【正文】 ( 1 )A1B2Q03Q14Q25Q36Q410Q511Q612Q713CLK8MR9V C C14GND77 4 H C 1 6 4 ( 2 )PK0PK1V5 V2V2 V2Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7 Q8Q9Q10Q11Q12Q13Q14Q15D1 V T 1R11 0 K ΩR21 0 K ΩD2 V T 2R31 0 K ΩR41 0 K ΩD3 V T 3R51 0 K ΩR61 0 K ΩD4 V T 4R71 0 K ΩR81 0 K ΩD5V T 5R91 0 K ΩR 1 01 0 K ΩD6 V T 6R 1 11 0 K ΩR 1 21 0 K ΩD7V T 7R 1 31 0 K ΩR 1 41 0 K ΩV i n1GND2V o u t3U4L M 7 8 0 5C71 μ FC82 2 μ FV i n1GND2V o u t3U5L M 7 8 0 5C91 μ FC 1 02 2 μ FV i n1GND2V o u t3U7L M 7 8 0 5C 1 31 μ FC 1 42 2 μ FV i n1GND2V o u t3U6L M 7 8 0 5C 1 11 μ FC 1 22 2 μ F+ 7 V接舵機+ 7 VV1V2V3V4V1V1V1V1V1M O T O R 2O U T 1O U T 2 接測速傳感器AD0 AD1 AD2 AD3 AD4 AD5 AD6調(diào)速模塊R 2 0 01KB E L LV3沈陽工程學(xué)院課程設(shè)計（論文） 14 FMCW 方式采用連續(xù)波對超聲波信號進(jìn)行調(diào)制。 計 算公式 R=V*△ t/2。脈沖回波式的檢測原理如圖所示。由于聲波在傳播過程中碰到物體后能夠產(chǎn)生回波，因此可以想雷達(dá)一樣測出傳感器與物體之間的距離。機器人超聲波探測并非檢測超聲波本身，而是借助超聲波反射測量空間物體的距離和位置。其中，發(fā)射器是利用給壓電晶體加一個外加電場時，晶片將產(chǎn)生應(yīng)變（壓電逆效應(yīng)）這一原理制成的；接收器的原理是，當(dāng)給晶片加一個外力使其變形時，在晶體的兩面會產(chǎn)生與應(yīng)變量相當(dāng)?shù)碾姾桑▔弘娬?應(yīng)），若應(yīng)變方向相反則產(chǎn)生電荷的極性反向。 MC33886 驅(qū)動電路圖如圖 56所示。 MC33886 的 D2 和 D1 腳直接接地和接高電平，使 MC33886 按預(yù)設(shè)方式工作，用 PWM5 和 PWM0 作為輸入信號， OUT2 和 OUT1 分別為功率放大了的相應(yīng)的輸出信號，控制電機轉(zhuǎn)動。 M4S1S 2S3SsU 圖 55 H 橋典型電路 本設(shè)計用 H橋芯片 MC33886 驅(qū)動直流電機。 我選用的是永磁式直流伺服電機作為執(zhí)行機構(gòu)。這樣低速運行的電動機，其轉(zhuǎn)軸可以和負(fù)載直接耦合，省去了減速器，簡化了結(jié)構(gòu)，提高了轉(zhuǎn)動精度。才能與絲杠相連接。 沈陽工程學(xué)院課程設(shè)計（論文） 12 小慣量伺服電動機最大限度地減少了電樞的轉(zhuǎn)動慣量，所 以能獲得最好的快速性，在早期的數(shù)控機床上應(yīng)用較多，現(xiàn)在也有應(yīng)用。其缺點是有電刷和換向器，需要定期維護(hù)、更換電刷，電動機使用壽命段噪聲大。 適合于中等負(fù)載，特別適合于動作復(fù)雜、運動軌跡嚴(yán)格的各類機器人。按照電機的工作原理不同分為步進(jìn)電機、直流伺服電機、無刷電機等。 電氣驅(qū)動：電氣驅(qū)動是利用各種電動機產(chǎn)生的力或力矩，直接減速機構(gòu)去驅(qū)動機器人的關(guān)節(jié)，以獲得所要求的位置、速度和加速度。氣壓驅(qū)動器結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠、價格便宜。氣壓驅(qū)動器件除了用壓縮空氣作為工作介質(zhì)外，其他與液壓驅(qū)動器件類似。 氣壓驅(qū)動：是一種最簡單的驅(qū)動方式。 液壓驅(qū)動的本質(zhì)優(yōu)點在于它的安全性。從控制水平的高低來分分為開環(huán)控制液壓系統(tǒng)和閉環(huán)控制液壓系統(tǒng)。 迷 宮 機 器 人迷宮機器人迷宮機器人沿 跑 道 中 線 前 進(jìn)沿 中 線 行 走 時可 以 順 利 轉(zhuǎn) 彎偏 離 中 線運 行 時 轉(zhuǎn)彎 會 發(fā) 生碰 撞 圖 54 機器人在迷宮跑到中運行的情況 電機 機器人的驅(qū)動方式 機器人驅(qū)動分為液壓、氣壓和電動三種形式。 圖 53 路徑識別流程圖 判斷傳感器向左行走向前行走是否為0 00、001 、1 00、 101向右行走向后行走停車開始Y YYNN是否為0 011 是否為1 10是否為終點N N NY迷宮機器人設(shè)計 11 沿跑道中線的運行 由于迷宮的跑道較窄，變化曲折，機器人經(jīng)常要轉(zhuǎn) 90 0、 18 等，這就需要迷宮機器人沿著跑道中線前進(jìn)，否則就會撞到迷宮。 圖 53 傳感器反饋信息情況 左00001111前00110011右01010101沈陽工程學(xué)院課程設(shè)計（論文） 10 則反饋的信息為 000、 00 100、 101，單片機將作出反應(yīng)，機器人向前行走；反饋的信息為 0 011，機器人向左行走；反饋的信息為 110，機器人向右行走；反饋的信息為111，機器人向后轉(zhuǎn)。它的關(guān)系如下 53圖所示。 超聲波距離傳感器測到障礙物時反饋的信息為 1，沒有檢測到信息反饋信息為 0。前端一個傳感器用來檢測是否有障礙物，是否到達(dá)路口；后端傳感器用于小車轉(zhuǎn)彎時位置的調(diào)整；左右兩端的傳感器用于檢測兩側(cè)是否有障礙物。 BBA 圖 52 迷宮圖案 路徑識別 路徑識別 是通過超聲波測距傳感器實現(xiàn)的。設(shè)迷宮的平面表示如圖 52 所示，其中粗線表示迷宮的隔柵， A 位置表示迷宮的入口， B 位置表示為迷宮的出口。 由復(fù)合木地板可以很方便地拼接出 4* 5* 8* 10* 16*16 和 32*32 的迷宮等。這樣一來，用復(fù)合木地板 拼接迷宮的場地非常方便，工藝簡單，價格低廉。迷宮的場地由復(fù)合木地板拼接而成。迷宮機器人尺寸限制為 25cm*25cm（長 *寬），高度及重量不限。每個網(wǎng)格尺寸為 18cm*18cm(長 *寬 )，隔柵尺寸為 5cm*（高 *厚），上紅、測白、地板為黑色。 沈陽工程學(xué)院課程設(shè)計（論文） 8 各部分的設(shè)計和元器件的選擇及介紹 系統(tǒng)硬件設(shè)計 迷宮機器人 控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，系統(tǒng)主要由電源模塊、電機及其驅(qū)動模塊、舵機模塊、 速度檢測模塊 、道路識別模塊 、調(diào)試模塊 和單片機模塊幾大部分構(gòu)成。微分作用的引入將有助于減小超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，加快系 統(tǒng)的跟蹤速度。微分環(huán)節(jié)的作用是阻止偏差的變化。在偏差變化的瞬間，不但要對偏差量立即作出反應(yīng)，而且要根據(jù)偏差的變化趨勢預(yù)先給予適當(dāng)?shù)募m正。但積分環(huán)節(jié)的存在將使系統(tǒng)到達(dá)穩(wěn)態(tài)的時間變長，限制系統(tǒng)的快速性。直到偏差 () 0et? 為止，輸出 ()ut 才能維持在某一常量，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)態(tài)。 積分環(huán)節(jié)的作用是將偏差累積起來輸出。偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，使控制量向減少偏差的方向變化。在圖 43 中， ()rt 是給定值， ()yt 是控制系統(tǒng)最終的實際輸出值，給定值與輸出值的偏差為 ( ) ( ) ( )e t r t y t?? ()et 作為 PID 控制器的輸入， ()ut 作為 PID 控制器的輸出，所以 PID 控制器的輸出，所以PID 控制器的規(guī)律為 01 ( )( ) [ ( ) ( ) ]tpDI d e tu t K e t e t d t TT d t? ? ? ? 式中， KP為比例系數(shù)， TI為積分常數(shù)， TD為微分常數(shù)。因為 迷宮機器人的行走電動機需要連續(xù)旋轉(zhuǎn)，所以需對從市場上購得的舵機進(jìn)行改裝。 圖 42 舵機工作原理圖 給舵機輸入一個周期性的正向脈沖信號，這個周期性脈沖信號的高電平時間通常在1～ 2ms 之間，而低電平 時間應(yīng)在 5～ 20ms 之間，并不很嚴(yán)格， 表 1 所示為 舵機 的輸入正脈沖寬度與舵機輸出軸的轉(zhuǎn)角的關(guān)系。 舵機工作原理 舵機是一個典型閉環(huán)反饋系統(tǒng)，其工作原理如圖 42所示。在使用時，要特別注意的，絕不能加載讓舵機輸出位置超過177。甚至小伺服馬達(dá)在重負(fù)載時也會拉低放大器的電壓，所以整個系統(tǒng)的電源供應(yīng)的比例必須合理。 標(biāo)準(zhǔn)的微型伺服馬達(dá)有三條控制線，分別為：電源 線 VCC、地 線 GND及控制 線 CON。舵機的輸入信號一般 50Hz的脈寬調(diào)制信號 PWM信號解調(diào)后與電位器反饋的電壓相比較，如果有差異，直流電機則對轉(zhuǎn)角進(jìn)行調(diào)整，直到該比較電壓為零，電機準(zhǔn)確停止在給定位置上。舵機內(nèi)部有一個直流電機，經(jīng)多級齒輪減速后在輸出轉(zhuǎn)矩。 舵機 舵機結(jié)構(gòu) 凡是需要操作性動作時都可以用舵機來實現(xiàn) 。為了盡可能降低轉(zhuǎn)向舵機負(fù)載，對前輪的安裝角度，即前輪定位進(jìn)行了調(diào)整。 迷宮機器人設(shè)計 5 圖 41 四輪式 四個車輪中，前輪用來轉(zhuǎn)彎，后輪用來驅(qū)動。但如果某個車輪的中心不正，或是安裝高度有誤差，可能導(dǎo)致四個車輪不能同時著地，使控制困難。四輪式車體四個 輪子位于車體的四個角，前邊是驅(qū)動輪，后邊是從動輪 ， 如圖 41 所示。 車式選擇 考慮到機器人的行走機構(gòu)首要體現(xiàn)穩(wěn)定性，其次是靈活性。車輪的形式或結(jié)構(gòu)形式取決與地面的性質(zhì)和車輛的承載能力。 輪式行走機構(gòu)由滾動摩擦代替滑動摩擦，主要的特點是效率高，適合在平坦的路面上移動，定位準(zhǔn)確，而且重量較輕，制作簡單。 履帶式行走機構(gòu)可在高低不平的地面上運動，但它的適應(yīng)性不夠，行走時晃動太大，在軟件地面上行使運動效率低。但是當(dāng)生產(chǎn)過程需要一個機器人在較大的范圍內(nèi)工作時，如果 不具備行走機構(gòu)，那么它的體積將非常龐大；如果安置了行走機構(gòu)，可以使它做適當(dāng)?shù)奈灰疲诠ぷ鞣秶牟煌瑓^(qū)間工作，可以節(jié)約空間、提高效率。 機器人的行走機構(gòu)首先要體現(xiàn)穩(wěn)定性，其次是靈活性。然后選擇合適的單片機，并對其進(jìn)行編程。電機我選擇了舵機，因為舵機可精確地控制小車轉(zhuǎn)動的角度。其中機器人又分為硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。 本次設(shè)計的題目是迷宮機器人，很顯然由兩部分組成。 沈陽工程學(xué)院課程設(shè)計（論文） 2 設(shè)計思路 根據(jù)設(shè)計的任務(wù)和要求，系統(tǒng)地分析其總體結(jié)構(gòu)， 系統(tǒng)主要由電源模塊、電機及其驅(qū)動模塊、舵機模塊、速度檢測模塊、道路識別模塊、調(diào)試模塊和單片機模塊幾大部分構(gòu)成。 3 要有走迷宮的策略（軟件流程圖）。 通過學(xué)習(xí) ，具體掌握智能機器人 的 控制技術(shù)，并使機器人 能 獨立執(zhí)行一定的任務(wù)。 關(guān)鍵詞 機器人 ， 迷宮 ，自主探測 沈陽工程學(xué)院課程設(shè)計（論文） VI 目 錄 中文摘要 ....................................................................................................................... V 目 錄 .......................................................................................................................... VI 1 設(shè)計任務(wù)描述 ............................................................................................................ 1 設(shè)計目的 ................................................................................................... 1 基本要求 ................................................................................................... 1 發(fā)揮部分 ................................................................................................... 1 設(shè)計思路 ...........