【正文】 .................................. 20 時(shí)的路徑設(shè)計(jì) .................................................... 21 時(shí)的路徑設(shè)計(jì) .................................................... 22 ................................................................ 23 ........................................................................ 26 第 4章 移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) ............................................... 26 ...................................................... 26 ................................................................ 27 ...................................................... 28 ATmega8515L 微控制器特點(diǎn) ................................................ 28 ATmega8515L微控制器的引腳配置圖及其定義 ................................. 29 ATmega8515L微控制器的指令系統(tǒng) ........................................... 31 .................................................................... 32 ................................................................ 36 光電編碼器測(cè)速模塊 .......................................................... 40 光電編碼器鑒相的方法 .................................................... 41 移動(dòng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)輪線速度的測(cè)量 ............................................ 42 系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì) .............................................................. 46 影響系統(tǒng)可靠性的因素 .................................................... 46 應(yīng)對(duì)的措施 .............................................................. 46 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 III 頁(yè) 共 54 頁(yè) 小結(jié) ....................................................................... 47 第 5章 移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) ............................................... 48 ....................................................................... 48 移動(dòng)機(jī)器人軟件的總體設(shè)計(jì) .................................................... 48 程序設(shè)計(jì) ................................................................... 49 外部中斷子程序 ......................................................... 49 避障子程序設(shè)計(jì) ......................................................... 50 PWM初始化子程序 ........................................................ 51 電機(jī)控制子程序 ......................................................... 52 程序編譯環(huán)境與燒錄 .......................................................... 52 CVA軟件介紹 ............................................................ 52 .............................................................. 53 小結(jié) ....................................................................... 53 第 6章 結(jié)論 ...................................................................... 54 論文成果小結(jié) ............................................................... 54 展望 ....................................................................... 54 參考文獻(xiàn) ......................................................................... 55 致謝 ............................................................................. 55 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 1 頁(yè) 共 54 頁(yè) 第 1 章 緒 論 引言 隨著各國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求和電子技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)以及制造技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，使得機(jī)器 人應(yīng)運(yùn)而生，并得以不斷發(fā)展。 4）機(jī)器人具有獨(dú)立性，一旦工作程序設(shè)定，機(jī)器人在工作時(shí)不需要人的干預(yù)。導(dǎo)航研究的目標(biāo)就是：在沒人干預(yù)的條件下，使機(jī)器人有目的移動(dòng)并完成特定任務(wù)，進(jìn)行特定操作。它涉及 環(huán)境地圖模型建造和模型匹配兩大問題。其中路標(biāo)不是事先定義的人工路標(biāo)，而是在學(xué)習(xí)階段自動(dòng)抽取的自然路標(biāo)。由于氣味傳感器具有靈敏度高、響應(yīng)速度快以及魯棒性好等有點(diǎn)，但這些要求難以達(dá)到，所以該項(xiàng)技術(shù)很少應(yīng)用到實(shí)際環(huán)境中，仍處于試驗(yàn)研究階段。該方法雖然簡(jiǎn)單，但是由于車輪與地面存在打滑現(xiàn)象產(chǎn)生的誤差，累積誤差隨移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)研究 第 4 頁(yè) 共 54 頁(yè) 路徑的增加而增大，定位誤差會(huì)逐漸累積引起較大的偏差；路標(biāo)定位在移動(dòng)機(jī)器人工作的環(huán)境里，人為地設(shè)置一些坐標(biāo)己知的路標(biāo)，如超聲波發(fā)射器、激光反射板等，通過對(duì)路標(biāo)的探測(cè)來(lái)確定自身的位置。局部路徑規(guī)劃的方法有：人工勢(shì)場(chǎng)法（ Artificial Potential Field）、遺傳算法（ GeicAlgorithm）、螞蟻算法（ Ant Algorithm）、模糊邏輯算法（ Fuzzy Logic Algorithm）和滾動(dòng)路徑規(guī)劃（ Rolling Path Planning）等。 （ 2）仿生學(xué)和類人機(jī)器人機(jī)構(gòu)與能源方面的研究 類機(jī)器人在蓄電池的蓄電容量、體積、重量，以及語(yǔ)言功能等方面的完善，還需一定程度的探索和研究。具有避障功能的移動(dòng)機(jī)器人擁有相當(dāng)高的社會(huì)價(jià)值，被大量應(yīng)用于航天、軍事、制造業(yè)、醫(yī)療、交通等。因此一切功能的實(shí)現(xiàn)離不開它的移動(dòng)機(jī)構(gòu)，移動(dòng)機(jī)構(gòu)是整個(gè)移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的基礎(chǔ)，因此需首先進(jìn)行移動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。 （ 2）差速轉(zhuǎn)向式：在小車的左右輪上分別裝上兩個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過控制左右輪的速度比來(lái)實(shí) 現(xiàn)車體的轉(zhuǎn)向。雖然輪式移動(dòng)機(jī)器人的種類繁多，但是大部分的都是非完整系 統(tǒng) 。表示驅(qū)動(dòng)輪和從動(dòng)輪。根據(jù)所要求的運(yùn)行速度，并且考慮傳動(dòng)效率以及安全情況，可以確定所需電機(jī)的功率大致為： () 根據(jù)確定出的功率，我們就可以進(jìn)行電機(jī)的選 。還有油壓執(zhí)行器，如油壓缸 (直線運(yùn)動(dòng) )和油壓馬達(dá)；氣壓執(zhí)行器，如氣壓缸和氣壓馬達(dá)等。 （ 2）鋁塑板又比單鋁板好加工。其壓差在 輸出，負(fù)載電流為 800mA時(shí)為 。通過對(duì)激光、紅外線、超聲波等現(xiàn)有測(cè)距方法的比較可知， 該 移動(dòng)機(jī)器人 使用 超聲波傳感器 。相對(duì)應(yīng)地人們稱具有完整約束的系統(tǒng)為完整系統(tǒng)，而具有非完整約束的系統(tǒng)為非完整系統(tǒng)。因此可積的 Pfaffiall 約束等價(jià)于完整約束，不可積 Pfaffian 約束則是一種非完整約束。如果對(duì)于任意的 q?, ∈ ,存在 T0 和 u，使得該系統(tǒng)滿足 q(0)=q?，移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)研究 第 16 頁(yè) 共 54 頁(yè) q(t)= 了，則稱該系統(tǒng)是可控的。 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 17 頁(yè) 共 54 頁(yè) 圖 為 簡(jiǎn)化推導(dǎo)假定每根軸上的兩個(gè)輪子都可以簡(jiǎn)化成位于車軸中點(diǎn)的單個(gè)輪子，車輪與地面之間滿足純滾動(dòng)無(wú)滑動(dòng)條件。 式（ ）和式（ ）所示的約束明顯是不可積的，因此式（ ）所示的可移動(dòng)機(jī)器人是一非完整系統(tǒng)。 移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)研究 第 20 頁(yè) 共 54 頁(yè) 第 3 章 移動(dòng)機(jī)器人 的路徑規(guī)劃 引言 路徑規(guī)劃是移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航的最基本環(huán)節(jié)之一，機(jī)器人路徑規(guī)劃是針對(duì)某個(gè)特定的問題狀態(tài)出發(fā)，尋求一系列行為動(dòng)作，并建立一個(gè)操作集合，該集合具有時(shí)間上的序列關(guān)系直到目標(biāo)狀態(tài)為止。 由于直線和圓對(duì)于車輪型 移動(dòng)機(jī)器人是跟蹤性能最好的路徑，所以本系統(tǒng) 中選用這兩種路徑，并且這兩種路徑的跟蹤性能很好。 時(shí)的路徑設(shè)計(jì) 繞過障礙物的路徑為以 C 為中點(diǎn)， （即 ）為半徑的半圓。所以過 A點(diǎn)做一圓心在垂直于 的直線上的圓切于以 為半徑的圓。由上式中的前兩個(gè)方程可以得到約束方程如下： =0 () 該約束方程的物理意義為：機(jī)器人這能沿著輪子的姿態(tài)方向作瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)（假設(shè)車輪移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)研究 第 24 頁(yè) 共 54 頁(yè) 不存在滑動(dòng)）。 定義新變量 z=(f,x,y)，其一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)分別為： () ()式中：； ； ； ； ( ) () 式中 ?= ， 為新的控制變量。 第 4 章 移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 在移動(dòng)機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)中，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)最為重要。微控制器在整個(gè)系統(tǒng)中扮演的角色類似于人的大腦，主要完成各種信息的運(yùn)算和決策?？紤]到本文中 的移動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和功能要求，須在高性能計(jì)算與低功耗之間得到很好的平衡。 ATmega8515L 微控制器主要有以下特點(diǎn)： 8K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程 Flash（具有同時(shí)讀寫的能力，即 RWW）， 512 字節(jié) EEPROM， 512 字節(jié) SRAM， 64K 外部存儲(chǔ)器， 35個(gè)通用華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 29 頁(yè) 共 54 頁(yè) I/O接口， 32個(gè)通用工作寄存器，兩個(gè)具有比較模式的靈活的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)（ T/C） ,片內(nèi) /外中斷，可編程串行 USART，具有片內(nèi)振蕩器的 可編程看門狗定時(shí)器，一個(gè) SPI 串行端口，以及三個(gè)可以通過軟件進(jìn)行選擇的省電模式。使用 WDT可以有效的提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性； AVR CPU 的工作是由系統(tǒng)時(shí)鐘直接驅(qū)動(dòng)的，在片內(nèi)不再進(jìn)行分頻。 ATmega8515L 微控制器 的引腳配置圖及其定義 ATmega8515L 微控制器有 40 個(gè)引腳，采用 PDIP40(雙列直插 )封裝， 其外部引腳分裝 如圖 所示。持續(xù)時(shí)間超過最小門限時(shí)間 的地電平將 引起 芯片的硬件 復(fù)位。因此，移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)必須配有能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)環(huán)境障礙物的傳感器。 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 33 頁(yè) 共 54 頁(yè) 圖 MA40B8R的實(shí)物圖 圖 MA40B8R的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 MA40B8R 的 中心頻率為 40KHZ，方向角為 50176。超聲波傳感器的工作原理如圖 所示。 L293D 符合 TTL邏輯電平接口標(biāo)準(zhǔn)，可用來(lái)驅(qū)動(dòng)大功率感性負(fù)載，比如繼電器、直流和步進(jìn)電機(jī)和開關(guān)電源晶體管，可以通過邏輯設(shè)定實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓的極性轉(zhuǎn) 換，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向調(diào)整。故在本設(shè)計(jì)中，在微控制器的通用 IO 口和L293D 控制端之間添加了兩個(gè)反相器，實(shí)現(xiàn)了微控制器單線控制轉(zhuǎn)向的功能，簡(jiǎn)化了微控制器的程序設(shè)計(jì)和硬件端口資源分配。由 式可以看出，改變開關(guān)接通時(shí)間 和開關(guān)周期