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1、循迹机器人设计中文摘要机器人技术是集机械工程学、计算机技术、控制工程、电子技术、人工智能、仿生学等学科为一体的综合技术，它是多学科科技革命的必然结果。机器人（Robot）是自动执行工作的机器装置，它既可以接受人类指挥，又可以执行事先编排好的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。机器人一般由执行机构、驱动装置、检测装置和控制系统和复杂机械等组成。驱动装置是驱使执行机构运动的机构，按照控制系统发出的指令信号，借助于动力元件使机器人进行动作。它输入的是电信号，输出的是线、角位移量。机器人使用的驱动装置主要是电力驱动装置，如步进电机、伺服电机等，此外也有采用液压、气动等驱动装置。检测装置的
2、作用是实时检测机器人的运动及工作情况，根据需要反馈给控制系统，与设定信息进行比较后，对执行机构进行调整，以保证机器人的动作符合预定的要求。其中最重要的就是传感器的作用，能实时的检测外界信息并将这些信息进行融合得到一个综合的结论，用以驱动机器人的相关运动。此次课程设计所要实现的是机器人的循迹操作，这不仅需要外部硬件部分对外界信息进行感测、传动驱动装置对机器人的运动进行驱动控制，还需要相应的软件部分（C8051单片机）对传感器检测到的信息进行融合和分析，得到一个综合的结论并使机器人做出适当的操作。关键词： 机器人，传感器，直流电机，硬件，软件，PWM 201 设计任务描述1.1 设计题目：循迹机器
3、人设计1.2 设计要求1.2.1 设计目的1）了解机器人技术的基本知识以及有关电工电子学、单片机、机械设计、传感器等相关技术。2）初步掌握机器人的运动学原理、基于智能机器人的控制理论，并应用于机器人的设计中。3）通过学习，具体掌握循迹机器人的控制技术，并使机器人能独立执行一定的循迹任务。1.3 基本要求 1）要求设计一个能循迹(白底黑线或黑底白线，线宽25mm)的机器人；2）要求设计机器人的行走机构，控制系统、传感器类型的选择及排列布局；3）要有循迹的策略（软件流程图）。1.4 发挥部分 1）蔽障功能2 设计思路循迹机器人是一种运用简单的视觉作用进行一系列后续操作的机器人，在机器人的运动中起着
4、非常重要的作用，为机器人运动过程中位置的准确性提供了保障。为了使机器人能在任意区域内沿循迹线行走，并且自动绕开障碍物，到达指定的位置，本控制系统采用红外光电传感器检测路面循迹线；使用红外线测障传感器检测路面的障碍物，使机器人及时的蔽障；超声波测距；用光电传感器或者微动开关检测、判断机器人是否到位；应用PWM技术动态控制机器人的转动方向和转速。再利用软件和硬件的结合，实现机器人前进、后退、转弯、绕障、停止的精确控制。该机器人的系统结构图如图2-1所示。超声波检测 控制器（单片机内核）后退红外检测光电编码检测前进红外检测计数检测行走电机驱动信号 图2-1 机器人系统结构图 机器人在地面的移动方式采
5、用的是三轮式的，前轮辅助后轮的差动式行走方式。前轮为随动轮，仅起到支撑的作用，没有导向作用，后轮分别是两个独立的驱动轮，利用它们的转速差来控制机器人的运动方向。当两个驱动轮以相同的速度相反的方向驱动时，车体便会以两个驱动轮连线的中点自转，易于定位。对驱动轮采用直流电机驱动，这样可以达到很大的力矩/质量比，并且精度高、加速迅速且可靠。3 设计方框图结束系统初始化开始任务计数器归零任务计数器+1是否完成全部任务循迹子程序是否完成本次任务图 3-1 主程序流程4 硬件系统设计4.1循迹线路 机器人按照规定的线路从A地运输货物到B地，然后再原路返回重复搬运过程，下图4-1为循迹机器人的轨道线路图。 图
6、4-1机器人循迹轨道路线图4.2传感器模块 传感器是整个机器人得以准确循迹的核心部件，只有经过传感器采集了外界信息后才能对机器人身处的环境进行识别，才能使机器人根据轨迹运动。传感器的种类繁多，有测距传感器、视觉传感器、接触觉等等不同类型的传感器，本次设计运用的传感器主要是用来检测路线、检测障碍物和测距的，分别用红外传感器和超声波传感器。整个传感器的感测过程可以概括为下图4-2。未偏获取传感器信息转换为机身偏离状况直线行驶函数较大偏离微偏微调函数调整函数图4-2 传感器子流程图4.2.1轨迹检测 对于循迹机器人的轨迹检测，在本设计中用的是红外传感器，红外光的发送接收选用型号为ST168 的对管当
7、小车在白色地面行驶时装在车下的红外发射管发射红外线信号经白色反射后被接收管接收一旦接收管接收到信号,那么图中光敏三极管将导通比较器输出为低电平;当小车行驶到黑色引导线时,红外线信号被黑色吸收后光敏三极管截止,比较器输出高电平,从而实现了通过红外线检测信号的功能将检测到的信号送到单片机I/O口;当I/O口检测到的信号为高电平时,表明红外光被地上的黑色引导线吸收了,表明小车处在黑色的引导线上同理当I/O口检测到的信号为低电平时表明小车行驶在白色地面上此种方法简单价格便宜灵敏度可调但是容易受到周围环境的影响,特别是在较强的日光灯下,对检测到的信号有一定影响。下图4-3为黑线检测流图，4-4-1为红外
8、传感器探头安装的位置。否自动循迹程序是否检测到黑线左转是右转前进探测黑线判断处理程序 图4-3 黑线检测流程图图4-4-1 红外探头位置其电路原理图为图4-4-2所示。图4-4-2 检测原理图4.2.2障碍物检测 机器人在行进的过程中不可能是一帆风顺的，很可能在过程中遇到各式各样的障碍，这就需要有一个探测障碍物的传感器来保证机器人的前进过程不受阻。红外线传感器能在机器人前进的过程中检测其测量范围内是否存在障碍物，它是一种非接触式的测障开关，其原理与雷达相似，发射红外线，遇到障碍物会被反射回来，这时传感器就认为发现了障碍物。测障过程图如4-5所示。 运用红外测障传感器的优点在于其成本较低，电路简
9、单，检测范围大，并且如果在电路中加上一个电位器可以随时调节传感器的检测范围，控制起来更灵活也更好看，但是其缺点便事多个红外传感器之间容易互相干扰。否获取传感器信息黑线上是否有障碍物是右转前进10cm左转前进5cm后左转前进10cm并检测黑线继续前进图4-5 测障流程图 反射式光电传感器的光源有多种，常用的有红外发光二极管，普通发光二极管，以及激光二极管，前两种光源容易受到外界光源的干扰，而激光二极管发出的光的频率较集中，传感器只接收很窄的频率范围信号，不容易被干扰但价格较贵。理论上光电传感器只要位于被测区域反射表面可受到光源照射同时又能被接收管接收到的范围就能进行检测，然而这是一种理想的结果。
10、因为光的反射受到多种因素的影响，如反射表面的形状、颜色、光洁度，日光、日光灯照射等不确定因素。如果直接用发射和接收管进行测量将因为干扰产生错误信号，采用对反射光强进行测量的方法可以提高系统的可靠性和准确性。红外反射光强法的测量原理是将发射信号经调制后送红外管发射，光敏管接收调制的红外信号，原理如图4-6所示。图4-6 红外发射接受原理 4.3驱动部分设计考虑到机器人必须能够前进、倒退、停止，并能灵活转向，在左右两轮各装一个电机分别进行驱动。当左轮电机转速高于右轮电机转速时小车向右转，反之则向左转。为了能控制车轮的转速，可以采取PWM调速法，即由单片机的IOB8、IOB9输出一系列频率固定的方波
11、，再通过功率放大来驱动电机，在单片机中编程改变输出方波的占空比就可以改变加到电机上的平均电压，从而可以改变电机的转速。左右轮两个电机转速的配合就可以实现小车的前进、倒退、转弯等功能。4.3.1驱动电机的选择由于系统为智能的循迹机器人，对于其驱动轮的驱动电机的选择就显得十分重要。为了要实现对路径的准确定位和精确测量，我们综合考虑了一下两种方案：方案1：采用步进电机作为该系统的驱动电机。由于其转过的角度可以精确的定位，可以实现小车前进路程和位置的精确定位。虽然采用步进电机的输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，其转速较低，不适用于有一定速度要求的系统。经综合比较考虑，我们放弃
12、了此方案。方案2：采用直流减速电机。直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便。由于其内部由高速电动机提供原始动力，带动变速（减速）齿轮组，可以产生较大扭力。电机的驱动电路如图4-7所示。图4-7电机驱动电路4.3.2直流电机驱动输入或输出为直流电能的旋转电机，称为直流电机，它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。其驱动电机的流程见图4-8.逻辑信号转换光耦隔离H桥驱动电机图4-8 电机驱动流程4.3.3直流电机的特性 图4-5直流电动机的机械特性 图4-6 PMW脉冲宽度调制示意图（1）额定功率：是指轴上输出的机械功率，单位为kW。（2）额定电压：安全工作的最大外加电压或输
13、出电压，单位为V(伏)。（3）额定电流：允许流过的最大电流，单位为A(安)。（4）额定转速：额定转速是指电机在额定电压、额定电流和输出额定功率的情况下运行时，电机的旋转速度，单位为rpm(转/分)。4.3.4H桥驱动原理图4-9 H桥原理图H桥原理简述 ：所谓 H 桥驱动电路是为了直流电机而设计的一种常见电路，它主要实现直流电机的正反向驱动，其典型电路形式如上图4-9. 其工作过程如下：当开关 A、D接通，电机为正向转动；当开关B、C接通时，直流电机将反向转动；当将B 、D开关（或A、C）接通，则电机惯性转动产生的电势将被短路，形成阻碍运动的反电势，形成“刹车”作用当4个开关全部断开，则电机产
14、生的电势将无法形成电路，从而也就不会产生阻碍运动的反电势，电机将惯性转动较长时间，这叫电机的惰行。在驱动电机时，保证H桥两个同侧的三极管不会同时导通是非常重要的。如果同侧的三极管同时导通，那么电流就会从正极通过两个三极管直接回到负极，此时，容易发生烧坏三极管的现象，因此在实际电路中通常要用硬件电路控制三极管的通断。4.3.5直流电源稳压上图是为整个电路提供稳定的直流电源，稳压后给单片机系统和其他系统供电。5 机器人的软件设计智能寻迹机器人采用现在较为流行的8位单片机作为系统大脑。以8051系列家族中的AT89S51/AT89S52为主芯片。40脚的DIP封装使它拥有32个完全IO(GPIO通用
15、输入输出)端口，通过对这些端口加以信号输入电路，控制电路，执行电路共同完成寻迹机器人。传感系统传感器作为循线小车的眼睛，起着将外界环境的信息读取给单片机的作用。红外传感器能把被测物体的红外线反射能量很好地转换成电信号，并将电信号传输给单片机，因此循线的探测任务我们就交给了红外传感器。红外传感器传达的信息通过运算放大器输入单片机，由单片机根据读取的数据进行判断并输出相应的结果控制小车的行走，由单片机的I/O口输出高低电平控制其电机转动方向，其速度控制则有单片机输出的PWM波控制。 否获取传感器信息黑线上是否有障碍物是右转前进10cm左转前进5cm后左转前进10cm并检测黑线继续前进图5-1 蔽障
16、软件流程图 如上图5-1所示为循迹机器人在行进过程中躲避障碍物的软件流程图，清楚的表示出了机器人是如何蔽障的。这部分的信息来源是通过红外传感器检测而来的，当检测到在行动的黑线上有障碍物时，传感器将信息发送到单片机控制中心，驱动电机转向，经过一系列的处理之后，机器人便能运动到规定的轨道上去。 既然有蔽障的软件流程，那么在进行蔽障之前，肯定要先使机器人能沿着预定的黑线运动，完成从A点到B点的往返运动，这就要不断的检测黑线位置，防止机器人偏离预定的轨道运行，这样的一个不断循环的过程如图5-2所示，清晰地表明了机器人单片机核心部分的工作顺序。否自动循迹程序是否检测到黑线左转是右转前进探测黑线判断处理程
17、序5-2 轨迹运行流程图 单片机与外部传感器之间采集到的信息经过信息处理电路处理之后要进入单片机还需要有串口与之相连，这就需要在外部器件和单片机之间放置一个串口，以便信息传递的快速准确性，而机器人也可以通过软件编程实现相关动作连续不间断实现，这在仅是硬件设备中是一个明显的提升，下图5-3便是外部与串口的链接图。图5-3 串口连接图6 元器件清单序号元件名称规格及用途数量1电源5V102电阻133发光二极管4148 44整流二极管1N400185电机26单片机8051系列17电容48接地149三端集成稳压器LM2940110晶振12M111比较器512开关2小结通过本次的循迹机器人课程设计,让我
18、对机器人和传感器这两门学科有了更好的掌握与理解。与次同时，通过此次的课程设计也让我充分地认识到了我在学习这门课程中存在的不足之处。当刚拿到机器人课设的题目时，我头脑里是一片茫然啊，这个循迹机器人应该从哪里着手开始做呢，但是，经过老师对我们的设计思路讲解之后，就知道应该怎么逐次实现机器人的循迹功能了。在整个的设计过程中，我需要做的就是循迹机器人的硬件电路设计，既要能检测到路线和障碍物，还能对障碍进行躲避和不断变换的路线进行跟踪跟随，最终到达目的地。 通过这次的课程设计让我学到了很多平时课上学不到的东西，让我知道了哪些方面是自己的薄弱环节，自己需要在哪些方面下一些功夫。更重要的是通过这次的设计我对
19、电路的设计更加熟练了，也能更加快速的看懂电路各部分的作用，也知道了该如何去利用图书馆和网络上的资源，这对我们以后的课程设计和学习是有很大帮助的。总之课程设计对我们的帮助是非常大的，在提高我们的动手能力和开发逻辑思维之余也能在一定的程度上激发我们对机器人和传感器的学习兴趣，让我们的学习从单一的理论升华到实践的高度。 很庆幸能有这样一次课设的机会，让我学尝试了理论与实际的结合，让我学到了很多知识，让我认识到了自己的不足，知道光是掌握了理论知识并不代表什么，必须还要与实际结合才能更好的理解这些知道，使之掌握得更牢靠。在以后的学习生涯中我会不断的完善自己，用更多知识来丰富和充实自己，为自己以后的人生道
20、路打下坚实的基础！致谢短短一周的机器人课程设计就这样结束了，很感谢祝老师在这一周里给我带来的帮助和指导。还要感谢在这一周时间里与我共同讨论和交流的同学，感谢他们的细心指导和他们提出的疑点。祝老师在硬件方面很厉害，因为他本来就是我们机器人和传感器这两门科目的老师，在遇到很多跟电路设计相关的知识的时候，必然会有很多请教祝老师的时候，只要遇到这些问题就可以找他，老师肯定会尽责为我们讲解，并且老师还会就我们提出的问题给我们引申出挺多在设计的时候应该注意的事项、细节。还要感谢为我提供课设资料的学校图书馆，图书馆的大量书籍为我提供了广阔的资源，让我熟悉掌握了各种传感器的工作原理、大部分机器人应采用的驱动传
21、动装置以及控制源等相关信息，这些信息都是对我的课程设计非常重要的，能让我对机器人的设计更加应手。然而仅仅运用课堂所学的知识，靠自己的力量要在这一周之内完成设计的题目是难以想象的。所以这周我能够顺利地完成课设任务有很大一部分原因是大家的帮助和图书的资源。再次，我要感谢指导老师和与我同一个课设题目的同学，因为一个人的思路是有限的，感谢大家的集思成就了我们的妙想。最后，还要感谢学校给我们提供这种独立自主研究性学习的机会，充分开发了我们的创新能力。每个学期的课程设计都让我学会了很多，让我对学习充满浓厚的兴趣!参考文献1 张铁，谢存禧. 机器人技术及其应用.机械工业出版社，20102 史美功，余学谦.
22、工业机器人.上海科学技术出版社，19873 徐斌昌，阙志红. 机器人控制工程.西北工业大学出版社，19914 王建华，余孟棋，李众. 智能控制基础.北京科学出版社，19985 马向峰等. 工业机器人的操作机设计.北京冶金工业出版社，19966 胡佑德，曾乐生，马东升. 伺服系统原理与设计.北京理工大学出版社，19937 何苏秦，王忠勇. 机器人操作的数学导论.电子工业出版社，2003附录A 总电路原理图目录中文摘要11 设计任务描述22 设计思路33 设计方框图44 硬件系统设计54.1循迹线路54.2传感器模块54.2.1轨迹检测64.2.2障碍物检测74.3驱动部分设计94.3.1驱动电机的选择94.3.2直流电机驱动104.3.3直流电机的特性104.3.4H桥驱动原理104.3.5直流电源稳压115 机器人的软件设计126 元器件清单14小结15致谢16参考文献17附录A 总电路原理图18