传感器技术课程设计-寻迹机器人(小车)设计.doc
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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
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- 关 键 词:
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