輪式智能移動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)【含三維SW】【含CAD圖紙】

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山西工程技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 畢業(yè)生姓名 ： 史金云 專(zhuān)業(yè) ： 機(jī)械制造及其自動(dòng)化 學(xué)號(hào) ： 150514030 指導(dǎo)教師 ： 郭曉霞 所屬系（部） ： 機(jī)械電子工程系 二〇一九年六月 輪式智能移動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā) 摘　要 循跡避障小車(chē)是行走機(jī)器人的一種， 這種小車(chē)可以適應(yīng)不同環(huán)境， 不受溫度、濕度、磁場(chǎng)輻射、重力等條件的影響，在人類(lèi)無(wú)法進(jìn)入或生存的環(huán)境中完成人類(lèi)無(wú)法完成的探測(cè)任務(wù)，適用于國(guó)防及民用等多個(gè)領(lǐng)域。 本課題要求采用自行設(shè)計(jì)制作的輪式智能移動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自主避障測(cè)距與巡線功能。主要任務(wù)是設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)基于 89C52RC單片機(jī)的尋跡避障小車(chē)，包括硬件和軟件兩個(gè)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(jī)驅(qū)動(dòng)電路等。在輪式智能移動(dòng)機(jī)器人道路信息采集方面，本文采用機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室提供的SRF04超聲波測(cè)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(jī)中的89C52RC單片機(jī)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(lái)為輪式移動(dòng)機(jī)器人提供能量。在軟件編程方面，本文使用C語(yǔ)言在KEIL4.0編譯軟件上進(jìn)行避障與巡線程序的編寫(xiě)。在本設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)硬件和軟件都采用了模塊化結(jié)構(gòu)，整個(gè)系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)制造的輪式智能移動(dòng)機(jī)器人可分別實(shí)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(dòng)機(jī)器人；巡線；避障；51系列單片機(jī) 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(dòng)機(jī)器人發(fā)展概況與現(xiàn)狀 2 1.4. 設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)的主要內(nèi)容 4 2. 相關(guān)技術(shù) 7 2.1. 單片機(jī)技術(shù) 7 2.2. 智能電動(dòng)小車(chē)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(jī)模塊的選用 13 3.2.1. 電動(dòng)機(jī)的選擇 13 3.2.2. 驅(qū)動(dòng)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(cè)距模塊 23 3.5.4. 五路巡線傳感器模塊 24 4. 機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制作 27 4.1. 機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求 27 4.1.1. 對(duì)機(jī)器整機(jī)設(shè)計(jì)的基本要求 27 4.1.2. 對(duì)零件設(shè)計(jì)的基本要求 27 4.2. 移動(dòng)機(jī)器人車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則 28 4.3. 機(jī)械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)方案 29 4.3.1. 底盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 30 4.3.2. 傳感器支架設(shè)計(jì) 31 4.3.3. 電機(jī)支架設(shè)計(jì) 32 4.3.4. 電機(jī)的選型與計(jì)算 33 4.4. 機(jī)械材料選擇 33 4.4.1. 機(jī)械材料選用原則 33 5. 硬件電路設(shè)計(jì) 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(cè)模塊 39 5.5. 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 40 6. 軟件程序的設(shè)計(jì) 41 6.1. 軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)的選擇 41 6.2. 控制軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 42 6.2.1. 概述 42 6.2.2. 軟件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 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(dòng)機(jī)器人功能測(cè)試及效果 47 7.1. 自主避障功能的測(cè)試及效果 47 7.2. 自主巡線功能的測(cè)試及效果 48 結(jié)束語(yǔ) 49 參考文獻(xiàn) 51 附錄 53 基于89C52RC單片機(jī)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(jì)說(shuō)明書(shū) 1. 引言 1.1. 課題研究的背景 機(jī)器人是20世紀(jì)人類(lèi)最偉大的發(fā)明之一。自從1959年世界上第一個(gè)機(jī)器人誕生以來(lái)，它已經(jīng)改變?nèi)藗円酝纳a(chǎn)方式，使人面對(duì)生產(chǎn)環(huán)境直接變成人面對(duì)機(jī)器人，然后機(jī)器人面對(duì)生產(chǎn)。人類(lèi)已經(jīng)真正成為智慧的象征。 移動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)器人，又稱(chēng)自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)(AGV)，是一種利用輪子作為移動(dòng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)自主行駛的機(jī)器人。移動(dòng)機(jī)器人已經(jīng)成為機(jī)器人研究的一個(gè)重要分支。它應(yīng)用于軍事、危險(xiǎn)作業(yè)和服務(wù)業(yè)等許多場(chǎng)合。它要求機(jī)器人以無(wú)線方式實(shí)時(shí)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(dòng)。 現(xiàn)在，為了加強(qiáng)大學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)精神的培養(yǎng)，促進(jìn)高等教育教學(xué)改革，全國(guó)大學(xué)生智能車(chē)競(jìng)賽由教育部高等教育司主辦，教育部高等教育司委托。競(jìng)賽是以智能車(chē)為研究對(duì)象的創(chuàng)新科技競(jìng)賽，是全國(guó)大學(xué)生探索性的工程實(shí)踐，是教育部倡導(dǎo)的大學(xué)生科技競(jìng)賽之一。上述比賽中提到的智能車(chē)是輪式智能移動(dòng)機(jī)器人之一。 在包括全國(guó)大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能車(chē)競(jìng)賽在內(nèi)的各種科技創(chuàng)新競(jìng)賽如火如荼的同時(shí)，各行各業(yè)的智能輪式移動(dòng)機(jī)器人愛(ài)好者相繼設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了不同的智能輪式移動(dòng)機(jī)器人產(chǎn)品并投放市場(chǎng)。為了響應(yīng)教育部培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐和創(chuàng)新能力的號(hào)召，各高校開(kāi)始競(jìng)相設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)自己的輪式智能移動(dòng)機(jī)器人產(chǎn)品。同時(shí)，中小學(xué)也重視培養(yǎng)學(xué)生對(duì)機(jī)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(jī)器人競(jìng)賽、電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽等科技競(jìng)賽的需要，有必要開(kāi)發(fā)一種輪式智能移動(dòng)機(jī)器人，包括移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃、定位地圖構(gòu)建技術(shù)和多移動(dòng)機(jī)器人協(xié)作技術(shù)的研究。其意義在于輪式智能移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)能夠滿(mǎn)足不同層次學(xué)生的需求。同時(shí)，該平臺(tái)也可以作為高校重大科技競(jìng)賽等活動(dòng)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。其次，它還可以推廣到中小學(xué)生的科技創(chuàng)新活動(dòng)中，起到普及機(jī)電一體化知識(shí)的作用。 本課題選擇單片機(jī)作為控制器的主要核心模塊。全稱(chēng)為單片微型計(jì)算機(jī)的單片機(jī)，具有集成度高、體積小、可靠性高、實(shí)用溫度范圍寬、性?xún)r(jià)比優(yōu)異、控制功能強(qiáng)、外部總線豐富、功能擴(kuò)展性強(qiáng)、功耗低的獨(dú)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(gè)領(lǐng)域。它已經(jīng)成為工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防、科學(xué)研究、教育和日常生活各個(gè)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(jí)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(chē)的開(kāi)發(fā)已經(jīng)成為全國(guó)電子技能競(jìng)賽的熱點(diǎn)。隨著傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)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(gè)具有環(huán)境感知功能、實(shí)時(shí)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(jī)電一體化產(chǎn)品。此外，基于單片機(jī)的智能移動(dòng)汽車(chē)的設(shè)計(jì)，旨在通過(guò)理論與實(shí)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(shí)踐中也發(fā)現(xiàn)了自己理論的不足，對(duì)廣泛使用的單片機(jī)有了更理性、感性的認(rèn)識(shí)，從而在理論和實(shí)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(jì)了一種具有避障、循跡、測(cè)距等相關(guān)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的輪式移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)。平臺(tái)可以向任意方向移動(dòng)，操作靈活，并根據(jù)可以根據(jù)具體環(huán)境條件實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。本文是機(jī)器人外形設(shè)計(jì)和編程的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，可為后續(xù)機(jī)器人研究提供有價(jià)值的參考和有益的思路。 1.3. 輪式智能移動(dòng)機(jī)器人發(fā)展概況與現(xiàn)狀 自20世紀(jì)50年代以來(lái)，智能汽車(chē)的研究開(kāi)始在國(guó)外展開(kāi)。其發(fā)展過(guò)程大致經(jīng)歷了三個(gè)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(guó)出現(xiàn)了自主導(dǎo)航車(chē)輛系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有智能車(chē)輛最基本的特點(diǎn)——無(wú)人駕駛。這是一個(gè)標(biāo)志，一個(gè)智能車(chē)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(guó)家主要開(kāi)展了智能汽車(chē)的可行性研究和如何使智能汽車(chē)實(shí)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(lái)，一些發(fā)達(dá)國(guó)家，特別是歐洲的德國(guó)和美國(guó)，對(duì)智能車(chē)輛進(jìn)行了廣泛、大規(guī)模的研究。尤其突出的是美國(guó)Navlab系列自主車(chē)輛的研究。這項(xiàng)研究在卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機(jī)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(shuō)輪式移動(dòng)機(jī)器人的研究。在國(guó)外起步較早，世界上第一輛AGV是由美國(guó)巴雷特電子公司在20世紀(jì)50年代成功開(kāi)發(fā)的。這是一個(gè)牽引式的小車(chē)系統(tǒng)。小車(chē)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(jì)算機(jī)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)機(jī)器人的研究進(jìn)入了一個(gè)小高潮。美國(guó)和歐洲的一些制造商已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化了地面移動(dòng)機(jī)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(dòng)了移動(dòng)機(jī)器人的快速發(fā)展。 進(jìn)入20世紀(jì)80年代后，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究項(xiàng)目署(DARRA)投資6億美元制定了地面無(wú)人作戰(zhàn)戰(zhàn)略計(jì)劃，并為此作為了一個(gè)立項(xiàng)。該計(jì)劃全面推動(dòng)了地面移動(dòng)機(jī)器人研究在一些高等院校和科研機(jī)構(gòu)的發(fā)展。例如，由能源部制定的為期十年的機(jī)器人智能系統(tǒng)計(jì)劃(RIPS 1986-1995)，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局“戰(zhàn)略計(jì)算機(jī)”計(jì)劃(1983-1990)中的自動(dòng)地面車(chē)輛(ALV)計(jì)劃，以及隨后的空間機(jī)器人計(jì)劃。 從那時(shí)起，全世界開(kāi)始了對(duì)戶(hù)外移動(dòng)機(jī)器人的全面研究。美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）資助了“月球第二座”八足步行機(jī)器人的開(kāi)發(fā)。美國(guó)國(guó)家航空航天局開(kāi)發(fā)的火星探測(cè)機(jī)器人索杰納(Sojourner)于1997年登陸火星，反映了移動(dòng)機(jī)器人上的信息融合技術(shù)。德國(guó)成功開(kāi)發(fā)了輪椅機(jī)器人，并在烏爾姆市中心車(chē)站客流高峰環(huán)境和1998年漢諾威工業(yè)商品交易會(huì)展廳環(huán)境中進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)表演，展示了其他現(xiàn)有輪椅機(jī)器人或移動(dòng)機(jī)器人無(wú)可比擬的性能。2004年，美國(guó)漫游者“勇氣”和“機(jī)遇”號(hào)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(dòng)機(jī)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(jī)器人“Twenty-one”。它功能齊全，靈活性高，活動(dòng)范圍廣，可以自由移動(dòng)，活動(dòng)自如的為人類(lèi)服務(wù)。這是一個(gè)可以和人類(lèi)和諧共處的復(fù)雜機(jī)器人。 目前，國(guó)外智能移動(dòng)機(jī)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(guó)家，AGV研究也已經(jīng)系列化，如美國(guó)國(guó)防部Demo系列、美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)Navlab系列、德國(guó)慕尼黑國(guó)防部VAMP、法國(guó)Cybercar、德國(guó)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(yùn)輸設(shè)備供應(yīng)工廠與美國(guó)韋伯的合資企業(yè)合作開(kāi)辦。到1998年，日本已有20多家智能移動(dòng)機(jī)器人制造廠，如大富、Fanuc公司、Murata等。 在我國(guó)，移動(dòng)機(jī)器人研究的“七五”計(jì)劃剛剛開(kāi)始。國(guó)家“863”計(jì)劃中遙控反核偵察車(chē)的建立，標(biāo)志著移動(dòng)機(jī)器人研究的開(kāi)始。在國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì)和國(guó)家863計(jì)劃的支持下，國(guó)防科技大學(xué)、清華大學(xué)等大學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)了軍用室外移動(dòng)機(jī)器人7B.8，并于1995年12月通過(guò)驗(yàn)收。7B.8的車(chē)身是由躍進(jìn)客車(chē)改進(jìn)而來(lái)，它有二維彩色攝像機(jī)、三維激光雷達(dá)和超聲波傳感器。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以橫向?yàn)橹?，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(shí)，避障速度達(dá)到5-10公里/小時(shí)。 經(jīng)過(guò)多年的研究，已經(jīng)取得了一定的成果:北京起重運(yùn)輸機(jī)械研究所、中國(guó)郵政科學(xué)研究院、中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所、大連模塊化機(jī)床研究所、清華大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)和華東理工大學(xué)都在開(kāi)發(fā)不同類(lèi)型的AGV，并將其小批量投入生產(chǎn)。1975年，北京起重運(yùn)輸機(jī)械研究所完成了我國(guó)第一臺(tái)電磁導(dǎo)向定點(diǎn)通信智能移動(dòng)機(jī)器人。1989年，北京郵電科學(xué)研究院完成了我國(guó)第一臺(tái)用于雙向無(wú)線電通信的智能移動(dòng)機(jī)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(guó)外引進(jìn)的AGV應(yīng)用于EIMS的實(shí)驗(yàn)研究。清華大學(xué)計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用系開(kāi)發(fā)了自動(dòng)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(dòng)機(jī)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(kāi)發(fā)的玻璃天花板清潔機(jī)器人；哈爾濱工業(yè)大學(xué)于1996年成功開(kāi)發(fā)了一種導(dǎo)游機(jī)器人。華中科技大學(xué)于2005年開(kāi)發(fā)的肢體移動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了基于模塊化多足爬行的腿臂功能融合。 目前，我國(guó)高智能自主移動(dòng)機(jī)器人的研發(fā)還沒(méi)有系統(tǒng)化。它基本上是各大學(xué)和研究所根據(jù)國(guó)外的研究情況或?yàn)榱伺囵B(yǎng)學(xué)生的興趣而進(jìn)行的一些分散的研究。例如，機(jī)器人競(jìng)賽是中國(guó)相對(duì)權(quán)威的城市，集高科技、娛樂(lè)和競(jìng)賽于一體。它發(fā)起了各種機(jī)器人比賽，如機(jī)器人足球、機(jī)器人舞蹈、機(jī)器人相撲、機(jī)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(jī)器人科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。作為智能車(chē)輛的縮小模型，對(duì)智能車(chē)輛的深入研究也能對(duì)智能車(chē)輛的研究起到相應(yīng)的推動(dòng)作用。研發(fā)成本相對(duì)較低，設(shè)計(jì)方便。因此，本研究以輪式智能移動(dòng)小車(chē)為研究對(duì)象。 1.4. 設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)的主要內(nèi)容 本課題設(shè)計(jì)制作的輪式智能移動(dòng)機(jī)器人基于單片機(jī)，主要完成小車(chē)控制系統(tǒng)的硬件電路和軟件設(shè)計(jì)?？刂葡到y(tǒng)的硬件電路主要包括控制器、信號(hào)檢測(cè)電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、電源電路等。電機(jī)驅(qū)動(dòng)使用軟件產(chǎn)生不同占空比的脈寬調(diào)制波（PWM）來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。單片機(jī)作為整個(gè)智能小車(chē)的控制系統(tǒng)，控制與其相連的模塊。通過(guò)軟件編程，控制汽車(chē)實(shí)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(hào)檢測(cè)電路用于實(shí)時(shí)檢測(cè)電動(dòng)汽車(chē)的行駛速度、行駛位置和行駛狀態(tài)。單片機(jī)接收并處理信號(hào)檢測(cè)電路檢測(cè)到的各種數(shù)據(jù)，然后發(fā)出指令控制電動(dòng)車(chē)的運(yùn)行。該設(shè)計(jì)方案能夠?qū)崿F(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)控制。控制應(yīng)靈活、可靠、精度高，并滿(mǎn)足系統(tǒng)的所有要求。 通過(guò)對(duì)在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的選型，選定采用步進(jìn)電機(jī)控制，通過(guò)使用紅外距離傳感器和超聲波距離傳感器實(shí)現(xiàn)檢測(cè)障礙物和一定的避障功能，使用光電開(kāi)關(guān)巡線傳感器實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單巡線的功能。將底盤(pán)、傳感器、電機(jī)支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行繪制達(dá)到可以建模加工的程度。通過(guò)軟件的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)、模擬仿真等實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件電路的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)、控制程序編寫(xiě)和調(diào)試，最終實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。小車(chē)由驅(qū)動(dòng)模塊、控制模塊和外部感應(yīng)模塊組成。小車(chē)的核心硬件平臺(tái)采用的是STC系列微控制器，本課題設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)和使用，并且基本達(dá)到可對(duì)外銷(xiāo)售程度。  2. 相關(guān)技術(shù) 2.1. 單片機(jī)技術(shù) 全名是單片微型計(jì)算機(jī)（Single Clip Microcomputer）的單片機(jī)，主要由中央處理器（CPU）、只讀存儲(chǔ)器(ROM)、隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM)、定時(shí)/計(jì)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(gè)完整的微型計(jì)算機(jī) 。自從 1974 年 12 月美國(guó) Fairchild 公司研制出了世界上第一臺(tái)單片機(jī) F8 以來(lái)，單片機(jī)迅速發(fā)展，各種新型、高性能單片機(jī)不斷推陳出新。迄今為止，單片機(jī)的發(fā)展經(jīng)歷了 4 個(gè)時(shí)期： 第一階段(1974~1978 年)：?jiǎn)纹瑱C(jī)初級(jí)階段該階段最具有代表性的單片機(jī)就是英特爾生產(chǎn)的 MCS-48。該階段的單片機(jī)運(yùn)用了落后的制造工藝，其 CPU 為 8 位，I/O 接口為并行，定時(shí)器/計(jì)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(jī) F8 等 。 第二階段(1978~1983 年)：?jiǎn)纹瑱C(jī)完善階段以 Intel 公司的 MCS-51 系列單片機(jī)為代表，該時(shí)期的單片機(jī)的特點(diǎn)是：“串行I/O 口，帶有多級(jí)中斷處理系統(tǒng)，16 位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，片內(nèi)存儲(chǔ)器的容量相對(duì)增大，而且尋址范圍可達(dá) 64KB。 第三階段(1983~1990 年)：?jiǎn)纹瑱C(jī)鞏固和推新階段此階段的單片機(jī)，既完善第一階段的單片機(jī)，又發(fā)展第二階段的單片機(jī)，還推出了新的 32 位的單片機(jī)，也出現(xiàn)了專(zhuān)用單片機(jī)。 第四階段(1990 至今)：?jiǎn)纹瑱C(jī)全面發(fā)展階段適合于不同領(lǐng)域要求的單片機(jī)相繼出現(xiàn)。其特點(diǎn)是運(yùn)算速度快，存儲(chǔ)容量大，運(yùn)算能力強(qiáng)。類(lèi)型有通用型和專(zhuān)用型。當(dāng)然也有專(zhuān)用于單一領(lǐng)域的廉價(jià)的單片機(jī)。單片機(jī)自身的特點(diǎn)決定了其應(yīng)用非常廣泛，它已成為工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防、科研、教育以及日常生活等各個(gè)領(lǐng)域的智能化工具，對(duì)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(dòng)作用。 2.2. 智能電動(dòng)小車(chē)技術(shù) 隨著傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、人工智能等相關(guān)學(xué)科的飛速發(fā)展，智能移動(dòng)小車(chē)正朝著智能化方向發(fā)展。智能移動(dòng)小車(chē)控制系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)、控制技術(shù)、傳感技術(shù)、機(jī)械和人工智能等各種方面的知識(shí)，這是一個(gè)綜合化系統(tǒng)。它有單片機(jī)控制模式、光傳感器控制模式、語(yǔ)音控制模式等控制模式。它的功能是感知環(huán)境，做出動(dòng)態(tài)決策和計(jì)劃，控制和執(zhí)行行為。為了充分利用單片機(jī)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(lái)看，單片機(jī)同時(shí)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(shí)候，任務(wù)調(diào)度器將保存當(dāng)前任務(wù)的場(chǎng)景，恢復(fù)要運(yùn)行的任務(wù)的場(chǎng)景并將其投入運(yùn)行。簡(jiǎn)而言之，通用多任務(wù)系統(tǒng)是一個(gè)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(shí)器可以定時(shí)中斷，每個(gè)任務(wù)對(duì)應(yīng)的函數(shù)在處理函數(shù)中依次調(diào)用一次，每個(gè)函數(shù)可以在短時(shí)間內(nèi)返回，這樣在一定的時(shí)間內(nèi)，每個(gè)任務(wù)對(duì)應(yīng)的函數(shù)可以像多個(gè)任務(wù)同時(shí)運(yùn)行一樣執(zhí)行。還有一點(diǎn)需要注意的是，每個(gè)任務(wù)都由一些函數(shù)和一些靜態(tài)變量組成。定時(shí)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(shí)間內(nèi)返回，否則其他任務(wù)將無(wú)法及時(shí)調(diào)用，不滿(mǎn)足“實(shí)時(shí)”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(guò)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(chē)速測(cè)量系統(tǒng)中，許多產(chǎn)品已經(jīng)利用紅外技術(shù)實(shí)現(xiàn)車(chē)速測(cè)量、檢測(cè)等研究。當(dāng)紅外線應(yīng)用于速度測(cè)量領(lǐng)域時(shí)，最難克服各種包含紅外線的光源如強(qiáng)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(wèn)題，提出了一種紅外速度傳感器的設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)方案可為實(shí)時(shí)速度和相位加速度的多點(diǎn)測(cè)量提供技術(shù)支持，可應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中的速度測(cè)量，如高速公路速度測(cè)量和生產(chǎn)線下料的速度、稱(chēng)重。紅外發(fā)射器的驅(qū)動(dòng)可分為兩種驅(qū)動(dòng)模式:電平型和脈沖型。獨(dú)立的光電傳感器由紅外計(jì)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(qiáng)烈的光干擾。太陽(yáng)光包含干擾紅外接收管的紅外線。光線會(huì)開(kāi)啟紅外接收二極管，導(dǎo)致系統(tǒng)誤判，甚至整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是可以設(shè)置多點(diǎn)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(guó)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(cè)量系統(tǒng)，按照功能能夠分成五類(lèi)： （1）輻射計(jì)，用于輻射和光譜測(cè)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(duì)它的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行跟蹤； （3）熱成像系統(tǒng)，可產(chǎn)生整個(gè)目標(biāo)紅外輻射的分布圖像； （4）紅外測(cè)距和通信系統(tǒng)； （5）混合系統(tǒng)，是指以上各類(lèi)系統(tǒng)中的兩個(gè)或者多個(gè)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(qiáng)，易于獲得集中聲能，在水中傳播距離長(zhǎng)。它可用于測(cè)距、測(cè)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?yàn)樗念l率下限大于聽(tīng)力上限。 科學(xué)家稱(chēng)每秒振動(dòng)的次數(shù)為聲音的頻率，單位是赫茲。我們?nèi)祟?lèi)耳朵能聽(tīng)到的聲波頻率是20赫茲-20000赫茲。因此，我們稱(chēng)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(lái)的高新技術(shù)，是一門(mén)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(kāi)辟了新的領(lǐng)域，并在應(yīng)用方面對(duì)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(guó)、德國(guó)、加拿大、日本和中國(guó)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(kāi)辟了新的領(lǐng)域，并在應(yīng)用方面對(duì)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(jī)制，即機(jī)械機(jī)制、熱機(jī)制和空化機(jī)制。 由于其獨(dú)特的功能，超聲波在各種分離領(lǐng)域越來(lái)越顯示出其重要性。超聲波對(duì)兩相或多相體系的作用會(huì)產(chǎn)生各種效應(yīng)，如空化效應(yīng)、湍流效應(yīng)、擾動(dòng)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(dòng)效應(yīng)加強(qiáng)了微孔的擴(kuò)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(huì)引起傳播介質(zhì)的特定變化，從而促進(jìn)整個(gè)分離過(guò)程。超聲波可以應(yīng)用于各行各業(yè)。一般來(lái)說(shuō)，它可以分為檢測(cè)超聲和功率超聲。檢測(cè)超聲被用作超聲中的信號(hào)，例如b超、雷達(dá)和水聲應(yīng)用。功率超聲是利用機(jī)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)?？捎糜诔暡ê附?、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(cè)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(shí)工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)、機(jī)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(lái)越智能。顯然，傳統(tǒng)的控制理念不能滿(mǎn)足人們的需求，而智能控制和這些傳統(tǒng)控制有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，相互學(xué)習(xí)，提高整體優(yōu)勢(shì)，更好地滿(mǎn)足人們的需求。隨著人工智能技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的飛速發(fā)展，智能控制必將迎來(lái)其發(fā)展的新時(shí)代。計(jì)算機(jī)控制與電子技術(shù)的結(jié)合為智能電子設(shè)備開(kāi)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(chǎng)價(jià)值。 每個(gè)輪式智能移動(dòng)機(jī)器人都可以看作是一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可分為兩部分:控制硬件和控制軟件?？刂朴布▓?zhí)行器(驅(qū)動(dòng)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)輪)、硬件電路和傳感器?？刂栖浖w信息處理和控制算法。 自動(dòng)控制系統(tǒng) 信息處理 控制算法 執(zhí)行機(jī)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(jì)要求和設(shè)計(jì)內(nèi)容，采用基于單片機(jī)的控制方案，設(shè)計(jì)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(jì)要求，我認(rèn)為此設(shè)計(jì)屬于多輸入量的復(fù)雜程序控制問(wèn)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(shí)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(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，可利用VHDL語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)開(kāi)發(fā)。但CPLD在控制上較單片機(jī)有較大的劣勢(shì)。同時(shí)，CPLD的處理速度非常快，而小車(chē)的行進(jìn)速度不可能太高，那么對(duì)系統(tǒng)處理信息的要求也就不會(huì)太高，在這一點(diǎn)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(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，用其控制行進(jìn)中的小車(chē)，以實(shí)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(shí)現(xiàn)小車(chē)的自動(dòng)控制，而在這一點(diǎn)上，單片機(jī)就顯現(xiàn)出來(lái)它的優(yōu)勢(shì)——控制簡(jiǎn)單、方便、快捷。這樣一來(lái)，單片機(jī)就可以充分發(fā)揮其資源豐富、有較為強(qiáng)大的控制功能及可位尋址操作功能、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。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(jī)，它具有集成度高、體積小，可靠性高、實(shí)用溫度范圍寬，有優(yōu)良的性能價(jià)格比，控制功能強(qiáng)，外部總線豐富，功能擴(kuò)展性強(qiáng)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(dòng)了嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展并深入到各個(gè)領(lǐng)域，已經(jīng)成為工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防、科研、教育以及日常生活的各個(gè)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(duì)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(dòng)作用。但是，當(dāng)今社會(huì)單片機(jī)廠商多如牛毛，產(chǎn)品性能不盡相同。常用的典型的單片機(jī)有 Intel公司的 MCS-51 系列單片機(jī)、Motorola 公司的 M68 系列單片機(jī)、Philips 公司的 P系列單片機(jī)、WinBond（華邦）公司的 W77、W78 系列單片機(jī)、Atmel 公司生產(chǎn)的 AT89 系列單片機(jī)、EPSON 公司的單片機(jī)等 。本設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的是一個(gè)復(fù)雜程序控制系統(tǒng)，具有多開(kāi)關(guān)量輸入的特點(diǎn)。因此，控制核心需要用擅長(zhǎng)處理多開(kāi)關(guān)量的標(biāo)準(zhǔn)單片機(jī)，而不能用精簡(jiǎn) I/O 口和程序存儲(chǔ)器的小體積單片機(jī)。針對(duì)本設(shè)計(jì)特點(diǎn)——多開(kāi)關(guān)量輸入的復(fù)雜程序控制系統(tǒng)，需要擅長(zhǎng)處理多開(kāi)關(guān)量的標(biāo)準(zhǔn)單片機(jī)，而不能用精簡(jiǎn)I/O口和程序存儲(chǔ)器的小體積單片機(jī)，D/A、A/D功能也不必選用。 在綜合考慮了傳感器、兩部電機(jī)的驅(qū)動(dòng)等諸多因素后，本設(shè)計(jì)最終決定采用一片STC公司的 STC89C52RC 單片機(jī)，充分利用 STC89C52RC 單片機(jī)的資源和適合復(fù)雜控制應(yīng)用場(chǎng)合的特點(diǎn)。51單片機(jī)具有功能強(qiáng)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(duì)于本設(shè)計(jì)也綽綽有余，更可貴的是51單片機(jī)價(jià)格非常低廉。 圖3 89C52RC型單片機(jī) 3.2. 電機(jī)模塊的選用 3.2.1. 電動(dòng)機(jī)的選擇 輪式移動(dòng)機(jī)器人中使用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)除了具有一定的電機(jī)功能標(biāo)準(zhǔn)之外，還應(yīng)該參考以下幾點(diǎn)特殊性： (1)方便性。驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)該具有簡(jiǎn)單的操作性。在本設(shè)計(jì)中，對(duì)電機(jī)的要求僅僅是利用主控芯片的 PWM 對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)在不同場(chǎng)合下的電機(jī)調(diào)速。 (2)可靠性。在驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)速過(guò)程中，要求的非常精確，這就使得驅(qū)動(dòng)電機(jī)必須要有可靠的執(zhí)行命令的能力?？煽啃阅軓?qiáng)，反應(yīng)快速，適合復(fù)雜的環(huán)境操作。 (3)適應(yīng)性。移動(dòng)機(jī)器人中應(yīng)用的電機(jī)不同于其他環(huán)境的靜態(tài)使用的電機(jī)，這就要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)能夠適應(yīng)很多復(fù)雜的環(huán)境。 (4)低成本性。在一些移動(dòng)機(jī)器人中，應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)非常多，例如舞蹈機(jī)器人中每個(gè)關(guān)節(jié)都需要一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。為了滿(mǎn)足上面的特殊性，還得要求控制成本，那么就需要選擇一個(gè)性?xún)r(jià)比較高的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。 因此，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)在輪式移動(dòng)機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)中常常作為首選。 步進(jìn)電機(jī)最基本的功能是將外部的電脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)處理轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在理想條件 下，步進(jìn)電機(jī)的電機(jī)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(hào)的頻率大小和脈沖數(shù)。在電機(jī)沒(méi)有超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，如果給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，并且有足夠的電壓范圍，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(稱(chēng)為“步距角”)。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收到外部的一個(gè)脈沖信號(hào)，便可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)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(jī)來(lái)控制變的非常的簡(jiǎn)單。 直流電機(jī)就是將直流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的電機(jī)，由定子和轉(zhuǎn)子組成。直流電動(dòng)機(jī)因其良好的調(diào)速性能而在電力拖動(dòng)中得到廣泛應(yīng)用。直流電動(dòng)機(jī)按勵(lì)磁方式分為永磁、他勵(lì)和自勵(lì)3類(lèi)，其中自勵(lì)又分為并勵(lì)、串勵(lì)和復(fù)勵(lì)3種。直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法分為兩種：勵(lì)磁控制和電樞電壓控制。其中勵(lì)磁控制方法的控制功率小，在低速時(shí)受到磁飽和的限制，在高速時(shí)受到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制，且由于勵(lì)磁線圈電感較大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差。所以通常采用電樞電壓控制法即通過(guò)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(dòng)機(jī)的調(diào)速原理、購(gòu)買(mǎi)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(jī)作為輪式智能移動(dòng)機(jī)器人的執(zhí)行電機(jī)。 在電機(jī)型號(hào)的選取方面，由于此款輪式機(jī)器人在相對(duì)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(jī)，因此本文選用電機(jī)市場(chǎng)上最常見(jiàn)且性?xún)r(jià)比相對(duì)較高的42系列步進(jìn)電機(jī)中的兩相四線制步進(jìn)電機(jī)，選 用型號(hào)為42-2S39Q-05026。其驅(qū)動(dòng)裝置則采用A4988高性能驅(qū)動(dòng)器。 圖4 42系列步進(jìn)電機(jī)及A4988電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 3.2.2. 驅(qū)動(dòng)器選擇 方案一：采用繼電器對(duì)電動(dòng)機(jī)的開(kāi)或關(guān)進(jìn)行控制,通過(guò)開(kāi)關(guān)的切換對(duì)小車(chē)的速度進(jìn)行調(diào)整.此方案的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡(jiǎn)單,缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時(shí)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(dòng)機(jī)的分壓，從而達(dá)到分壓的目的。但電阻網(wǎng)絡(luò)只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價(jià)格比較昂貴。更主要的問(wèn)題在于一般的電動(dòng)機(jī)電阻很小，但電流很大，分壓不僅回降低效率，而且實(shí)現(xiàn)很困難。 方案三：采用帶轉(zhuǎn)換器和過(guò)流保護(hù)的DMOS微步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，用于操作雙極步進(jìn)電機(jī)，只需要一路PWM就能驅(qū)動(dòng)，時(shí)序簡(jiǎn)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(gè)脈沖，即可驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生微步。無(wú)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(guò)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(shí)操作雙極步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，且在步進(jìn)模式，輸出驅(qū)動(dòng)的能力35V和±2A。A4988?包括一個(gè)固定關(guān)斷時(shí)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(dòng)機(jī)器驅(qū)動(dòng)，它主要特點(diǎn)為： 1、控制簡(jiǎn)單，只需要控制STEP與DIR兩個(gè)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(dòng)電流衰減模式檢測(cè)/選擇； 6、具有過(guò)熱關(guān)閉電路、欠壓鎖定、交叉電流保護(hù)；接地短路保護(hù)和加載短路保護(hù)； 圖5 A4988驅(qū)動(dòng)合成模塊及散熱器 3.3. 供電電源模塊選用 方案一：采用實(shí)驗(yàn)室有線電源通過(guò)穩(wěn)壓芯片供電，其優(yōu)點(diǎn)是可穩(wěn)定的提供5V電壓，但占用資源過(guò)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(shí)給單片機(jī)與與電機(jī)供電。 方案四：采用11.1v 25c鋰電池作為主電源分別給單片機(jī)與電機(jī)供電可解決方案二的問(wèn)題且能讓小車(chē)完成其功能。 所以，我選擇了方案三來(lái)實(shí)現(xiàn)供電。 圖6 使用的12V 1800mAh電源 本設(shè)計(jì)軟件程序設(shè)計(jì)采用了模塊化思想，分為循跡模塊、避障模塊兩個(gè)部分。通過(guò)單片機(jī)接收到循跡模塊、避障模塊采集的信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理，再由單片機(jī)對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序來(lái)控制小車(chē)的動(dòng)作，完成指定目標(biāo)。采用此種供電方式可以減輕智能小車(chē)的體積和重量，能夠滿(mǎn)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(guò)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(shí)現(xiàn)輪式智能移動(dòng)機(jī)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(guò)程中如何搜索到障礙物、自動(dòng)躲避及越過(guò)障礙物的問(wèn)題；自主巡線也稱(chēng)自主導(dǎo)航即在無(wú)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(wèn)題。 3.4.1. 自主循跡方案 依上文所述，現(xiàn)代自動(dòng)AGV系統(tǒng)即輪式智能移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)是一個(gè)自動(dòng)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(lái)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(wú)線式，以上兩大類(lèi)的具體引導(dǎo)方法見(jiàn)表2.1。 表1 常見(jiàn)的引導(dǎo)方式 引導(dǎo)方法 工作原理 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 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(shí)線，應(yīng)用光電探頭檢測(cè)標(biāo)識(shí)線的存在及其偏移位置，以控制機(jī)器人的運(yùn)行 成本費(fèi)用較低 這種導(dǎo)引方式對(duì)運(yùn)動(dòng)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(chǎng)信號(hào)，磁場(chǎng)傳感器檢測(cè)此信號(hào)并控制輪式移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過(guò)程 埋線隱蔽，不易污染破壞，易于控制和通信，抗聲光干擾強(qiáng) 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(jì)安放一個(gè)可旋轉(zhuǎn)的激光發(fā)射接收器，檢測(cè)機(jī)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(jì)算出機(jī)器人的二維坐標(biāo)方向 反射板的設(shè)置簡(jiǎn)單、路徑的變?nèi)嵝暂^好 對(duì)空間的無(wú)障礙性要求較高 視覺(jué)導(dǎo)航式 通過(guò)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(shí)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(jī)器人行走區(qū)域分成網(wǎng)格，網(wǎng)格交義點(diǎn)安裝若干磁性體或其他種類(lèi)的內(nèi)存信息的標(biāo)碼測(cè)知位置，機(jī)器人根據(jù)地圖坐標(biāo)行走，并且用編碼器進(jìn)行測(cè)距 簡(jiǎn)化路面鋪設(shè)，對(duì)環(huán)境無(wú)特別要求 引導(dǎo)精度差，不適合大車(chē)間作業(yè) 慣性導(dǎo)航式 采用陀螺儀檢測(cè)機(jī)器人方位角并根據(jù)從某一個(gè)參考點(diǎn)出發(fā)所測(cè)定的行駛距離來(lái)確定當(dāng)前位置，通過(guò)與已知的地圖路線進(jìn)行比較來(lái)控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向和距離 靈活性強(qiáng)，便于組合和兼容，尤其適合背陀式車(chē)型 需要輔助地圖信息 因此，綜合考慮成本費(fèi)用、實(shí)驗(yàn)條件以及各個(gè)導(dǎo)航方式的優(yōu)缺點(diǎn)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(dòng)機(jī)器人的自主巡線方案。 3.4.2. 循跡方案與傳感器 路徑識(shí)別模塊也就是循跡模塊，是智能小車(chē)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(chē)的運(yùn)行速度和運(yùn)行穩(wěn)定性。通常采用的路徑識(shí)別方案有紅外光電傳感器尋跡和紅外對(duì)管尋跡兩種方案。 方案一：采用簡(jiǎn)易光電傳感器結(jié)合外圍電路探測(cè)，但實(shí)際效果并不理想，對(duì)行駛過(guò)程中的穩(wěn)定性要求很高，且誤測(cè)機(jī)率較大、易受光線環(huán)境和路面介質(zhì)影響。在使用過(guò)程中極易出現(xiàn)問(wèn)題，而且容易因?yàn)?該部件造成整個(gè)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(cè)電路 方案二：采用紅外對(duì)管尋跡(圖10)，分別置于小車(chē)車(chē)身中軌道的兩側(cè)，根據(jù)兩只光電開(kāi)關(guān)接受到白線與黑線的情況來(lái)控制小車(chē)轉(zhuǎn)向來(lái)調(diào)整車(chē)向，測(cè)試表明，只要合理安裝好兩只光電開(kāi)關(guān)的位置就可以很好的實(shí)現(xiàn)循跡的功能。方案三：采用三只紅外對(duì)管，一只置于軌道中間，兩只置于軌道外側(cè)，當(dāng)小車(chē)脫離軌道時(shí)，即當(dāng)置于中間的一只光電開(kāi)關(guān)脫離軌道時(shí)，等待外面任一只檢測(cè)到黑線后，做出相應(yīng)的轉(zhuǎn)向調(diào)整，直到中間的光電開(kāi)關(guān)重新檢測(cè)到黑線（即回到軌道）再恢復(fù)正向行駛?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明，小車(chē)在尋跡過(guò)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(guò)比較，我選取第二種方案來(lái)實(shí)現(xiàn)循跡。 圖10 紅外對(duì)管 紅外光電傳感器路徑識(shí)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(qiáng)度與白色的賽道不同，由此判斷行車(chē)方向。其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)單片機(jī)資源消耗少、響應(yīng)速度快，缺點(diǎn)是受制于傳感器的數(shù)量，賽道空間分辨率低，對(duì)于智能車(chē)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(méi)有被反射回來(lái)或被反射回來(lái)但強(qiáng)度不夠大時(shí)，光敏三極管一直處于關(guān)斷狀態(tài)，此時(shí)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(cè)物體出現(xiàn)在檢測(cè)范圍內(nèi)時(shí)，紅外線被反射回來(lái)且強(qiáng)度足夠大，光敏三極管飽和，此時(shí)模塊的輸出端為低電平，指示二極管被點(diǎn)亮，原理圖如圖10所示。 綜上所述，本設(shè)計(jì)選用紅外發(fā)發(fā)射與接收管，通過(guò)紅外發(fā)射管發(fā)射紅外線。當(dāng)檢測(cè)到黑線路徑時(shí)，紅外線被反射回來(lái)，被接紅外接收管接收，再通過(guò)比較器處理后，可以使得周?chē)饩€干擾減少。而且該模塊具有便于安裝、使用便利等特點(diǎn)。 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(cè)量機(jī)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(lái)實(shí)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(duì)管置于小車(chē)中央。其安裝簡(jiǎn)易，也可以檢測(cè)到障礙物的存在，但難以確定小車(chē)在水平方向上是否會(huì)與障礙物相撞，也不易讓小車(chē)做出精確的轉(zhuǎn)向反應(yīng)。 方案二：采用二只紅外對(duì)管分別置于小車(chē)的前端兩側(cè)，方向與小車(chē)前進(jìn)方向平行，對(duì)小車(chē)與障礙物相對(duì)距離和方位能作出較為準(zhǔn)確的判別和及時(shí)反應(yīng)。但此方案過(guò)于依賴(lài)硬件、成本較高、缺乏創(chuàng)造性，而且置于小車(chē)左方的紅外對(duì)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(chē)前側(cè)。通過(guò)測(cè)試此種方案就能很好的實(shí)現(xiàn)小車(chē)避開(kāi)障礙物，且充分的利用資源而不浪費(fèi)。通過(guò)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(wú)法正常通過(guò)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用超聲波傳感器模塊進(jìn)行障礙物的檢測(cè)，并設(shè)計(jì)了避障判斷子程序?qū)崿F(xiàn)避障功能。該系統(tǒng)用于檢測(cè)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(hào)會(huì)在小車(chē)前方出現(xiàn)障礙物時(shí)被反射回來(lái)。該傳感器的接收器負(fù)責(zé)接收反射信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過(guò)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(cè)到前方有障礙物時(shí)，可自行調(diào)整方向，繞開(kāi)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(cè)距模塊，可以提供 2cm-400cm 的非接觸式距離感測(cè)功能，測(cè)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(jī) I/O 口來(lái)觸發(fā)測(cè)距，模塊自動(dòng)發(fā)送 8 個(gè) 40kHz 的方波，同時(shí)檢測(cè)是否有信號(hào)返回，然后通過(guò) I/O 口輸出高低電平，高電平持續(xù)的時(shí)間為超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間，根據(jù)聲音傳播的公式[8]：距離=（時(shí)間 * 聲速（340m/S））/2 可得：測(cè)試距離=（高電平時(shí)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(shí)即打開(kāi)計(jì)時(shí)器定時(shí)，當(dāng)接收到低電平時(shí)讀取定時(shí)器的值，取兩者的差值即為本次測(cè)量的時(shí)間，不斷進(jìn)行周期測(cè)量，再通過(guò)上述的公式即可達(dá)到超聲波測(cè)距的功能。通過(guò)在車(chē)上搭載的超聲波測(cè)距模塊可以實(shí)現(xiàn)超聲波避障功能。當(dāng)小車(chē)啟動(dòng)時(shí)同時(shí)啟動(dòng)超聲波模塊，舵機(jī)歸中以確保超聲波模塊正對(duì)小車(chē)前方，在程序中給超聲波測(cè)距模塊設(shè)定一個(gè)閾值開(kāi)始工作，如設(shè)定的閾值為 10cm，那么當(dāng)檢測(cè)到前方障礙物小于該值（10cm）時(shí)，小車(chē)停止并運(yùn)用舵機(jī)配合超聲波測(cè)量小車(chē)左方和右方離障礙物的距離，同時(shí)將這兩個(gè)距離送由單片機(jī)作比較，如果左邊離障礙物的距離大于右邊的測(cè)量值小車(chē)左轉(zhuǎn)，反則同理。 3.5. 傳感器的選用 無(wú)論采用哪種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)智能移動(dòng)機(jī)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?yàn)樗帽戎悄茌喪揭苿?dòng)機(jī)器人的眼睛，路徑識(shí)別的好壞直接關(guān)系到移動(dòng)機(jī)器人控制性能的優(yōu)劣。 在輪式智能移動(dòng)機(jī)器人的避障系統(tǒng)中，傳感器的主要作用是在機(jī)器人躲避障礙物過(guò)程中為系統(tǒng)提供兩種信息： (1) 機(jī)器人附近障礙物的存在信息。 (2) 障礙物與機(jī)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(jué)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(kāi)關(guān)等。 3.5.1. 超聲波傳感器 超聲波是一種振動(dòng)頻率高于聲波的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵(lì)下發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生的，在碰到雜質(zhì)或分界面會(huì)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(cè)物體存在與否的。超聲波頻率高、波長(zhǎng)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(jiǎn)單并且價(jià)格低廉，被廣泛用在機(jī)器人環(huán)境建模、測(cè)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(cè)量盲區(qū)，而且對(duì)于過(guò)大的障礙物可能發(fā)生鏡面反射，所以利用超聲測(cè)距時(shí)，所得測(cè)量值與實(shí)際值存在一定的誤差。 目前超聲波測(cè)距的方法有很多種，如渡越時(shí)間檢測(cè)法、聲波幅值檢測(cè)法、相位檢測(cè)法等。渡越時(shí)間檢測(cè)法是利用控制芯片將回波的返回延時(shí)換算成與障礙物的距離；聲波幅值檢測(cè)法是看回波的幅度大小，在軟件上實(shí)現(xiàn)距離的檢測(cè)；相位檢測(cè)法是通過(guò)測(cè)量返回波與發(fā)射波之間相差多少相位，來(lái)判斷距離。 3.5.2. 紅外線傳感器 紅外測(cè)距傳感器具有一對(duì)紅外信號(hào)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(hào)，接收管接收這種頻率的紅外信號(hào)，當(dāng)紅外的檢測(cè)方向遇到障礙物時(shí)，紅外信號(hào)反射回來(lái)被接收管接收，經(jīng)過(guò)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(diǎn)：不受電磁波的干擾、可以實(shí)現(xiàn)非接觸性測(cè)量。而且，紅外線不受可見(jiàn)光的影響，可在晝夜進(jìn)行測(cè)量。但由于發(fā)射的紅外線容易受物體的顏色、周?chē)墓饩€的影響，導(dǎo)致經(jīng)常出現(xiàn)一定的測(cè)量誤差，而且測(cè)距范圍較小。 3.5.3. SRF04超聲波測(cè)距模塊 該SRF04超聲波模塊是由韓國(guó)制造的用于測(cè)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(cè)，SRF04超聲波測(cè)距模塊的測(cè)量范圍為2cm-10.7m，工作電壓為5V直流電源。其工作時(shí)序圖如圖13所示。 圖12 SRF04超聲波測(cè)距模塊 圖13 SRF04工作時(shí)序 根據(jù)SRF04的時(shí)序圖可知，用戶(hù)必須在軟件編程上給它提供一個(gè)不少于10的觸發(fā)脈沖信號(hào)才能使該超聲波測(cè)距模塊工作。之后該模塊會(huì)自動(dòng)發(fā)出一組具有8個(gè)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(cè)距模塊的測(cè)量方法屬于上文提到的渡越時(shí)間檢測(cè)法。利用該模塊測(cè)量距離的計(jì)算公式為： （1） 在公式（1）中，P為回聲脈沖即回波延時(shí)，以計(jì)算；D代表測(cè)量距離。以cm計(jì)算。 SRF04超聲波測(cè)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(chē)、機(jī)器人等自動(dòng)化機(jī)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(duì)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(hào) 測(cè)量距離 1CM-1.5CM 檢測(cè)探頭 TCRT5000L 檢測(cè)信號(hào) 探測(cè)黑線輸出低電平，探測(cè)白線輸出高電平，超出探測(cè)低電平 LED狀態(tài) LEDLED 圖15 單路原理圖 說(shuō)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(jiǎn)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(cè)到不反光表面時(shí)，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(cè)到不反光表面時(shí)，相應(yīng)引腳輸出低電平 8.R1、R2、R3、R4：對(duì)應(yīng)比較電壓調(diào)節(jié) 9.輸出端為極電極開(kāi)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(cè) 表3 傳感器模塊主要參數(shù) 項(xiàng)目名稱(chēng) 測(cè)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 77 4. 機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制作 在輪式移動(dòng)機(jī)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(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)執(zhí)行和實(shí)現(xiàn)的，因此在設(shè)計(jì)電路硬件和軟件編程之前應(yīng)對(duì)輪式移動(dòng)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)有較好的認(rèn)識(shí)與把握從而做出適合的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 4.1. 機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求，包括對(duì)機(jī)器整機(jī)的設(shè)計(jì)要求和對(duì)組成零件的設(shè)計(jì)要求兩個(gè)方面，兩者相互聯(lián)系、相互影響。 4.1.1. 對(duì)機(jī)器整機(jī)設(shè)計(jì)的基本要求 對(duì)機(jī)器使用功能方面的要求：實(shí)現(xiàn)預(yù)定的使用功能是機(jī)械設(shè)計(jì)的最基本的要求，好的使用性能指標(biāo)是設(shè)計(jì)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(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)所要求的。 對(duì)機(jī)器經(jīng)濟(jì)性的要求：機(jī)器的經(jīng)濟(jì)性體現(xiàn)在設(shè)計(jì)、制造和使用的全過(guò)程中，在設(shè)計(jì)機(jī)器時(shí)要全面綜合的進(jìn)行考慮。設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性體現(xiàn)為合理的功能定位