【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 峰期的環(huán)境中和 1998年漢諾威工業(yè)商品展覽會(huì)大廳環(huán)境中進(jìn)行了超過(guò) 36 小時(shí)的考驗(yàn)，所表出的性能是其它現(xiàn)存的輪椅機(jī)器人和移動(dòng)機(jī)器人所不可比的。另外，自從 1996年成功地舉行了第一次世界機(jī)器人足球賽以來(lái)，現(xiàn)在一年一度的世界機(jī)器人足球賽已經(jīng)吸引了越來(lái)越多的團(tuán)體參加，極大地推進(jìn)了多移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的研究， 成為研究和驗(yàn)證人工智能成果的實(shí)驗(yàn)床 [6]。 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 國(guó)內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人的狀況 在國(guó)內(nèi)，從“七五”開(kāi)始，我國(guó)的移動(dòng)機(jī)器人研究開(kāi)始起步，經(jīng)過(guò)多年來(lái)的發(fā)展，已經(jīng)取得了一定的成績(jī)。清華大學(xué)智能移動(dòng)機(jī)器人于 1994 年通過(guò)鑒定。涉及到五個(gè)方面的關(guān)鍵技術(shù)：基于地圖的全局路徑規(guī)劃技術(shù)研究；基于傳感器信息的局部路徑規(guī)劃技術(shù)研究；路徑規(guī)劃的仿真技術(shù)研究；傳感技術(shù)、信息融合技術(shù)研究；智能移動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。香港城市大學(xué)智能設(shè)計(jì)、自動(dòng)化及制造研究中心的自動(dòng)導(dǎo)航車(chē)和服務(wù)機(jī)器人。中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所得 AGV 和防暴機(jī)器人 。中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化所自行設(shè)計(jì)、制造的全方位移動(dòng)式機(jī)器人視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)于 1996 年研制成功的導(dǎo)游機(jī)器人等 [1]。 自主移動(dòng)機(jī)器人的研究雖取得了很大的進(jìn)展，但是對(duì)于復(fù)雜的應(yīng)用，仍不能令人滿(mǎn)意。 小車(chē)避障現(xiàn)狀綜訴 避障的目標(biāo)就是沒(méi)有人的干預(yù)下使機(jī)器人有目的地移動(dòng)并完成特定任務(wù)，進(jìn)行特定操作。機(jī)器人通過(guò)裝配的信息獲取手段，獲得外部環(huán)境信息，實(shí)現(xiàn)自我定位，判定自身狀態(tài)，規(guī)劃并執(zhí)行下一步的動(dòng)作。要實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人更高的智能化，機(jī)器人在行走和探索的過(guò)程中，避障行為是必不可少的。在行 走過(guò)程中實(shí)現(xiàn)避障行為是非常重要的，它可以避免造成機(jī)器人本體的損壞以及重要設(shè)備的損壞，使機(jī)器人無(wú)論在什么環(huán)境下都能夠正常工作，因此機(jī)器人的避障控制系統(tǒng)的成為當(dāng)今研究的熱門(mén)課題 [1]。 采用先進(jìn)、可靠的傳感器和計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能機(jī)器人的避障研制 , 傳感器融合技術(shù)近年來(lái)被引入到了機(jī)器人導(dǎo)航研究中，并已取得令人振奮的成果，采用常規(guī)傳感器導(dǎo)航的移動(dòng)機(jī)器人將成為機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的主要發(fā)展方向 [5]。當(dāng)然，在一些復(fù)雜的地理?xiàng)l件下，非視覺(jué)傳感器的探測(cè)范圍就不如視覺(jué)系統(tǒng)那么完整，目前對(duì)于一些高精度的導(dǎo)航還難以勝任，因而開(kāi)發(fā) 新型傳感器或按照一定融合策略構(gòu)造傳感器陣列以彌補(bǔ)單個(gè)傳感器的缺陷，以及提出新的融合方法來(lái)完善探測(cè)的結(jié)果，都將是重要的研究方向 [3]。 智能小車(chē)的現(xiàn)狀 智能小車(chē)作為移動(dòng)式機(jī)器人的一個(gè)重要分支，隨著機(jī)器人研究的深入受到越來(lái)越多人的關(guān)注。它是計(jì)算機(jī)控制與電子技術(shù)的融合，集傳感器探測(cè)（光中國(guó)礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 源、障礙物）、單片機(jī)自動(dòng)控制、電機(jī)調(diào)速等于一體，可以說(shuō)是計(jì)算機(jī)、傳感器、信息、通訊、導(dǎo)航、人工智能及自動(dòng)控制等技術(shù)的一個(gè)綜合體，為電子設(shè)備智能化提供了很好的實(shí)例 [5]。 現(xiàn)今社會(huì)智能小車(chē)發(fā)展很快，從智能 玩具到其它各行業(yè)都有實(shí)質(zhì)成果。其基本可實(shí)現(xiàn)循跡、避障、檢測(cè)貼片、尋光入庫(kù)、避崖等基本功能 [7]，這幾界的電子設(shè)計(jì)大賽智能小車(chē)又在向聲控系統(tǒng)發(fā)展。比較出名的飛思卡爾智能小車(chē)更是走在前列。我此次的設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)循跡避障這兩個(gè)功能。根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)制作基于 STC89C52 單片機(jī)智能小車(chē)的過(guò)程，在智能小車(chē)的自動(dòng)循線(xiàn)、避障、檢測(cè)、控制、顯示等方面提出一些見(jiàn)解。 論文研究?jī)?nèi)容與主要結(jié)構(gòu) 基于單片機(jī)控制的智能循跡避障小車(chē) 隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，單片機(jī)不但集成程度越來(lái)越高，已可以在一塊芯片上同時(shí)集成 CPU、存儲(chǔ)器、定時(shí)器／計(jì)數(shù)器、并行和串行接口、看門(mén)狗、前置放大器、 A／ D 轉(zhuǎn)換器、 D／ A 轉(zhuǎn)換器等多種電路，而且體積越來(lái)越小，功耗越來(lái)越低，這就很容易將計(jì)算機(jī)技術(shù)與測(cè)量控制技術(shù)結(jié)合，組成智能化測(cè)量控制系統(tǒng) [8]。這種技術(shù)促使機(jī)器人技術(shù)也有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，目前的機(jī)器人技術(shù)發(fā)展異常迅速，已經(jīng)出現(xiàn)了各種各式的用于各種用途的機(jī)器人了，機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制造已經(jīng)不是很高難度的事情了，已經(jīng)具有普及性了。 本文設(shè)計(jì)以 STC89C52 單片機(jī)作為檢測(cè)和控制核心。采用紅外光電傳感器檢測(cè)路面黑線(xiàn)及障礙物，應(yīng)用超聲波傳感器 測(cè)距，利用單片機(jī)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)速。通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)小車(chē)的行進(jìn)、繞障。通過(guò)對(duì)電路的優(yōu)化組合，可以最大限度地利用 51 單片機(jī)的全部資源。 P0 口用于連接 VCC，P1 口用于傳感器的數(shù)據(jù)采集與中斷控制， P2 口用于電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是：簡(jiǎn)單有效，降低了總體設(shè)計(jì)的成本。 文章主要結(jié)構(gòu) 文章主要包括下面幾個(gè)內(nèi)容： 綜述小車(chē)的研究與現(xiàn)狀，闡述文章的大致方向 對(duì)智能小車(chē)進(jìn)行方案總設(shè)計(jì)，主要包括車(chē)體的選擇、電驅(qū)模塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇、循跡模塊和壁障模塊傳感器的選擇控 制系統(tǒng)模塊和電源模塊的選擇 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 對(duì)小車(chē)進(jìn)行硬件的設(shè)計(jì)，給出電路圖 結(jié)合自己所學(xué)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，對(duì)小車(chē)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，使得小車(chē)能自動(dòng)的壁障和循跡 對(duì)小車(chē)進(jìn)行制作安裝與調(diào)試，對(duì)測(cè)試的結(jié)果進(jìn)行分析 2 方案選型設(shè)計(jì) 車(chē)體設(shè)計(jì) 直接購(gòu)買(mǎi)的 3 輪車(chē)版，小車(chē)為 3 輪結(jié)構(gòu) 。其中前面兩個(gè)車(chē)輪由前輪電機(jī)控制， 在信號(hào)控制下前后擺動(dòng)，來(lái)調(diào)節(jié)小車(chē)的前進(jìn)方向和為小車(chē)提供動(dòng)力。在自然狀態(tài)下，保持前進(jìn)。后面 1 個(gè)車(chē)輪有軸承，為整個(gè)小車(chē)提供方向，所以又稱(chēng)后面的輪子為方向輪，驅(qū)動(dòng)的兩個(gè)輪子為驅(qū)動(dòng)輪。能 適應(yīng)題目中小車(chē)準(zhǔn)確前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎的要求，而且這種車(chē)版一般都價(jià)格適中。而自己制作車(chē)版成本比較高，且比較粗糙，對(duì)于白色基板上的道路面行駛，車(chē)身重量以及平衡都要有精確的測(cè)量，而且也要控制好小車(chē)行駛的路線(xiàn)和轉(zhuǎn)彎的力矩及角度，這些都比較難良好地實(shí)現(xiàn)。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì) 電機(jī)選擇 使用直流電機(jī)作為電動(dòng)車(chē)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，直流電機(jī)的控制方法比較簡(jiǎn)單，只需給電機(jī)的兩根控制線(xiàn)加上適當(dāng)?shù)碾妷杭纯墒闺姍C(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，電壓越高則電機(jī)轉(zhuǎn)速越高。對(duì)于直流電機(jī)的速度調(diào)節(jié)，可以采用改變電壓的方法，也可采用 PWM 調(diào)速方法。 PWM 調(diào)速就是使加在直流電機(jī)兩端的電壓為方波形式，通過(guò)改變方波的占空比實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。 雖然采用步進(jìn)電機(jī)有諸多優(yōu)點(diǎn)，如可以精確的定位，可以實(shí)現(xiàn)小車(chē)前進(jìn)路程和位置的精確定位但是步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩較低，隨轉(zhuǎn)速的升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)急劇下降，其轉(zhuǎn)速較低，不適用于小車(chē)等有一定速度要求的系統(tǒng)。所以最后確定使用直流電機(jī)。 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 驅(qū)動(dòng)選擇 開(kāi)始時(shí)想采用 SM6135W 電機(jī)遙控驅(qū)動(dòng)模塊。 SM6135W 是專(zhuān)為遙控車(chē)設(shè)計(jì)的大規(guī)模集成電路。能實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、向右、向左、加速五個(gè)功能，但是其采用的是編碼輸 入控制，而不是電平控制，這樣在程序中實(shí)現(xiàn)比較麻煩，而且該電機(jī)模塊價(jià)格比較高，所以放棄。 圖 1 后采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 L298N（見(jiàn)圖 1）。 L298N 是 ST 公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片采用 15 腳封裝 ，為單塊集成電路，高電壓，高電流，四通道驅(qū)動(dòng)，可直接的對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，無(wú)須隔離電路。對(duì)照表 1 通過(guò)單片機(jī)的 I/O 輸入改變芯片控制端的電平，即可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)，停止的操作，非常方便，亦能滿(mǎn)足直流減速電機(jī)的大電流要求。調(diào)試時(shí)在依照邏輯關(guān)系表，用程序輸入對(duì)應(yīng)的碼值，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)應(yīng)的動(dòng)作。采 用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機(jī)。線(xiàn)性型驅(qū)動(dòng)的電路結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單，加速能力強(qiáng)，采用由達(dá)林頓管組成的 H 型橋式電路（見(jiàn)圖 2） [17]。用單片機(jī)控制達(dá)林頓管使之工作在占空比可調(diào)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)下，精確調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高， H 型橋式電路保證了簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制，電子管的開(kāi)關(guān)速度很快，穩(wěn)定中國(guó)礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 性也極強(qiáng)，是一種廣泛采用的 PWM 調(diào)速技術(shù) [6]。 表 1 L298N 的引腳和輸出引腳的邏輯關(guān)系 Q1N P N9 0 1 3Q2N P N9 0 1 3R11kR21 0 kR31kR41 0 kQ3N P N8 0 5 0Q4N P N8 0 5 0Q5P N P8 5 5 0Q6P N P8 5 5 0D14 1 4 8D24 1 4 8D34 1 4 8D44 1 4 8 圖 2 H 橋式電路 橋式電路工作原理 電路得名于 “H 橋式驅(qū)動(dòng)電路 ”是因?yàn)樗男螤羁崴谱帜?H。 4 個(gè)三極管組成 H 的 4 條垂直腿，而電機(jī)就是 H 中的橫杠 。 H 橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路包括 4 個(gè)三極管和一個(gè)電機(jī)。要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對(duì)角線(xiàn)上的一對(duì)三極管。根據(jù)不同三極管對(duì)的導(dǎo)通情況，電流可能會(huì)從左至右或從右至左流過(guò)電機(jī)，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。 EN A（ B） IN1（ IN3） IN2（ IN4） 電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況 H H L 正傳 H L H 反轉(zhuǎn) H IN1（ IN3) IN2（ IN4） 快速停止 L X X 停止 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 調(diào)速技術(shù) 這種調(diào) 速方式有調(diào)速特性?xún)?yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速范圍廣、過(guò)載能力大，能承受頻繁的負(fù)載沖擊，還可以實(shí)現(xiàn)頻繁的無(wú)級(jí)快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。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(jī)。 循跡模塊 利用光電傳感器實(shí)現(xiàn)循跡的基本原理 光電傳感器的工作原理 光電傳感器是通過(guò)把光強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)控制的。光電傳感器在一般情況下，有三部分構(gòu)成，它們分為：發(fā)送器、接收器和檢測(cè)電路。 發(fā)送器對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射光束，發(fā)射的光束一般來(lái)源于半導(dǎo)體光源，發(fā)光二極管 (LED)、激 光二極管及紅外發(fā)射二極管。光束不間斷地發(fā)射，或者改變脈沖寬度。接收器有光電二極管、光電三極管、光電池組成。在接收器的前面，裝有光學(xué)元件如透鏡和光圈等。在其后面是檢測(cè)電路，它能濾出有效信號(hào)和應(yīng)用該信號(hào)。 此外，光電開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)元件中還有發(fā)射板和光導(dǎo)纖維。 三角反射板是結(jié)構(gòu)牢固的發(fā)射裝置。它由很小的三角錐體反射材料組成，能夠使光束準(zhǔn)確地從反射板中返回，具有實(shí)用意義。它可以在與光軸 0到 25 的范圍改變發(fā)射角，使光束幾乎是從一根發(fā)射線(xiàn)，經(jīng)過(guò)反射后，還是從這根反射線(xiàn)返回。 光電傳感器的分類(lèi)和工作 方式 槽型光電傳感器 把一個(gè)光發(fā)射器和一個(gè)接收器面對(duì)面地裝在一個(gè)槽的兩側(cè)的是槽形光電。發(fā)光器能發(fā)出紅外光或可見(jiàn)光，在無(wú)阻情況下光接收器能收到光。但當(dāng)被檢測(cè)物體從槽中通過(guò)時(shí)，光被遮擋，光電開(kāi)關(guān)便動(dòng)作。輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)控制信號(hào)，切斷或接通負(fù)載電流，從而完成一次控制動(dòng)作。槽形開(kāi)關(guān)的檢測(cè)距離因?yàn)槭苷w結(jié)構(gòu)的限制一般只有幾厘米。 對(duì)射型光電傳感器若把發(fā)光器和收光器分離開(kāi)，就可使檢測(cè)距離加大。由一個(gè)發(fā)光器和一個(gè)收光器組成的光電開(kāi)關(guān)就稱(chēng)為對(duì)射分離式光電開(kāi)關(guān)，簡(jiǎn)稱(chēng)對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)。它的檢測(cè)距離可達(dá)幾米乃至 幾十米。使用時(shí)把發(fā)光器和收光器分別裝在檢測(cè)物通過(guò)路徑的兩側(cè)，檢測(cè)物通過(guò)時(shí)阻擋光路，收中國(guó)礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 光器就動(dòng)作輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)控制信號(hào)。 反光板型光電開(kāi)關(guān)把發(fā)光器和收光器裝入同一個(gè)裝置內(nèi)，在它的前方裝一塊反光板，利用反射原理完成光電控制作用的稱(chēng)為反光板反射式 (或反射鏡反射式 )光電開(kāi)關(guān)。正常情況下，發(fā)光器發(fā)出的光被反光板反射回來(lái)被收光器收到；一旦光路被檢測(cè)物擋住，收光器收不到光時(shí)，光電開(kāi)關(guān)就動(dòng)作，輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)控制信號(hào)。 擴(kuò)散反射型光電開(kāi)關(guān)它的檢測(cè)頭里也裝有一個(gè)發(fā)光器和一個(gè)收光器，但前方?jīng)]有反光板。正常情況 下發(fā)光器發(fā)出的光收光器是找不到的。當(dāng)檢測(cè)物通過(guò)時(shí)擋住了光，并把光部分反射回來(lái)，收光器就收到光信號(hào)，輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)。 光電傳感器的選擇 這里的循跡是指小車(chē)在白色地板上循黑線(xiàn)行走，通常采取的方法是紅外探測(cè)法。 紅外探測(cè)法，即利用紅外線(xiàn)在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質(zhì)的特點(diǎn)，在小車(chē)行駛過(guò)程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到白色紙質(zhì)地板時(shí)發(fā)生漫反射，反射光被裝在小車(chē)上的接收管接收；如果遇到黑線(xiàn)則紅外光被吸收，小車(chē)上的接收管接收不到紅外光。 單片機(jī)就是否收到反射回來(lái)的紅外光為依據(jù)確定黑線(xiàn) 的位置和小車(chē)的行走路線(xiàn)。紅外探測(cè)器探測(cè)距離有限，一般最大不應(yīng)超過(guò) 3CM[5]。 開(kāi)始時(shí)采用發(fā)光二極管 +光敏電阻，但是該方法缺點(diǎn)明顯：易受到外界光源的干擾，有時(shí)甚至檢測(cè)不到黑線(xiàn)，主要是因?yàn)榭梢?jiàn)光的反射效果跟地表的平坦程度、地表材料的反射情況均對(duì)檢測(cè)效果產(chǎn)生直接影響?？朔巳秉c(diǎn)的方法：采用超高亮度的發(fā)光二極管能降低一定的干擾，但這又會(huì)增加檢測(cè)系統(tǒng)的功耗。 后采用脈沖調(diào)制的反射式紅外發(fā)射接收器。由于采用帶有交流分量的調(diào)制信號(hào)，則可大幅度減少外界的干擾；此外紅外發(fā)射接收管的工作電流取決于平均電流，如 果采用占空比小的調(diào)制信號(hào)，在平均電流不變的情況下，瞬時(shí)電流很大（ 50～ 100mA）（ ST