【正文】 和諧社會的過程中，智能服務(wù)機器人能夠完成考古發(fā)掘，海底揭密，宇宙探索等危險作業(yè)，以保證人身安全。《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》一文指出：智能服務(wù)機器人是在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下為人類提供必要服務(wù)的多種高技術(shù)集成的智能化裝備。以服務(wù)機器人和危險作業(yè)機器人應(yīng)用需求為重點，研究設(shè)計方法、制造工藝、智能控制和應(yīng)用系統(tǒng)集成等共性基礎(chǔ)技術(shù)。重點研究低成本的自組織網(wǎng)絡(luò)，個性化的智能機器人和人機交互系統(tǒng)、高柔性免受攻擊的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和先進(jìn)的信息安全系統(tǒng)。 由于單片機具有多功能、低價位及小型化等優(yōu)勢，它們已被廣泛地應(yīng)用在消 費電子、汽車電子、辦公室自動化、通信及一般工業(yè)產(chǎn)品上。近些年來，單片機技術(shù)的發(fā)展已達(dá)到了相當(dāng)高的水平，一些新型單片機層出不窮，技術(shù)日新月異。傳統(tǒng)單片機（ MCU）主要由外圍部件、微控制器和存儲器構(gòu)成。新型單片機為了更好靈活地適應(yīng)不同領(lǐng)域的應(yīng)用，除了具有這些傳統(tǒng)的數(shù)字功能外，還提供模擬功能，甚至射頻功能，它們不僅是可編程的，而且是可動態(tài)重構(gòu)的。它們是具有 PsoC 或 SoPC 特性的、真正的單片機。做單片機項目開發(fā)，首先應(yīng)該關(guān)注的是項目的功能和性能要求，即做需求分析 .通過需求分析 ,明確實現(xiàn)這些功能和性能指標(biāo)所需芯片的 功能和結(jié)構(gòu)資源、綜合成本核算和產(chǎn)品集成度等要求，才能從琳瑯滿目、特色各異的芯片中選擇合適的貨架產(chǎn)品。 2022━ 2020 年，既是國家中長期技術(shù)發(fā)展計劃實現(xiàn)階段，也是我們最具有活力和最激情洋溢的時段。于是，我們五個人認(rèn)識到自己的位置，都對智能機器人的研發(fā)和制作有著強烈的好奇心，有著共同愛好和理想，想用自己的青春和智慧揮寫這段煥發(fā)青春活力的樂譜。 隨著生產(chǎn)自動化的發(fā)展，機器人已經(jīng)越來越廣泛地應(yīng)用到生產(chǎn)自動化上，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機器人的感覺傳感器種類越來越多，其中視覺傳感器成為自動行走和駕駛的重要部件。視覺的 典型應(yīng)用領(lǐng)域為自主式智能導(dǎo)航系統(tǒng)，對于視覺的各種技術(shù)而言圖像處理技術(shù)已相當(dāng)發(fā)達(dá)，而基于圖像的理解技術(shù)還很落后，機器視覺需要通過大量的運算也只能識別一些結(jié)構(gòu)化環(huán)境簡單的目標(biāo)。視覺傳感器的核心器件是攝像管或 CCD，但其價格、體積和使用方式上并不占優(yōu)勢，因此在不要求清晰圖像只需要粗略感覺的系統(tǒng)中考慮使用接近覺傳感器是一種實用有效的方法。 機器人要實現(xiàn)自動導(dǎo)引功能和避障功能就必須要感知導(dǎo)引線和障礙物，感知導(dǎo)引線相當(dāng)給機器人一個視覺功能。故對機器人的研究已成為必要。 智能循線和避障是基于智能導(dǎo)引小車系統(tǒng)，采用紅外傳感 器實現(xiàn)小車速度檢測，判斷并檢測障礙物。本文對智能小車的循線，避障以及速度的采集進(jìn)行了研究。 東華理工大學(xué)大學(xué)生科技創(chuàng)新基金項目 第一章 方案設(shè)計與論證 總體方案選擇 本設(shè)計的小車具有自動避障，路面尋線的功能，小車在運行過程中，能夠顯示當(dāng)前的運行模式（避障模式和尋線模式），小車設(shè)有 0~9 檔共十個檔位的速度調(diào)節(jié)并能顯示當(dāng)前的檔位，并且在運行過程中能夠?qū)崟r顯示速度，而且本小車還設(shè)有兩種模式自動切換的功能。 由題目分析可得：本設(shè)計需要一個由控制器模塊、尋線前進(jìn)模塊、紅外避障模塊、電機驅(qū)動模塊、電源模塊等幾部分組成的系統(tǒng) 來實現(xiàn)題目要求。為實現(xiàn)本系統(tǒng)的功能，下面分別對幾種不同的設(shè)計方案進(jìn)行了具體的分析論證。 方案一：避障模式時，使用超聲波進(jìn)行避障。把超聲波模塊裝在小車上，通過超聲波接收到的信號，判斷出障礙物的位置情況來進(jìn)行多個方向的避障，在行進(jìn)過程中，小車對前方障礙物進(jìn)行檢測并根據(jù)障礙物情況進(jìn)行相應(yīng)轉(zhuǎn)彎，進(jìn)行相應(yīng)方向轉(zhuǎn)彎重復(fù)前邊的行進(jìn)過程，尋線模式時，通過光電傳感器傳回的信息，判斷小車是否偏離軌跡，再作出相應(yīng)的處理，在軌跡上行走中。小車采用雙電機驅(qū)動，根據(jù)速度差實現(xiàn)小車的前進(jìn)和轉(zhuǎn)彎。 方案二：避障模式時，在小車左前、前、右前 、左后、后、右后各安裝一個紅外傳感器，當(dāng)小車處于前進(jìn)狀態(tài)時，對前方 3 個紅外傳感器傳送的信號進(jìn)行檢測分析，當(dāng)有傳感器檢查到信號時，進(jìn)行停車處理并根據(jù)檢測到的信號情況進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)彎后退，后退 3S 后自動前進(jìn)，在后退的過程中對后 3個紅外線傳感器進(jìn)行信號檢測，若檢測到信號，就立即剎停后前進(jìn)。尋線模式時，單片機根據(jù)兩排尋線的紅外線傳感器采集的信號情況進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)彎使小車保持在黑線中央行進(jìn)。尋線過程中打開前面的紅外傳感器，時時檢測，防止小車碰到附近的墻壁。 兩個方案比較，方案一的超聲波傳感器受環(huán)境的影響較大，故放棄 了此種方案。而方案二，采用普遍應(yīng)用的傳感器采集信號，且舵機控制方向精準(zhǔn)、反映速度快、轉(zhuǎn)彎平緩靈活等優(yōu)點，故選擇了方案二。這種方案能實現(xiàn)對電動車的運動狀態(tài)進(jìn)行實時控制，控制靈活、可靠，精度高，可滿足對系統(tǒng)的各項要求。 各模塊方案選擇與論證 控制器模塊 單片機控制模塊在本系統(tǒng)中處于核心地位，其工作包括采集傳感器的信號，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，控制執(zhí)行機構(gòu)的運行等。對單片機控制模塊的基本要求是具有較高的速度、資源配置滿足要求。 方案一：采用傳統(tǒng)的 8 位 89C51 單片機作為運動物體的控制核心。經(jīng)典 51 單片機具有價格低廉，使用簡單等特點，但其運算速度低，功能單一，外圍模塊少等缺點。若采用 51 單片機，將增加軟件的設(shè)計難度。 方案二：采用 8 位單片機 PIC16F877A 作為小車運動的控制中心。 PIC16F877A 具有豐富的硬件資源： RAM， ROM 空間大、指令周期短、運算速度快、低功耗、低電壓、外圍功能模塊多，單片機 PIC16F877A的晶振頻率為 4MHz，最高運算速度可達(dá) 20MHz；有 8K 的 FLASH， 5V 供電，兩個 8 位和一個 16 位的可編程定時 /計數(shù)器，可以自動設(shè)置預(yù)設(shè)處置，具有運行 / 睡眠方式，并且芯片自帶看 門狗維護功能。程序具有易于編寫和調(diào)試等優(yōu)點。綜合考慮，采用方案二。 避障系統(tǒng) 東華理工大學(xué)大學(xué)生科技創(chuàng)新基金項目 方案一：采用超聲波避障，超聲波受環(huán)境影響較大，電路復(fù)雜，而且墻壁對超聲波的反射，會影響系統(tǒng)對障礙物的判斷。 方案二：采用紅外傳感器避障（包括發(fā)射管和接收管），紅外線發(fā)射管發(fā)射信號，發(fā)射出的紅外線遇到障礙物反射，紅外線接受管對反射回的信號處理，經(jīng)高低電平轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號送入單片機進(jìn)行處理，完成避障功能。 外界對紅外信號的干擾較小，易于實現(xiàn)，故采用方案二。 尋線系統(tǒng) 紅外檢測模塊用以實現(xiàn)小 車沿著場地上標(biāo)出的黑色路線運動。題目中路徑和周圍場地黑白對比明顯，可用傳感器來感知前進(jìn)軌跡。 方案一：可見光發(fā)光二極管與光敏二極管組成得發(fā)射 — 接收電路。這種方案的缺點在于其他環(huán)境光源會對光敏二極管工作產(chǎn)生很大干擾，環(huán)境要求比較高。外界環(huán)境條件改變，很可能造成誤判和漏判，因此沒有采用這個方案。 方案二：采用紅外線傳感器。當(dāng)紅外線照射到下方的場地會發(fā)生反射，由于黑色膠皮和白色膠皮的反射系數(shù)不同，紅外線傳感器可根據(jù)接收到的反射光強弱判斷是否有黑線?？墒褂秒p排反射式紅外線傳感器控制，達(dá)到更高的控制精度。 綜合考慮， 選擇了抗干擾能力強且易于實現(xiàn)的紅外線電傳感器，即確定方案二。 本系統(tǒng)采用雙排傳感器作為尋線系統(tǒng)的信號采集，目前，大多數(shù)智能車采用單排傳感器的道路檢測方式，這種方式獲得的道路信息少，對智能車的狀態(tài)和道路的狀況都不能很好地區(qū)別，造成控制上的麻煩。為了彌補不足，形成了大前瞻的單排傳感器的道路檢測方式，這種方式檢測的距離更遠(yuǎn)，能夠更早地判斷出道路的走向，在一定程度上彌補了檢測精度低的缺點，但也無法有效地區(qū)分智能車狀態(tài)與道路狀況。 比賽的車?？蛇x用攝像頭或傳感器的方式進(jìn)行道路信息檢測，我們的車模采用的是雙排紅外的 循跡方式，采用大前瞻雙排傳感器可以得到更多的賽道信息，更早地采取策略處理，形成更好的行車軌跡。是采用復(fù)雜的攝像頭方案的一種替代方式。 可以在直道中實現(xiàn)穩(wěn)定控制，加速順暢的能力；在 S 彎中以小曲線的方式前進(jìn)，減少行進(jìn)路線和舵機調(diào)整次數(shù)。在大彎中實現(xiàn)提前轉(zhuǎn)彎，切內(nèi)彎的效果。尤其是在轉(zhuǎn)彎方面，通過前后排共同對彎道的預(yù)測，達(dá)到延伸物理識別距離的能力，從而做出提前的動作，減少由于檢測距離近而帶來的負(fù)面影響，達(dá)到上述效果。傳感器陣列布局如圖 11 所示，圖中僅以接受管示意傳感器位置。 圖 11 傳感器陣列布局 布局方式說明：前排傳感器伸出距離較遠(yuǎn)，小車中心偏離黑線后，會在前排傳感器上產(chǎn)生較大偏東華理工大學(xué)大學(xué)生科技創(chuàng)新基金項目 移量。后排傳感器伸出距離較近，小車中心偏離黑線后，會在后排傳感器上產(chǎn)生較小偏移量。利用前后排傳感器對小車偏移時不同的敏感度對小車進(jìn)行控制。為了使前后排體現(xiàn)出更明確的分工和采集到更遠(yuǎn)處的信息，我們把前排傳感器傾斜約 45176。角，使前排的前瞻距離更大，更能體現(xiàn)出前排的優(yōu)勢和特點。 直道識別方式、控制策略：采用此種方式布局雙排紅外，對于直道的判別方法可有以下 5 種物理方式，每種方式應(yīng)用的時機列于后。 圖 12 第一種直道情況 在左轉(zhuǎn)大彎后，出彎時最可能出現(xiàn)的前后排傳感器檢測到黑線時的組合情況。適用于左轉(zhuǎn) 90176。彎、180176。彎。提前得到出彎信息，舵機向左轉(zhuǎn)動較小角度，并在此時采取加速動作，起到彌補前瞻不足的作用。此情況在賽道的 s 彎出現(xiàn)時，不滿足直道的第二種識別方式，故不會加速。 圖 13 第二種直道情況 此情況是對第一種情況的再確認(rèn)，左轉(zhuǎn)大彎并經(jīng)過第一種情況后，再經(jīng)歷此種情況，可確認(rèn)無誤前方為直道，繼續(xù)提升小車的加速能力。控制程序由彎道程序切換到直線穩(wěn)定程序。 東華理工大學(xué)大學(xué)生科技創(chuàng)新基金項目 圖 14 第三種直道情況 此時采取直線 穩(wěn)定控制。由于前兩種情況已經(jīng)明確識別為直道，此種情況只是增加直道識別的成功率。 圖 15 第四種直道情況 與第二種情況類似，對第五種情況的再確認(rèn)，右轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)大彎并經(jīng)過第五種情況后，再經(jīng)歷此種情況，可確認(rèn)無誤前方為直道，繼續(xù)提升小車的加速能力?？刂瞥绦蛴蓮澋莱绦蚯袚Q到直線穩(wěn)定程序。 圖 16 第五種直道情況 東華理工大學(xué)大學(xué)生科技創(chuàng)新基金項目 在右轉(zhuǎn)大彎后，出彎時最可能出現(xiàn)的前后排傳感器檢測到黑線時的組合情況。適用于右轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 90176。彎、 180176。彎。提前得到出彎信息，舵機向右轉(zhuǎn)動較小角度，并在此時采取加速動作，起到彌補前瞻不足的作 用。在賽道的 s 彎出現(xiàn)時，不滿足直道的第二種識別方式，故不會加速。 直道識別，程序輔助確認(rèn)：進(jìn)入彎道后，隨著小車的行進(jìn)，會發(fā)生振蕩，致使出彎時不一定滿足上述 5 種情況。為了提高直道的識別成功率，增加第二種直道判別方法。兩者同時起作用，滿足第一種后經(jīng)過最多 15ms 確認(rèn)是直道。 程序是循環(huán)執(zhí)行，我們的程序執(zhí)行頻率是 2KHz。采用定時中斷 (15ms)的方式，對前排中間 3 個傳感器 (編號為 5)使用 3 個計數(shù)器分別計數(shù)，每次執(zhí)行程序若是其中一個檢測到黑線，相對應(yīng)的計數(shù)器加 1。經(jīng)過計算， 15ms 內(nèi)所能計數(shù)的最大值為 31。我們設(shè)定計數(shù)的最大值，若在 15ms 內(nèi)達(dá)到所要求的計數(shù)值，就認(rèn)為是直道，切換直道程序并將計數(shù)器清零；若 15ms 內(nèi)沒有達(dá)到所要求的計數(shù)值，計數(shù)器清零，重新計數(shù)。例如小車為 2m/s 的速度，小車行進(jìn) 3cm。我們只要判斷 2~ 內(nèi)為直道即可。所以設(shè)最大計數(shù)值為 20~25 即認(rèn)為是直道，跳出彎道程序。 當(dāng)然也可以采用更嚴(yán)格的方法來判斷，只需調(diào)整定時中斷的時間和計數(shù)值即可。此條件在進(jìn)入直道后總能滿足，所以作為第一種直道判別方式的補充，保證直道的穩(wěn)定可靠識別。 直線穩(wěn)定控制策略：小車出彎后，由于舵機的反應(yīng)不靈敏，智能 車會發(fā)生振蕩，隨后才能達(dá)到穩(wěn)定，為了盡早減小振蕩，采用如下方式控制小車出彎后的動作： 在彎道策略中設(shè)置標(biāo)志位，進(jìn)入直線程序后，識別標(biāo)志位，對控制舵機轉(zhuǎn)向的公式采取修正設(shè)置。公式為： q=K1q1+K2q2；其中 q 為最終送給舵機的控制量， q1 為前排光電傳感器的返回轉(zhuǎn)角值， q2 為后排紅外返回轉(zhuǎn)角值。 K K2 分別為前后排傳感器的加權(quán)比例值。 當(dāng)小車從彎道進(jìn)入直道并成功識別出直道后，減小 K1 的值，由于后排傳感器距離小車的前輪 (轉(zhuǎn)向輪 )很近，小車中心偏離黑線時，不會在后排傳感器橫向位置產(chǎn)生很大位移 (相對于前排傳感器 )，故小車在直線上舵機調(diào)整的次數(shù)就會明顯減少，直線的穩(wěn)定性會好。同時，根據(jù)前后排不同傳感器的組合，給出不同的轉(zhuǎn)角策略 (在程序中以列表的方式體現(xiàn) )，近一步提高直線的穩(wěn)定控制能力。 直流調(diào)速系統(tǒng) 方案一：串電阻調(diào)速系統(tǒng)：旋轉(zhuǎn)變流系統(tǒng)由交流發(fā)電機拖動直流電動機實現(xiàn)變流，由發(fā)電機給需要調(diào)速的直流電動機供電，調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁電流即可改變其輸出電壓，從而調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。改變勵磁電流的方向則輸出電壓的極性和電動機的轉(zhuǎn)向都隨著改變，所以 GM 系統(tǒng)的可逆運行是很容易實現(xiàn)的。該系統(tǒng)需要旋轉(zhuǎn)變流機組，至少包含兩臺 與調(diào)速電動機容量相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機，還要一臺勵磁發(fā)電機，設(shè)備多、體積大、費用高、效率低、維護不方便等缺點。且技術(shù)落后，因此擱置不用。 方案二：靜止可控整流器。簡稱 VM 系統(tǒng)： VM 系統(tǒng)是當(dāng)今直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。它可以是單相、三相或更多相數(shù)，半波、全波、半控、全控等類型，可實現(xiàn)平滑調(diào)速。 VM 系統(tǒng)的缺點是晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運行造成困難。它的另一個缺點是運行條件要求高，維護運行麻煩。最后，當(dāng)系統(tǒng)處于低速運行時，系統(tǒng)的功率因數(shù)很低，并產(chǎn)生較大的諧波電流危害附近的用電設(shè)備。