畢業(yè)論文——智能循線避障小車設計與制作

1、<p>　　智能循線避障小車設計與制作</p><p>　　【摘 要】: 提出了一種智能循線避障小車的設計方法，利用紅外技術檢測障礙物和采集地面信息，采用AT89S51單片機進行適時控制，實現(xiàn)智能循線和避障，并且精確地顯示運行速度等參數(shù)。智能小車采用后輪驅動，兩輪各用一個步進電機執(zhí)行，速度檢測的傳感器采用紅外對射式，尋路避障用的傳感器采用紅外反射式，速度檢測的碼盤采用手工制作。</p>

2、<p>　　【關鍵詞】: 循線 避障 紅外傳感 碼盤</p><p>　　【Abstract】: This paper presents a design method of smart car which can patrol and avoid obstacles intelligently. We use infrared technique to detect obstacles and

3、gather ground information and use AT89S51 SCM to make a timing control. Then it not only can achieve the routes patrol and obstacle avoidance, but also show the speed and precision parameters. The smart car uses the rear

4、-wheel drive, which is executed by a stepper motor. The infrared sensors for detecting speed use the infrared correla</p><p>　　【Keywords】: go on circuit； avoid obstacle；Infrared Sensors ；encoder ；</p>

5、<p><b>　　1 前言</b></p><p>　　隨著生產(chǎn)自動化的發(fā)展，機器人已經(jīng)越來越廣泛地應用到生產(chǎn)自動化上，隨著科學技術的發(fā)展，機器人的感覺傳感器種類越來越多，其中視覺傳感器成為自動行走和駕駛的重要部件。視覺的典型應用領域為自主式智能導航系統(tǒng)，對于視覺的各種技術而言圖像處理技術已相當發(fā)達，而基于圖像的理解技術還很落后，機器視覺需要通過大量的運算也只能識別一些結構化

6、環(huán)境簡單的目標。視覺傳感器的核心器件是攝像管或CCD，但其價格、體積和使用方式上并不占優(yōu)勢，因此在不要求清晰圖像只需要粗略感覺的系統(tǒng)中考慮使用接近覺傳感器是一種實用有效的方法。</p><p>　　機器人要實現(xiàn)自動導引功能和避障功能就必須要感知導引線和障礙物，感知導引線相當給機器人一個視覺功能。故對機器人的研究已成為必要。 智能循線和避障是基于智能導引小車系統(tǒng)，采用紅外傳感器實現(xiàn)小車速度檢測，判斷并檢測障礙物。本

7、文對智能小車的循線，避障以及速度的采集進行了研究。</p><p><b>　　2 硬件設計</b></p><p>　　智能小車采用后輪驅動，后輪左右兩邊各用一個電機驅動，調制兩個后面兩個輪子的轉速從而達到控制轉向的目的，前輪是萬象輪，起支撐的作用。將三個紅外線光電傳感器分別裝在車體的左中右，當車的左邊的傳感器檢測到黑線的邊界時，主控芯片控制左輪電機減速，車向右修

8、正，當車的右邊傳感器檢測到黑線時，主控芯片控制右輪電機減速，車向左修正，中間的傳感器起附帶修正的作用，黑線在車體的中間，中間的傳感器一直檢測到黑線，當偏離黑線時也開始修正，從而使小車沿著黑色的軌道行走，裝中器是為了防止控制電路頻繁的修正。</p><p>　　避障的原理和循線一樣，在車頭的前中后各裝了一個傳感器，當左邊傳感器檢測到障礙物時，車子右輪減速，車體向右轉，當右邊檢測到障礙物時，車子左輪減速，當中間或全部

9、的傳感器都檢測到障礙物時，車子定向轉動，從而避開障礙物。</p><p>　　車子速度的檢測也是靠的紅外線，只不過是器件的型號不同，速度檢測的傳感器用的是對射式，避障用的是直射式。把碼盤裝在電機的軸上，碼盤隨電機一起轉動，碼盤是自己手工制作的，把光碟外形切制成直徑為25mm的圓，再把圓周用鋸條均勻切8條縫，縫的寬度為1mm。</p><p>　　2．1 主控芯片的選擇</p>

10、<p>　　本設計的主控芯片選擇AT89S51，采用雙CPU設計，兩塊單片機的作用:一塊負責采樣速度并顯示，一塊負責檢測傳感器的狀態(tài)并控制電機，這部分還有一個PWM調速的任務，PWM是通過調制電平高低占空比來實現(xiàn)調速的，其調制頻率要求很高，頻率太低了電機會很明顯的振動，由于PWM調速需要用定時器頻繁地產(chǎn)生中斷，后一塊CPU消耗的相當厲害，用PROTUES軟件仿真，CPU消耗是百分之九十幾左右，經(jīng)過測算，調制PWM的定時器設的

11、初值為OxFF00，定時工作方式為1，晶振的頻率為12M，可以計算出每隔256us產(chǎn)生中斷，中斷頻率為3906HZ，用Keil51仿真程序，仿真結果是程序每掃描一次傳感器所用的時間為28us，就是是說程序掃描9次才產(chǎn)生一次中斷，中斷基本上不會影響程序的主任務。</p><p>　　2．2 機械構架的設計</p><p>　　在材料的選擇上選擇鋁合金。在結構的選擇上，底架結合了汽車懸掛式系統(tǒng)

12、，用減震彈簧把車架和動力結構連接器起來，這樣做有諸多優(yōu)點，系統(tǒng)實現(xiàn)了減震，這是其它類型的機器人所不具備的，懸掛式在機器安裝的調試方面也方便快捷。前輪用的是萬向輪，結構的長度我們做成的時可拉伸的，拉伸的范圍在15-30cm。該結構非常靈活。</p><p>　　結構設計時我們考慮到傳感器的安裝問題了，避障傳感器裝在前面的兩個鋁合金夾層里，循線傳感器裝在機器人的中間，這樣才可以保證兩組傳感器不會發(fā)生沖突，使整體顯得協(xié)

13、調。</p><p>　　2．3 電源電路的設計 </p><p>　　本系統(tǒng)所有芯片都需要+5V的工作電壓，而干電池只能提供的電壓為1．5V的倍數(shù)的電壓，并且隨著使用時間的延長，其電壓會逐漸下降，則需要L7805穩(wěn)壓芯片。L7805能提供300至500mA的電流，足以滿足芯片供電的要求。雖然微處理器和微控制器不需要支持電路，功耗也很低，但必須要加以考慮。設計采用蓄電池供電模式，一個12伏

14、電壓，可提供最大1．2A的驅動電流。電機驅動電源和控制電路的電源都是由它來提供的。 </p><p>　　2．4 檢測電路設計</p><p>　　智能小車速度檢測的傳感器采用紅外對射式，尋路避障用的傳感器采用紅外反射式，速度檢測的碼盤采用手工制作。</p><p>　　ST系列反射式光電傳感器是經(jīng)常使用的傳感器。這個系列的傳感器種類齊全、價格便宜、體積小、使用方便

15、、質量可靠、用途廣泛。我們采用ST168作為小車的速度傳感器。</p><p>　　在電機測速中，使用較多的有編碼盤與色碼盤，不同的是，色碼盤在一個扇形區(qū)域里只有一種顏色，而編碼盤在同樣的扇形區(qū)域有多種顏色，假設黑色表示0，白色表示1，則這樣的扇形組成二進制編碼，并且相鄰的區(qū)域編碼連續(xù)。這樣我們就可以據(jù)此判斷電機的速度和方向了，但是，它需要的傳感器較多，使用較復雜，而小車的空間很緊張，并且對方向要求不高，所以在

16、小車上使用不多，我們采用手工制作的碼盤。如果發(fā)射管和接收管之間的障礙物時有時無，則接收管的狀態(tài)就呈現(xiàn)0和1的交替，形成脈沖信號。只要對這個脈沖信號計數(shù)，就可以得到小車的行程。我們在車輪的軸上安裝手工制作的碼盤與車輪同軸同步旋轉，就可以得到車輪旋轉的脈沖信號。它常用的檢測電路與反射式光電傳感器一樣，這里就不再贅述。</p><p>　　在避障的測試中，室內無障礙的情況下，發(fā)射管發(fā)射的紅外線沒有反射到接收管，測量接收

17、管的電壓為4．8 ，有白色障礙物情況下，接收管接受到發(fā)射管發(fā)射的紅外線，電阻發(fā)生變化，所分得的電壓也就隨之發(fā)生變化，測的接收管的電壓為0．5，避障的測試基本滿足要求，判斷有無障礙物我們用的一塊比較器LM324， 比較基準電壓由30K的變阻器調節(jié)，各個接收管的參數(shù)都不一致，每個傳感器的比較基準電壓也不盡相同，我們?yōu)槊總€傳感器配備了一個變阻器。</p><p>　　2．5 電機控制部分</p><

18、p>　　電機的選擇，有以下幾種電機可供選擇：步進電機，伺服電機，直流電機，直流減速電機。根據(jù)實際的情況和要求，由于伺服電機在市面上很難買到，且價格過于昂貴，直流電機雖說價格低易于購買，但我們須增加減速機構，而直流減速電機省去了設計復雜減速機構的麻煩，且輸出力矩大，雖說須設計速度反饋電路，但速度反饋比較易于設計，所以我們選擇直流減速電機。</p><p>　　電機的控制部分采用直流H橋集成功放電路直流H橋功放

19、電路是用于控制直流電機雙向運動的基本電路，該電路使電機在單電源供電下可以雙向運轉。圖示電路為用三極管構成的H橋集成功放電路基本形式。為使電機順時針轉，應接通三極管A和D，對電機而言，其電壓右負左正，通過改變不同的三極管導通狀況，可改變電機兩端電壓，達到反轉目的。 </p><p>　　圖3 電機控制電路 圖4 H橋集成功放電路</p><p&g

20、t;　　由主控程序控制這幾個腳就可以達到控制電機正反轉的目的。</p><p>　　為了提高機器人的循線成功系數(shù)，我們采用了PWM進行機器人運轉速度控制，當兩個傳感器感知到引導線條，點亮指示燈并準備做出改變機器人行進方向的響應時，靠程序的PWM控制降低電機的轉速，實現(xiàn)平滑的轉向過程。</p><p>　　PWM調速的基本原理和思想即使通過反復循環(huán)改變ON/OFF的時間分配。但機器人無法借助

21、循環(huán)處理實現(xiàn)PWM，需要通過中斷處理方式實現(xiàn)。設計靠的是89S51的兩個定時器實現(xiàn)的，需要對定時器設定中斷周期，也就是PWM的頻率。請注意，PWM的頻率即時達到數(shù)十千赫茲也能滿足平滑控制的要求，當產(chǎn)生一個很大的弊端，就是中斷次數(shù)過多，導致CPU大部分時間都在處理中斷，實時檢測和控制不能很快的響應和處理。而且電機也存在一個變化速率匹配的問題，所以不妨通過不斷的嘗試，適當?shù)馗淖兩鲜鲈O定值以便得到最佳的效果。</p><p

22、>　　2．6 主控的電路圖</p><p><b>　　圖1 主控電路</b></p><p><b>　　3　主程序設計</b></p><p>　　圖5 系統(tǒng)主程序設計</p><p><b>　?。础〗Y論</b></p><p>　　本文

23、提出了一種經(jīng)濟實用的智能小車系統(tǒng)設計方法，采用了直流減速電機作為執(zhí)行元件，ＳＴ系列紅外傳感器作為檢測元件，ＡＴ89S51單片機作為主控芯片，完成了智能機器人硬件制作及軟件設計，成功實現(xiàn)了自動巡路避障功能，在無軌自動物料小車及工業(yè)智能機器人領域也具有一定的實用價值。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]萬福君， 潘松峰．單片微機原理系

24、統(tǒng)設計及應用[M] ．合肥：中國科學技術大學出版社，2001</p><p>　　[2] (日)森政弘，(日)鈴木泰博．機器人競賽指南 [M] ．北京：科學出版社，2002</p><p>　　[3] 王灝，毛宗源．機器人的智能控制方法[M] ．北京：國際工業(yè)出版社，2002</p><p>　　[4] 張培仁，張志堅．基于16/32位DSP機器人控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)