智能尋跡機(jī)器人

1、智能循跡機(jī)器人 姓 名：梁東杰學(xué) 院：機(jī)械工程學(xué)院 聯(lián)系電話指導(dǎo)老師：張建銳 胡天林目錄摘要1一緒論 （1）智能機(jī)器人的作用和意義.2 （2）智能機(jī)器人現(xiàn)狀.3二硬件的設(shè)計與論證 （1）主控系統(tǒng)6 （2）TCRT5000紅外光電傳感器模塊.7 (3) 電機(jī)驅(qū)動模塊8三軟件系統(tǒng)開發(fā)工具與設(shè)計 （1）軟件系統(tǒng)開發(fā).9 （2）程序設(shè)計語言9 （3）主程序設(shè)計.9四結(jié)語.13五參考文獻(xiàn).141摘要循跡指的是小車在白色地板上沿著2cm寬的黑線行走。紅外傳感器的發(fā)射管發(fā)出紅外線，由接收管接收。同時，接收的物理量被轉(zhuǎn)化成電信號，經(jīng)過信號放大電路處理，由單片機(jī)的P0，P1，P2口輸入

2、，經(jīng)過處理后，信號由P20，P21，P22,P23，P24，P25口輸出給電機(jī)驅(qū)動電路的L293D芯片，從而達(dá)到驅(qū)動小車行走和循跡的目的。循跡時，由于紅外線在白色地板和黑線上的反射系數(shù)不同，所以可以根據(jù)三極管接收紅外線的強弱來決定小車的走向。本設(shè)計采用三對紅外傳感器，采用“一字型”分布。中間傳感器接收不到反射回來的紅外線，而左右兩個傳感器能接收到反射回來的紅外線，則小車直線前進(jìn)；當(dāng)左邊和中間（或只有左邊）的傳感器接收不到反射回來的紅外線，只有右邊傳感器能接收到時，說明小車向右偏離黑色軌道，則小車向左轉(zhuǎn)動；同理，當(dāng)中間和右邊（或只有右邊）的傳感器接收不到反射回來的紅外線，只有左邊傳感器能接收到時

3、，說明小車向左偏離黑色軌道，則小車向右轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)自動循跡。本設(shè)計中紅外傳感器離地面垂直距離為8cm，能在沒有強烈日光干擾或在有日光燈的房間里，完全能滿足探測要求，具有很好的可靠性與抗干擾能力。主要有三個模塊包括信號檢測模塊，主控模塊，電機(jī)驅(qū)動模塊。信號檢測模塊采用紅外光對管，用以對黑線進(jìn)行檢測。主控電路采用STC公司89C51的單片機(jī)位控制芯片。電機(jī)驅(qū)動模塊采用意法半導(dǎo)體的L298N專用電機(jī)驅(qū)動芯片，單片控制與傳統(tǒng)分立元件電路相比，是整個系統(tǒng)有很好的穩(wěn)定性。信號檢測模塊將采集到的路況信號傳入STC89C51單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)處理后對L298N發(fā)出指令進(jìn)行相對的調(diào)整。小車速度有單片機(jī)輸出的PW

4、M波控制。小車的轉(zhuǎn)向由舵機(jī)來執(zhí)行，從而實現(xiàn)自動循跡的功能。關(guān)鍵字： 智能機(jī)器人 STC89C51單片機(jī) 舵機(jī) 紅外線對管2一智能機(jī)器人的作用和意義目前，在企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)不斷提高，對自動化技術(shù)要求不斷加深的環(huán)境下，智能車輛以及在智能車輛基礎(chǔ)上開發(fā)出來的產(chǎn)品已成為自動化物流運輸，柔性生產(chǎn)組織等系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。世界上許多國家都在積極進(jìn)行智能車輛的研究和開發(fā)設(shè)計。移動機(jī)器人是機(jī)器人學(xué)中的一個重要分支，出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代。當(dāng)時斯坦福研究所（SRT）的Nils Nilssen 和Charles Rosen等人，在1966年至1972年中研制出了取名shakey的自主式移動機(jī)器人，目的是將人工智能技術(shù)應(yīng)用

5、在復(fù)雜環(huán)境下，完成機(jī)器人系統(tǒng)的自主推理，規(guī)劃和控制。從此，移動機(jī)器人從無到有，數(shù)量不斷增加，智能車輛作為移動機(jī)器人的重要分支也得到越來越多的關(guān)注。 智能小車，是一個集環(huán)境感知，規(guī)劃決策，自動形式等功能于一體的綜合系統(tǒng)，它集中的運用了計算機(jī)，傳感，信息，通信，導(dǎo)航及自動控制等技術(shù)，是典型的高新技術(shù)綜合體。 智能車輛也叫無人車輛，是一個集環(huán)境感知，規(guī)劃決策和多等級輔助駕駛等功能與一體的綜合系統(tǒng)。她具有道路障礙自主識別，自主報警，自主制動，自主保持安全距離，車速和需行控制等功能。智能車輛的主要特點是在復(fù)雜的道路情況下，能自主的操控和駕駛車輛繞開障礙物并沿著預(yù)定的道路行進(jìn)。智能車輛在原有車輛系統(tǒng)的基礎(chǔ)

6、上增加了一些智能化技術(shù)設(shè)備：（1） 計算機(jī)處理系統(tǒng)，主要完成對來自攝像頭所獲取的圖像的預(yù)處理，增強，分析，識別等工作：（2） 攝像頭，用來獲得道路圖像信息；（3） 傳感設(shè)備，車速傳感器用來獲得當(dāng)前車速，障礙物傳感器用來獲得前方，側(cè)方，后方障礙物等信息。3智能車輛技術(shù)按功能可分為三層，即智能感知系統(tǒng)，車輛駕駛系統(tǒng)和全自動操作系統(tǒng)團(tuán)。上一層技術(shù)是下一層技術(shù)的基礎(chǔ)。三個層次具體如下：1. 智能感知系統(tǒng)，利用各種傳感器來獲得車輛自身，車輛行駛的周圍環(huán)境及駕駛員本身的狀態(tài)信息，必要時發(fā)出預(yù)警信息。主要包括碰撞預(yù)警系統(tǒng)和駕駛員狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。碰撞預(yù)警系統(tǒng)可以給出前方碰撞警告，盲點警告，車道偏離警告，換道并道

7、警告，十字路口，行人檢測與警告，后方碰撞警告等。駕駛員狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)包括駕駛員打盹警告系統(tǒng)，監(jiān)視員位置占有狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)等。2. 輔助駕駛系統(tǒng)，利用智能感知系統(tǒng)的信息進(jìn)行決策規(guī)劃，給駕駛員提出駕駛建議或部分的代駕。主要包括：巡航控制，車輛跟蹤系統(tǒng)，準(zhǔn)確泊車系統(tǒng)及精確機(jī)動系統(tǒng)。3. 車輛自動駕駛系統(tǒng)，這是智能車輛技術(shù)的最高層次，它有車載計算機(jī)全部自動的實現(xiàn)車輛操作功能。目前，主要發(fā)展用于擁擠交通時低速自動駕駛系統(tǒng)，近距離車輛排隊駕駛系統(tǒng)等。這種智能小車的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括以下幾個方面：1. 軍事偵察與環(huán)境探測現(xiàn)代戰(zhàn)爭對軍事提出了更高的要求，世界各國普遍重視對軍事偵察的建設(shè)，采取各種有效預(yù)防敵方的突然襲

8、擊，并廣泛引用先進(jìn)科學(xué)技術(shù)，不斷研制多用途的偵察器材和探測設(shè)備，在車上裝備攝像頭，安全激光測距儀，夜視裝置和衛(wèi)星全球定位儀等設(shè)備，通過光纜操作，完成偵察和監(jiān)視敵情，情報采集，目標(biāo)搜索和自主續(xù)航等任務(wù)，進(jìn)一步擴(kuò)大偵察的范圍，提高偵察的時效性和準(zhǔn)確性。2. 探測危險與排除險情4在戰(zhàn)場或工程中，常常會遇到各種各樣的意外。這時，智能化探測小車就會發(fā)揮很好的作用。戰(zhàn)場上，可以使用智能車輛掃除路邊炸彈， 和銷毀地雷。民用方面，可以探測化學(xué)泄露物質(zhì)，可以進(jìn)行地鐵滅火，以及在強烈地震發(fā)生后到廢墟中尋找被埋人員等。3. 安全檢測受損評估在工程建設(shè)領(lǐng)域，可對高速公路自動巡航，進(jìn)行道路質(zhì)量檢測和破壞分析檢測，對水庫

9、，海岸護(hù)岸堤，江河大壩進(jìn)行質(zhì)量和安全性檢測。在制造領(lǐng)域，可用于工業(yè)管道中機(jī)械損傷，裂紋等缺陷的探索，對輸油和輸氣管線的泄露和破損點的查找和定位等4. 智能家居在家庭中，可以用智能小車進(jìn)行家居，遠(yuǎn)程控制家中的家用電器，控制室溫等。對這種小車的研究，將為未來環(huán)境探測術(shù)上的有力支持。（2）智能機(jī)器人的現(xiàn)狀目前，國內(nèi)外的許多大學(xué)及研究機(jī)構(gòu)都在積極投入人力，財力研制開發(fā)針對特殊條件下的安全監(jiān)測系統(tǒng)。其中包括研究使用遠(yuǎn)程，無人的方法來進(jìn)行實現(xiàn)，如機(jī)器人來遠(yuǎn)程監(jiān)控等。無線傳輸?shù)陌l(fā)展使得測量變得相對簡單而且使得處理數(shù)據(jù)的速度變得很快甚至可以達(dá)到實時處理。該智能小車可以作為機(jī)器人的典型代表。他可以分為三大組成部

10、分：傳感器檢測部分，執(zhí)行部分，CPU部分。機(jī)器人要實現(xiàn)自動識別路線，選擇正確的行進(jìn)路線，并檢測到障礙物自動躲避。通過構(gòu)建智能小車系統(tǒng)，培養(yǎng)設(shè)計并實現(xiàn)自動控制系統(tǒng)的能力。在實現(xiàn)過程中，熟悉一51單片機(jī)位核心控制芯片，設(shè)計小車的檢測，驅(qū)動和舵機(jī)轉(zhuǎn)動，采用智能控制算法來5實現(xiàn)小車的智能循環(huán)。靈活應(yīng)用機(jī)電等相關(guān)學(xué)科的理論知識，聯(lián)系實際電路的具體實現(xiàn)方法，達(dá)成理論與實踐的統(tǒng)一。在此過程中，加深對控制理論的理解和認(rèn)識。 二方案設(shè)計與論證 確定如下方案：在現(xiàn)在玩具電動車的基礎(chǔ)上，加裝電檢測器，實現(xiàn)對電動車的速度，位置運行狀況的實時測量，并在測量數(shù)據(jù)傳送至單片機(jī)進(jìn)行處理，然而又單片機(jī)根據(jù)所檢測的各種

11、數(shù)據(jù)實現(xiàn)對電動車的智能控制。這種方案能實現(xiàn)對電動車的運動狀態(tài)進(jìn)行實時控制，控制靈活，可靠，精度高，可滿足對系統(tǒng)的各項要求。(1)主控模塊STC89C52簡介該模塊是整個設(shè)計的大腦。傳感器的輸出端SEN1，SEN2，SEN3將信號通過P1.0，P1.1，P1.2口輸入單片機(jī)，經(jīng)過處理后，由P20,P21,P22, P23，P24，P25口輸出給L293D的EN1, EN2, IN1, IN2, IN3, IN4引腳，從而完成對小車的控制。該模塊的主要由STC89C52單片機(jī)及其外圍電路組成，如圖所示。本設(shè)計中，STC89C52芯片的40引腳VCC接+5V電源，20引腳GND接地。18引腳XTAL

12、1和19引腳XTAL2接在頻率為11.0592MHZ的晶振上，并接了20PF的電容。9引腳RST外接復(fù)位電路，為單片機(jī)提供上電復(fù)位。作為P3口的第二功能，10引腳P3.0和11引腳P3.1被作為單片機(jī)的通信端，即串行輸入口和串行輸出口，用以完成程序下載所需。1引腳P1.0，2引腳P1.1，3引腳P1.2分別和三對紅外傳感器的輸出端SEN1，SEN2，SEN3相連，以完成電信號的輸入。21引腳P2.0，22引腳P2.1，23引腳P2.2，24引腳P2.3，25引腳P2.4，26引腳P2.5分別和L293D芯片的EN1，EN2，IN1，IN2，IN3，IN4引腳相連，以完成將經(jīng)過單片機(jī)處理過的信號

13、輸入給電機(jī)驅(qū)動電路。6圖1 (2) TCRT5000紅外光電傳感器模塊 本設(shè)計中，采用三對TCRT5000型號的紅外光電傳感器。這三對傳感器呈均勻“一字型”分布。這種方法檢測連貫簡單，程序控制算法簡單，使小車控制穩(wěn)定。但是這種均勻一字型分布不利于對彎道信號采集的準(zhǔn)確性。圖為其中一對傳感器及其外圍電路的原理圖。TCRT5000型紅外光電傳感器由一個高發(fā)射功率的紅外光電二極管和一個接收紅外線的高度靈敏的光電三極（NPN型）組成。其中滑動變阻器R3是一個藍(lán)白電位器，通過調(diào)整R3的阻值從而達(dá)到調(diào)整光敏三極管對反射光的靈敏度。紅外發(fā)射二極管不斷的發(fā)射出紅外線。當(dāng)反射回來的紅外線強度足夠大時，光敏三極管飽

14、和，則該模塊輸出為高電平；當(dāng)反射回來的紅外線強度不夠大或者沒有反射回來紅外線時，光敏三極管一直處于關(guān)斷狀態(tài)，則該模塊的輸出為低電平。光敏三極管除了具有將光信號轉(zhuǎn)換成電信號的功能外，還具有對電信號放大的功能。7 圖2(3) 電機(jī)驅(qū)動模塊 本模塊選用L293D芯片進(jìn)行控制。該芯片驅(qū)動方式比較簡單，直接驅(qū)動兩個直流電機(jī)?？刂泼恳宦冯姍C(jī)，都有三個信號，分別為EN1，IN1，IN2和EN2，IN3, IN4。這六個引腳分別同STC89C52單片機(jī)的P2.0P2.5口相連。這里芯片的工作電壓為+5V。本設(shè)計中，采用兩個輸出控制一個電機(jī)的方式。即OUT1和OUT2控制電機(jī)1，OUT3和OUT4控制電機(jī)2。圖

15、中的D1D8為箝位二極管。電機(jī)在停止的瞬間會產(chǎn)生一個逆向的電流，切割磁場后會產(chǎn)生一個逆向的電動勢。設(shè)置這些箝位二極管，就是為了防止逆電動勢燒壞芯片，從而它們起到保護(hù)作用。圖3 8 三軟件系統(tǒng)開發(fā)工具與設(shè)計 （1）軟件系統(tǒng)開發(fā)選擇 Keil uVision4 集成開發(fā)工具。uVision4 IDE是一個基于 Window 的開發(fā)平臺，非常適合嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)。（2）程序設(shè)計語言選擇 C51 高級語言來進(jìn)行程序設(shè)計17。C51 高級語言是由 C 語言繼承而來的，兼?zhèn)涓呒壵Z言與低級言的優(yōu)點。C51 語言運行于單片機(jī)平臺，支持的微處理器種類繁多，可移植性好。與匯編語言相比，用C51 語言可大大縮短編寫

16、、調(diào)試程序的時間。(3)主程序設(shè)計#include <REGX51.H>#define uint unsigned intsbit trig=P34;sbit echo=P35;sbit sevor=P17;void forward();void turnright();void turnlift();void delay(uint a);9uint check();unsigned char count,sevorPWM=9;uint dist,distlift,distright;void main()TMOD=0x01;TH0=(65536-150)/256;TL0=(655

17、36-150)%256;ET0=1;EA=1;TR0=1;forward();while(1)dist=check();if(dist<10) sevorPWM=3;distlift=check();delay(20);sevorPWM=15;10distright=check();if(distlift>distright)turnlift();elseturnright();elseforward();void delay(uint a)uint i,j;for(i=a;i>0;i-)for(j=110;j>0;j-);uint check()unsigned in

18、t x;11trig=1;delay(1);trig=0;while(echo=0)x+;if(x>60000)break;x=0;while(echo=1)x+;if(x>60000)break;return x/58;void timer0() interrupt 1TH0=(65536-150)/256;12TL0=(65536-150)%256;count+;if(count<=sevorPWM)sevor=1;elsesevor=0;if(count=122)count=0;四結(jié)語 設(shè)計的智能循跡小車系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)各模塊選擇合理，經(jīng)濟(jì)實用，基于 C51 高級語言開發(fā)的控制軟件高效可行，小車