【正文】 應(yīng)運(yùn)而生。 安全避障具體的實(shí)現(xiàn)方法有很多種 ， 主要有超聲避障、 視覺避障、紅外傳感器、激光避障、接近覺傳感器、微波雷達(dá)等避障方法。智能機(jī)器人可以在“了解＂周圍環(huán)境的情況下自己進(jìn)行邏輯判斷和分析 ， 在無人控制的情況下 ， 自主完成任務(wù)。對(duì)避障的研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義 ， 為交通運(yùn)輸業(yè)帶來巨大的變革 ， 也為車輛的自主導(dǎo)航和無人駕駛車輛的實(shí)現(xiàn)提供了重要技術(shù)。現(xiàn)代機(jī)器人從誕生到現(xiàn)在 ， 已經(jīng)發(fā)展到了第三代。示教內(nèi)容為機(jī)器人操作機(jī)構(gòu)的空間軌跡、作業(yè)條件、作業(yè)順序等。 第三代機(jī)器人是指具有高度適應(yīng)性和自主決策能力的機(jī)器人 ，它具有復(fù)雜的感知和檢測(cè)功能 ， 可進(jìn)行復(fù)雜的 邏輯判斷、自主規(guī)劃和決策 ， 在作業(yè)環(huán)境中獨(dú)行動(dòng)。美國(guó) NASA 研制的火星探測(cè)機(jī)器人索杰那于 1997 年登上火星 ， 這一事件向全世界進(jìn)行了報(bào)道。 （ 2） 高完整性機(jī)器人。 （ 3）遙控移動(dòng)機(jī)器人。像人需要道路、交通信號(hào)燈等一樣 ，機(jī)器人為了在一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的環(huán)境中行動(dòng) ， 也同樣需要基礎(chǔ)設(shè)施。 （ 6）多機(jī)器人系統(tǒng)。 在國(guó)內(nèi) ， 對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的研究起步較晚 ， 主要的研究工作有： （ 1）清華大學(xué)智能移動(dòng)機(jī)器人于 1994 年通過鑒定。 （ 3）哈工大機(jī)器人技術(shù)有限公司開發(fā)研制成功了我國(guó)第一臺(tái)智能型服務(wù)機(jī)器人。 （ 4） 2021 年 1 月 ， 中科院自動(dòng)化所成功研制開發(fā)了集多種傳感器、視覺、語音識(shí)別與會(huì)話功能于一體的智能移動(dòng)機(jī)器人。 綜上所述 ， 移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)取得了很多可喜的進(jìn)展 ， 研究成果令人鼓舞 ， 但還遠(yuǎn)未達(dá)到實(shí)用要求。 3. 課題設(shè)計(jì)的內(nèi)容 智能機(jī)器人是集計(jì) 算機(jī)技術(shù)、智能控制、傳感器、電子學(xué)、檢測(cè)等技術(shù)于一體的機(jī)器人。智能機(jī)器人能夠通過傳感器來感知外面的環(huán)境 ， 并可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)決策的特性正是智能機(jī)器人性能的一個(gè)重要體現(xiàn)。 本課題的研究主要包括以下主要內(nèi)容： 首先 ， 利用傳感器對(duì)移動(dòng)機(jī)器人周圍障礙物進(jìn)行探測(cè) ， 并及時(shí)傳輸給單片機(jī)；其次 ， 確定移動(dòng)機(jī)器人的避障方法及其 控制算法；最后 ， 實(shí)物進(jìn)行試驗(yàn) ， 實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的實(shí)時(shí)避障。 (2) 進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的論證和總體設(shè)計(jì) 。 (4) 完成硬件電路板的 PCB 設(shè)計(jì)和調(diào)試。 系統(tǒng)任務(wù)描 述 該系統(tǒng)的任務(wù)就是讓 移動(dòng) 機(jī)器人 在行進(jìn)的過程中 ， 能夠自動(dòng)檢測(cè)存在的障礙物、并且采取有效的避障措施。 控制系統(tǒng)要求 該控制系統(tǒng)要滿足以下幾點(diǎn)要求： (1) 能對(duì)車體四周的環(huán)境進(jìn)行探測(cè)以獲得障礙物的存在情況。 (3) 交互功能。 (4) 驅(qū)動(dòng)電機(jī)穩(wěn)速運(yùn)行要求。 167。 機(jī)器人載體 選擇 由于水平有限無法制作出雙足行走機(jī)器人 ， 因此 本設(shè)計(jì) 選擇小車作為智能避障機(jī)器人的載體。減速電機(jī)扭矩大 ， 轉(zhuǎn)速較慢 ， 易于控制和調(diào)速 ， 符合避障小車的要求。但自己制作小車設(shè)計(jì)制作周期較長(zhǎng) ， 且費(fèi)用較高 。但玩具電動(dòng)車采用普通直流電機(jī)驅(qū)動(dòng) ， 帶負(fù)載能力差 ， 調(diào)速方面對(duì)程序要求較高。 綜合考慮到制作周期和精度問題 ， 最終選擇了在淘寶購(gòu)買 小車車體零部件自己組裝 。 167。 51 單片機(jī)應(yīng)用廣泛 ， 能滿足一般控制的需要。 市場(chǎng)上流通很多種類的單片機(jī) ， 在一般性能上都可以達(dá)到要求 ， 例如 AT89C5 AT89C52 等都可以用于控制小車 ， 唯一缺點(diǎn)在于不能在線下載 ， 造成了不便的煩惱 ， 下載器 ， AT 系列單片機(jī)價(jià)錢比較貴 ， 不利于小資本實(shí)驗(yàn)。 故 本設(shè)計(jì)采用 STC89C52 作為該 智能小車控制模塊的核心 ， 通過 STC89C52利用程序來精確控制小車的運(yùn)動(dòng) ， 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)小車的自動(dòng)控制 ， 在對(duì)于智能小車的控制方面 ， STC89C52 是一個(gè)超低功耗 ， 和標(biāo)準(zhǔn) 51系列單片機(jī)相比較具有運(yùn)算速度快 ， 抗干擾能力強(qiáng) ， 支持 ISP 在線編程 ， 片內(nèi)含 8k 空間的可反復(fù)擦寫 1000 次的 Flash 只讀存儲(chǔ)器 ，具有 256 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM） ， 32 個(gè) I/O 口 ， 3個(gè) 16 位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器。且在運(yùn)用過程中 STC89C52 的精確度和運(yùn)算速度也都完全符合系統(tǒng)的要求。 167。其優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)速度靈敏 ，距離遠(yuǎn)。 超聲波受環(huán)境影響較大 ， 電路復(fù)雜 ， 而且地面對(duì)超聲波的反射 ， 會(huì)影響系統(tǒng)對(duì)障礙物的判斷。但是使用視頻采集會(huì)大大增加小車成本和設(shè)計(jì)開發(fā)難度 ， 而且考慮到 本設(shè)計(jì)的 小車只是進(jìn)行簡(jiǎn)單的避障 ， 因而使用視頻采集在實(shí)際應(yīng)用中是個(gè)很大的浪費(fèi) ， 所以 本設(shè)計(jì) 放棄了這一方案。 相比方案一與方案三 ， 由于兩者價(jià)格相差不大 ， 紅外傳感器體積更小 ， 精度更高 ， 反 應(yīng)更快 ， 因此 ， 本課題將采用紅外傳感器來實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的避障。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)選擇 方案一： 采用繼電器控制 采用繼電器對(duì)電動(dòng)機(jī)的開或關(guān)進(jìn)行控制 ， 通過開關(guān)的切換對(duì)小車的進(jìn)行調(diào)整 。 方案 二 ：使用分立原件搭建電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 使用分立原件搭建電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路造價(jià)低廉 ， 在大規(guī)模生產(chǎn)中使用廣泛。 方案 三 ：使用 L298N 芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī) L298N 是一個(gè) 內(nèi)含兩 個(gè) H 橋的高電壓大電流雙 H 橋式 驅(qū)動(dòng)芯片 ， 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；可以直接用單片機(jī)的 IO 口提供信號(hào) ， 而且?guī)в惺鼓芏?， 方便 PWM調(diào)速 ， 電路簡(jiǎn)單 ， 性能穩(wěn)定 ， 使用比較方便。 因此 ， 采用 L298N 芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)。 穩(wěn)壓電源選擇 方案一： 采用單一電源 供電 這樣供電比較簡(jiǎn)單 ， 但是由于電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)瞬間電流很大 ， 會(huì)造成電壓不穩(wěn)、有毛刺等干擾 ， 嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)造成單片機(jī)系統(tǒng)掉電 ，使之不能完成預(yù)定行程。但是不如單電源方便靈活。只有給L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng) 電路板 供電大于 6V 時(shí) ， 才能輸出 +5V 電壓。 167。 (2) 采用可充電 鎳鎘電池 組 提供基準(zhǔn)電源。 (4) 采用 電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片 L298N作為直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片。 167。 系統(tǒng)組成 系統(tǒng)組成框圖如圖 11 所示。 系統(tǒng)工作原理 智能避障機(jī)器人采用小車底盤作為載體。 將紅外傳感器裝在車體的前方 ， 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)路面情況并及時(shí)傳輸給單片機(jī)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)兩電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng) ， 實(shí)現(xiàn)前進(jìn)或者左、右轉(zhuǎn)。 小車的避障流程如下： 在車前方?jīng)]有障礙物時(shí) ， 小車沿直線向前走。 (2) 如果前面仍有障礙物 ， 則向右轉(zhuǎn) 180 度 ， 如果前面沒有障礙物 ， 則直線行走。 167。 最終選擇了 STC89C52 單片機(jī)作為整個(gè)電路的控制核心，采用可充電鎳鎘電池組提供基準(zhǔn)電源，采用小車底盤作為機(jī)器人載體，強(qiáng)磁直流減速電機(jī)作為小車系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，采用電機(jī)專用 驅(qū)動(dòng)芯片 L298N 作為直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片，采用紅外傳感器進(jìn)行障礙檢測(cè)。 主控電路設(shè)計(jì) 167。 STC89C52 是一個(gè)低功耗 ， 高性能 CMOS 8 位單片機(jī) ， 片內(nèi)含 4k Bytes ISP(Insystem programmable)的可反復(fù)擦寫 10000 次 以上 的Flash 只讀程序存儲(chǔ)器 ， 器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造 ， 兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)及 89C52 引腳結(jié)構(gòu) ， 芯片內(nèi)集成了通用 8 位中央 處理器和 ISP Flash 存儲(chǔ)單元 ， 功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的 STC89C52 可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。利用 STC89C52 的 I/O 端口對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí) 判斷 監(jiān)控 來 控制 步進(jìn)電機(jī)做出相應(yīng)的反映 。如果按功能劃分 ， 它由如下功能部件組成 ， 即微處理器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、程序存儲(chǔ)器、并行I/O 口、串行口、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、中斷 系統(tǒng)及特殊功能寄存器。但對(duì)各種功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。 (2) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 片內(nèi)為 128 個(gè)字節(jié) ， 片外最多可外擴(kuò)至 64k 字節(jié) ， 用來存儲(chǔ)程序在運(yùn)行期間的工作變量、運(yùn)算的中間結(jié)果、數(shù)據(jù)暫存和緩沖、標(biāo)志位等 ， 所以稱 為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 (4) 中斷系統(tǒng) 具有 5 個(gè)中斷源 ， 2 級(jí)中斷優(yōu)先權(quán)。 (6) 串行口 1 個(gè)全雙工的串行口 ， 具有四種工作方式。 (7) P0 口、 P1 口、 P2 口、 P3 口 為 4 個(gè)并行 8 位 I/O 口。實(shí)際上是一些控制寄存器和狀態(tài)寄存器 ， 是一個(gè)具有特殊功能的 RAM 區(qū)。特別值得一提的是該單片機(jī) CPU 中的位處理器 ， 它實(shí)際上是一個(gè)完整的 1 位微計(jì)算機(jī) ， 這個(gè)一位微計(jì)算機(jī)有自己的CPU、位寄存器、 I/O 口和指令集。 MCS51 單片機(jī)中 8 位機(jī)和 1 位機(jī)的硬件資源復(fù)合在一起 ， 二者相輔相承 ， 它是單片 機(jī)技術(shù)上的一個(gè)突破 ， 這也是MCS51 單片機(jī)在設(shè)計(jì)的精美之處。 最小應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) 89C52 是片內(nèi)有 ROM/EPROM 的單片機(jī) ， 因此 ， 這種芯片構(gòu)成的最小系統(tǒng)簡(jiǎn)單﹑可靠。由于集成度的限制 ， 最小應(yīng)用系統(tǒng)只能用作一些小型的控制單元。 (2) 內(nèi)部存儲(chǔ)器容量有限。 13 圖 22 89C52 單片機(jī)最小系統(tǒng) 1. 時(shí)鐘電路 MCS51 單片機(jī) 各功能部件運(yùn)行都是以時(shí)鐘控制信號(hào)為基準(zhǔn) ， 有條不紊的一步一步地工作 ， 因此 ， 時(shí)鐘頻率直接影響單片機(jī)的速度 ，時(shí)鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 89C52 單片機(jī)的時(shí)鐘產(chǎn)生方法有兩種。 本設(shè)計(jì)采用內(nèi)部時(shí)鐘方式 ， 利用芯片內(nèi)部的振蕩電路 ， 在XTAL XTAL2 引腳上外接定時(shí)元件 ， 內(nèi)部的振蕩電路便產(chǎn)生自激振蕩。振蕩晶體可在 到 12MHZ 之間選擇 。所以本設(shè)計(jì)中 ， 振蕩晶體選擇 12MHZ， 電容選擇 65pF。為了提高溫度穩(wěn)定性 ， 應(yīng)采用 NPO 電容 ， 時(shí)鐘電路如圖 23 所示。復(fù)位引腳 RST 通過 一個(gè)斯密特觸發(fā)器用來抑制噪聲 ， 在每個(gè)機(jī)器周期的 S5P2， 斯密特觸發(fā)器的輸出電平由復(fù)位電路采樣一次 ， 然后才能得到內(nèi)部復(fù)位操作所需要的信號(hào)。 最簡(jiǎn)單的上電自動(dòng)復(fù)位電路是通過外部復(fù)位電路的電容充電來實(shí)現(xiàn)的。時(shí)鐘頻率用 12MHZ 時(shí) C 取 22uF， R 取 1KΩ。本設(shè)計(jì)就是用的按鍵手動(dòng)復(fù)位。其中電平復(fù)位是通過 RST 端 經(jīng)電阻與電源 VCC 接 通而實(shí)現(xiàn)的。 15 圖 24 復(fù)位電路 3. 燒寫接口電路 如圖 25 所示 就是 USB 供電 下載接口 ， 圖中 PL2303 芯片 是Prolific 公司生產(chǎn)的一種高度集成的 RS232USB 接口轉(zhuǎn)換器 ， 可提供一個(gè) RS232 全雙工 異步串行通信 裝置與 USB 功能接口便利連接的解決方案。這些工作全部由器件 自動(dòng)完成 ， 開發(fā)者無需考慮 固件 設(shè)計(jì) 。同時(shí) ， ISP 的下載接口如圖 26， 在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下兩點(diǎn) ， 否則會(huì)造成程序下載的失敗。 (2) 下載線接口中用到的 到 腳不能連接外部器件 ，如果要連接外部器件可以設(shè)計(jì)為可插拔的方式 ， 防止影響程序的下載。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 167。智能小車控制系統(tǒng)中對(duì)控制電機(jī)要求其體積小、重量輕、耗電少 ， 另外還要求其有高可靠性、高精度和快速響應(yīng)等特點(diǎn) ， 主要集中在以下幾個(gè)方面 ： 17 (1) 高可靠性。 (2) 高精度。從廣義上而言 ， 直流電機(jī)特性的線性度和失靈區(qū)會(huì)直接影響到系統(tǒng)的精度。 (4) 正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)的特性相同 ， 且運(yùn)行特性穩(wěn)定。 常用的控制電機(jī)有步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)兩大類。直流電機(jī)能夠?qū)⑤斎氲碾妷盒盘?hào)變成轉(zhuǎn)軸的角位移或角速度輸出 ， 改變控制電壓即可改變電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向 ， 用途很廣泛 ， 主要有 如下優(yōu)點(diǎn)： (1) 寬廣的調(diào)速范圍。 (2) 線性的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性。轉(zhuǎn)矩一定時(shí) ， 轉(zhuǎn)速則隨電壓的變化而線性調(diào)節(jié)。 (3) 與步進(jìn)電機(jī)相比 ， 小體積較易獲得大功率。 直流電機(jī)調(diào)速原理 直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 可以用 式 21 表示： n=(UIR)/Kφ （ 21） 其中 U 為電樞端電壓 ， I 為電樞電流 ， R 為電樞電路總電阻 ，φ 為每 極磁通量 ， K 為電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)。大多18 數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合都使用電樞電壓控制法。 PWM 調(diào)速控制的基本原理是按一個(gè)固定頻率來接通和斷開電源 ， 并根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)接通和斷開的時(shí)間比 (占空比 )來改變直流電機(jī)電樞上電壓的 “ 占空比 ” ， 從而改變平均電壓 ， 控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。只要按照一定的規(guī)律改變通、斷電 的時(shí)間 ， 即可控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。 設(shè)電機(jī)始終接通電源時(shí) ， 電機(jī)轉(zhuǎn)速最大為 Vmax， 且設(shè)占空比為 D=t／ T， 則電機(jī)的平均速度 Vd 為： Vd=Vmax嚴(yán)格地講 ， 平均速度與占空比 D 并不是嚴(yán)格的線性關(guān)系 ， 在一般的應(yīng)用中 ， 可將其近似地看成線性關(guān)系。 當(dāng)用單片機(jī) I/O 口輸出 PWM 信號(hào)時(shí) ， 可采用以下三種方法： 利用軟件延時(shí)。 利用定時(shí)器。 利用單片機(jī)自帶的 PWM 控制器。 167。電機(jī)常用的驅(qū)動(dòng)芯片很多，在本設(shè)計(jì)中筆者選用硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)效率高的L298N 作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片， L298N 芯片是一種集成大功率 H 橋芯片。本設(shè)計(jì)中采用的 L298N 電機(jī) 驅(qū)動(dòng) 電路板使用 ST 公司的 L298N 作為主驅(qū)動(dòng)芯片，具有驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，發(fā)熱量低，抗干擾能力強(qiáng)