【正文】 人應(yīng)能保護(hù)自己的生存，只要這種防護(hù)行為不與第一或第二定律相矛盾。本次設(shè)計通過四個部分來實現(xiàn)機(jī)器龜?shù)幕竟δ堋鞲衅鞑糠?，避障傳感器我選擇的是紅外傳感器，趨光傳感器我選擇的是光敏電阻，機(jī)器龜?shù)囊捠称鋵嵕褪钱?dāng)它本身要沒有電的時候自動去尋找陽光充電。四個紅外傳感器，兩個光敏電阻的測量電路分別與單片機(jī)連接，四個紅外傳感器用于檢測障礙物，光敏電阻用于檢測光強(qiáng)，單片機(jī)通過根據(jù)紅外傳感器，光敏電阻輸入的信號來控制電機(jī)，進(jìn)而控制驅(qū)動足。 （ 2） 初步掌握機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)原理、基于智能機(jī)器人的控制理論，并 應(yīng)用于所設(shè)計的機(jī)器人中 。 發(fā)揮部分 遇到障礙物時 LED 等報警。 一般而言， 在 崎嶇的山路上，適合選擇履帶式行走機(jī)構(gòu)；在沙漠中，適合選用足步式行走機(jī)構(gòu)；在相對平坦的道路上，適合選擇車輪式行走機(jī)構(gòu)。對機(jī)器龜來說，最基本的就是輪子。但是人們很容易的就認(rèn)識到兩輪車的速度、傾斜等物理量精度不高，而進(jìn)行機(jī)器人化，所需簡單、便宜、可靠性高的傳感器也很難獲得。較三輪車體來說，四個輪子可以更好地支撐龜體，行走穩(wěn)定，當(dāng)重心偏移時，左右晃動小。 但是， 液壓驅(qū)動方式也有不足之處， 由于油液的粘度隨著溫度的變化而變化 ，影響工作性能，高溫容易引起燃燒爆炸等危險；另外液體的泄露難于克服，要求液壓元件有較高的精度和質(zhì)量，故造價比很高。另外，還有一個嚴(yán)重的問題是，壓縮空氣的排水問題如果處理不當(dāng)會使鋼類零件生銹，導(dǎo)致機(jī)器人失靈。電動機(jī)驅(qū)動又分為直流電動機(jī)、步進(jìn)電動機(jī)和伺服電動機(jī)。每來一個電脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)動一個角度，帶動機(jī)械移動一小段距離。 其中，高速轉(zhuǎn)動的直流馬達(dá)提供了原始動力，帶動變速（減速）齒輪組，使之產(chǎn)生高扭力的輸出，齒輪組的變速比愈大，伺服馬達(dá) 的輸出扭力也愈大，也就是說越能承受更大的重量。定子是固定在機(jī)身的圓桶狀部分，一般由永磁材料或能產(chǎn)生磁場的線圈制成。如果要想實現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，那么就用 H 橋電路，通過 H 橋電路就可以實現(xiàn)直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。好比人的眼睛、耳朵等感覺器官。 光敏電阻是一種重要的光電轉(zhuǎn)換器件 ， 它 是基于內(nèi)光電效應(yīng)的光電元件 ， 在光照作用下能使物體的電導(dǎo)率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)。因此選擇 合適的測障傳感器是非常重要的 常用的避障傳感器 有以下幾種 : 方案一： 接觸式傳感器 — 碰撞開關(guān)。并且使用時間較長后容易發(fā)生機(jī)械疲勞，無法繼續(xù) 正常工作。而且超聲波傳感器價格比較昂貴。 方案四： 紅外傳感器。 傳感器由紅外 線發(fā)射電路和接受電路 組成。 適合機(jī)器人的控制芯片有很多：單片機(jī)、 DSP、甚至我們計算機(jī)上所用的 CPU，都可以。 在本次設(shè)計中，機(jī)器龜?shù)目刂葡到y(tǒng)采用 匯編 語言編程 ，整個軟件程序主要由主程序、初始化程序、躲避障礙物子程序、尋光子程序、充電子程序和轉(zhuǎn)彎子程序，還有前進(jìn)子程序等組成。給我的設(shè)計帶來了很大的方便。 +5V 穩(wěn)壓電源電路如圖 41 所示。它所用的材料主要有：硒、硫化鎘、硫化鋁、硫化鉍、硒化鎘、硒化鋅、砷化鎵、硅等。光敏電阻的主要特點(diǎn)是：靈敏度高、體積小、重量輕、電性能穩(wěn)定、可以交直流兩用，而且制 造工藝簡單，價格便宜等。 光敏電阻與其他半導(dǎo)體光電器件相比，有以下特點(diǎn)，光譜 響應(yīng)范圍相當(dāng)寬，工作電流大，所測得光電強(qiáng)度范圍寬，既可測強(qiáng)光也可測弱光，靈敏度高，無選擇極性之分。 光敏電阻的測量電路 機(jī)器龜?shù)膶す怆娐啡鐖D 43 所示。 當(dāng) 左 側(cè) 的 光 強(qiáng)大于 右 側(cè)的光強(qiáng)時，光敏電阻 R3 的阻值將變小， 所分的電壓也將變小， 那么與它相連的固定 電阻 R6 所分的電壓將變大， 這時電壓比較器將會輸出一個低電平信號。 紅外式接近覺傳感器的基本工作原理：它包括兩個組成部分 —— 發(fā)送器與接收器。紅外式接近傳感器的明顯優(yōu)點(diǎn)是在于它的發(fā)送器與接收器都很小，因此可以方便安裝在機(jī)器人的各個部位。 紅外傳感器由兩個紅外發(fā)射管和一個紅外接收管組成。發(fā)射電路使用 555 時基電路組成的脈沖發(fā)生器 ， 其工作頻率為 38kHz， 占空比為 60%。 檢測器使用一個標(biāo)準(zhǔn)的 38kHz 的電視遙控接收器。在紅外發(fā)光二極管和檢測器之間加裝金屬隔板后 ， 問題得到解決。有一個電壓比較器比較電池電壓與太陽能板的壓差，如果壓差高于某值，沈陽工程學(xué)院課程設(shè)計（論文） 12 比較器控制三極管導(dǎo)通，太陽能電池板對充電電池充電。 L298 是一塊單片集成電路，有兩種封裝形式，它 是雙 H 橋高電壓大電流功率集成電路，可以用來驅(qū)動 2 個直流電動機(jī)，也 可以驅(qū)動感性負(fù)載，如繼電器、電動閥、步進(jìn)電動機(jī)等。 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，其典型電路形式如右圖 45 所示 ： MABCDV CC 圖 45 典型的 H橋電路 （ 1） 開關(guān) A、 D 接通，電機(jī)為正向轉(zhuǎn)動； （ 2） 開關(guān) B、 C 接通時，直流電機(jī)將反向轉(zhuǎn)動； 仿生機(jī)器龜設(shè)計 13 （ 3） 剎車 —— 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(yùn)動的反電勢，形成 “ 剎車 ” 作用； （ 4） 惰行 —— 4 個開關(guān)全部斷開，則電機(jī)慣性所產(chǎn)生的電勢將無法形成電路，從而也就不會產(chǎn)生阻礙運(yùn)動的反電勢，電機(jī)將慣性轉(zhuǎn)動較長時間。 L298 采用由達(dá)林頓管組成的 H 型 PWM 電路。 和 是控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)的，分別連在 LM298 的 IN2 和 IN4 兩個輸入端。 本次設(shè)計的機(jī)器龜就是一個機(jī)器生命， 機(jī)器生命就是一個能自主生存的機(jī)器，一個自動為生存下去而奮斗的機(jī)器。它能自主尋光、覓食和避障等功能。 在我的設(shè)計中我選擇直流電動機(jī)，直流電機(jī)最常用的驅(qū)動電路是 H橋電路，但是考慮如果用硬件來完成 H橋電路的搭建非常麻煩，而且所占的空間也大，所以在我的設(shè)計中選擇了集成的驅(qū)動芯片 LM298，這款芯片內(nèi)部集成了 H橋電路，就不用再自己搭配了。 只要兩個輪子的速度不同就能轉(zhuǎn)向了，轉(zhuǎn)向是利用單片機(jī)編程來實現(xiàn)的。 沈陽工程學(xué)院課程設(shè)計（論文） 16 7 元器件清單 名稱 型號 數(shù)量 備注 普通 電阻器 10 光敏電阻 2 紅外傳感器 4 電解電容 2 整流二極管 1N4004 12 發(fā)光二極管 1 LED LM298 1 直流電機(jī) 2 電源 1 5V 集成穩(wěn)壓器 LM7805 單片機(jī) C8051f020 1 變壓 器 1 仿生機(jī)器龜設(shè)計 17 8 主要元器件介紹 光敏電阻 CdS 的介紹 以硫化鎘（ CdS）為主要成分的光敏電阻是應(yīng)用廣泛的一種光敏，它是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)，即當(dāng)光照射在硫化鎘 半導(dǎo)體表面上時 ，半導(dǎo)體內(nèi)的載流子增加，使其電導(dǎo)率增加。紅外傳感器主要是利用被測物體熱輻射而發(fā)出紅外線，從而測量物體的溫 度，可進(jìn)行遙控。 熱敏型主要制作紅外溫度傳感器，它是利用紅外輻射的熱效應(yīng)制成的，其核心是熱敏元件。 C8051 系列單片機(jī)是真正能獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)（ SOC）。采用 L298作為電動機(jī)驅(qū)動電路，可靠性高，可以方便地控制電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)。 仿生機(jī)器龜設(shè)計 19 參考文獻(xiàn) [1] 杜軍平，吳立成 .人工智能機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論 .北京：電子工業(yè)出版社， 2020 [2] 方建軍，何廣平 .智能機(jī)器人 .北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 2020 [3] 劉榮 .機(jī)器人探索工程實踐指南 .北京：電子工業(yè)出版社， 2020 [4] 陳懇，楊向東 ， 劉莉 .機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用 .北京：清華大學(xué)出版社， 2020 [5] 山名宏治 .玩具機(jī)器人制作 .北京：科學(xué)出版社， 2020 沈陽工程學(xué)院課程設(shè)計（論文） 20 附錄 TR2G N D1CO5O U T3D7U c c8TH6T L C 555R231L M 7805C1100 uC2470 uDL E DR01K1234P 0. 0P 0. 1P 0. 2P 0. 3P 0. 4P 0. 5P 0. 6P 0. 7R E S E TV c cP 1. 0P 1. 2P 1. 3P 1. 4P 1. 5P 1. 6P 1. 7P 1. 1C 80 51D1D2R 16D3D4220 v10n F v2KR b= 15K1nFR a = K+ 5v322 5N P NG N DR?P O T 2 uF K KG N DV C CC dSC dSR6R5R?P O T 2+ 5vG N DI N 1I N 2I N 3I N 4E N AE N BG N DV s sVsO U T 1O U T 2O U T 3O U T 4I S E N AI S E N BL M 298571012611894231413115D8D I O D ED4D I O D ED3D I O D ED5D I O D ED7D I O D ED6D I O D ED9D I O D ED 1 0D I O D E uF uF+100 uF+10u FG N DG N DG N D+ 5v+ 5vG N DP 1. 0P 1. 1P 1. 2P 1. 3 。最大靜態(tài)工作電流是 70mA。 沈陽工程學(xué)院課程設(shè)計（論文） 18 LM298 的簡介 L298 是雙通道直流電動機(jī)驅(qū)動芯片，它可以滿足機(jī)器龜正反轉(zhuǎn)控制的需要。內(nèi)其內(nèi)部包括過熱、過流和調(diào)整管保護(hù)等電路，誤差放大電路，基準(zhǔn)電壓電 路和調(diào)整電路，使用比較方便且穩(wěn)定精度高。 紅外傳感器主要分為光電型和熱敏型。 光敏電阻與其他半導(dǎo)體光電器件相比，有以下特點(diǎn)，光譜響應(yīng)范圍相當(dāng)寬，工作電流大，所測得光電強(qiáng)度范圍寬，既可測強(qiáng)光也可測弱光，靈敏度高，無選擇極性之分。機(jī)器龜在行進(jìn)過程中，四個紅外傳感器同時感知四周的障礙物信息，當(dāng)機(jī)器龜前部的紅外傳感器感知到障礙物時，準(zhǔn)備轉(zhuǎn)彎，此時光敏電阻首先比較左、右兩側(cè)的光強(qiáng)，以使機(jī)器龜向著光線較弱的一側(cè)轉(zhuǎn)彎，如果兩側(cè)光