【正文】 為主控制芯片，結(jié)合直流電機(jī)、傳感器、電源電路及其他外圍電路，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了沿黑色軌跡行走的智能循跡移動(dòng)機(jī)器人 。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)。速度控制系統(tǒng)通過 對(duì) PWM 波占空比調(diào)節(jié) 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。 關(guān)鍵詞： 單片機(jī)；自循跡；控 制算法；傳感器 移動(dòng)機(jī)器人的循跡控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用 II Mobile robot tracking control system design and implementation Abstract Intelligent tracking mobile robot is a kind of system which can be controlled to move along an accurate route automatically. In this paper, the main controlling chipSTC12C5A60S2 singlechip microputer, the DC generator, sensor, power supply, circuit and other peripheral circuits are integrately used to make the intelligent tracking mobile robot, walk along a black line. In this system, IRphotoelectric sensors are used to track the robot, and L298N driving circuit can drive the mobile robot. In this paper, the control system of the mobile robot can be divided into direction control system and speed control system. Direction control system detects the black line through the infrared sensor, and can identify the track in different situations in the process of operation, and can control the direction of the mobile robot according to the feedback information in time. Speed control system controls dc generator by modulating the width of PWM pulse, in order to make the speed of the mobile robot changes along with the track. Based on the establishment and the analysis of the motion model of mobile robot, and the operation methods of the direction control system, speed control system and other important control systems, the mobile robot can finish the process in straight routes , bend routes and changing routes pletely, and can walk tracking the black track fast and steadily. Keywords: Single chip microputer。 Control algorithm。移動(dòng)機(jī)器人是機(jī)器人學(xué)中的一個(gè)重要分支。關(guān)于移動(dòng)機(jī)器人的研究涉及許多 方面，首先，要考慮移動(dòng)方式，可以是輪式的、履帶式、腿式的，對(duì)于水下機(jī)器人，則是推進(jìn)器。第三，必須考慮導(dǎo)航或路徑規(guī)劃，對(duì)于后者，有更多的方面要考慮，如傳感融合，特征提取，避碰及環(huán)境映射。對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的研究，提出了許多新的或挑戰(zhàn)性的理論與工程技術(shù)課題，引起越來越多的專家學(xué)者和工程技術(shù)人員的興趣，更由于它在軍事偵察、掃雷排險(xiǎn)、防核化污染等危險(xiǎn)與惡劣環(huán)境以及民用中的物料搬 運(yùn)上具有廣闊的應(yīng)用前景，使得對(duì)它的研究在世界各國受到普遍關(guān)注。由于人工智能和其他智能技術(shù)的發(fā)展尚落后于人們對(duì)它的希望 ,致使大部分研究成果處于實(shí)驗(yàn)階段。移動(dòng)機(jī)器人的智能指標(biāo)為自主性、適應(yīng)性和交互性。自主性是指機(jī)器人能根據(jù)工作任務(wù)和周圍環(huán)境情況，自己確定工作步驟和工作方式；交互是智能產(chǎn)生的基礎(chǔ) ， 交互包括機(jī)器人與環(huán)境、機(jī)器人與人及機(jī)器人之間三種，主要涉及信息的獲取、處理和理解。智能化機(jī)器人具有感知功能與識(shí)別、判斷及規(guī)劃功能。因此機(jī)器人的智能移動(dòng)機(jī)器人的循跡控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用 2 分為兩個(gè)層次：具有感覺、識(shí)別、理解、和判斷功能；具有總結(jié)經(jīng)驗(yàn)和學(xué)習(xí)的功能。原來在工廠結(jié)構(gòu)化環(huán)境下工作的自動(dòng)化機(jī)器或工業(yè)機(jī)器人，適合于大規(guī)模、較少柔性和變動(dòng)的生產(chǎn)環(huán)境，對(duì)智能程度并無過高要求，而在廣泛領(lǐng)域內(nèi)所需的自動(dòng)機(jī)器，則要滿足不同的非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的不同需求，必須具有綜合集成和自主的能力，向以技術(shù)集成為特征的智能機(jī)器人發(fā)展。另一方面，信息技術(shù)的發(fā)展，特別是高性能計(jì)算機(jī)、通訊網(wǎng)絡(luò)和電子器件、模式識(shí)別和信號(hào)處理、軟件等技術(shù)的進(jìn)展，又可促進(jìn)機(jī)器人本身‘智力’和‘體質(zhì)’的增強(qiáng)，為機(jī)器人向智能化、多樣化發(fā)展創(chuàng)造條件，機(jī)器人技術(shù)與信息技術(shù)的這種互動(dòng)發(fā)展在信息技術(shù)飛速發(fā)展的今天更為突出，這種機(jī)器人的高科技含量 不斷得到提升，始終處于高科技的前沿。當(dāng)前，由于自動(dòng)化的概念正在急速向廣泛領(lǐng)域擴(kuò)展，而信息技術(shù)的發(fā)展又極大的提高了機(jī)器人的在智能程度，使這種想象空間的擴(kuò)展有了需求和實(shí)現(xiàn)的可能，從而會(huì)更加激勵(lì)圍繞機(jī)器人的概念創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新，并蘊(yùn)含著產(chǎn)生各種競爭前核心技術(shù)的可能性，從而必然是國際科技創(chuàng)新的重要競爭點(diǎn)。 移動(dòng)機(jī)器人循跡方法介紹 循跡方法介紹 在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器中 ,處理器件接受高層控制級(jí)的指令 ， 計(jì)算和輸出多路控制信號(hào) ， 協(xié)調(diào)各驅(qū)動(dòng)輪 ， 并對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。 運(yùn)動(dòng)控制算法是移 動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的 ，由于 PID 控制器結(jié)構(gòu)簡單 、 參數(shù)易于調(diào)整 ， 因此在移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制中得到了廣泛沈陽航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 的應(yīng)用 ， 但是移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的模型在實(shí)際系統(tǒng)中存在控制參數(shù)難以調(diào)整 、控制系統(tǒng)存在噪聲影響等問題 ， 即用傳統(tǒng)的比例控制器已不能達(dá)到較好的控制效果 。 . 2 移動(dòng)機(jī)器人 循跡 的關(guān)鍵技術(shù) 移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)是一種面向未來的現(xiàn)代化技術(shù) ， 機(jī)器人技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 、 基因技術(shù) 、 通信技術(shù) 、 計(jì)算機(jī)技術(shù)等一樣 ， 屬于高新技術(shù) 。 導(dǎo)航技術(shù)是移動(dòng)機(jī)器人的一項(xiàng)核心技術(shù)之一 。 目前 ,移動(dòng)機(jī)器人主要的導(dǎo)航方式包括 :磁導(dǎo)航 ， 慣性導(dǎo)航 ， GPS 導(dǎo)航 ， 環(huán)境地圖模型匹配導(dǎo)航 ， 路標(biāo)導(dǎo)航 ， 視覺導(dǎo)航 ， 味道導(dǎo)航 ， 聲音導(dǎo)航 ， 神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)導(dǎo)航等 。 該方法優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng) ， 技術(shù)簡單 ,實(shí)用 ， 缺點(diǎn)是成本高 ， 可變性 、 可維護(hù)性較差 。慣性導(dǎo)航的優(yōu)點(diǎn)是不需要外部參考 ， 缺點(diǎn)是它具有誤差累加 ， 不適合長時(shí)間精確定位 。 因而在實(shí)際中 ， 它一般都結(jié)合其它導(dǎo)航技術(shù)一起工作 。 路標(biāo)導(dǎo)航就是移動(dòng)機(jī)器人利用傳感器輸入信息來識(shí)別出環(huán)境中特殊標(biāo)記 ， 以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航和定位 。 自然路標(biāo)導(dǎo)航是機(jī)器人 根據(jù)對(duì)工作環(huán)境中的自然特征的識(shí)別實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航 ， 優(yōu)點(diǎn)是不改變工作環(huán)境 ， 且方法靈活 ， 但路標(biāo)探測的準(zhǔn)確性和魯棒性是研究的主要問題 ； 人工路標(biāo)導(dǎo)航是機(jī)器人識(shí)別認(rèn)為放置的特殊標(biāo)志實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航 ， 該方法優(yōu)點(diǎn)是易于實(shí)現(xiàn) ， 且穩(wěn)移動(dòng)機(jī)器人的循跡控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用 4 定性較好 ， 但是它改變了機(jī)器人工作環(huán)境 。 它具有信號(hào)探測范圍廣 ， 獲取信息完整等優(yōu)點(diǎn) ， 是移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航的一個(gè)主要發(fā)展方向 ， 但是視覺導(dǎo)航的邊緣銳化 ， 特征提取等圖像處理方法計(jì)算量大 ， 實(shí)時(shí)性差始終是一個(gè)瓶頸問題 ， 解決該問題 的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)一個(gè)更加快速優(yōu)化的圖像處理算法 ， 用硬件或并行運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)圖像處理 ， 從而解決視覺導(dǎo)航實(shí)時(shí)性問題 。 1. 3 本文內(nèi)容與章節(jié)安排 本文采用 STC12C5A60S2 單片機(jī)為主控制芯片，結(jié)合直流電機(jī)、傳感器、電源電路及其他外圍電路，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)機(jī)器人沿黑色軌跡行走功能的智能循跡移動(dòng)機(jī)器人，其中，循跡功能由紅外式光電傳感器完成，移動(dòng)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)功能由 L298N驅(qū)動(dòng)電路完成。方向控制系統(tǒng)通過紅外傳感器檢測賽道黑線，在運(yùn)行過程中能夠識(shí)別賽道的不同情況，并能夠根據(jù)信息反饋及時(shí)控制移動(dòng)機(jī)器人的方向。 第一章主要內(nèi)容介紹移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展歷史，移動(dòng)機(jī)器人的循跡方法。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)、傳感器工作原理以及信號(hào)的采集。 第四章主要內(nèi)容系統(tǒng)調(diào)試，在整個(gè)畢設(shè)過程中遇到的問題以及解決方案。 沈陽航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 2 移動(dòng)機(jī)器人循跡系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案 系統(tǒng)總體方案及各部分作用 本設(shè)計(jì)以 STC12C5A60S2 單片機(jī)系統(tǒng)為控制中心，通過四路傳感器檢測黑線。傳感器在接通電源后會(huì)不斷的發(fā)送和接收紅外線，接收到的信號(hào)經(jīng)過 LM324 進(jìn)行放大然后由 74HC14D 施密特觸發(fā)器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出，而當(dāng)單片機(jī)檢測到需要轉(zhuǎn)向的傳感器信號(hào)時(shí)，單片機(jī)通過改變 PWM 波的占空比來調(diào)整移動(dòng)機(jī)器人兩側(cè)的電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而使其兩側(cè)輪產(chǎn)生速度差，以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的轉(zhuǎn)向。 表 1尋線功能控制邏輯 檢測 檢測到 未檢測到 黑線 1 0 PWM： 脈沖寬度調(diào)制 (PWM)，簡稱脈寬調(diào)制，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)， 此處我們主要通過單片機(jī)輸出 PWM 波同時(shí)通過調(diào)節(jié)其占空比來實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的控制。 檢測物 移動(dòng)機(jī)器人的循跡控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用 6 圖 移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 前排傳感器 右前車輪 右前電機(jī) 舵機(jī) 微控制器 電源 電機(jī)驅(qū)動(dòng) 右后車輪 右后電機(jī) 左前電機(jī) 左后電機(jī) 左前車輪 左后車輪 測速裝置 圖 移動(dòng)機(jī)器人 的結(jié)構(gòu)示意圖 測速模塊 STC12C5A60S2 控速模塊 方向控制模塊 路面信息采集模塊 電源模塊 （為各部分供電） 沈陽航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 移動(dòng)機(jī)器人的系統(tǒng)硬件主要包括單片機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制芯片、傳感器、直流電機(jī)、舵機(jī)及編碼器。 單片機(jī)：設(shè)計(jì)采用 8位單片機(jī) STC12C5A60S2單片機(jī)為核心控制器 ， ， 其主要特點(diǎn)是片內(nèi)硬件資源非常豐富、高速、低耗、大容量、易于拓展、支持 C語言編程， H8/3048 系列特別適合電池供電設(shè)備的使用。 電源：電源是電源模塊的構(gòu)成，是一個(gè)系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)，因此電源的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。尋跡移動(dòng)機(jī)器人使用 1節(jié) 。為防止電機(jī)和舵機(jī)等大功率器件在反復(fù)啟動(dòng)狀態(tài)下對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，主要功能模塊均采用單獨(dú)供電 ， 舵機(jī)的工作電壓 由 LM2940穩(wěn)定在 5V?？紤]到要使 移動(dòng)機(jī)器人 的行駛過程穩(wěn)定， 本 移動(dòng)機(jī)器人采用 4對(duì)紅外式光電傳感器作為路徑識(shí)別元件。 由于系統(tǒng)針對(duì)紅外路徑識(shí)別前瞻能力較弱，將傳感器板前伸至距車頭 30mm處，使得移動(dòng)機(jī)器人的“預(yù)判”能性能大大增強(qiáng)。 舵機(jī)：轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)中最重要的部分就是舵機(jī)。本文所述的移動(dòng)機(jī)器人采用較為獨(dú)特的前軸轉(zhuǎn)向方式，將舵機(jī)輸出盤固定在移動(dòng)機(jī)器人前軸的中點(diǎn)上，利用舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人轉(zhuǎn)向。舵機(jī) 對(duì)每個(gè)傳感器做出的反應(yīng)也是不一樣的，中間的起到正舵的作用是使移動(dòng)機(jī)器人沿著跑道行駛，越靠近對(duì)稱軸的傳感器要求移動(dòng)機(jī)器人的轉(zhuǎn)向角度越小，越遠(yuǎn)離對(duì)稱軸的傳感器要求移動(dòng)機(jī)器人的轉(zhuǎn)向角度越大。對(duì)于電機(jī)的控制采用了基于 “H”橋驅(qū)動(dòng)電路的 PWM 控制。經(jīng)測試，當(dāng) IRL3803 的柵源電壓 VGS 為 16V 時(shí)，其 導(dǎo)通電阻僅有 6mΩ左右，因此可以管壓降顯著降低，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率得到有效提高。實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)移動(dòng)機(jī)器人速度由 70%降至 40%時(shí)（ PWM 占空比），采用全橋驅(qū)動(dòng)方式，電機(jī)響應(yīng)時(shí)間僅為 左右，減速效果十分 顯著。 它 能夠利用簡單的輸入信號(hào)比較精確的轉(zhuǎn)動(dòng)給定角度的 STC12C5A60S2 單片機(jī)系統(tǒng) 循跡模塊 舵機(jī)控制模塊 電源模塊 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 沈陽航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 電機(jī)系統(tǒng)。 本文舵機(jī) 型號(hào) 選取 為 S3010。該直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出送入電機(jī)驅(qū)動(dòng)集成電路，以驅(qū)動(dòng)電機(jī)正反轉(zhuǎn)。舵機(jī)的控制信 號(hào)是 PWM 信號(hào)，利用占空比的變化 來 改變舵機(jī)的位置。典型 20ms 周期性脈沖的正脈沖寬度與舵機(jī)的輸出軸轉(zhuǎn)角關(guān)系如圖 所示。通過控制 脈沖寬度 ，改變電樞的平均電壓來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，