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山西工程技術(shù)學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計說明書
畢業(yè)生姓名
：
史金云
專業(yè)
：
機械制造及其自動化
學(xué)號
：
150514030
指導(dǎo)教師
：
郭曉霞
所屬系（部）
：
機械電子工程系
二〇一九年六月
輪式智能移動機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計與開發(fā)
摘 要
循跡避障小車是行走機器人的一種， 這種小車可以適應(yīng)不同環(huán)境， 不受溫度、濕度、磁場輻射、重力等條件的影響，在人類無法進(jìn)入或生存的環(huán)境中完成人類無法完成的探測任務(wù)，適用于國防及民用等多個領(lǐng)域。
本課題要求采用自行設(shè)計制作的輪式智能移動機器人實現(xiàn)自主避障測距與巡線功能。主要任務(wù)是設(shè)計和實現(xiàn)基于 89C52RC單片機的尋跡避障小車，包括硬件和軟件兩個部分。硬件電路部分主要包括控制器、循跡電路、避障電路、電機驅(qū)動電路等。在輪式智能移動機器人道路信息采集方面，本文采用機器人實驗室提供的SRF04超聲波測距傳感器、 TCRT5000 紅外線傳感器作為避障傳感器和巡線傳感器。本課題采用51系列單片機中的89C52RC單片機作為主控制芯片并配有總電壓為12V容量為1800mA的充電鋰電池及其相應(yīng)穩(wěn)壓電路來為輪式移動機器人提供能量。在軟件編程方面，本文使用C語言在KEIL4.0編譯軟件上進(jìn)行避障與巡線程序的編寫。在本設(shè)計中，系統(tǒng)硬件和軟件都采用了模塊化結(jié)構(gòu)，整個系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計上采用solidwork軟件進(jìn)行三維建模并生成加工圖紙。
最終，本課題自行設(shè)計制造的輪式智能移動機器人可分別實現(xiàn)自主躲避障礙物功能和循白線行走功能。
關(guān)鍵詞：輪式移動機器人；巡線；避障；51系列單片機
The Development and Structure Design of Intelligent Wheeled Mobile Robot
Abstract
Self-tracing and obstacle avoidance electric vehicle is a kind of mobile robot, which is able to adapt various environments, humidity, magnetic radiation and gravity. Consequently the vehicle take the place of human to implement many tasks in the environment where human cannot set foot, which is applicable in many fields in the national defence and civilian.
This subject requires the self-designed wheeled intelligent mobile robot to achieve the function of autonomous obstacle avoidance, ranging and line inspection. The main task is to design and implement the vehicle based on 89C52RC single chip microcomputer, including hardware and software. The hardware circuit includes controller, tracking circuit, obstacle avoidance circuit and motor drive circuit. In terms of road information collection of wheeled intelligent mobile robot, this paper adopts SRF04 ultrasonic ranging sensor and TCRT5000 infrared sensor provided by robot laboratory as obstacle avoidance sensor and line patrol sensor. The wheeled intelligent mobile robot designed and manufactured by ourselves in this topic can realize the function of avoiding obstacles and walking along the white line independently.
Keywords: Wheeled mobile robot; Obstacle avoidance; single chip microcomputer
ii
目 錄
摘 要 i
Abstract ii
1. 引言 1
1.1. 課題研究的背景 1
1.2. 課題研究的目的與意義 1
1.3. 輪式智能移動機器人發(fā)展概況與現(xiàn)狀 2
1.4. 設(shè)計與開發(fā)的主要內(nèi)容 4
2. 相關(guān)技術(shù) 7
2.1. 單片機技術(shù) 7
2.2. 智能電動小車技術(shù) 7
2.3. 紅外傳感技術(shù) 8
2.4. 超聲波技術(shù) 9
3. 系統(tǒng)方案的分析選擇 11
3.1. 主控系統(tǒng)選用 12
3.2. 電機模塊的選用 13
3.2.1. 電動機的選擇 13
3.2.2. 驅(qū)動器選擇 15
3.3. 供電電源模塊選用 16
3.4. 自主循跡和避障方案的選用 17
3.4.1. 自主循跡方案 18
3.4.2. 循跡方案與傳感器 18
3.4.3. 自主避障方案 20
3.4.4. 避障方案與傳感器 20
3.5. 傳感器的選用 22
3.5.1. 超聲波傳感器 22
3.5.2. 紅外線傳感器 22
3.5.3. SRF04超聲波測距模塊 23
3.5.4. 五路巡線傳感器模塊 24
4. 機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計與制作 27
4.1. 機械設(shè)計的基本要求 27
4.1.1. 對機器整機設(shè)計的基本要求 27
4.1.2. 對零件設(shè)計的基本要求 27
4.2. 移動機器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計原則 28
4.3. 機械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計方案 29
4.3.1. 底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計 30
4.3.2. 傳感器支架設(shè)計 31
4.3.3. 電機支架設(shè)計 32
4.3.4. 電機的選型與計算 33
4.4. 機械材料選擇 33
4.4.1. 機械材料選用原則 33
5. 硬件電路設(shè)計 37
5.1. 微控制器模塊 37
5.2. 電源模塊 38
5.3. 自主避障模塊 39
5.4. 巡線檢測模塊 39
5.5. 電機驅(qū)動模塊 40
6. 軟件程序的設(shè)計 41
6.1. 軟件開發(fā)平臺的選擇 41
6.2. 控制軟件的設(shè)計與實現(xiàn) 42
6.2.1. 概述 42
6.2.2. 軟件的結(jié)構(gòu)設(shè)計 43
6.3. 循跡模式程序流程圖 44
6.4. 避障模式程序流程圖 44
7. 輪式智能移動機器人功能測試及效果 47
7.1. 自主避障功能的測試及效果 47
7.2. 自主巡線功能的測試及效果 48
結(jié)束語 49
參考文獻(xiàn) 51
附錄 53
基于89C52RC單片機程序C代碼 53
外文資料 63
中文譯文 71
致 謝 75
山西工程技術(shù)學(xué)院――畢業(yè)設(shè)計說明書
1. 引言
1.1. 課題研究的背景
機器人是20世紀(jì)人類最偉大的發(fā)明之一。自從1959年世界上第一個機器人誕生以來，它已經(jīng)改變?nèi)藗円酝纳a(chǎn)方式，使人面對生產(chǎn)環(huán)境直接變成人面對機器人，然后機器人面對生產(chǎn)。人類已經(jīng)真正成為智慧的象征。
移動機器人的祖先始于20世紀(jì)60年代末，反映了工業(yè)控制的整體進(jìn)步方向。輪式移動機器人，又稱自動導(dǎo)引車(AGV)，是一種利用輪子作為移動設(shè)備，實現(xiàn)自主行駛的機器人。移動機器人已經(jīng)成為機器人研究的一個重要分支。它應(yīng)用于軍事、危險作業(yè)和服務(wù)業(yè)等許多場合。它要求機器人以無線方式實時接受控制命令，并以所需的速度、方向和軌跡靈活自由地移動。
現(xiàn)在，為了加強大學(xué)生實踐能力、創(chuàng)新能力和團隊精神的培養(yǎng)，促進(jìn)高等教育教學(xué)改革，全國大學(xué)生智能車競賽由教育部高等教育司主辦，教育部高等教育司委托。競賽是以智能車為研究對象的創(chuàng)新科技競賽，是全國大學(xué)生探索性的工程實踐，是教育部倡導(dǎo)的大學(xué)生科技競賽之一。上述比賽中提到的智能車是輪式智能移動機器人之一。
在包括全國大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能車競賽在內(nèi)的各種科技創(chuàng)新競賽如火如荼的同時，各行各業(yè)的智能輪式移動機器人愛好者相繼設(shè)計開發(fā)了不同的智能輪式移動機器人產(chǎn)品并投放市場。為了響應(yīng)教育部培養(yǎng)學(xué)生實踐和創(chuàng)新能力的號召，各高校開始競相設(shè)計和開發(fā)自己的輪式智能移動機器人產(chǎn)品。同時，中小學(xué)也重視培養(yǎng)學(xué)生對機電產(chǎn)品的興趣。
1.2. 課題研究的目的與意義
為了適應(yīng)大學(xué)生機器人競賽、電子設(shè)計競賽等科技競賽的需要，有必要開發(fā)一種輪式智能移動機器人，包括移動機器人路徑規(guī)劃、定位地圖構(gòu)建技術(shù)和多移動機器人協(xié)作技術(shù)的研究。其意義在于輪式智能移動機器人平臺能夠滿足不同層次學(xué)生的需求。同時，該平臺也可以作為高校重大科技競賽等活動的開發(fā)平臺。其次，它還可以推廣到中小學(xué)生的科技創(chuàng)新活動中，起到普及機電一體化知識的作用。
本課題選擇單片機作為控制器的主要核心模塊。全稱為單片微型計算機的單片機，具有集成度高、體積小、可靠性高、實用溫度范圍寬、性價比優(yōu)異、控制功能強、外部總線豐富、功能擴展性強、功耗低的獨特優(yōu)異性能，已得到廣泛應(yīng)用。它促進(jìn)了嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，并深入到各個領(lǐng)域。它已經(jīng)成為工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、科學(xué)研究、教育和日常生活各個領(lǐng)域的智能工具。它也是現(xiàn)代電子系統(tǒng)中重要的智能工具。它在促進(jìn)各行各業(yè)的技術(shù)改造和產(chǎn)品升級方面發(fā)揮了巨大作用。目前，模塊化、功能化、低成本智能小車的開發(fā)已經(jīng)成為全國電子技能競賽的熱點。隨著傳感技術(shù)、計算機科學(xué)、人工智能等相關(guān)學(xué)科的快速發(fā)展，它正朝著智能化方向發(fā)展。智能控制系統(tǒng)包括計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、人工智能技術(shù)等技術(shù)。它是一個具有環(huán)境感知功能、實時決策和規(guī)劃功能以及行為控制和執(zhí)行功能的綜合體。它是典型的機電一體化產(chǎn)品。此外，基于單片機的智能移動汽車的設(shè)計，旨在通過理論與實踐的結(jié)合，從日常生活中可能接觸到的細(xì)微之處，闡明自己所學(xué)到和使用的東西。此外，在實踐中也發(fā)現(xiàn)了自己理論的不足，對廣泛使用的單片機有了更理性、感性的認(rèn)識，從而在理論和實踐上發(fā)揮出最佳水平。
在此基礎(chǔ)上，從一般應(yīng)用出發(fā)，設(shè)計了一種具有避障、循跡、測距等相關(guān)運動狀態(tài)的輪式移動機器人平臺。平臺可以向任意方向移動，操作靈活，并根據(jù)可以根據(jù)具體環(huán)境條件實現(xiàn)相應(yīng)的功能。本文是機器人外形設(shè)計和編程的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，可為后續(xù)機器人研究提供有價值的參考和有益的思路。
1.3. 輪式智能移動機器人發(fā)展概況與現(xiàn)狀
自20世紀(jì)50年代以來，智能汽車的研究開始在國外展開。其發(fā)展過程大致經(jīng)歷了三個階段:初步研究、卓有成效的研究和深入系統(tǒng)、大規(guī)模的研究。具體如下:
初始階段：20世紀(jì)50年代，美國出現(xiàn)了自主導(dǎo)航車輛系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有智能車輛最基本的特點——無人駕駛。這是一個標(biāo)志，一個智能車輛的明顯標(biāo)志。
卓有成就的階段：20世紀(jì)80年代中后期，歐美一些國家主要開展了智能汽車的可行性研究和如何使智能汽車實用化的研究，并取得了顯著成效。
深入系統(tǒng)大規(guī)模的研究階段：自20世紀(jì)90年代以來，一些發(fā)達(dá)國家，特別是歐洲的德國和美國，對智能車輛進(jìn)行了廣泛、大規(guī)模的研究。尤其突出的是美國Navlab系列自主車輛的研究。這項研究在卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機器人研究所進(jìn)行，并取得了顯著的成果。
就AGV而言，也就是說輪式移動機器人的研究。在國外起步較早，世界上第一輛AGV是由美國巴雷特電子公司在20世紀(jì)50年代成功開發(fā)的。這是一個牽引式的小車系統(tǒng)。小車遵循導(dǎo)線引導(dǎo)的路徑，并具有基于真空管技術(shù)的微控制處理器。
隨著計算機和傳感器技術(shù)的發(fā)展，移動機器人的研究進(jìn)入了一個小高潮。美國和歐洲的一些制造商已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化了地面移動機器人的尺寸和結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了大量的研究和制造，推動了移動機器人的快速發(fā)展。
進(jìn)入20世紀(jì)80年代后，美國國防部高級研究項目署(DARRA)投資6億美元制定了地面無人作戰(zhàn)戰(zhàn)略計劃，并為此作為了一個立項。該計劃全面推動了地面移動機器人研究在一些高等院校和科研機構(gòu)的發(fā)展。例如，由能源部制定的為期十年的機器人智能系統(tǒng)計劃(RIPS 1986-1995)，美國國防部高級研究計劃局“戰(zhàn)略計算機”計劃(1983-1990)中的自動地面車輛(ALV)計劃，以及隨后的空間機器人計劃。
從那時起，全世界開始了對戶外移動機器人的全面研究。美國國家航空航天局（NASA）資助了“月球第二座”八足步行機器人的開發(fā)。美國國家航空航天局開發(fā)的火星探測機器人索杰納(Sojourner)于1997年登陸火星，反映了移動機器人上的信息融合技術(shù)。德國成功開發(fā)了輪椅機器人，并在烏爾姆市中心車站客流高峰環(huán)境和1998年漢諾威工業(yè)商品交易會展廳環(huán)境中進(jìn)行了現(xiàn)場表演，展示了其他現(xiàn)有輪椅機器人或移動機器人無可比擬的性能。2004年，美國漫游者“勇氣”和“機遇”號登陸火星，并且成功完成了預(yù)期的探索任務(wù)，這代表了世界上最高水平的移動機器人。2007年11月，日本東京早稻田大學(xué)的研究人員推出了一種新的人形機器人“Twenty-one”。它功能齊全，靈活性高，活動范圍廣，可以自由移動，活動自如的為人類服務(wù)。這是一個可以和人類和諧共處的復(fù)雜機器人。
目前，國外智能移動機器人在自主推理、規(guī)劃控制能力、環(huán)境建模、復(fù)雜任務(wù)規(guī)劃決策等重要方面取得了較大突破。在一些國家，AGV研究也已經(jīng)系列化，如美國國防部Demo系列、美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)Navlab系列、德國慕尼黑國防部VAMP、法國Cybercar、德國卡拉維爾(Caravelle)和歐洲卡森斯(Carsense)等。日本第一家AGV工廠于1996年由一家運輸設(shè)備供應(yīng)工廠與美國韋伯的合資企業(yè)合作開辦。到1998年，日本已有20多家智能移動機器人制造廠，如大富、Fanuc公司、Murata等。
在我國，移動機器人研究的“七五”計劃剛剛開始。國家“863”計劃中遙控反核偵察車的建立，標(biāo)志著移動機器人研究的開始。在國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會和國家863計劃的支持下，國防科技大學(xué)、清華大學(xué)等大學(xué)聯(lián)合開發(fā)了軍用室外移動機器人7B.8，并于1995年12月通過驗收。7B.8的車身是由躍進(jìn)客車改進(jìn)而來，它有二維彩色攝像機、三維激光雷達(dá)和超聲波傳感器。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以橫向為主，采用傳統(tǒng)的“感知-建模-規(guī)劃-執(zhí)行”算法。直線跟蹤速度達(dá)到20公里/小時，避障速度達(dá)到5-10公里/小時。
經(jīng)過多年的研究，已經(jīng)取得了一定的成果:北京起重運輸機械研究所、中國郵政科學(xué)研究院、中國科學(xué)院沈陽自動化研究所、大連模塊化機床研究所、清華大學(xué)、國防科技大學(xué)和華東理工大學(xué)都在開發(fā)不同類型的AGV，并將其小批量投入生產(chǎn)。1975年，北京起重運輸機械研究所完成了我國第一臺電磁導(dǎo)向定點通信智能移動機器人。1989年，北京郵電科學(xué)研究院完成了我國第一臺用于雙向無線電通信的智能移動機器人。該研究所已經(jīng)能夠大規(guī)模生產(chǎn)AGV。20世紀(jì)90年代，清華大學(xué)CIMS工程中心成功地將國外引進(jìn)的AGV應(yīng)用于EIMS的實驗研究。清華大學(xué)計算機技術(shù)應(yīng)用系開發(fā)了自動導(dǎo)航系統(tǒng)的AGV用于郵政中心。昆明船舶設(shè)備研究所研制了激光制導(dǎo)智能移動機器人。北京航空航天大學(xué)與北京鐵路局科學(xué)研究所合作開發(fā)的玻璃天花板清潔機器人；哈爾濱工業(yè)大學(xué)于1996年成功開發(fā)了一種導(dǎo)游機器人。華中科技大學(xué)于2005年開發(fā)的肢體移動機器人實現(xiàn)了基于模塊化多足爬行的腿臂功能融合。
目前，我國高智能自主移動機器人的研發(fā)還沒有系統(tǒng)化。它基本上是各大學(xué)和研究所根據(jù)國外的研究情況或為了培養(yǎng)學(xué)生的興趣而進(jìn)行的一些分散的研究。例如，機器人競賽是中國相對權(quán)威的城市，集高科技、娛樂和競賽于一體。它發(fā)起了各種機器人比賽，如機器人足球、機器人舞蹈、機器人相撲、機器人射擊等。它主要是為人們特別是學(xué)生搭建一座橋梁，關(guān)注和了解人工智能和智能機器人科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。作為智能車輛的縮小模型，對智能車輛的深入研究也能對智能車輛的研究起到相應(yīng)的推動作用。研發(fā)成本相對較低，設(shè)計方便。因此，本研究以輪式智能移動小車為研究對象。
1.4. 設(shè)計與開發(fā)的主要內(nèi)容
本課題設(shè)計制作的輪式智能移動機器人基于單片機，主要完成小車控制系統(tǒng)的硬件電路和軟件設(shè)計?？刂葡到y(tǒng)的硬件電路主要包括控制器、信號檢測電路、電機驅(qū)動電路、電源電路等。電機驅(qū)動使用軟件產(chǎn)生不同占空比的脈寬調(diào)制波（PWM）來控制電機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。單片機作為整個智能小車的控制系統(tǒng)，控制與其相連的模塊。通過軟件編程，控制汽車實現(xiàn)前進(jìn)、后退、加速、減速、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等功能。傳感器構(gòu)成的信號檢測電路用于實時檢測電動汽車的行駛速度、行駛位置和行駛狀態(tài)。單片機接收并處理信號檢測電路檢測到的各種數(shù)據(jù)，然后發(fā)出指令控制電動車的運行。該設(shè)計方案能夠?qū)崿F(xiàn)電動汽車運動狀態(tài)的實時控制?？刂茟?yīng)靈活、可靠、精度高，并滿足系統(tǒng)的所有要求。
通過對在電機驅(qū)動器的選型，選定采用步進(jìn)電機控制，通過使用紅外距離傳感器和超聲波距離傳感器實現(xiàn)檢測障礙物和一定的避障功能，使用光電開關(guān)巡線傳感器實現(xiàn)簡單巡線的功能。將底盤、傳感器、電機支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計圖紙進(jìn)行繪制達(dá)到可以建模加工的程度。通過軟件的開發(fā)設(shè)計、模擬仿真等實現(xiàn)對硬件電路的設(shè)計與開發(fā)、控制程序編寫和調(diào)試，最終實現(xiàn)控制系統(tǒng)開發(fā)。小車由驅(qū)動模塊、控制模塊和外部感應(yīng)模塊組成。小車的核心硬件平臺采用的是STC系列微控制器，本課題設(shè)計的產(chǎn)品要求做到可供各層次學(xué)生進(jìn)一步的學(xué)習(xí)開發(fā)和使用，并且基本達(dá)到可對外銷售程度。
2. 相關(guān)技術(shù)
2.1. 單片機技術(shù)
全名是單片微型計算機（Single Clip Microcomputer）的單片機，主要由中央處理器（CPU）、只讀存儲器(ROM)、隨機存儲器(RAM)、定時/計數(shù)器、輸入輸出接口電路等組成，把這些功能部件集成在一塊芯片上，便構(gòu)成了一個完整的微型計算機 。自從 1974 年 12 月美國 Fairchild 公司研制出了世界上第一臺單片機 F8 以來，單片機迅速發(fā)展，各種新型、高性能單片機不斷推陳出新。迄今為止，單片機的發(fā)展經(jīng)歷了 4 個時期：
第一階段(1974~1978 年)：單片機初級階段該階段最具有代表性的單片機就是英特爾生產(chǎn)的 MCS-48。該階段的單片機運用了落后的制造工藝，其 CPU 為 8 位，I/O 接口為并行，定時器/計數(shù)器為 8 位。并且，I/O 口不能串行通信，尋址范圍小（低于 4KB）。其代表產(chǎn)品為仙童公司的單片機 F8 等 。
第二階段(1978~1983 年)：單片機完善階段以 Intel 公司的 MCS-51 系列單片機為代表，該時期的單片機的特點是：“串行I/O 口，帶有多級中斷處理系統(tǒng)，16 位的定時器/計數(shù)器，片內(nèi)存儲器的容量相對增大，而且尋址范圍可達(dá) 64KB。
第三階段(1983~1990 年)：單片機鞏固和推新階段此階段的單片機，既完善第一階段的單片機，又發(fā)展第二階段的單片機，還推出了新的 32 位的單片機，也出現(xiàn)了專用單片機。
第四階段(1990 至今)：單片機全面發(fā)展階段適合于不同領(lǐng)域要求的單片機相繼出現(xiàn)。其特點是運算速度快，存儲容量大，運算能力強。類型有通用型和專用型。當(dāng)然也有專用于單一領(lǐng)域的廉價的單片機。單片機自身的特點決定了其應(yīng)用非常廣泛，它已成為工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、科研、教育以及日常生活等各個領(lǐng)域的智能化工具，對各行業(yè)的技術(shù)改造以及產(chǎn)品的更新?lián)Q代起到了極大的推動作用。
2.2. 智能電動小車技術(shù)
隨著傳感技術(shù)、計算機科學(xué)、人工智能等相關(guān)學(xué)科的飛速發(fā)展，智能移動小車正朝著智能化方向發(fā)展。智能移動小車控制系統(tǒng)包括計算機、控制技術(shù)、傳感技術(shù)、機械和人工智能等各種方面的知識，這是一個綜合化系統(tǒng)。它有單片機控制模式、光傳感器控制模式、語音控制模式等控制模式。它的功能是感知環(huán)境，做出動態(tài)決策和計劃，控制和執(zhí)行行為。為了充分利用單片機的中央處理器、內(nèi)存等資源，本系統(tǒng)引入了多任務(wù)軟件結(jié)構(gòu)，即從宏觀角度來看，單片機同時在進(jìn)行多件事情。分析了通用多任務(wù)系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的核心是任務(wù)調(diào)度器。在適當(dāng)?shù)臅r候，任務(wù)調(diào)度器將保存當(dāng)前任務(wù)的場景，恢復(fù)要運行的任務(wù)的場景并將其投入運行。簡而言之，通用多任務(wù)系統(tǒng)是一個任務(wù)調(diào)度器，它循環(huán)調(diào)用需要執(zhí)行的各種任務(wù)，從而更有效地利用系統(tǒng)的各種資源。受此啟發(fā)，定時器可以定時中斷，每個任務(wù)對應(yīng)的函數(shù)在處理函數(shù)中依次調(diào)用一次，每個函數(shù)可以在短時間內(nèi)返回，這樣在一定的時間內(nèi)，每個任務(wù)對應(yīng)的函數(shù)可以像多個任務(wù)同時運行一樣執(zhí)行。還有一點需要注意的是，每個任務(wù)都由一些函數(shù)和一些靜態(tài)變量組成。定時器中斷處理函數(shù)的在該定期中斷程序內(nèi)調(diào)用該函數(shù)，前提是該函數(shù)可以在短時間內(nèi)返回，否則其他任務(wù)將無法及時調(diào)用，不滿足“實時”的要求。靜態(tài)變量保存任務(wù)的各種狀態(tài)，其他模塊通過設(shè)置這些靜態(tài)變量與任務(wù)通信。
2.3. 紅外傳感技術(shù)
紅外技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于車速測量系統(tǒng)中，許多產(chǎn)品已經(jīng)利用紅外技術(shù)實現(xiàn)車速測量、檢測等研究。當(dāng)紅外線應(yīng)用于速度測量領(lǐng)域時，最難克服各種包含紅外線的光源如強日光的干擾。外界光源的干擾已經(jīng)成為紅外應(yīng)用領(lǐng)域的瓶頸。為了解決這一問題，提出了一種紅外速度傳感器的設(shè)計方案。該設(shè)計方案可為實時速度和相位加速度的多點測量提供技術(shù)支持，可應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中的速度測量，如高速公路速度測量和生產(chǎn)線下料的速度、稱重。紅外發(fā)射器的驅(qū)動可分為兩種驅(qū)動模式:電平型和脈沖型。獨立的光電傳感器由紅外計數(shù)管陣列組成。這種傳感器的創(chuàng)新之處在于它能夠抵抗外界強烈的光干擾。太陽光包含干擾紅外接收管的紅外線。光線會開啟紅外接收二極管，導(dǎo)致系統(tǒng)誤判，甚至整個系統(tǒng)癱瘓。本發(fā)明的優(yōu)點是可以設(shè)置多點采集，可以根據(jù)需要選擇發(fā)射器陣列的間距和陣列數(shù)量。紅外技術(shù)是眾所周知的，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)、國防科學(xué)技術(shù)、工農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)等領(lǐng)域。紅外傳感系統(tǒng)是用紅外線為介質(zhì)的測量系統(tǒng)，按照功能能夠分成五類：
（1）輻射計，用于輻射和光譜測量；
（2）搜索和跟蹤系統(tǒng)，用于搜索和跟蹤紅外目標(biāo)，確定其空間位置并對它的運動進(jìn)行跟蹤；
（3）熱成像系統(tǒng)，可產(chǎn)生整個目標(biāo)紅外輻射的分布圖像；
（4）紅外測距和通信系統(tǒng)；
（5）混合系統(tǒng)，是指以上各類系統(tǒng)中的兩個或者多個的組合。
2.4. 超聲波技術(shù)
超聲波是一種頻率高于20000赫茲的聲波。它方向性好，穿透力強，易于獲得集中聲能，在水中傳播距離長。它可用于測距、測速、清洗、焊接、碎石、殺菌等。它在醫(yī)學(xué)、軍事、工業(yè)和農(nóng)業(yè)中有許多應(yīng)用。超聲波之所以被命名是因為它的頻率下限大于聽力上限。
科學(xué)家稱每秒振動的次數(shù)為聲音的頻率，單位是赫茲。我們?nèi)祟惗淠苈牭降穆暡l率是20赫茲-20000赫茲。因此，我們稱頻率高于20000赫茲的聲波為“超聲波”?！巴ǔＳ糜卺t(yī)療診斷的超聲波頻率為1兆赫至30兆赫。
超聲波技術(shù)是20世紀(jì)發(fā)展起來的高新技術(shù)，是一門新興的跨學(xué)科前沿科學(xué)。超聲波技術(shù)的發(fā)展為化學(xué)工業(yè)、食品、生物、醫(yī)學(xué)等學(xué)科的研究開辟了新的領(lǐng)域，并在應(yīng)用方面對上述行業(yè)產(chǎn)生了重大影響。作為聲學(xué)研究的重要組成部分，超聲波在現(xiàn)代分離技術(shù)中的研究也取得了一些進(jìn)展。
它已經(jīng)引起了美國、德國、加拿大、日本和中國科學(xué)家的廣泛關(guān)注。超聲波技術(shù)的發(fā)展為化學(xué)工業(yè)、食品、生物、醫(yī)學(xué)等學(xué)科的研究開辟了新的領(lǐng)域，并在應(yīng)用方面對上述行業(yè)產(chǎn)生了重大影響。作為聲學(xué)研究的重要組成部分，超聲波在現(xiàn)代分離技術(shù)中的研究也取得了一些進(jìn)展。
超聲波有三種基本作用機制，即機械機制、熱機制和空化機制。
由于其獨特的功能，超聲波在各種分離領(lǐng)域越來越顯示出其重要性。超聲波對兩相或多相體系的作用會產(chǎn)生各種效應(yīng)，如空化效應(yīng)、湍流效應(yīng)、擾動效應(yīng)、界面效應(yīng)和能量積累效應(yīng)，其中湍流效應(yīng)使邊界層變薄，提高傳質(zhì)速率。擾動效應(yīng)加強了微孔的擴散。界面效應(yīng)增加了傳質(zhì)表面積。能量效應(yīng)激活分離物質(zhì)的分子。所有這些效應(yīng)都會引起傳播介質(zhì)的特定變化，從而促進(jìn)整個分離過程。超聲波可以應(yīng)用于各行各業(yè)。一般來說，它可以分為檢測超聲和功率超聲。檢測超聲被用作超聲中的信號，例如b超、雷達(dá)和水聲應(yīng)用。功率超聲是利用機械、熱、空化、生物醫(yī)學(xué)(粉碎、乳化等)的高功率超聲。)和聲能的化學(xué)效應(yīng)。可用于超聲波焊接、超聲波催化、超聲波清洗、超聲波加工(沖壓、雕刻、拋光等)。)、超聲波治療、超聲波手術(shù)、超聲波美容、超聲波霧化、超聲波測距、超聲波馬達(dá)和超聲波懸浮。
3. 系統(tǒng)方案的分析選擇
當(dāng)今，智能系統(tǒng)正在知識工程、計算機科學(xué)、機電一體化和工業(yè)集成等許多領(lǐng)域得到應(yīng)廣泛的應(yīng)用。人們要求系統(tǒng)變得越來越智能。顯然，傳統(tǒng)的控制理念不能滿足人們的需求，而智能控制和這些傳統(tǒng)控制有機地結(jié)合起來，相互學(xué)習(xí)，提高整體優(yōu)勢，更好地滿足人們的需求。隨著人工智能技術(shù)、計算機技術(shù)和自動控制技術(shù)的飛速發(fā)展，智能控制必將迎來其發(fā)展的新時代。計算機控制與電子技術(shù)的結(jié)合為智能電子設(shè)備開辟了廣闊的前景。因此，智能技術(shù)的研究和應(yīng)用具有重要意義和很高的市場價值。
每個輪式智能移動機器人都可以看作是一個自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可分為兩部分:控制硬件和控制軟件。控制硬件包括執(zhí)行器(驅(qū)動電機和驅(qū)動輪)、硬件電路和傳感器?？刂栖浖w信息處理和控制算法。
自動控制系統(tǒng)
信息處理
控制算法
執(zhí)行機構(gòu)
控制硬件
控制軟件
硬件電路
傳感器
圖1 系統(tǒng)原理框圖
根據(jù)設(shè)計要求和設(shè)計內(nèi)容，采用基于單片機的控制方案，設(shè)計出系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。
圖2 系統(tǒng)總體框圖
3.1. 主控系統(tǒng)選用
根據(jù)設(shè)計要求，我認(rèn)為此設(shè)計屬于多輸入量的復(fù)雜程序控制問題。據(jù)此，擬定了以下兩種方案并進(jìn)行了綜合的比較論證，具體如下：
方案一：選用一片CPLD（如EPM7128LC84-15）作為系統(tǒng)的核心部件，實現(xiàn)控制與處理的功能。CPLD具有速度快、編程容易、資源豐富、開發(fā)周期短等優(yōu)點，可利用VHDL語言進(jìn)行編寫開發(fā)。但CPLD在控制上較單片機有較大的劣勢。同時，CPLD的處理速度非?？?，而小車的行進(jìn)速度不可能太高，那么對系統(tǒng)處理信息的要求也就不會太高，在這一點上，MCU就已經(jīng)可以勝任了。若采用該方案，必將在控制上遇到許許多多不必要增加的難題。為此，我們不采用該種方案，進(jìn)而提出了第二種設(shè)想。
方案二：采用單片機作為整個系統(tǒng)的核心，用其控制行進(jìn)中的小車，以實現(xiàn)其既定的性能指標(biāo)。充分分析我們的系統(tǒng)，其關(guān)鍵在于實現(xiàn)小車的自動控制，而在這一點上，單片機就顯現(xiàn)出來它的優(yōu)勢——控制簡單、方便、快捷。這樣一來，單片機就可以充分發(fā)揮其資源豐富、有較為強大的控制功能及可位尋址操作功能、價格低廉等優(yōu)點。因此，這種方案是一種較為理想的方案。
現(xiàn)在，具有智能功能的電子產(chǎn)品通常用的控制器為單片機，它具有集成度高、體積小，可靠性高、實用溫度范圍寬，有優(yōu)良的性能價格比，控制功能強，外部總線豐富，功能擴展性強及低功耗等特有的優(yōu)良性能，因而得到了廣泛應(yīng)用。它推動了嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展并深入到各個領(lǐng)域，已經(jīng)成為工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、科研、教育以及日常生活的各個領(lǐng)域的智能化工具，也是現(xiàn)代電子系統(tǒng)中重要的智能化工具，對各行各業(yè)的技術(shù)改造以及產(chǎn)品的更新?lián)Q代起到了極大的推動作用。但是，當(dāng)今社會單片機廠商多如牛毛，產(chǎn)品性能不盡相同。常用的典型的單片機有 Intel公司的 MCS-51 系列單片機、Motorola 公司的 M68 系列單片機、Philips 公司的 P系列單片機、WinBond（華邦）公司的 W77、W78 系列單片機、Atmel 公司生產(chǎn)的 AT89 系列單片機、EPSON 公司的單片機等 。本設(shè)計設(shè)計的是一個復(fù)雜程序控制系統(tǒng)，具有多開關(guān)量輸入的特點。因此，控制核心需要用擅長處理多開關(guān)量的標(biāo)準(zhǔn)單片機，而不能用精簡 I/O 口和程序存儲器的小體積單片機。針對本設(shè)計特點——多開關(guān)量輸入的復(fù)雜程序控制系統(tǒng)，需要擅長處理多開關(guān)量的標(biāo)準(zhǔn)單片機，而不能用精簡I/O口和程序存儲器的小體積單片機，D/A、A/D功能也不必選用。
在綜合考慮了傳感器、兩部電機的驅(qū)動等諸多因素后，本設(shè)計最終決定采用一片STC公司的 STC89C52RC 單片機，充分利用 STC89C52RC 單片機的資源和適合復(fù)雜控制應(yīng)用場合的特點。51單片機具有功能強大的位操作指令，I/O口均可按位尋址，程序空間多達(dá)8K，對于本設(shè)計也綽綽有余，更可貴的是51單片機價格非常低廉。
圖3 89C52RC型單片機
3.2. 電機模塊的選用
3.2.1. 電動機的選擇
輪式移動機器人中使用的驅(qū)動電機除了具有一定的電機功能標(biāo)準(zhǔn)之外，還應(yīng)該參考以下幾點特殊性：
(1)方便性。驅(qū)動電機應(yīng)該具有簡單的操作性。在本設(shè)計中，對電機的要求僅僅是利用主控芯片的 PWM 對驅(qū)動電機在不同場合下的電機調(diào)速。
(2)可靠性。在驅(qū)動電機調(diào)速過程中，要求的非常精確，這就使得驅(qū)動電機必須要有可靠的執(zhí)行命令的能力?？煽啃阅軓姡磻?yīng)快速，適合復(fù)雜的環(huán)境操作。
(3)適應(yīng)性。移動機器人中應(yīng)用的電機不同于其他環(huán)境的靜態(tài)使用的電機，這就要求驅(qū)動電機能夠適應(yīng)很多復(fù)雜的環(huán)境。
(4)低成本性。在一些移動機器人中，應(yīng)用的驅(qū)動電機非常多，例如舞蹈機器人中每個關(guān)節(jié)都需要一個驅(qū)動電機。為了滿足上面的特殊性，還得要求控制成本，那么就需要選擇一個性價比較高的驅(qū)動電機。
因此，步進(jìn)電動機與直流電動機在輪式移動機器人的執(zhí)行機構(gòu)中常常作為首選。
步進(jìn)電機最基本的功能是將外部的電脈沖信號經(jīng)過信號處理轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制執(zhí)行機構(gòu)。在理想條件 下，步進(jìn)電機的電機轉(zhuǎn)速、停止的位置、調(diào)零的位置均只取決于外部電脈沖信號的頻率大小和脈沖數(shù)。在電機沒有超負(fù)荷運轉(zhuǎn)的情況下，如果給電機加一個脈沖信號，并且有足夠的電壓范圍，驅(qū)動步進(jìn)電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度(稱為“步距角”)。當(dāng)步進(jìn)電機驅(qū)動器接收到外部的一個脈沖信號，便可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。使得在速度、位置等工業(yè)控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機來控制變的非常的簡單。
直流電機就是將直流電能轉(zhuǎn)換成機械能的電機，由定子和轉(zhuǎn)子組成。直流電動機因其良好的調(diào)速性能而在電力拖動中得到廣泛應(yīng)用。直流電動機按勵磁方式分為永磁、他勵和自勵3類，其中自勵又分為并勵、串勵和復(fù)勵3種。直流電動機的調(diào)速方法分為兩種：勵磁控制和電樞電壓控制。其中勵磁控制方法的控制功率小，在低速時受到磁飽和的限制，在高速時受到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強度的限制，且由于勵磁線圈電感較大，動態(tài)響應(yīng)較差。所以通常采用電樞電壓控制法即通過改變電樞端電壓的控制方法進(jìn)行調(diào)速。
綜合以上選擇標(biāo)準(zhǔn)以及兩種電動機的調(diào)速原理、購買成本、結(jié)構(gòu)尺寸和操作性等方面，本課題決定選用步進(jìn)電機作為輪式智能移動機器人的執(zhí)行電機。
在電機型號的選取方面，由于此款輪式機器人在相對平坦且有足夠摩擦力的地面上行駛，不需要大扭矩大功率的執(zhí)行電機，因此本文選用電機市場上最常見且性價比相對較高的42系列步進(jìn)電機中的兩相四線制步進(jìn)電機，選 用型號為42-2S39Q-05026。其驅(qū)動裝置則采用A4988高性能驅(qū)動器。
圖4 42系列步進(jìn)電機及A4988電機驅(qū)動芯片
3.2.2. 驅(qū)動器選擇
方案一：采用繼電器對電動機的開或關(guān)進(jìn)行控制,通過開關(guān)的切換對小車的速度進(jìn)行調(diào)整.此方案的優(yōu)點是電路較為簡單,缺點是繼電器的響應(yīng)時間慢,易損壞,壽命較短,可靠性不高。
方案二：采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)節(jié)電動機的分壓，從而達(dá)到分壓的目的。但電阻網(wǎng)絡(luò)只能實現(xiàn)有級調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價格比較昂貴。更主要的問題在于一般的電動機電阻很小，但電流很大，分壓不僅回降低效率，而且實現(xiàn)很困難。
方案三：采用帶轉(zhuǎn)換器和過流保護的DMOS微步進(jìn)電機驅(qū)動器，用于操作雙極步進(jìn)電機，只需要一路PWM就能驅(qū)動，時序簡單，方便控制分步、電流細(xì)分、靜止電流。只要在“STEP”引腳輸入一個脈沖，即可驅(qū)動電動機產(chǎn)生微步。無須進(jìn)行相位順序表、高頻率控制行或復(fù)雜的界面編程。A4988界面非常適合復(fù)雜的微處理器不可用或過載的應(yīng)用。該產(chǎn)品可在全、半、1/4、1/8?及?1/16?步進(jìn)模式時操作雙極步進(jìn)電動機，且在步進(jìn)模式，輸出驅(qū)動的能力35V和±2A。A4988?包括一個固定關(guān)斷時間電流穩(wěn)壓器，該穩(wěn)壓器可在慢或混合衰減模式下工作。
綜上所述，選擇方案三的A4988型步進(jìn)電動機器驅(qū)動，它主要特點為：
1、控制簡單，只需要控制STEP與DIR兩個端口；
2、精度調(diào)整，五種不同的步進(jìn)模式：全、半、1/4、1/8、1/16；
3、可調(diào)電位器可以調(diào)節(jié)輸出電流，從而獲得更高的步進(jìn)率；
4、兼容3.3V和5V邏輯輸入；
5、可以自動電流衰減模式檢測/選擇；
6、具有過熱關(guān)閉電路、欠壓鎖定、交叉電流保護；接地短路保護和加載短路保護；
圖5 A4988驅(qū)動合成模塊及散熱器
3.3. 供電電源模塊選用
方案一：采用實驗室有線電源通過穩(wěn)壓芯片供電，其優(yōu)點是可穩(wěn)定的提供5V電壓，但占用資源過大。
方案二：采用4支1.5V電池單電源供電，但6V的電壓太小不能同時給單片機與與電機供電。
方案四：采用11.1v 25c鋰電池作為主電源分別給單片機與電機供電可解決方案二的問題且能讓小車完成其功能。
所以，我選擇了方案三來實現(xiàn)供電。
圖6 使用的12V 1800mAh電源
本設(shè)計軟件程序設(shè)計采用了模塊化思想，分為循跡模塊、避障模塊兩個部分。通過單片機接收到循跡模塊、避障模塊采集的信號，經(jīng)過處理，再由單片機對電機驅(qū)動程序來控制小車的動作，完成指定目標(biāo)。采用此種供電方式可以減輕智能小車的體積和重量，能夠滿足節(jié)能和高效的要求。5V穩(wěn)壓芯片的選擇考慮7805穩(wěn)壓塊和LM317T系列兩種方法，而7805的轉(zhuǎn)換效率低于40％，LM317T的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到75％以上。通過分析比較。采用LM317T穩(wěn)壓芯片，芯片電路圖如圖7所示。
圖7 LM317T穩(wěn)壓芯片原理圖
圖8 LM317T電源芯片及合成模塊
3.4. 自主循跡和避障方案的選用
根據(jù)本課題的要求，即實現(xiàn)輪式智能移動機器人的自主避障與自主巡線功能。所謂自主避障就是在尋找到最優(yōu)路徑到達(dá)目的地的過程中如何搜索到障礙物、自動躲避及越過障礙物的問題；自主巡線也稱自主導(dǎo)航即在無人引導(dǎo)情況下如何自主沿著特定的路徑到達(dá)目的地的問題。
3.4.1. 自主循跡方案
依上文所述，現(xiàn)代自動AGV系統(tǒng)即輪式智能移動機器人系統(tǒng)是一個自動控制系統(tǒng)，導(dǎo)航技術(shù)是其核心技術(shù)。根據(jù)引導(dǎo)信息的來源，引導(dǎo)方式可分為外導(dǎo)式和內(nèi)導(dǎo)式；根據(jù)AGV引導(dǎo)線路的形式，又分為有線式和無線式，以上兩大類的具體引導(dǎo)方法見表2.1。
表1 常見的引導(dǎo)方式
引導(dǎo)方法
工作原理
優(yōu)點
缺點
光學(xué)反射式
在工作區(qū)域的地上繪制或鋪設(shè)特定顏色和形狀的路徑標(biāo)識線，應(yīng)用光電探頭檢測標(biāo)識線的存在及其偏移位置，以控制機器人的運行
成本費用較低
這種導(dǎo)引方式對運動環(huán)境的清潔性要求較高
埋線電磁感應(yīng)式
在工作區(qū)域的地下埋設(shè)導(dǎo)線，施加特定頻率的交流電而產(chǎn)生相應(yīng)的交變磁場信號，磁場傳感器檢測此信號并控制輪式移動機器人的運動過程
埋線隱蔽，不易污染破壞，易于控制和通信，抗聲光干擾強
路徑設(shè)置復(fù)雜且變更柔性較差、成本較高、
激光反射式
在工作區(qū)域的固定位置安裝反射板，AGV頂端設(shè)計安放一個可旋轉(zhuǎn)的激光發(fā)射接收器，檢測機器人與各反射板的夾角或距離，然后根據(jù)反射板坐標(biāo)計算出機器人的二維坐標(biāo)方向
反射板的設(shè)置簡單、路徑的變?nèi)嵝暂^好
對空間的無障礙性要求較高
視覺導(dǎo)航式
通過光學(xué)攝像頭獲取周邊或者地面路徑標(biāo)示圖像后，再進(jìn)行圖像處理識別出環(huán)境信息，感知AGV的位置，從而引導(dǎo)AGV行進(jìn)
信息量豐富，柔性好，且易于布置
容易受到外界環(huán)境干擾
坐標(biāo)引導(dǎo)式
按直角坐標(biāo)系統(tǒng)將機器人行走區(qū)域分成網(wǎng)格，網(wǎng)格交義點安裝若干磁性體或其他種類的內(nèi)存信息的標(biāo)碼測知位置，機器人根據(jù)地圖坐標(biāo)行走，并且用編碼器進(jìn)行測距
簡化路面鋪設(shè)，對環(huán)境無特別要求
引導(dǎo)精度差，不適合大車間作業(yè)
慣性導(dǎo)航式
采用陀螺儀檢測機器人方位角并根據(jù)從某一個參考點出發(fā)所測定的行駛距離來確定當(dāng)前位置，通過與已知的地圖路線進(jìn)行比較來控制機器人的運動方向和距離
靈活性強，便于組合和兼容，尤其適合背陀式車型
需要輔助地圖信息
因此，綜合考慮成本費用、實驗條件以及各個導(dǎo)航方式的優(yōu)缺點和在本課題能力范圍內(nèi)的可操作性等，本文研究決定采取光學(xué)反射式導(dǎo)航方式作為輪式移動機器人的自主巡線方案。
3.4.2. 循跡方案與傳感器
路徑識別模塊也就是循跡模塊，是智能小車控制系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊之一，它將路況的信息輸給控制模塊，獲取更多、更遠(yuǎn)、更精確的道路信息以提高智能車的運行速度和運行穩(wěn)定性。通常采用的路徑識別方案有紅外光電傳感器尋跡和紅外對管尋跡兩種方案。
方案一：采用簡易光電傳感器結(jié)合外圍電路探測，但實際效果并不理想，對行駛過程中的穩(wěn)定性要求很高，且誤測機率較大、易受光線環(huán)境和路面介質(zhì)影響。在使用過程中極易出現(xiàn)問題，而且容易因為 該部件造成整個系統(tǒng)的不穩(wěn)定。故最終未采用該方案。
圖9 光電傳感器外圍探測電路
方案二：采用紅外對管尋跡(圖10)，分別置于小車車身中軌道的兩側(cè)，根據(jù)兩只光電開關(guān)接受到白線與黑線的情況來控制小車轉(zhuǎn)向來調(diào)整車向，測試表明，只要合理安裝好兩只光電開關(guān)的位置就可以很好的實現(xiàn)循跡的功能。方案三：采用三只紅外對管，一只置于軌道中間，兩只置于軌道外側(cè)，當(dāng)小車脫離軌道時，即當(dāng)置于中間的一只光電開關(guān)脫離軌道時，等待外面任一只檢測到黑線后，做出相應(yīng)的轉(zhuǎn)向調(diào)整，直到中間的光電開關(guān)重新檢測到黑線（即回到軌道）再恢復(fù)正向行駛。現(xiàn)場實測表明，小車在尋跡過程中有一定的左右搖擺不定，雖然可以正確的循跡但其成本與穩(wěn)定性都次與第二種方案。 通過比較，我選取第二種方案來實現(xiàn)循跡。
圖10 紅外對管
紅外光電傳感器路徑識別電路由一系列發(fā)光二極管、接收二極管組成，由于賽道中存在軌跡指示黑線，落在黑線區(qū)域內(nèi)的光電二極管接收到的反射光線強度與白色的賽道不同，由此判斷行車方向。其優(yōu)點是對單片機資源消耗少、響應(yīng)速度快，缺點是受制于傳感器的數(shù)量，賽道空間分辨率低，對于智能車前方路面不能預(yù)判，前瞻性差。TCRT5000紅外反射傳感器的紅外發(fā)射二極管不斷發(fā)射紅外線，當(dāng)發(fā)射出的紅外線沒有被反射回來或被反射回來但強度不夠大時，光敏三極管一直處于關(guān)斷狀態(tài)，此時模塊的輸出端為高電平，指示二極管一直處于熄滅狀態(tài)；被檢測物體出現(xiàn)在檢測范圍內(nèi)時，紅外線被反射回來且強度足夠大，光敏三極管飽和，此時模塊的輸出端為低電平，指示二極管被點亮，原理圖如圖10所示。
綜上所述，本設(shè)計選用紅外發(fā)發(fā)射與接收管，通過紅外發(fā)射管發(fā)射紅外線。當(dāng)檢測到黑線路徑時，紅外線被反射回來，被接紅外接收管接收，再通過比較器處理后，可以使得周圍光線干擾減少。而且該模塊具有便于安裝、使用便利等特點。
3.4.3. 自主避障方案
根據(jù)上文提到的有關(guān)避障的定義，本課題采用利用超聲波傳感器測量機器人與前方障礙物的距離參數(shù)并設(shè)定一定的安全距離的方法來實現(xiàn)自主避障功能。
3.4.4. 避障方案與傳感器
方案一：采用一只紅外對管置于小車中央。其安裝簡易，也可以檢測到障礙物的存在，但難以確定小車在水平方向上是否會與障礙物相撞，也不易讓小車做出精確的轉(zhuǎn)向反應(yīng)。
方案二：采用二只紅外對管分別置于小車的前端兩側(cè)，方向與小車前進(jìn)方向平行，對小車與障礙物相對距離和方位能作出較為準(zhǔn)確的判別和及時反應(yīng)。但此方案過于依賴硬件、成本較高、缺乏創(chuàng)造性，而且置于小車左方的紅外對管用到的幾率很小，所以最終未采用。
方案三：采用一只超聲波距離模塊置于小車前側(cè)。通過測試此種方案就能很好的實現(xiàn)小車避開障礙物，且充分的利用資源而不浪費。通過比較我采用方案三。
該系統(tǒng)在前進(jìn)的道路遇到障礙物，便無法正常通過。該系統(tǒng)設(shè)計采用超聲波傳感器模塊進(jìn)行障礙物的檢測，并設(shè)計了避障判斷子程序?qū)崿F(xiàn)避障功能。該系統(tǒng)用于檢測前方是否有障礙物的元件是 HC-SR04 小型超聲波傳感器。該傳感器發(fā)射器發(fā)出的超聲波信號會在小車前方出現(xiàn)障礙物時被反射回來。該傳感器的接收器負(fù)責(zé)接收反射信號。該信號經(jīng)過處理后傳輸給主控芯片，由程序?qū)崿F(xiàn)避障判斷。當(dāng)該系統(tǒng)檢測到前方有障礙物時，可自行調(diào)整方向，繞開障礙物，繼續(xù)前進(jìn)。
圖11 HC-SR04 小型超聲波傳感器
超聲波模塊部分使用的是 HC-SR04 測距模塊，可以提供 2cm-400cm 的非接觸式距離感測功能，測距精度可達(dá)3mm。模塊由超聲波發(fā)射器，接收器和控制電路組成。采用單片機 I/O 口來觸發(fā)測距，模塊自動發(fā)送 8 個 40kHz 的方波，同時檢測是否有信號返回，然后通過 I/O 口輸出高低電平，高電平持續(xù)的時間為超聲波從發(fā)射到返回的時間，根據(jù)聲音傳播的公式[8]：距離=（時間 * 聲速（340m/S））/2 可得：測試距離=（高電平時間 * 聲速（340m/S））/2。在控制口發(fā)出高電平，等待接收口接收到高電平時即打開計時器定時，當(dāng)接收到低電平時讀取定時器的值，取兩者的差值即為本次測量的時間，不斷進(jìn)行周期測量，再通過上述的公式即可達(dá)到超聲波測距的功能。通過在車上搭載的超聲波測距模塊可以實現(xiàn)超聲波避障功能。當(dāng)小車啟動時同時啟動超聲波模塊，舵機歸中以確保超聲波模塊正對小車前方，在程序中給超聲波測距模塊設(shè)定一個閾值開始工作，如設(shè)定的閾值為 10cm，那么當(dāng)檢測到前方障礙物小于該值（10cm）時，小車停止并運用舵機配合超聲波測量小車左方和右方離障礙物的距離，同時將這兩個距離送由單片機作比較，如果左邊離障礙物的距離大于右邊的測量值小車左轉(zhuǎn)，反則同理。
3.5. 傳感器的選用
無論采用哪種方式來實現(xiàn)智能移動機器人的自主巡線與避障，傳感器的選擇和使用都是至關(guān)重要的，因為它好比智能輪式移動機器人的眼睛，路徑識別的好壞直接關(guān)系到移動機器人控制性能的優(yōu)劣。
在輪式智能移動機器人的避障系統(tǒng)中，傳感器的主要作用是在機器人躲避障礙物過程中為系統(tǒng)提供兩種信息：
(1) 機器人附近障礙物的存在信息。
(2) 障礙物與機器人間的距離信息。目前，應(yīng)用較為廣泛的避障傳感器一般包括視覺傳感器、紅外傳感器、超聲波傳感器等。
關(guān)于自主巡線傳感器的選用，由于本文自主巡線方式選用表1中提到的光學(xué)反射式，因此目前可供選用的傳感器多為紅外傳感器、光電開關(guān)等。
3.5.1. 超聲波傳感器
超聲波是一種振動頻率高于聲波的機械波，由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產(chǎn)生的，在碰到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射回波。超聲波傳感器就是根據(jù)超聲波在物體界面上的反射、散射特性檢測物體存在與否的。超聲波頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好，而且超聲波傳感器信息處理簡單并且價格低廉，被廣泛用在機器人環(huán)境建模、測量距離等任務(wù)中。但超聲波傳感器受環(huán)境溫度、濕度等條件的影響，且存在測量盲區(qū)，而且對于過大的障礙物可能發(fā)生鏡面反射，所以利用超聲測距時，所得測量值與實際值存在一定的誤差。
目前超聲波測距的方法有很多種，如渡越時間檢測法、聲波幅值檢測法、相位檢測法等。渡越時間檢測法是利用控制芯片將回波的返回延時換算成與障礙物的距離；聲波幅值檢測法是看回波的幅度大小，在軟件上實現(xiàn)距離的檢測；相位檢測法是通過測量返回波與發(fā)射波之間相差多少相位，來判斷距離。
3.5.2. 紅外線傳感器
紅外測距傳感器具有一對紅外信號發(fā)射與接收二極管，發(fā)射管發(fā)射特定頻率的紅外信號，接收管接收這種頻率的紅外信號，當(dāng)紅外的檢測方向遇到障礙物時，紅外信號反射回來被接收管接收，經(jīng)過處理之后，便能判斷是否存在障礙物，是一種比較有效的近距離傳感器。紅外傳感器具有以下特點：不受電磁波的干擾、可以實現(xiàn)非接觸性測量。而且，紅外線不受可見光的影響，可在晝夜進(jìn)行測量。但由于發(fā)射的紅外線容易受物體的顏色、周圍的光線的影響，導(dǎo)致經(jīng)常出現(xiàn)一定的測量誤差，而且測距范圍較小。
3.5.3. SRF04超聲波測距模塊
該SRF04超聲波模塊是由韓國制造的用于測量與物體之間距離的傳感器模塊，其外形如圖12所示。根據(jù)該模塊的使用手冊，SRF04超聲波測距模塊的測量范圍為2cm-10.7m，工作電壓為5V直流電源。其工作時序圖如圖13所示。
圖12 SRF04超聲波測距模塊
圖13 SRF04工作時序
根據(jù)SRF04的時序圖可知，用戶必須在軟件編程上給它提供一個不少于10的觸發(fā)脈沖信號才能使該超聲波測距模塊工作。之后該模塊會自動發(fā)出一組具有8個周期的40kHz超聲波并且將其回聲線置位，當(dāng)回聲超聲波觸碰到障礙物后該模塊立即將回聲線復(fù)位。因此回聲脈沖的寬度與障礙物的距離成正比例，即該超聲波測距模塊的測量方法屬于上文提到的渡越時間檢測法。利用該模塊測量距離的計算公式為：
（1）
在公式（1）中，P為回聲脈沖即回波延時，以計算；D代表測量距離。以cm計算。
SRF04超聲波測距模塊的引腳功能圖如圖14所示。
圖14 SRF04引腳功能圖
由圖14可知，SRF04引腳由上往下依次為5V電源引腳、回聲輸出引腳、觸發(fā)引腳、空引腳和接地引腳。
3.5.4. 五路巡線傳感器模塊
五路巡線傳感器模塊是為智能小車、機器人等自動化機械裝置提供一種巡線傳感器的解決方案。使用 TCRT5000 傳感器，降低其它光源對接收管工作狀態(tài)的不利影響，以期達(dá)到一種理想的狀態(tài)。
表2 TCRTC傳感器主要參數(shù)
使用芯片
74HC14D
工作電壓
3.3V-5V
輸出模式
數(shù)字信號
測量距離
1CM-1.5CM
檢測探頭
TCRT5000L
檢測信號
探測黑線輸出低電平，探測白線輸出高電平，超出探測低電平
LED狀態(tài)
LEDLED
圖15 單路原理圖
說明：圖為單一電路，模塊上共有5 路相同的電路。
主要特性：
1.易于安裝，使用簡便
2.模塊高度≤12 毫米
3.安全工作電壓范圍在 3 伏特至 9 伏特之間
4.工作電流 40 毫安至 145 毫安之間
5.測到不反光表面時，相應(yīng)引腳輸出低電平
6.VCC、GND:電源接線端
7.1OUT、2OUT、3OUT、4OUT：探測到不反光表面時，相應(yīng)引腳輸出低電平
8.R1、R2、R3、R4：對應(yīng)比較電壓調(diào)節(jié)
9.輸出端為極電極開路，板載 5.1 千歐上拉電阻
10.適用于寬度≤17 毫米以下的色條或者寬度為 17 毫米電工膠帶檢測
表3 傳感器模塊主要參數(shù)
項目名稱
測試條件
數(shù) 值
單位
最小值
典型值
最大值
輸入電壓
≤25 攝氏度
3.0
5.0
9.0
伏特
輸入電流
40.0
75.0
145.0
毫安
限流電阻溫度
45
攝氏度
圖16 產(chǎn)品外觀及引腳功能圖
圖17 傳感器安裝位置示意圖
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4. 機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計與制作
在輪式移動機器人系統(tǒng)中，任何一種控制算法和軟件程序都需要一定的機械結(jié)構(gòu)來執(zhí)行和實現(xiàn)的，因此在設(shè)計電路硬件和軟件編程之前應(yīng)對輪式移動機器人的機械結(jié)構(gòu)有較好的認(rèn)識與把握從而做出適合的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計。
4.1. 機械設(shè)計的基本要求
機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求，包括對機器整機的設(shè)計要求和對組成零件的設(shè)計要求兩個方面，兩者相互聯(lián)系、相互影響。
4.1.1. 對機器整機設(shè)計的基本要求
對機器使用功能方面的要求：實現(xiàn)預(yù)定的使用功能是機械設(shè)計的最基本的要求，好的使用性能指標(biāo)是設(shè)計的主要目標(biāo)。另外操作使用方便、工作安全可靠、體積小、重量輕、效率高、外形美觀、噪聲低等往往也是機械設(shè)計時所要求的。
對機器經(jīng)濟性的要求：機器的經(jīng)濟性體現(xiàn)在設(shè)計、制造和使用的全過程中，在設(shè)計機器時要全面綜合的進(jìn)行考慮。設(shè)計的經(jīng)濟性體現(xiàn)為合理的功能定位