計并制造出具有某些特殊功能的簡易智能機器人。筆者設計和開發(fā)了基于5l型單片機的自動巡線輪式機器人控制系統(tǒng)。 1 緒 論 1.1 移動機器人概述 自動引導機器人技術可用于無人駕駛汽車，電力、無人工廠、倉庫及服務機器人等領域。本文結合機器人的產生和發(fā)展狀況，在討論電力線巡檢常用設備和方法的基礎上，分析了國內外巡線機器人、研究及應用現(xiàn)狀。結合作者進行的具體研究工作討論了巡線機器人的一般結構、控制方案，并提出了兩臂機器人的故障探測、行為規(guī)劃方案。 兩院院士宋健曾說過:“機器人學的進步和應用是本世紀自動控制最有說服力的成就,是當代最高意義上的自動化”?？茖W的進步與技術的創(chuàng)新,為機器人的研究與應用開辟了廣闊的思路與空間。 1.1.1巡線機器人的發(fā)展 （1) 國外巡線機器人的發(fā)展 移動機器人技術的發(fā)展為架空電力線路巡檢提供了新的技術平臺。20世紀80年代，國際上開始研制高壓輸電線路巡線機器人。早期日本、美國和加拿大等國相繼開發(fā)了不同用途的巡線機器人，并取得了較大的進展，尤其是可在兩個桿塔之間巡檢的機器人技術較為成熟，有些已達到產品化的程度。1988年Sawada等人首先研制了具有初步自主越障能力的光纖復合架空地線巡檢移動機器人，該機器人依靠內嵌的輸電線路結構參數(shù)進行運動行為的規(guī)劃。當遇到桿塔時，該機器人利用自身攜帶的導軌從桿塔側面滑過，如圖1，因為沒有安裝外部環(huán)境感知傳感器，因而適應性較差。而且導軌約100kg，機器人自身過重，對電池供電有更高要求。 圖1-1 光纖架空地線巡檢機器人 美國TRC公司1989年研制了一臺懸臂自治巡檢機器人模型，能沿架空導線進行較長距離的行走，可進行電暈損耗、絕緣子、結合點、壓接頭等視覺檢查任務，并將探測到的線路故障參數(shù)進行預處理后傳送給地面人員，如圖2。然而僅在兩個桿塔之間爬行的巡線機器人已遠遠不能滿足實際線路巡檢工作的要求，輸電線路不僅存在著支撐桿塔，而且還存在著多種線路附件構成的障礙物，如防震錘、懸垂線夾、耐張線夾和絕緣子等。因此具有越障功能的巡線機器人成為該領域研究的重點。 圖1-2 TRC公司的懸臂機器人 由日本Sato公司生產的輸電線路損傷探測器也采用了單體小車結構（圖1-3 所示），能在地面操作人員的遙控下，沿輸電線路行走，利用車載探測儀探測線路損傷程度及準確位置，將獲取的數(shù)據(jù)和圖片資料存儲在數(shù)據(jù)記錄器中。地面工作人員可回放復查，進一步確定損傷情況。加拿大魁北克水電研究院的Serge Montambault等人2000年開始了HQ LineROVer控小車的研制工作。遙控小車起初用于清除電力傳輸線地線上的積冰，逐漸發(fā)展為用于線路巡檢、維護等多用途移動平臺。該移動小車驅動力大，能爬上52o 的斜坡，通信距離可達1km。小車采用靈活的模塊化結構，安裝不同的工作頭即可完成架空線視覺和紅外檢查、壓接頭狀態(tài)評估、導線清污和除冰等帶電作業(yè)。但是，HQ LineROVer 無越障能力，只能在兩線塔間的輸電線路上工作。 圖1-3 Sato公司的探傷機器人 此外，日本的Hideo Nakamura 等研制了蛇形運動機器人。泰國Peungsungwal等人2001 年設計的自給電巡線機器人，采用電流互感器從爬行的輸電線路上獲取感應電流作為機器人的工作電源，從而解決了巡線機器人長時間驅動的動力問題。 （2）國內巡線機器人的發(fā)展現(xiàn)狀 90年代末，國內的一些研究機構和高等學校開始巡線機器人的研究工作，并已經(jīng)研制多種機構的巡線機器人樣機。武漢大學和山東大學在這方面的研究起步最早。在“十五”國家高新技術發(fā)展計劃（863 計劃）的支持下，武漢大學和中科院自動化所、中科院沈陽自動化所等同時開展了對巡線機器人的研制工作。1998年武漢水利電力大學的吳功平教授研制出了架空高壓線路巡線小車，小車采用單體三驅動輪結構，具有穩(wěn)定的行走功能和越障功能，能順利越過絕緣子、防振錘、懸垂線夾等主要障礙物，并利用攜帶的近距離紅外故障診斷儀完成線路的診斷。巡線小車的行走、越障通過人工遙控加機械控制器來實現(xiàn)。目前，該研究組正在進行智能化程度較高、越障能力強的自治巡線機器人的研制工作。在863計劃的支持下，與漢陽供電公司合作，針對220kV單分裂相線，進行了巡線機器人關鍵技術的研究，在機器人越障機構、智能控制、移動導航、機器視覺技術、電能在線補給等方面取得了全面的突破。巡線機器人能夠避讓和跨越兩檔線路間的防震錘、懸垂和耐張絕緣子串和跳線等各種障礙物。利用機器人攜帶的攝像裝置，實現(xiàn)線路及其安全通道的檢測與巡視，將檢測到的數(shù)據(jù)和圖像信息經(jīng)過無線傳輸系統(tǒng)發(fā)送到地面基站；通過地面基站接收、顯示發(fā)回的數(shù)據(jù)和圖像資料。 圖1-4 兩臂回旋式機器人 圖1-5 三臂輪式機器人 在863計劃以及國電東北電網(wǎng)有限公司的支持下，中國科學院沈陽自動化研究所開展了“沿500kV地線巡檢機器人”的研制，課題組攻克了機器人機構、自主控制、數(shù)據(jù)和圖像的傳輸?shù)汝P鍵技術，成功地開發(fā)出由巡檢機器人和地面移動基站組成的系統(tǒng)，并與錦州超高壓局合作進行了現(xiàn)場帶電巡檢試驗，完成了超高壓實際環(huán)境下的巡檢試驗。該機器人能夠沿500kV地線行走、跨越障礙，利用攜帶的攝像機或紅外熱像儀等檢測裝置，檢測了輸電線、防震錘、絕緣子和桿塔等輸電設備的損傷情況。實現(xiàn)機器人和地面基站遠程通訊，基站對機器人運行狀態(tài)的遠程控制。該樣機的成功研制，在系統(tǒng)電源、機器人本體、控制系統(tǒng)、檢測設備和通訊設備，地面控制與數(shù)據(jù)后臺處理等方面積累了豐富的經(jīng)驗。 “十五”期間，中科院自動化所開展了“11 0 k V輸電線路巡檢機器人”的研究，其研究成果主要表現(xiàn)在：一是設計了三臂懸掛式移動機器人機構；二是采用“基于知識庫的自動控制”和“基于視覺的遠程遙控主從控制”的混合控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了典型障礙的越障；三是采用多層神經(jīng)元網(wǎng)絡分類器，實現(xiàn)了實驗室復雜環(huán)境下絕緣子開裂、破損視覺檢查。目前，中科院自動化所復雜系統(tǒng)與智能科學重點實驗室新研制的110kv輸電線路巡檢機器人采用二臂回轉式懸掛機構，增加了臂距調整機構、夾持輪抱線機構等，可實現(xiàn)旋轉、俯仰等運動功能，爬坡能力強。開發(fā)的二臂巡線機器人樣機在實驗室模擬線路上，沿一檔架空線自主行走，并且能夠跨越兩檔線路間的防震錘、懸垂線夾等障礙物。機器人攜帶的檢測用地攝像機，可進行障礙物的檢測和越障時的輔助指導工作，有效地克服了三臂機器人的不足，當然兩臂機器人的行為規(guī)劃復雜，增加了控制電路設計及運動控制的難度。東南大學，山東大學等相繼研制出各自的巡線機器人。 從國內外已取得的研究成果可以看出，國外無越障功能的架空電力線路巡線機器人技術較為成熟，已進于實用階段。這類機器人一般需人工參與，只能完成兩線塔之間電力線路的檢查，作業(yè)范圍小,自治程度低。自主巡線機器人能跨越線路附件、線塔等障礙物，可實施大范圍、長時間的線路巡檢作業(yè)，國內對具有自主越障功能的機器人研究投入力量大，取得了多項研究成果。為滿足在柔性輸電線行走并跨越各種障礙物，巡線機器人必須解決好結構設計、障礙物探測識別和控制行為規(guī)劃三方面的問題。 1.2 移動機器人的設計思路 巡線搬運機器人以16位微控制AT89S52為控制器，采用多傳感器進行信息采集，巡線機器人設計，其主要包括超聲波檢測障礙物模塊、紅外巡線檢測、電動機調速驅動以及人機接口等模塊。該系統(tǒng)在單片機的控制下，采集、存儲、處理巡線系統(tǒng)輸入的數(shù)字信號，并通過驅動系統(tǒng)來控制直流電機，使機器人按照預設的路線行走。該系統(tǒng)使用反射式紅外傳感器識別與地面顏色差別較大的引導線信息，采用L298H橋驅動電路和PWM波調速方法控制行走電機。給出了系統(tǒng)調試方法并分析了試驗數(shù)據(jù)，討論了提升系統(tǒng)性能的必要手段，實現(xiàn)了機器人的自動巡線功能。 1.3 課題設計的任務和要求 (1)動機器人搬運路線的彎道半徑不大于300mm，移動機器人的運動線路示意 圖、移動機器人模型的結構圖采用AutoCAD或CAXA軟件繪制并打?。? (2) 移動機器人由單片機控制，采用電池供電，能自動前后尋線運動搬運物體， 當沒有需要搬運的物體時自動等待，當運動線路的前方300mm處有障礙物時 停止運動并報警，障礙消失后自動繼續(xù)運動； (3) 采用Protel99se軟件繪制和打印系統(tǒng)的電路原理圖，電路原理圖標明全部零部件和元器件的型號或主要參數(shù)； (4) 采用C51語言設計控制程序，控制程序同時用程序流程框圖和C代碼表示， 程序流程框圖盡量細化并用計算機繪制打印，C代碼添加詳細的中文注釋； 2 移動機器人總體設計 2.1移動機器人整體設計 系統(tǒng)框架如圖1-1所示： 圖2-1系統(tǒng)框架圖 如圖2-1所示，該智能小車系統(tǒng)主要分為以下四大塊： （1） 信息采集模塊：在該模塊中包括有速度信息采集和位置信息采集兩個子模塊，分別采集小車當前的位置信息和速度信息，并將采集到的信息傳給MCU，其核心是傳感器。 （2） 信息處理模塊：信息處理模塊包括信息處理和控制模塊，其核心是MCU，MCU接收到采集來的信號，對信號進行處理后作出判斷，并發(fā)出控制命令。 （3） 執(zhí)行模塊：該模塊包括了驅動電機、轉向電機、機械手指和報警裝置，當接收到MCU的命令后便執(zhí)行相應的操作，同時信息采集模塊又采集到電機和舵機的狀態(tài)信息，反饋給MCU 。從而整個系統(tǒng)構成一個閉環(huán)系統(tǒng)，在運行過程中，系統(tǒng)自動調節(jié)而達到正確行駛的目的。 （4） 超聲波收發(fā)模塊：在該模塊中包含了超聲波輸出與超聲波輸入，其中超聲波輸出用來發(fā)射40Mhz的超聲波，結合超聲波接受部分，從而可以檢測和計算障礙物的距離。 2.2移動機器人整體方案論證 2.2.1 傳感器設計方案 (1) 軌道檢測： 探測路面黑線的基本原理：光線照射到路面并反射，由于黑線和白紙對光的反射系數(shù)不同，可根據(jù)接收到的反射光強弱來判斷黑線，可實現(xiàn)的方案有以下幾種： 方案一：使用CCD傳感器來采集路面信息。使用CCD傳感器，可以獲取大量的圖像信息，可以全面完整的掌握路徑信息，可以進行較遠距離的預測和識別圖像復雜的路面，而且抗干擾能力強。但是對于本項目來說，使用CCD傳感器也有其不足之處。首先使用CCD傳感器需要有大量圖像處理的工作，需要進行大量數(shù)據(jù)的存儲和計算。因為是以實現(xiàn)小車視覺為目的，實現(xiàn)起來工作量較大，相當繁瑣。 ? 方案二：采用普通發(fā)光二極管及光敏電阻組成的發(fā)射接收方案，電路如圖1-1所示。該方案在實際使用時，容易受到外界光源的干擾，有時甚至檢測不到。主要是因為可見光的反射效果跟地表的平坦程度、地表材料的反射情況均對檢測效果產生直接影響。雖然可采取超高亮度發(fā)光二極管降低一定的干擾，但這有增加額外的功率損耗。 ? 方案三：脈沖調制的反射式紅外發(fā)射接收器。由于采用該有交流分量的調制信號，則可大幅度減少外界干擾；另外紅外發(fā)射接受管的最大工作電流取決與平均電流，如果采用占空比小的調制信號，在平均電流不變的情況下，瞬時電流很大（50~100mA），則大大提高了信噪比。 在本次設計中，導軌只有黑白兩種顏色，小車只要能區(qū)分黑白兩色就可以采集到準確的路面信息。經(jīng)過綜合考慮，在本項目中采用方案二紅外光電傳感器作為信息采集元件。 (2) 障礙物檢測：障礙物檢測可以使用超聲波，也可以使用紅外；但由于紅外傳感器抗干擾能力弱，即使調制后，其檢測距離也有限，不易實現(xiàn)本設計要求；所以采用超聲波傳感器，其靈敏度高，檢測距離遠，誤差小，抗干擾能力強，可靠性高。 (3) 搬用物檢測：搬用物檢測，采用接近開關，因為位移傳感器可以根據(jù)不同的原理和不同的方法做成，而不同的位移傳感器對物體的“感知”方法也不同，所以常見的接近開關有以下幾種： 　 渦流式接近開關 　　這種開關有時也叫電感式接近開關。它是利用導電物體在接近這個能產生電磁場接近開關時，使物體內部產生渦流。這個渦流反作用到接近開關，使開關內部電路參數(shù)發(fā)生變化，由此識別出有無導電物體移近，進而控制開關的通或斷。這種接近開關所能檢測的物體必須是導電體。 　　電容式接近開關 　　這種開關的測量通常是構成電容器的一個極板，而另一個極板是開關的外殼。這個外殼在測量過程中通常是接地或與設備的機殼相連接。當有物體移向接近開關時，不論它是否為導體，由于它的接近，總要使電容的介電常數(shù)發(fā)生變化，從而使電容量發(fā)生變化，使得和測量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化，由此便可控制開關的接通或斷開。這種接近開關檢測的對象，不限于導體，可以絕緣的液體或粉狀物等。 　　霍爾接近開關 　　霍爾元件是一種磁敏元件。利用霍爾元件做成的開關，叫做霍爾開關。當磁性物件移近霍爾開關時，開關檢測面上的霍爾元件因產生霍爾效應而使開關內部電路狀態(tài)發(fā)生變化，由此識別附近有磁性物體存在，進而控制開關的通或斷。這種接近開關的檢測對象必須是磁性物體。 　　光電式接近開關 　　利用光電效應做成的開關叫光電開關。將發(fā)光器件與光電器件按一定方向裝在同一個檢測頭內。當有反光面（被檢測物體）接近時，光電器件接收到反射光后便在信號輸出，由此便可“感知”有物體接近。 　 熱釋電式接近開關 　　用能感知溫度變化的元件做成的開關叫熱釋電式接近開關。這種開關是將熱釋電器件安裝在開關的檢測面上，當有與環(huán)境溫度不同的物體接近時，熱釋電器件的輸出便變化，由此便可檢測出有物體接近。 　　機械式接觸開關，采用靈敏度很高的接觸式開關，其檢測可靠，原理簡單，壽命長。 考慮到實際情況，搬用物檢測采用自制接觸開關，安全可靠，實現(xiàn)方便，使用簡單，可大大簡化電路設計。 2.2.2 電機的選擇及驅動方案 (1) 電動機的選擇 ? 方案一：采用步進電機，步進電機的一個顯著特點就是具有快速啟停能力，如果負荷不超過步進電機所能提供的動態(tài)轉矩值，就能夠立即使步進電機啟動或反轉。另一個顯著特點是轉換精度高，正轉反轉控制靈活。 ? 方案二：采用普通直流電機。直流電動機具有優(yōu)良的調速特性，調速平滑、方便，調整范圍廣；過載能力強，能承受頻繁的沖擊負載，可實現(xiàn)頻繁的無級快速啟動、制動和反轉；能滿足各種不同的特殊運行要求。 ? 由于普通直流電機更易于購買，并且電路相對簡單，因此建議采用直流電機作為動力源。 (2) 電動機驅動方案的選擇 ??方案一：采用電阻網(wǎng)絡或數(shù)字電位器調整電動機的分壓，從而達到調速目的。但是電阻網(wǎng)絡只能實現(xiàn)有級調速，而數(shù)字電阻的元器件價格比較昂貴，且可能存在干擾。更主要的問題在于一般電動機的電阻比較小，但電流很大，分壓不僅會降低效率，而且實現(xiàn)很困難。 ??方案二：采用繼電器對電動機的開與關進行控制，通過控制開關的切換速度實現(xiàn)對小車的速度進行調整。這個電路的優(yōu)點是電路較為簡單，缺點是繼電器的響應時間長，易損壞，壽命較短，可靠性不高。 ??方案三：采用四個大功率晶體管組成H橋電路，四個大功率晶體管分為兩組，交替導通和截止，用單片機控制使之工作在開關狀態(tài)，進而控制電動機的運行。該控制電路由于四個大功率晶體管只工作在飽和與截止狀態(tài)下，效率非常高，并且大功率晶體管開關的速度很快，穩(wěn)定性也極強，是一種廣泛采用的電路。 ??基于以上的分析，建議電動機驅動電路選擇方案三。 2.2.3 電機的控制方案選擇 (1) PWM控制介紹： 在小車的運行中，主要有方向和速度的控制，即轉向電機和驅動電機的控制，這兩個控制是系統(tǒng)軟件的核心操作，對小車的性能有著決定性的作用。 對電機機的控制，要達到的目的就是：在任何情況下，總能使小車在軌道上，并且實現(xiàn)速度和方向的控制。本次設計所用電機都是直流電機。 直流電機轉速控制可分為勵磁控制法與電樞電壓控制法。勵磁控制法是控制磁通，其控制功率小，低速時受到磁飽和限制，高速時受到換向火花和換向器結構強度的限制，而且由于勵磁線圈電感較大動態(tài)響應較差，所以這種控制方法用得很少。大多數(shù)應用場合都使用電樞電壓控制法。隨著電力電子技術的進步，改變電樞電壓可通過多種途徑實現(xiàn)，其中PWM(脈寬調制)便是常用的改變電樞電壓的一種調速方法。 PWM調速控制的基本原理是按一個固定頻率來接通和斷開電源，并根據(jù)需要改變一個周期內接通和斷開的時間比(占空比)來改變直流電機電樞上電壓的"占空比"，從而改變平均電壓，控制電機的轉速。在脈寬調速系統(tǒng)中，當電機通電時其速度增加，電機斷電時其速度減低。只要按照一定的規(guī)律改變通、斷電的時間，即可控制電機轉速。而且采用PWM技術構成的無級調速系統(tǒng)．啟停時對直流系統(tǒng)無沖擊，并且具有啟動功耗小、運行穩(wěn)定的特點。 根據(jù)上述，對驅動電機的控制（即速度控制），要達到的目的就是在行駛過程中，小車要有最有效的加速和減速機制。對驅動電機采用PWM控制使小車能在直道上高速行駛，而在彎道減速則保證了小車運行的穩(wěn)定，流暢。為了精確控制速度，時時對速度進行監(jiān)控，我們還引入了閉環(huán)控制的思想，在硬件設計，增加了速度傳感器實時采集速度信息。 (2) 電機控制PWM方案選擇 PWM調速工作方式： 方案一：雙極性工作制。雙極性工作制是在一個脈沖周期內，單片機兩控制口各輸出一個控制信號，兩信號高低電平相反，兩信號的高電平時差決定電動機的轉向和轉速。 方案二：單極性工作制。單極性工作制是單片機控制口一端置低電平，另一端輸出PWM信號，兩口的輸出切換和對PWM的占空比調節(jié)決定電動機的轉向和轉速。 由于單極性工作制電壓波開中的交流成分比雙極性工作制的小，其電流的最大波動也比雙極性工作制的小，所以我們采用了單極性工作制。 PWM調脈寬方式： 調脈寬的方式有三種：定頻調寬、定寬調頻和調寬調頻。我們采用了定頻調寬方式，因為采用這種方式，電動機在運轉時比較穩(wěn)定；并且在采用單片機產生PWM脈沖的軟件實現(xiàn)上比較方便。 PWM軟件實現(xiàn)方式： 方案一：采用定時器做為脈寬控制的定時方式，這一方式產生的脈沖寬度極其精確，誤差只在幾個us。 方案二：采用軟件延時方式，這一方式在精度上不及方案一，特別是引入中斷后，將有一定的誤差。但是基于不占用定時器資源，且對于直流電機，采用軟件延時所產生的定時誤差在允許范圍，故采用方案二。 對轉向電機的控制（即方向控制），采用正負脈沖，改變其轉向，用通電時間長短，來決定轉向的多少。 對機械手電機采用一端通高電平，一端通高低電平，來控制其啟動與停止。 3 移動機器人模型結構及引導系統(tǒng)設計 3.1移動機器人模型結構 方案1：購買玩具電動車。購買的玩具電動車具有組裝完整的車架車輪、電機及其驅動電路。一般的說來，玩具電動車具有如下特點：首先，這種玩具電動車裝配緊湊，輕巧，經(jīng)過改造，各種所需傳感器的安裝方便。其次，這種電動車一般是前輪轉向后輪驅動，能適應該題目的環(huán)形地圖，能方便迅速的實現(xiàn)180度的彎角。再次，玩具電動車的電機多為玩具直流電機，易于控制，而且這種電動車價格一般都較便宜。 方案2：自己制作電動車。制定了左右兩輪分別驅動，后萬向輪轉向的方案。即左右輪分別用兩個轉速和力矩基本完全相同的直流電機進行驅動，車體尾部裝一個萬向輪。這樣，當兩個直流電機轉向相反同時轉速相同時就可以實現(xiàn)電動車的原地旋轉，由此可以輕松的實現(xiàn)小車坐標不變的90度和180度的轉彎。在安裝時我們保證兩個驅動電機同軸。當小車前進時，左右兩驅動輪與后萬向輪形成了三點結構。這種結構使得小車在前進時比較平穩(wěn)，可以避免出現(xiàn)后輪過低而使左右兩驅動輪驅動力不夠的情況。為了防止小車重心的偏移，后萬向輪起支撐作用。 鑒于實驗條件和環(huán)境的限制，我選擇以第一種方案和自己的一些改造后，為本次設計的實物模型，移動機器人機械本體，采用購買的玩具汽車和自己的改造，其結構大致分為：前后電機盒，電池盒，傳感器安置板和機械手部分，其示意圖如下： 圖3-1 移動小車模型 3.2移動機器人引導系統(tǒng) 3.2.1 導軌引導系統(tǒng) 導軌:金屬或其它材料制成的槽或脊，可承受、固定、引導移動裝置或設備并減少其摩擦的一種裝置。導軌表面上的縱向槽或脊，用于導引、固定機器部件、專用設備、儀器等。導軌又稱滑軌、線性導軌、線性滑軌，用于直線往復運動場合，擁有比直線軸承更高的額定負載， 同時可以承擔一定的扭矩，可在高負載的情況下實現(xiàn)高精度的直線運動。 導軌在我們的日常生活中的應用也是很普遍的，如滑動門的滑糟、火車的鐵軌等等都是導軌的具體應用。還有就是導軌可以用于任何需要帶滑動滑動的機器或設備上面，如有用于電梯導軌，還有就是窗簾上有時也會用到它。 導軌引導系統(tǒng)，安全可靠，但其制造和設計成本昂貴，軌道固定，缺乏靈活性，并且工作時，噪音大，磨損嚴重，壽命短。 3.2.2 機器視覺引導系統(tǒng) 　　機器視覺技術是計算機學科的一個重要分支，它綜合了光學、機械、電子、計算機軟硬件等方面的技術，涉及到計算機、圖像處理、模式識別、人工智能、信號處理、光機電一體化等多個領域。自起步發(fā)展至今，已經(jīng)有20多年的歷史，其功能以及應用范圍隨著工業(yè)自動化的發(fā)展逐漸完善和推廣，其中特別是目前的數(shù)字圖像傳感器、CMOS和CCD攝像機、DSP、FPGA、ARM等嵌入式技術、圖像處理和模式識別等技術的快速發(fā)展，大大地推動了機器視覺的發(fā)展。 　　 簡而言之，機器視覺就是利用機器代替人眼來作各種測量和判斷。在生產線上，人來做此類測量和判斷會因疲勞、個人之間的差異等產生誤差和錯誤，但是機器卻會不知疲倦地、穩(wěn)定地進行下去。一般來說，機器視覺系統(tǒng)包括了照明系統(tǒng)、鏡頭、攝像系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)。對于每一個應用，我們都需要考慮系統(tǒng)的運行速度和圖像的處理速度、使用彩色還是黑白攝像機、檢測目標的尺寸還是檢測目標有無缺陷、視場需要多大、分辨率需要多高、對比度需要多大等。從功能上來看，典型的機器視覺系統(tǒng)可以分為：圖像采集部分、圖像處理部分和運動控制部分。 　　 　機器視覺系統(tǒng)的優(yōu)點有：非接觸測量，對于觀測者與被觀測者都不會產生任何損傷，從而提高系統(tǒng)的可靠性。具有較寬的光譜響應范圍，例如使用人眼看不見的紅外測量，擴展了人眼的視覺范圍。 長時間穩(wěn)定工作，人類難以長時間對同一對象進行觀察，而機器視覺則可以長時間地作測量、分析和識別任務，機器視覺系統(tǒng)的應用領域越來越廣泛。在工業(yè)、農業(yè)、國防、交通、醫(yī)療、金融甚至體育、娛樂等等行業(yè)都獲得了廣泛的應用，可以說已經(jīng)深入到我們的生活、生產和工作的方方面面。 移動機器人引導系統(tǒng)是采用視覺引導系統(tǒng)讓移動機器人識別、追蹤黑線來實現(xiàn)，黑線的路徑就是機器人的引導系統(tǒng)，其原理是不同顏色對光的反射和吸收不同，從而通過光學元器件，機器人可以就識別路線，實現(xiàn)路徑跟隨，同時，在軌道上設置不同的標記，來讓機器人識別彎道和搬用處的識別，其示意圖如下： 圖3-2 巡線軌道示意圖 4 控制系統(tǒng)電路設計 4.1 單片機的功能特點 MCS-51單片機產品兼容 、8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲器、 1000次擦寫周期、 全靜態(tài)操作：0Hz～33Hz 、 三級加密程序存儲器 、 32個可編程I/O口線 、三個16位定時器/計數(shù)器 八個中斷源 、全雙工UART串行通道、 低功耗空閑和掉電模式 、掉電后中斷可喚醒 、看門狗定時器 、雙數(shù)據(jù)指針 、掉電標識符 。 At89s52 是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)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 產品指令和引腳完 全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于 常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng) 可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提 供高靈活、超有效的解決方案。 AT89S52具有以下標準功能： 8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時器，2 個數(shù)據(jù)指針，三個16 位 定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結構，全雙工串行口， 片內晶振及時鐘電路。另外，AT89S52 可降至0Hz 靜態(tài)邏 輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工 作。掉電保護方式下，RAM內容被保存，振蕩器被凍結， 單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。8 位微控制器 8K 字節(jié)在系統(tǒng)可編程 Flash AT89S52?。 圖4-1 C52單片機引腳圖 　　P0 口：P0口是一個8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅動8個TTL邏?輯電平。對P0端口寫“1”時，引腳用作高阻抗輸入。?當訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復用。在這種模式下，?P0具有內部上拉電阻。? 　　在flash編程時，P0口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗時，輸出指令字節(jié)。程序校驗?時，需要外部上拉電阻。? 　　P1 口：P1 口是一個具有內部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，p1 輸出緩沖器能驅此外，P1.0和P1.2分別作定時器/計數(shù)器2的外部計數(shù)輸入（P1.0/T2）和時器/計數(shù)器2?的觸發(fā)輸入（P1.1/T2EX），具體如下表所示。?在flash編程和校驗時，P1口接收低8位地址字節(jié)。? 　　引腳號第二功能? 　　P1.0 T2（定時器/計數(shù)器T2的外部計數(shù)輸入），時鐘輸出? 　　P1.1 T2EX（定時器/計數(shù)器T2的捕捉/重載觸發(fā)信號和方向控制）? 　　P2 口：P2 口是一個具有內部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P2 輸出緩沖器能驅動4 個?TTL 邏輯電平。對P2 端口寫“1”時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入?口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。? 　　在訪問外部程序存儲器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行MOVX @DPTR）?時，P2 口送出高八位地址。在這種應用中，P2 口使用很強的內部上拉發(fā)送1。在使用?8位地址（如MOVX @RI）訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口輸出P2鎖存器的內容。? P3 口：P3 口是一個具有內部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，p2 輸出緩沖器能驅動4 個?TTL 邏輯電平。對P3 端口寫“1”時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入?口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。?P3口亦作為AT89S52特殊功能（第二功能）使用。在flash編程和校驗時，P3口也接收一些控制信號。 圖4-2 本設計中的最小系統(tǒng) 本系統(tǒng)采用at89S52單片機作為中央處理器。其主要任務是掃描紅外檢測傳感器輸入的信號啟動機器人，在機器人行走過程中不斷讀取傳感器采集到的數(shù)據(jù)，將得到的數(shù)據(jù)進行處理后，根據(jù)不同的情況產生占空比不同的pwm脈沖來控制電機，同時從單片機中發(fā)射周期為40KHZ的脈沖，采用中斷法接受用于檢測障礙物的反射信號，將相關數(shù)據(jù)進行計算判斷，從而產生聲光報警信號。其中，p1．0一p1．3為紅外傳感器輸入口，p1．4為接觸開關接口，p2.0接聲光報警單元，p2.1—p2.7用于控制兩直流電機， p3．2接超聲波接受傳感器，p3．6接超聲波發(fā)射傳感器。P3.0和p3.7用于控制機械手電機。如圖4-2所示。 4.2 紅外檢測電路的設計 當檢測到黑線時，紅外光管接收到反射回來的紅外光，其輸出立即發(fā)生高低電平跳變，該信號經(jīng)放大整形后送單片機分析處理。為保證小車延黑線行駛，采用了三個檢測器并行排列。在小車行走過程中，若向左方向稍微偏離黑線，則右側和中間的探頭就會檢測到黑線，把信號傳給單片機，單片機控制車頭稍微向右轉。若小車嚴重偏離線路時，只有右側探頭可以檢測到黑線，單片機控制轉向電機。傳感器布局圖如所示。 圖4-3傳感器布局 如圖所示，整個傳感器布局一字狀。中間黑線即為跑道中央黑線，在小車頭（路 面黑線處布局了三個傳感器），用來判斷小車是否處于軌道的狀態(tài)。其檢測結果與偏移的邏輯表如下： 表4-1 傳感器檢測邏輯表 傳感器A測試值 傳感器B測試值 傳感器C測試值 偏離情況 0 1 0 沒偏 1 1 0 微左偏 0 1 1 微右偏 0 0 1 嚴重左偏 0 0 0 嚴重右偏 路面黑線檢測電路如圖所示： 圖4 -4 路面黑線檢測電路 4.3 超聲波測距的硬件設計 4.3.1超聲波測距的原理 單片機發(fā)出超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波, 從而測出發(fā)射和接收回波的時間差t，然后求出距離 S=ct/2 (4-1) 式(4-1)中的c為超聲波在空氣中傳播的速度。 限制該系統(tǒng)的最大可測距離存在四個因素：超聲波的幅度、反射物的質地、反射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對聲波脈沖的直接接收能力將決定最小可測距離。為了增加所測量的覆蓋范圍，減少測量誤差，可采用多個超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射/接收的設計方法。由于超聲波發(fā)球聲波范圍，其波速c與溫度有關，表1-1列出了幾種不同溫度下的波速。 表4-2 聲速與溫度的關系 溫度(℃) －30 －20 －10 0 10 20 30 100 聲速(m/s) 313 319 325 323 338 344 349 386 波速確定后，只要測得超聲波往返的時間t，即可求得距離S。其系統(tǒng)原理框圖如圖4-5所示。 圖4-5 超聲波測距系統(tǒng)框圖 單片機AT89C51發(fā)出短暫的40kHz信號，經(jīng)放大后通過超聲波換能器輸出；反射后的超聲波經(jīng)超聲波換能器作為系統(tǒng)的輸入，鎖相環(huán)對此信號鎖定，產生鎖定信號啟動單片機中斷程序，讀出時間t，再由系統(tǒng)軟件對其進行計算、判別后，相應的計算結果。 由單片機AT89C51編程產生40kHz的方波，由P3.6口輸出，再經(jīng)過放大電路，驅動超聲波發(fā)射探頭發(fā)射超聲波。發(fā)射出去的超聲波經(jīng)障礙物反射回來后，由超聲波接收頭接收到信號，通過接收電路的檢波放大、積分整形及一系列處理,送至單片機。單片機利用聲波的傳播速度和發(fā)射脈沖到接收反射脈沖的時間間隔計算出障礙物的距離,并由單片機控制顯示出來。 該測距裝置是由超聲波傳感器、單片機、發(fā)射/接收電路和LED顯示器組成。傳感器輸入端與發(fā)射接收電路相連,接收電路輸出端與單片機相連接,單片機的輸出端與顯示電路輸入端相連接。其時序圖如圖4-6所示。 圖4-6 時序圖 單片機在T0時刻發(fā)射方波，同時啟動定時器開始計時，當收到回波后，產生一負跳變到單片機中斷口，單片機響應中斷程序，定時器停止計數(shù)。計算時間差，即可得到超聲波在媒介中傳播的時間t，由此便可計算出距離。 4.3.2 超聲波發(fā)射電路 超聲波發(fā)射電路原理圖如圖4-8所示。發(fā)射電路主要由反相器74LS04和超聲波發(fā)射換能器T構成，單片機P1.0端口輸出的40kHz的方波信號一路經(jīng)一級反向器后送到超聲波換能器的一個電極，另一路經(jīng)兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個電極，用這種推換形式將方波信號加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強度。輸出端采兩個反向器并聯(lián)，用以提高驅動能力。上位電阻R1O、R11一方面可以提高反向器74LS04輸出高電平的驅動能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時間。 圖4-7 74LS04芯片內部結構圖 圖4-8超聲波發(fā)射電路原理圖 壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波換能器內部有兩個壓電晶片和一個換能板。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片會發(fā)生共振，并帶動共振板振動產生超聲波，這時它就是一個超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極問未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉換為電信號，這時它就成為超聲波接收換能器。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結構上稍有不同，使用時應分清器件上的標志。 4.3.3 超聲波檢測接收電路 集成電路CX20106A是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率38 kHz與測距的超聲波頻率40 kHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路(如圖)。實驗證明用CX20106A接收超聲波(無信號時輸出高電平)，具有很好的靈敏度和較強的抗干擾能力。適當更改電容C4的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。 圖4-9 超聲波檢測接收電路 4.4 搬用物檢測電路 搬用電路采用自制接觸開關，其電路圖如下： 圖4-10 接觸開關電路示意圖 4.5 電機驅動電路 直流電機驅動采用恒壓恒流橋式2A驅動芯片L298N，L298是SGS公司的產品，比較常見的是15腳Multiwatt封裝的L298N，內部同樣包含4通道邏輯驅動電路。可以方便的驅動兩個直流電機，或一個兩相步進電機。L298N可接受標準TTL邏輯電平信號VSS，VSS可接4．5～7 V電壓。4腳VS接電源電壓，VS電壓范圍VIH為＋2．5～46 V。輸出電流可達2．5 A，可驅動電感性負載。1腳和15腳下管的發(fā)射極分別單獨引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號。L298可驅動2個電動機，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之間可分別接電動機，本實驗裝置我們選用驅動一臺電動機。5，7，10，12腳接輸入控制電平，控制電機的正反轉。EnA，EnB接控制使能端，控制電機的停轉。表1是L298N功能邏輯圖。 圖4-11 L298內部功能模塊 表4-3 L298控制邏輯表 Eab In1 In2 運轉狀態(tài) 0 - - 停止 1 1 0 正轉 1 0 1 反轉 1 1 1 剎車 1 0 0 停止 In3，In4的邏輯圖與表1相同。由表1可知EnA為低電平時，輸入電平對電機控制起作用，當EnA為高電平，輸入電平為一高一低，電機正或反轉。同為低電平電機停止，同為高電平電機剎停。 下圖是其引腳圖： 圖4-12 L298芯片引腳圖 圖4-13 L298控制兩電機示意圖 1、15腳是輸出電流反饋引腳，其它與L293相同。在通常使用中這兩個引腳也可以直接接地。上圖是其與51單片機連接的電路圖。 4.6 電源模塊設計 電源模塊采用三端穩(wěn)壓集成電路7805，從電池供電端，將9V電壓穩(wěn)壓到5V。7805是我們最常用到的穩(wěn)壓芯片了，他的使用方便，用很簡單的電路即可以輸入一個直流穩(wěn)壓電源,他的輸出電壓恰好為5v，剛好是51系列單片機運行所需的電壓，他有很多的系列如ka7805，ads7805，cw7805等，性能有微小的差別,用的最多的還是lm7805,下面我簡單的介紹一下他的3個引腳以及用它來構成的穩(wěn)壓電路的資料。 圖4-14 7805引腳圖 其中1接整流器輸出的+電壓，2為公共地(也就是負極)，3就是我們需要的正5V輸出電壓了。 圖4-15 電源模塊電路圖 4.7 報警電路設計 報警電路采用三極管開關功能，控制蜂鳴器發(fā)聲和指示燈的發(fā)光，其電路圖如下： 圖4-16 報警模塊電路圖 5 系統(tǒng)軟件的設計 5.1 編程思路及總流程圖 5.1.1總流程圖 Y Y Y N N 開始 程序初始化 送初值 開中斷 巡線檢測 障礙物檢測 是否有搬運物標記？ 是否有彎道標記？ 是否有障礙物？ 檢測標志計數(shù)為奇？ 檢測標志計數(shù)為奇？ 距離小于30cm 是否有搬運物？ 驅動電機減速 停機報警 停車20秒機械手動作 加速 停車20秒機械手動作 停機等待 Y Y N N N Y Y N N 圖5-1 總流程圖 5.1.2 程序設計思路 移動小車在開始工作時，調運巡線子程序，至于小車前端的三個紅外傳感器檢測識別黑色軌道，并引導小車順著軌道運行，同時超聲波檢測障礙的程序也用來檢測軌道前方路面情況，如果30cm以內用障礙物，小車停止報警；否則，小車繼續(xù)行駛。在軌道上，設置了用于定位的不同標志，用來識別搬用地點和彎道，當小車移動到搬用物標志處，小城停下來判斷是否有搬運物，有則啟動機械手搬用，否則停止；在小車識別到時彎道標志時減速運行，如此循環(huán)，直到完成任務。 5.2 超聲波測距的算法設計 ???? 超聲波測距的原理為超聲波發(fā)生器T在某一時刻發(fā)出一個超聲波信號，當這個超聲波遇到被測物體后反射回來，就被超聲波接收器R所接收到。這樣只要計算出從發(fā)出超聲波信號到接收到返回信號所用的時間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。距離的計算公式為：? d=s/2=(c×t)/2 其中，d為被測物與測距儀的距離