【正文】 ： mA 掉電模式 ： 1 181。 大電解電容的等效電路為一電容與電感串聯(lián)。 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。 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)和檢測模塊都需 5V 供電，故產(chǎn)生兩路 5V 低壓電源 。 方案二：雙輪差速轉(zhuǎn)向車模。 豐富的參考資料，優(yōu)秀的性能與豐富的片內(nèi)資源。 針對(duì)大學(xué)生實(shí)踐學(xué)習(xí)的一款帶語音功能的單片機(jī)。 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。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。 障礙檢測方案 方案一：脈沖調(diào)制的反射式紅外線發(fā)射接受器。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 12 頁 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。調(diào)整范圍廣；過載能力強(qiáng)，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無極快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)。價(jià)格較為昂貴。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 。 4x4 按鍵掃描檢測原理，即判斷鍵盤中有無鍵按下，將全部行線置低電平，然后檢測列線的狀態(tài)?？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)行探測是較好 的選擇。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。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。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。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)?。涣硗馀c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。從能源供給角度移動(dòng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)形式主要分為拖纜運(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)器人的過程中多采用拖纜運(yùn)行形式。機(jī)器人中的傳感器除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，還應(yīng)用了視覺、聲覺、光學(xué)、力覺、觸覺等傳感器。 識(shí)別技術(shù) 識(shí)別技術(shù)是從智 能機(jī)器人研究開始出現(xiàn)的，自 1961 年美國 Unimation 公司研制出世界上第一臺(tái)往復(fù)式工業(yè)機(jī)器人以來，機(jī)器人的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段：第一代示教 /再現(xiàn)(Teaching/Playback)機(jī)器人，主要是指按事先示教的位置和姿態(tài)進(jìn)行重復(fù)動(dòng)作的機(jī)械?？梢晥D法將小車視為一點(diǎn)，將小車、目標(biāo)點(diǎn)和多變形障礙物的各頂點(diǎn)進(jìn)行組合連接。基于動(dòng)作將動(dòng)作分為若干基本行為，復(fù)雜的行為刻有幾個(gè)簡單行為按次序構(gòu)成。需要一輪式小車，且需要與單片機(jī)相關(guān)的開發(fā)工具，例如仿真器、編程環(huán)境等。關(guān)鍵技術(shù)在于如何使用傳感器的輸出信息來表示周圍環(huán)境情況，亦即讓機(jī)器人知道周圍的環(huán)境情況。 論文 研究的預(yù)期目標(biāo)、主要內(nèi)容 論文 研究預(yù)期目標(biāo) 研究開發(fā)出一套基于 超聲波傳感器的輪式移動(dòng)機(jī)器人避障模塊，要實(shí)現(xiàn)的主要目標(biāo)有： （ 1）多傳感器組成的傳感器網(wǎng)絡(luò)的調(diào)理電路。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 4 頁 （ 2）高完整性機(jī)器人。 （ 2）中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所的 AGV 和防暴機(jī)器人。常見的模型小車，都屬于這類遙控車；避障智能小車，則可以通過計(jì)算機(jī)編程來實(shí)現(xiàn)其對(duì)行駛方向、啟停以及速度的控制，無需人工于預(yù)，操作員可以通過修改避障智能小車的計(jì)算機(jī)程序來改變它的行駛方式。 90 年代中期，國家已選擇以焊接機(jī)器人的工程應(yīng)用為重點(diǎn)進(jìn)行開發(fā)研究。示教內(nèi)容為機(jī)器人操作機(jī)構(gòu)的空間軌跡、作業(yè)條件、作業(yè)順序等。機(jī)器人 (ROBOT)一詞來源于 1920 年捷克作家卡雷爾 最后經(jīng)過編碼、調(diào)試及反復(fù)驗(yàn)證最終得出結(jié)論，即完成了基于單片機(jī)的避障小車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。并且利用 AVR 單片機(jī)技術(shù)對(duì)超聲波傳感器所 探得的障礙物信息進(jìn)行處理，如距離、角度等，最終通過一種新穎的控制算法來完成障礙物的 識(shí)別，通過 PWM 調(diào)速來控制 L298N 的電機(jī)驅(qū)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)了智能小車的自主避障。 機(jī)器人的發(fā)展有很長的歷史，早在三國時(shí)代，諸葛亮造的 “ 木牛流馬 ” 就是古代機(jī)器人的一種雛形。第一代機(jī)器人，主要指只能以 “ 示教－再現(xiàn) ” 方式工作的機(jī)器人。 80 年代在國家高技術(shù)計(jì)劃中安排了智能機(jī)器人的研究開發(fā)，包括水下無纜機(jī)器人、高功能裝配機(jī)器人和各類特種機(jī)器人的應(yīng)用研究。避障智能小車同遙控小車不同，后者需要操作員來控制其轉(zhuǎn)向、啟停和進(jìn)退，比較先進(jìn)的遙控車還能控制其速度。 避障小車研究現(xiàn)狀 國內(nèi)避障小車研究現(xiàn)狀 （ 1）清華大學(xué)智能移動(dòng)機(jī)器人于 1994 年通過鑒定。德國研制了一種輪椅機(jī)器人，并在烏爾姆市中心車站的客流高峰期的環(huán)境和 1998 年漢諾威工業(yè)商品博覽會(huì)的展覽大廳環(huán)境中進(jìn)行了實(shí)地現(xiàn)場表演。主要是獲取機(jī)器人團(tuán)隊(duì)協(xié) 調(diào)和控制技術(shù)，并將其應(yīng)用于戰(zhàn)略重要情況 [68]。 （ 2）傳感器信息處理。 （ 5）實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建。反映結(jié)構(gòu)是一種從感知到動(dòng)作的直接映射，機(jī)器人能夠?qū)ν饨绛h(huán)境變化作出快速響應(yīng)。優(yōu)點(diǎn)是大大縮小搜索空間，缺點(diǎn)是建立拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的過程相當(dāng)復(fù)雜。 4．未知環(huán)境下的動(dòng)態(tài)障礙物，對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)而言，環(huán)境事先是未知的或部分未知的，其障礙物的形狀和大小是未知的，同時(shí)其位置是動(dòng)態(tài)的。感知就是獲取關(guān)于其環(huán)境的知識(shí)，這是通過各類傳感器來測量實(shí)現(xiàn)的。電機(jī)由于其控制方便，易于實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)，噪音小等優(yōu)點(diǎn)已日益在 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 7 頁 競賽機(jī)器人中成為主流。它是將環(huán)狀循環(huán)軌道履帶卷繞在若干滾輪外，使車輪不直接與地面接觸。 傳感器技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)的主要內(nèi)容之一。 避障小車是一個(gè)機(jī)電一體化系統(tǒng)，選用微機(jī)作為控制器，系統(tǒng)設(shè)計(jì)就是選用微機(jī)、設(shè)計(jì)接口、選用控制形式和動(dòng)作控制方式的問題。 （ 3）交互功能。 該系統(tǒng)要求對(duì)車體四周環(huán)境進(jìn)行探測，顯然，單一傳感器是不能 滿足要求的。 方 案一：鍵盤輸入 (44 或 33)。 方案二：撥碼開關(guān)。其轉(zhuǎn)速最高能超過 1000r/min。 方案三：普通直流電機(jī)，一般轉(zhuǎn)速較高 ,力矩較小， 具 有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、方便。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)與調(diào)速方案 方案一： 采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)控電 位器調(diào)整電動(dòng)機(jī)的分壓，從而達(dá)到調(diào)整速度目的。（主觸點(diǎn) 24V 固態(tài)繼電器 ） [17] 通過綜合分析以上各個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)及考慮性價(jià)比等客觀因素 ，本文選擇方案二，即 PWM 調(diào)速。如果傳感器接收到反射的超聲波，則通知單片機(jī)前方有障礙物，根據(jù)單片機(jī)發(fā)出超聲波和接收到返回的超聲波的時(shí)間差，可以計(jì)算出小車距離障礙物的距離；這是超聲波傳感相比紅外傳感的優(yōu)勢。這樣可以使電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)所造成的干擾徹底消除，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性 。 方案二：凌陽 16 位單片機(jī)（ SPCE061A 精簡板）。 方案四：飛思卡爾 16 位單片機(jī)。 該方案具有轉(zhuǎn)向精準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)，但是缺乏靈活性，不便于大角度的轉(zhuǎn)向。 為了更清晰的表示硬件總體設(shè)計(jì)，做了硬件總體框圖如圖 所示。濾波電路的作用就是在降低整流后輸出電壓中的脈動(dòng)成分的同時(shí)，盡量保持其中的直流成分。 頻率 特性 ： 大容量的電解電容的高頻特性不好。 工作電壓 ： ATmega16L： ATmega16： ATmega16/ ATmega16L 速度等級(jí) 0 8 MHz ATmega16L 0 16 MHz ATmega16 ATmega16/ ATmega16L 在 1 MHz， 3V， 25176。10pF 本次設(shè)計(jì)采用的電容值為 30pF，晶振的諧振頻率為 。 傳感器模塊設(shè)計(jì)基本結(jié)構(gòu)圖如圖 [21]。仔細(xì)看超聲波發(fā)射器的要求：大多需 要 10V 以上驅(qū)動(dòng)，而且是正弦波信號(hào)。 單片機(jī)還是選用 STC12 系列，一是考慮是 51 兼容 ；二是下載程序方便。 此電路中當(dāng)按下按鍵 S 并保持時(shí)，電容 C 通過按鍵連接成的放電回路放電，非門輸入端的電壓逐漸降低，當(dāng)下降到輸入低電平（或叫關(guān)門電平）時(shí)，其輸出變?yōu)楦唠娖剑s5V），從而實(shí)現(xiàn)手動(dòng)電路的復(fù)位。 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì) 時(shí)鐘電路控制計(jì)算機(jī)的工作節(jié)奏，利用了內(nèi)部一個(gè)由高增益反相放大器組成的振蕩器，在 XTAL1 和 XTAL2 引腳上跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容，構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。放電的時(shí)間常數(shù)為 τ=RC， τ 越大，放電過程越慢，則輸出電壓越穩(wěn)定，濾波效果越好，所以一般而言，采用電解電容或瓷片電容。 額定電壓 ： 額定電壓是指在規(guī)定溫度范圍內(nèi)，可以連續(xù) 加在電容器上的最大直流電壓或交流電壓的有效值 電容溫度系數(shù) ： 有正溫度系數(shù)的電容，亦有負(fù)溫度系數(shù)的電容。 圖 供電模塊總體電路圖 保護(hù)部分電路 二極管的工作原理 一般二極管按材料分有硅二極管與鍺二極管兩種 ， 它具有單向?qū)щ娦浴? 通過綜合分析以上各個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)及考慮性價(jià)比等客觀因素 ，本文選擇方案二，即 雙輪差速轉(zhuǎn)向車模。 采用兩片 51 系列單片機(jī)配合工作；雙口 RAM 用于擴(kuò)展單片機(jī)的 RAM 容量，并且可供兩單片機(jī)通訊。 方案三： RISC 的 8 位 AVR 單片機(jī)。電源直接給電動(dòng)機(jī)供電，因電動(dòng)機(jī)起動(dòng)瞬間電流較大，會(huì)造成電源電壓波動(dòng)，因而控制與檢測部分電路通過集成穩(wěn)壓塊供電，將電壓穩(wěn)定在一定數(shù)值范圍內(nèi)，以免有波動(dòng)電壓造成電路的損毀 。其顯著特點(diǎn)是： 體積小重量輕； 功耗小，工作電壓低，抗沖擊與震動(dòng)，性能穩(wěn)定，壽命長； 靈敏度高，噪聲低， 動(dòng)態(tài)范圍 大； 響應(yīng)速度快，有自掃描功能，圖像畸變小，無殘像； 應(yīng)用超大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)生產(chǎn)，像素集成度高，尺寸精確，商品化生產(chǎn)成本低 。如果采用占空比小的調(diào)制信號(hào)，再品均電流不變的情況下，順勢電流很大（ 50~100mA），則大大提高了信噪比。采用功率器件或集成芯片構(gòu)成 PWM 變換器，具有開關(guān)頻率高，脈動(dòng)電流小，開關(guān)狀態(tài)功耗小的優(yōu)點(diǎn)。 方案四：伺服電動(dòng)機(jī) ， 又稱執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。齒輪減速箱的作用是 ， 提供較低的轉(zhuǎn)速 ,較大的力矩。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的一個(gè)顯著的特點(diǎn)就是具有快速啟動(dòng)和停止能力，并且易于測量電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度或圈數(shù)。判斷閉合鍵所在的位置在確認(rèn)有鍵按下后，即可進(jìn)入確定具體閉合鍵的過程。 基于上述任務(wù)，可以看出微機(jī)必須具備的功能有二：一是數(shù)據(jù)處理、計(jì)算功能，且速度要快；二是中斷功能。 （ 5）驅(qū)動(dòng)電機(jī)穩(wěn)速運(yùn)行要求。單片機(jī)作為系統(tǒng)檢測和控制的核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人小車的控制。因?yàn)楦鞣N各樣的傳感器與人的感觀一一對(duì)應(yīng)，它能夠把自然界的各種物理量和化學(xué)量等精確 地變換為電信號(hào)，再經(jīng)過電子電路或計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，從而對(duì)這些量進(jìn)行檢測或控制。它的缺點(diǎn)是對(duì)路面要求較高，適于平整硬質(zhì)路面。機(jī)器人在地面上移動(dòng)的方式通常有三種：車輪式、履帶式和步行式。 驅(qū)動(dòng)和結(jié)構(gòu)技術(shù) 避障小車的 驅(qū)動(dòng)及結(jié)構(gòu)技術(shù)是機(jī)動(dòng)性和靈活性的最基本保障， 在良好的驅(qū)動(dòng)和結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，控制、算法的改進(jìn)才有意義。第三代智能 (Inteligent)機(jī)器人。該方法精確度、容量、速度都取決于柵格粒度的大小。因?yàn)榉绞降牟煌?，避障技術(shù)通常從兩個(gè)方面來實(shí)現(xiàn)。路徑規(guī)劃用于指導(dǎo)機(jī)器人的行為以達(dá)到它的長遠(yuǎn)目標(biāo)。 （ 3）電機(jī)控制。 （ 4）實(shí)現(xiàn)對(duì)小功率直流電動(dòng)機(jī)的閉環(huán)控制。 （ 4）環(huán)境與機(jī)器人集成。 （ 4） 2021 年 1 月，中科院自動(dòng)化所成功研制開發(fā)了集多種傳感器、視覺、語音識(shí)別與會(huì)話功能于一體的智能移動(dòng)機(jī)器人。 移動(dòng)機(jī)器人的避障運(yùn)動(dòng)一直是一個(gè)重要課題，而且隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛，由于機(jī)器人所處環(huán)境往往是不可預(yù)測的，機(jī)器人所要完成的任務(wù)也越來越復(fù)雜，機(jī)器人感知環(huán)境的手段是不完備的，傳感器給出的數(shù)據(jù)是不完全的、不連續(xù)的、不可靠的，如何確保機(jī)器人正確識(shí)別和躲避周圍環(huán)境存在的障礙物，提高其實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，就成為一個(gè)焦點(diǎn)問題和難點(diǎn)問題。 研究意義與目的 機(jī)器人涉及到機(jī)械、電子、控制、計(jì)算機(jī)、人工智能、傳感器、通訊與網(wǎng)等多個(gè)學(xué)科和領(lǐng)域，是多種高新技術(shù)發(fā)展成果的綜合集成。 工業(yè)機(jī)器人自誕生以來已走過了 50 年歷程， 20 世紀(jì) 60 年代初期到 20 世紀(jì) 70 年代初期機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展較為緩慢， 20 世紀(jì) 70 年代中期逐漸投入實(shí)用，到 20 世紀(jì) 80 年代中期機(jī)器人制造業(yè)已成為發(fā)展最快和最好的經(jīng)濟(jì)部門之一， 20 世紀(jì) 90 年代機(jī)器人已活躍在世界工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域。 20 世紀(jì) 60 年代出現(xiàn)了作為可實(shí)用機(jī)械的機(jī)器人。一些工業(yè)發(fā)達(dá)國家如美國、德國、日本的大學(xué)和研究所的有關(guān)專業(yè)都在講授和研究機(jī)器人及其應(yīng)用，我國也把機(jī)器人學(xué)科列入國家 “ 863” 高技術(shù)計(jì)劃中。