【文章內(nèi)容簡介】 為了減少計算工作量，提高運算速度，采用了線性函數(shù)。 圖 7 輸出隸屬函數(shù)圖 模糊控制規(guī)則：用 DR表示機(jī)器人右側(cè)與障礙物的距離， DL表示機(jī)器人左側(cè)與障礙物的距 12 離， U表示輸出，機(jī)器人的避障規(guī)則如表 1所示： U DL DR ND MD LD ND TRL TLL TL MD TRL GA TLL LD TR TRL GA 表 1 模糊規(guī)則控制表 用 IF， THEN 形式表示控制規(guī)則， 如 規(guī)則 R1可寫為： IF DR=ND AND DL=ND； THEN U=TRL； 歸納總結(jié)其控制算法規(guī)則為 R1到 R9，共 9條規(guī)則。 4 硬件系統(tǒng)設(shè)計 超聲波測距系統(tǒng)硬件設(shè)計 超聲波測距部分是機(jī)器人避障的核心部分。本設(shè)計 采用 AT89C52或 AT89S52單片機(jī) ， 晶振 :12M， 單片機(jī)用 40K方波信號 ， 利用外中斷 0口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號 ， 顯示電路 采用簡單的 4位共陽 LED數(shù)碼管 ， 斷碼用 74LS244， 位碼用 8550驅(qū)動 。 單片機(jī)通過 ，然后單片機(jī)不停的檢測INT0引腳，當(dāng) INT0引腳的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r就認(rèn)為超聲波已經(jīng)返回。計數(shù)器所計的數(shù)據(jù)就是超聲波所經(jīng)歷的時間，通過換算就可以得到傳感器與障礙物之間的距離。 本設(shè)計包括超聲波接收電路、超聲波發(fā)送電路、距離顯示電路組成 。 原理方框圖如圖 8所示 圖 8 超聲波測距器系統(tǒng)框圖 單片微型計算機(jī)簡稱單片機(jī)，特別適用于控制領(lǐng)域，故又稱為微控 制器 (Microcontroller)。 13 單片微型計算機(jī)是微型計算機(jī)的一個重要分支，也是一種非?；钴S且頗具生命力的機(jī)種。 通常，單片機(jī)由單塊集成電路芯片構(gòu)成，內(nèi)部包含有計 算機(jī)的基本功能部件 CPU(Central Processing Unit，中央處理器 )、存儲器和 I/O 接口電路等。因此，單 片機(jī)只需要與適 當(dāng)?shù)能浖巴獠吭O(shè)備相結(jié)合，便可成為一個單片機(jī)控制系統(tǒng)。 單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu) AT89C52是 51系列單片機(jī)的一個型號，它是 ATMEL公司生產(chǎn)的。 AT89C52是一個低電壓，高性能 CMOS 8位單片機(jī)， 片內(nèi)含 8k bytes的可反復(fù)擦寫的 Flash只讀程序存儲器和 256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（ RAM），器件采用 ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8位中央處理器和 Flash存儲單元，功能強(qiáng)大的AT89C52單片機(jī)可 以 提供許多較復(fù)雜系統(tǒng)控制應(yīng)用場合。 AT89C52有 40個引腳， 32個外部雙向輸入 /輸出（ I/O）端口，同時內(nèi)含 2個外中斷口， 3個 16位可編程定時計數(shù)器 ,2個全雙工串行通信口， 2個讀寫口線， AT89C52可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程 ,但 不可以在線編程 (S系列的才支持在線編程 )。其將通用的微處理器和 Flash存儲器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的 Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。 AT89C52單片機(jī) 的 內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 9所示。 圖 9 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu) 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路 對 51系列單片機(jī)來說，最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括 ： 單片機(jī)、晶振電路、復(fù)位電路。 AT89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)的電路如圖 10 所示。 14 圖 10 AT89C52 單片機(jī) 的 最小系統(tǒng) 復(fù)位電路 ： 由電容串聯(lián)電阻構(gòu)成 ， 由圖并結(jié)合 “ 電容電壓不能突變 ” 的性質(zhì) ， 可以 知道 ，當(dāng)系統(tǒng)一上電 ， RST 腳將會出現(xiàn)高電平 ， 并且 ， 這個高電平持續(xù)的時間由電路的 RC 值來決定 。 典型的 51 單片機(jī)當(dāng) RST 腳的高電平持續(xù)兩個機(jī)器周期以上就將復(fù)位 ， 所以 ， 適當(dāng)組合RC 的取值就可以保證可靠的復(fù)位 。 晶振電路 ： 在單片機(jī)系統(tǒng)里晶振的作用非常大， 它 結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部的電路，產(chǎn)生單片 機(jī)所必須的時鐘頻率，單片機(jī)的一切指令的執(zhí)行都是建立在這個基礎(chǔ)上，晶振提供的時鐘頻率越高， 單片機(jī)的運行速度也就越快。 典型的晶振取 值為 (因為可以準(zhǔn)確地得到9600 波特率和 19200 波特率 ， 用于有串口通訊的場合 )/12MHz(產(chǎn)生精確的 uS 級時歇 ， 方便定時操作 )。 超聲波發(fā)射系統(tǒng)電路 超聲波發(fā)射部分是為了讓超聲波發(fā)射換能器 T1能向外界發(fā)出 40 kHz左右的方波脈沖信號。 40kHz 左右的方波脈沖信號的產(chǎn)生通常有兩種方法 :采用硬件如由 555 振蕩產(chǎn)生或軟件如單片機(jī)軟件編程輸出 ， 本系統(tǒng)采用后者。編程由單片機(jī) 端口輸出 40kHz 左右的方波脈沖信號 ， 由于單片機(jī)端口輸出功率不夠 ， 40kHz 方波脈沖信號分成兩路 ， 送給一個由74HC04 組成的推挽式電路進(jìn)行功率放大以便使發(fā)射距離足夠遠(yuǎn) ， 滿足測量距離要求 ， 最后 15 送給超聲波發(fā)射換 能器 T 以聲波形式發(fā)射到空氣中。發(fā)射部分的電路 ， 如圖 11 所示。圖中輸出端上拉電阻 R7， R9， 一方面可以提高反向器 74HC04 輸出高電平的驅(qū)動能力 ， 另一方面可以增加超聲換能器的阻尼效果 ， 縮短其自由振蕩的時間。 圖 11 超聲波發(fā)射系統(tǒng)電路 超聲波接收系統(tǒng)電路 上述 T1 發(fā)射的在空氣中傳播 ， 遇到障礙物就會返回 ， 超聲波接收部分是為了將反射波(回波 )順利接收到超聲波接收換能器 T2 進(jìn)行轉(zhuǎn)換變成電信號 ， 并對此電信號進(jìn)行放大、濾波、整形等處理后 ， 這里用索尼公司生產(chǎn)的集成芯片 CX20216， 得到一個負(fù)脈沖送給單片機(jī)的 R( INT0)引腳 ， 以產(chǎn)生一個中斷。接收部分的電路 ， 如圖 12 所示?？梢钥吹?， 集成芯片CX20216 在接收部分電路中起了很大的作用。 CX20216 是一款應(yīng)用廣泛的紅外線檢波接收的專用芯片 ， 其具有功能強(qiáng)、性能優(yōu)越、外圍接口簡單、成本低等優(yōu)點 ， 由于紅外遙控常用的載波頻率 38 kHz 與測距的超聲波頻率 40 kHz 比較接近 ， 而且 CX20216 內(nèi)部設(shè)置的濾波器中心頻率 f0 可由其 5 腳外接電阻調(diào)節(jié) ， 阻值越大中心頻率越低 ， 范圍為 30～ 60 kHz。故本次設(shè)計用它來做接收電路。 CX20216 內(nèi)部 由前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、檢波器、積分器及整形電路構(gòu)成。工作過程如下 : 接收的回波信號先經(jīng)過前置放大器和限幅放大器 ， 將信號調(diào)整到合適幅值的矩形脈沖 ， 由濾波器進(jìn)行頻率選擇 ， 濾除干擾信號 ， 再經(jīng)整形 ，送給輸出端 7 腳。當(dāng)接收到與 CX20216 濾波器中心頻率相符的回波信號時 ， 其輸出端 7 腳就輸出低電平 ， 而輸出端 7 腳直接接到 AT89C52 的 INT0 引腳上 ， 以觸發(fā)中斷。若頻率有一些誤差 ， 可調(diào)節(jié)芯片引腳 5 的外接電阻 R11 ， 將濾波器的中心頻率設(shè)置在 40 kHz， 就可達(dá)到理想的效果 。 16 圖 12 超聲波接收系統(tǒng)原理 圖 顯示模塊的設(shè)計 方案一： 選用 LCD1602 顯示屏 LCD1602 液晶顯示 ,由單片機(jī)驅(qū)動 .它主要用來顯 示大量數(shù)據(jù)、文字、圖形，能夠顯示的位數(shù)多，顯示得清晰多樣、美觀。如圖所示： 圖 13 LCD1602 液晶顯示屏 方案二： 選用點陣顯示 點陣顯示 是由八行八列的發(fā)光二極管集成在一塊電路上組成，主要用來顯示漢字，同時也能顯示數(shù)字和少量圖象 ,但它的焊接較麻煩 ,價格高，鑒于所設(shè)計的題目要求它不切實際。所以排除此方案。 方案三： 選用 LED 數(shù)碼管靜態(tài)顯示 LED 數(shù)碼管靜態(tài)顯示其 電路容易理解且驅(qū)動的程序簡單 ，多片七段譯碼器驅(qū)動顯示，這不僅增加了成本，還需要占用單片機(jī)多個 I/O 口，也給電路的焊接帶來一定的困難，因此 17 不選用這種方案作為顯示模塊。 方案四：采用 LED 數(shù)碼管動態(tài)掃描顯示 LED 數(shù)碼管動態(tài)掃描顯示價格低廉，不僅減少了對 I/O 口的浪費，而且能夠同時驅(qū)動多個數(shù)碼管。其驅(qū)動程序容易編寫和理解。當(dāng)顯示內(nèi)容不太多，可以排除； 經(jīng)過四種方案的比較以及本系統(tǒng)實際，由于該系統(tǒng)需要顯示兩個內(nèi)容，上述的 LCD 液晶顯示比較妥善，我們選擇性價比相對高的 LCD1602 液晶。 機(jī)器人 避障的 硬件系統(tǒng) 移動機(jī)器人 硬件 系統(tǒng)主要由電 源模塊、車速檢測模塊、直流電機(jī)驅(qū)動模塊、路徑模糊避障模塊、顯示模塊、單片機(jī)模塊等組成。 路徑模糊避障模塊將采集到的路面障礙物與車體位置的信息、轉(zhuǎn)速測量模塊測得的車速信息通過各自的接口送到單片機(jī)。單片機(jī)則根據(jù)這些信息，通過相應(yīng)的軟件算法對舵機(jī)與直流驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行控制，進(jìn)而完成對小車方向與速度的控制，電源模塊則向各個模塊提供所需的電壓與電流，并要保證系統(tǒng)穩(wěn)定安全的運行。 障礙物的信息包括超聲波傳感器中心到障礙物 的最短距離和障礙物相對于車體的方位。移動機(jī)器人運行過程中 ， 實時采集每個方向上超聲波傳感器中心到障礙物的邊 界距離 ， 進(jìn)行比較劃分找到其中最短的距離及方位作為車體到障礙物的最短距離和方位。避障算法如下 ：移動機(jī)器人以某一速度前進(jìn) ， 如果某一傳感器檢測到的距離 符合 R1~ R9某個規(guī)則 ， 那么機(jī)器人 就根據(jù)程序選擇 繞開障礙物 或 繼續(xù)前進(jìn)。 避 障軟件實現(xiàn)的步驟包括主程序、測距程序、顯示程序、電機(jī)轉(zhuǎn)向控制， 如圖 14所示 為 避障步驟圖 。 圖 14 避障步驟圖 18 5 系統(tǒng)軟件設(shè)計 單片機(jī)編程產(chǎn)生超聲波，在系統(tǒng)發(fā)射超聲波的同時利用定時器的計數(shù)功能開始計時，接收到回波后，接收電路輸出端產(chǎn)生的負(fù)跳變在單片機(jī)的外部中斷源輸入口產(chǎn)生一個中斷請求信號 ，響應(yīng)外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，停止計時，讀取時間差，計算距離，然后通過軟件譯碼，將數(shù)據(jù)輸出 P0、 P1和 P2口顯示。 程序流程圖如圖 15， (a)為主程序流程圖， (b)為定時中斷子程序流程圖， (c)為外部中斷子程序流程圖。 (a) (b) (c) 圖 15 程序流程圖 根據(jù)避障規(guī)則， 移動機(jī)器人以某一速度前進(jìn) ， 如果某一傳感器檢測到的距離小于 某個值 ，這個值 是預(yù)定義可編程的臨界距離 ， 那么機(jī)器人 以某一角度偏轉(zhuǎn) ， 從而繞開障礙物繼續(xù)前進(jìn)。機(jī)器人在行駛過程中如果遇到障礙物 ， 它的超聲波測距系統(tǒng)馬上計算出機(jī)器人與障礙物的距離 d， 若 ddc(避障的臨界距離 ， 其中 dc為程序預(yù)設(shè)值 )， 電機(jī)左右轉(zhuǎn)向控制驅(qū)動 ， 從而繞過障礙物實現(xiàn)避障的效果。 程序流程圖如圖 16所示 。 19 圖 16 避障程序流程圖 6 結(jié)論 與總結(jié) 由于受環(huán)境溫度、濕度的影響 ， 超聲傳感器的測量值與實際值會 有一些偏差 ， 表 2為 超聲測距系統(tǒng)測量值與實際值 （ 單位 : cm） 障礙物 實 際距離 （ cm） 測量 距離 （ cm） 45 60 75 100 125 150 175 200 表 2 超聲測距系統(tǒng)測量值與實際值 （ 單位 : cm） 從表中的數(shù)據(jù)可以看出 ， 測量值總是比實際值大出大約 7cm， 經(jīng)過分析原因主要有三個方面 ： 第一方面 ， 超聲波傳感器測得的數(shù)據(jù)受環(huán)境溫度的影響 ； 第二方面 ， 指令運行需占用 20 一定的時間而使得測量的數(shù)據(jù)偏大 ； 第三方面 ， 為了防止其他信號的干擾 ， 單片機(jī)開始計數(shù)時 ， 驅(qū)動電路發(fā)送 16 個脈沖串。對于單個回聲的方式 ， 當(dāng)驅(qū)動電路接收到碰到障礙物返回的第四個脈沖時就停止計數(shù) ， 所以 最終測得的時間比實際距離所對應(yīng)的時間多出四個脈沖發(fā)送的時間。為了減小測量值與實際值的偏差 ， 我們采用最小二乘法對表 1 的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。經(jīng)過擬合 ， 我們得到下面的方程 ： y= ( 其中 : y 為實際值 , x 為測量值 )修正后本超聲波測距系統(tǒng)測量值與實際值的對應(yīng)關(guān)系如表 3 所示 : 障礙物 實際距離 （ cm） 測量 距離（ cm） 45 60