【正文】 ................................................................................................................................................. 22 致 謝 ................................................................................................................................................. 23 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................................................ 24 附 錄 ................................................................................................................................................. 25 自主移動(dòng)機(jī)器人小車(chē)設(shè)計(jì) 1 1 緒論 機(jī)器人小車(chē)的意義和作用 自第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人誕生以來(lái)， 機(jī)器人的發(fā)展 已經(jīng)遍及機(jī)械、電子、冶金、交通、宇航、國(guó)防等領(lǐng)域。 人們 在 不斷探討 、 改造 、 認(rèn)識(shí)自然 的 過(guò)程中 ，制造能替代人勞動(dòng)的機(jī)器一直是人類(lèi)的夢(mèng)想 。全國(guó)電子大賽和省內(nèi)電子大賽幾乎每次都有機(jī)器人小車(chē)這方面的題目，全國(guó)各高校也都很重視該題目的研究。本設(shè)計(jì)就是在這樣的背景下提出的，設(shè)計(jì)的自主移動(dòng)小車(chē)應(yīng)該能夠具有語(yǔ)音提示，避障功能， 根據(jù)題目的要求，確定如下方案：在現(xiàn)有玩具電動(dòng)車(chē)的基 礎(chǔ)上，加裝超聲波傳感器及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)小車(chē)的實(shí)時(shí)測(cè)量，并將測(cè)量數(shù)據(jù)傳送至單片機(jī)進(jìn)行處理，然后由單片機(jī)根據(jù)所檢測(cè)的各種數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)小車(chē)的智 能控制。它可以分為三大組成部分：傳感器檢測(cè)部分、執(zhí)行部分、 CPU?？梢詫?shí)現(xiàn)小車(chē)自動(dòng)識(shí)別路線，選擇正確的行進(jìn)路線，并檢測(cè)到障礙物自動(dòng)躲避。智能小車(chē)的執(zhí)行部分，是由直流電機(jī)來(lái)充當(dāng)?shù)?，主要控制小?chē)的行進(jìn)方向和速度?？紤]到實(shí)際情況，本文選擇第二種方案。 機(jī)器人小車(chē)的現(xiàn)狀 隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、智能控制技術(shù)的飛速發(fā)展，產(chǎn)品的智能化和小型化越來(lái)越成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。近年來(lái)，傳統(tǒng)玩具的市場(chǎng)逐步縮水，高科技智能化的電子類(lèi)玩具則逐步成為市場(chǎng)的主流。 智能小車(chē)，自主移動(dòng)機(jī)器人小車(chē)設(shè)計(jì) 2 也被稱(chēng)之為輪式機(jī)器人。機(jī)器人由于具有高度的靈活性、可以幫助人們提高生產(chǎn)率、改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量和改善勞動(dòng)條件等優(yōu)點(diǎn)，在世界各地的生產(chǎn)生活領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。它是一種以汽車(chē)電子為背景，涵蓋控制，模式識(shí)別，電 子、電氣、單片機(jī)、機(jī)械等多學(xué)科的科技創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，一般主要由路徑識(shí)別、速度采集、角度控制以及車(chē)速控制等模塊組成。 [1]自主移動(dòng)機(jī)器人小車(chē)設(shè)計(jì) 3 2 方案設(shè)計(jì) 主控系統(tǒng)的比較與選擇 方案一：采用各類(lèi)數(shù)字電路來(lái)組成小車(chē)的控制系統(tǒng)，對(duì)外圍避障信號(hào)， 自動(dòng)尋跡信號(hào)， 無(wú)線遙控 信號(hào)，語(yǔ)音控制信號(hào)進(jìn)行處理。 方案二 ：采用凌陽(yáng) SPCE061A單片機(jī)來(lái)作為整機(jī)的控制單元。此系統(tǒng)比較靈活，采用軟件方法來(lái)解決復(fù)雜的硬件電路部分，使系統(tǒng)硬件簡(jiǎn)潔化，各類(lèi)功能易于實(shí)現(xiàn)，能很好地滿足題目的要求。 避障單元的比較與選擇 方案一：采用紅外線避障，利用單片機(jī)來(lái)產(chǎn)生 40KHz信號(hào)對(duì)紅外線發(fā)射管進(jìn)行調(diào)制發(fā)射，發(fā)射出去的紅外線遇到避障物的時(shí)候反射回來(lái)，紅外線接 收管對(duì)反射回來(lái)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，輸出比較電平。 方案二：采用超聲波避障， 超聲波對(duì)外界光線和電磁場(chǎng)不敏感，可用于黑暗、有灰塵或煙霧、電磁干擾強(qiáng)、有毒等惡劣環(huán)境中 。通過(guò)比較我采用方案二。但電 阻網(wǎng)絡(luò)只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價(jià)格比較昂貴。 方案 三 ：采用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機(jī)。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)定性也極強(qiáng)，是一種廣泛采用的調(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)。機(jī)器人小車(chē)采用前輪驅(qū)動(dòng)，前輪左右兩邊各用一個(gè)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，調(diào)制前面兩個(gè)輪子的正反轉(zhuǎn)從而達(dá)到控制轉(zhuǎn)向的目的。直流電機(jī)只要通上直流電源就可連續(xù)不斷的轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)節(jié)電壓的大小就可以改變電機(jī)的速度。常用的驅(qū)動(dòng)方式是 PWM方式，即脈沖寬度調(diào)制方式。 方案二：使用步進(jìn)電機(jī)。當(dāng)給步進(jìn)電機(jī)輸入一個(gè)電脈沖信號(hào)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的輸出軸就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，因此可以實(shí)現(xiàn)精確的位置控制。去而且其轉(zhuǎn)動(dòng)不受電壓波動(dòng)和負(fù)載變化的影響，也不受溫度、氣壓等環(huán)境因素的影響，僅與控制脈沖有關(guān)。具體差別見(jiàn)下表 21。步進(jìn)電機(jī)能進(jìn)行精確的位置控制，但驅(qū)動(dòng)電路麻煩，鑒于本設(shè)計(jì)中小車(chē)的位置控制不要求十分精確，直流電機(jī)即可滿足小車(chē)要求的精度。 自主移動(dòng)機(jī)器人小車(chē)設(shè)計(jì) 5 電源模塊的 比較與 選擇 方案一：電腦 USB 串口供電。 USB串口線又容易得到。 方案二：用 4節(jié)五號(hào)電池串聯(lián) 6V直流電源。且這個(gè)電源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，容易得到。 系統(tǒng)總體框圖 經(jīng)過(guò)對(duì)方案的設(shè)計(jì)要求的分析和方案論證，采用凌陽(yáng)單片機(jī)控制平臺(tái)，經(jīng)過(guò)超聲波 測(cè)距 模塊檢測(cè) 距離 ，控制運(yùn)動(dòng)模塊的電機(jī)運(yùn)動(dòng)方式，近而控制這個(gè)小車(chē)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)。與 SPCE500A不同的是，在存儲(chǔ)器資源方面考慮到用戶(hù)的較少資源的需求以及便于程序調(diào)試等功能， SPCE061A里只內(nèi)嵌 32K字的閃存（ FLASH）。因此，與 SPCE500A相比，以 μ’nSP?為核心的 SPCE061A微控制器是適用于數(shù)字語(yǔ)音識(shí)別應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)品的一種最經(jīng)濟(jì)的選擇。 SPCE061A 芯片內(nèi)核結(jié)構(gòu) （ 1） 16位數(shù)據(jù)總線和 22位數(shù)據(jù)總線 （ 2） 算術(shù)邏輯單元 AUL： 16位算術(shù)邏輯運(yùn)算，帶移位操做的算術(shù)邏輯運(yùn)算， 16位 X16位乘法和內(nèi)積運(yùn)算。 （ 4） 數(shù)據(jù)運(yùn)算或傳送的源及目標(biāo)寄存器 （ 5） 配對(duì)組成一個(gè) 32位的乘法結(jié)果寄存器 MR （ 6） 配對(duì)組成一個(gè) 32位的內(nèi)積結(jié)果寄存器 MR （ 7） 專(zhuān)用型寄存器 ：堆棧指針寄存器 SP，基址指針寄存器 BP（ R5），程序計(jì)數(shù)器 PC，段寄存器 SR。由于未經(jīng)處理的音頻資源數(shù)據(jù)量很大，對(duì)于單片機(jī)來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和傳輸都比較困難，這使得音頻壓縮編碼成為音頻處理的重要環(huán)節(jié)。該函數(shù)庫(kù)將 A/D、編碼、解碼、存儲(chǔ)及 D/A做成相應(yīng)的模塊，每個(gè)模塊都有其應(yīng)用程序接口 API，用戶(hù)只需了解每個(gè)模塊所實(shí)現(xiàn)的功能及其參數(shù)的內(nèi)容即可。 SACM S480 語(yǔ)音播放也分為“自動(dòng)”和“手動(dòng)”了兩種模式。 SACM A2022壓縮算法壓縮比較小，具有高質(zhì)量、高碼率的特點(diǎn)，適用于高保真音樂(lè)和語(yǔ)音。 SACM A2022 在播放初始化是會(huì)打開(kāi) FIQ TIMERA自主移動(dòng)機(jī)器人小車(chē)設(shè)計(jì) 8 中斷，并將 TIMERA溢出頻率設(shè)置為 16KHZ。 SACM DVR具有錄音盒放音功能。放音是從取存儲(chǔ)器語(yǔ)音數(shù)據(jù)、譯碼到輸出的過(guò)程，與 SACM A2022 相同。 SACM DVR也提供了一組庫(kù)函數(shù)，用來(lái)播放錄制的語(yǔ)音資源。兩者的區(qū)別在于其輸出控制機(jī)理不同。音頻輸出是通過(guò)定時(shí)溢出所產(chǎn)生的不同頻率來(lái)決定聲音音調(diào)的高低， DAC的模擬量決定聲音信號(hào)的幅值。 D/A轉(zhuǎn)換器位數(shù)越多，重放波形的音質(zhì)越好。此數(shù)值轉(zhuǎn)換成一系列的電流模擬量，并經(jīng)平滑濾波后驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器得到聲音信號(hào)。采樣率越高，恢復(fù)的聲音波形越接近原來(lái)的波形，音質(zhì)越好。在本系 統(tǒng)的語(yǔ)音播放中采用第一種方式。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)按相同的采樣速率，將雙通道輸入的表示聲音的數(shù)字量同步且分別地寫(xiě)入到兩個(gè)數(shù)據(jù)單元 DAR1 和 DAR2中，并分別送入 DAC1和 DAC2中，進(jìn)行 D/A轉(zhuǎn)換。 超聲波測(cè)距模塊 1． 基本特性與參數(shù)指標(biāo) 超聲波傳感器諧振頻率： 40KHz 模組傳感器工作電壓： 模組接口電壓： 自主移動(dòng)機(jī)器人小車(chē)設(shè)計(jì) 9 2． 主要功能 三種測(cè)距模式選擇跳線 J1（短距、中距、可調(diào)距）： 短距： 20cm100cm左右（根據(jù)被測(cè)物表面材料決定），精度 1cm； 中距： 70cm400cm左右（根據(jù)被測(cè)物表面材料決定）； 可調(diào)：范圍由可調(diào)節(jié)參數(shù)確定，當(dāng)調(diào)節(jié)在合適的值時(shí)，最遠(yuǎn)測(cè)距 700cm左右； 3． 結(jié)構(gòu)示意圖 圖 31 超聲波測(cè)距模組硬件框圖 圖 32 超聲波實(shí)物圖 一般應(yīng)用時(shí)，只需要用兩條 10PIN排線把 J5與 SPCE061A的 IOB口低八位連接， J4與 IOB口高八位連接，同時(shí)設(shè)置好 J J2跳線就完成硬件的連接了。模組工作的性能與被測(cè)物表面材料有很大關(guān)系，如毛料、布料對(duì)超聲波的反射率很小，會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)量結(jié)果 自主移動(dòng)機(jī)器人小車(chē)設(shè)計(jì) 10 4． 超 聲波測(cè)距原理 聲波在其傳播介質(zhì)中被定義為縱波。假如聲波在介質(zhì)中傳播的速度是已知的，而且聲波從聲源到達(dá)目標(biāo)然后返回聲源的時(shí)間可以測(cè)量得到，那么就可以計(jì)算出從聲波到目標(biāo)的距離。這里聲波傳播的介質(zhì)為空氣，采用不可見(jiàn)的超聲波 ， 超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。用于驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器的 40KHz 的方波由一片 NE555 搭成的多諧振蕩器生成，受 控于控制器的 PLUS_EN信號(hào)； 40KHz 的方波經(jīng) CD4049調(diào)理后，成為振幅 18V的方波，提高發(fā)射功率。經(jīng)放大后的波形送入， LM311比較器；經(jīng)比較器調(diào)理后的波形成為方波，可送給 SPCE061A的 EXT1外部中斷。 超聲波電源接口 圖 34 超聲波電源接口 J3為外部電源接口，最高電壓不要超過(guò) 12V， J2為電源選擇跳線， VCC_5即為由 61板通過(guò) 10PIN的排線引入模組的電源， VCC即為模組的放大器，調(diào)理電路的供電電源。 超聲波測(cè)距模組與 61板的接口如圖 35,36所示： 自主移動(dòng)機(jī)器人小車(chē)設(shè)計(jì) 12 圖 35 超聲波測(cè)距模 組 接口 圖 36 超聲波與 61板進(jìn)行 測(cè)距 連接實(shí)物圖 測(cè)距程序流程圖 超聲波測(cè)距的功能函數(shù)流程圖如圖 37。 L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 [4] L298N是 SGS公司的產(chǎn)品，內(nèi)部包含 4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路。 其實(shí)物及引腳圖如 圖 38及 39所示 自主移動(dòng)機(jī)器人小車(chē)設(shè)計(jì) 13 測(cè) 距 初 始 化鍵 盤(pán) 掃 描 初 始 化啟 動(dòng) 測(cè) 距 鍵是 否 按 下 ？進(jìn) 行 一 次 測(cè) 距測(cè) 距 結(jié) 果 播 報(bào)及 出 錯(cuò) 處 理清 看 門(mén) 狗開(kāi) 始YN 圖 37測(cè)距程序流程圖 圖 38 L298N實(shí)物圖 自主移動(dòng)機(jī)器人小車(chē)設(shè)計(jì) 14 圖 39 L298N管腳圖 L298N 主要特點(diǎn) (1)工作電壓高，最高工作電壓可達(dá) 46V； (2)輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá) 3A，持續(xù)工作電流為 2A；額定功率 25W。使用 L298N芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)，該芯片可以驅(qū)動(dòng)一臺(tái)兩相步進(jìn)電機(jī)或四相步進(jìn)電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)。 L298有兩路電源分別為邏輯電源和動(dòng)力電源，圖 310中 6V為邏輯電源， 12V為動(dòng)力電源。 ENA與 ENB直接接入 6V邏輯電源也就是說(shuō)兩個(gè)電機(jī)時(shí)刻都工作在使能狀態(tài)，控制電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)只有通過(guò) J1與 J2兩個(gè)接口。（如果信號(hào)端 IN1接低電平， IN2接高電平， J3連接的電機(jī)反轉(zhuǎn)）控制另一臺(tái)電機(jī)是同樣的方式，輸入信號(hào)端 IN3自主移動(dòng)機(jī)器人小車(chē)設(shè)計(jì) 15 接高電平，輸入端 IN4 接低電平， J5連接的電機(jī)正轉(zhuǎn)。 圖 310 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊連接圖 通過(guò) 對(duì) 驅(qū)動(dòng)模塊的邏輯輸入端輸入不同的電平，其對(duì)應(yīng)的 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)表如表31 表 31 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)表 左電機(jī) 右電機(jī) 左電機(jī) 右電機(jī) 小車(chē)運(yùn)行狀態(tài) IN1 IN2 IN3 IN4 1 0 1 0 正轉(zhuǎn) 正轉(zhuǎn) 前行 1 0 0 1 正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 左轉(zhuǎn) 1 0 1 1 正轉(zhuǎn) 停 以左電機(jī)為中心原地左轉(zhuǎn) 0 1 1 0 反轉(zhuǎn) 正轉(zhuǎn) 右轉(zhuǎn) 1 1 1 0 停 正轉(zhuǎn) 以右電機(jī)為中心原地右轉(zhuǎn) 0 1 0 1 反轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 后退 通過(guò)編寫(xiě)相應(yīng)驅(qū)動(dòng) 程序，用單片機(jī)的 IOA 口來(lái)控制驅(qū)動(dòng)模塊， 進(jìn)而控制小車(chē)的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)， 來(lái)完成小車(chē)的避障功能。 軟件調(diào)試平臺(tái) 軟件調(diào)試采用 μ’nSP?集成開(kāi)發(fā)環(huán)境， μ’nSP?集成開(kāi)發(fā)環(huán)境集程序的編輯，編譯，鏈接，調(diào)試以仿真等功能為一體。此外。 IDE的開(kāi)發(fā)界面如圖 41 圖 41 μ’nSP? IDE的開(kāi)發(fā)界面 對(duì)于超聲波測(cè)距模塊 的數(shù)據(jù)采集的變化，則可以通過(guò)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境在線觀 察，其對(duì)應(yīng)變量的數(shù)值在如圖 42的變量表