【正文】 .................................... 29 167。 障礙物檢測(cè)電路設(shè)計(jì) ............................. 23 167。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) ............................. 16 167。 本章小結(jié) ........................................ 9 第 2 章 硬件設(shè)計(jì) ........................................ 10 167。 智能小車(chē)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(dòng)避障 機(jī)器人 可以作為地域探索機(jī)器人和緊急搶險(xiǎn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng) ， 讓機(jī)器人在行進(jìn)中自動(dòng)避過(guò)障礙物。而機(jī)器人在復(fù)雜地形中行進(jìn)時(shí)自動(dòng)避障是一項(xiàng)必不可少也是最基本的功能。因此 ， 自動(dòng)避障系統(tǒng)的研發(fā)就應(yīng)運(yùn)而生。 本文提出了一 種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的智能 避障機(jī)器人 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法 ， 采用了 小車(chē)底盤(pán)作為載體、 直流 電機(jī)作為執(zhí)行元件 、 紅外傳感器作為檢測(cè)元件 、 STC89C52 單片機(jī)作為主控芯片 、 L298N 作為驅(qū)動(dòng)芯片和穩(wěn)壓電源芯片 完成 了 檢測(cè)電路設(shè)計(jì) 、 主控 電路設(shè)計(jì)、電機(jī) 驅(qū)動(dòng) 電路設(shè)計(jì) 、穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì) 等硬件設(shè)計(jì) 和制作 ， 并 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真和綜合調(diào)試 ， 解決了 一系列 的 難題 ， 成功實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)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(jì) .................................... 8 167。 主控電路設(shè)計(jì) ................................... 10 167。 智能小車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的要求 .................... 16 167。 報(bào)警電路設(shè)計(jì) ................................... 25 167。 主程序模塊 ..................................... 29 167。 延時(shí)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(dòng)機(jī)器人是機(jī)器人學(xué)的一個(gè)重要分支 ， 而自主式移動(dòng)機(jī)器人是智能程度最高的機(jī)器人 ， 是移動(dòng)機(jī)器人的重要發(fā)展方向。 本設(shè)計(jì) 的智能避障機(jī)器人就是基于這一系統(tǒng)開(kāi)發(fā)而成的。機(jī)器人在完成任務(wù)的過(guò)程中面臨著如何去檢測(cè)路面上的障礙物并選擇最佳的路徑繞開(kāi)障礙物的問(wèn)題 ， 即移動(dòng)機(jī)器人的避障問(wèn)題。 第一代機(jī)器人主要指以“示教一再現(xiàn)”方式工作的機(jī)器人。 在國(guó)外 ， 研究工作有： （ 1） 室外幾種典型應(yīng)用的移動(dòng)機(jī)器人 ： 由美國(guó) NASA 資助研制的 “ 丹蒂 II” 八足行走機(jī)器人 ， 是一個(gè)能提供對(duì)高移動(dòng)性機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的了解和遠(yuǎn)程機(jī)器人探險(xiǎn)的行走機(jī)器人。意指機(jī)器人在工作時(shí)一定是正確的 ，并不一定要 連續(xù)工作。 （ 5）生態(tài)機(jī)器人學(xué)（生物機(jī)器人學(xué)）。 （ 2）中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所的 AGV 和防暴機(jī)器人?；窘Y(jié)構(gòu)由傳感器、控制器和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)構(gòu)成。智能機(jī)器人的研究是目前科學(xué)領(lǐng)域的重要研究課題之一 ， 智能機(jī)器人各方面性能的提高更是現(xiàn)在研究的熱點(diǎn)。 研究開(kāi)發(fā)出一套 簡(jiǎn)易智智能 避障 機(jī)器人 ， 要實(shí)現(xiàn)的主要目標(biāo)有： (1) 利用 STC89C52RC 單片機(jī)設(shè)計(jì)出智能機(jī)器人的硬件系統(tǒng) 。 第 1章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 167。 (2) 實(shí)時(shí)性要求。 (5) 控制系統(tǒng)工作可靠、耐用 ， 抗干擾能力強(qiáng)。 方案一：自己設(shè)計(jì)制作車(chē)架 自己制作小車(chē)底盤(pán) ， 用兩個(gè)直流減速電機(jī)作為主動(dòng)輪 ， 利用兩電機(jī)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(chē)等動(dòng)作。 方案二：購(gòu)買(mǎi)玩具電動(dòng)車(chē) 玩具電動(dòng)車(chē)價(jià)格低廉 ， 有完整的驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)和控制單元 ， 其中傳動(dòng)裝置是 本設(shè)計(jì) 所需的 ， 縮短了開(kāi)發(fā)周期。這樣不僅精度有保障 ， 也增加了設(shè)計(jì)的靈活性。由于對(duì) 51 單片機(jī)比較熟練 ， 價(jià)格便宜 ， 而 DSP 控制相對(duì)而言復(fù)雜 ，故采用 51 單片機(jī)。其指令系統(tǒng)和傳統(tǒng)的 8051 系列單片機(jī)指令系統(tǒng)兼容 ， 降低了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的難度 ， 電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、價(jià)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(shí)時(shí)采集小車(chē)前進(jìn)路線上的圖像并進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸及處理 ， 這是最精確的障礙物信息 采集方案 ， 可以對(duì)障礙物進(jìn)行精確定位和測(cè)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(jì) 放棄了這一方案。 167。 由于本設(shè)計(jì)采用的 L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng) 電路板 可以提供 +5V 輸出 ，可以方便給 5V 的單片機(jī)供電 ， 因此采用單電源供電即可。 智能小車(chē)最終 方 案 經(jīng)過(guò)上面的思考和分析最終確定智能避障小車(chē)的最終方案如下： (1) 采用 STC89C52 單片機(jī)作為整個(gè)電路的控制核心。 (5) 采用 紅外傳感器 進(jìn)行障礙檢測(cè)。 圖 11 系統(tǒng)組成框圖 167。由單片機(jī)主控核心模塊根據(jù)感測(cè)模塊給予的信息控制小車(chē)兩電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)工作狀態(tài)。 在車(chē)前方有障礙物時(shí) ， 小車(chē)能避開(kāi)障礙物 ， 避障 方法如下： STC89C52 控制模塊 障礙物檢測(cè) 模塊 直流電機(jī) 報(bào)警模塊 穩(wěn)壓電源模塊 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 (1) 先向左邊轉(zhuǎn) 90 度 ， 如果前面沒(méi)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(jī)器人的 設(shè)計(jì)內(nèi)容及控制要求，提出了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并對(duì)系統(tǒng) 硬件的選型 進(jìn)行了方案比較，選擇了合適的系統(tǒng)方案。 STC89C52 單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)介 本模塊采用 STC89C52 單片機(jī)作為核心處理器。 圖 2－ 1 單片機(jī)基本結(jié)構(gòu)框圖 STC89C52 單片機(jī)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(gè)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(jī)中有一個(gè) 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(yùn)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(jìn)行位變量的處理。 (5) 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 片內(nèi)有 2 個(gè) 16 位的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 ， 具有四種工作方式。 (8) 特殊功能寄存器 共有 21 個(gè) ， 用于對(duì)片內(nèi)的個(gè)功能的部件進(jìn)行管理、控制、監(jiān)視。 1 位機(jī)在開(kāi)關(guān)決策、邏輯電路仿真、過(guò)程控制方面非常有效；而 8 位機(jī)在數(shù)據(jù)采集 ， 運(yùn)算處理方面有明顯的長(zhǎng)處。用 89C52 單片機(jī)構(gòu)成最小應(yīng)用系統(tǒng)時(shí) ， 只要將單片機(jī)接上時(shí)鐘電路和復(fù)位電路即可 ， 如圖 22 所示 89C52 單片機(jī)最小系統(tǒng)。 (3) 應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)具有特殊性。內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。電容值無(wú)嚴(yán)格要求 ， 但電容取值對(duì)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(shí)振蕩器有較高的頻率穩(wěn)定性。 圖 23 時(shí)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(lái)實(shí)現(xiàn)的。只要 Vcc 的上升時(shí)間不超過(guò) 1ms， 就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上電復(fù)位。按鍵手動(dòng)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(hào) 的 UART， 只需外接幾只電容就可實(shí)現(xiàn) USB 信號(hào)與 RS232 信號(hào)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(jī) 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(jī) 。 (1) 下載線接口中的電源和單片機(jī)共用一個(gè)電源。 智能小車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的要求 控制電機(jī)是本次設(shè)計(jì)中的重要元件 ， 如果控制電機(jī)的性能不佳或使用不當(dāng) ， 將直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的工作性能。在本次設(shè)計(jì)中對(duì)電機(jī)的響應(yīng)精度要求較高 ， 因?yàn)?本設(shè)計(jì) 所加的脈沖 寬度是毫秒級(jí) 的 ， 有時(shí)甚至是微秒級(jí)的。 (5) 良好的抗干擾能力、體積小、重量輕。直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速能夠隨著控制電壓的改變?cè)趯拸V的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。線性的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性有利于提高自控系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)精度。 直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制可分為勵(lì)磁控制法與電樞電壓控制法。在脈寬調(diào)速系統(tǒng)中 ， 當(dāng)電機(jī)通電時(shí)其速度增加 ， 電機(jī)斷電時(shí)其速度減低。 D （ 22） 由公式可知 ， 當(dāng)改變占空比 D=t／ T 時(shí) ， 就可以得到不同的電機(jī)平均速度 Vd， 從而達(dá)到調(diào)速的目的。當(dāng)高電平延時(shí)時(shí)間到時(shí) ， 對(duì) I/O 口電平取反變成低電平 ， 然后再延時(shí)；當(dāng)?shù)碗娖窖訒r(shí)到時(shí) ， 再對(duì) I/O 口電平取反 ，如此循環(huán)就可得到 PWM 信號(hào)。但本實(shí)驗(yàn)用的 STC89C52 并沒(méi)有 PWM 控制器 ， 所以采用定時(shí)器產(chǎn)生 PWM 信號(hào)。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊主要功能是將主控芯片發(fā)出的信號(hào)通過(guò)電機(jī)控制芯片轉(zhuǎn)化為小車(chē)實(shí)際的動(dòng)作。 L298N 芯片有一個(gè)電源引腳 VCC 和接地引腳GND?？蓪?shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)及調(diào)速、啟動(dòng)性能好、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、可同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)。 21 圖 29 電機(jī)反轉(zhuǎn)示意圖 H 橋電路雖然有著諸多的優(yōu)點(diǎn)，但是在實(shí)際制作過(guò)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(jì)的復(fù)雜度，因此在本設(shè)計(jì)中筆者采用 H 橋集成驅(qū)動(dòng)芯片 L298N。 L298N 芯片的 1 腳和 15 腳可單獨(dú)引出連接電流采樣電阻器，形成電流傳感信號(hào)，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(jī)的大電流要求。 輸出端口的八個(gè)續(xù)流二極管是為了消除電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的尖峰電壓保護(hù)電機(jī)而設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化電路時(shí)可以不加。這時(shí)， C1 C14 作為儲(chǔ)能器件將自感電流吸收儲(chǔ)存。 障礙物 檢測(cè) 電路 設(shè)計(jì) 避障檢測(cè)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(gè)塑料殼內(nèi)，發(fā)射管和24 接收管均為長(zhǎng)方形，尺寸為 4mm*3mm，系統(tǒng)中我們?cè)O(shè)計(jì)探測(cè)距離在30cm 左右 ,此時(shí)探測(cè)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(jiàn)光對(duì)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(bào)警 電路 設(shè)計(jì) 報(bào)警模塊通過(guò)單片機(jī)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(bào)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(shí) ， 電流不應(yīng)超過(guò) ， 實(shí)際模塊上有 7805 芯片給單片機(jī)提供 5V， 7805 的正向工作電壓不應(yīng)超過(guò) 28V， 所以模塊 VCC 理論最大工作電壓不應(yīng)超過(guò) 28V， 實(shí)際建議不應(yīng)該超過(guò) 24V， 在 24V 工作電壓下 ， 單個(gè)電機(jī)的電流不應(yīng)超過(guò) 1A， 2 個(gè)電機(jī)同時(shí)使用單個(gè)電機(jī)的電流不應(yīng)超過(guò)； VCC 輸入多少 伏 ， 完全取決于電機(jī)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(jì)采用的 減速電機(jī)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(duì)每一部分的硬件作了詳細(xì)介紹和電路設(shè)計(jì)，最終完成了智能避障機(jī)器人的整體電路原理圖 設(shè)計(jì) 和硬件組裝 。 主程 序 模塊 167。避障子程序則是單片機(jī)檢測(cè) P17 端口信號(hào)當(dāng)信號(hào)由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)開(kāi)始控制左右電機(jī)的 PWM 波的占空 比通過(guò)調(diào)節(jié)不同占空比來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使小車(chē)轉(zhuǎn)彎自動(dòng)避障。 首先小車(chē)進(jìn)行上電初始化程序，接下來(lái)單片機(jī)控制小車(chē)開(kāi)始前進(jìn)，前進(jìn)過(guò)程中單片機(jī)通過(guò) 紅外傳感器 模塊不斷檢測(cè)前方 30 厘米內(nèi) 障礙物 ，并將開(kāi)關(guān)量傳送給單片機(jī) 。 右轉(zhuǎn) 90176。 167。調(diào)用此函數(shù)后，小車(chē)直線行駛。 167。 本章小結(jié) 本章簡(jiǎn)單介紹了智能避障機(jī)器人的軟件系統(tǒng)和避障算法，對(duì)主程序模塊、延時(shí)模塊、驅(qū)動(dòng)模塊