小车避障设计说明书机械专业设计.docx

机械专业设计设计说明书设计题目： 小车避障 目录绪论2一问题的提出与分析31.1问题的提出31.2问题的分析3二.拼装小车32.1搭建车体32.2安装电机42.3遇到的问题与解决方案4三.焊电路板53.1选择电路板53.2焊接电路元器件5四.编程64.1编写包含电机函数的头文件64.2编写包含电机函数的C文件64.3编写包含电机函数的主程序104.4编写避障判断函数的头文件134.5编写传感器判断程序14五.调试程序165.1步骤165.2遇到的问题与解决方案16六.实验结果17七.总结（感想）18八.致 谢18绪论机器人是先进制造技术和自动化装备的典型代表，是人造机器的“终极”形式。它涉及到机械、电子、自动控制、计算机、人工智能、传感器、通讯与网络等多个学科和领域，是多种高新技术发展成果的综合集成，因此它的发展与众多学科发展密切相关，代表了高科技发展的前沿。 随着电子技术的不断发展人们发明了各式各样的具有感知，决策，行动和交互能力的机器人，自第一台工业机器人诞生以来，机器人的发展已经遍及机械、电子、冶金、交通、宇航、国防等多个领域。近年来机器人的智能水平不断提高，并且迅速地改变着人们的生活方式，随着它在人类生活领域中的应用不断扩大，将会给人们的生产生活带来了巨大的影响。 在国外机器人的发展有如下趋势。一方面机器人在制造业应用的范围越来越广阔，其标准化、模块化、网络化和智能化的程度越来越高，功能也越来越强，并向着技术和装备成套化的方向发展；另一方面，机器人向着非制造业应用以及微小型方向发展，如表演型机器人，服务机型器人，机器人玩具等。国外研究机构正试图将机器人应用于人类活动的各个领域。 在我国机器人主要应用于工业制造领域，我国工业机器人现在的总装机量约为120000台，其中国产机器人占有量约为 1/3，即40000多台。与世界机器人总装机台数7500万台 相比，中国总装机量仅占万分之十六1 。对中国这样一个拥有13亿人口的大国来说，仅在机器人数量上就和发达国家有着很明显的差距。因此大力发展我国的机器人事业刻不容缓。 智能小车可以理解为机器人的一种特例，它是一种能够通过编程手段完成特定任务的小型化机器人。与普遍意义上的机器人相比智能小车制作成本低廉，电路结构简单，程序调试方便，具有很强的趣味性，为此其深受广大机器人爱好者以及高校学生的喜爱。全国大学生电子设计竞赛每年都设有智能小车类的题目，由此可见国家对高校机器人研究工作的重视程度。其实智能车，就是一个机器人，其可以分为三大结构：传感器检测、机械执行、中央处理器。智能车通过感知导引线和障碍物，可以实现避障等功能，且可以通过一套完整的控制策略，改善小车的行驶状况，达到更加稳定的状态。要完成上述的功能设计，传感检测部分可以采用能够感知清晰的图像的摄像头，或者选用人们常用的光电对管传感器来感测路况。而智能小车的机械部分，可以采用四轮车（带有舵机）、或者三轮车（前轮为万向轮），电机则只需使用直流电机即可。对于主控芯片CPU，我们选择简单易用的51单片机或高级复杂额ARM等芯片，通过配合软件编程，可以很好的实现自动寻迹、避障的功能一问题的提出与分析1.1问题的提出 机器人避障是机器人智能控制的一个基本功能。机器人避障可以有不同的方法，这里只介绍一种基本的思路和方法。当机器人前方安装有三个传感器而且探测距离不同时，在前进过程中，远距离传感器先探测到物体后，作出动作，改变运动方向，如果改变方向没有障碍物或运动轨迹可以避开障碍物，则改变一次方向即可完成任务，但当机器人调整角度较小，运动轨迹中，半个身体不能够避开障碍物时，机器人近距离探测传感器还可以控制机器人调整姿态，避开障碍物。1.2问题的分析避障小车是运用AT89S52为核心芯片、以3个光电传感器、以及2个电机为基本构架。通过传感器模块精确测距离远近，将模拟电流信号转化成数字信号，通过改变高低电平，向芯片传送高电平1，表示前方无障碍。遇到障碍时，正前方传感器由1变0，表示前方有障碍，通过芯片驱动电机，右轮正转，左轮反转，车子向右转。当左侧遇到障碍，左侧传感器由1变0，左轮正转，右轮反转，车子向右转。当右侧遇到障碍，右侧传感器由1变0，右轮正转，左轮反转，车子向左转。当三个方向都有障碍，传感器同时从1变成0，两轮停止转动，小车停止。二.拼装小车图 1小车正面图2.1搭建车体我们选择搭建一个四轮车（后轮驱动），因为这种模型是我们在生活中最常见，也常使用的。我们选用了132x180的带小孔的板子作为小车的底盘，然后用金属条搭建小车框架，为了满足设计要求，我们在板子上安装了4个金属条，目的是固定电池，又在电池外围安装4个金属条和一个96x132板子作为小车顶棚，在车的前部搭建一个可以安装的传感器的横杠，后来经过多次试验，为了避免前方传感器在转弯时碰撞，所以改成如图一所示的样子，在完成的基本搭建后，然后我们开始确定光电传感器位置，考虑到种种原因，我们选择在车的两侧安装2个传感器，在车的前部安装1个传感器，如上方图一所示；2.2安装电机然后如图二的样子连接后驱动轮，现在板子上面用螺丝固定一个金属条，这样就可以用金属条上的螺纹连接后驱动轮模板；最后如图三连接前面的万向轮。图 小车后轮驱动安装图 图 小车前轮安装图2.3遇到的问题与解决方案问题：在连接后驱动轮的时候，我们遇到了连接电机正负极的导线断开，导致电机不能正常运转。解决方案：首先我们要用电焊把电机正负极的触点上的塑料熔开，然后用镊子把覆盖在触点上的塑料弄干净，接着将触点与一个小金属丝焊接上，最后将小金属丝与导线焊接上，完成电机导线的修复工作。三.焊电路板3.1选择电路板启诚机器人电气模块主要有四种控制器，分别是MEGA48、MEGA16、MEGA128、89S52，每种控制器控制主板相同，基本输入输出点数相同，但每种控制器的可扩展性各不相同。我们在经过讨论后选择了AT89S52单片机，因为AT89S52单片机可以满足本次实验设计所想要达到的功能和效果。该单片机更加高效和低能，并且适用于多种编程器，更利于我们后续的程序设计。3.2焊接电路元器件（1） 首先我们按要求完成了对AT89S52核心板和主板元器件的安装；（2） 完成对电器元件的焊接，如下图六注意：焊接时要从低到高的顺序，先焊小元器件再焊大元器件，特别是先焊接USB接口和电阻这类器件。图 六电路板图 四.编程4.1编写包含电机函数的头文件/*程序名称：DCmotor.h 程序描述：包含电机函数的头文件/*/#ifndef _DCmotor_h_#define _DCmotor_h_#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define ulong unsigned long#define f f #define forward f #define b b#define backward bvoid DC_Motor_Config(uchar m ,uchar z,uint n );/直流电机配置函数void DC_Motor_Stop(uchar k);/电机停止函数void delay_ms(unsigned int x);/延时函数#endif4.2编写包含电机函数的C文件/*程序名称：DCmotor.c 程序描述：包含电机函数的C文件/*/#include DCmotor.hextern uint tim0;/PWM0输出波形的计数控制extern uint tim1;/PWM1输出波形的计数控制extern uint tim2;/PWM2输出波形的计数控制extern uint tim3;/PWM3输出波形的计数控制sbit DIR0 = P10;sbit DIR1 = P13;sbit DIR2 = P24;sbit DIR3 = P26;/*【函数原形】； delay_ms(unsigned int x); 【函数描述】：延时函数（单位：100us）【修改时间】: dong.2014.04.16/*/void delay_ms(unsigned int x) unsigned int i,j; i=0; for(i = 0;i x;i+) j=108; while(j-); /*=【函数原形】: void motor(unsigned char m ,unsigned char z,unsigned char n ) 【参数说明】: m: 选择电机用,可输入1,2,3,4 1：左前电机，2：左后电机，3：右前电机，4：右后电机 z: 选择方向用,可输入 f/forward(前进) , b/backward(后退) n: 电机转速, 范围为1-100 【修改时间】: dong.2014.04.13 =*/void DC_Motor_Config(uchar m ,uchar z,uint n )/ unsigned int tmp = 0 ;switch (m) 判断电机位置 case 1 :if(z = backward)|(z = b) DIR2 = 1 ;else if(z = forward)|(z = f) DIR2 = 0 ;tim2 = n ;break;case 2:if(z = backward)|(z = b) DIR1 = 1 ;else if(z = forward)|(z = f) DIR1 = 0 ;tim1 = n ;break;case 3: if(z = backward)|(z = b) DIR3 = 0 ;else if(z = forward)|(z = f) DIR3 = 1 ;tim3 = n ;break;case 4: if(z = backward)|(z = b) DIR0 = 0 ;else if(z = forward)|(z = f) DIR0 = 1 ;tim0 = n ;break;default: break; /*=【函数原形】: void DC_Motor_Stop(uchar k) 【参数说明】: k: 选择电机用,可输入1,2,3,4，1：左前电机，2：左后电机，3：右前电机，4：右后电机 【修改时间】: dong.2014.04.16 =*/void DC_Motor_Stop(uchar k)DC_Motor_Config(k ,b ,5 );delay_ms(12); 延时12毫秒DC_Motor_Config(k ,f ,1 );4.3编写包含电机函数的主程序/*程序名称：避障 程序描述：测试小车避障1. 左右两个传感器的测量距离约为16cm，前面的传感器约为27cm2. LED的P0端为1时不亮3. 传感器遇到障碍物时输出低电平4. 无将P0口设为0xff；【修改时间】: dong.2016.09.22/*/#include#includeDCmotor.h#includeBiZhang.hsbit PWM0 = P12;sbit PWM1 = P14;sbit PWM2 = P25;sbit PWM3 = P27;sbit Beep = P11; /Beep=0,蜂鸣器响inttimer = 0;/波形周期int count0 = 0;/PWM0输出波形的计数控制int count1 = 0;/PWM1输出波形的计数控制int count2 = 0;/PWM2输出波形的计数控制int count3 = 0;/PWM3输出波形的计数控制uint tim0;/PWM0输出波形的计数控制uint tim1;/PWM1输出波形的计数控制uint tim2;/PWM2输出波形的计数控制uint tim3;/PWM3输出波形的计数控制/*【函数原型】: Tim2_Init() 【函数描述】：初始化时钟T2和中断【修改时间】: dong. 2016.09.22/*/void Tim2_Init()T2MOD = 0x00;TH2 = (65535-500)/256;/定时500us为周期TL2 = (65535-500)%256;RCAP2H = (65535-500)/256;/定时500us为周期 RCAP2寄存器中存放要放入T2的初值RCAP2L = (65535-500)%256;ET2 = 1;/允许T2的中断TR2 = 1;/启动T2EA = 1;/开中断/*【函数原型】:void main();【函数描述】：在蜂鸣器响一声后进行时钟T2的初始化(Tim2_Init(), 设定左后和右后两个电机的状态，之后利用while循环检测是否遇到障碍【修改时间】: dong. 2016.09.22/*/void main()Beep = 0;delay_ms(100);Beep = 1;Tim2_Init();DC_Motor_Config(4 ,f ,50 );DC_Motor_Config(2 ,f ,50 );while(1)Bi_Sensor();/*【函数原型】: PWM_Cyle2() 【函数描述】：利用T2计时中断产生PWM波，【修改时间】: dong. 2016.09.22/*/void PWM_Cyle2() interrupt 5timer +;/控制PWM波周期count0 +;/PWM0计数count1 +;/PWM1计数count2 +;/PWM2计数count3 +;/PWM3计数if(count0 = tim0)PWM0 = 0;count0 = 0;if(count1 = tim1)PWM1 = 0;count1 = 0;if(count2 = tim2)PWM2 = 0;count2 = 0;if(count3 = tim3)PWM3 = 0;count3 = 0;if(timer = 100)PWM0 = 1;PWM1 = 1;PWM2 = 1;PWM3 = 1;timer = 0;count0 = 0;count1 = 0;count2 = 0;count3 = 0;4.4编写避障判断函数的头文件/*程序名称：BiZhang.h 程序描述：包含三个光电传感器完成循迹的判断函数的头文件/*/#ifndef _BiZhang_h_#define _BiZhang_h_#include#includeDcmotor.hvoid Bi_Sensor();/声明循迹传感器判断函数#endif4.5编写传感器判断程序/*程序名称：BiZhang.c 程序描述：包含三个光电传感器判断的函数主体/*/#include Dcmotor.h#include BiZhang.hsbit l_sensor = P00;/左侧传感器sbit r_sensor = P01;/右侧传感器sbit f_sensor = P02;/前方传感器sbit y_sensor = P03; /下方传感器/*=【函数原形】: void Bi_Sensor() 【函数描述】: 三个光电传感器判断完成循迹功能 【修改时间】：dong.2014.04.16 =*/void Bi_Sensor()if(l_sensor = 0)|(f_sensor = 0)&(l_sensor = 0)/如果左边或是前面和左面同时有障碍有障碍，DC_Motor_Config(4 ,b ,20 );/右转DC_Motor_Config(2 ,f ,20 );if(r_sensor = 0)|(f_sensor = 0)&(r_sensor = 0)/如果右边或是前面和右面同时有障碍有障碍，DC_Motor_Config(2 ,b ,50 );/左转DC_Motor_Config(4 ,f ,50 );if(f_sensor = 0)&(l_sensor = 0)&(r_sensor = 0)/如果前面左右均有障碍DC_Motor_Config(2 ,f ,1);DC_Motor_Stop(4);if(f_sensor = 0)&(l_sensor != 0)&(r_sensor != 0)/如果只是前面有障碍 DC_Motor_Config(4, b ,50 );/右转DC_Motor_Config(2 ,f ,50 );delay_ms(10); if(y_sensor != 0) 如果下面没有障碍（悬崖） DC_Motor_Config(2 ,b ,50 ); 右后方向后退 DC_Motor_Config(4 ,b ,10 );delay_ms(25);else DC_Motor_Config(4 ,f ,14 );/自行DC_Motor_Config(2 ,f ,20 );五.调试程序5.1步骤实验设备：台式计算机、可编程下载线缆、宝贝车机器人、障碍物实验步骤：第一步，准备好启诚机器人控制器主板和 MEGA128、AT89S52 主板，将 AT89S52 插入控制器主板，连接好下载电缆；第二步，打开 GCC 软件，建立相应工程文件和编写实验程序；第三步，将必须的三个头文件拷贝到工程文件和源程序文件夹内；第四步，编译实验程序；第五步，打开主板电源，使用 SLISP 下载程序后关闭电源，取下电缆，将宝贝车机器人放置在开阔场地上；第六步，按启动键，在机器人前方放置障碍物观察实验结果；第七步，关闭控制器电源，取下 MEGA128 控制器主板，按方向插入 AT89S52 控制器主板，连接好下载电缆；第八步，打开 Keil C 软件，建立相应工程文件和编写实验程序； 第九步，将必须的两个头文件拷贝到工程文件和源程序文件夹内；第十步，编译实验程序；重复第五、六步，观察实验结果；实验结果：机器人远距离传感器看见障碍物后向左调整姿态继续前进，如果右侧传感器运动过程中还能看到障碍物，应进行二次调整，不能撞在障碍物上。5.2遇到的问题与解决方案（1） 在录入程序的时候，由于晶振和核心板出现虚焊导致程序不能录入，我们当时不知道为什么会出现这种情况，在尝试多次无果的情况下，找到老师。在老师的帮助下，我们找到了问题的所在，并解决了虚焊的问题。（2） 在调试程序的时候