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文檔簡介
青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)前言機(jī)器人的應(yīng)用越來越廣泛,幾乎滲透到所有領(lǐng)域。智能移動機(jī)器人是機(jī)器人學(xué)中的一個重要分支。移動機(jī)器人的研究始于60年代末期。斯坦福研究院在1966年至1972年中研制出了取名Shakey的自主移動機(jī)器人,目的是研究應(yīng)用人工智能技術(shù),在復(fù)雜環(huán)境下機(jī)器人系統(tǒng)的自主推理和控制。與此同時,最早的操作式步行機(jī)器人也研制成功,從而開始了機(jī)器人步行機(jī)構(gòu)方面的研究,以解決機(jī)器人在不平整地域的運(yùn)動問題,設(shè)計(jì)并研制出了多足步行機(jī)器人。70年代末,隨著計(jì)算機(jī)的應(yīng)用和傳感技術(shù)的發(fā)展,移動機(jī)器人研究又出現(xiàn)了新的高潮。特別是在80年代中期,設(shè)計(jì)和制造機(jī)器人的浪潮席卷全世界。一大批世界著名的公司開始研制移動機(jī)器人平臺,這些移動機(jī)器人主要作為大學(xué)實(shí)驗(yàn)室及研究機(jī)構(gòu)的移動機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺,從而促進(jìn)了移動機(jī)器人學(xué)多種研究方向的出現(xiàn)。90年代以來,以研制高水平的環(huán)境信息傳感器和信息處理技術(shù),高適應(yīng)性的移動機(jī)器人控制技術(shù),真實(shí)環(huán)境下的規(guī)劃技術(shù)為標(biāo)志,展開了移動機(jī)器人更高層次的研究。 我國的工業(yè)機(jī)器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步,在國家的支持下,通過“七五”、“八五”科技攻關(guān),目前已基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù),生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件,開發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人;其中有130多臺套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產(chǎn)線(站)上獲得規(guī)模應(yīng)用,弧焊機(jī)器人已應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看,我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離,如:可靠性低于國外產(chǎn)品;機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚,應(yīng)用領(lǐng)域窄,生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距;在應(yīng)用規(guī)模上,我國已安裝的國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約200臺,約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè),當(dāng)前我國的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求,“一客戶,一次重新設(shè)計(jì)”,品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低,而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù),對產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃,搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計(jì),積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。 我國的智能機(jī)器人和特種機(jī)器人在“863”計(jì)劃的支持下,也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機(jī)器人,6000米水下無纜機(jī)器人的成果居世界領(lǐng)先水平,還開發(fā)出直接遙控機(jī)器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)器人、爬壁機(jī)器人、管道機(jī)器人等機(jī)種;在機(jī)器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上開展了不少工作,有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機(jī)器人、智能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械等的開發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步,與國外先進(jìn)水平差距較大,需要在原有成績的基礎(chǔ)上,有重點(diǎn)地系統(tǒng)攻關(guān),才能形成系統(tǒng)配套可供實(shí)用的技術(shù)和產(chǎn)品,以期在“十五”后期立于世界先進(jìn)行列之中。移動機(jī)器人從工作環(huán)境來分,可分為室內(nèi)移動機(jī)器人和室外移動機(jī)器人;按移動方式來分:輪式移動機(jī)器人、步行移動機(jī)器人、蛇形機(jī)器人、履帶式移動機(jī)器人、爬行機(jī)器人等;按控制體系結(jié)構(gòu)來分:功能式(水平式)結(jié)構(gòu)機(jī)器人、行為式(垂直式)結(jié)構(gòu)機(jī)器人和混合式機(jī)器人;按功能和用途來分:醫(yī)療機(jī)器人、軍用機(jī)器人、助殘機(jī)器人、清潔機(jī)器人等。按作業(yè)空間來分:陸地移動機(jī)器人、水下機(jī)器人、無人飛機(jī)和空間機(jī)。 關(guān)于智能移動機(jī)器人的研究涉及許多方面,首先,要考慮移動方式,可以是輪式的、履帶式、腿式的,對于水下機(jī)器人,則是推進(jìn)器。其次,必須考慮驅(qū)動器的控制,以使機(jī)器人達(dá)到期望的行為。第三,必須考慮導(dǎo)航或路徑規(guī)劃,對于后者,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。因此,智能移動機(jī)器人是一個集環(huán)境感知、動態(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)。對智能移動機(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,使得對它的研究在世界各國受到普遍關(guān)注。輪式移動機(jī)器人是機(jī)器人研究的重要方向之一,隨著控制技術(shù)、電源技術(shù)和傳感技術(shù)的日益完善和發(fā)展,人們對輪式移動機(jī)器人軌跡跟蹤精度等性能指標(biāo)也提出了越來越高的要求。輪式移動機(jī)器人在運(yùn)行過程中往往受到復(fù)雜的內(nèi)部外部因素的影響,比如驅(qū)動電機(jī)特性不一致、車輪打滑。負(fù)載改變、地面不平整等,這些都會影響移動機(jī)器人軌跡跟蹤精度,而且這些因素對機(jī)器人造成的影響很難進(jìn)行精確建模或預(yù)估。移動機(jī)器人運(yùn)動控制問題是機(jī)器人研究中最基本的問題,也是機(jī)器人學(xué)中只有依靠控制理論才能予以解決的問題。從控制理論的角度出發(fā),對于一個包括受控系統(tǒng)即控制對象在內(nèi)的控制系統(tǒng)而言,控制問題的理論研究包括兩方面內(nèi)容,一是控制系統(tǒng)分析問題,一是控制系統(tǒng)綜合問題,研究的前提是已知控制對象模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。獲得控制對象模型的方法有機(jī)理建模和統(tǒng)計(jì)建模,機(jī)理建模是利用已知的物理原理建立對象的數(shù)學(xué)模型,統(tǒng)計(jì)建模是采用參數(shù)估計(jì)和系統(tǒng)辨識的方法獲得對象模型。在分析問題中,根據(jù)已知的控制輸入作用,來確定控制系統(tǒng)的定性行為(如能控性、能觀測性、穩(wěn)定性等)以及定量的變化規(guī)律。在綜合問題中,恰好與分析問題相反,根據(jù)所期望的受控系統(tǒng)運(yùn)動形式或某些性能指標(biāo),來確定需要施加于控制對象的控制輸入作用,即控制律。移動機(jī)器人運(yùn)動控制問題的提出,最早是出于生產(chǎn)實(shí)踐的需要,目標(biāo)是通過尋求某種控制輸入作用,使機(jī)器人精確快速平穩(wěn)地自動到達(dá)運(yùn)動空間的某一位置或跟蹤空間中的某條曲線。本文以智能小車為模型,研究移動機(jī)器人的運(yùn)動控制,并針對這些問題進(jìn)行了討論。本篇論文從移動機(jī)器人的硬件設(shè)計(jì)開始說起,列舉了各模塊的硬件組成,各個模塊實(shí)現(xiàn)的功能等,然后研究了軟件部分實(shí)現(xiàn)的,并且附有相關(guān)的程序。1 移動機(jī)器人總體設(shè)計(jì)本章主要簡要地介紹移動機(jī)器人的系統(tǒng)總體方案的選定和總體設(shè)計(jì)思路,在后面的章節(jié)中將整個系統(tǒng)分為硬件結(jié)構(gòu)、控制模塊、控制算法等幾個部分對移動機(jī)器人的控制系統(tǒng)進(jìn)行深入的介紹分析。1.1總體研究設(shè)計(jì)要求本文的研究目的是對當(dāng)今移動機(jī)器人的發(fā)展有初步的認(rèn)識和了解,掌握移動機(jī)器人的運(yùn)動控制原理。鞏固已學(xué)的理論知識,能夠深入理解單片機(jī)的基本原理、硬件組成和工作過程,通過核心芯片的控制實(shí)現(xiàn)對移動機(jī)器人的運(yùn)動控制,了解單片機(jī)的系統(tǒng)組成及相關(guān)模塊的連接配合,正確設(shè)計(jì),并且清楚各個單元電路及其工作過程。1.2總體方案通過學(xué)習(xí)和研究相關(guān)技術(shù)資料了解到,研究移動機(jī)器人的運(yùn)動控制,可以設(shè)計(jì)一種基于超聲波避障的小車,借助超聲波傳感器的使用,滿足對移動機(jī)器人的運(yùn)動控制。并通過單片機(jī)對移動小車進(jìn)行實(shí)時控制,在一定的復(fù)雜的環(huán)境中自動避障行駛,并通過數(shù)碼管將距離以及運(yùn)行信息顯示出來。并可通過紅外遙控對小車進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)小車的遙控駕駛1,從而達(dá)到對移動小車的運(yùn)動控制的目的。合理編程使移動機(jī)器人自動避障行駛?;趩纹瑱C(jī)的移動機(jī)器人可以判別障礙物并顯示障礙物的距離,根據(jù)預(yù)設(shè)值自動控制避障駕駛。機(jī)器人的五個運(yùn)動狀態(tài),左轉(zhuǎn),右轉(zhuǎn),向前,向后,原地都可以通過單片機(jī)進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)??梢越邮招畔⑦M(jìn)行遙控,從而達(dá)到研究移動機(jī)器人運(yùn)動控制的目的。1.3系統(tǒng)方框圖首先要將各個模塊按照其功能組成一個有機(jī)的整體,系統(tǒng)各模塊之間是緊密結(jié)合在一起完成工作的,各個模塊通過單片機(jī)組成一個完整的硬件系統(tǒng),通過各自不同的功能,使移動機(jī)器人的避障,達(dá)到實(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制的目的,系統(tǒng)的方框圖如圖1-1所示:單片機(jī)紅外接收模塊超聲波模塊電機(jī)紅外循跡模塊顯示模塊電機(jī)驅(qū)動模塊有效輸入LED圖 1-1 整體設(shè)計(jì)方框圖Fig.1-1 Overall design of the bar根據(jù)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì),系統(tǒng)包括以下模塊:單片機(jī)主控模塊、紅外接收模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、超聲波避障模塊、數(shù)碼管顯示模塊等。單片機(jī)主控模塊是控制系統(tǒng)的核心,實(shí)現(xiàn)各模塊傳輸?shù)男畔⒌奶幚?,調(diào)用相應(yīng)的子程序,實(shí)現(xiàn)控制信息處理,距離信息顯示,控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)等。紅外接收模塊,利用紅外接收裝置,判斷有外界控制信息的輸入,并與單片機(jī)相連,傳遞相應(yīng)控制信息。超聲波模塊,利用超聲波傳感器發(fā)射接收信號的時間差,可以計(jì)算前方障礙物距離,并將接收信息傳給單片機(jī)進(jìn)行處理。電機(jī)驅(qū)動模塊,兩個伺服電機(jī),由單片機(jī)發(fā)出信號控制其正傳反轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)移動機(jī)器人轉(zhuǎn)向和避障。數(shù)碼管顯示模塊2,動態(tài)顯示距離速度等信息。2 硬件設(shè)計(jì)由上一節(jié)可以知道,組成一個移動機(jī)器人需要一些基本的模塊,來實(shí)現(xiàn)它的功能。因此,該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)也要包括這樣一些基本模塊,以單片機(jī)為核心的控制模塊,紅外接收模塊,電機(jī)驅(qū)動模塊,超聲波避障模塊,LED數(shù)碼顯示模塊,以及串行口模塊等。根據(jù)題目的要求,確定如下方案:在現(xiàn)有玩具電動車的基礎(chǔ)上,加裝超聲波測距模塊,LED數(shù)碼顯示模塊,實(shí)現(xiàn)對電動車的速度、位置、運(yùn)行狀況的實(shí)時測量,以及軌跡上障礙物的情況,并將測量數(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)所檢測的各種數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對電動車的智能控制。這種方案能實(shí)現(xiàn)對電動車的運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時控制,控制靈活、可靠,精度高,可滿足對系統(tǒng)的各項(xiàng)要求。2.1 單片機(jī)控制模塊系統(tǒng)采用STC的8位微控制器STC89C52單片機(jī)作為核心控制單元用于移動機(jī)器人運(yùn)動系統(tǒng)的控制。在選定智能車系統(tǒng)采用超聲波-光電接近開關(guān)避障方案后,路徑信號經(jīng)STC89C52的I/O口輸入處理后,用于小車的運(yùn)動控制決策,由P0口輸出電機(jī)控制信號3。電路的管腳連接圖如圖2-1所示:圖2-1 單片機(jī)管腳連接圖Fig.2-1 SCM tube feet connection diagram單片機(jī)P0端口接電機(jī)的四個輸入口,控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。P2端口接數(shù)碼顯示管,外部中斷INT0接超聲波傳感器輸出端,INT1接紅外傳感器輸出端。XTAL1和XTAL2接外部時鐘晶振,RST接上電復(fù)位電路,二者組成單片機(jī)的最小系統(tǒng)。STC89C52主控模塊,作為整個智能車的“大腦”,紅外接收頭超聲波等傳感器的信號,根據(jù)控制算法做出控制決策,驅(qū)動伺服電機(jī)完成對智能車的控制。STC89C52單片機(jī)是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器,具有8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。使用Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造,與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程,亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上,擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash,使得STC89C52單片機(jī)為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活有效的解決方案。 STC89C52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能:8k字節(jié)Flash,256字節(jié)RAM,32 位I/O 口線,看門狗定時器,兩個數(shù)據(jù)指針,三個16 位定時器/計(jì)數(shù)器,一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu),全雙工串行口,片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外,STC89C52可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作,支持2種軟件可選擇節(jié)電模式??臻e模式下,CPU停止工作,允許RAM、定時器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下,RAM內(nèi)容被保存,振蕩器被凍結(jié),單片機(jī)一切工作停止,直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止?;倦娐钒ňд瘢瑸榱伺c計(jì)算機(jī)通信方便采用11.0592MHZ的晶振,復(fù)位電路采取電容充電的方式來上電復(fù)位,為了方便和性能,本小車采用鋰電池作為動力,由于使用片內(nèi)寄存器,所以/VPP要接地。一個單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)包含有兩部分內(nèi)容:一是系統(tǒng)擴(kuò)展,即單片機(jī)內(nèi)部的功能單元,如ROMRAMI/O口定時/記數(shù)器中斷系統(tǒng)等不能滿足應(yīng)用系統(tǒng)的要求時,必須在片外進(jìn)行擴(kuò)展,選擇適當(dāng)?shù)男酒?,設(shè)計(jì)相應(yīng)的電路。二是系統(tǒng)配置,既按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設(shè)備,如鍵盤顯示器打印機(jī)A/DD/A轉(zhuǎn)換器等,要設(shè)計(jì)合適的接口電路。2.1.1單片機(jī)最小系統(tǒng):最小系統(tǒng)指單片機(jī)有最少器件可以運(yùn)行的。 包括:CPU(單片機(jī)),時鐘,復(fù)位電路等。簡單說就是:要讓單片機(jī)里面的程序運(yùn)行,需要的最小配置,單片機(jī)可以工作的最低硬件配置。該控制系統(tǒng)中的最小系統(tǒng)如圖2-2所示:圖2-2 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖Fig.2-2 Smallest system chip circuit diagram 包括:電源、時鐘電路、復(fù)位單元。電源:給單片機(jī)提供穩(wěn)定的電源,通常采用5v電源。時鐘:給單片機(jī)提供一個時間基準(zhǔn)(頻率范圍033MHz)。在需要控制實(shí)時系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中讓編程人員有個參考,從而確保系統(tǒng)的實(shí)時性要求。復(fù)位單元:給單片機(jī)一個信號,告訴它從哪里開始執(zhí)行程序。其形式有:上電復(fù)位(單片機(jī)一得電就復(fù)位)、手動復(fù)位(手動給一個復(fù)位信號)、還有兩者的結(jié)合體,即混合復(fù)位單元。2.1.2時鐘電路STC89C52雖然有內(nèi)部振蕩電路,但要形成時鐘,必須外部附加電路。STC89C52單片機(jī)的時鐘產(chǎn)生方法有兩種。內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式,分別如圖2-3和圖2-4所示:圖2-3 內(nèi)部時鐘方式Fig.2-3 Internal clock way圖2-4 外部時鐘方式 Fig.2-4 External clock way本設(shè)計(jì)采用內(nèi)部時鐘方式,如圖2-3所示,用外接晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路,利用芯片內(nèi)部的振蕩電路,在XTAL1、XTAL2引腳上外接定時元件,內(nèi)部的振蕩電路便產(chǎn)生自激振蕩。振蕩晶體可在1.2MHZ到12MHZ之間選擇。電容值無嚴(yán)格要求,但電容取值對振蕩頻率輸出的穩(wěn)定性、大小、振蕩電路起振速度有少許影響,C1、C2可在20pF到100pF之間取值。所以本設(shè)計(jì)中,振蕩晶體選擇11.0592MHZ,電容選擇30pF。2.1.3復(fù)位電路復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來實(shí)現(xiàn)的。片內(nèi)復(fù)位電路是復(fù)位引腳RST通過一個觸發(fā)器與復(fù)位電路相連,觸發(fā)器用來抑制噪聲,它的輸出在每個機(jī)器周期中由復(fù)位電路采樣一次。復(fù)位電路通常采用上電自動復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式,該系統(tǒng)用到的是上電復(fù)位電路,如圖2-5所示:圖2-5上電復(fù)位電路圖Fig.2-5 Reset circuit diagram on electricity 所謂上電復(fù)位,是指單片機(jī)加電的瞬間,要在RST引腳出現(xiàn)大于10MS的正脈沖,使單片機(jī)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。按鈕復(fù)位是指用戶按下“復(fù)位”按鍵,使單片機(jī)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。2.2 電機(jī)驅(qū)動模塊移動機(jī)器人的運(yùn)動要靠電機(jī)的帶動來完成,單片機(jī)根據(jù)路況信息發(fā)出控制指令,通過電機(jī)的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)來達(dá)到控制其運(yùn)動方向的目的。移動機(jī)器人采用了L9110作為驅(qū)動芯片。L9110是為控制和驅(qū)動電機(jī)設(shè)計(jì)的兩通道推挽式功率放大專用集成電路器件,將分立電路集成在IC之中,使外圍器件成本降低,整機(jī)可靠性提高。該芯片有兩個TTLCMOS兼容電平的輸入,具有良好的抗干擾性;兩個輸出端能直接驅(qū)動電機(jī)的正反向運(yùn)動,它具有較大的電流驅(qū)動功能,每通道能通過750-800mA的持續(xù)電流,峰值電流能力可達(dá)1.5-2.0A;同時它具有較低的輸出飽和壓降;內(nèi)置鉗位二極管能釋放感性負(fù)載的反向沖擊電流,使它在驅(qū)動繼電器,伺服電機(jī)或開關(guān)功率管的使用上安全可靠。L9110被廣泛應(yīng)用于玩具汽車電機(jī)驅(qū)動,步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動和開關(guān)功率管等電路上。符號參數(shù)范圍單位最小典型最大VCC電源電壓2.5612VIdd靜態(tài)電流-012uAIin操作電流200350500uAIC持續(xù)輸出電流750800850mAIMax電流峰值-15002000mAL9110的電器特性如下表:表2-1 L9110的電氣特性Table 2-1 Electrical characteristics of the L9110L9110有以下特點(diǎn):1低靜態(tài)工作電流2寬電源電壓范圍:2.5v-12v3每條通道具有800MA連續(xù)電流輸出能力4較低的飽和壓降5TTLCMOS輸出電平兼容,可直接連CPU6輸出內(nèi)置鉗位二極管,適用于感性負(fù)載 7控制和驅(qū)動集成于單片IC之中8具有管腳高壓保護(hù)功能9.工作溫度:0-80L9110各引腳符號及相應(yīng)的功能如下表2-2所示:表2-2 L9110的引腳及功能Table 2-2 Pins and function of the L9110序號符號功能1OAA路輸出管腳2VCC電源電壓3VCC電源電壓4OBB路輸出管腳5GND地線6IBB路輸入管腳7IAA路輸入管腳8GND地線因?yàn)橐刂埔苿訖C(jī)器人的轉(zhuǎn)向,單靠一個電動機(jī)很難實(shí)現(xiàn),所以考慮要用兩個電機(jī)驅(qū)動,通過改變兩個電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方式,可以達(dá)到改變機(jī)器人人運(yùn)動方向的目的,兩個電機(jī)在系統(tǒng)中的電路連接方式如圖2-6所示: 圖2-6 電機(jī)驅(qū)動電路連接圖Fig.2-6 Circuit connection diagram of motor drive L9110的輸入端和單片機(jī)的P0口連接,兩個L9110芯片分別在輸出端接兩個電機(jī),L9110的2,3管腳提供工作的電源電壓,管腳7為A路輸入管腳,接正轉(zhuǎn)信號,管腳1作為A路輸出直接控制電機(jī)正轉(zhuǎn);管腳6為B路輸入管腳,接反轉(zhuǎn)信號,管腳4作為B路輸出直接控制電機(jī)反轉(zhuǎn)。2.3 紅外接收模塊在本文所設(shè)計(jì)的機(jī)器人控制系統(tǒng)中用到了紅外接收裝置,該模塊的主要部件是紅外接收二極管5。紅外接收二極管又叫紅外光電二極管,也可稱紅外光敏二極管。它廣泛用于各種家用電器的遙控接收器中,如音響、彩色電視機(jī)、空調(diào)器、VCD視盤機(jī)、DVD視盤機(jī)以及錄像機(jī)等。紅外接收二極管能很好地接收紅外發(fā)光二極管發(fā)射的波長為940nm的紅外光信號,而對于其他波長的光線則不能接收。因而保證了接收的準(zhǔn)確性和靈敏度。紅外接收二極管的外形如圖所示。最常用的型號為RPM-301B,本次智能小車采用的是TC9012芯片。 TC9012 是一塊用于東芝系列紅外遙控系統(tǒng)中的專用發(fā)射集成電路,采用CMOS 工藝制造。它可外接32個按鍵,提供8種用戶編碼,另外還具有3種雙重按鍵功能。TC9012的管腳設(shè)置和外圍應(yīng)用線路都進(jìn)行了高度優(yōu)化,以配合PCB 的布圖和低成本的要求。TC9012管腳圖及管腳列表分別如下所示:圖2-7 TC9012管腳圖Fig.2-7 Tube feet figure of the TC9012表2-3 管腳功能列表Table 2-3 Tube feet features list管腳號名稱類型描述1-4KIO-KI4IN4位輸入腳用于鍵盤掃描輸入(平時為低電平,內(nèi)置下拉電阻)5REMOUT帶載波的遙控信號輸出6VDD電源正端3V(典型)7NC空腳8OSCOOUT晶振輸出9OSCIIN晶振輸入10VSS電源負(fù)端(接地)19-12KO0-KO7OUT8 位輸出腳用于鍵盤掃描輸出11LMPOUT指示燈輸出20SELIN用于用戶編碼選擇跳線(平時為高電平,內(nèi)置下拉電阻)光敏二極管又稱光電二極管,它與普通半導(dǎo)體二極管在結(jié)構(gòu)上是相似的。在光敏二極管管殼上有一個能射入光線的玻璃透鏡,入射光通過透鏡正好照射在管芯上。發(fā)光二極管管芯是一個具有光敏特性的PN結(jié),它被封裝在管殼內(nèi)。發(fā)光二極管管芯的光敏面是通過擴(kuò)散工藝在N型單晶硅上形成的一層薄膜。光敏二極管的管芯以及管芯上的PN結(jié)面積做得較大,而管芯上的電極面積做得較小,PN結(jié)的結(jié)深比普通半導(dǎo)體二極管做得淺,這些結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)都是為了提高光電轉(zhuǎn)換的能力。另外,與普通半導(dǎo)體二極管一樣,在硅片上生長了一層SiO2保護(hù)層,它把PN結(jié)的邊緣保護(hù)起來,從而提高了管子的穩(wěn)定性,減少了暗電流。光敏二極管與普通光敏二極管一樣,它的PN結(jié)具有單向?qū)щ娦裕虼斯饷舳O管工作時應(yīng)加上反向電壓。當(dāng)無光照時,電路中也有很小的反向飽和漏電流,一般為1x10-8 1x10 -9A(稱為暗電流),此時相當(dāng)于光敏二極管截止;當(dāng)有光照射時,PN結(jié)附近受光子的轟擊,半導(dǎo)體內(nèi)被束縛的價(jià)電子吸收光子能量而被擊發(fā)產(chǎn)生電子一空穴對。這些載流子的數(shù)目,對于多數(shù)載流子影響不大,但對P區(qū)和N區(qū)的少數(shù)載流子來說,則會使少數(shù)載流子的濃度大大提高,在反向電壓作用下,反向飽和漏電流大大增加,形成光電流,該光電流隨入射光強(qiáng)度的變化而相應(yīng)變化。光電流通過負(fù)載RL時,在電阻兩端將得到隨人射光變化的電壓信號。光敏二極管就是這樣完成電功能轉(zhuǎn)換的。紅外接收電路圖如圖2-8所示:圖2-8紅外接收電路圖Fig.2-8 Infrared receiving circuit diagramVdd接電源,驅(qū)動紅外接收電路工作,Vss接地,輸出管腳接單片機(jī)的33管腳,即外部中斷INT1。2.4 超聲波避障模塊作為移動機(jī)器人運(yùn)動控制的核心,避障是要研究的主要問題,因此避障模塊是整個系統(tǒng)的最關(guān)鍵模塊之一,避障方案的好壞,直接關(guān)系到最終性能的優(yōu)劣,如何處理好各個模塊間的相互聯(lián)系也是很關(guān)鍵的,因此確定做好避障模塊的選擇、編好避障程序是決定系統(tǒng)總體方案的關(guān)鍵。避障使用的傳感器主要有超聲傳感器、視覺傳感器、紅外傳感器、激光傳感器、接近覺傳感器等傳感器。激光測距傳感器的方向性特別好,對一般應(yīng)用可以認(rèn)為是理想的直線。激光測距傳感器的波束很窄,所以方向性好,因此可得到障礙物的準(zhǔn)確位置。激光測距的精確度很高,但是激光測距的技術(shù)復(fù)雜,實(shí)現(xiàn)難度較大,而且一些激光傳感器發(fā)射的激光,對人的眼睛有傷害。視覺避障的優(yōu)點(diǎn)是探測范圍廣,可以獲得物體的形狀、速度等信息。實(shí)際應(yīng)用中使用多個攝像機(jī),或是利用一個攝像機(jī)的序列圖像來計(jì)算目標(biāo)的距離和速度,還可采用SSD算法,根據(jù)一個攝像機(jī)的運(yùn)動圖像來計(jì)算機(jī)器人與目標(biāo)的相對位移,并用自適應(yīng)濾波對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,以減小因環(huán)境不穩(wěn)定性造成的測量誤差。在圖像處理中,邊緣銳化、特征提取等圖像處理方法計(jì)算量大,實(shí)時性差,對中央處理機(jī)要求高,不適合在較小的自主移動機(jī)器人上使用。視覺測距法檢測不能檢測到玻璃等透明障礙物的存在,另外受視場光線強(qiáng)弱、煙霧的影響很大。超聲傳感器的成本低,實(shí)現(xiàn)方法簡單,技術(shù)成熟,是機(jī)器人避障的常用傳感器。機(jī)器人是利用超聲測距來探測障礙的位置,超聲波測距采用時間差測距法,即超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波,在發(fā)射時刻的同時開始計(jì)時,超聲波在空氣中傳播,途中碰到障礙物就立即返回來,超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時,根據(jù)超聲波在空氣中的傳播速度和計(jì)時器記錄的時間,就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離。由于超聲波在空氣中的速度和空氣的溫度濕度有關(guān),在比較精確的測量中,可以把溫度的變化和其它因素考慮進(jìn)去。因?yàn)閱纬晜鞲衅鞅苷洗嬖谟捎诔暡ǖ姆较蛐圆缓迷斐蓪φ系K物的定位不精確,存在探測盲區(qū)等缺點(diǎn)。本篇的移動機(jī)器人避障模塊采用的超聲波傳感器,優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格相對便宜,在滿足系統(tǒng)的要求下具有較高的精度,能很好判斷是否是地面突起或不可穿越的障礙。超聲波避障檢測較紅外線避障檢測有更強(qiáng)的抗干擾性能,因此采用超聲波進(jìn)行避障檢測,采用反射時間法去檢測距離。用超聲波模塊產(chǎn)生超聲波信號,計(jì)時器開始計(jì)數(shù),當(dāng)超聲波模塊接收到返回的超聲波信號,計(jì)數(shù)器停止工作,算出距離,通過數(shù)碼管顯示距離,單片機(jī)根據(jù)距離自動避障駕駛。本次設(shè)計(jì)直接采用HC-SR04超聲波模塊,它的有效測試距離是2cm-500cm,測量精度可以達(dá)到3mm,主要有三部分組成:發(fā)射器、接收器與控制電路。實(shí)物圖及模塊引腳圖分別如圖2-9,圖2-10所示:圖2-9 超聲波模塊實(shí)物圖Fig.2-9 Ultrasonic module real figure 圖2-10超聲波模塊引腳圖 Fig.2-10 pins figure of the Ultrasonic module VCC提供5v電壓,GND接地,TRIG觸發(fā)控制信號輸入,ECHO回響信號輸出等四只線?;竟ぷ髟恚翰捎肐O口產(chǎn)生至少10us的高電平輸入到TRIG來觸發(fā)模塊;模塊自動發(fā)出8個40Khz的方波,自動檢測是否接收到信號返回;有信號返回時,ECHO產(chǎn)生一個高電平,高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間。距離的計(jì)算公式如下所示: V=331.5+0.607T (2-1)式中:V為超聲波在空氣中傳播速度;T為環(huán)境溫度。 S=V t/2=V(T1T0)/2 (2-2)式中:S為被測距離;t為發(fā)射超聲脈沖與接收其回波的時間差;T1為超聲回波接收時刻;T0為超聲脈沖發(fā)射時刻。利用定時器可以測量T0時刻和T1時刻的時間差,根據(jù)以上公式,用軟件編程即可得到被測距離S。其內(nèi)部集成了溫度傳感器,因此可利用軟件很方便的實(shí)現(xiàn)對傳感器的溫度補(bǔ)償。所用超聲波模塊的電氣參數(shù)如圖2-4所示:表2-4 電氣參數(shù)表Table 2-4 Charts of Electrical parameters電氣參數(shù)HC-SR04超聲波模塊工作電流15mA工作頻率40Hz工作電壓DC5V最遠(yuǎn)射程4m最近射程2cm測量角度15度輸入觸發(fā)信號10us的TTL脈沖輸出回響信號輸出TTL電平信號,與射程成正比規(guī)格尺寸45x20x15mmC52單片機(jī)定時器6發(fā)出的控制信號經(jīng)過調(diào)制后,形成40K的方波,作為傳感器的發(fā)射信號,當(dāng)方波信號遇到前方障礙物時,會被反射回來,到超聲波傳感器7的接收部分,經(jīng)過增益放大后,進(jìn)駐主控芯片,根據(jù)公式計(jì)算可以得出距離信息,從而進(jìn)行下一步的運(yùn)動控制。如圖2-11所示為超聲波模塊的工作原理圖。定時器控 制計(jì) 算傳 輸調(diào) 制40k振蕩超聲波發(fā)射增益放大記 時超聲波接收圖2-11 超聲波避障工作原理圖Fig.2-11 principle diagram of Ultrasonic obstacle avoidance work移動機(jī)器人的測距裝置是由超聲波模塊,單片機(jī)和數(shù)碼顯示模塊組成,傳感器的輸入端與發(fā)射接收電路組成超聲波測距模塊,模塊的輸入輸出端與顯示電路的輸入端相連,其時序圖如圖2-12所示: 圖 2-12 時序圖Fig.2-12 Sequence chart超聲波測距模塊的發(fā)射端在T0時刻發(fā)射方波,同時啟動定時器開始計(jì)時,當(dāng)收到回波后,產(chǎn)生一負(fù)跳變到單片機(jī)中斷口,單片機(jī)響應(yīng)中斷程序8,定時器停止計(jì)數(shù)。計(jì)算時間差,即可得到超聲波在介質(zhì)中傳播的時間t,由此便可計(jì)算出距離。超聲波模塊的電路連接圖如圖2-13所示:圖2-13 超聲波模塊電路連接圖Fig.2-13 Ultrasonic module circuit connection diagram超聲波傳感器的Trig引腳接單片機(jī)的P1.0,由單片機(jī)的定時計(jì)數(shù)器2產(chǎn)生觸發(fā)信號9,信號返回時,ECHO產(chǎn)生一個高電平,ECHO引腳與單片機(jī)的P3.2連接,作為外部中斷源INT0。2.5 數(shù)碼管顯示模塊關(guān)于此模塊可以有幾種方案供選擇。方案一:采用點(diǎn)陣式數(shù)碼管顯示,點(diǎn)陣式數(shù)碼管是由八行八列的發(fā)光二極管組成,對于顯示文字比較適合,如采用在顯示數(shù)字顯得太浪費(fèi),且價(jià)格也相對較高,所以也不用此種作為顯示。方案二:1602液晶也叫1602字符型液晶 它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點(diǎn)陣型液晶模塊,它有若干個5x7或者5x11等點(diǎn)陣字符位組成,每個點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個字符。1602的驅(qū)動電路帶有11條指令,可以很方便的控制液晶的現(xiàn)實(shí)效果如:清屏、左移右移、光標(biāo)顯示。但是對于只顯示三位溫度值顯然是浪費(fèi),又考慮到其價(jià)格較高,運(yùn)用起來的復(fù)雜性,所以也不用此來顯示。方案三:數(shù)碼管是利用發(fā)光二極管的特性組合而成數(shù)字顯示器件,通過控制相應(yīng)的二極管的狀態(tài)顯示相應(yīng)的數(shù)字。要使數(shù)碼管正常顯示就得有驅(qū)動電路驅(qū)動相應(yīng)的段碼,數(shù)碼管的現(xiàn)實(shí)方式可分為靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示,靜態(tài)顯示方式只適合顯示單個的數(shù)字,因此本設(shè)計(jì)應(yīng)采用動態(tài)顯示方式。由于動態(tài)顯示方式利用的是人眼視覺暫留的特性,掃描的時間應(yīng)不大于20毫秒,占用系統(tǒng)資源雖然大,但是在顯示的個數(shù)和字型有限情況下可以充分利用其優(yōu)良特性,且相對于整個系統(tǒng)來說,單片機(jī)的系統(tǒng)資源利用不多,所以可以應(yīng)用數(shù)碼管動態(tài)顯示。SM420564是共陰八段四位數(shù)碼管,因此送入的位選信號應(yīng)為00000001的循環(huán)移位,段碼根據(jù)相應(yīng)的數(shù)字送入。這次采用的鎖存器,所以不應(yīng)添加額外的驅(qū)動電路。顯示模塊電路圖如圖2-14所示:圖2-14 顯示模塊電路圖Fig.2-14 Display module circuit diagram采用兩片74HC573鎖存器芯片分別做片選和段選然后用兩片SM420564四位數(shù)碼管并成八位顯示,用P1.6控制位選鎖存器,P1.7來控制段選鎖存器,P2口來傳輸數(shù)據(jù),將P1.6置為低電平,P1.7置為高電平,P2送入位選代碼,位選通成功,然后P1.7置高,P1.6置低,送入段選信號,適當(dāng)延時,這時1個數(shù)碼管上就顯示出了對應(yīng)的數(shù)字。2.6 串口通信模塊串口通信模塊,用來燒錄程序與計(jì)算機(jī)進(jìn)行串口通行或單片機(jī)間的通信,本小車采用MAX232CPE,它是標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片,供電電壓為5v。串口通信模塊如圖2-15所示:圖2-15 串口通信模塊電路圖Fig.2-15 Serial interface communication module circuit diagram MAX232芯片是美信公司專門為電腦的RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的接口電路,使用+5v單電源供電。內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本可分三個部分:第一部分是電荷泵電路。由1、2、3、4、5、6腳和4只電容構(gòu)成。功能是產(chǎn)生+12v和-12v兩個電源,提供給RS-232串口電平的需要。第二部分是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道。由7、8、9、10、11、12、13、14腳構(gòu)成兩個數(shù)據(jù)通道。其中13腳(R1IN)、12腳(R1OUT)、11腳(T1IN)、14腳(T1OUT)為第一數(shù)據(jù)通道。8腳(R2IN)、9腳(R2OUT)、10腳(T2IN)、7腳(T2OUT)為第二數(shù)據(jù)通道。TTL/CMOS數(shù)據(jù)從T1IN、T2IN輸入轉(zhuǎn)換成RS-232數(shù)據(jù)從T1OUT、T2OUT送到電腦DP9插頭;DP9插頭的RS-232數(shù)據(jù)從R1IN、R2IN輸入轉(zhuǎn)換成TTL/CMOS數(shù)據(jù)后從R1OUT、R2OUT輸出。第三部分是供電。15腳GND、16腳VCC(+5v)。3 運(yùn)動控制的軟件設(shè)計(jì) 硬件模塊設(shè)計(jì)好后,還要有相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì),軟件部分主要有避障環(huán)節(jié)的軟件設(shè)計(jì),電機(jī)驅(qū)動環(huán)節(jié)的軟件設(shè)計(jì)等。單片機(jī)作為核心芯片,起到接收外部環(huán)境信息并且進(jìn)行相應(yīng)的內(nèi)部處理的作用,通過調(diào)用相應(yīng)的控制子程序,處理得到的結(jié)果寫到相應(yīng)的控制端口,通過改變電機(jī)的初始狀態(tài),實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的控制,從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動方向的控制,通過鎖存器控制數(shù)碼管顯示模塊顯示距離速度等相關(guān)信息。數(shù)碼管顯示模塊可以將障礙物的距離顯示出來,以及小車的運(yùn)行狀態(tài)顯示出來。電機(jī)驅(qū)動模塊,驅(qū)動伺服電機(jī)完成智能車的加減速控制和轉(zhuǎn)向控制。3.1 主程序的框架結(jié)構(gòu) 軟件的主要功能是負(fù)責(zé)對傳感器信號的采集和控制,電機(jī)前進(jìn)后退,左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)的速度調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)機(jī)器人靈活避障,以及對單片機(jī)的初始化編程等工作。根據(jù)各自傳感器收集到的相關(guān)數(shù)據(jù)來控制小車的行駛,調(diào)用相應(yīng)的模塊的子程序是本設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的部分。具體的工作流程如圖3-1所示:紅外接收模塊單片機(jī)超聲波模塊電機(jī)驅(qū)動數(shù)碼顯示圖3-1機(jī)器人工作流程Fig.3-1 Robots work flow chart紅外接收模塊10工作,檢測紅外有無輸入,如果有輸入,說明對機(jī)器人采取了遙控處理,則優(yōu)先執(zhí)行紅外程序,然后根據(jù)超聲波測的距離,調(diào)用避障模塊程序進(jìn)行控制,使小車自動避障行駛。在編寫軟件時,采取模塊化設(shè)計(jì)的原則,把功能相對獨(dú)立的程序做成子程序供其他程序調(diào)用。主程序主要用來對單片機(jī)及其周圍模塊進(jìn)行初始化11。要將單片機(jī)的各個端口配置給各個器件,這樣才能通過與單片機(jī)相連的控制端口實(shí)現(xiàn)對移動機(jī)器人各個模塊的控制,對各個模塊進(jìn)行控制具體配置如下:P2定義數(shù)據(jù)端口P0.0定義電機(jī)1正向端口P0.1定義電機(jī)1反向端口P0.2定義電機(jī)2正向端口P0.3定義電機(jī)2反向端口P1.2定義前方右側(cè)指示燈端口P1.3定義前方左側(cè)指示燈端口P3.3為紅外接口標(biāo)志開始時,要對單片機(jī)的定時器進(jìn)行初始化,即對特殊功能寄存器TMOD寫入方式字,TMOD = 0x21是將定時器1設(shè)置與工作方式2。將定時器0設(shè)置成工作方式1,即設(shè)定為16位計(jì)數(shù)器。GATE為門控位,GATE=1,即計(jì)數(shù)器受外部中斷控制12。3.2 超聲波模塊軟件設(shè)計(jì)超聲波傳感器的發(fā)射信號是由單片機(jī)產(chǎn)生的,單片機(jī)P1.0端口接超聲波發(fā)射電路的輸人端,單片機(jī)的計(jì)時器T1每800ms輸出20us的高電平,形成一個方波信號,驅(qū)動超聲波傳感器發(fā)出脈沖超聲波。在啟動發(fā)射電路的同時啟動單片機(jī)內(nèi)的定時器T0利用定時器的計(jì)數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間。超聲波接收電路輸出端接單片機(jī)外部中斷INT0,當(dāng)收到超聲波反射波時, 接收電路輸出端產(chǎn)生一個負(fù)跳變,則INT0端產(chǎn)生一個中斷請求信號,單片機(jī)響應(yīng)外部中斷請求,執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序,讀取超聲波自發(fā)射至接收的往返時間,計(jì)算出機(jī)器人距障礙物的距離13。超聲波避障模塊傳遞的是前方道路信息,其工作流程如圖3-2所示: 圖3-2 超聲波模塊的工作流程圖Fig.3-2 Work flowchart of the Ultrasonic module3.3 避障環(huán)節(jié)的軟件設(shè)計(jì)首先是機(jī)器人前進(jìn),并判斷有無障礙。當(dāng)機(jī)器人遇到障礙時,中斷口獲得的是一個脈沖電位變化,然后單片機(jī)的控制模塊進(jìn)行屏蔽中斷處理。特別需要指出的是,機(jī)器人要轉(zhuǎn)彎并不是一件容易的事,考慮到小車的響應(yīng)時間問題,在實(shí)現(xiàn)是用的是先使電機(jī)后退,在啟動電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)彎。用超聲波模塊產(chǎn)生超聲波信號,
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