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摘 要
近年來，隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)機(jī)器人軌跡跟蹤問題受到了人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注。前輪轉(zhuǎn)向、后輪驅(qū)動(dòng)的輪式類車移動(dòng)機(jī)器人與四輪汽車的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型相近，因此對(duì)輪式類車移動(dòng)機(jī)器人的軌跡跟蹤控制問題的研究在汽車自動(dòng)駕駛、智能交通等方面具有重要的意義。
自動(dòng)引導(dǎo)機(jī)器人技術(shù)可用于無(wú)人駕駛汽車，無(wú)人工廠、倉(cāng)庫(kù)及服務(wù)機(jī)器人等領(lǐng)域。本文詳細(xì)介紹了基于51單片機(jī)的巡線機(jī)器人設(shè)計(jì)，其主要包括超聲波檢測(cè)模塊、紅外巡線檢測(cè)、電動(dòng)機(jī)調(diào)速驅(qū)動(dòng)以及搬用機(jī)械手模塊。該系統(tǒng)在單片機(jī)的控制下，采集、存儲(chǔ)、處理巡線系統(tǒng)輸入的數(shù)字信號(hào)，并通過驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來控制直流電機(jī)，使機(jī)器人按照預(yù)設(shè)的路線行走及搬運(yùn)物體。該系統(tǒng)使用反射式紅外傳感器識(shí)別與地面顏色差別較大的引導(dǎo)線信息，采用L298H橋驅(qū)動(dòng)電路和PWM波調(diào)速方法控制行走電機(jī)。給出了系統(tǒng)調(diào)試方法并分析了試驗(yàn)數(shù)據(jù)，討論了提升系統(tǒng)性能的必要手段，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的自動(dòng)巡線功能。
本設(shè)計(jì)采用以AT89C51單片機(jī)為核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示超聲波測(cè)距儀的硬件電路和軟件設(shè)計(jì)方法。整個(gè)電路采用模塊化設(shè)計(jì)，由主程序、預(yù)置子程序、發(fā)射子程序、接收子程序模塊組成。探頭的信號(hào)經(jīng)單片機(jī)綜合分析處理，實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距的功能。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的總體方案，最后通過硬件和軟件實(shí)現(xiàn)了各個(gè)功能模塊。相關(guān)部分附有硬件電路圖、程序流程圖。
關(guān)鍵詞：機(jī)器人；巡線；光電三極管；PWM波；51單片機(jī)；超聲波
Abstract
With the development of robot technology，the trajectory—tracking problem of
mobile robot is paid more and more attention．A wheeled car-like mobile robot，which is steered by two front wheel sand driven by two real wheels，has similar kinematic model to that of a four-wheel car．So the study on the trajectory-tracking problem of the wheeled car-like mobile robot is significant for automatic drive of car as well as intelligent transportation．
Automatic Guided robot technology can be used for unmanned aerial vehicles, unmanned factories, warehouses and service robots, and other fields. This paper describes Line-tracking robot design on the base of the 51. Its main module include: photoelectric detection module ultrasonic measurement detection and line patrols and infrared detection, Motor-driven, human-machine interfaces. Under the control of the single-chip microcomputer subsystem, the system can collect, save and process the digital signal from the line-tracking system, then controls the motor through the driving system, and with the system robot can move according to reinstalling tracking. The system uses infrared reflectance sensor identification with the ground vary greatly in color line guide information, Drivers using L298H bridge circuit and PWM control methods wave speed motor running. Commissioning is a systematic method of analysis and test data, discussed the upgrade system performance necessary means, the robot's automatic line-tracking function.
At the core of the design using AT89C51 low-cost, high accuracy, Micro figures show that the ultrasonic range finder hardware and software design methods. Modular design of the whole circuit from the main program, pre subroutine fired subroutine receive subroutine. display subroutine modules form. SCM comprehensive analysis of the probe signal processing, and the ultrasonic range finder function. On the basis of the overall system design, hardware and software by the end of each module.
Keyword: robot； line-tracking； photoelectric triode ；PWM wave,；51single-chip microcomputer；ultrasonic
目 錄
引言 1
1 緒 論 2
1.1 移動(dòng)機(jī)器人概述 2
1.1.1巡線機(jī)器人的發(fā)展 2
1.2 移動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)思路 5
1.3 課題設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求 5
2 移動(dòng)機(jī)器人總體設(shè)計(jì) 7
2.1移動(dòng)機(jī)器人整體設(shè)計(jì) 7
2.2移動(dòng)機(jī)器人整體方案論證 7
2.2.1 傳感器設(shè)計(jì)方案 7
2.2.2 電機(jī)的選擇及驅(qū)動(dòng)方案 9
2.2.3 電機(jī)的控制方案選擇 10
3 移動(dòng)機(jī)器人模型結(jié)構(gòu)及引導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 12
3.1移動(dòng)機(jī)器人模型結(jié)構(gòu) 12
3.2移動(dòng)機(jī)器人引導(dǎo)系統(tǒng) 12
3.2.1 導(dǎo)軌引導(dǎo)系統(tǒng) 12
3.2.2 機(jī)器視覺引導(dǎo)系統(tǒng) 13
4 控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 15
4.1 單片機(jī)的功能特點(diǎn) 15
4.2 紅外檢測(cè)電路的設(shè)計(jì) 17
4.3 超聲波測(cè)距的硬件設(shè)計(jì) 18
4.3.1超聲波測(cè)距的原理 18
4.3.2 超聲波發(fā)射電路 19
4.3.3 超聲波檢測(cè)接收電路 20
4.4 搬用物檢測(cè)電路 20
4.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 21
4.6 電源模塊設(shè)計(jì) 23
4.7 報(bào)警電路設(shè)計(jì) 23
5 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) 24
5.1 編程思路及總流程圖 24
5.1.1總流程圖 24
5.1.2 程序設(shè)計(jì)思路 25
5.2 超聲波測(cè)距的算法設(shè)計(jì) 25
5.3 巡線算法設(shè)計(jì) 25
5.4電機(jī)控制設(shè)計(jì) 27
5.5 超聲波發(fā)生子程序與超聲波接受中斷程序 28
5.6 完整源程序 29
5.7控制效果報(bào)告 33
6 結(jié) 論 35
謝 辭 35
參考文獻(xiàn) 37
附 錄 38
引言
輪式移動(dòng)機(jī)器人是機(jī)器人研究領(lǐng)域的一項(xiàng)重要內(nèi)容．它集機(jī)械、電子、檢測(cè)技術(shù)與智能控制于一體。在各種移動(dòng)機(jī)構(gòu)中，輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)最為常見。輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)之所以得到廣泛的應(yīng)用。主要是因?yàn)槿菀卓刂破湟苿?dòng)速度和移動(dòng)方向。因此．有必要研制一套完整的輪式機(jī)器人系統(tǒng)。并進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和控制算法研究。
隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，微處理器芯片的集成程度越來越高，單片機(jī)已可以在一塊芯片上同時(shí)集成cpu、存儲(chǔ)器、定時(shí)器／計(jì)數(shù)器、并行和串行接口、看門狗、前置放大器、a／d轉(zhuǎn)換器、d／a轉(zhuǎn)換器等多種電路，這就很容易將計(jì)算機(jī)技術(shù)與測(cè)量控制技術(shù)結(jié)合，組成智能化測(cè)量控制系統(tǒng)。這種技術(shù)促使機(jī)器人技術(shù)也有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，目前人們已經(jīng)完全可以設(shè)計(jì)并制造出具有某些特殊功能的簡(jiǎn)易智能機(jī)器人。筆者設(shè)計(jì)和開發(fā)了基于5l型單片機(jī)的自動(dòng)巡線輪式機(jī)器人控制系統(tǒng)。
1 緒 論
1.1 移動(dòng)機(jī)器人概述
自動(dòng)引導(dǎo)機(jī)器人技術(shù)可用于無(wú)人駕駛汽車，電力、無(wú)人工廠、倉(cāng)庫(kù)及服務(wù)機(jī)器人等領(lǐng)域。本文結(jié)合機(jī)器人的產(chǎn)生和發(fā)展?fàn)顩r，在討論電力線巡檢常用設(shè)備和方法的基礎(chǔ)上，分析了國(guó)內(nèi)外巡線機(jī)器人、研究及應(yīng)用現(xiàn)狀。結(jié)合作者進(jìn)行的具體研究工作討論了巡線機(jī)器人的一般結(jié)構(gòu)、控制方案，并提出了兩臂機(jī)器人的故障探測(cè)、行為規(guī)劃方案。
兩院院士宋健曾說過:“機(jī)器人學(xué)的進(jìn)步和應(yīng)用是本世紀(jì)自動(dòng)控制最有說服力的成就,是當(dāng)代最高意義上的自動(dòng)化”?？茖W(xué)的進(jìn)步與技術(shù)的創(chuàng)新,為機(jī)器人的研究與應(yīng)用開辟了廣闊的思路與空間。
1.1.1巡線機(jī)器人的發(fā)展
（1) 國(guó)外巡線機(jī)器人的發(fā)展
移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展為架空電力線路巡檢提供了新的技術(shù)平臺(tái)。20世紀(jì)80年代，國(guó)際上開始研制高壓輸電線路巡線機(jī)器人。早期日本、美國(guó)和加拿大等國(guó)相繼開發(fā)了不同用途的巡線機(jī)器人，并取得了較大的進(jìn)展，尤其是可在兩個(gè)桿塔之間巡檢的機(jī)器人技術(shù)較為成熟，有些已達(dá)到產(chǎn)品化的程度。1988年Sawada等人首先研制了具有初步自主越障能力的光纖復(fù)合架空地線巡檢移動(dòng)機(jī)器人，該機(jī)器人依靠?jī)?nèi)嵌的輸電線路結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)行為的規(guī)劃。當(dāng)遇到桿塔時(shí)，該機(jī)器人利用自身攜帶的導(dǎo)軌從桿塔側(cè)面滑過，如圖1，因?yàn)闆]有安裝外部環(huán)境感知傳感器，因而適應(yīng)性較差。而且導(dǎo)軌約100kg，機(jī)器人自身過重，對(duì)電池供電有更高要求。
圖1-1 光纖架空地線巡檢機(jī)器人
美國(guó)TRC公司1989年研制了一臺(tái)懸臂自治巡檢機(jī)器人模型，能沿架空導(dǎo)線進(jìn)行較長(zhǎng)距離的行走，可進(jìn)行電暈損耗、絕緣子、結(jié)合點(diǎn)、壓接頭等視覺檢查任務(wù)，并將探測(cè)到的線路故障參數(shù)進(jìn)行預(yù)處理后傳送給地面人員，如圖2。然而僅在兩個(gè)桿塔之間爬行的巡線機(jī)器人已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際線路巡檢工作的要求，輸電線路不僅存在著支撐桿塔，而且還存在著多種線路附件構(gòu)成的障礙物，如防震錘、懸垂線夾、耐張線夾和絕緣子等。因此具有越障功能的巡線機(jī)器人成為該領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。
圖1-2 TRC公司的懸臂機(jī)器人
由日本Sato公司生產(chǎn)的輸電線路損傷探測(cè)器也采用了單體小車結(jié)構(gòu)（圖1-3 所示），能在地面操作人員的遙控下，沿輸電線路行走，利用車載探測(cè)儀探測(cè)線路損傷程度及準(zhǔn)確位置，將獲取的數(shù)據(jù)和圖片資料存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)記錄器中。地面工作人員可回放復(fù)查，進(jìn)一步確定損傷情況。加拿大魁北克水電研究院的Serge Montambault等人2000年開始了HQ LineROVer控小車的研制工作。遙控小車起初用于清除電力傳輸線地線上的積冰，逐漸發(fā)展為用于線路巡檢、維護(hù)等多用途移動(dòng)平臺(tái)。該移動(dòng)小車驅(qū)動(dòng)力大，能爬上52o 的斜坡，通信距離可達(dá)1km。小車采用靈活的模塊化結(jié)構(gòu)，安裝不同的工作頭即可完成架空線視覺和紅外檢查、壓接頭狀態(tài)評(píng)估、導(dǎo)線清污和除冰等帶電作業(yè)。但是，HQ LineROVer 無(wú)越障能力，只能在兩線塔間的輸電線路上工作。
圖1-3 Sato公司的探傷機(jī)器人
此外，日本的Hideo Nakamura 等研制了蛇形運(yùn)動(dòng)機(jī)器人。泰國(guó)Peungsungwal等人2001 年設(shè)計(jì)的自給電巡線機(jī)器人，采用電流互感器從爬行的輸電線路上獲取感應(yīng)電流作為機(jī)器人的工作電源，從而解決了巡線機(jī)器人長(zhǎng)時(shí)間驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力問題。
（2）國(guó)內(nèi)巡線機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀
90年代末，國(guó)內(nèi)的一些研究機(jī)構(gòu)和高等學(xué)校開始巡線機(jī)器人的研究工作，并已經(jīng)研制多種機(jī)構(gòu)的巡線機(jī)器人樣機(jī)。武漢大學(xué)和山東大學(xué)在這方面的研究起步最早。在“十五”國(guó)家高新技術(shù)發(fā)展計(jì)劃（863 計(jì)劃）的支持下，武漢大學(xué)和中科院自動(dòng)化所、中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所等同時(shí)開展了對(duì)巡線機(jī)器人的研制工作。1998年武漢水利電力大學(xué)的吳功平教授研制出了架空高壓線路巡線小車，小車采用單體三驅(qū)動(dòng)輪結(jié)構(gòu)，具有穩(wěn)定的行走功能和越障功能，能順利越過絕緣子、防振錘、懸垂線夾等主要障礙物，并利用攜帶的近距離紅外故障診斷儀完成線路的診斷。巡線小車的行走、越障通過人工遙控加機(jī)械控制器來實(shí)現(xiàn)。目前，該研究組正在進(jìn)行智能化程度較高、越障能力強(qiáng)的自治巡線機(jī)器人的研制工作。在863計(jì)劃的支持下，與漢陽(yáng)供電公司合作，針對(duì)220kV單分裂相線，進(jìn)行了巡線機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)的研究，在機(jī)器人越障機(jī)構(gòu)、智能控制、移動(dòng)導(dǎo)航、機(jī)器視覺技術(shù)、電能在線補(bǔ)給等方面取得了全面的突破。巡線機(jī)器人能夠避讓和跨越兩檔線路間的防震錘、懸垂和耐張絕緣子串和跳線等各種障礙物。利用機(jī)器人攜帶的攝像裝置，實(shí)現(xiàn)線路及其安全通道的檢測(cè)與巡視，將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)和圖像信息經(jīng)過無(wú)線傳輸系統(tǒng)發(fā)送到地面基站；通過地面基站接收、顯示發(fā)回的數(shù)據(jù)和圖像資料。
圖1-4 兩臂回旋式機(jī)器人
圖1-5 三臂輪式機(jī)器人
在863計(jì)劃以及國(guó)電東北電網(wǎng)有限公司的支持下，中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所開展了“沿500kV地線巡檢機(jī)器人”的研制，課題組攻克了機(jī)器人機(jī)構(gòu)、自主控制、數(shù)據(jù)和圖像的傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)，成功地開發(fā)出由巡檢機(jī)器人和地面移動(dòng)基站組成的系統(tǒng)，并與錦州超高壓局合作進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)帶電巡檢試驗(yàn)，完成了超高壓實(shí)際環(huán)境下的巡檢試驗(yàn)。該機(jī)器人能夠沿500kV地線行走、跨越障礙，利用攜帶的攝像機(jī)或紅外熱像儀等檢測(cè)裝置，檢測(cè)了輸電線、防震錘、絕緣子和桿塔等輸電設(shè)備的損傷情況。實(shí)現(xiàn)機(jī)器人和地面基站遠(yuǎn)程通訊，基站對(duì)機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程控制。該樣機(jī)的成功研制，在系統(tǒng)電源、機(jī)器人本體、控制系統(tǒng)、檢測(cè)設(shè)備和通訊設(shè)備，地面控制與數(shù)據(jù)后臺(tái)處理等方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。
“十五”期間，中科院自動(dòng)化所開展了“11 0 k V輸電線路巡檢機(jī)器人”的研究，其研究成果主要表現(xiàn)在：一是設(shè)計(jì)了三臂懸掛式移動(dòng)機(jī)器人機(jī)構(gòu)；二是采用“基于知識(shí)庫(kù)的自動(dòng)控制”和“基于視覺的遠(yuǎn)程遙控主從控制”的混合控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了典型障礙的越障；三是采用多層神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)分類器，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室復(fù)雜環(huán)境下絕緣子開裂、破損視覺檢查。目前，中科院自動(dòng)化所復(fù)雜系統(tǒng)與智能科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室新研制的110kv輸電線路巡檢機(jī)器人采用二臂回轉(zhuǎn)式懸掛機(jī)構(gòu)，增加了臂距調(diào)整機(jī)構(gòu)、夾持輪抱線機(jī)構(gòu)等，可實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、俯仰等運(yùn)動(dòng)功能，爬坡能力強(qiáng)。開發(fā)的二臂巡線機(jī)器人樣機(jī)在實(shí)驗(yàn)室模擬線路上，沿一檔架空線自主行走，并且能夠跨越兩檔線路間的防震錘、懸垂線夾等障礙物。機(jī)器人攜帶的檢測(cè)用地?cái)z像機(jī)，可進(jìn)行障礙物的檢測(cè)和越障時(shí)的輔助指導(dǎo)工作，有效地克服了三臂機(jī)器人的不足，當(dāng)然兩臂機(jī)器人的行為規(guī)劃復(fù)雜，增加了控制電路設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)控制的難度。東南大學(xué)，山東大學(xué)等相繼研制出各自的巡線機(jī)器人。
從國(guó)內(nèi)外已取得的研究成果可以看出，國(guó)外無(wú)越障功能的架空電力線路巡線機(jī)器人技術(shù)較為成熟，已進(jìn)于實(shí)用階段。這類機(jī)器人一般需人工參與，只能完成兩線塔之間電力線路的檢查，作業(yè)范圍小,自治程度低。自主巡線機(jī)器人能跨越線路附件、線塔等障礙物，可實(shí)施大范圍、長(zhǎng)時(shí)間的線路巡檢作業(yè)，國(guó)內(nèi)對(duì)具有自主越障功能的機(jī)器人研究投入力量大，取得了多項(xiàng)研究成果。為滿足在柔性輸電線行走并跨越各種障礙物，巡線機(jī)器人必須解決好結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、障礙物探測(cè)識(shí)別和控制行為規(guī)劃三方面的問題。
1.2 移動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)思路
巡線搬運(yùn)機(jī)器人以16位微控制AT89S52為控制器，采用多傳感器進(jìn)行信息采集，巡線機(jī)器人設(shè)計(jì)，其主要包括超聲波檢測(cè)障礙物模塊、紅外巡線檢測(cè)、電動(dòng)機(jī)調(diào)速驅(qū)動(dòng)以及人機(jī)接口等模塊。該系統(tǒng)在單片機(jī)的控制下，采集、存儲(chǔ)、處理巡線系統(tǒng)輸入的數(shù)字信號(hào)，并通過驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來控制直流電機(jī)，使機(jī)器人按照預(yù)設(shè)的路線行走。該系統(tǒng)使用反射式紅外傳感器識(shí)別與地面顏色差別較大的引導(dǎo)線信息，采用L298H橋驅(qū)動(dòng)電路和PWM波調(diào)速方法控制行走電機(jī)。給出了系統(tǒng)調(diào)試方法并分析了試驗(yàn)數(shù)據(jù)，討論了提升系統(tǒng)性能的必要手段，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的自動(dòng)巡線功能。
1.3 課題設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求
(1)動(dòng)機(jī)器人搬運(yùn)路線的彎道半徑不大于300mm，移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)線路示意
圖、移動(dòng)機(jī)器人模型的結(jié)構(gòu)圖采用AutoCAD或CAXA軟件繪制并打??；
(2) 移動(dòng)機(jī)器人由單片機(jī)控制，采用電池供電，能自動(dòng)前后尋線運(yùn)動(dòng)搬運(yùn)物體，
當(dāng)沒有需要搬運(yùn)的物體時(shí)自動(dòng)等待，當(dāng)運(yùn)動(dòng)線路的前方300mm處有障礙物時(shí)
停止運(yùn)動(dòng)并報(bào)警，障礙消失后自動(dòng)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)；
(3) 采用Protel99se軟件繪制和打印系統(tǒng)的電路原理圖，電路原理圖標(biāo)明全部零部件和元器件的型號(hào)或主要參數(shù)；
(4) 采用C51語(yǔ)言設(shè)計(jì)控制程序，控制程序同時(shí)用程序流程框圖和C代碼表示，
程序流程框圖盡量細(xì)化并用計(jì)算機(jī)繪制打印，C代碼添加詳細(xì)的中文注釋；
2 移動(dòng)機(jī)器人總體設(shè)計(jì)
2.1移動(dòng)機(jī)器人整體設(shè)計(jì)
系統(tǒng)框架如圖1-1所示：
圖2-1系統(tǒng)框架圖
如圖2-1所示，該智能小車系統(tǒng)主要分為以下四大塊：
（1） 信息采集模塊：在該模塊中包括有速度信息采集和位置信息采集兩個(gè)子模塊，分別采集小車當(dāng)前的位置信息和速度信息，并將采集到的信息傳給MCU，其核心是傳感器。
（2） 信息處理模塊：信息處理模塊包括信息處理和控制模塊，其核心是MCU，MCU接收到采集來的信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理后作出判斷，并發(fā)出控制命令。
（3） 執(zhí)行模塊：該模塊包括了驅(qū)動(dòng)電機(jī)、轉(zhuǎn)向電機(jī)、機(jī)械手指和報(bào)警裝置，當(dāng)接收到MCU的命令后便執(zhí)行相應(yīng)的操作，同時(shí)信息采集模塊又采集到電機(jī)和舵機(jī)的狀態(tài)信息，反饋給MCU 。從而整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，在運(yùn)行過程中，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)而達(dá)到正確行駛的目的。
（4） 超聲波收發(fā)模塊：在該模塊中包含了超聲波輸出與超聲波輸入，其中超聲波輸出用來發(fā)射40Mhz的超聲波，結(jié)合超聲波接受部分，從而可以檢測(cè)和計(jì)算障礙物的距離。
2.2移動(dòng)機(jī)器人整體方案論證
2.2.1 傳感器設(shè)計(jì)方案
(1) 軌道檢測(cè)：
探測(cè)路面黑線的基本原理：光線照射到路面并反射，由于黑線和白紙對(duì)光的反射系數(shù)不同，可根據(jù)接收到的反射光強(qiáng)弱來判斷黑線，可實(shí)現(xiàn)的方案有以下幾種：
方案一：使用CCD傳感器來采集路面信息。使用CCD傳感器，可以獲取大量的圖像信息，可以全面完整的掌握路徑信息，可以進(jìn)行較遠(yuǎn)距離的預(yù)測(cè)和識(shí)別圖像復(fù)雜的路面，而且抗干擾能力強(qiáng)。但是對(duì)于本項(xiàng)目來說，使用CCD傳感器也有其不足之處。首先使用CCD傳感器需要有大量圖像處理的工作，需要進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和計(jì)算。因?yàn)槭且詫?shí)現(xiàn)小車視覺為目的，實(shí)現(xiàn)起來工作量較大，相當(dāng)繁瑣。
? 方案二：采用普通發(fā)光二極管及光敏電阻組成的發(fā)射接收方案，電路如圖1-1所示。該方案在實(shí)際使用時(shí)，容易受到外界光源的干擾，有時(shí)甚至檢測(cè)不到。主要是因?yàn)榭梢姽獾姆瓷湫Ч乇淼钠教钩潭?、地表材料的反射情況均對(duì)檢測(cè)效果產(chǎn)生直接影響。雖然可采取超高亮度發(fā)光二極管降低一定的干擾，但這有增加額外的功率損耗。
? 方案三：脈沖調(diào)制的反射式紅外發(fā)射接收器。由于采用該有交流分量的調(diào)制信號(hào)，則可大幅度減少外界干擾；另外紅外發(fā)射接受管的最大工作電流取決與平均電流，如果采用占空比小的調(diào)制信號(hào)，在平均電流不變的情況下，瞬時(shí)電流很大（50~100mA），則大大提高了信噪比。
在本次設(shè)計(jì)中，導(dǎo)軌只有黑白兩種顏色，小車只要能區(qū)分黑白兩色就可以采集到準(zhǔn)確的路面信息。經(jīng)過綜合考慮，在本項(xiàng)目中采用方案二紅外光電傳感器作為信息采集元件。
(2) 障礙物檢測(cè)：障礙物檢測(cè)可以使用超聲波，也可以使用紅外；但由于紅外傳感器抗干擾能力弱，即使調(diào)制后，其檢測(cè)距離也有限，不易實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)要求；所以采用超聲波傳感器，其靈敏度高，檢測(cè)距離遠(yuǎn)，誤差小，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高。
(3) 搬用物檢測(cè)：搬用物檢測(cè)，采用接近開關(guān)，因?yàn)槲灰苽鞲衅骺梢愿鶕?jù)不同的原理和不同的方法做成，而不同的位移傳感器對(duì)物體的“感知”方法也不同，所以常見的接近開關(guān)有以下幾種：
渦流式接近開關(guān)
這種開關(guān)有時(shí)也叫電感式接近開關(guān)。它是利用導(dǎo)電物體在接近這個(gè)能產(chǎn)生電磁場(chǎng)接近開關(guān)時(shí)，使物體內(nèi)部產(chǎn)生渦流。這個(gè)渦流反作用到接近開關(guān)，使開關(guān)內(nèi)部電路參數(shù)發(fā)生變化，由此識(shí)別出有無(wú)導(dǎo)電物體移近，進(jìn)而控制開關(guān)的通或斷。這種接近開關(guān)所能檢測(cè)的物體必須是導(dǎo)電體。
電容式接近開關(guān)
這種開關(guān)的測(cè)量通常是構(gòu)成電容器的一個(gè)極板，而另一個(gè)極板是開關(guān)的外殼。這個(gè)外殼在測(cè)量過程中通常是接地或與設(shè)備的機(jī)殼相連接。當(dāng)有物體移向接近開關(guān)時(shí)，不論它是否為導(dǎo)體，由于它的接近，總要使電容的介電常數(shù)發(fā)生變化，從而使電容量發(fā)生變化，使得和測(cè)量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化，由此便可控制開關(guān)的接通或斷開。這種接近開關(guān)檢測(cè)的對(duì)象，不限于導(dǎo)體，可以絕緣的液體或粉狀物等。
霍爾接近開關(guān)
霍爾元件是一種磁敏元件。利用霍爾元件做成的開關(guān)，叫做霍爾開關(guān)。當(dāng)磁性物件移近霍爾開關(guān)時(shí)，開關(guān)檢測(cè)面上的霍爾元件因產(chǎn)生霍爾效應(yīng)而使開關(guān)內(nèi)部電路狀態(tài)發(fā)生變化，由此識(shí)別附近有磁性物體存在，進(jìn)而控制開關(guān)的通或斷。這種接近開關(guān)的檢測(cè)對(duì)象必須是磁性物體。
光電式接近開關(guān)
利用光電效應(yīng)做成的開關(guān)叫光電開關(guān)。將發(fā)光器件與光電器件按一定方向裝在同一個(gè)檢測(cè)頭內(nèi)。當(dāng)有反光面（被檢測(cè)物體）接近時(shí)，光電器件接收到反射光后便在信號(hào)輸出，由此便可“感知”有物體接近。
熱釋電式接近開關(guān)
用能感知溫度變化的元件做成的開關(guān)叫熱釋電式接近開關(guān)。這種開關(guān)是將熱釋電器件安裝在開關(guān)的檢測(cè)面上，當(dāng)有與環(huán)境溫度不同的物體接近時(shí)，熱釋電器件的輸出便變化，由此便可檢測(cè)出有物體接近。
機(jī)械式接觸開關(guān)，采用靈敏度很高的接觸式開關(guān)，其檢測(cè)可靠，原理簡(jiǎn)單，壽命長(zhǎng)。
考慮到實(shí)際情況，搬用物檢測(cè)采用自制接觸開關(guān)，安全可靠，實(shí)現(xiàn)方便，使用簡(jiǎn)單，可大大簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)。
2.2.2 電機(jī)的選擇及驅(qū)動(dòng)方案
(1) 電動(dòng)機(jī)的選擇
? 方案一：采用步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是具有快速啟停能力，如果負(fù)荷不超過步進(jìn)電機(jī)所能提供的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩值，就能夠立即使步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)或反轉(zhuǎn)。另一個(gè)顯著特點(diǎn)是轉(zhuǎn)換精度高，正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)控制靈活。
? 方案二：采用普通直流電機(jī)。直流電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、方便，調(diào)整范圍廣；過載能力強(qiáng)，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無(wú)級(jí)快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)；能滿足各種不同的特殊運(yùn)行要求。
? 由于普通直流電機(jī)更易于購(gòu)買，并且電路相對(duì)簡(jiǎn)單，因此建議采用直流電機(jī)作為動(dòng)力源。
(2) 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方案的選擇
??方案一：采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)整電動(dòng)機(jī)的分壓，從而達(dá)到調(diào)速目的。但是電阻網(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，且可能存在干擾。更主要的問題在于一般電動(dòng)機(jī)的電阻比較小，但電流很大，分壓不僅會(huì)降低效率，而且實(shí)現(xiàn)很困難。
??方案二：采用繼電器對(duì)電動(dòng)機(jī)的開與關(guān)進(jìn)行控制，通過控制開關(guān)的切換速度實(shí)現(xiàn)對(duì)小車的速度進(jìn)行調(diào)整。這個(gè)電路的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，易損壞，壽命較短，可靠性不高。
??方案三：采用四個(gè)大功率晶體管組成H橋電路，四個(gè)大功率晶體管分為兩組，交替導(dǎo)通和截止，用單片機(jī)控制使之工作在開關(guān)狀態(tài)，進(jìn)而控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。該控制電路由于四個(gè)大功率晶體管只工作在飽和與截止?fàn)顟B(tài)下，效率非常高，并且大功率晶體管開關(guān)的速度很快，穩(wěn)定性也極強(qiáng)，是一種廣泛采用的電路。
??基于以上的分析，建議電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路選擇方案三。
2.2.3 電機(jī)的控制方案選擇
(1) PWM控制介紹：
在小車的運(yùn)行中，主要有方向和速度的控制，即轉(zhuǎn)向電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制，這兩個(gè)控制是系統(tǒng)軟件的核心操作，對(duì)小車的性能有著決定性的作用。
對(duì)電機(jī)機(jī)的控制，要達(dá)到的目的就是：在任何情況下，總能使小車在軌道上，并且實(shí)現(xiàn)速度和方向的控制。本次設(shè)計(jì)所用電機(jī)都是直流電機(jī)。
直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制可分為勵(lì)磁控制法與電樞電壓控制法。勵(lì)磁控制法是控制磁通，其控制功率小，低速時(shí)受到磁飽和限制，高速時(shí)受到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制，而且由于勵(lì)磁線圈電感較大動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差，所以這種控制方法用得很少。大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合都使用電樞電壓控制法。隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，改變電樞電壓可通過多種途徑實(shí)現(xiàn)，其中PWM(脈寬調(diào)制)便是常用的改變電樞電壓的一種調(diào)速方法。
PWM調(diào)速控制的基本原理是按一個(gè)固定頻率來接通和斷開電源，并根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)接通和斷開的時(shí)間比(占空比)來改變直流電機(jī)電樞上電壓的"占空比"，從而改變平均電壓，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。在脈寬調(diào)速系統(tǒng)中，當(dāng)電機(jī)通電時(shí)其速度增加，電機(jī)斷電時(shí)其速度減低。只要按照一定的規(guī)律改變通、斷電的時(shí)間，即可控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。而且采用PWM技術(shù)構(gòu)成的無(wú)級(jí)調(diào)速系統(tǒng)．啟停時(shí)對(duì)直流系統(tǒng)無(wú)沖擊，并且具有啟動(dòng)功耗小、運(yùn)行穩(wěn)定的特點(diǎn)。
根據(jù)上述，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制（即速度控制），要達(dá)到的目的就是在行駛過程中，小車要有最有效的加速和減速機(jī)制。對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用PWM控制使小車能在直道上高速行駛，而在彎道減速則保證了小車運(yùn)行的穩(wěn)定，流暢。為了精確控制速度，時(shí)時(shí)對(duì)速度進(jìn)行監(jiān)控，我們還引入了閉環(huán)控制的思想，在硬件設(shè)計(jì)，增加了速度傳感器實(shí)時(shí)采集速度信息。
(2) 電機(jī)控制PWM方案選擇
PWM調(diào)速工作方式：
方案一：雙極性工作制。雙極性工作制是在一個(gè)脈沖周期內(nèi)，單片機(jī)兩控制口各輸出一個(gè)控制信號(hào)，兩信號(hào)高低電平相反，兩信號(hào)的高電平時(shí)差決定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。
方案二：?jiǎn)螛O性工作制。單極性工作制是單片機(jī)控制口一端置低電平，另一端輸出PWM信號(hào)，兩口的輸出切換和對(duì)PWM的占空比調(diào)節(jié)決定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。
由于單極性工作制電壓波開中的交流成分比雙極性工作制的小，其電流的最大波動(dòng)也比雙極性工作制的小，所以我們采用了單極性工作制。
PWM調(diào)脈寬方式：
調(diào)脈寬的方式有三種：定頻調(diào)寬、定寬調(diào)頻和調(diào)寬調(diào)頻。我們采用了定頻調(diào)寬方式，因?yàn)椴捎眠@種方式，電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)比較穩(wěn)定；并且在采用單片機(jī)產(chǎn)生PWM脈沖的軟件實(shí)現(xiàn)上比較方便。
PWM軟件實(shí)現(xiàn)方式：
方案一：采用定時(shí)器做為脈寬控制的定時(shí)方式，這一方式產(chǎn)生的脈沖寬度極其精確，誤差只在幾個(gè)us。
方案二：采用軟件延時(shí)方式，這一方式在精度上不及方案一，特別是引入中斷后，將有一定的誤差。但是基于不占用定時(shí)器資源，且對(duì)于直流電機(jī)，采用軟件延時(shí)所產(chǎn)生的定時(shí)誤差在允許范圍，故采用方案二。
對(duì)轉(zhuǎn)向電機(jī)的控制（即方向控制），采用正負(fù)脈沖，改變其轉(zhuǎn)向，用通電時(shí)間長(zhǎng)短，來決定轉(zhuǎn)向的多少。
對(duì)機(jī)械手電機(jī)采用一端通高電平，一端通高低電平，來控制其啟動(dòng)與停止。
3 移動(dòng)機(jī)器人模型結(jié)構(gòu)及引導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1移動(dòng)機(jī)器人模型結(jié)構(gòu)
方案1：購(gòu)買玩具電動(dòng)車。購(gòu)買的玩具電動(dòng)車具有組裝完整的車架車輪、電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電路。一般的說來，玩具電動(dòng)車具有如下特點(diǎn)：首先，這種玩具電動(dòng)車裝配緊湊，輕巧，經(jīng)過改造，各種所需傳感器的安裝方便。其次，這種電動(dòng)車一般是前輪轉(zhuǎn)向后輪驅(qū)動(dòng)，能適應(yīng)該題目的環(huán)形地圖，能方便迅速的實(shí)現(xiàn)180度的彎角。再次，玩具電動(dòng)車的電機(jī)多為玩具直流電機(jī)，易于控制，而且這種電動(dòng)車價(jià)格一般都較便宜。
方案2：自己制作電動(dòng)車。制定了左右兩輪分別驅(qū)動(dòng)，后萬(wàn)向輪轉(zhuǎn)向的方案。即左右輪分別用兩個(gè)轉(zhuǎn)速和力矩基本完全相同的直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，車體尾部裝一個(gè)萬(wàn)向輪。這樣，當(dāng)兩個(gè)直流電機(jī)轉(zhuǎn)向相反同時(shí)轉(zhuǎn)速相同時(shí)就可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車的原地旋轉(zhuǎn)，由此可以輕松的實(shí)現(xiàn)小車坐標(biāo)不變的90度和180度的轉(zhuǎn)彎。在安裝時(shí)我們保證兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)同軸。當(dāng)小車前進(jìn)時(shí)，左右兩驅(qū)動(dòng)輪與后萬(wàn)向輪形成了三點(diǎn)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)使得小車在前進(jìn)時(shí)比較平穩(wěn)，可以避免出現(xiàn)后輪過低而使左右兩驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)力不夠的情況。為了防止小車重心的偏移，后萬(wàn)向輪起支撐作用。
鑒于實(shí)驗(yàn)條件和環(huán)境的限制，我選擇以第一種方案和自己的一些改造后，為本次設(shè)計(jì)的實(shí)物模型，移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械本體，采用購(gòu)買的玩具汽車和自己的改造，其結(jié)構(gòu)大致分為：前后電機(jī)盒，電池盒，傳感器安置板和機(jī)械手部分，其示意圖如下：
圖3-1 移動(dòng)小車模型
3.2移動(dòng)機(jī)器人引導(dǎo)系統(tǒng)
3.2.1 導(dǎo)軌引導(dǎo)系統(tǒng)
導(dǎo)軌:金屬或其它材料制成的槽或脊，可承受、固定、引導(dǎo)移動(dòng)裝置或設(shè)備并減少其摩擦的一種裝置。導(dǎo)軌表面上的縱向槽或脊，用于導(dǎo)引、固定機(jī)器部件、專用設(shè)備、儀器等。導(dǎo)軌又稱滑軌、線性導(dǎo)軌、線性滑軌，用于直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合，擁有比直線軸承更高的額定負(fù)載， 同時(shí)可以承擔(dān)一定的扭矩，可在高負(fù)載的情況下實(shí)現(xiàn)高精度的直線運(yùn)動(dòng)。
導(dǎo)軌在我們的日常生活中的應(yīng)用也是很普遍的，如滑動(dòng)門的滑糟、火車的鐵軌等等都是導(dǎo)軌的具體應(yīng)用。還有就是導(dǎo)軌可以用于任何需要帶滑動(dòng)滑動(dòng)的機(jī)器或設(shè)備上面，如有用于電梯導(dǎo)軌，還有就是窗簾上有時(shí)也會(huì)用到它。
導(dǎo)軌引導(dǎo)系統(tǒng)，安全可靠，但其制造和設(shè)計(jì)成本昂貴，軌道固定，缺乏靈活性，并且工作時(shí)，噪音大，磨損嚴(yán)重，壽命短。
3.2.2 機(jī)器視覺引導(dǎo)系統(tǒng)
機(jī)器視覺技術(shù)是計(jì)算機(jī)學(xué)科的一個(gè)重要分支，它綜合了光學(xué)、機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)軟硬件等方面的技術(shù)，涉及到計(jì)算機(jī)、圖像處理、模式識(shí)別、人工智能、信號(hào)處理、光機(jī)電一體化等多個(gè)領(lǐng)域。自起步發(fā)展至今，已經(jīng)有20多年的歷史，其功能以及應(yīng)用范圍隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展逐漸完善和推廣，其中特別是目前的數(shù)字圖像傳感器、CMOS和CCD攝像機(jī)、DSP、FPGA、ARM等嵌入式技術(shù)、圖像處理和模式識(shí)別等技術(shù)的快速發(fā)展，大大地推動(dòng)了機(jī)器視覺的發(fā)展。
簡(jiǎn)而言之，機(jī)器視覺就是利用機(jī)器代替人眼來作各種測(cè)量和判斷。在生產(chǎn)線上，人來做此類測(cè)量和判斷會(huì)因疲勞、個(gè)人之間的差異等產(chǎn)生誤差和錯(cuò)誤，但是機(jī)器卻會(huì)不知疲倦地、穩(wěn)定地進(jìn)行下去。一般來說，機(jī)器視覺系統(tǒng)包括了照明系統(tǒng)、鏡頭、攝像系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)。對(duì)于每一個(gè)應(yīng)用，我們都需要考慮系統(tǒng)的運(yùn)行速度和圖像的處理速度、使用彩色還是黑白攝像機(jī)、檢測(cè)目標(biāo)的尺寸還是檢測(cè)目標(biāo)有無(wú)缺陷、視場(chǎng)需要多大、分辨率需要多高、對(duì)比度需要多大等。從功能上來看，典型的機(jī)器視覺系統(tǒng)可以分為：圖像采集部分、圖像處理部分和運(yùn)動(dòng)控制部分。
機(jī)器視覺系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)有：非接觸測(cè)量，對(duì)于觀測(cè)者與被觀測(cè)者都不會(huì)產(chǎn)生任何損傷，從而提高系統(tǒng)的可靠性。具有較寬的光譜響應(yīng)范圍，例如使用人眼看不見的紅外測(cè)量，擴(kuò)展了人眼的視覺范圍。 長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作，人類難以長(zhǎng)時(shí)間對(duì)同一對(duì)象進(jìn)行觀察，而機(jī)器視覺則可以長(zhǎng)時(shí)間地作測(cè)量、分析和識(shí)別任務(wù)，機(jī)器視覺系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防、交通、醫(yī)療、金融甚至體育、娛樂等等行業(yè)都獲得了廣泛的應(yīng)用，可以說已經(jīng)深入到我們的生活、生產(chǎn)和工作的方方面面。
移動(dòng)機(jī)器人引導(dǎo)系統(tǒng)是采用視覺引導(dǎo)系統(tǒng)讓移動(dòng)機(jī)器人識(shí)別、追蹤黑線來實(shí)現(xiàn)，黑線的路徑就是機(jī)器人的引導(dǎo)系統(tǒng)，其原理是不同顏色對(duì)光的反射和吸收不同，從而通過光學(xué)元器件，機(jī)器人可以就識(shí)別路線，實(shí)現(xiàn)路徑跟隨，同時(shí)，在軌道上設(shè)置不同的標(biāo)記，來讓機(jī)器人識(shí)別彎道和搬用處的識(shí)別，其示意圖如下：
圖3-2 巡線軌道示意圖
4 控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)
4.1 單片機(jī)的功能特點(diǎn)
MCS-51單片機(jī)產(chǎn)品兼容 、8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器、 1000次擦寫周期、 全靜態(tài)操作：0Hz～33Hz 、 三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器 、 32個(gè)可編程I/O口線 、三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 八個(gè)中斷源 、全雙工UART串行通道、 低功耗空閑和掉電模式 、掉電后中斷可喚醒 、看門狗定時(shí)器 、雙數(shù)據(jù)指針 、掉電標(biāo)識(shí)符 。
At89s52 是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲(chǔ)器。使用Atmel 公司高密度非 易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完 全兼容。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于 常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng) 可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提 供高靈活、超有效的解決方案。 AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時(shí)器，2 個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16 位 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口， 片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外，AT89S52 可降至0Hz 靜態(tài)邏 輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工 作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)， 單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。8 位微控制器 8K 字節(jié)在系統(tǒng)可編程 Flash AT89S52?。
圖4-1 C52單片機(jī)引腳圖
P0 口：P0口是一個(gè)8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏?輯電平。對(duì)P0端口寫“1”時(shí)，引腳用作高阻抗輸入。?當(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下，?P0具有內(nèi)部上拉電阻。?
在flash編程時(shí)，P0口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)。程序校驗(yàn)?時(shí)，需要外部上拉電阻。?
P1 口：P1 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，p1 輸出緩沖器能驅(qū)此外，P1.0和P1.2分別作定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的外部計(jì)數(shù)輸入（P1.0/T2）和時(shí)器/計(jì)數(shù)器2?的觸發(fā)輸入（P1.1/T2EX），具體如下表所示。?在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口接收低8位地址字節(jié)。?
引腳號(hào)第二功能?
P1.0 T2（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2的外部計(jì)數(shù)輸入），時(shí)鐘輸出?
P1.1 T2EX（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2的捕捉/重載觸發(fā)信號(hào)和方向控制）?
P2 口：P2 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P2 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4 個(gè)?TTL 邏輯電平。對(duì)P2 端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入?口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。?
在訪問外部程序存儲(chǔ)器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行MOVX @DPTR）?時(shí)，P2 口送出高八位地址。在這種應(yīng)用中，P2 口使用很強(qiáng)的內(nèi)部上拉發(fā)送1。在使用?8位地址（如MOVX @RI）訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。?
P3 口：P3 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，p2 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4 個(gè)?TTL 邏輯電平。對(duì)P3 端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入?口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。?P3口亦作為AT89S52特殊功能（第二功能）使用。在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，P3口也接收一些控制信號(hào)。
圖4-2 本設(shè)計(jì)中的最小系統(tǒng)
本系統(tǒng)采用at89S52單片機(jī)作為中央處理器。其主要任務(wù)是掃描紅外檢測(cè)傳感器輸入的信號(hào)啟動(dòng)機(jī)器人，在機(jī)器人行走過程中不斷讀取傳感器采集到的數(shù)據(jù)，將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，根據(jù)不同的情況產(chǎn)生占空比不同的pwm脈沖來控制電機(jī)，同時(shí)從單片機(jī)中發(fā)射周期為40KHZ的脈沖，采用中斷法接受用于檢測(cè)障礙物的反射信號(hào)，將相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算判斷，從而產(chǎn)生聲光報(bào)警信號(hào)。其中，p1．0一p1．3為紅外傳感器輸入口，p1．4為接觸開關(guān)接口，p2.0接聲光報(bào)警單元，p2.1—p2.7用于控制兩直流電機(jī)，
p3．2接超聲波接受傳感器，p3．6接超聲波發(fā)射傳感器。P3.0和p3.7用于控制機(jī)械手電機(jī)。如圖4-2所示。
4.2 紅外檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)
當(dāng)檢測(cè)到黑線時(shí)，紅外光管接收到反射回來的紅外光，其輸出立即發(fā)生高低電平跳變，該信號(hào)經(jīng)放大整形后送單片機(jī)分析處理。為保證小車延黑線行駛，采用了三個(gè)檢測(cè)器并行排列。在小車行走過程中，若向左方向稍微偏離黑線，則右側(cè)和中間的探頭就會(huì)檢測(cè)到黑線，把信號(hào)傳給單片機(jī)，單片機(jī)控制車頭稍微向右轉(zhuǎn)。若小車嚴(yán)重偏離線路時(shí)，只有右側(cè)探頭可以檢測(cè)到黑線，單片機(jī)控制轉(zhuǎn)向電機(jī)。傳感器布局圖如所示。
圖4-3傳感器布局
如圖所示，整個(gè)傳感器布局一字狀。中間黑線即為跑道中央黑線，在小車頭（路
面黑線處布局了三個(gè)傳感器），用來判斷小車是否處于軌道的狀態(tài)。其檢測(cè)結(jié)果與偏移的邏輯表如下：
表4-1 傳感器檢測(cè)邏輯表
傳感器A測(cè)試值
傳感器B測(cè)試值
傳感器C測(cè)試值
偏離情況
0
1
0
沒偏
1
1
0
微左偏
0
1
1
微右偏
0
0
1
嚴(yán)重左偏
0
0
0
嚴(yán)重右偏
路面黑線檢測(cè)電路如圖所示：
圖4 -4 路面黑線檢測(cè)電路
4.3 超聲波測(cè)距的硬件設(shè)計(jì)
4.3.1超聲波測(cè)距的原理
單片機(jī)發(fā)出超聲波測(cè)距是通過不斷檢測(cè)超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波, 從而測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差t，然后求出距離
S=ct/2 (4-1)
式(4-1)中的c為超聲波在空氣中傳播的速度。
限制該系統(tǒng)的最大可測(cè)距離存在四個(gè)因素：超聲波的幅度、反射物的質(zhì)地、反射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對(duì)聲波脈沖的直接接收能力將決定最小可測(cè)距離。為了增加所測(cè)量的覆蓋范圍，減少測(cè)量誤差，可采用多個(gè)超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射/接收的設(shè)計(jì)方法。由于超聲波發(fā)球聲波范圍，其波速c與溫度有關(guān)，表1-1列出了幾種不同溫度下的波速。
表4-2 聲速與溫度的關(guān)系
溫度(℃)
－30
－20
－10
0
10
20
30
100
聲速(m/s)
313
319
325
323
338
344
349
386
波速確定后，只要測(cè)得超聲波往返的時(shí)間t，即可求得距離S。其系統(tǒng)原理框圖如圖4-5所示。
圖4-5 超聲波測(cè)距系統(tǒng)框圖
單片機(jī)AT89C51發(fā)出短暫的40kHz信號(hào)，經(jīng)放大后通過超聲波換能器輸出；反射后的超聲波經(jīng)超聲波換能器作為系統(tǒng)的輸入，鎖相環(huán)對(duì)此信號(hào)鎖定，產(chǎn)生鎖定信號(hào)啟動(dòng)單片機(jī)中斷程序，讀出時(shí)間t，再由系統(tǒng)軟件對(duì)其進(jìn)行計(jì)算、判別后，相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果。
由單片機(jī)AT89C51編程產(chǎn)生40kHz的方波，由P3.6口輸出，再經(jīng)過放大電路，驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射探頭發(fā)射超聲波。發(fā)射出去的超聲波經(jīng)障礙物反射回來后，由超聲波接收頭接收到信號(hào)，通過接收電路的檢波放大、積分整形及一系列處理,送至單片機(jī)。單片機(jī)利用聲波的傳播速度和發(fā)射脈沖到接收反射脈沖的時(shí)間間隔計(jì)算出障礙物的距離,并由單片機(jī)控制顯示出來。
該測(cè)距裝置是由超聲波傳感器、單片機(jī)、發(fā)射/接收電路和LED顯示器組成。傳感器輸入端與發(fā)射接收電路相連,接收電路輸出端與單片機(jī)相連接,單片機(jī)的輸出端與顯示電路輸入端相連接。其時(shí)序圖如圖4-6所示。
圖4-6 時(shí)序圖
單片機(jī)在T0時(shí)刻發(fā)射方波，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，當(dāng)收到回波后，產(chǎn)生一負(fù)跳變到單片機(jī)中斷口，單片機(jī)響應(yīng)中斷程序，定時(shí)器停止計(jì)數(shù)。計(jì)算時(shí)間差，即可得到超聲波在媒介中傳播的時(shí)間t，由此便可計(jì)算出距離。
4.3.2 超聲波發(fā)射電路
超聲波發(fā)射電路原理圖如圖4-8所示。發(fā)射電路主要由反相器74LS04和超聲波發(fā)射換能器T構(gòu)成，單片機(jī)P1.0端口輸出的40kHz的方波信號(hào)一路經(jīng)一級(jí)反向器后送到超聲波換能器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級(jí)反向器后送到超聲波換能器的另一個(gè)電極，用這種推換形式將方波信號(hào)加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出端采兩個(gè)反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)能力。上位電阻R1O、R11一方面可以提高反向器74LS04輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時(shí)間。
圖4-7 74LS04芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
圖4-8超聲波發(fā)射電路原理圖
壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波換能器內(nèi)部有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)換能板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，這時(shí)它就是一個(gè)超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極問未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收換能器。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時(shí)應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。
4.3.3 超聲波檢測(cè)接收電路
集成電路CX20106A是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率38 kHz與測(cè)距的超聲波頻率40 kHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測(cè)接收電路(如圖)。實(shí)驗(yàn)證明用CX20106A接收超聲波(無(wú)信號(hào)時(shí)輸出高電平)，具有很好的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。適當(dāng)更改電容C4的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。
圖4-9 超聲波檢測(cè)接收電路
4.4 搬用物檢測(cè)電路
搬用電路采用自制接觸開關(guān)，其電路圖如下：
圖4-10 接觸開關(guān)電路示意圖
4.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路
直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用恒壓恒流橋式2A驅(qū)動(dòng)芯片L298N，L298是SGS公司的產(chǎn)品，比較常見的是15腳Multiwatt封裝的L298N，內(nèi)部同樣包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路。可以方便的驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)，或一個(gè)兩相步進(jìn)電機(jī)。L298N可接受標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)VSS，VSS可接4．5～7 V電壓。4腳VS接電源電壓，VS電壓范圍VIH為＋2．5～46 V。輸出電流可達(dá)2．5 A，可驅(qū)動(dòng)電感性負(fù)載。1腳和15腳下管的發(fā)射極分別單獨(dú)引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號(hào)。L298可驅(qū)動(dòng)2個(gè)電動(dòng)機(jī)，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之間可分別接電動(dòng)機(jī)，本實(shí)驗(yàn)裝置我們選用驅(qū)動(dòng)一臺(tái)電動(dòng)機(jī)。5，7，10，12腳接輸入控制電平，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。EnA，EnB接控制使能端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)。表1是L298N功能邏輯圖。
圖4-11 L298內(nèi)部功能模塊
表4-3 L298控制邏輯表
Eab
In1
In2
運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)
0
-
-
停止
1
1
0
正轉(zhuǎn)
1
0
1
反轉(zhuǎn)
1
1
1
剎車
1
0
0
停止
In3，In4的邏輯圖與表1相同。由表1可知EnA為低電平時(shí)，輸入電平對(duì)電機(jī)控制起作用，當(dāng)EnA為高電平，輸入電平為一高一低，電機(jī)正或反轉(zhuǎn)。同為低電平電機(jī)停止，同為高電平電機(jī)剎停。
下圖是其引腳圖：
圖4-12 L298芯片引腳圖
圖4-13 L298控制兩電機(jī)示意圖
1、15腳是輸出電流反饋引腳，其它與L293相同。在通常使用中這兩個(gè)引腳也可以直接接地。上圖是其與51單片機(jī)連接的電路圖。
4.6 電源模塊設(shè)計(jì)
電源模塊采用三端穩(wěn)壓集成電路7805，從電池供電端，將9V電壓穩(wěn)壓到5V。7805是我們最常用到的穩(wěn)壓芯片了，他的使用方便，用很簡(jiǎn)單的電路即可以輸入一個(gè)直流穩(wěn)壓電源,他的輸出電壓恰好為5v，剛好是51系列單片機(jī)運(yùn)行所需的電壓，他有很多的系列如ka7805，ads7805，cw7805等，性能有微小的差別,用的最多的還是lm7805,下面我簡(jiǎn)單的介紹一下他的3個(gè)引腳以及用它來構(gòu)成的穩(wěn)壓電路的資料。
圖4-14 7805引腳圖
其中1接整流器輸出的+電壓，2為公共地(也就是負(fù)極)，3就是我們需要的正5V輸出電壓了。
圖4-15 電源模塊電路圖
4.7 報(bào)警電路設(shè)計(jì)
報(bào)警電路采用三極管開關(guān)功能，控制蜂鳴器發(fā)聲和指示燈的發(fā)光，其電路圖如下：
圖4-16 報(bào)警模塊電路圖
5 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)
5.1 編程思路及總流程圖
5.1.1總流程圖
Y
Y
Y
N
N
開始
程序初始化 送初值 開中斷
巡線檢測(cè)
障礙物檢測(cè)
是否有搬運(yùn)物標(biāo)記？
是否有彎道標(biāo)記？
是否有障礙物？
檢測(cè)標(biāo)志計(jì)數(shù)為奇？
檢測(cè)標(biāo)志計(jì)數(shù)為奇？
距離小于30cm
是否有搬運(yùn)物？
驅(qū)動(dòng)電機(jī)減速
停機(jī)報(bào)警
停車20秒機(jī)械手動(dòng)作
加速
停車20秒機(jī)械手動(dòng)作
停機(jī)等待
Y
Y
N
N
N
Y
Y
N
N
圖5-1 總流程圖
5.1.2 程序設(shè)計(jì)思路
移動(dòng)小車在開始工作時(shí)，調(diào)運(yùn)巡線子程序，至于小車前端的三個(gè)紅外傳感器檢測(cè)識(shí)別黑色軌道，并引導(dǎo)小車順著軌道運(yùn)行，同時(shí)超聲波檢測(cè)障礙的程序也用來檢測(cè)軌道前方路面情況，如果30cm以內(nèi)用障礙物，小車停止報(bào)警；否則，小車?yán)^續(xù)行駛。在軌道上，設(shè)置了用于定位的不同標(biāo)志，用來識(shí)別搬用地點(diǎn)和彎道，當(dāng)小車移動(dòng)到搬用物標(biāo)志處，小城停下來判斷是否有搬運(yùn)物，有則啟動(dòng)機(jī)械手搬用，否則停止；在小車識(shí)別到時(shí)彎道標(biāo)志時(shí)減速運(yùn)行，如此循環(huán)，直到完成任務(wù)。
5.2 超聲波測(cè)距的算法設(shè)計(jì)
???? 超聲波測(cè)距的原理為超聲波發(fā)生器T在某一時(shí)刻發(fā)出一個(gè)超聲波信號(hào)，當(dāng)這個(gè)超聲波遇到被測(cè)物體后反射回來，就被超聲波接收器R所接收到。這樣只要計(jì)算出從發(fā)出超聲波信號(hào)到接收到返回信號(hào)所用的時(shí)間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。距離的計(jì)算公式為：?
d=s/2=(c×t)/2
其中，d為被測(cè)物與測(cè)距儀的距離，s為聲波的來回的路程，c為聲速，t為聲波來回所用的時(shí)間。?在啟動(dòng)發(fā)射電路的同時(shí)啟動(dòng)單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)