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1、山西工程技术学院毕业设计说明书毕业生姓名：专业：机械制造及其自动化学号.*指导教师：所属系（部）：机械电子工程系二。一九年六月轮式智能移动机器人的结构设计与开发摘要循迹避障小车是行走机器人的一种，这种小车可以适应不同环境，不受温度、湿度、磁场辐射、重力等条件的影响，在人类无法进入或生存的环境中完成人类无法完成的探测任务，适用于国防及民用等多个领域。本课题要求采用自行设计制作的轮式智能移动机器人实现自主避障测距与巡线功能。主要任务是设计和实现基于89C52RC单片机的寻迹避障小车，包括硬件和软件两个部分.俊件电路部分主要包括控制器,循迹电路、避隙电路、电机驱动电路等.在轮式智能移动机器人道路信息
2、采集方面，本文采用机涔人实验室提供的SRF04超声波测距传感器、CR5(XX)匕外线传感器作为避障传感器和巡线传感器。本课题采用51系列单片机中的89C52RC单片机作为主控制芯片并配有总电压为12V容量为180OfnA的充电锂电池及其相应稳压电路来为轮式移动机器人提供能量。在软件编程方面，本文使用C语言在KE1140编译软件上进行避附与巡线程序的编写。在本设计中，系统硬件和软件都采用了模块化结构，整个系统的电路结构简单，可靠性高，在机械结构设计上采用So1.idwork软件进行三维建模并生成加工图纸。最终，本课题自行设计制造的轮式智能移动机器人可分别实现自主躲避隙碍物功能和循白线行走功能。关
3、键词：轮式移动机器人：巡线：避障：51系列单片机TheDeve1.opmentandStructureDesignofInte1.1.igentWhee1.edMobi1.eRobotAbstractSe1.f-tracingandobstac1.eavoidancee1.ectricvehic1.eisakindofmobi1.erobot,whichisab1.eIoadaptvariousenvironments,humidity,magneticradiationandgravity.Consequent1.ythevehic1.etakethep1.aceofhumantoimp1.
4、ementmanytasksintheenvironmentwherehumancannotsettoot,whichisapp1.icab1.einmanyfie1.dsinthenationa1.defenceandcivi1.ian.Thissubjectrequiresthese1.f-designedwhee1.edinte1.1.igentmobi1.erobottoachievehcfunctionofautonomousobstac1.eavoidance,rangingand1.ineinspection.Themaintaskistodesignandimp1.ementt
5、hevehic1.ebasedon89C52RCsing1.echipmicrocomputer,inc1.udinghardwareandsoftware.Thehardwarecircuitinc1.udescontro1.1.er,trackingcircuit,obstac1.eavoidancecircuitandmotordrivecircuit.Intermsofroadinformationco1.1.ectionofwhee1.edinte1.1.igentmobi1.eroboi,(hispaperadoptsSRF(14u1.trasonicrangingsensoran
6、dTCRT5()(X)infraredsensorprovidedbyrobot1.aboratoryasobstac1.eavoidancesensorand1.inepatro1.sensor.I1.iewhee1.edinte1.1.igentmobi1.erobotdesignedandmanufacturedbyourse1.vesinthistopiccanrea1.izethefunctionofavoidingobstac1.esandwa1.kinga1.ongIhcwhite1.ineindependent1.y.Keywords:Whee1.edmobi1.eroboi;
7、Obstac1.eavoidance;sing1.echipmicrocomputer2.3.4.摘要iAbstractii1.1. 课题研究的背景11.2. 课题研究的目的与意义11. 3.轮式智能移动机耦人发展概况与现状21.4. 设计与开发的主要内容4相关技术7智能电动小车技术红外传感技术.系统方案的分析选择113.1.主控系统选用123.2.电机模块的选用133.2.1,电动机的选择133.2.2,驱动器选择153.3.供电电源模块选用163.4.自主循迹和避障方案的选用173.4.1.自主循迹方案183.4.2.循迹方案与传感器183.4.3,自主避障方案203.4.4,避障方案与传
8、感闿203. 5.传感器的选用223. 5.1.超声波传感器224. 5.2.红外线传感涔225. 5.3.SRFO4超声波测距模块236. 5.4.五路巡线传感器模块24机械结构的设计与制作276.1. 机械设计的基本要求276.1.1. 对机器整机设计的基本要求276.1.2. 对零件设计的基本要求274. 2.移动机器人车体结构设计原则284.3. 机械结构总体设计方案294. 3.1.底盘结构设计305. 3.2.传感器支架设计316. 3.3,电机支架设计327. 3.4.电机的选型与计算334.4. 机械材料选择334.4.1.机械材料选用原则33硬件电路设计375. 1.微控制器
9、模块375. 2.电源模块385.3. 自主避障模块395.4. 巡线检测模块395. 5.电机驱动模块406. 软件程序的设计416.1. 软件开发平台的选择416.2.控制软件的设计与实现426.2.1.概述426.2.2.软件的结构设计436. 3.循迹模式程序流程图446.4. 避障模式程序流程图447. 轮式智能移动机器人功能测试及效果477.4. 自主避障功能的测试及效果477.5. 自主巡线功能的测试及效果48结束语49参考文献51附录53基于89C52RC服片机程序C代码53外文资料63中文译文71致谢751. 引言1.1. 课题研究的背景机器人是20世纪人类最伟大的发明之一。
10、自从1959年世界上第一个机器人诞生以来，它已经改变人们以往的生产方式，使人而对生产环境直接变成人面对机罂人，然后机器人面对生产。人类已经出正成为智慧的象征。移动机器人的祖先始于20世纪60年代末，反映了工业控制的整体进步方向。轮式移动机器人，又称自动导引车(AGV),是一种利用轮子作为移动设符，实现自主行股的机器人。移动机器人已经成为机器人研究的一个正要分支。它应用于军事、危险作业和服务业等许多场合。它要求机器人以无线方式实时接受控制命令，并以所需的速度、方向和轨迹灵活自由地移动.现在，为了加强大学生实践能力、创新能力和团队精神的培养，促进高等教育教学改革，全国大学生智能车竞赛由教育部高等教
11、育司主办，教育部高等教育司委托。竞赛是以智能车为研究对象的创新科技竞赛，是全国大学生探索性的工程实践，是教育部倡导的大学生科技竞赛之一。上述比赛中提到的智能车是轮式智能移动机器人之一。在包括全国大学生“飞思卡尔”杯智能车竞赛在内的各种科技创新竞赛如火如荼的同时，各行各业的智能轮式移动机器人爱好者相继设计开发了不同的智能轮式移动机器人产品并投放市场。为了响应教育部培养学生实践和创新能力的号召,各高校开始竞相设计和开发自己的轮式智能移动机器人产品。I司时，中小学也重视培养学生对机电产品的兴趣。1.2. 版研究的目的与意义为了适应大学生机器人竞赛、电子设计竞赛等科技竞赛的需要，有必要开发种轮式智能移
12、动机疑人，包括移动机器人路径规划、定位地图构史技术和多移动机器人协作技术的研究。其遨义在于轮式智能移动机器人平台能锵满足不同层次学生的需求。同时,该平台也可以作为高校重大科技竞赛等活动的开发平台0其次，它还可以推广到中小学生的科技创新活动中，起到普及机电一体化知识的作用.本课题选择单片机作为控制器的主要核心模块.全称为单片微型计算机的单片机，具有集成度而、体积小、可靠性高、实用温度范围宽、性价比优异、控制功能强、外部总线丰富、功能扩展性强、功耗低的独特优异性能，已得到广泛应用。它促进了嵌入式系统的发展，并深入到各个领域。它已经成为工业、农业、国防、科学研究、教育和日常生活各个领域的智能工具.它
13、也是现代电子系统中重要的智能工具。它在促进各行各业的技术改造和产品升级方面发挥了巨大作用。H前，模块化、功能化、低成本智能小军的开发已经成为全国电子技能竞赛的热点。陋着传感技术、计算机科学、人工智能等相关学科的快速发展，它正朝若智能化方向发展。智能控制系统包括计算机技术、白动控制技术、传感黯技术、人工智能技术等技术。它是一个具有环境感知功能、实时决策和规划功能以及行为控制和执行功能的综合体.它是典型的机电一体化产品.此外，基于单片机的智能移动汽车的设计，旨在通过理论与实践的结合，从日常生活中可能接触到的细微之处，阐明自己所学到和使用的东西。此外，在实践中也发现了自己理论的不足，对广泛使用的单片
14、机有/更理性、感性的认识，从而在理论和实践上发挥出最佳水平。在此基础上，从般应用出发，设计了种具有避障、循迹、测距等相关运动状态的轮式移动机器人平台.平台可以向任意方向移动，操作灵活，并根据可以根据具体环境条件实现相应的功能。本文是机港人外形设计和编程的基础环节，可为后续机涔人研究提供有价值的参考和有益的思路。1.3. 轮式智能移动机器人发展概况与现状臼20世纪50年代以来，智能汽车的研究开始在国外展开。其发展过程大致经历了三个阶段:初步研究、电有成效的研究和深入系统、大规模的研究。具体如卜一：初始阶段：20世纪50年代，美国出现/自主导航车辆系统.该系统具有智能车辆最基本的特点-无人驾驶,这
15、是一个标志，一个智能车辆的明显标忐。卓有成就的阶段：2()世纪8()年代中后期，欧美些国家主要开展了智能汽车的可行性研究和如何使智能汽车实用化的研究,并取得/显著成效.深入系统大规模的研究阶段：自20世纪90年代以来，一些发达国家，特别是欧洲的德国和美国，对智能车辆进行了广泛、大规模的研究。尤其突出的是美国Nav1.ab系列自主车辆的研究。这项研究在卡内基梅隆大学机器人研究所进行，并取得了显著的成果。就AGv而言，也就是说轮式移动机器人的研究。在国外起步较早，世界上第一辆AGV是由美国巴雷特电子公司在20世纪50年代成功开发的。这是一个牵引式的小车系统，小车遵循导线引导的路径，并具有基于其空管
16、技术的微控制处理器。随着计用机和传感器技术的发展，移动机器人的研究进入了一个小高潮，美国和欧洲的一些制造商已经标准化r地面移动机器人的尺寸和结构，并进行大量的研究和制造，推动了移动机器人的快速发展。进入20世纪8()年代后，美国国防部高级研究项目署(DARRA)投资6亿美元制定了地面无人作战战略计划，并为此作为了一个立项.该计划全面推动了地面移动机器人研窕在一些高等院校和科研机构的发展。例如，由能源部制定的为期十年的机人智能系统计划(R1.PS1986-1995),美国国防部高级研究计划局“战略计算机”计划(1983-1990)中的臼动地面车辆(A1.V)计划，以及随后的空间机器人计划。从那时
17、起，全世界开始了对户外移动机潜人的全面研究。美国国家航空航天局(NASA)资助J”月球第二座”八足步行机器人的开发。美国国家航空航天局开发的火星探测机器人索杰纳(SOjOUrnCr)于1997年登陆火星，反映了移动机器人上的信息融合技术。德国成功开发了轮椅机器人，并在乌尔姆市中心车站客流高峰环境和1998年汉诺威工业商品交易会展厅环境中进行/现场表演，展示了其他现有轮椅机器人或移动机器人无可比拟的性能。2004年,美国漫游者“勇气”和“机遇”号登陆火星，并且成功完成了预期的探索任务，这代表f世界上最高冰平的移动机器人.2007年“月，日本东京早稻田大学的研究人员推出了一种新的人形机器人Twcn
18、iypne”。它功能齐全，灵活性高，活动范围广，可以自由移动，活动自如的为人类服务。这是个可以和人类和谐共处的第杂机器人.目前，国外智能移动机器人在自主推理、规划控制能力、环境建模、狂杂任务规划决策等重要方面取得了较大突破。在些国家，AGV研究也已经系列化，如美国国防部Dcmo系列、美国卡内基梅隆大学Nav1.ab系列、德国恭尼黑国防部VAMP、法国Cybcrcar,德国卡拉维尔(CaraVCHC)和欧洲卡森斯(CarSense)等。日本第一家AGV工厂于1996年由一家运输设备供应工厂与美国韦伯的合资企业合作开办。至11998年，日本已有20多家智能移动机器人制造厂，如大富、FanUC公司、
19、MUra1.a等。在我国，移动机器人研究的“七五”计划刚刚开始。国家“863”计划中遥控反核侦察车的建立，标志若移动机器人研究的开始,在国防科学技术工业委员会和国家863计划的支持上国防科技大学、清华大学等大学联合开发了军用室外移动机器人7B.8,并于1995年12月通过验收。7B.8的车身是由跃进客车改进而来,它有二维彩色摄像机、三维激光雷达和超声波传感裾。系统结构以横向为主，采用传统的“感知-建模-规划-执行算法。直线跟踪速度达到20公里/小时，避障速度达到5-10公里/小时。经过多年的研究，已经取得了一定的成果:北京起重运输机械研究所、中国邮政科学研究院、中国科学院沈阳自动化研究所、大连
20、模块化机床研究所、清华大学、国防科技大学和华东理工大学都在开发不同类型的AGV,并将其小批量投入生产。1975年，北京起重运输机械研究所完成了我国第台电磁导向定点通信智能移动机器人。1989年.北京邮电科学研究院完成我国第一台用于双向无线电通信的智能移动机器人.该研究所已经能够大规模生产AGV。20世纪90年代，清华大学CIMS工程中心成功地将国外引进的AGV应用丁EIMS的实验研究.清华大学计算机技术应用系开发/自动导航系统的AGV用于邮政中心。昆明用；舶设备研窕所研制了激光制导智能移动机器人。北京航空航天大学与北京铁路局科学研究所合作开发的玻璃天花板清洁机器人；哈尔滨工业大学于1996年成
21、功开发了一种导游机器人.华中科技大学于2005年开发的肢体移动机器人实现了基于模块化多足爬行的腿臂功能融合。目前，我国高智能自主移动机潜人的研发还没有系统化。它基本上是各大学和研究所根据国外的研究情况或为f培养学生的兴趣而进行的一些分散的研究.例如，机器人竞赛是中国相对权威的城市，集高科技、娱乐和竞赛于一体。它发起了各种机港人比赛,如机器人足球、机器人舞蹈、机器人相扑、机淞人射击等。它主要是为人们特别是学生搭建一座桥梁，关注和了解人工智能和智能机器人科学技术的发展.作为智能车辆的缩小模型，对智能车辆的深入研究也能对智能车辆的研究起到相应的推动作用。研发成本相对较低，设计方便.因此，本研究以轮式
22、智能移动小车为研究对象.1. 4.设计与开发的主要内容本课题设计制作的轮式智能移动机器人基于能片机，主要完成小车控制系统的硬件电路和软件设计。控制系统的硬件电路主要包括控制器、信号检测电路、电机驱动电路、电源电路等.电机驱动使用软件产生不同占空比的脉宽调制波(PWM)来控制电机的转向和转速。单片机作为整个智能小车的控制系统，控制与其相连的模块。通过软件编程，控制汽车实现前进、后退、加速、减速、左转、右转等功能。传感罂构成的信号检测电路用于实时检测电动汽车的行驶速度、行驶位置和行驶状态。单片机接收并处理信号检测电路检测到的各种数据，然后发出指令控制电动车的运行。该设计方案能够实现电动汽车运动状态
23、的实时控制“控制应灵活、可靠、精度而，并满足系统的所有要求。通过对在电机驱动器的选型，选定采用步进电机控制，通过使用红外距离传感器和超声波距离传感器实现检测障碍物和-定的避障功能，使用光电开关巡线传感器实现简单巡线的功能。将底盘、传感涔、电机支架的结构设计图纸进行绘制达到可以建模加工的程度。通过软件的开发设计、模拟仿真等实现对硬件电路的设计与开发、控制程序编写和调试，最终实现控制系统开发。小车由驱动模块、控制模块和外部感应模块组成。小车的核心硬件平台采用的是STC系列微控制器，本课题设计的产品要求做到可供各U次学生进一步的学习开发和使用，并且基本达到可对外销件程度0山西工程技术学院一一毕业设计
24、说明书2. 相关技术2.1. 单片机技术全名是单片微型计算机(SingICC1.iPMierOComPUter)的单片机，主要由中央处理潺(CPU)X只读存储器(ROM)、随机存储器(RAM)、定时/计数器、输入输出接口电路等组成，把这些功能部件集成在一块芯片上，便构成了一个完整的微型计算机。自从1974年12月美国Fairchi1.d公司研制出了世界上第一台单片机F8以来，单片机迅速发展，各种新型、高性能单片机不断推陈出新。迄今为止，单片机的发展经历了4个时期：第一阶段(19747978年)：单片机初级阶段该阶段最具有代表性的单片机就是英特尔生产的MCS-48.该阶段的单片机运用了落后的制造
25、工艺，其CPU为8位，I/O接口为并行，定时器/计数器为8位并且,1/0口不能串行通信，寻址范围小(低于4KB).其代表产品为仙童公司的堆片机F8等。第二阶段(19781983年)：单片机完善阶段以Inte1.公司的MCS-51系列单片机为代表，该时期的单片机的特点是：“串行1/0口，带有多级中断处理系统，16位的定时器/计数器，片内存储器的容量相对增大，而且寻址范围可达64KB：第三阶段(1983I99O年)：单片机巩固和推新阶段此阶段的单片机，既完善第一阶段的单片机，又发展第二阶段的单片机，还推出了新的32位的单片机，也出现了专用单片机。第四阶段(1990至今)：单片机全面发展阶段适合于不
26、同领域要求的单片机相继出现。其特点是运算速度快，存储容量大，运算能力强。类型有通用型和专用型。当然也有专用于单，领域的廉价的单片机.单片机自身的特点决定了其应用非常广泛,它已成为工业、农业、国防、科研、教育以及日常生活等各个领域的智能化工具，对各行业的技术改造以及产品的更新换代起到了极大的推动作用。2.2. 智能电动小车技术随着传感技术、计算机科学、人工智能等相关学科的飞速发展，智能移动小车正朝若智能化方向发展,智能移动小车控制系统包括计算机、控制技术、传感技术、机械和人工智能等各种方面的知识，这是个综合化系统。它有单片机控制模式、光传感器控制模式、语音控制模式等控制模式“它的功能是感知环境，
27、做出动态决策和计划，控制和执行行为。为了充分利用单片机的中央处理器、内存等资源，本系统引入了多任务软件结构，即从宏观角度来看，单片机同时在进行多件事情。分析了通用多任务系统的软件结构，系统的核心是任务调度器.在适当的时候，任务调度器将保存当前任务的场景,恢豆要运行的任务的场景并招其投入运行。筒而言之，通用多任务系统是一个任务调度罂，它循环调用需要执行的各种任务，从而更有效地利用系统的各种资源。受此启发，定时器可以定时中断，每个任务对应的函数在处理函数中依次调用一次，每个函数可以在短时间内返回，这样在一定的时间内，每个任务对应的函数可以像多个任务同时运行一样执行.还有一点需要注意的是，每个任务都
28、由一些函数和一些睁态变量组成.定时器中断处理函数的在该定期中断程序内调用该函数，前提是该函数可以在短时间内返回，否则其他任务将无法及时调用，不满足“实时”的要求。静态变量保存任务的各种状态，其他模块通过设理这些静态变量与任务通信。2.3. 红外传感技术红外技术已经广泛应用于车速测量系统中，许多产品已经利用红外技术实现车速测量、检测等研究。当红外线应用于速度测量领域时，最难克服各种包含红外线的光源如强日光的干扰“外界光源的干扰已经成为红外应用领域的瓶预“为J解决这一问题，提出了一种红外速度传感器的设计方案。该设计方案可为实时速度和相位加速度的多点测量提供技术支持，可应用于工业生产中的速度测量,如
29、高速公路速度测量和生产线下料的速度、称亚。红外发射器的驱动可分为两种驱动模式:电平型和脉冲型。独立的光电传感器由红外计数管阵列组成。这种传感涔的创新之处在于它能够抵抗外界强烈的光干扰。太阳光包含干扰红外接收管的红外线.光线会开启红外接收二极管，导致系统误判,甚至整个系统瘫痪，本发明的优点是可以设区多点采集，可以根据需要选择发射器阵列的间距和阵列数量。红外技术是众所周知的，已经广泛应用于现代科学技术、国防科学技术、工农业科学技术等领域.，红外传感系统是用红外线为介质的测量系统，按照功能能够分成五类：(1)辐射计，用于辐射和光谱测量:(2)搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对
30、它的运动进行跟踪：(3)热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图像：(4)红外测距和通信系统：（5）混合系统，是指以上各类系统中的两个或者多个的组合。2.4. 超声波技术超声波是一种频率高于20000林兹的声波。它方向性好，穿透力强，易于获得集中声能，在水中传播距离长.它可用于测距、测速、清洗、饵接、碎石、杀菌等。它在医学、军事、工业和农业中有许多应用。超声波之所以被命名是因为它的频率下限大于听力上限。科学家称每杪振动的次数为声音的频率，单位是赫兹.我们人类耳朵能听到的声波频率是20赫兹20000赫兹。因此，我们称频率高于20000赫兹的声波为“超声波”。“通常用于悠疗诊断的超声波频率为1兆
31、械至30兆孀。超声波技术是20世纪发展起来的高新技术，是一门新兴的跨学科前沿科学.超声波技术的发展为化学工业、食品、生物医学等学科的研究开辟了新的领域，并在应用方面对上述行业产生了重大影响.作为声学研究的重要组成部分，超声波在现代分离技术中的研究也取得了一些进展。它已经引起了美国、德国、加京大、日本和中国科学家的广泛关注。超声波技术的发展为化学工业、食品、生物、医学等学科的研窕开辟了新的领域，并在应用方面对上述行业产牛了重大影响。作为声学研究的重要组成部分，超声波在现代分离技术中的研究也取得了一些进展。超声波有三种嵯本作用机制，即机械机制、热机制和空化机制。由于其独特的功能，超声波在各种分离领
32、域越来越显示出其重要性。超声波对两相或多相体系的作用会产生各种效应，如空化效应、湍流效应、扰动效应、界面效应和能量积累效应，其中湍流效应使边界层变薄，提高传质速率。扰动效应加强了微孔的扩散。界面效应增加了传质表面积。能量:效应激活分离物班的分了二所有这些效应都会引起传播介质的特定变化，从而促进整个分离过程。超声波可以应用丁各行各业。一般来说，它可以分为检测超声和功率超声。检测超声被用作超声中的信号，例如b超、雷达和水声应用。功率超声是利用机械、热、空化、生物医学（粉碎、乳化等）的高功率超声。）和声能的化学效应。可用于超声波焊接、超声波催化、超声波清洗、超声波加工（冲压、雕刻、抛光等）。）、超声
33、波治疗、超声波手术、超声波美容、超声波雾化、超声波测距、超声波马达和超声波悬浮.3. 系统方案的分析选择当今，智能系统正在知识工程、计算机科学、机电体化和工业集成等许多领域得到应广泛的应用。人们要求系统变得越来越智能。显然，传统的控制理念不能满足人们的需求，而智能控制和这些传统控制有机地结合起来，相互学习，提高整体优势，更好地满足人们的需求。随着人工智能技术、计算机技术和自动控制技术的K速发展，智能控制必将迎来其发展的新时代。计算机控制与电子技术的结合为智能电子设备开辟了广阔的前景。因此，智能技术的研究和应用具有重要意义和很高的市场价值。每个轮式智能移动机器人都可以看作是一个自动控制系统该系统
34、可分为两部分:控制硬件和控制软件。控制硬件包括执行器（驱动电机和驱动轮）、硬件电路和传感器。控制软件湎盖信息处理和控制算法。传感得硬件电路自动控制系统执行机构控制克法控制软件信息处理根据设计要求和设计内容，采用基于单片机的控制方案,设计出系统总体框图如图2所示。3.1. 主控系统选用根据设计要求,我认为此设计屈丁多输入量的安杂程序控制问题.据此，拟定以下两种方案并进行了综合的比较论证，具体如下：方案：选用片CP1.D(如EPM71281.C84-15)作为系统的核心部件,实现控制与处理的功能.CP1.D具有速度快、编程容易、资源丰京、开发周期短等优点，可利用VHD1.语言进行编写开发。但CP1
35、.D在控制上较单片机有较大的劣势。同时，CP1.D的处理速度非常快，而小车的行进速度不可能太高，那么对系统处理信息的要求也就不会太商，在这一点上，MCU就已经可以胜任了。若采用该方案，必聘在控制上遇到许许多多不必要增加的难题。为此，我们不采用该种方案，进而提出了第二种设想。方案二：采用单片机作为整个系统的核心，用其控制行进中的小车，以实现其既定的性能指标。充分分析我们的系统，其关键在于实现小车的自动控制，而在这一点上，单片机就显现出来它的优势一一控制简单、方便、快槌。这样来,单片机就可以充分发挥其资源丰富、有较为强大的控制功能及可位寻址操作功能、价格低廉等优点.因此,这种方案是-种较为理想的方
36、案。现在，具有智能功能的电了产品通常用的控制版为单片机,它具仃集成度高、体积小，可靠性高、实用温度范圉宽，有优良的性能价格比，控制功能强，外部总线丰富，功能扩展性强及低功耗等特有的优良性能，因而得到了广泛应用。它推动了鼓入式系统的发展并深入到各个领域，已经成为工业、农业、国防、科研、教育以及日常生活的各个领域的智能化工具，也是现代电子系统中重:要的智能化工具，对各行各业的技术改造以及产品的更新换代起到了极大的推动作用。但是，当今社会单片机厂商多如牛毛，产品性能不尽相同。常用的典型的单片机有Inte1.公司的MCS-5I系列单片机、Motoro1.a公司的M68系列单片机、Phi1.iPS公司的
37、P系列单片机、WinBOnd(华邦)公司的W77.W78系列单片机、Atmd公司生产的AT89系列单片机、EPSON公司的单片机等。本设计设计的是个更杂程序控制系统，具仃多开关员输入的特点。因此，控制核心需要用擅长处理多开关员的标准单片机，而不能用精简I/O口和程序存储器的小体积单片机。针对本设计特点多开关量输入的狂杂程序控制系统，需要擅长处理多开关量的标准单片机，而不能用精简I/O口和程序存储器的小体积单片机，D/A,A/D功能也不必选用。在综合考虑了传感胧、两部电机的驱动等诸多因素后，本设计最终决定采用一片STC公司的STC89C52RC单片机，充分利用STC89C52RC单片机的资源和适
38、合更杂控制应用场合的特点。51单片机具有功能强大的位操作指令，1/0口均可按位寻址，程序空间多达8K,对于本设计也绰绰有余，更可贵的是51单片机价格非常低廉。图3R9C52RC型单片机3.2. 电机模块的选用3.2.1. 电动机的选择轮式移动机器人中使用的驱动电机除了具有一定的电机功能标准之外，还应该参考以下几点特殊性：(I)方便性。驱动电机应该具有简单的操作性.在本设计中，对电机的要求仅仅是利用主控芯片的PwM对驱动电机在不同场合下的电机调速。(2)可靠性.在驱动电机调速过程中，要求的非常精确，这就使得驱动电机必须要有可靠的执行命令的能力。可靠性能强，反应快速，适合发杂的环境操作。(3)适应
39、性。移动机器人中应用的电机不同于其他环境的静态使用的电机，这就要求卵动电机能够适应很多复杂的环境。(4)低成本性。在一些移动机器人中，应用的驶动电机非常多，例如舞蹈机器人中每个关节都需要一个驱动电机。为了满足上面的特殊性，还得要求控制成本，那么就需要选择个性价比较高的驱动电机。因此，步进电动机与直流电动机在轮式移动机器人的执行机构中常常作为首选“步进电机地基本的功能是将外部的电脉冲信号经过信号处理转变为角位移或线位移的开环控制执行机构,在理想条件下，步进电机的电机转速、停止的位置、调零的位置均只取决于外部电脉冲信号的频率大小和脉冲数。在电机没有超负荷运转的情况下，如果给电机加个脉冲信号，并I1
40、.有足够的电压范围，驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)。当步进电机驱动器接收到外部的一个脉冲信号，便可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的。使得在速度、位置等工业控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。直流电机就是将直流电能转换成机械能的电机，由定子和转子组成,直流电动机因其良好的调速性能而在电力拖动中得到广泛应用。直流电动机按励磁方式分为永磁、他励和自励3类，其中自励又分为并励、出励和兔励3种“直流电动机的调速方法分为两种：物磁控制和电枢电压控制。其中励磁控制方法的控制功率小，在低速时受到磁饱和的限制，在高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制，
41、I1.由于励磁线圈电感较大，动态响应较差。所以通常采用电枢电压控制法即通过改变电枢端电压的控制方法进行调速。综合以上选择标准以及两种电动机的调速原理、购买成本、结构尺寸和操作性等方面，本课题决定选用步进电机作为轮式智能移动机器人的执行电机。在电机型号的选取方面，由于此款轮式机器人在相对平坦且有足够摩擦力的地面上行股，不需要大扭矩大功率的执行电机，因此本文选用电机市场上最常见且性价比相对较尚的42系列步进电机中的两相四线制步进电机，选用型号为42-2S39Q4)5026。其驱动装置则采用A4988高性能驱动器。三442系列步进电机及A49X8电机驱动芯片3.2.2. 驱动器选择方案一:采用继电器
42、对电动机的开或关进行控制,通过开关的切换对小车的速度进行调整.此方案的优点是电路较为简单,缺点是继电器的响应时间慢,易损坏,寿命较短,可靠性不册方案二：采用电阻网络或数字电位器调节电动机的分压，从而达到分压的目的。但电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂员。更主要的问题在于一般的电动机电阻很小，但电潦很大，分压不仅回降低效率，而且实现很困难。方案三：采用带转换器和过流保护的DMOS微步进电机驱动器，用于操作双极步进电机，只需要路PWM就能驱动，时序简单，方便控制分步、电流细分、静止电流。只要在“STEP”引脚输入一个脉冲，即可驱动电动机产生做步.无须进行相位顺序表、高频率控制行
43、或复杂的界面编程。A4988界面亦常适合更杂的微处理器不可用或过我的应用。该产品可在全、半、H4、H8及1/16步进模式时操作双极步进电动机，H在步进模式,输出驱动的能力35V和2A.A4988包括一个固定关断时间电流超压器，该桎压器可在慢或混合衰减模式下工作。综上所述，选择方案-：的A4988型步进电动机器驱动，它主要特点为：I、控制简单,只需要控制STEP与D1.R两个端口；2、精度调整，五种不同的步进模式：全、半、1/4、1/8、1/16：3、可调电位器可以调节输出电流，从而获得更高的步进率：4、兼容3.3V和5V逻辑输入：5、可以自动电流哀减模式检测/选择：6、具有过热关闭电路、欠压锁
44、定、交叉电流保护：接地短路保护和加载短路保护:图54988驱动合成模块及散热外3.3. 供电电源模块选用方案一:采用实验室有线电源通过稳压芯片供电，其优点是可稳定的提供5V电压,但占用资源过大。方案二：采用4支I.5V电池单电源供电，但6V的电压太小不能同时给单片机与与电机供电.方案四：采用I1.1.v25c锂电池作为主电源分别给单片机与电机供电可解决方案二的问题且能让小车完成其功能.所以，我选择了方案三来实现供电。图6使用的!2VISOOmAh电M本设计软件程序设计采用了模块化思想，分为循迹模块、避障模块两个部分.通过单片机接收到循迹模块、避障模块采集的信号，经过处理，再由单片机对电机驱动程
45、序来控制小车的动作，完成指定目标。采用此种供电方式可以减轻智能小车的体枳和重量,能够满足节能和高效的要求”5V稳压芯片的选择考虑7805稳压块和1.M3I7T系列两种方法，而7805的转换效率低于40%,1.M3I7T的转换效率可达到75%以上。通过分析比较。采用1.M3I7T稳压芯片，芯片电路图如图7所示。VinOI2VGNDO图71.M317T称压芯片朦理图OVont+C2IuFOGND图81.M317T电（芯片及合成模块3.4. 自主循速和避障方案的选用根据本课题的要求，即实现轮式智能移动机器人的自主避障与自主巡线功能。所谓自主避障就是在寻找到最优路径到达目的地的过程中如何搜索到障碍物、
46、自动躲避及越过障碍物的问题：自主巡线也称自主导航即在无人引导情况下如何自主沿岩特定的路径到达目的地的问题。3.4.1. 自主循迹方案依上文所述，现代自动AGV系统即轮式智能移动机器人系统是一个自动控制系统,导航技术是其核心技术。根据引导信息的来源，引导方式可分为外导式和内导式：根据AGV引导线路的形式，乂分为仃线式和无线式，以上两大类的具体引导方法见表2.1.表1常见的引导方式引导方法工作原理优点缺点光学反射式在工作区域的地工绘制或铺设特定颜色和形状的路径标识戏，应用光电探头检测标识战的存在及其偏移位置,以控制机器人的运行成本商用较低这种导引方式对运动环境的清衲性鬟求较高一战电谶感应式在工作区
47、域的地F埋设导践，施加特定频率的交流电而产牛.相应的交变极场信号，磁场传呼港检测此信号并控制轮式移动机器人的运动过程理战脸蔽，不易污染破坏，易于控制和通信，抗声光干扰强路径设置更杂且变更柔性段差、成本较高、激光反射式在工作区域的固定位置安装反射板AGY顶端设计安放一个可旋转的激光发射接收器，检测机潞人与各反射板的夹角或距离，然后根据反射板坐标计算出机器人的二维坐标方向反射板的设置简单、路径的变柔性较好对空间的无障碍性要求较高视觉导航式通过光学摄像头获取周边或者地面路径标示图像后，再进行图像处理识别出环境信息，感知AGV的位置，从而引导AGV行进信息盘丰富.柔性好，且易于布K容易受到外界环境干扰坐标引导式按点地坐标系统将机器人行走区域分成网格，M格交义点安装若干检性体或其他种类的内存信息的标码测知位捏，机器人根抠地图坐标行走，并且用编码器进行测儿冏化路面铺设，对环境无特别要求引导精度差,不适合大车间作业惯性殍航式采用陀墀仪检测机器人方位痢并根掘从某一个参考点出发所测定的行驶巫酒来确定当前位置，通过与己知的地图路线进行比较来控制机潺人的运动方向和距国汛活性强，便于组合和兼容，尤其适合普陀式车型御要辅助地图信息因此，综合考虑成本费用、实验条件以及各个导航方式的优缺点和在本课题能力范围内的可操作性等，本文研究决定采取光学反射式导航方式作为轮式移动机涔人的自主巡线
