【正文】 .................................... 29 167。 障礙物檢測電路設(shè)計 ............................. 23 167。 電機驅(qū)動電路的設(shè)計 ............................. 16 167。 本章小結(jié) ........................................ 9 第 2 章 硬件設(shè)計 ........................................ 10 167。 智能小車最終方案 ............................ 7 167。 主控制器選擇 ................................ 5 167。 系統(tǒng)任務(wù)描述 .................................... 4 167。自動避障 機器人 可以作為地域探索機器人和緊急搶險機器人的運動系統(tǒng) ， 讓機器人在行進中自動避過障礙物。而機器人在復(fù)雜地形中行進時自動避障是一項必不可少也是最基本的功能。因此 ， 自動避障系統(tǒng)的研發(fā)就應(yīng)運而生。 本文提出了一 種經(jīng)濟實用的智能 避障機器人 系統(tǒng)設(shè)計方法 ， 采用了 小車底盤作為載體、 直流 電機作為執(zhí)行元件 、 紅外傳感器作為檢測元件 、 STC89C52 單片機作為主控芯片 、 L298N 作為驅(qū)動芯片和穩(wěn)壓電源芯片 完成 了 檢測電路設(shè)計 、 主控 電路設(shè)計、電機 驅(qū)動 電路設(shè)計 、穩(wěn)壓電路設(shè)計 等硬件設(shè)計 和制作 ， 并 對系統(tǒng)進行了仿真和綜合調(diào)試 ， 解決了 一系列 的 難題 ， 成功實現(xiàn)了自動避障功能。 控制系統(tǒng)要求 .................................... 4 167。 傳感器選擇 .................................. 5 167。 系統(tǒng)總體設(shè)計 .................................... 8 167。 主控電路設(shè)計 ................................... 10 167。 智能小車驅(qū)動電機的要求 .................... 16 167。 報警電路設(shè)計 ................................... 25 167。 主程序模塊 ..................................... 29 167。 延時模塊 ....................................... 31 167。 本章小結(jié) ....................................... 32 第 4 章 系統(tǒng)的安裝與調(diào)試 ................................ 33 167。 軟件調(diào)試 ................................... 34 167。 移動機器人是機器人學的一個重要分支 ， 而自主式移動機器人是智能程度最高的機器人 ， 是移動機器人的重要發(fā)展方向。 本設(shè)計 的智能避障機器人就是基于這一系統(tǒng)開發(fā)而成的。機器人在完成任務(wù)的過程中面臨著如何去檢測路面上的障礙物并選擇最佳的路徑繞開障礙物的問題 ， 即移動機器人的避障問題。 第一代機器人主要指以“示教一再現(xiàn)”方式工作的機器人。 在國外 ， 研究工作有： （ 1） 室外幾種典型應(yīng)用的移動機器人 ： 由美國 NASA 資助研制的 “ 丹蒂 II” 八足行走機器人 ， 是一個能提供對高移動性機器人運動的了解和遠程機器人探險的行走機器人。意指機器人在工作時一定是正確的 ，并不一定要 連續(xù)工作。 （ 5）生態(tài)機器人學（生物機器人學）。 （ 2）中國科學院沈陽自動化研究所的 AGV 和防暴機器人?；窘Y(jié)構(gòu)由傳感器、控制器和運動機構(gòu)構(gòu)成。智能機器人的研究是目前科學領(lǐng)域的重要研究課題之一 ， 智能機器人各方面性能的提高更是現(xiàn)在研究的熱點。 研究開發(fā)出一套 簡易智智能 避障 機器人 ， 要實現(xiàn)的主要目標有： (1) 利用 STC89C52RC 單片機設(shè)計出智能機器人的硬件系統(tǒng) 。 第 1章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計 167。 (2) 實時性要求。 (5) 控制系統(tǒng)工作可靠、耐用 ， 抗干擾能力強。 方案一：自己設(shè)計制作車架 自己制作小車底盤 ， 用兩個直流減速電機作為主動輪 ， 利用兩電機的轉(zhuǎn)速差完成直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、左后轉(zhuǎn)、右后轉(zhuǎn)、倒車等動作。 方案二：購買玩具電動車 玩具電動車價格低廉 ， 有完整的驅(qū)動、傳動和控制單元 ， 其中傳動裝置是 本設(shè)計 所需的 ， 縮短了開發(fā)周期。這樣不僅精度有保障 ， 也增加了設(shè)計的靈活性。由于對 51 單片機比較熟練 ， 價格便宜 ， 而 DSP 控制相對而言復(fù)雜 ，故采用 51 單片機。其指令系統(tǒng)和傳統(tǒng)的 8051 系列單片機指令系統(tǒng)兼容 ， 降低了系統(tǒng)軟件設(shè)計的難度 ， 電路設(shè)計簡單、價格低廉。 傳感器選擇 方案一：使用超聲波傳感器 在壁障模塊中 ， 可以選擇超聲波壁障。 方案二：使用視頻采集處理裝置 使用 CCD 實時采集小車前進路線上的圖像并進行實時傳輸及處理 ， 這是最精確的障礙物信息 采集方案 ， 可以對障礙物進行精確定位和測距。 167。但分立原件 H 橋電路工作性能不夠穩(wěn)定 ， 較易出現(xiàn)硬件上的故障 ， 故 本設(shè)計 放棄了這一方案。 167。 由于本設(shè)計采用的 L298N 電機驅(qū)動 電路板 可以提供 +5V 輸出 ，可以方便給 5V 的單片機供電 ， 因此采用單電源供電即可。 智能小車最終 方 案 經(jīng)過上面的思考和分析最終確定智能避障小車的最終方案如下： (1) 采用 STC89C52 單片機作為整個電路的控制核心。 (5) 采用 紅外傳感器 進行障礙檢測。 圖 11 系統(tǒng)組成框圖 167。由單片機主控核心模塊根據(jù)感測模塊給予的信息控制小車兩電機轉(zhuǎn)動工作狀態(tài)。 在車前方有障礙物時 ， 小車能避開障礙物 ， 避障 方法如下： STC89C52 控制模塊 障礙物檢測 模塊 直流電機 報警模塊 穩(wěn)壓電源模塊 電機驅(qū)動模塊 (1) 先向左邊轉(zhuǎn) 90 度 ， 如果前面沒有障礙物 ， 再沿直線向前走。 本章小結(jié) 本章介紹了 智能避障 機器人的 設(shè)計內(nèi)容及控制要求，提出了系統(tǒng)的總體設(shè)計思路和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并對系統(tǒng) 硬件的選型 進行了方案比較，選擇了合適的系統(tǒng)方案。 STC89C52 單片機硬件結(jié)構(gòu) 簡介 本模塊采用 STC89C52 單片機作為核心處理器。 圖 2－ 1 單片機基本結(jié)構(gòu)框圖 STC89C52 單片機是把那些作為控制應(yīng)用所必需的基本內(nèi)容都集成在一個尺寸有限的集成電路芯片上。其基本結(jié)構(gòu)框圖如圖 2－ 1 所示： (1) 微處理器 該 單片機中有一個 8 位的微處理器 ， 與通用的微處理器基本相同 ， 同樣包括了運算器和控制器兩 大部分 ， 只是增加了面向控制的處理功能 ， 不僅可處理數(shù)據(jù) ， 還可以進行位變量的處理。 (5) 定時器 /計數(shù)器 片內(nèi)有 2 個 16 位的定時器 /計數(shù)器 ， 具有四種工作方式。 (8) 特殊功能寄存器 共有 21 個 ， 用于對片內(nèi)的個功能的部件進行管理、控制、監(jiān)視。 1 位機在開關(guān)決策、邏輯電路仿真、過程控制方面非常有效；而 8 位機在數(shù)據(jù)采集 ， 運算處理方面有明顯的長處。用 89C52 單片機構(gòu)成最小應(yīng)用系統(tǒng)時 ， 只要將單片機接上時鐘電路和復(fù)位電路即可 ， 如圖 22 所示 89C52 單片機最小系統(tǒng)。 (3) 應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)具有特殊性。內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式。電容值無嚴格要求 ， 但電容取值對振蕩頻率輸出的穩(wěn)定性、大小、振蕩電路起振速度有少許影響 ， CX CX2 可在 20pF 到 100pF 之間取值 ， 但在 60pF 到 70pF 時振蕩器有較高的頻率穩(wěn)定性。 圖 23 時鐘電路 2. 復(fù)位電路 89C52 的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來實現(xiàn)的。只要 Vcc 的上升時間不超過 1ms， 就可以實現(xiàn)自動上電復(fù)位。按鍵手動復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。該器件內(nèi)置 USB 功能控制器、 USB 收發(fā)器、振蕩器和帶有全部調(diào)制解調(diào)器 控制信號 的 UART， 只需外接幾只電容就可實現(xiàn) USB 信號與 RS232 信號的轉(zhuǎn)換 ， 能夠方便嵌入到各種設(shè)備；該器件作為 USB/RS232 雙向 轉(zhuǎn)換器 ， 一方面從 主機 接收 USB 數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為 RS232 信息流格式發(fā)送給外設(shè)；另一方面從 RS232 外設(shè)接收數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為 USB 數(shù)據(jù)格式傳送回 主機 。 (1) 下載線接口中的電源和單片機共用一個電源。 智能小車驅(qū)動電機的要求 控制電機是本次設(shè)計中的重要元件 ， 如果控制電機的性能不佳或使用不當 ， 將直接影響到整個系統(tǒng)的工作性能。在本次設(shè)計中對電機的響應(yīng)精度要求較高 ， 因為 本設(shè)計 所加的脈沖 寬度是毫秒級 的 ， 有時甚至是微秒級的。 (5) 良好的抗干擾能力、體積小、重量輕。直流電機的轉(zhuǎn)速能夠隨著控制電壓的改變在寬廣的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。線性的機械特性和調(diào)節(jié)特性有利于提高自控系統(tǒng)的動態(tài)精度。 直流電機轉(zhuǎn)速控制可分為勵磁控制法與電樞電壓控制法。在脈寬調(diào)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。 D （ 22） 由公式可知 ， 當改變占空比 D=t／ T 時 ， 就可以得到不同的電機平均速度 Vd， 從而達到調(diào)速的目的。當高電平延時時間到時 ， 對 I/O 口電平取反變成低電平 ， 然后再延時；當?shù)碗娖窖訒r到時 ， 再對 I/O 口電平取反 ，如此循環(huán)就可得到 PWM 信號。但本實驗用的 STC89C52 并沒有 PWM 控制器 ， 所以采用定時器產(chǎn)生 PWM 信號。 電機驅(qū)動模塊主要功能是將主控芯片發(fā)出的信號通過電機控制芯片轉(zhuǎn)化為小車實際的動作。 L298N 芯片有一個電源引腳 VCC 和接地引腳GND?？蓪崿F(xiàn)電機正反轉(zhuǎn)及調(diào)速、啟動性能好、啟動轉(zhuǎn)矩大、可同時驅(qū)動兩臺直流電機。 21 圖 29 電機反轉(zhuǎn)示意圖 H 橋電路雖然有著諸多的優(yōu)點，但是在實際制作過程中，由于元件較多，電路的搭建較為麻煩，增加了硬件設(shè)計的復(fù)雜度，因此在本設(shè)計中筆者采用 H 橋集成驅(qū)動芯片 L298N。 L298N 芯片的 1 腳和 15 腳可單獨引出連接電流采樣電阻器，形成電流傳感信號，本電路未用到采樣所以將其接地。操作非常方便，能滿足直流減速電機的大電流要求。 輸出端口的八個續(xù)流二極管是為了消除電機轉(zhuǎn)動時的尖峰電壓保護電機而設(shè)計，簡化電路時可以不加。這時， C1 C14 作為儲能器件將自感電流吸收儲存。 障礙物 檢測 電路 設(shè)計 避障檢測采用紅外傳感器 ， 這是一種集發(fā)射與接收于一體的光電傳感器。 圖 212 紅外傳 感器 這種傳感器將發(fā)射管和接收管放置在一個塑料殼內(nèi)，發(fā)射管和24 接收管均為長方形，尺寸為 4mm*3mm，系統(tǒng)中我們設(shè)計探測距離在30cm 左右 ,此時探測環(huán)境良好 ,不易受到其它光線的干擾。傳感器由于發(fā)射和接受的是紅外光，所以常見光對它的干擾較小。 圖 213 E18D80NK 型反射紅外傳感器原理圖 25 E18D80NK 型反射紅外傳感器的技術(shù)參數(shù)： DC： 100mA/5V DC： 25mA ： 1ms ： 15176。 報警 電路 設(shè)計 報警模塊通過單片機給定不 同頻率 的高低電平 利用蜂鳴器發(fā)出不同聲音。 圖 214 報警模塊電路圖 167。 L298N 理論上可以最高輸入 46V， 但是理論上L298N 芯片的最高功率只有 25W， 在 50V 最高工作電壓時 ， 電流不應(yīng)超過 ， 實際模塊上有 7805 芯片給單片機提供 5V， 7805 的正向工作電壓不應(yīng)超過 28V， 所以模塊 VCC 理論最大工作電壓不應(yīng)超過 28V， 實際建議不應(yīng)該超過 24V， 在 24V 工作電壓下 ， 單個電機的電流不應(yīng)超過 1A， 2 個電機同時使用單個電機的電流不應(yīng)超過； VCC 輸入多少 伏 ， 完全取決于電機的額定電壓 ， OUT 的高電平電壓等于 VCC， 低電平電壓等于 0V，本設(shè)計采用的 減速電機額 定電壓為 6V 左右。 電源的選擇額定 的可充電 鎳氫 電池組。 27 圖 215 穩(wěn)壓電源 電路 167。對每一部分的硬件作了詳細介紹和電路設(shè)計，最終完成了智能避障機器人的整體電路原理圖 設(shè)計 和硬件組裝 。 主程 序 模塊 167。避障子程序則是單片機檢測 P17 端口信號當信號由高電平變?yōu)榈碗娖綍r開始控制左右電機的 PWM 波的占空 比通過調(diào)節(jié)不同占空比來調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，使小車轉(zhuǎn)彎自動避障。 首先小車進行上電初始化程序，接下來單片機控制小車開始前進，前進過程中單片機通過 紅外傳感器 模塊不斷檢測前方 30 厘米內(nèi) 障礙物 ，并將開關(guān)量傳送給單片機 。 右轉(zhuǎn) 90176。 167。調(diào)用此函數(shù)后，小車直線行駛。 167。 本章小結(jié) 本章簡單介紹了智能避障機器人的軟件系統(tǒng)和避障算法，對主程序模塊、延時模塊、驅(qū)動模塊