【正文】 無論什么時(shí)候，她都是有問必答，特別在有的同學(xué)不去定期跟她見面討論時(shí)，她也總是主動(dòng)找到學(xué)生本人，耐心詢問。在這里我要再次感謝席劍輝老師，在她的指導(dǎo)下，我才能成功的完成這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)。真心感謝在畢設(shè)過程中席老師對(duì)我的幫助。 在不移動(dòng)預(yù)定路徑的前提條件下能夠快速穩(wěn)定地從起點(diǎn)到終點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)控制。通過控制芯片對(duì)移動(dòng)機(jī)器人車速進(jìn)行控制，車速檢測(cè)設(shè)備是紅外傳感器的補(bǔ)充，兩者聯(lián)合起到達(dá)到控制車速的目的。如圖 態(tài)圖。 （ 5）算法設(shè)計(jì)：調(diào)試中，為了適應(yīng)各種各樣的賽道，簡單、可靠的控制方法往往比復(fù)雜的控制方法更能取得好的效果。調(diào)試過程中，彎道行駛時(shí)需要控制車輛的轉(zhuǎn)向速度。在調(diào)試過程中要檢測(cè) PWM 模塊是否能有效驅(qū)動(dòng)電機(jī)。動(dòng)態(tài)分析就是通過觀察軟件運(yùn)行時(shí)的動(dòng)作，來提供執(zhí)行跟蹤、時(shí)間分析以及測(cè)試覆蓋度方面的信息。 移動(dòng)機(jī)器人 的軟件調(diào)試 單元調(diào)試 單元調(diào)試是要進(jìn)行的最低級(jí)別的調(diào)試活動(dòng)，在單元調(diào)試活動(dòng)中，軟件的獨(dú)立單元將在與程序的其他部分相隔離的情況下進(jìn)行調(diào)試。 （ 1） 賽道材質(zhì)：賽道材質(zhì)的不好將直接導(dǎo)致移動(dòng)機(jī)器人對(duì)賽道的黑白不分或區(qū)分清晰很難識(shí)別路徑，進(jìn)而對(duì)控制過程造成很大影響。移動(dòng)機(jī)器人對(duì)于不同的賽道有不一樣的速度，其中直道速度最快，而遇到彎道時(shí)需要減速轉(zhuǎn)彎，保證移動(dòng)機(jī)器人適 中處于賽道內(nèi)并嚴(yán)格按照軌跡行駛。 圖 車速檢測(cè)電路 賽道分析 經(jīng)分析，賽道大致分為以下兩種情況，如表 6 所示 。 速度控制算法 速度控制能使移動(dòng)機(jī)器人在直道上加速行駛而在入彎時(shí)剎車減 速以盡量提高行駛速度和避免因入彎速度過快而造成的沖出跑道。我們?cè)谑褂脮r(shí)加接了散熱片，可以使移動(dòng)機(jī)器人長時(shí)間運(yùn)行。為了使移動(dòng)機(jī)器人靈活運(yùn)動(dòng)，要求移動(dòng)機(jī)器人在速度和方向上能夠大范圍調(diào)整。過渡處理包括：左右彎道間 (即 s彎 )的短直道過 渡、直道與坡道間的過渡、直角彎換道后與直道的過渡。 當(dāng)傳感器檢測(cè)到換道標(biāo)志時(shí)，控制芯片對(duì)其轉(zhuǎn)向（左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)）做出判斷，并適當(dāng)調(diào)整舵機(jī)方向和車速，保證移動(dòng)機(jī)器人順利轉(zhuǎn)換。通過跟隨黑線行駛，得到準(zhǔn)確的停車位置和車頭方向。為了提高準(zhǔn)確度，減少誤差，我們安裝了兩塊磁鋼。 在直道上的鐵片 ， 我們使用金屬探測(cè)傳感器來檢測(cè)。 單片機(jī) 在檢測(cè)到黑線信號(hào)后 ， 通過 它 的 和 口得知是哪一個(gè)傳感器檢測(cè)到黑線 ， 以此作為調(diào)整小車方向的基準(zhǔn) 。將每種檢測(cè)狀態(tài)下白線距移動(dòng)機(jī)器人中心線的水平偏移量標(biāo)定出來作為移動(dòng)機(jī)器人的控制參數(shù)。 這種布置形式使輸入信號(hào)簡單明確，抗干擾信號(hào)能力強(qiáng)，但是由于硬件條件的限制，移動(dòng)機(jī)器人只能看到腳下的道路。 模塊程序設(shè)計(jì)法的主要優(yōu)點(diǎn)是： （ 1） 單個(gè)模塊比起一個(gè)完整 的程序易編寫及調(diào)試； （ 2） 模塊可以共存，一個(gè)模塊可以被多個(gè)任務(wù)在不同條件下調(diào)用； （ 3） 模塊程序允許設(shè)計(jì)者分割任務(wù)和利用已有程序，為設(shè)計(jì)者提供方便。數(shù)據(jù)處理包括：數(shù)據(jù)的采集、數(shù)字濾波、標(biāo)度變換等。 在進(jìn)行微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，除了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)外，大量的工作就是如何根據(jù)每個(gè)生產(chǎn)對(duì)象的實(shí)際需 要設(shè)計(jì)應(yīng)用程序。 沈陽航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 3 移動(dòng)機(jī)器人循跡控制 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 控 制系統(tǒng)中的軟件需要完成系統(tǒng)初始化以及控制過程的實(shí)現(xiàn)等功能，是一個(gè)控制系統(tǒng)的核心部分，軟件設(shè)計(jì)的好壞直接影響到系統(tǒng)的性能。紅外光電傳感器由一個(gè)發(fā)射管和一個(gè)接收管組成，采用與發(fā) 射管配對(duì)的接移動(dòng)機(jī)器人的循跡控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用 20 收管采集反射回來的紅外光線，采集得到模擬電壓 ， 把采集到的信號(hào)傳給單片機(jī) ， 隨后單片機(jī)發(fā)出指令控制舵機(jī) ， 使小車按照預(yù)定軌道行駛。 本章小 結(jié) 本章主要內(nèi)容是移動(dòng)機(jī)器人各硬件模塊的選取，分別從方向控制模塊、循跡模塊、速度控制模塊三個(gè)部分著眼 。輸出電流可達(dá) 2 A，可驅(qū)動(dòng)電感性負(fù)載?？梢苑奖愕尿?qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)，或一個(gè)兩沈陽航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 相步進(jìn)電機(jī)。開關(guān) Q1 與 Q4 由控制邏輯來同步工作，在開關(guān) Q1 與 Q4 閉合期間，控制邏輯使另一對(duì)開關(guān) Q2 與 Q3 處于斷開狀態(tài)。于是，線圈中不斷的產(chǎn)生相同方向的旋轉(zhuǎn)力。移動(dòng)機(jī)器人的循跡控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用 16 通過整流器的電刷轉(zhuǎn)子斷續(xù)的得到電流，轉(zhuǎn)子與定子的永久磁鐵反復(fù)相吸、排斥，結(jié)果無論它們的相互位置如何，轉(zhuǎn)子始終能夠沿著一定的方向回轉(zhuǎn)。 根據(jù)機(jī)器人所要完成的任務(wù)，選用 自身帶有齒輪減速器的 直流電機(jī) 。但也存在它的缺陷，功率與自重比小，體積大，較難與車輪裝配，負(fù)載能力低，功率小，控制復(fù)雜。 直流電機(jī)：直流電機(jī)實(shí)際上是機(jī)器人平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)，有著極寬的功率調(diào)節(jié)范圍、適用性好、率大、接口簡單、具有很高的性價(jià)比，是一種最為通用的電機(jī)。 沒有檢測(cè)到黑線 ， 則 H4 發(fā)光到白紙光反射到 H4 接收端 ， H4 接收端導(dǎo)通 ， 導(dǎo)通則 T1 接地 =0。 圖 (a) 四路紅外傳感器 原理圖 左 1 左 2 右 1 右 2 移動(dòng)機(jī)器人的循跡控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用 12 圖 （ b） 四路紅外傳感器 實(shí)物圖 間隔 圖 單排 LED示意圖 由于 MCU 信息處理及機(jī)械結(jié)構(gòu)上存在延時(shí)，故在車速較快的情況下需要提前知道賽道的信息， 可 通過傳感器伸長板將傳感器前伸，以提高賽道信息的前瞻量 。由于左右輪的不一致，機(jī)器人所讀取的傳感器編碼將在正負(fù)碼值之間變化。 沈陽航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 傳感器系統(tǒng)通過將多個(gè)傳感器進(jìn)行合理配置 ,利用多傳感器提供的綜合信息 ,對(duì)外界環(huán)境進(jìn)行判斷和分析 ,決定避障策略、路線規(guī)劃和動(dòng)作調(diào) 整。 紅外光電傳感器 由一個(gè)發(fā)射管和一 個(gè)接收管組成，LED 發(fā)出紅外線，照射到賽道上， 應(yīng)用 漫反射原理，采用與發(fā)射管配對(duì)的接收管采集反射回來的紅外光線， 得到模擬電壓。 方向控制系統(tǒng) 的標(biāo)定和修正 舵機(jī) 是 一種簡單的位置伺服系統(tǒng)，在將 其 應(yīng)用于 機(jī)器人 方向 驅(qū)動(dòng)的時(shí)候，需要對(duì)舵機(jī) 進(jìn)行精確的角度控制， 即 對(duì)舵機(jī)的脈寬 —— 轉(zhuǎn)角關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定。注意，給舵機(jī)供電電源應(yīng)能提供足夠的功率。通過控制 脈沖寬度 ，改變電樞的平均電壓來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速， 平均電壓越大，轉(zhuǎn)移動(dòng)機(jī)器人的循跡控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用 10 速越快。舵機(jī)的控制信 號(hào)是 PWM 信號(hào)，利用占空比的變化 來 改變舵機(jī)的位置。 本文舵機(jī) 型號(hào) 選取 為 S3010。實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)移動(dòng)機(jī)器人速度由 70%降至 40%時(shí)（ PWM 占空比），采用全橋驅(qū)動(dòng)方式，電機(jī)響應(yīng)時(shí)間僅為 左右，減速效果十分 顯著。對(duì)于電機(jī)的控制采用了基于 “H”橋驅(qū)動(dòng)電路的 PWM 控制。本文所述的移動(dòng)機(jī)器人采用較為獨(dú)特的前軸轉(zhuǎn)向方式，將舵機(jī)輸出盤固定在移動(dòng)機(jī)器人前軸的中點(diǎn)上，利用舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人轉(zhuǎn)向。 由于系統(tǒng)針對(duì)紅外路徑識(shí)別前瞻能力較弱，將傳感器板前伸至距車頭 30mm處，使得移動(dòng)機(jī)器人的“預(yù)判”能性能大大增強(qiáng)。為防止電機(jī)和舵機(jī)等大功率器件在反復(fù)啟動(dòng)狀態(tài)下對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，主要功能模塊均采用單獨(dú)供電 ， 舵機(jī)的工作電壓 由 LM2940穩(wěn)定在 5V。 電源：電源是電源模塊的構(gòu)成，是一個(gè)系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)，因此電源的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。 檢測(cè)物 移動(dòng)機(jī)器人的循跡控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用 6 圖 移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 前排傳感器 右前車輪 右前電機(jī) 舵機(jī) 微控制器 電源 電機(jī)驅(qū)動(dòng) 右后車輪 右后電機(jī) 左前電機(jī) 左后電機(jī) 左前車輪 左后車輪 測(cè)速裝置 圖 移動(dòng)機(jī)器人 的結(jié)構(gòu)示意圖 測(cè)速模塊 STC12C5A60S2 控速模塊 方向控制模塊 路面信息采集模塊 電源模塊 （為各部分供電） 沈陽航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 移動(dòng)機(jī)器人的系統(tǒng)硬件主要包括單片機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制芯片、傳感器、直流電機(jī)、舵機(jī)及編碼器。傳感器在接通電源后會(huì)不斷的發(fā)送和接收紅外線，接收到的信號(hào)經(jīng)過 LM324 進(jìn)行放大然后由 74HC14D 施密特觸發(fā)器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出，而當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到需要轉(zhuǎn)向的傳感器信號(hào)時(shí)，單片機(jī)通過改變 PWM 波的占空比來調(diào)整移動(dòng)機(jī)器人兩側(cè)的電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而使其兩側(cè)輪產(chǎn)生速度差，以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的轉(zhuǎn)向。 第四章主要內(nèi)容系統(tǒng)調(diào)試，在整個(gè)畢設(shè)過程中遇到的問題以及解決方案。 第一章主要內(nèi)容介紹移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展歷史，移動(dòng)機(jī)器人的循跡方法。 1. 3 本文內(nèi)容與章節(jié)安排 本文采用 STC12C5A60S2 單片機(jī)為主控制芯片，結(jié)合直流電機(jī)、傳感器、電源電路及其他外圍電路，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)機(jī)器人沿黑色軌跡行走功能的智能循跡移動(dòng)機(jī)器人，其中，循跡功能由紅外式光電傳感器完成，移動(dòng)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)功能由 L298N驅(qū)動(dòng)電路完成。 自然路標(biāo)導(dǎo)航是機(jī)器人 根據(jù)對(duì)工作環(huán)境中的自然特征的識(shí)別實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航 ， 優(yōu)點(diǎn)是不改變工作環(huán)境 ， 且方法靈活 ， 但路標(biāo)探測(cè)的準(zhǔn)確性和魯棒性是研究的主要問題 ； 人工路標(biāo)導(dǎo)航是機(jī)器人識(shí)別認(rèn)為放置的特殊標(biāo)志實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航 ， 該方法優(yōu)點(diǎn)是易于實(shí)現(xiàn) ， 且穩(wěn)移動(dòng)機(jī)器人的循跡控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用 4 定性較好 ， 但是它改變了機(jī)器人工作環(huán)境 。 因而在實(shí)際中 ， 它一般都結(jié)合其它導(dǎo)航技術(shù)一起工作 。 該方法優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng) ， 技術(shù)簡單 ,實(shí)用 ， 缺點(diǎn)是成本高 ， 可變性 、 可維護(hù)性較差 。 導(dǎo)航技術(shù)是移動(dòng)機(jī)器人的一項(xiàng)核心技術(shù)之一 。 運(yùn)動(dòng)控制算法是移 動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的 ，由于 PID 控制器結(jié)構(gòu)簡單 、 參數(shù)易于調(diào)整 ， 因此在移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制中得到了廣泛沈陽航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 的應(yīng)用 ， 但是移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的模型在實(shí)際系統(tǒng)中存在控制參數(shù)難以調(diào)整 、控制系統(tǒng)存在噪聲影響等問題 ， 即用傳統(tǒng)的比例控制器已不能達(dá)到較好的控制效果 。當(dāng)前，由于自動(dòng)化的概念正在急速向廣泛領(lǐng)域擴(kuò)展，而信息技術(shù)的發(fā)展又極大的提高了機(jī)器人的在智能程度，使這種想象空間的擴(kuò)展有了需求和實(shí)現(xiàn)的可能，從而會(huì)更加激勵(lì)圍繞機(jī)器人的概念創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新，并蘊(yùn)含著產(chǎn)生各種競爭前核心技術(shù)的可能性，從而必然是國際科技創(chuàng)新的重要競爭點(diǎn)。原來在工廠結(jié)構(gòu)化環(huán)境下工作的自動(dòng)化機(jī)器或工業(yè)機(jī)器人，適合于大規(guī)模、較少柔性和變動(dòng)的生產(chǎn)環(huán)境，對(duì)智能程度并無過高要求，而在廣泛領(lǐng)域內(nèi)所需的自動(dòng)機(jī)器，則要滿足不同的非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的不同需求，必須具有綜合集成和自主的能力，向以技術(shù)集成為特征的智能機(jī)器人發(fā)展。智能化機(jī)器人具有感知功能與識(shí)別、判斷及規(guī)劃功能。移動(dòng)機(jī)器人的智能指標(biāo)為自主性、適應(yīng)性和交互性。對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的研究，提出了許多新的或挑戰(zhàn)性的理論與工程技術(shù)課題，引起越來越多的專家學(xué)者和工程技術(shù)人員的興趣，更由于它在軍事偵察、掃雷排險(xiǎn)、防核化污染等危險(xiǎn)與惡劣環(huán)境以及民用中的物料搬 運(yùn)上具有廣闊的應(yīng)用前景，使得對(duì)它的研究在世界各國受到普遍關(guān)注。關(guān)于移動(dòng)機(jī)器人的研究涉及許多 方面，首先，要考慮移動(dòng)方式，可以是輪式的、履帶式、腿式的，對(duì)于水下機(jī)器人，則是推進(jìn)器。 Control algorithm。速度控制系統(tǒng)通過 對(duì) PWM 波占空比調(diào)節(jié) 的方法對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行控制，使移動(dòng)機(jī)器人的速度隨賽道的變化而變化。本文采用 STC12C5A60S2 單片機(jī)為主控制芯片，結(jié)合直流電機(jī)、傳感器、電源電路及其他外圍電路，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了沿黑色軌跡行走的智能循跡移動(dòng)機(jī)器人 。 其中，循跡功能由 紅外式光電傳感器 完成，移動(dòng)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)功能由 L298N 驅(qū)動(dòng)電路完成。通過對(duì)移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng) 的 分析，結(jié)合方向控制系統(tǒng)與速度控制系統(tǒng)等重要控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，使移動(dòng)機(jī)器人能夠完整通過直道、彎道和換道的過程，快速穩(wěn)定的尋黑線行駛。 Sensor 沈陽航空 航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） III 目 錄 1 緒論 ................................................................................................................................... 1 移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀 .................................................................................. 1 移動(dòng)機(jī)器人循跡方法介紹 .......................................................................................... 2 循跡方法介紹 ....................................................................................................... 2 . 2 移動(dòng)機(jī)器人循跡的關(guān)鍵技 術(shù) ........................................................................