課程設(shè)計作品自動循跡測距機(jī)器人

1、課程設(shè)計作品：自動循跡測距機(jī)器人李少鵬 于青 李世杰一、系統(tǒng)設(shè)計目的及用途： 在某些情況下，對某些路徑的測量無法用一般的工具實現(xiàn)。比如，不規(guī)則的曲線路徑，或者高低起伏的路面，都不能用普通的測距工具輕易實現(xiàn)。在這種情況下，我們便可以使用輪式機(jī)器人來沿著待測的軌跡行走，同時實時地記錄所走的路程。這樣就可以測量曲線的長度。二、系統(tǒng)設(shè)計思想：作為可移動式機(jī)器人，我們的作品對功耗和移動性能要求較高。作為測量工具，它又對準(zhǔn)確性要求較高。所以，無論是硬件的選擇，還是軟件的設(shè)計都以精確、節(jié)能和節(jié)約為核心準(zhǔn)則。三、系統(tǒng)設(shè)計功能原理:1、 循跡的原理：本項目使用黑白反襯底面和紅外探測法，即利用紅外線在不同顏色的物

2、體表面具有不同的反射性質(zhì)的特點，在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到白色紙質(zhì)地板時發(fā)生漫反射，反射光被裝在小車上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，小車上的接收管接收不到紅外光。單片機(jī)就是否收到反射回來的紅外光為依據(jù)來確定黑線的位置和小車的行走路線。紅外探測器探測距離有限，一般最大不應(yīng)超過3cm。2、模塊選擇方案：自動循跡測距機(jī)器人主要由六個模塊構(gòu)成：車體框架、電源、主控模塊、邏輯模塊、探測模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊組成。 各模塊分述如下：A、車體框架：在設(shè)計車體框架時，我們有兩套起始方案，自己制作和直接購買玩具電動車。方案一: 自己制作輪式底盤。使用兩普通電機(jī)作驅(qū)動，萬向輪改變

3、方向，框架用廢舊鐵片焊接。但這樣不但制作復(fù)雜、單個電機(jī)很難買到，而且質(zhì)量較差且不夠美觀。方案二: 購買成品底盤。這種方案花費較大，但節(jié)省時間和精力，質(zhì)量有保障。所以，我們選擇后者。B、電源：由于機(jī)器人對機(jī)動性的要求較高，我們選擇四節(jié)普通干電池作電源。因為它資源廣泛，成本較低，而且我們的機(jī)器人功耗較小,mega16、光電開關(guān)、小車電機(jī)對于供電電壓要求并不苛刻，完全可以用干電池供電。C、主控模塊：本項目使用統(tǒng)一配置的Mega16芯片作為主控模塊的核心。Mega16是高性能、低功耗的8位AVR微處理器，具有先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，內(nèi)部集成兩個具有獨立預(yù)分頻器和比較器功能的8位定時器/計數(shù)器和一個具有預(yù)分

4、頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時器/計數(shù)器?？赏ㄟ^JTAG對MCU進(jìn)行程序燒寫及仿真。內(nèi)置晶振，使用方便。D、邏輯模塊：示意圖如下：E、探測模塊：方案一：使用視頻采集處理裝置進(jìn)行探測使用CCD實時采集小車前進(jìn)路線上的圖像并進(jìn)行實時傳輸及處理，這是最精確的軌跡信息采集方案，可以對軌跡進(jìn)行精確定位和測距。但是使用視頻采集會大大增加小車成本和設(shè)計開發(fā)難度，而且考慮到我們小車行進(jìn)轉(zhuǎn)彎的精確度并未達(dá)到視頻處理的精度，因而使用視頻采集在實際應(yīng)用中是個很大的浪費，所以我們放棄了這一方案。方案二：使用光電對管探測光電對管價格低廉，性能穩(wěn)定，探測距離一般不超過3cm。我們采用普通直流電機(jī)作為原動力，車子速度

5、不大，停止時慣性滑動的距離小，可以達(dá)到預(yù)定的精度，因此我們選擇此方案。示意圖如下：F、電機(jī)驅(qū)動模塊：方案一：使用分立元件搭建電機(jī)驅(qū)動電路使用分立元件搭建電機(jī)驅(qū)動電路造價低廉，在大規(guī)模生產(chǎn)中使用廣泛。制作過程中，老師曾建議我們使用此方案，但我們考慮到分立元件H橋電路工作性能不夠穩(wěn)定，較易出現(xiàn)硬件上的故障，而且組裝成本也很高，故我們放棄了這一方案。方案二：使用L298N芯片驅(qū)動電機(jī)L298N是一個具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動芯片，輸出電壓最高可達(dá)50V，可以直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機(jī)的IO口提供信號，而且?guī)в惺鼓芏?，方便PWM調(diào)速，電路簡單，性能穩(wěn)定，使用比較方便。L298N芯片可

6、以驅(qū)動兩個二相電機(jī)，也可以驅(qū)動一個四相電機(jī)，正好符合我們小車兩個二相電機(jī)的驅(qū)動要求，價格也比較合理?？刂剖疽鈭D如下：最終方案如下：使用干電池組對系統(tǒng)供電，成品電動車作為底座，采用Mega16L作為主控芯片，用光電開關(guān)進(jìn)行障礙物探測，使用L298N驅(qū)動直流電機(jī)。邏輯關(guān)系處理使用74L系列芯片完成。系統(tǒng)電路圖：四、所用全部硬件資源： 增強(qiáng)版ATMega 16L開發(fā)板（進(jìn)行程序的初步調(diào)試） 簡版JTAG仿真器（程序的下載和仿真） 圓夢小車底盤,電動車小馬達(dá)2個，碼盤采樣器兩個，電容兩個 光電開關(guān)3只 Mega 16L單片機(jī)1片 L298N電機(jī)驅(qū)動芯片、散熱片各1片 74LS10芯片1片 4148二極

7、管8只 萬用板2塊 5.1K電阻8只，150電阻5只，滑動變阻器5只 LED四位七段數(shù)碼管1個 40引腳底座1只，14引腳底座2只電池盒2只 干電池8節(jié) 列裝排線、插針等五、軟件資源：1、 循跡工作流程：2、 測距工作流程：五、系統(tǒng)功能及指標(biāo)參數(shù)測試1、系統(tǒng)實現(xiàn)功能：沿著預(yù)定軌跡行進(jìn)：測量并顯示所走路徑的路程。2、系統(tǒng)主要參數(shù)測試：給光電對管供電，讓其在帶有黑色軌跡的白色地板上運行，自動尋跡，在軌跡的末端自動停止。并開始顯示所測距離，測距過程在運行過程中完成。六、參考資料：1. ；2.AVR單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用實踐，馬潮 編著，北京航空航天大學(xué)出版社；3.AVR單片機(jī)C語言開發(fā)入門指導(dǎo)，沈文、Eagle Lee、詹衛(wèi)前 編著，清華大學(xué)出版社；4.