【正文】 均采用杜邦線進(jìn)行連接，主控板上焊接單片機(jī)插座，為移動(dòng)機(jī)器人提供了充足的再開發(fā)空間。 1 腳和 15 腳下管的發(fā)射極分別單獨(dú)引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號(hào)。 4 腳 VS 接電源電壓， VS 電壓范圍 VIH為＋ 2． 5～46 V。輸出電壓最高可達(dá) 50V，可以直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；用單片機(jī)的 IO 口提供信號(hào)；而且電路簡(jiǎn)單，使用比較方便。 移動(dòng)機(jī)器人的循跡控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用 18 圖 電機(jī)控制電路 圖 穩(wěn)壓電路 圖 接口電路 L298N 內(nèi)部包含 4 通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路。反之，當(dāng)開關(guān) Q2 與 Q3 閉合時(shí)，開關(guān) Q1 與 Q4 斷開，此時(shí)，負(fù)載電流從電源 U由 B 流向 A，負(fù)載端 B 點(diǎn)相對(duì)于 A 點(diǎn)是正電位，電機(jī)兩端承受反向電壓。 沈陽航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 圖 H型全橋驅(qū)動(dòng)電路 當(dāng)開關(guān) Q1 與 Q4 閉合時(shí)，負(fù)載電流從電源由 A 流向 B，此時(shí)負(fù)載端 A 點(diǎn)相對(duì)于B 點(diǎn)是正電位，電機(jī)兩端承受正向電壓。 根據(jù)弗萊明 （ Fleming） 左手法則，電機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，而電機(jī)一旦開始回轉(zhuǎn)，就使線圈磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)，再由弗萊明右手法則，應(yīng)該有電壓產(chǎn)生，稱之為反電動(dòng)勢(shì)，外部所施加的電壓克服反電動(dòng)勢(shì)，線圈中就有電流流過。 在線圈轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，整流器也隨之旋轉(zhuǎn)，這樣就能保證電流流向的自動(dòng)切換以便維持 轉(zhuǎn)子向同一方向的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。 在永久磁鐵（ N、 S 極）之間的線圈有電流通過時(shí)，產(chǎn)生電磁力，對(duì)應(yīng)于永久磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)， N 極產(chǎn)生向上的力， S 極產(chǎn)生向下的力，從而使線圈動(dòng)作。 圖 電機(jī)實(shí)物圖 電機(jī)的工作原理 圖 直流電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 在繞有線圈的鐵心（轉(zhuǎn)子）的外周，有相同數(shù)目的定子（永久磁鐵）相向包圍。 不但可以方便的將車輪的速度降至足夠低，而且用較小的功率就能獲得更強(qiáng)的輸出。它易于安裝，容易與車輪裝配， 借口簡(jiǎn)單，但功率不高，負(fù)載能力較低，速度沈陽航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 調(diào)節(jié)范圍較小，一般適用于小型機(jī)器人和步行機(jī)器人。在同等功率條件下，步進(jìn)電機(jī)的尺 寸顯得比直流電機(jī)要大且笨重，步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩通常也不夠強(qiáng)勁，因此不推薦把它用在超過兩磅重的機(jī)器人上。 步進(jìn)電機(jī)：步進(jìn)電機(jī)本質(zhì)上是一種低速電機(jī)，所以它有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)能實(shí)現(xiàn)精確運(yùn)動(dòng)，一旦到達(dá)指定位置后就能保持在那里。到目前為止，直流電機(jī)仍是輸出功率最強(qiáng)勁的電機(jī)。按照電機(jī)的 不同 特點(diǎn)，一般可將其分為直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和舵機(jī)。 有檢測(cè)到黑線 ， 則 H4發(fā)光到黑線光全部被吸收 ， H4 接收端 ， 沒有收到任何信號(hào) ， 因?yàn)?H4 不導(dǎo)通（截止） ，則 T1=VCC。 當(dāng) LM324 的 2 腳比較器反向端 T1=5V， 3 腳比較器同向端 =3V， 反向端 大于同向端則 OUT1 輸出 0。 循跡系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 循跡系統(tǒng)電路 如 圖 ，圖 所示 ，其中圖 為紅外發(fā)射與接收電路圖，圖 為對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行處理電路圖 。單排 LED，從安裝看 可分為 貼地式 和 抬起式；從信號(hào)格式看 可分為 模擬式，數(shù)字式；從信號(hào)傳輸看可分為 直流式 和 調(diào)制式；從信號(hào)定位看 可分為 發(fā)射管定位 和 接收管定位。 MCU通過它提供的信號(hào)發(fā)出指令，通過傳感器板上面的單排 LED現(xiàn)實(shí)其狀態(tài)，并控制移動(dòng)機(jī)器人其它部件 協(xié)同工作。當(dāng)機(jī)器人沿導(dǎo)航線向正前方行進(jìn)時(shí)，其編碼值應(yīng)為 0，即無偏差。在正常情況下 ,機(jī)器人利用光電傳感器檢測(cè)車體偏離導(dǎo)航線的程度，對(duì)行進(jìn)速度進(jìn)行調(diào)整，使機(jī)器人保持正確的運(yùn)動(dòng)軌跡。 經(jīng) 過 AD/DA 轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字信號(hào) 后 ， 單片機(jī)可由此 區(qū)分出黑線與白板 ，由此 能夠通過程序來判斷賽道的 位置 。 相應(yīng)于不同的路面條件，接收管接收到地面漫反射紅外線后其兩端電壓將有所不同。 循跡系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 紅外式光電傳感器工作原理 本設(shè)計(jì)采用紅外 光電 傳感器 是 利用黑線對(duì)紅外線的吸收，白線對(duì)紅外線的 反 射來實(shí)現(xiàn) 移動(dòng)機(jī)器人對(duì)黑線的循跡 。標(biāo)定 時(shí) 每 10度記錄一次脈寬值，測(cè)定范圍從 0180度，每次傳送的角度信息都是從起始位置到目的位置的角度。 舵機(jī)的方向控制 決定 賽車 的 安全穩(wěn)定前進(jìn)， 所以 舵機(jī)各種參數(shù)的測(cè)試尤為重要 ，包括舵機(jī)機(jī)械性能的調(diào)整 ， PWM波占空比與角度參數(shù)關(guān)系的標(biāo)定 等 ，舵機(jī)性能 的穩(wěn)定 是角度控制的有力保證?？刂凭€的輸入是一個(gè)寬度可調(diào)的周期性方波脈沖信號(hào)，方波脈沖信號(hào)的周期為 20 ms(即頻率為 50 Hz)。電源線和地線用于提供舵機(jī)內(nèi)部的直流電機(jī)和控制線路所需的 能源．電壓通常介于 4～ 6V，一般取 5V。 單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角的控制，必須首先完成兩個(gè)任務(wù)：首先是產(chǎn)生基本的 PWM周期信號(hào)，本設(shè)計(jì)是產(chǎn)生 20ms的周期信號(hào)；其次是脈寬的調(diào)整，即單片機(jī)模擬 PWM信號(hào)的輸出，并且調(diào)整占空比。 圖 舵機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)角與輸入信號(hào)脈沖寬度的關(guān)系 方向控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 與實(shí)現(xiàn) 單片機(jī)微 控制器 產(chǎn)生 PWM來 實(shí)現(xiàn) 對(duì)舵機(jī)控制，利用大功率晶體管的開關(guān)作用，將恒定的直流電源電壓變成 固 定頻率的 脈沖 方波電壓，并加在直流電機(jī)的電樞 線圈上。 減速齒輪組是由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，其輸出端帶動(dòng)一個(gè)線性的比例電位器作位置檢測(cè)，該電位器把轉(zhuǎn)角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為一比例電壓反饋給控制 線路板，控制線路板將其與輸入的控制脈沖信號(hào)比較，產(chǎn)生調(diào)整脈沖，從而 驅(qū)動(dòng)馬達(dá)正向或反向地轉(zhuǎn)動(dòng)，使齒輪組的輸出位置與 預(yù)計(jì) 值相符， 使 調(diào)整脈沖趨于為 0，從而達(dá)到使舵機(jī)精確定位的目的。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，通過級(jí)聯(lián)減速齒輪帶動(dòng)電位器旋轉(zhuǎn)直到電壓差為 0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。 舵機(jī)的工作原理是： PWM 信號(hào)由接收通道進(jìn)入信號(hào)解調(diào)電路進(jìn)行解調(diào)，獲得一個(gè)直流偏置電壓。舵機(jī)的主體結(jié)構(gòu)主要有 如下 幾個(gè)部分： 減速齒輪組、 外殼、 電機(jī) 、 電位器、控制電路。本系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖 圖 方向控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 舵機(jī)的工作原理與型號(hào)選取 舵機(jī)簡(jiǎn)單的說就 是集成了電機(jī)控制器 、直流電機(jī) 和減速器等，并 集 裝在一個(gè)便于安裝的 小 外殼里的伺服單元。系統(tǒng)對(duì)電機(jī)采用全橋驅(qū)動(dòng)，因此可以在移動(dòng)機(jī)器人速度過快時(shí)對(duì)電機(jī)實(shí)施反向制動(dòng)，從而迅速降低車速。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊選用大功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管 IRL3803 作為 H 橋開關(guān)元件。 電機(jī)：移動(dòng)機(jī)器人采用兩輪驅(qū)動(dòng)方式，在移動(dòng)機(jī)器人行駛的過程中，由于四個(gè)車輪能夠同時(shí)提供抓地力，因此移動(dòng)機(jī)器人的動(dòng)力性和行駛穩(wěn)定性得到大大增強(qiáng)。移動(dòng)機(jī)器人舵機(jī)的轉(zhuǎn)向是由 PWM來控制的，當(dāng)紅外傳感器檢測(cè)到的信號(hào)滿足舵機(jī)脈沖占空比要求時(shí)，舵機(jī)就會(huì)使前輪轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度， 4個(gè)移動(dòng)機(jī)器人的循跡控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用 8 紅外傳感器在移動(dòng)機(jī)器人前對(duì)稱排開。舵機(jī)的主要作用是控制移動(dòng)機(jī)器人的轉(zhuǎn)向，其過程是單片機(jī)首先通過 A/D轉(zhuǎn)換器將傳感器采集的路面信息進(jìn)行處理，再通過 PWM技術(shù)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的舵機(jī)進(jìn)行適時(shí)的控制。這樣不僅能保證移動(dòng)機(jī)器人有足夠的前瞻性，還可以牢牢“看”住黑線，使車在 跑直線時(shí)快速平穩(wěn)，不會(huì)搖晃。每對(duì)傳感器由 紅外接收管和 紅外發(fā)射管組成，水平均勻分布在移動(dòng)機(jī)器人前部的傳感器板上 ,傳感器間距約為 40mm。 傳感器：移動(dòng)機(jī)器人路徑識(shí)別模塊的設(shè)計(jì)是整個(gè)移動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)中的重要的一部分 ,而此部分就是靠傳感器來實(shí)現(xiàn) 的 ，其作用相當(dāng)于人的 耳朵和 眼睛。由于系統(tǒng)各模塊所需電壓和電流容量不同，因此需要通過不同的 DCDC 轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)。移動(dòng)機(jī)器人中接受供電的部分包括：路徑識(shí)別模塊、轉(zhuǎn)向舵機(jī)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、車速檢測(cè)模塊。 是主控制模塊的主要器件， 可以利用 PWM模塊產(chǎn)生 PWM調(diào)制信號(hào)來控制電機(jī)和舵 機(jī)，通過 A/D 轉(zhuǎn)換器獲取位置傳感器的信息和車速傳感器的信息。單片機(jī)主要對(duì)傳感器檢測(cè)的各種信息進(jìn)行處理并按照程序?qū)ζ渌鈬骷M(jìn)行協(xié)調(diào)控制，運(yùn)動(dòng)控制芯片則根據(jù)編碼器的反饋信息專門對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行精確控制。移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖 所示；移動(dòng)機(jī)器人安裝包括電池部分的安裝，舵機(jī)的安裝，傳感器的安裝以及車速檢測(cè)模塊的安裝，移動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)如圖 所示?？刂七壿嬕姳?1。安裝在移動(dòng)機(jī)器人四角的紅外傳感器負(fù)責(zé)檢測(cè)黑線，由于移動(dòng)機(jī)器人是向前行駛所以最先駛出黑線的應(yīng)該是移動(dòng)機(jī)器人的前端，當(dāng)左前端傳感器檢測(cè)到黑線時(shí)，向單片機(jī)發(fā)送信號(hào)，移動(dòng)機(jī)器人右轉(zhuǎn)；當(dāng)右前端傳感器檢測(cè)到黑線時(shí)，移動(dòng)機(jī) 器人左轉(zhuǎn)；當(dāng)左后端檢測(cè)到黑線而左前端未檢測(cè)到時(shí)移動(dòng)機(jī)器人先右轉(zhuǎn)再左轉(zhuǎn)，當(dāng)右后端檢測(cè)到黑線而左前端未檢測(cè)到時(shí)先左轉(zhuǎn)后右轉(zhuǎn)，當(dāng)前端兩傳感器同時(shí)檢測(cè)到黑線時(shí)移動(dòng)機(jī)器人先后退之后左轉(zhuǎn)，從而能夠保證移動(dòng)機(jī)器人在跑道內(nèi)行駛。通過一步步實(shí)驗(yàn)調(diào)試，最終達(dá)到設(shè)計(jì)目的。 第三章主要內(nèi)容為軟件電路的設(shè)計(jì)，包括速度控制系統(tǒng)，通過 PWM 脈沖寬度調(diào)制的方法對(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。 第二章主要內(nèi)容為硬件電路設(shè)計(jì)，包括舵機(jī)和電機(jī)的型號(hào)選擇。速度控制系統(tǒng)通過 PWM 脈沖寬度調(diào)制的方法對(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。本文移動(dòng)機(jī)器人控制系 統(tǒng)可以分為方向控制系統(tǒng)和速度控制系統(tǒng)。 在導(dǎo)航方式失效的場(chǎng)合 ,與視覺導(dǎo)航相比 ， 聲音導(dǎo)航具有無方向性 ， 時(shí)間分辨率高 ， 能在黑暗中工作等優(yōu)點(diǎn) ， 缺點(diǎn)是空間分辨率低 。 視覺導(dǎo)航主要是通過攝像頭對(duì)障礙物和路標(biāo)信息拍攝 ， 獲取圖像信息 ， 然后對(duì)圖像信息進(jìn)行探測(cè)和識(shí)別實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航 。 根據(jù)路標(biāo)不同 ， 可分為自然路標(biāo)導(dǎo)航和人工路標(biāo)導(dǎo)航 。 環(huán)境地圖匹配導(dǎo)航是機(jī)器人利用傳感器感知周圍環(huán)境信息 ， 然后構(gòu)造局部地圖 ， 并與其內(nèi)部事先存儲(chǔ)的完整地圖進(jìn)行匹配 ， 以確定自身位置 ， 并根據(jù)預(yù)先規(guī)劃的一條全局路線 ， 采用路徑跟蹤和避障技術(shù) ， 實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航 ， 它一般要涉及到地圖構(gòu)造和地圖匹配兩大問題 。 GPS 導(dǎo)航是一種以空間衛(wèi)星為基 礎(chǔ)的高精度導(dǎo)航系統(tǒng) ， 適合室外全局導(dǎo)航與定位 ，但是它存在信號(hào)障礙 ， 多徑干擾等缺點(diǎn) 。 慣性導(dǎo)航是使用陀螺儀和加速度計(jì)分別測(cè)量移動(dòng)機(jī)器人的方位角和加速率 ， 從而確定當(dāng)前的位置 ， 根據(jù)已知地圖路線 ， 來控制移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向以實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航 。 磁導(dǎo)航是機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)中比較成熟的技術(shù) ， 磁導(dǎo)航原理是在路徑上埋設(shè)電纜 ， 當(dāng)電流通過電纜時(shí)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng) ， 通過電磁傳感器 ， 對(duì)磁場(chǎng)的檢測(cè)來感知路徑信息 ， 從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的導(dǎo)航 。 它是指移動(dòng)機(jī)器人通過傳感器感知環(huán)境信息和自身狀態(tài) ,實(shí)現(xiàn)在有障礙的環(huán)境中面向目標(biāo)的自主運(yùn)動(dòng) 。 因此具有很多關(guān)鍵技術(shù)需要重點(diǎn)研究 ， 以下內(nèi)容主要介紹了機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)和多傳感器融合技術(shù) 。模糊邏輯法模擬駕駛員的駕駛思想 ， 將模糊控制本身所具有的魯棒性與基于生理學(xué)上的“感知一動(dòng)作”行為結(jié)合起來 ， 為移動(dòng)機(jī)器人在未知環(huán)境中運(yùn)動(dòng)提出了一種新思路 ，模糊控制不需要建立數(shù)學(xué)模型 ， 可以利用語言描述復(fù)雜的非線性系統(tǒng) ， 是一種基于非數(shù)學(xué)模型的控制方法 ， 但是難以建立完善的推理規(guī) 則 。目前 ， 許多機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)均采用專用的微處理器 ， 如以 DSP 為核心的微處理器制作專用的主板 ， 采用專用的編程語言 ， 并將控制算法固化在 EPROM 中 。 本移動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)充分考慮了成本與性能綜合，它以 STC12C5A60S2 單片機(jī)為核心，采用了大扭力的四驅(qū)移動(dòng)機(jī)器人底盤，使移動(dòng)機(jī)器人具有充足的動(dòng)力；除此外移動(dòng)機(jī)器人安裝了四路紅外傳感器用來檢測(cè)黑線和障礙物，使移動(dòng)機(jī)器人具有較好的反應(yīng)速度與檢測(cè)精度。 機(jī)器人由于本身具有無限的想像空間，歷來是概念創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新的源泉，可根據(jù)需要設(shè)想出具有對(duì)應(yīng)功能的智能機(jī)器人，而且這種想象空間由低到高，永無止境。 信息技術(shù)需要載體，用信息化改造傳統(tǒng)工業(yè)和各行各業(yè)，最后都要落實(shí)到用自動(dòng)機(jī)器去完成信息的物化，機(jī)器人就是其載體之一。 隨著社會(huì)進(jìn)步的步伐日益加快，對(duì)自動(dòng)化的需求正在從制造業(yè)向工程、社會(huì)、生活等廣泛領(lǐng)域擴(kuò)展。而感知本身，就是人類和動(dòng)物所具有的低級(jí)智能。 智能機(jī)器人具有識(shí)別、推理、規(guī)劃和學(xué)習(xí)等智能機(jī)制，它可以把感知和行動(dòng)智能化結(jié)合起來，因此能在非特定的環(huán)境下作業(yè)。適應(yīng)性是指機(jī)器人具有適應(yīng)復(fù)雜工作環(huán)境的能力 (主要通過學(xué)習(xí) ) ，不但能識(shí)別和測(cè)量周圍的物體，還有理解周圍環(huán)境和所要執(zhí)行任務(wù)的能力 ,并做出正確的判斷及操作和移動(dòng)等能力。 移動(dòng)機(jī)器人要想走向?qū)嵱?，必需擁有能勝任的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、可靠的導(dǎo)航系統(tǒng)、精確的感知能力和具有既安全而又友好地與人一起工作的能力。 機(jī)器人的研究 ,存在著兩條不同的技術(shù)路線：一條是日本和瑞典所走的“需求牽引技術(shù)驅(qū)動(dòng)”，結(jié)合工業(yè)發(fā)展的需求 ， 開發(fā)出一系列特定應(yīng)用的機(jī)器人，如 :弧焊、點(diǎn)焊、噴漆、裝配、刷膠、建筑等等，從而形成了龐大的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)；一條是把機(jī)器人作為研究人工智能的載體，即單純從技術(shù)上模仿人或動(dòng)物的某些功能出發(fā)，研究有關(guān)智能的問題和智能機(jī)器人，如美國、歐洲的一些大學(xué)及研究所進(jìn)行的工作。因此，移動(dòng)機(jī)器人是一個(gè)集環(huán)境感知、動(dòng)態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多種功能于一體的綜合系統(tǒng)。其次，必須考慮驅(qū)動(dòng)器的控制，以使機(jī)器人達(dá)到期望的行為。早在 60 年代，就已經(jīng)開始了關(guān)于移動(dòng)機(jī)器人的研究。 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 ............