智能小車設(shè)計(jì).doc

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，