割草机器人自动避障系统设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 I 摘 要 自动避障系统是割草机器人关键模块之一，是割草机器人自主、安全行走前提。本文首先对国内外市场上现存的智能割草机器人进行了介绍和比较，指出了现在智能割草机器人研制过程中需要注意的关键技术，并结合以往的成功经验和现在的实际需求，选择易于实验的小车结构。 片机是宏晶科技推出的新一代高速 /低功耗 /超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机， 12 时钟 /机器周期和 6 时钟 /机器周期可以任意选择。本课题以设计割草机器人自动避障为目的，采用 用超声波传 感器来检查路面上的障碍，来控制执行机构的自动避障，从而使执行机构完成左转、右转和后退的动作。其中 采用的技术主要有：（ 1）超声波传感器的有效应用，（ 2）显示器的使用，（ 3）通过编程来控制执行机构的运动。 关键词： 片机，超声波传感器，执行机构，显示器 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 is of is to in of in of is to is of a of is 051 12 be of as to to 1)of 2) of (3)to 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 录 中文摘要 . I . 一章 绪论 . 1 题背景及意义 . 1 动割草机器人概述 . 1 动割草机器人优点 . 1 草机器人的发展简史及其研究现状 . 2 展简史 . 2 外的研究现状 . 2 内的研究现状 . 3 草机器人自动避障系统 . 3 第二章 总体方案设计 . 5 要研究内容 . 5 体方案介绍 . 5 第三章 超声波测距 . 7 声波测距设计思路 . 7 声波测距原理 . 7 声波测距方法 . 7 声波模块的选择 . 7 示器的选择 . 8 第四章 超声波模块的硬件结构设计 . 9 声波模块电路设计 . 9 声波模块的特点 . 9 声波模块的工作原理 . 9 块参数 . 10 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 超声波时序图 . 10 声波发送与接收 . 11 片机功能及特点 . 12 片机参数 . 12 片机特性 . 13 示电路设计 . 15 602 液晶屏的优点 . 15 602 管脚定义 . 15 602 操作时序 . 16 第五章 超声波测距模块软件设计 . 18 声波测距算法设计 . 18 程序流程 . 18 统初始化程序 . 18 声波启动程序 . 19 声波计时程序 . 19 距程序 . 20 验结果 . 20 第六章 实验用执行机构硬件设计 . 22 行机构底盘 . 22 行机构驱动模块 . 22 298N 驱动模块说明 . 22 298N 参数 . 23 机 . 24 么是舵机 . 24 机工作原理 . 24 用单片机实现舵机转角控制 . 25 第七章 执行机构软件 设计 . 26 行机构行走程序 . 26 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 V 机转动控制执行机构行走程序 . 27 结论 . 30 致谢 . 31 参考文献 . 32 附录 1 超声波避障舵机转动编程 . 33 附录 2 电路原理图 . 40 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 第一章 绪论 题背景及意义 动割草机器人概述 随着经济的发展 ,各国城市建设逐渐深化 ,城区的绿化程度也随之提高 ,大量的公园草坪、足球场草坪、 场草坪等公共绿地均需要进行维护。在各种草坪维护作业中 ,以草皮修剪工作最为繁重 ,不仅枯燥 ,而且重复性强 ,通常需要消耗大量的人力和物力。为了降 低草坪维护作业的劳动强度和成本 ,近年来一些西方国家提出用现代电子技术和智能控制技术改造和提升草坪机械产业的战略 ,希望在不久的将来用智能的自动割草机器人取代传统的割草机。 自动割草机器人属于民用户外移动机器人领域 ,从系统科学的角度来讲 ,它是集环境感知、路径动态规划与决策、行为控制与执行等多种功能于一体的综合机器人系统。感知系统实时监测外界环境变量、移动机构及割草机构运行参数 ,并将结果输送到控制系统；控制系统将获得的数据与自身的数据库做比较 ,并参照路径规划对移动机构和割草机构发出修正指令 ,以获得稳定的运行情况。与传统的草坪修剪机械相比 ,自动割草机器人具有环保、人力消耗低和高安全性等特点。 动割草机器人优点 自动割草机器人与传统的割草机相比有着众多的优点。 草机器人可自主工作 ,仅仅需要少量的人工干预甚至不需要人工干预。传统的割草机需要人的全程干预，割草任务相当繁重。 草机器人 更加安全。自动 割草机器人采用了 传感器技术和单片机控制技术，灵敏度更高，应用范围更广，检测精度也更高。也不会因为操作人员的疲劳导致各种意外事故。 统的割草机通 过内燃机进行工作，会产生很大的噪声和废弃，这将严重影响操作人员的身体健康并且会污染环境。而 割草机器人具有体积小、重量轻和所需功率小等特点 ,因此在太阳光充足的地方完全可以使用太阳能电池来提供能量，有利于环境保护。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2 草机器人的发展简史及其研究现状 展简史 1805 年英国人普拉克内特发明了第一台收割谷物并可以切割杂草的机器，由人推动机器，通过齿轮传动带动旋刀割草，这就是割草机的雏形。 1830年，英国纺织工程师比尔 1832年，兰塞姆斯农机公司开始批量生产 滚筒式割草机。 1902年英国人伦敦恩斯制造了内燃机作动力的滚筒式割草机，其原理延用至今。 从 20 世纪 80 年代开始，各种技术都日瑧成熟，链传动，齿轮传动，皮带轮组无级变速，电传动，静液压无级变速全都在割草机上使用，特别是静液压无级变速的驱动单元不仅减轻了司机的操作劳动强度而且还给他们带来了操作的乐趣，加之现代机械设计理念使割草机的结构设计越来越简洁，外形越来越美观，割草机产业显得比以往任何一个时候都更为兴旺。 外的研究现状 国外对智能割草机器人的研究已经有很长一段时间，在一些草坪拥有量比较的发 达国家，他们将智能割草机器人作为商品出售，并且销量很好。出售的智能割草机器人已经达到了中等水平，极大的提高了人们的劳动效率，同时也促进了国外割草机器人的研究与发展。 国外的科研机构对割草机器人展开的研究主要偏向割草机器人的智能控制技术，导航技术和路径规划等方向 ,而针对割草机器人的系统设计相对较少。美国专利 用了蓄电池供电 ,能在预定时间启动 ,具有避障，防盗及自动充电等功能 ,采用三根导线来进行导航 ,当遇到下雨，湿地及电源不足等以外情况时 ,返回车库 ,该专利采用超声波来探测障碍 ,用震荡探测器及密码 来防止非法用户操作机器。 美国专利 综合利用存储的路径及环境信息，无磁无电流的金属导线和埋在地下的金属导线三种方式来指导割草机器人的移动 ,该专利还选用了内燃机做动力 ,配合发电机及电池组使用 ,采用分布式控制方式。其它类似的专利有美国专利 国专利 国专利 法国专利 2631466,美国专利 供了一种导航新方买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 法即沿未割及已割区域的边缘行走 ,从而完成导航任务。 内的研究现状 国内的研究机构对自 动割草机器人的研究起步相对较晚，但仍有一定的积累。南京理工大学机械电子工程专业的王华坤教授早在 2000 年就展开了智能割草机器人的研究，其研究生李杏春的硕士论文移动割草机器人总体方案和控制系统设计与研究对割草机器人的总体设计、路径规划、避障 !定位系统、控制系统等从理论上进行了较全面的研究，进而提出了一种廉价实用的总体方案，为进一步深入研究割草机器人打下了基础；其研究生陈正江的硕士论文户外自主移动机器人体系结构与控制系统研制主要研究户外自主移动机器人的运动控制系统与体系结构，并设计制造了自主移动机器人样 机 I，实现了机器人的导航和自主行走控制；其博士生祖莉的博士论文智能割草机器人全区域覆盖运行的控制和动力学特性研究将移动机器人的导航定位、智能控制、规划避障等方面的技术和理论运用到割草机器人平台上，进行了相关的实验，并讨论了割草机器人在户外移动机器人中的特殊性；江苏大学也对割草机器人做了一定的研究，研究生周宁的硕士论文割草机器人割台设计与运动控制研究就割草机器人的设计及运动控制等方面展开了一系列的研究工作，并根据中国草坪的特点完成了割台部分的设计，最后得到割草机器人割台的主要性能参数；研究生 丁毅的硕士论文基于 数字罗盘的割草机器人导航定位方法的研究提出了利用 数字罗盘进行割草机器人导航的新思路。 草机器人自动避障系统 避障对于割草机器人自主导航，路径规划是不可缺少的 ,它是割草机器人智能化的体现。割草机器人避障系统的好坏直接影响到割草机器人执行各项任务的能力。 一个好的避障系统是完成割草机器人避障任务的前提。一般来说 ,一个完整的避障系统主要包括三个方面 :避障探测系统，避障信息的处理和避障策略。避障探测系统是由各种传感器和控制器组成的探测障碍物信息的系统，整个避障探测系统是 机器人感知外部环境信息的唯一途径 ,传感器的选择将成为割草机器人收集环境信息正确与否的关键。采用视觉系统避障可以获得较完整的环境信息 ,但图像处理运算量大 ,对设备的性能要求高 ,从而会使机器人在避障时实买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 4 时性比较差。近年来 ,为了解决这个问题 ,人们开始研究采用非摄像类传感器探测环境信息，但单一的传感器由于受其固有的缺陷等因素的影响 ,使其在探测环境信息时 ,不能够提供准确，全面的环境信息。因此 ,在实际应用中 ,采用多传感融合技术来实现对环境信息的探测 ,如何提高测量精度就成为了研究热点。 通常应用于机器人距离探测的传感器有激 光传感器，视觉传感器，红外传感器和超声波传感器等。 红外传感器工作原理是采用发射固定波长红外线并接收同一回波的主动方式。其优点是探测角较小 ,方向性强 ,测量精度高 ,反应速度快 ,但其缺点是受环境影响较大 ,红外探测头稍微被灰尘污染 ,其测量精度就会大大下降 ,而且探测距离较近。 超声波传感器对环境的适应能力强 ,在阴影，灰尘，烟雾，水汽等环境下 ,其性能指标不受任何影响 ,即使遇到工作环境异常恶劣的场合 ,其性能指标所受的影响也微乎其微。而且超声波传感器相比于激光测距仪来说要便宜的多 ,不易损坏。超声波传感器具有成本低廉 ,信息 ，数据采集快 ,重量轻，体积小 ,易于安装等优点。 综合考虑，用超声波传感器易于实现草坪上障碍物的探测。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 5 第二章 总体方案设计 要研究内容 本课题主要研究的是智能割草机器人的自动避障系统，自然就包括了障碍物的检测，检测信息的处理以及如何将这些数据反馈到执行机构上。障碍物的检测需要用到传感器，然而传感器的种类繁多，应用最为广泛的是超声波传感器和红外线传感器。超声波传感器和红外线传感器的优缺点已经在上述部分列出，所以本课题采用超声波传感器来测量与障碍物之间的距离。超声波测距一般采用时间飞跃法（ 首 先测出超声波发出到碰到障碍物返回的时间，再乘以声速就得到 2 倍的障碍物距离。再利用单片机控制技术完成信号采集与控制，进而提出控制策略，通过执行机构实施达到障碍物的规避目的。 图 体方案介绍 本课题的重点也是难点是障碍物距离的检测，打算采用 号为 602 的液晶屏来实现测距功能。该系统包括了超声波发射与接收模块，复位电路，液晶显示等。并且，在超声波传感器下安装一个 用舵机来控制超声波传感器 左右转动，从而使超声波传感器测量出前方、左侧以及右侧三个方向的障碍物距离。然后，在单片机中写入具体点编程，使整个系统能够运行。其中舵机的优点就能很好买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 6 的呈现出来，当超声波传感器检测到障碍物时，若左右检测距离均小于 20执行机构后退；若左侧小于右侧，则右转；反之，则左转。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 第三章 超声波测距 声波测距设计思路 声波测距原理 通过超声波发射装置发出超声波，根据接收器接到超声波时的时间差就可以知道距离了。这与雷达测距原理相似。 超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时， 超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。（超声波在空气中的传播速度为 340m/s，根据计时器记录的时间 t，就可以计算出发射点距障碍物的距离 (s)，即： s=340t/2） 。 声波测距方法 超声波指向性强，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物 位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移 动机器人的研制上也得到了广泛的应用 。 一般测距采用时间飞跃法（ 即 测出超声波发出到碰到障碍物返回的时间，再乘以声速就得到 2 倍的障碍物距离。本系统测距过程大致如下：单片机发出 40信号来驱使超声波传感器，当发射器将第一个超声波脉冲发射后，计数器开始计数，接收器检测到第一个回波后停止计数。利用接收到的时间以及测距公式可以将距离显示在 1602 液晶屏上。 声波模块的选择 超声波模块选择了市面上运用广泛的 声波测距模块可提供 2非接触式距离感测功能，测距精度可达 3 块包括超声波发射器、接收器与控制电路。基本工作原理： （ 1）采用 发测距，给至少 10高电平信号； （ 2）模块自动发送 8 个 40方波，自动检测是否有信号返回； （ 3）有信号返回，通过 出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。测试距离 =（高电平时间 *声速 (340M/S)） /2； 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 8 示器的选择 显示模块选择 1602 液晶显示屏，因为液 晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在各类仪表和低功耗系统中得到广泛的 应用。并且相比于数码管该模块有以下几个优点： （ 1） 位数多，可以显示 32 位， 32 个数码管而言体积很大。 （ 2） 显示内容丰富，可显示所有数字和大小写字母。 程序简单，如果用数码管动态显示，会占用很多时间来刷新， 1602 能自动完成刷新。买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 9 第四章 超声波模块的硬件结构设计 硬件电路的设计主要包括单片机系统，超声波发射部分，超声波接收部分以及显示部分。单片机芯片采用 列或其兼容系列，因为其 采用 低了制造成本，其软件、硬件与 全兼容，且采用高密度非易失存储器制造技术制造，将多 功能 8 位 闪烁存储器组合在单个芯片中， 有利于操作。单片机 脚触发控制信号的输入， 脚控制回响信号的输出。显示部分采用 1602 液晶屏显示。 声波模块电路设计 超声波模块采用型号为 号产品。 声波测距模块2非接触式测距感测功能，测距精度可达 3块包括超声波发射器，接收器和控制电路。 声波模块的特点 5V。 于 2 大于 15度。 2 达 2近。 盗模块。 声波模块的工作原理 (1)采用 发测距，给至少 10高电平信号。 (2)模块自动发送 8个 40动检测是否有信号返回。 (3)有信号返回，通过 出一高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间测试距离 =(高电平时间 *声速 (340M/S)/2。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 10 即控制口发一个 10可以在接收口等待高电平输 出。 一有输出就可以开定时器计时，当此口变为低电平时就可以读定时器的 值，此为次测距的时间，方可算出距离。如此不断的周期测，就可以达 到你移动测量的值。 块参数 图 声波时序图 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 11 图 上面的时序图表示只要你提供一个 10上的脉冲触发信号，模块内部就会循环发出 8个 40脉冲，打开计时器，当检测到回波信号是打开输出回响信号，回响电平输出与检测距离成正比，通过该 间隔时间可计算出距离。 声波发送与接收 图 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 12 片机功能及特点 性能 有 8K 在系统可编程 储器。 做了很多的改进使得芯片具有传统 51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位在系统可编程 得 众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 具有以下标准功能 ： 8512字节 32 位 I/O 口线，看门狗定时器，内置 43 个 16 位定时器 /计数器， 4个外部中断，一个 7向量 4 级中断结构（兼容传统 51 的 5向量 2 级中断结构），全双工串行口。另外 降 至 0态逻辑操作，支持 2种软件可选择节电模式。空闲模式下， 止工作，允许 时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下， 容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率356T/12 片机参数 051 单片机， 6 时钟 /机器周期和 12 时钟 /机器周期可以任意 选择指令代码完全兼容传统 8051。 5 3V 单片机） 。 0 40当于普通 8051 的 0 80际工作频率可达 48 12 字节 （ 32 个），复位后为： 1/3 是准双向 口 /弱上拉， 是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为 I/O 口用时，需加上拉电阻。 系统可编程） /应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（ 接下载用户程序，数秒即可完成一片 。 能 。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 13 个 16 位定时器 /计数器。即定时器 路，下降沿中断或低电平触发电路， 式可 由外部中断低电平触发中断方式唤醒 。 还可用定时器软件实现多个 +85 （工业级） /0 75 （商业级） 。 片机特性 储空间 ; 主电源引脚（ 2根） 电源输入，接 5 接地线 外接晶振引脚（ 2根） 片内振荡电路的输入端 片内振荡电路的输出端 控制引脚（ 4根） 复位引脚，引脚上出现 2 个机器周期的高电平将使单片机复位。 地址锁存允许信号 外部存储器读选通信号 程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令。 可编程输入 /输出引脚（ 32根） 组 8位的可编程 I/O 口，分别位 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 14 每个口有 8位（ 8根引脚），共 32根。 8位双向 I/称为 8位准双向 I/称为 8位准双向 I/O 口线，名称为 8位准双向 I/O 口线，名称为 片机引脚分配示意： 4位数码管的段码数据线，共阳数码管 数码管位控制（共阳） 继电器 控制引脚 蜂鸣器 控制引脚 8路 阳接法 串行通信 过短接帽连接 串行通信 温感接口数据引脚 红外接口数据引脚 6 键独立键盘与中断按钮 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 15 图 示电路设计 液 晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在各类仪表和低功耗系统中得到广泛的应用。根据显示内容可以分为字符型液晶，图形液晶。根据显示容量又可以分为单行 16 字， 2 行 16 字，两行 20 字等等。鉴于本过程只需显示实时距离，显示单元部分采用 1602 液晶显示屏。用于将超声波模块接收到的数据通过单片机中的程序运算将与障碍物的具体距离显示出来。 602 液晶屏的优点 以显示 32 位， 32 个数码管而言体积很大。 显示所有数字和大小写字母。 果用 数码管动态显示，会占用很多时间来刷新， 1602 能自新。 602 管脚定义 字符型 常有 14条引脚线或 16 条引脚线的 出来的 2条线是背光电源线 5 脚 )和地线 6 脚 )，其控制原理与 14 脚的 全一买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 16 样 ，但是编程用到的主要管脚不过三个，分别为： 据命令选择端 ),R/W（读写选择端） ,E（使能信号）。以后编程便主要围绕这三个管脚展开进行初始化，写命令，写数据。以下具体阐述这三个管脚： 电平选择数据寄存器，低电平选择指令寄存器。 R/选择，高电平进行读操作，低电平进行写操作。 面和时序联系在一起。 除此外， 7分别为 8位双向数据线。 详细来讲， 第 1脚： 第 2脚： 第 3脚： 正电源时对比度最弱，接地电源对