小車(chē)避障設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)機(jī)械專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)

1、機(jī)械專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)設(shè)計(jì)題目： 小車(chē)避障 1 / 35目錄緒論2一問(wèn)題的提出與分析31.1問(wèn)題的提出31.2問(wèn)題的分析3二.拼裝小車(chē)32.1搭建車(chē)體32.2安裝電機(jī)42.3遇到的問(wèn)題與解決方案4三.焊電路板53.1選擇電路板53.2焊接電路元器件5四.編程64.1編寫(xiě)包含電機(jī)函數(shù)的頭文件64.2編寫(xiě)包含電機(jī)函數(shù)的C文件64.3編寫(xiě)包含電機(jī)函數(shù)的主程序104.4編寫(xiě)避障判斷函數(shù)的頭文件134.5編寫(xiě)傳感器判斷程序14五.調(diào)試程序165.1步驟165.2遇到的問(wèn)題與解決方案16六.實(shí)驗(yàn)結(jié)果17七.總結(jié)（感想）18八.致 謝18緒論機(jī)器人是先進(jìn)制造技術(shù)和自動(dòng)化裝備的典型代表，是人造機(jī)器的“終極”形

2、式。它涉及到機(jī)械、電子、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)、人工智能、傳感器、通訊與網(wǎng)絡(luò)等多個(gè)學(xué)科和領(lǐng)域，是多種高新技術(shù)發(fā)展成果的綜合集成，因此它的發(fā)展與眾多學(xué)科發(fā)展密切相關(guān)，代表了高科技發(fā)展的前沿。 隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展人們發(fā)明了各式各樣的具有感知，決策，行動(dòng)和交互能力的機(jī)器人，自第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人誕生以來(lái)，機(jī)器人的發(fā)展已經(jīng)遍及機(jī)械、電子、冶金、交通、宇航、國(guó)防等多個(gè)領(lǐng)域。近年來(lái)機(jī)器人的智能水平不斷提高，并且迅速地改變著人們的生活方式，隨著它在人類(lèi)生活領(lǐng)域中的應(yīng)用不斷擴(kuò)大，將會(huì)給人們的生產(chǎn)生活帶來(lái)了巨大的影響。 在國(guó)外機(jī)器人的發(fā)展有如下趨勢(shì)。一方面機(jī)器人在制造業(yè)應(yīng)用的范圍越來(lái)越廣闊，其標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化和

3、智能化的程度越來(lái)越高，功能也越來(lái)越強(qiáng)，并向著技術(shù)和裝備成套化的方向發(fā)展；另一方面，機(jī)器人向著非制造業(yè)應(yīng)用以及微小型方向發(fā)展，如表演型機(jī)器人，服務(wù)機(jī)型器人，機(jī)器人玩具等。國(guó)外研究機(jī)構(gòu)正試圖將機(jī)器人應(yīng)用于人類(lèi)活動(dòng)的各個(gè)領(lǐng)域。 在我國(guó)機(jī)器人主要應(yīng)用于工業(yè)制造領(lǐng)域，我國(guó)工業(yè)機(jī)器人現(xiàn)在的總裝機(jī)量約為120000臺(tái)，其中國(guó)產(chǎn)機(jī)器人占有量約為 1/3，即40000多臺(tái)。與世界機(jī)器人總裝機(jī)臺(tái)數(shù)7500萬(wàn)臺(tái) 相比，中國(guó)總裝機(jī)量?jī)H占萬(wàn)分之十六1 。對(duì)中國(guó)這樣一個(gè)擁有13億人口的大國(guó)來(lái)說(shuō)，僅在機(jī)器人數(shù)量上就和發(fā)達(dá)國(guó)家有著很明顯的差距。因此大力發(fā)展我國(guó)的機(jī)器人事業(yè)刻不容緩。 智能小車(chē)可以理解為機(jī)器人的一種特例，它是一

4、種能夠通過(guò)編程手段完成特定任務(wù)的小型化機(jī)器人。與普遍意義上的機(jī)器人相比智能小車(chē)制作成本低廉，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，程序調(diào)試方便，具有很強(qiáng)的趣味性，為此其深受廣大機(jī)器人愛(ài)好者以及高校學(xué)生的喜愛(ài)。全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽每年都設(shè)有智能小車(chē)類(lèi)的題目，由此可見(jiàn)國(guó)家對(duì)高校機(jī)器人研究工作的重視程度。其實(shí)智能車(chē)，就是一個(gè)機(jī)器人，其可以分為三大結(jié)構(gòu)：傳感器檢測(cè)、機(jī)械執(zhí)行、中央處理器。智能車(chē)通過(guò)感知導(dǎo)引線和障礙物，可以實(shí)現(xiàn)避障等功能，且可以通過(guò)一套完整的控制策略，改善小車(chē)的行駛狀況，達(dá)到更加穩(wěn)定的狀態(tài)。要完成上述的功能設(shè)計(jì)，傳感檢測(cè)部分可以采用能夠感知清晰的圖像的攝像頭，或者選用人們常用的光電對(duì)管傳感器來(lái)感測(cè)路況。而智能

5、小車(chē)的機(jī)械部分，可以采用四輪車(chē)（帶有舵機(jī)）、或者三輪車(chē)（前輪為萬(wàn)向輪），電機(jī)則只需使用直流電機(jī)即可。對(duì)于主控芯片CPU，我們選擇簡(jiǎn)單易用的51單片機(jī)或高級(jí)復(fù)雜額ARM等芯片，通過(guò)配合軟件編程，可以很好的實(shí)現(xiàn)自動(dòng)尋跡、避障的功能一問(wèn)題的提出與分析1.1問(wèn)題的提出 機(jī)器人避障是機(jī)器人智能控制的一個(gè)基本功能。機(jī)器人避障可以有不同的方法，這里只介紹一種基本的思路和方法。當(dāng)機(jī)器人前方安裝有三個(gè)傳感器而且探測(cè)距離不同時(shí)，在前進(jìn)過(guò)程中，遠(yuǎn)距離傳感器先探測(cè)到物體后，作出動(dòng)作，改變運(yùn)動(dòng)方向，如果改變方向沒(méi)有障礙物或運(yùn)動(dòng)軌跡可以避開(kāi)障礙物，則改變一次方向即可完成任務(wù)，但當(dāng)機(jī)器人調(diào)整角度較小，運(yùn)動(dòng)軌跡中，半個(gè)身體不

6、能夠避開(kāi)障礙物時(shí)，機(jī)器人近距離探測(cè)傳感器還可以控制機(jī)器人調(diào)整姿態(tài)，避開(kāi)障礙物。1.2問(wèn)題的分析避障小車(chē)是運(yùn)用AT89S52為核心芯片、以3個(gè)光電傳感器、以及2個(gè)電機(jī)為基本構(gòu)架。通過(guò)傳感器模塊精確測(cè)距離遠(yuǎn)近，將模擬電流信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，通過(guò)改變高低電平，向芯片傳送高電平1，表示前方無(wú)障礙。遇到障礙時(shí)，正前方傳感器由1變0，表示前方有障礙，通過(guò)芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)，右輪正轉(zhuǎn)，左輪反轉(zhuǎn)，車(chē)子向右轉(zhuǎn)。當(dāng)左側(cè)遇到障礙，左側(cè)傳感器由1變0，左輪正轉(zhuǎn)，右輪反轉(zhuǎn)，車(chē)子向右轉(zhuǎn)。當(dāng)右側(cè)遇到障礙，右側(cè)傳感器由1變0，右輪正轉(zhuǎn)，左輪反轉(zhuǎn)，車(chē)子向左轉(zhuǎn)。當(dāng)三個(gè)方向都有障礙，傳感器同時(shí)從1變成0，兩輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)，小車(chē)停止。二.拼裝

7、小車(chē)圖 Error! Main Document Only.小車(chē)正面圖2.1搭建車(chē)體我們選擇搭建一個(gè)四輪車(chē)（后輪驅(qū)動(dòng)），因?yàn)檫@種模型是我們?cè)谏钪凶畛Ｒ?jiàn)，也常使用的。我們選用了132x180的帶小孔的板子作為小車(chē)的底盤(pán)，然后用金屬條搭建小車(chē)框架，為了滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，我們?cè)诎遄由习惭b了4個(gè)金屬條，目的是固定電池，又在電池外圍安裝4個(gè)金屬條和一個(gè)96x132板子作為小車(chē)頂棚，在車(chē)的前部搭建一個(gè)可以安裝的傳感器的橫杠，后來(lái)經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，為了避免前方傳感器在轉(zhuǎn)彎時(shí)碰撞，所以改成如圖一所示的樣子，在完成的基本搭建后，然后我們開(kāi)始確定光電傳感器位置，考慮到種種原因，我們選擇在車(chē)的兩側(cè)安裝2個(gè)傳感器，在車(chē)的前

8、部安裝1個(gè)傳感器，如上方圖一所示；2.2安裝電機(jī)然后如圖二的樣子連接后驅(qū)動(dòng)輪，現(xiàn)在板子上面用螺絲固定一個(gè)金屬條，這樣就可以用金屬條上的螺紋連接后驅(qū)動(dòng)輪模板；最后如圖三連接前面的萬(wàn)向輪。圖 二 小車(chē)后輪驅(qū)動(dòng)安裝圖 圖 三小車(chē)前輪安裝圖2.3遇到的問(wèn)題與解決方案問(wèn)題：在連接后驅(qū)動(dòng)輪的時(shí)候，我們遇到了連接電機(jī)正負(fù)極的導(dǎo)線斷開(kāi)，導(dǎo)致電機(jī)不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。解決方案：首先我們要用電焊把電機(jī)正負(fù)極的觸點(diǎn)上的塑料熔開(kāi)，然后用鑷子把覆蓋在觸點(diǎn)上的塑料弄干凈，接著將觸點(diǎn)與一個(gè)小金屬絲焊接上，最后將小金屬絲與導(dǎo)線焊接上，完成電機(jī)導(dǎo)線的修復(fù)工作。三.焊電路板3.1選擇電路板啟誠(chéng)機(jī)器人電氣模塊主要有四種控制器，分別是MEG

9、A48、MEGA16、MEGA128、89S52，每種控制器控制主板相同，基本輸入輸出點(diǎn)數(shù)相同，但每種控制器的可擴(kuò)展性各不相同。我們?cè)诮?jīng)過(guò)討論后選擇了AT89S52單片機(jī)，因?yàn)锳T89S52單片機(jī)可以滿(mǎn)足本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)所想要達(dá)到的功能和效果。該單片機(jī)更加高效和低能，并且適用于多種編程器，更利于我們后續(xù)的程序設(shè)計(jì)。3.2焊接電路元器件（1） 首先我們按要求完成了對(duì)AT89S52核心板和主板元器件的安裝；（2） 完成對(duì)電器元件的焊接，如下圖六注意：焊接時(shí)要從低到高的順序，先焊小元器件再焊大元器件，特別是先焊接USB接口和電阻這類(lèi)器件。圖 六電路板圖 四.編程4.1編寫(xiě)包含電機(jī)函數(shù)的頭文件/*程序名稱(chēng)

10、：DCmotor.h 程序描述：包含電機(jī)函數(shù)的頭文件/*/#ifndef _DCmotor_h_#define _DCmotor_h_#include<AT89X52.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define ulong unsigned long#define f 'f' #define forward 'f' #define b 'b'#define backward 'b'void DC_Motor_Config(uchar m ,

11、uchar z,uint n );/直流電機(jī)配置函數(shù)void DC_Motor_Stop(uchar k);/電機(jī)停止函數(shù)void delay_ms(unsigned int x);/延時(shí)函數(shù)#endif4.2編寫(xiě)包含電機(jī)函數(shù)的C文件/*程序名稱(chēng)：DCmotor.c 程序描述：包含電機(jī)函數(shù)的C文件/*/#include "DCmotor.h"extern uint tim0;/PWM0輸出波形的計(jì)數(shù)控制extern uint tim1;/PWM1輸出波形的計(jì)數(shù)控制extern uint tim2;/PWM2輸出波形的計(jì)數(shù)控制extern uint tim3;/PWM3輸出波

12、形的計(jì)數(shù)控制sbit DIR0 = P10;sbit DIR1 = P13;sbit DIR2 = P24;sbit DIR3 = P26;/*【函數(shù)原形】； delay_ms(unsigned int x); 【函數(shù)描述】：延時(shí)函數(shù)（單位：100us）【修改時(shí)間】: dong.2014.04.16/*/void delay_ms(unsigned int x) unsigned int i,j; i=0; for(i = 0;i < x;i+) j=108; while(j-); /*=【函數(shù)原形】: void motor(unsigned char m ,unsigned char

13、z,unsigned char n ) 【參數(shù)說(shuō)明】: m: 選擇電機(jī)用,可輸入1,2,3,4 1：左前電機(jī)，2：左后電機(jī)，3：右前電機(jī)，4：右后電機(jī) z: 選擇方向用,可輸入 f/forward(前進(jìn)) , b/backward(后退) n: 電機(jī)轉(zhuǎn)速, 范圍為1-100 【修改時(shí)間】: dong.2014.04.13 =*/void DC_Motor_Config(uchar m ,uchar z,uint n )/ unsigned int tmp = 0 ;switch (m) 判斷電機(jī)位置 case 1 :if(z = backward)|(z = b) DIR2 = 1 ;else

14、 if(z = forward)|(z = f) DIR2 = 0 ;tim2 = n ;break;case 2:if(z = backward)|(z = b) DIR1 = 1 ;else if(z = forward)|(z = f) DIR1 = 0 ;tim1 = n ;break;case 3: if(z = backward)|(z = b) DIR3 = 0 ;else if(z = forward)|(z = f) DIR3 = 1 ;tim3 = n ;break;case 4: if(z = backward)|(z = b) DIR0 = 0 ;else if(z =

15、 forward)|(z = f) DIR0 = 1 ;tim0 = n ;break;default: break; /*=【函數(shù)原形】: void DC_Motor_Stop(uchar k) 【參數(shù)說(shuō)明】: k: 選擇電機(jī)用,可輸入1,2,3,4，1：左前電機(jī)，2：左后電機(jī)，3：右前電機(jī)，4：右后電機(jī) 【修改時(shí)間】: dong.2014.04.16 =*/void DC_Motor_Stop(uchar k)DC_Motor_Config(k ,b ,5 );delay_ms(12); 延時(shí)12毫秒DC_Motor_Config(k ,f ,1 );4.3編寫(xiě)包含電機(jī)函數(shù)的主程序/*程序

16、名稱(chēng)：避障 程序描述：測(cè)試小車(chē)避障1. 左右兩個(gè)傳感器的測(cè)量距離約為16cm，前面的傳感器約為27cm2. LED的P0端為1時(shí)不亮3. 傳感器遇到障礙物時(shí)輸出低電平4. 無(wú)將P0口設(shè)為0xff；【修改時(shí)間】: dong.2016.09.22/*/#include<AT89X52.h>#include"DCmotor.h"#include"BiZhang.h"sbit PWM0 = P12;sbit PWM1 = P14;sbit PWM2 = P25;sbit PWM3 = P27;sbit Beep = P11; /Beep=0,蜂鳴器響

17、inttimer = 0;/波形周期int count0 = 0;/PWM0輸出波形的計(jì)數(shù)控制int count1 = 0;/PWM1輸出波形的計(jì)數(shù)控制int count2 = 0;/PWM2輸出波形的計(jì)數(shù)控制int count3 = 0;/PWM3輸出波形的計(jì)數(shù)控制uint tim0;/PWM0輸出波形的計(jì)數(shù)控制uint tim1;/PWM1輸出波形的計(jì)數(shù)控制uint tim2;/PWM2輸出波形的計(jì)數(shù)控制uint tim3;/PWM3輸出波形的計(jì)數(shù)控制/*【函數(shù)原型】: Tim2_Init() 【函數(shù)描述】：初始化時(shí)鐘T2和中斷【修改時(shí)間】: dong. 2016.09.22/*/void

18、 Tim2_Init()T2MOD = 0x00;TH2 = (65535-500)/256;/定時(shí)500us為周期TL2 = (65535-500)%256;RCAP2H = (65535-500)/256;/定時(shí)500us為周期 RCAP2寄存器中存放要放入T2的初值RCAP2L = (65535-500)%256;ET2 = 1;/允許T2的中斷TR2 = 1;/啟動(dòng)T2EA = 1;/開(kāi)中斷/*【函數(shù)原型】:void main();【函數(shù)描述】：在蜂鳴器響一聲后進(jìn)行時(shí)鐘T2的初始化(Tim2_Init(), 設(shè)定左后和右后兩個(gè)電機(jī)的狀態(tài)，之后利用while循環(huán)檢測(cè)是否遇到障礙【修改時(shí)間

19、】: dong. 2016.09.22/*/void main()Beep = 0;delay_ms(100);Beep = 1;Tim2_Init();DC_Motor_Config(4 ,f ,50 );DC_Motor_Config(2 ,f ,50 );while(1)Bi_Sensor();/*【函數(shù)原型】: PWM_Cyle2() 【函數(shù)描述】：利用T2計(jì)時(shí)中斷產(chǎn)生PWM波，【修改時(shí)間】: dong. 2016.09.22/*/void PWM_Cyle2() interrupt 5timer +;/控制PWM波周期count0 +;/PWM0計(jì)數(shù)count1 +;/PWM1計(jì)數(shù)c

20、ount2 +;/PWM2計(jì)數(shù)count3 +;/PWM3計(jì)數(shù)if(count0 = tim0)PWM0 = 0;count0 = 0;if(count1 = tim1)PWM1 = 0;count1 = 0;if(count2 = tim2)PWM2 = 0;count2 = 0;if(count3 = tim3)PWM3 = 0;count3 = 0;if(timer = 100)PWM0 = 1;PWM1 = 1;PWM2 = 1;PWM3 = 1;timer = 0;count0 = 0;count1 = 0;count2 = 0;count3 = 0;4.4編寫(xiě)避障判斷函數(shù)的頭文件/

21、*程序名稱(chēng)：BiZhang.h 程序描述：包含三個(gè)光電傳感器完成循跡的判斷函數(shù)的頭文件/*/#ifndef _BiZhang_h_#define _BiZhang_h_#include<AT89X52.h>#include"Dcmotor.h"void Bi_Sensor();/聲明循跡傳感器判斷函數(shù)#endif4.5編寫(xiě)傳感器判斷程序/*程序名稱(chēng)：BiZhang.c 程序描述：包含三個(gè)光電傳感器判斷的函數(shù)主體/*/#include "Dcmotor.h"#include "BiZhang.h"sbit l_sensor

22、= P00;/左側(cè)傳感器sbit r_sensor = P01;/右側(cè)傳感器sbit f_sensor = P02;/前方傳感器sbit y_sensor = P03; /下方傳感器/*=【函數(shù)原形】: void Bi_Sensor() 【函數(shù)描述】: 三個(gè)光電傳感器判斷完成循跡功能 【修改時(shí)間】：dong.2014.04.16 =*/void Bi_Sensor()if(l_sensor = 0)|(f_sensor = 0)&&(l_sensor = 0)/如果左邊或是前面和左面同時(shí)有障礙有障礙，DC_Motor_Config(4 ,b ,20 );/右轉(zhuǎn)DC_Motor_

23、Config(2 ,f ,20 );if(r_sensor = 0)|(f_sensor = 0)&&(r_sensor = 0)/如果右邊或是前面和右面同時(shí)有障礙有障礙，DC_Motor_Config(2 ,b ,50 );/左轉(zhuǎn)DC_Motor_Config(4 ,f ,50 );if(f_sensor = 0)&&(l_sensor = 0)&&(r_sensor = 0)/如果前面左右均有障礙DC_Motor_Config(2 ,f ,1);DC_Motor_Stop(4);if(f_sensor = 0)&&(l_sen

24、sor != 0)&&(r_sensor != 0)/如果只是前面有障礙 DC_Motor_Config(4, b ,50 );/右轉(zhuǎn)DC_Motor_Config(2 ,f ,50 );delay_ms(10); if(y_sensor != 0) 如果下面沒(méi)有障礙（懸崖） DC_Motor_Config(2 ,b ,50 ); 右后方向后退 DC_Motor_Config(4 ,b ,10 );delay_ms(25);else DC_Motor_Config(4 ,f ,14 );/自行DC_Motor_Config(2 ,f ,20 );五.調(diào)試程序5.1步驟實(shí)驗(yàn)設(shè)備：

25、臺(tái)式計(jì)算機(jī)、可編程下載線纜、寶貝車(chē)機(jī)器人、障礙物實(shí)驗(yàn)步驟：第一步，準(zhǔn)備好啟誠(chéng)機(jī)器人控制器主板和 MEGA128、AT89S52 主板，將 AT89S52 插入控制器主板，連接好下載電纜；第二步，打開(kāi) GCC 軟件，建立相應(yīng)工程文件和編寫(xiě)實(shí)驗(yàn)程序；第三步，將必須的三個(gè)頭文件拷貝到工程文件和源程序文件夾內(nèi)；第四步，編譯實(shí)驗(yàn)程序；第五步，打開(kāi)主板電源，使用 SLISP 下載程序后關(guān)閉電源，取下電纜，將寶貝車(chē)機(jī)器人放置在開(kāi)闊場(chǎng)地上；第六步，按啟動(dòng)鍵，在機(jī)器人前方放置障礙物觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果；第七步，關(guān)閉控制器電源，取下 MEGA128 控制器主板，按方向插入 AT89S52 控制器主板，連接好下載電纜；第八步，打開(kāi) Keil C 軟件，建立相應(yīng)工程文件和編寫(xiě)實(shí)驗(yàn)程序； 第九步，將必須的兩個(gè)頭文件拷貝到工程文件和源程序文件夾內(nèi)；第十步，編譯實(shí)驗(yàn)程序；重復(fù)第五、六步，觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果；實(shí)驗(yàn)結(jié)果：機(jī)器人遠(yuǎn)距離傳感器看見(jiàn)障礙物后向左調(diào)整姿態(tài)繼續(xù)前進(jìn)，如果右側(cè)傳感器運(yùn)動(dòng)過(guò)程中還能看到障礙物，應(yīng)進(jìn)行二次調(diào)整，不能撞在障礙物上。5.2遇到的問(wèn)題與解決方案（1） 在錄入程序的時(shí)候，由于晶振和核心板出現(xiàn)虛焊導(dǎo)致程序不能錄入，我們當(dāng)時(shí)不知道為什么會(huì)出現(xiàn)這種情況，在嘗試多次無(wú)果的情況下，找到老師。在老師的幫助下，我們找到了問(wèn)題