【文章內容簡介】 遠來說，希望操作人員只要給出要完成的任務，而機器能自動形成完成該任務的步驟，并自動完成它。另一方面是，提高智能移動機器人的適應性，提高智能移動機器人適應環(huán)境變化的能力，這是就智能移動機器人與環(huán)境的關系而言，希望加強它們之間的交互關系。 智能移動機器人涉及到許 多關鍵技術，這些技術關系到智能移動機器人的智能性的高低。這些關鍵技術主要有以下幾個方面：多傳感信息耦合技術，多傳感器信息融合就是指綜合來自多個傳感器的感知數據 ,以產生更可靠、更準確或更全面的信息，經過融合的多傳感器系統(tǒng)能夠更加完善、精確地反映檢測對象的特性 ,消除信息的不確定性 ,提高信息的可靠性；導航和定位技術，在自主移動機器人導航中，無論是局部實時避障還是全局規(guī)劃，都需要精確知道機器人或障礙物的當前狀態(tài)及位置，以完成導航、避障及路徑規(guī)劃等任務；路徑規(guī)劃技術，最優(yōu)路徑規(guī)劃就是依據某個或某些優(yōu)化準則，在機器人工 作空間中找到一條從起始狀態(tài)到目標狀態(tài)、可以避開障礙物的最優(yōu)路徑；機器人視覺技術，機器人視覺系統(tǒng)的工作包括圖像的獲取、圖像的處理和分析、輸出和顯示 ,核心任務是特征提取、圖像分割和圖像辨識；智能控制技術，智能控制方法提高了機器人的速度及精度；人機接口技術，人機接口技術是研究如何使人方便自然地與計算機交流。 在各國的智能移動機器人發(fā)展中，美國的智能移動機器人技術在國際上一直處于領先地位，其技術全面、先進，適應性也很強，性能可靠、功能全面、精確度高，其視覺、觸覺等人工智能技術已在航天、汽車工業(yè)中廣泛應用。日本由于一 系列扶植政策，各類機器人包括智能移動機器人的發(fā)展迅速。歐洲各國在智能移動機器人的研究和應用方面在世界上處于公認的領先地位。中國起步較晚，而后進入了大力發(fā)展的時期，以期以機器人為媒介物推動整個制造業(yè)的改變，推動整個高技術產業(yè)的壯大 Arduino 智能避障機器人研究意義和目的 機器人的感覺傳感器種類非常多，其中視覺傳感器成為研制自動行走和駕駛機器人的重要部件。機器人要實現(xiàn)自動導引功能和避障功能就必須要感知導引線和障礙物，感知導引線相當給機器人一個視覺功能。本設計以超聲波作為 智能車避障的一種重要手段，以其避障實現(xiàn)方便，計算簡單，易于做到實時控制，測量精度也能達到實用的要求，在未來汽車智能化進程中必將得到廣泛應用。我國作為一個世界大國，在高科首都師范大學本科畢業(yè)設計論文 5 技領域也必須占據一席之地，未來汽車的智能化是汽車產業(yè)發(fā)展必然的，在這種情況下研究超聲波在智能車避障上的應用具有深遠意義，這將對我國未來智能汽車的研究在世界高科技領域占據領先地位具有重要作用。 本設計主要體現(xiàn)多功能小車的智能避障功能，本設計中的理論方案、分析方法及特色與創(chuàng)新點等可以為自動運輸機器人、采礦勘探機器人、家用自動清潔機器人等自動半自動 機器人的設計與普及有一定的參考意義。同時小車可以作為玩具的發(fā)展對象，為中國玩具市場技術含量的缺乏進行一定的彌補，實現(xiàn)經濟收益，形成商業(yè)價值。 我們所設計的智能移動機器人利用超聲波能夠在路面上順利躲避障礙物，從而在導盲和輔助人類行動方面 也 有著重要意義。 項目主要研究內容 本設計題目為《 基于行為設計的移動機器人設計與實現(xiàn) 》是 以 Arduino 單片機為控制核心， 主要研究小車的避障功能。 利用超聲波傳感器檢測道路上的障礙，然后把數據傳送給單片機，當超聲波檢測到距離小車前方有障礙物時單片機就發(fā)出指令讓小車左轉一定角 度，然后停止運行繼續(xù)探測 .如果前方沒有障礙物就直走，否則繼續(xù)左轉一定角度。如此通過超聲波不斷的循環(huán)檢測周邊環(huán)境的情況進行自動避障。該功能的小車能夠實現(xiàn)在無人操作的情況下在比較寬闊平坦的環(huán)境中避開障礙物。當機器人在行走過程中遇到前方障礙時 ,能夠根據有效范圍內的距離作出相應處理 ,由單片機軟件發(fā)出轉彎、直行、后退指令 ,避免機器與障礙物 相撞。 基于行為設計的移動機器人設計與實現(xiàn) 6 第二章 避障小車機器人的總體設計 設計 原理與方法 本設計中 直流電機 PWM 控制系統(tǒng)的主要功能包括實現(xiàn)對直流電機的加速、減速，并且可以調整電機的轉速，能夠很方便的實現(xiàn)電機的智能控制。主體電路：即直流電機 PWM 控制模塊。這部分電路主要由 AT89S52 單片機的 I/O 端口、定時計數器、外部中斷擴展等控制直流電機的加速、減速以及電機的正轉和反轉，并且可以調整電機的轉速，能夠很方便的實現(xiàn)電機的智能控制。其間是通過 AT89S52 單片機產生脈寬可調的脈沖信號并輸入到 L298 驅動芯片來控制直流電機工作的。該直流電機 PWM 控制系統(tǒng)由以下電路模塊組成：設計控制部分：主要由 AT89S52 單片機的外部中斷擴展電路組成。直流電機 PWM 控制實現(xiàn)部分主要由一些二極管、電機和 L298 直流電機驅動模塊組成。 智能小車采用后輪驅動，兩個后輪各用一個電機 ， 前 輪是萬象輪，起 到 支撐和轉向 的作用。 硬件設計 本小車的硬件部分分為幾個模塊：超聲波傳感器、 Arduino 單片機、電源、兩個直流電動機、電機驅動板、車身。電源連接在 Arduino 單片機上給整個小車供電。小車以 Arduino 單片機為核心，連接電機驅動板 控制兩個直流電動機的運轉，從而實現(xiàn)小車的前進。將超聲波傳感器安置在車身的最前端，用于探測前方是否有 障礙物。當超聲波傳感器遇到障礙物，將反饋提供到單片機里從而做出向左旋轉的反應，再次檢測前方是否有障礙物，若有障礙物則繼續(xù)旋轉，沒有障礙物則電 機驅動器驅動電機前進，從而實現(xiàn)整個小車的避障功能。硬件框架圖如圖 。 首都師范大學本科畢業(yè)設計論文 7 圖 硬件 設計 框架 軟件設計 Arduino 語言 Arduino 語言具有如下特點： 開放源代碼的電路圖設計，程序開發(fā)接口免費下載，也可依需求自己修改。 使用低價格的微處理控制器 (AVR 系列控制器 )，可以采用 USB 接口供電，不需外接電源，也可以使用外部 9VDC 輸入。 Arduino 支持 ISP 在線燒，可以將新的“ bootloader”固件燒入 AVR 芯片。有了bootloader 之后，可以通過串口或者 USB to Rs232 線更新固件。 可依據官方提供的 Eagle 格式 PCB 和 SCH 電路圖簡化 Arduino 模組，完成獨立運作的微處理控制；可簡單地與傳感器，各式各樣的電子元件連接 (例如：紅外線 ,超音波 ,熱敏電阻 ,光敏電阻 ,伺服馬達 ,?等 ) 支持 多種互動程序，如： Flash、 Max/Msp、 VVVV、 PD、 C、 Processing 等。 應用方面，利用 Arduino，突破以往只能使用鼠標、鍵盤、 CCD 等輸入的裝置的互動內容，可以更簡單地達成單人或多人游戲互動。 Arduino 的 功能 ： 基于行為設計的移動機器人設計與實現(xiàn) 8 Arduino 可以 讓我們 快速使用與 Macromedia Flash, Processing, Max/MSP, Pure Data, SuperCollider 等軟件結合，作出互動作品。 Arduino 可以使用現(xiàn)有 的電子元件例如開關或者傳感器或者其他控制器件、 LED、步進馬達或其他輸出裝置。 Arduino 也可以獨立運行，并與軟件進行交互，例如： Macromedia Flash, Processing,Max/MSP, Pure Data,VVVV 或其他互動軟件， Arduino 的 IDE 界面基于開放源代碼，可以讓我們 免費下載使用，開發(fā)出更多令人驚艷的互動作品。 Arduino 可使用 ICSP 線上燒入器，將「 bootloader」燒入新的 IC 晶片 ； 可依據官方電路圖，簡化 Arduino 模組，完成獨立運作的微處理控制 ； 可簡單地與 傳感器，各式各樣的電子元件連接（例如：紅外線，超聲波，熱敏電阻，光敏電阻，伺服馬達等） ；支援多樣的互動程序例如 : Macromedia Flash、 Max/Msp、 VVVV、 PD、 C、 Processing 等 ；使用低價格的微處理控制器 (ATMEGA 8168)； USB 接口，不需外接電源。另外有提供9V 直流電源輸入 ；在 應用方面，利用 Arduino，突破以往只能使用鼠標，鍵盤， CCD 等輸入的裝置進行互動內容的設計，可以更簡單地達成單人或多人游戲互動。 Arduino IDE 如圖 這是運行界面 。 Arduino 語言是一種類 c 的語言。在這個界面里有我們編程時 最常用的東西。當我們把鼠標放在上面就會在右側出現(xiàn)按鍵的功能。 圖 Arduino IDE 運行界面 首都師范大學本科畢業(yè)設計論文 9 圖 就是 upload 上傳 功能 。 最右邊 的 圖標 是我們需要熟知的串口監(jiān)視器，快捷鍵是 ： Ctrl+Shift+M。 點這個圖標有用的前提是插上了串口設備，當然 Arduino 插在USB 上也 可以 ，因為板上的 Atmega16U2 就是 USB 轉串口的功能。 圖 upload 上傳 功能 如圖 這就是串口監(jiān)視器的運行畫面相對于網上流傳的 眾多 串口調試軟件， 它的 功能可以說 較為簡單。 右下角是波特率 ， 波特率接收端和發(fā)射端要相同，要不然收到的 會是亂碼 。 圖 串口監(jiān)視器 如果電腦沒找到串口或者驅動沒裝好，就會有 如圖 的提示。 serial port 的意思是串行通訊接口 。 圖 Arduino IDE 的菜單欄中有很多選項，例如“文件”“編輯”等英文界面。其中Sketch 是草圖的意思，在 Arduino IDE 中，每個 Arduino 程序都稱為 sketch，他是一個基于行為設計的移動機器人設計與實現(xiàn) 10 可以上傳進 Arduino Board 中的程序包，當然經過編譯以后他就不是代碼包了。 Tools里面第一項，自動格式，當你把一段從網上 下載 的源代碼放到 sketch 里面， 會有一些縮進的亂碼 ，這時， Auto Format 就起到了很好的作用 。 當我們編寫好程序后，點擊 Update， IDE 會自動編譯，上傳。如果程序有錯誤，就會有如圖 的顯示，標出了行號。修改程序后就可以繼續(xù)編譯上傳了。 圖 實驗前期準備 搭建小車的零件清單如下： 2 個 2 個 2 個 1 個 *150* 有機玻璃板 2 片 電機驅動板 1 個 328 給力板 1 個 1 個 1 個 1 個 1 個 節(jié) 5 號電池盒一個 12 條 米長 USB 線 1 條 35MM 長 3 個 12MM 4 個 首都師范大學本科畢業(yè)設計論文 11 螺絲螺母若干 基于行為設計的移動機器人設計與實現(xiàn) 12 第三章 硬件 模塊 各模塊的的基本性能 單片機模塊 本設計采用 Atmel Atmega328 微處理控制器。其性能為： Digital I/O 數字輸入 /輸出端共 0~13。 Analog I/O 模擬輸入 /輸出端共 0~5。支持 ISP 下載功能。輸入電壓：接上電腦 USB 時無須外部供電，外部供電 7V~12V 直流電壓輸入。輸出電壓： 5V 直流電壓輸出和 直流電壓輸出。 圖 Arduino 單片機實物圖 電機、電機驅動模塊 本設計 采用由雙極性管組成的 H 橋電路（ L298N）。用單片機控制晶體管使之工作在占空比可調的開關狀態(tài)，精確調整電機轉速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，則效率非常高； H 橋電路保證了可以簡單地實現(xiàn)轉速和方向的控制，電子開關的速度很快，穩(wěn)定性也很高。而且它有更強的驅動能力。 而且 L298N 有過電流保護首都師范大學本科畢業(yè)設計論文 13 功能，當出現(xiàn)電機卡死時，可以保護電路和電機 。 這種調速方式有調速特性優(yōu)良、調整平滑、調速范圍廣、過載能力大，能承受頻繁的負載沖擊，還可以實現(xiàn)頻繁的無級快速啟動、制動和反轉等優(yōu)點。因此決定采用使用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機。 圖 L298N 引腳圖 圖 L298N 電路原理圖 基于行為設計的移動機器人設計與實現(xiàn) 14 圖 L298N 實物圖 避障模塊 本設計采用 HCSR04 超聲波測距模塊，該原件可提供 2CM400CM 的非接觸式距離感測功能，測距精度可達高到 3mm；模塊包括超聲波發(fā)射器，接收器和控制電路。 基本工作原理： (1)采用 IO 口 TRIG 觸發(fā)測距，給至少 10us 的高電平信號 。(2)模塊自動發(fā)送 8 個 40khz 的方波，自動檢測是否有信號返回； (3)有信號返回，通過 IO 口ECHO 輸出一個高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間。測試距離=(高電平時間 *聲速 (340M/S))/2。 圖 避障模塊 實物圖 首都師范大學本科畢業(yè)設