【正文】 纜運(yùn)行和電池供電驅(qū)動(dòng)兩種，電池驅(qū)動(dòng)控制具有更大的能動(dòng)空間，但受到電池、驅(qū)動(dòng)器質(zhì)量的限制，所以目前大多數(shù)研究人員在研制移動(dòng)機(jī)器人的過(guò)程中多采用拖纜運(yùn)行形式。步行移動(dòng)方式模仿人類或動(dòng)物的行走機(jī)理，用腿腳走路，對(duì)環(huán)境適應(yīng)性好，智能程度也相對(duì)較高。履帶式的優(yōu)點(diǎn)是著地面積比車輪式大，所以著地壓強(qiáng)??；另外與路面黏著力強(qiáng)，能吸收較小的凸凹不平，適于松軟不平的地面。目前，輪式機(jī)器人由于控制簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定和能源利用率高等特點(diǎn)，得到了普遍的應(yīng)用發(fā)展。信息技術(shù)包括計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和傳感器技術(shù)等，計(jì)算機(jī)相當(dāng)于人的大腦，通信相當(dāng)于人的神經(jīng)，而傳感器就相當(dāng)于人的感觀。舉例來(lái)說(shuō)，相當(dāng)于人眼（視覺(jué)）的光敏傳 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 8 頁(yè) 感器，如半導(dǎo)體傳感器、 CCD 傳感器、光敏晶體管、光電倍增管等；相當(dāng)于人耳（聽(tīng)覺(jué)）的是力敏傳感器，如電容式話筒、陶瓷傳感器、電動(dòng)式話筒等；相當(dāng)于人皮膚（觸覺(jué)）的是力敏傳感器和溫敏傳感器，力敏傳感器有應(yīng)變儀、半導(dǎo)體傳感器等，溫敏傳感器有熱敏電阻、半導(dǎo)體傳感器、熱電阻等；相當(dāng)于人鼻子（嗅覺(jué)）的是氣敏傳感器，如半導(dǎo)體傳感器、燃燒式傳感器；相當(dāng)于人舌頭（味覺(jué)）的是味覺(jué)傳感器，如離子傳感器。其系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟為：確定系統(tǒng)總體控制方案；選用微型計(jì)算機(jī)；系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)；確定控制算法；軟件設(shè)計(jì)等。傳感器檢測(cè) 障礙物 ，使機(jī)器人 能穿越障礙物到達(dá)目的地 。主要是設(shè)定小車正常行進(jìn)、轉(zhuǎn)彎時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的速度；初始化系統(tǒng)時(shí)的一些參數(shù)設(shè)定；顯示驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行速度；功能調(diào)用時(shí)，顯示參數(shù)設(shè)定情況。 （ 6）控制系統(tǒng)工作可靠、耐用，抗干擾能力強(qiáng)?？紤]到傳感器價(jià)位和技術(shù)水平的實(shí)際情況，用多個(gè) 超聲波傳感器組成傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行探測(cè)是較好 的選擇。 系統(tǒng)總體方案論證 參數(shù)輸入方案 增加輸入和顯示模塊的 目的是能在脫離上位機(jī)的情況下，仍能進(jìn)行較復(fù)雜的小車控制系統(tǒng)的控制策略、控制參數(shù)的改變。 4x4 按鍵掃描檢測(cè)原理，即判斷鍵盤(pán)中有無(wú)鍵按下，將全部行線置低電平，然后檢測(cè)列線的狀態(tài)。其方法是：一次將行線置為低電平，即在置某根行線為低電平時(shí)，其他線為高電平。特性：接點(diǎn)容量 ， 切換 25mA， 24VDC ， 接通時(shí) 100mA，50VDC ； 接觸電阻 ， 初始值 50mΩ 24VDC/100mA ， 絕緣電阻 ≥100MΩ， 500VDC 。如果負(fù)荷不超過(guò)步進(jìn)電機(jī)所能提供的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩值，就能夠立即使步進(jìn)電機(jī) 啟動(dòng)或反轉(zhuǎn)。價(jià)格較為昂貴。齒輪箱不同的減速比可以提供不同的轉(zhuǎn)速和力矩。調(diào)整范圍廣；過(guò)載能力強(qiáng)，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無(wú)極快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)。其功能是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)軸的角位移或角速度。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 12 頁(yè) 但是電阻網(wǎng)絡(luò)只能是有極調(diào)速，而數(shù)控電阻的元器件價(jià)格比較昂貴，且可能存在干擾。 (可采用 L293D、 L29 LMD18200 等 PWM 調(diào)速集成芯片 ) 方案三：繼電器輸出。 障礙檢測(cè)方案 方案一：脈沖調(diào)制的反射式紅外線發(fā)射接受器。并且其反應(yīng)靈敏 ，外圍電路也很簡(jiǎn)單。但是，超聲波受環(huán)境影響較大，電路復(fù)雜，而且地面對(duì)超聲波的反射，會(huì)影響 系統(tǒng)對(duì)障礙物的判斷。因此，許多采用光學(xué)方法測(cè)量外徑的儀器，把 CCD 器件作為光電接收器 [16]。 但是 ， 多一組電池，增加了小車的重量， 即 小車的慣性 變大 ，降低了靈敏度。 通過(guò)綜合分析以上各個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)及考慮性價(jià)比等客觀因素 ，即采用 單一電源結(jié)合穩(wěn)壓芯片和濾波電路 。 針對(duì)大學(xué)生實(shí)踐學(xué)習(xí)的一款帶語(yǔ)音功能的單片機(jī)。 選用 AVR 單片機(jī)在性價(jià)比上有明顯優(yōu)勢(shì)。 豐富的參考資料，優(yōu)秀的性能與豐富的片內(nèi)資源。 [15,1819] 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 14 頁(yè) 通過(guò)綜合分析以上各個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)及考慮性價(jià)比等客觀因素 ，本文選擇方案三，即采用 RISC 的 8 位 AVR 單片機(jī) 。 方案二：雙輪差速轉(zhuǎn)向車模。 綜上分析可得，本設(shè)計(jì)應(yīng)用 8 位的 AVR 單片機(jī)作為主控制器， 采用 單一電源結(jié)合穩(wěn)壓芯片和濾波電路 進(jìn)行供電，采用超聲波傳感器進(jìn)行障礙檢測(cè)，采用帶有普通直流電動(dòng)機(jī)的雙輪差速轉(zhuǎn)向車模，采用 L298N 進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動(dòng)和 PWM 調(diào)速以及撥碼開(kāi)關(guān)進(jìn)行參數(shù)輸入為主體的方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。 圖 硬件總體框圖 供電模塊設(shè)計(jì) 供電模塊設(shè)計(jì)總體思路 本設(shè)計(jì)總體供電由 6 節(jié) 堿性電池共 9V 整體供電，本設(shè)計(jì)四個(gè)模塊所需電壓不同，運(yùn)動(dòng)模塊需要 5V 以上電壓進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，檢測(cè)模塊需要 5V 進(jìn)行供電，控制模塊則需要 進(jìn)行供電，由于檢測(cè)模塊所應(yīng)用的傳感器整體會(huì)產(chǎn)生 電壓，故控制部分電壓可由檢測(cè)部分供給，則只需要將 9V 電壓降至 5V 即可，由于電機(jī)驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)模塊都需 5V 供電，故產(chǎn)生兩路 5V 低壓電源 。 二極管由 P 型半導(dǎo)體與 N 型半導(dǎo)體構(gòu)成，在 P 型、 N 型半導(dǎo)體之間接觸面形成一個(gè) PN 結(jié)，通過(guò) PN 結(jié)對(duì)不同方向電壓的不同導(dǎo)電性來(lái)達(dá)到導(dǎo)通與截止的作用。 一般典型而有效的濾波電路就是使用電容濾波、電感濾波 ，利用電抗元件在電路中有儲(chǔ)能的作用，濾去電源中的脈動(dòng)成分，從而得到比較平滑的電源波形。在使用中，希望溫度系數(shù)越小越好。 大電解電容的等效電路為一電容與電感串聯(lián)。 電容的容值依照所帶的負(fù)載電流的大小而定： 經(jīng)驗(yàn)公式一般要求： τ≥（ 3～ 5） T/2 把 τ=RC， R= UR /IR， T=1/f ，代入公式 5，并取 f=50Hz，得出 C≥（ ～ ） IR / UR 控制 器 模塊設(shè)計(jì) 控制 器 模塊整體電路圖 本設(shè)計(jì)控制器主要采用了 ATmega3216 為主控制芯片，圍繞此芯片設(shè)計(jì)了時(shí)鐘電路、復(fù)位電路和供電電路， 控制 器 模塊整體電路圖如圖 所示。C 時(shí)的功耗 正常模式 ： mA 空閑模式 ： mA 掉電模式 ： 1 181。電容的作用是幫助振蕩器起振，其值大小對(duì)振蕩器頻率有微調(diào)作用。選用該晶振主要考慮到與上位機(jī) PC 通信的便利性。 供電電路設(shè)計(jì) 供電電路設(shè)計(jì)情況見(jiàn)圖 54 虛線框 III，微處理器的電源引腳與＋ 5V 電源直連，一般要在電源引腳和地之間跨接 的瓷片電容，起到退耦的作用。 圖 傳感器模塊設(shè)計(jì)基本結(jié)構(gòu)圖 TL852 是一片專門設(shè)計(jì)用于超聲波 接收、放大、檢測(cè)的芯片，集成了可變?cè)鲆妗⑦x頻放大器，可通過(guò)四根控制線變換 11級(jí)增益，對(duì)于檢測(cè)超聲波信號(hào)十分有效。此次選用的是 STC12LE4052（ 4K FlashROM， 256 RAM）。壓電陶瓷（超聲波發(fā)射器多為此材料制造）功率增加。從 6500 模塊解剖中還有一個(gè)收獲就是搞清了超聲波發(fā)射的驅(qū)動(dòng)細(xì)節(jié)。如果不能隨時(shí)間變換增益，為增加檢測(cè)距離，就需要加大靈敏度；而開(kāi)始時(shí)靈敏度就很高， 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 22 頁(yè) 無(wú)疑會(huì)收到一些不想要的信號(hào)。微處理器型號(hào)相同，信號(hào)電氣特性相同，可以直接接口，其連接方式如 圖 所示 圖 微處理器與通信電路的連接簡(jiǎn)圖 傳感器模塊設(shè)計(jì) 總體設(shè)計(jì)參照 SensComp 公司（ ） 6500 測(cè)距模塊，其核心是兩片專用的超聲波測(cè)距 IC： TL851 和 TL852。并且只要電源一直供電非門就一直保持低電平輸出。10pF （ 2）選用陶瓷諧振體時(shí)， C1， C2=40pF177。工作于空閑模式時(shí) CPU 停止工作，而 USART、兩線接口、 A/D 轉(zhuǎn)換器、 SARM、 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 20 頁(yè) T/C、 SPI 端口以及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作；掉電模式時(shí)晶體振蕩器停止震蕩，所有功能除了中斷和硬件復(fù)位之外都停止工作；在省電模式下，異步定時(shí)器繼續(xù)運(yùn)行，允許用戶保持一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)，而其余功能模塊處于休眠狀態(tài)； ADC 噪聲抑制模式時(shí)終止 CPU 和除了異步定時(shí)器與 ADC 以外 所有 I/O 模塊的工作，以降低 ADC 轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換時(shí)的開(kāi)關(guān)噪聲；Standby 模式下只有晶體或諧振振蕩器運(yùn)行，其余功能模塊處于休眠狀態(tài)，使得器件只消耗極少的電流，同時(shí)具有快速啟動(dòng)能力；擴(kuò)展 Standby 模式下則允許振蕩器和異步定時(shí)器繼續(xù)工作 [19]。 6 種睡眠模式 ： 空閑模式、 ADC 噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式、 Standby 模式以及 擴(kuò)展的 Standby 模式 ATmega16/ ATmega16L I/O 和封裝 32 個(gè)可編程的 I/O 口 40 引腳 PDIP 封裝 ， 44 引腳 TQFP 封裝 ， 與 44 引腳 MLF 封裝 。 電解電容的選取 ： 在 所使用的小功率線性低壓穩(wěn)壓電源電路中，大部分使用的為電容濾波，通過(guò)其放電特性來(lái)實(shí)現(xiàn)。使用中， 希望漏電流越小越好。 電容的參數(shù)及特性 如下 標(biāo)稱容量與允許偏差 ： 一般電容的允許偏差有 5%、 10%、 20%。 濾波部分電路 通過(guò)整流后，電源的脈動(dòng)成分較大。 主控單片機(jī) ATMEGA32 副控單片機(jī) STC12LE5410 超聲波發(fā)送、接收電路 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 （ H 橋電路， 功率放大） 左輪電機(jī) 右輪電機(jī) SPI 傳輸 PWM 波 40KHz 方波 供電模塊 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 16 頁(yè) 電源設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)主要將 9V電壓通過(guò) LM7805 將其降到 5V，其中加入了 IN4148 的保護(hù)還有一些電容來(lái)進(jìn)行整流和濾波 。 硬件系統(tǒng)主要由主單片機(jī) ATMEGA3副單片機(jī) STC12LE54超聲波收發(fā)電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊及供電模塊組成。該方案轉(zhuǎn)向具有高度的靈活性，能實(shí)現(xiàn)大角度轉(zhuǎn)向，甚至能使車模原地打轉(zhuǎn)。 方案一：舵機(jī)轉(zhuǎn)向車模。 方案五 ：雙 STC89S52+雙口 RAM。然而，選用該單片機(jī)在開(kāi)發(fā)軟件方面可能會(huì)受到限制，并且難以實(shí)現(xiàn)低成本的在線調(diào)試；此外，其參考資料不如其他方案豐富。然而這款單片機(jī)用于控制方面有致命的弱點(diǎn)：不能進(jìn)行中斷嵌套；沒(méi)有位尋址功能；沒(méi)有外擴(kuò)的三總線結(jié)構(gòu)。 RAM 容量只有 256B，且運(yùn)算速度較慢，難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能。 方案二：采用單一電源供電 。 供電方案 驅(qū)動(dòng)部分與控制部分的供電： 方案一：采用兩個(gè)電源供電，將電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源與電片機(jī)以及其周邊電路電源完全隔離，利用光電耦合器傳輸信號(hào)。 CCD 圖像傳感器可直接將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)圖像的獲取、存儲(chǔ)、傳輸、處理和復(fù)現(xiàn)。 方案二：采用超聲波傳感器。由于采用該有交流分量的調(diào)制信號(hào)，則可大幅度減少外界干擾；另外紅外線接受官的最大工作電流取 決于平均電流。這個(gè)電路的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，壽命較短；電機(jī)端電壓不易準(zhǔn)確控制。 方案二：基于 PWM 脈寬調(diào)速的思想，采用 PWM 整流的方法改變直流電機(jī)的端電壓。 通過(guò)綜合分析以上各個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)及考慮性價(jià)比等客觀因素 ，本文選擇方案三，即普通直流電機(jī)。在上述電機(jī)當(dāng)中，該類電機(jī)具有最高的轉(zhuǎn)速上限。 其轉(zhuǎn)速一般在 15～ 100r/min 。 直流減速電機(jī) ， 即齒輪減速電機(jī) ,是在普通直流電機(jī)的基礎(chǔ)上 ,加上配套齒輪減速箱。正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)控制靈活，運(yùn)用于智能小車上，能很方便的測(cè)量出小車進(jìn)行的距離。 直流電機(jī)方案 方案一：步進(jìn)電機(jī)。若某列為低，則該列線與置為低電平的行線交叉處 的案件就是閉合的按鍵。若所有 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 11 頁(yè) 的列線均為高電平，則鍵盤(pán)中無(wú)鍵按下。這樣便于小車的調(diào)試和性能的提高。 微機(jī)的作用 在該系統(tǒng)中，微機(jī)要完成的任務(wù)有：實(shí)時(shí)采集傳感器網(wǎng)絡(luò)的輸出信息；依據(jù)采集到信息，按照一定的算法對(duì)環(huán)境進(jìn)行估計(jì)，指導(dǎo)避障行為；實(shí)時(shí)控 制驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使其穩(wěn)速運(yùn)轉(zhuǎn)；微機(jī)還要完成一些交互功能，如報(bào)警顯示、功能調(diào)用等。電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式應(yīng)能高效率地使用 電源，而且能實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。能實(shí)時(shí)檢測(cè)到控制系統(tǒng)的一些故障，并通過(guò)指示燈和蜂鳴器來(lái)報(bào)警。 （ 2）實(shí) 時(shí)性要求。 對(duì)于總體方案的圖解如圖 所示 圖 總體方案圖解 系統(tǒng)任務(wù)描述 題目要求 基于單片機(jī)及傳感器，完成自主式 避障 小車 的 設(shè)計(jì) 。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 9 頁(yè) 2 總體方案設(shè)計(jì) 引言 實(shí)驗(yàn)的機(jī)械載體是四輪小車，車體中部安裝 2 個(gè)主驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，前端和后端安裝萬(wàn)向輪。對(duì)于機(jī)器人技術(shù)而言，傳感器技術(shù)的重要性相當(dāng)明顯。同樣，利用電子儀器特別是用計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)化裝置來(lái)代替人的勞動(dòng)，那么計(jì)算機(jī)類似于人的大腦，而僅有大腦 而沒(méi)有感知外界信息的“五官”顯然是不足夠的，中央處理系統(tǒng)也還需要它們的“五官” —— 即傳感器。車輪式 移動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是：能高速穩(wěn)定的移動(dòng)，能量利用效率高，機(jī)構(gòu)和控制簡(jiǎn)單，而且技術(shù)比較成熟。履帶式實(shí)際是一種自己為自己鋪路的輪式車輛。小車 運(yùn)動(dòng)方法的選擇是移動(dòng)機(jī)