【正文】 ................................................. 12 方案設(shè)計(jì) ......................................................... 12 元器件介紹 ....................................................... 13 超聲波發(fā)射系統(tǒng)電路 ............................................... 20 超聲波接收系統(tǒng)電路 ............................................... 20 相關(guān)軟件、電路模塊和器件清單。由于具有很強(qiáng)的趣味性，智能小車深受廣大機(jī)器人愛(ài)好者以及高校學(xué)生的喜愛(ài)。 本論文介紹的是具有自動(dòng)避障功能的智能 小車的設(shè)計(jì)與制作（以下簡(jiǎn)稱智能小車），論文對(duì)智能小車的方案選擇，設(shè)計(jì)思路，以及軟硬件的功能和工作原理進(jìn)行了詳細(xì)的分析和論述。 ................................... 21 4 超聲波避障系統(tǒng) 的軟件設(shè)計(jì) ........................................... 22 直流電機(jī)控制軟件設(shè)計(jì) ............................................. 23 超聲波測(cè)距模塊軟件設(shè)計(jì) ........................................... 23 超聲波避障技術(shù)軟件設(shè)計(jì) ........................................... 24 軟件與硬件的整合軟件與硬件的整合 ................................. 26 5 超聲波避障系統(tǒng)調(diào)試 ................................................. 26 調(diào)試過(guò)程 ......................................................... 27 問(wèn)題分析 ......................................................... 30 誤差分析 ......................................................... 30 致 謝 ................................................................ 33 參 考 文 獻(xiàn) ........................................................... 34 1 引言 研究背景與意義 隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展 ,自主移動(dòng)機(jī)器人以其活性和智能性等特點(diǎn) ,在人們的生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用來(lái)越廣泛。同時(shí)小車可以作為玩具的發(fā)展對(duì)象，為中國(guó)玩具市場(chǎng)技術(shù)含量的缺乏進(jìn)行一定的彌補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)收益，形成商業(yè)價(jià)值。硬件開(kāi)發(fā)基 STC89S52 微控制器，集成了傳感器電路、信號(hào)處理電路、微控制器外圍電路及電 源電路等；軟件設(shè)計(jì)主要包括測(cè)距算法設(shè)計(jì)和避障算法設(shè)計(jì)。單路測(cè)距系統(tǒng)的角度掃描范圍為 22。全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽每年都設(shè)有智能小車類的題目，由此可見(jiàn)國(guó)家對(duì)高校機(jī)器人研究工作的重視程度。我果科學(xué)家對(duì)機(jī)器人的定義是 ：“ 機(jī)器人是一種自動(dòng)化的機(jī)器，所不同的是這種機(jī)器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動(dòng)作能力、和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動(dòng)化機(jī)器。 障礙物檢測(cè)是智能 移動(dòng) 機(jī)器人、智能 汽車 對(duì)周邊環(huán)境感知技術(shù)研究領(lǐng)域中的重要方面 。 20 世紀(jì) 60 年代以來(lái)，弧焊點(diǎn)焊 氣焊 、機(jī)械 設(shè)備 加工、噴涂 刻畫 、 設(shè)計(jì) 裝配、檢測(cè)等各種 類型 ，各種用途 的機(jī)器人相繼出現(xiàn) ， 并迅速在工業(yè)生產(chǎn)中 實(shí)現(xiàn)流水線批量生產(chǎn) ，這大大提高了各種產(chǎn)品的 標(biāo)準(zhǔn)型 和質(zhì)量。自主式移動(dòng)機(jī)器人的 設(shè)計(jì) 目標(biāo)是在沒(méi)有人的 參與控制 且無(wú)需對(duì)環(huán)境作任何規(guī)定和改變的條件下，有目的的移動(dòng) 并 完成相應(yīng) 設(shè)定 任務(wù)。因此單從系統(tǒng)硬件層次上講，移動(dòng)機(jī)器人必須具有豐富的傳感器、功能強(qiáng)大的控制計(jì)算機(jī)以及靈活和精確的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。通過(guò)軟件內(nèi)部校準(zhǔn)優(yōu)化消除外部物理?xiàng)l件造成的誤差從而 達(dá)到對(duì)障礙物的較準(zhǔn)確定位。 超聲波避障技術(shù) 就是利用超聲波來(lái)檢測(cè)機(jī)器人的前方是否有障礙物，機(jī)器人的前方你要放一個(gè)超聲波發(fā)生器、一個(gè)超聲波接收器，當(dāng)超聲波發(fā)生器發(fā)出去的聲波遇到障礙物時(shí)，這些聲波就會(huì)被反射回來(lái)，這時(shí)就利用超聲波接收器接受被反射回來(lái)的聲波，然 后再在機(jī)器人身上面按裝一個(gè)聲波轉(zhuǎn)化器，就是把反射回來(lái)的聲波轉(zhuǎn)化成其他的信號(hào)。 輸入輸出的模糊語(yǔ)言：模糊控制器的輸入?yún)?shù)是機(jī)器人六個(gè)超聲傳感器檢測(cè)到的距離信號(hào)。距離信號(hào)的模糊語(yǔ)言集合如下： {近，中，遠(yuǎn) }設(shè)定其相應(yīng)的語(yǔ)言變量，并記作： ND(near distance)= 近 MD(middle distance)= 中 LD(long distance)= 遠(yuǎn) 超聲波的傳播特性 超聲波的傳播特性有以下幾點(diǎn)： a)超聲波的束射性：由于超聲波頻率很高，所以方向性就相對(duì)要強(qiáng)，方向性即柬射性。 c）透射、反射和折射：在兩種不同媒質(zhì)的分界面上，會(huì)出現(xiàn)類似于光線一樣的透射、反射和折射現(xiàn)象，普通聲波也有此性質(zhì)。實(shí)驗(yàn)證明：在頻率為 1MHz— 15MHz 范圍內(nèi) ,超聲波在人體軟組織中的吸收系數(shù)與超聲頻率成正比 ,如血液的吸收系數(shù)隨著超聲頻率的增高而增大。本論文硬件設(shè)計(jì)采用超聲波往返時(shí)間檢測(cè)法，其原理為：超聲波發(fā)生器 T1 在某一時(shí)刻發(fā)出一個(gè)超聲波信號(hào)，當(dāng)這個(gè)超聲波遇到被測(cè)物體后反射回來(lái)，就被超聲波接收器 T2所接收到。 其中 d 為被測(cè)物與測(cè)距器的距離， s 為聲波的來(lái)回的路程， c 為聲速， t 為聲波來(lái)回所用的時(shí)間。使用的 12MHz 晶體作時(shí)鐘基準(zhǔn)的 89C52單片機(jī) 定時(shí)器 能方便的計(jì)數(shù)到 1μ s 的精度，因此系統(tǒng)采用 89C52 定時(shí)器能保證時(shí)間誤差在 1mm 的測(cè)量范圍內(nèi)。 圖 基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)框圖 這種以單片機(jī)為核心的超聲波測(cè)距系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)記錄超聲波發(fā)射的時(shí)間和收到反射波的時(shí)間。 超聲波的衰減 超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著距離的增加，能量逐漸減小的現(xiàn)象叫做超聲波的衰減。由于晶粒排列不規(guī)則，聲波在斜傾的界面上 發(fā)生反射、折射及波型轉(zhuǎn)換（統(tǒng)稱散射），導(dǎo)致聲波能量的損耗。 3 超聲波避障系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 方案概述 本小車使用 STC89C52 單片機(jī)作為主控芯片，它通過(guò)超聲波測(cè)距來(lái)獲取小車距與障礙物的距離小于 30cm 時(shí)，小車轉(zhuǎn)彎以避 開(kāi)障礙物，并且此時(shí)蜂鳴器報(bào)警在避開(kāi)障礙物后，小車會(huì)沿直線前進(jìn)。單片機(jī)通過(guò) 引腳經(jīng)反相器來(lái)控制超聲波的發(fā)送，然后單片機(jī)不停的檢 測(cè) INT0 引腳，當(dāng) INT0 引腳的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)就認(rèn)為超聲波已經(jīng)返回。 圖 超聲波測(cè)距器系統(tǒng)框圖 單片微型計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱單片機(jī)，特別適用于控制領(lǐng)域，故又稱為微控制器(Microcontroller)。原理圖如 所示。 b)工作電壓： ～ （ 5V 單片機(jī)） /～ （ 3V 單片機(jī)）。 f)通用 I/O 口 （ 32 個(gè)） 復(fù)位后為： P1/P2/P3/P4 是準(zhǔn)雙向口 /弱上拉， P0 口是漏極開(kāi)路輸出，作為總線擴(kuò)展用時(shí)，不用加上拉電阻，作為 I/O 口用時(shí)，需加上拉電阻。 j)共 3個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器。 m)工作溫度范圍： 40～ +85℃（工業(yè)級(jí)） /0～ 75℃（商業(yè)級(jí)）。 正常工作模式：典型功耗 4Ma～ 7mA 典型功耗。 XTAL1(Pin19)：片內(nèi)振蕩電路的輸入端 XTAL2(Pin20)：片內(nèi)振蕩電路的輸出端 c) 控制引腳（ 4根）。 STC89C52 單片機(jī)有 4組 8位的可編程 I/O 口，分別位 P0、 P P P3 口，每個(gè)口有 8 位（ 8 根引腳），共 32 根。如果測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ? 圖 超聲波測(cè)距 模塊電路原理圖 測(cè)距模塊參數(shù)介紹如表 所示。這種電路由于工作在管 子的飽和截止模式下，則效率非常高； H 橋電路保證了可以簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制，電子開(kāi)關(guān)的速度很快，穩(wěn)定性也很高。所以我們選擇 L298N。 3) 邏輯部分工作電流 Iss：≤ 36mA。 7) 工作溫度： 25℃～＋ 130℃ 。電源線和地線用于提供舵機(jī)內(nèi)部的直流電機(jī)和控制線路所需的能源．電壓通常介于 4～ 6V，一般取 5V。由此可見(jiàn)，舵機(jī)是一種精度很高的位置伺服的驅(qū)動(dòng)器，轉(zhuǎn)動(dòng)最大角度不能超過(guò) 180 度，適用于那些需要角度不斷變化并可以停滯的驅(qū)動(dòng)當(dāng)中。控制線的輸入是一個(gè)寬度可調(diào)的周期性方波脈沖信號(hào)，方波脈沖信號(hào)的周期為 20ms(即頻率為 50Hz)。它主要用來(lái)顯示大量數(shù)據(jù)、文字、圖形，能夠顯示的位數(shù)多，顯示得清晰多樣、美 觀。 方案三：選用 LED 數(shù)碼管靜態(tài)顯示 LED 數(shù)碼管靜態(tài)顯示其電路容易理解且驅(qū)動(dòng)的程序簡(jiǎn)單，多片七段譯碼器驅(qū)動(dòng)顯示，這不僅增加了成本，還需要占用單片機(jī)多個(gè) I/O 口，也給電路的焊接帶來(lái)一定的困難，因此不選用這種方案作為顯示模塊。 經(jīng)過(guò)四種方案的比較以及本系統(tǒng)實(shí)際，由于該系統(tǒng)需要顯示兩個(gè)內(nèi)容，上述 的 LCD液晶顯示比較妥善，我們選擇性價(jià)比相對(duì)高的 LCD1602 液晶。 超聲波發(fā)射系統(tǒng)電路 超聲波發(fā)射部分是為了讓超聲波發(fā)射換能器 T1 能向外界發(fā)出 40 kHz左右的方波脈沖信號(hào)。圖中輸出端上拉電阻 R7， R9，一方面可以提高反向器 74HC04 輸出高電平的 驅(qū)動(dòng)能力，另一方面可以增加超聲換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩的時(shí)間?？梢钥吹?，集成芯片 CX20206 在接收部 分電路中起了很大的作用。工作過(guò)程如下 : 接收的回波信號(hào)先經(jīng)過(guò)前置放大器和限幅放大器，將信號(hào)調(diào) 整到合適幅值的矩形脈沖，由濾波器進(jìn)行頻率選擇，濾除干擾信號(hào)，再經(jīng)整形，送給輸出端 7 腳。 圖 超聲波接收系統(tǒng)原理圖 相關(guān)軟件、電路模塊和器件清單。數(shù)據(jù)處理包括：數(shù)據(jù)的采集、數(shù)字濾波、標(biāo)度變換等。 模塊設(shè)計(jì)法的主要優(yōu)點(diǎn)是： a） 單個(gè)模塊比起一個(gè)完整的程序易編寫及調(diào)試。 直流電機(jī)控制軟件設(shè)計(jì) 當(dāng)晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)，電源電壓加到電動(dòng)機(jī)上，當(dāng)晶閘管關(guān)斷時(shí)，直流電源與電動(dòng)機(jī)斷開(kāi)，電動(dòng)機(jī)經(jīng)二極管續(xù)流，兩端電壓接近于零 。由于電流波形比 VM 系統(tǒng)好，在相同的平均電流下，電動(dòng)機(jī)的損耗和發(fā)熱都比較小。 define ECHO P2_4 //超聲波接口定義 define TRIG P2_5 //超聲波接口定義 程序流程圖如圖 所示， (a)為主程序流程圖， (b)為定時(shí)中 斷子程序流程圖，(c)為外部中斷子程序流程圖。延時(shí)結(jié)束后，檢測(cè)下一路電路，并依次循環(huán)檢測(cè)多路。