【正文】 ........................................................................................ 29 避障小車軟件總體設計思想 ................................................................................... 29 副控制單片機 STC12LE5410 的軟件設計 ............................................................ 29 設置與傳輸 .................................................................................................... 30 超聲波接收 .................................................................................................... 32 距離計算與數據存儲 .................................................................................... 33 副單片機的 SPI 通信中斷服務： ................................................................ 34 主單片機 Atmega32L 避障設計 .............................................................................. 36 避障算法設計 ................................................................................................ 36 運動控制設計 ................................................................................................ 37 SPI 通信設計 .......................................................................................................... 39 SPI 通信基本原理 ......................................................................................... 39 SPI 通信時序 ................................................................................................. 39 5 避障小車的調試 ................................................................................................................ 41 SPI 通信的調試及常見錯誤 .................................................................................... 41 避障小車運行時遇到的問題 ................................................................................... 44 超聲波檢測模塊的調試與測量 ............................................................................... 44 結 論 .................................................................................................................................. 46 致 謝 .................................................................................................................................. 47 參考文獻 .................................................................................................................................. 48 附 錄 A .............................................................................................................................. 50 附 錄 B............................................................................................................................... 69 附 錄 C............................................................................................................................... 70 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 1 頁 1 緒論 引言 機器人學科是一門迅速發(fā)展的綜合性前沿學科。一些工業(yè)發(fā)達國家如美國、德國、日本的大學和研究所的有關專業(yè)都在講授和研究機器人及其應用，我國也把機器人學科列入國家 “ 863” 高技術計劃中。 選題背景 機器人技術是在新技術革命中迅速發(fā)展起來的一門新興學科，它在眾多的科技領域與生產部門中得到了廣泛的應用，并顯示出強 大的生命力。 機器人的發(fā)展有很長的歷史，早在三國時代，諸葛亮造的 “ 木牛流馬 ” 就是古代機器人的一種雛形。查培克所編寫的戲劇中的人造勞動者，在那里機器人被描寫成像奴隸那樣進行勞動的機器。 20 世紀 60 年代出現了作為可實用機械的機器人。 目前所說的機器人大多指工業(yè)機器人。第一代機器人，主要指只能以 “ 示教－再現 ” 方式工作的機器人。第二代機器人具有一定的感覺裝置，能獲取作業(yè)環(huán)境、操作對象的簡單信息，通過計算機處理、分析，機器人作出一定的推理，對動作進行反饋控制，表現出低級的智能。 工業(yè)機器人自誕生以來已走過了 50 年歷程， 20 世紀 60 年代初期到 20 世紀 70 年代初期機器人技術的發(fā)展較為緩慢， 20 世紀 70 年代中期逐漸投入實用，到 20 世紀 80 年代中期機器人制造業(yè)已成為發(fā)展最快和最好的經濟部門之一， 20 世紀 90 年代機器人已活躍在世界工業(yè)的各個領域。許多研制項目被列入 “ 863 計劃 ” 和 “ 火炬計劃 ” 。 80 年代在國家高技術計劃中安排了智能機器人的研究開發(fā)，包括水下無纜機器人、高功能裝配機器人和各類特種機器人的應用研究。另外我國的高等院校也在機器人領域開展了廣泛的研究，如長沙的國防科技大學、上海交通大學、北京航空航天大學、燕山大學等在步行機器 人、精密裝配機器人、自由度機器人及并聯(lián)機器人等前沿領域取得了可喜的成績，正在逐步縮短在機器人技術方面與世界先進水平的差距。 研究意義與目的 機器人涉及到機械、電子、控制、計算機、人工智能、傳感器、通訊與網等多個學科和領域，是多種高新技術發(fā)展成果的綜合集成。這些學科涉及世界每一角落，在經濟和科學發(fā)展中都占有舉足輕重的地位，越來越多的國家參與到機器人的研究中。避障智能小車同遙控小車不同，后者需要操作員來控制其轉向、啟停和進退，比較先進的遙控車還能控制其速度。避障智能小車是一個集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、自動行駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)，它集中地運用了計算機、傳感、信息、通信、導航、 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 3 頁 人工智能及自動控制等技術，是典型的高新技術綜合體。 移動機器人的避障運動一直是一個重要課題，而且隨著機器人技術的不斷發(fā)展，其應用領域也越來越廣泛，由于機器人所處環(huán)境往往是不可預測的，機器人所要完成的任務也越來越復雜，機器人感知環(huán)境的手段是不完備的，傳感器給出的數據是不完全的、不連續(xù)的、不可靠的，如何確保機器人正確識別和躲避周圍環(huán)境存在的障礙物，提高其實時性和準確性，就成為一個焦點問題和難點問題。 另外，避障智能小車自動行駛功能的研究將有助于智能車輛的研究。 避障小車研究現狀 國內避障小車研究現狀 （ 1）清華大學智能移動機器人于 1994 年通過鑒定。 （ 3）哈工大機器人技術有限公司開發(fā)研制成功了我國第 一臺智能型服務機器人 。 （ 4） 2021 年 1 月，中科院自動化所成功研制開發(fā)了集多種傳感器、視覺、語音識別與會話功能于一體的智能移動機器人。 國外避障小車研究現狀 （ 1）室外幾種典型應用的移動機器人：由美國 NASA 資助研制的 “ 丹蒂 II” 八足行走機器人，是一個能提供對高移動性機器人運動的了解和遠程機器人探險的行走機器人。德國研制了一種輪椅機器人，并在烏爾姆市中心車站的客流高峰期的環(huán)境和 1998 年漢諾威工業(yè)商品博覽會的展覽大廳環(huán)境中進行了實地現場表演。意指機器人在工作時一定是正確的，并不一定要連續(xù)工作。 （ 4）環(huán)境與機器人集成。 （ 5）生態(tài)機器人學（生物機器人學）。主要是獲取機器人團隊協(xié) 調和控制技術，并將其應用于戰(zhàn)略重要情況 [68]。 （ 2）傳感器信息的單片機采集，信息來源有超聲波傳感器及測試電機運轉速度的編碼器。 （ 4）實現對小功率直流電動機的閉環(huán)控制。將使用 多個超聲波傳感器 ，使之形成一個多傳感器系統(tǒng)或網絡，技術關鍵在于 如何確定各個傳感器的安放位置才能準確地探測周圍環(huán)境，因為 超聲波傳感器之間也存在相互干擾，而且有探測盲區(qū)存在。 （ 2）傳感器信息處理。在了解了周圍環(huán)境后，基于事先預定的策略控制電機運行，完成相應的行為。 （ 3）電機控制。 （ 4）抗干擾研究。 （ 5）實驗平臺的搭建。另外，需要開發(fā)一套單片機基礎實驗板，需要配備基本 IO 接口芯片，外接計數器芯片，顯示組件，以完成系統(tǒng)設計過程中的驗證實驗。路徑規(guī)劃用于指導機器人的行為以達到它的長遠目標。近年來，機器人工作在未知環(huán)境下的情況越來越多，傳統(tǒng)的基于感知 ——建模 ——規(guī)劃 ——動作的方法不易建立準確的環(huán)境地圖模型，而且很難適應動態(tài)的未知環(huán)境的路徑規(guī)劃。反映結構是一種從感知到動作的直接映射，機器人能夠對外界環(huán)境變化作出快速響應。簡單說，就是把以前的導航問題分解成相對獨立的導航單元，如避障、跟蹤、目標制導等。因為方式的不同，避障技術通常從兩個方面來實現。全局路徑規(guī)劃的方法主要有：拓撲法、可視圖法和柵格法。優(yōu)點是大大縮小搜索空間，缺點是建立拓撲網絡的過程相當復雜。優(yōu)點是能夠求得最短路徑，但因為機器人尺寸大小忽略，過障礙時離障礙太近甚至接觸，并且搜索時間長。該方法精確度、容量、速度都取決于柵格粒度的大小。 2．已知環(huán)境下的動態(tài)障礙物，其環(huán)境中障礙物的形狀、大小對規(guī)劃系統(tǒng)都是精確已知的，但其位置是動態(tài)的。 4．未知環(huán)境下的動態(tài)障礙物，對機器人系統(tǒng)而言，環(huán)境事先是未知的或部分未知的，其障礙物的形狀和大小是未知的，同時其位置是動態(tài)的。第二代傳感控制 (Sensory controlled)機器人，指具有如視覺和觸覺等外部感覺功能的機器人。第三代智能 (Inteligent)機器人。自主式移動機器人的智能體現為具有感知 (Sensing)、決策 (Decisionmaking)和行為 (Acting)等基本功能。感知就是獲取關于其環(huán)境的知識，這是通過各類傳感器來測量實現的。然后在收集各種傳感器的數據基礎上進行分析，做出判斷、決策并做出相應的行為。 驅動和結構技術 避障小車的 驅動及結構技術是機動性和靈活性的最基本保障， 在良好的驅動和結構的基礎上，控制、算法的改進才有意義。液壓驅動功率大重量輕，力和力矩的輸出都很好，運行平穩(wěn)，響應快，對無級調速過載保護都有非常出色的表現。電機由于其控制方便，易于實現關節(jié)驅動，噪音小等優(yōu)點已日益在 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 7 頁 競賽機器人中成為主流。因考慮到需要附帶執(zhí)行機構，移動機器人一般設計功率較大，然而目前市場上，高功率伺服電機的控制與驅動產品體積 質量均較大，且價格昂貴，這大大限制了移動機器人的負載空間。機器人在地面上移動的方式通常有三種：車輪式、履帶式和步行式。正因如此，步行移動方式在機構和控制上是最復雜的，技術上也還不成熟，不適于在要求