毕业设计（论文）-智能巡线机器人设计.doc

前 言 四 川 理 工 学 院毕 业 设 计 说 明 书全套图纸加扣3012250582 题 目 智能巡线机器人设计 学 生 系 别 机电工程系 专 业 班 级 机械设计制造及其自动化机电03.3班学 号 指 导 教 师 四 川 理 工 学 院毕业设计（论文）任务书设计（论文）题目： 智能巡线机器人设计 系： 机电系 专业： 机械设计制造及其自动化（机电一体化） 班级： 2003级3班 学号： 0学生： 指导教师： 接受任务时间 2007/3/5 教研室主任 （签名）系主任 （签名）1毕业设计（论文）的主要内容及基本要求 1.总体方案设计； 2机械整体设计； 3.控制设计； 4编写设计说明书；2指定查阅的主要参考文献 1.机器人控制电子学 2.机器人探索 3.机器人的创意设计与实践 4MSP430系列FLASH型超低功耗16位单片机 （电子和机械方面的书）3进度安排设计（论文）各阶段名称起 止 日 期1查阅和搜集设计资料，在此基础上指定设计方案2007.3.52007.3.252进行整体方案设计2007.3.252007.4.23机械整体设计2007.4.22007.5.34控制设计2007.5.32007.5.225编写设计说明书2007.5.222007.5.296检查2007.5.292007.6.2 前 言 第3页摘 要近年来机器人的研究和应用已经不仅仅局限于军用领域。许多应用于军用机器人上的成功技术已经在民用机器人中得到了一定的应用。在工业机器人的基础上，运用了传感器技术和单片机智能控制技术，设计出了一种能自动运送货物的职能巡线机器人。论文首先对智能巡线机器人总体设计方案进行叙述，阐述其各要素的工作原理，然后就整个智能巡线机器人系统划分为五个模块，分章节对各个模块设计制作进行阐述。机器人机械结构部分，通过分析常用的车轮驱动配置方式，择优选择了前排安装两个万向轮、后排安装两个独立驱动轮的设计方案，充分考虑到了巡线的简易性和稳定性。机器人传感器接口与驱动电路部分，详细阐述了光电传感器检测信号原理，叙述了设计所采用的光电传感器接口电路详细设计方案，分析了传感器采用该种布局方案的原因。针对机器人的机械特性和速度要求，选用了L298N驱动芯片驱动电机，分析了它的优缺点和可行性。机器人主控系统硬件部分阐述了主控芯片选型，主控电路设计方案，以及相应的接口说明。软件部分在MSP430平台上实现了快速、稳定、准确的巡线方法。关键词: 机器人；巡线；光电检测；PWM驱动。AbstractIn recent years, research and design of robot has not been limited just in military field. Many technologies, which had been used in the military field cuccessfully, have been used in the field of civilian robot. Based on the industrial robot, and by applying sensor interface control and SCM intelligent control, this project has designed one kind of biranpower line walking robot that is able to carry the goods by itself. In this thesis, the overall design of autonomous line-tracking robot and principle of each essential element have been described. The robot system has been divided into five parts as fellow.The autonomous line-tracking arithmetic is the key of this project research. The relative position relationship between the robot and the leading line is divided into seven typical states; the adjustment strategy has been described respectively. An implementation principle to enable centerline approaching the leading-line gradually has been described by adjusting continuously chassis posture.In mechanical structure part, by analyzing the normal wheel drive configurations, it has been choiced that two universal wheels are installed in the front and two independent driving wheels are installed in the rear, which takes fully into account the simplicity and stability of the line-tracking. In sensor interface and drive circuit part, a detail explanation of photoelectric sensor and interface circuit has been discussed carefully. To adapt the robot mechanical properties and speed requirement, two motor driving circuits based on different principles have been designed and their advantages and feasibility analyied.In robot control system part, hardware and software have been discussed such as CPU choosing, control circuit designing, and hardware interface assigning, etc. Based on the MSP430, the speed difference from left and right wheel created by the Pulse-Width Modulation adjusts the position of the robot and leading line, which carries out the autonomous runs along with the leading line quickly, stably and accurately.Keywords: Robot; Line-tracking; Photoelectric Sensor; PWM. 前言机电一体化是综合应用机械技术、微电子技术、信息技术、自动控制技术、传感测试技术、电力电子技术、接口技术及软件编程技术等，机器人则是机电一体化的显著代表。机器人根据系统功能目标和优化组织结构目标，以智力、动力、结构、运动和感知组成要素为基础，对各组成要素及其间的信息处理、接口耦合、运动传递、物质运动、能量变换机理进行研究，使得整个系统有机结合与综合集成，并在系统程序和微电子电路的有序信息流控制之下，形成物质和能量的有规则运动，在高功能、高质量、高精度、高可靠性、低能耗意义上实现各种技术功能组合以得到最佳功能价值的系统工程技术。机器人技术作为20世纪人类最伟大的发明之一，自1960年代初问世以来，经历40年的发展已取得长足的进步。机器人的出现并高速发展是社会和经济发展的必然，是为了提高社会的生产水平和人类的生活质量，让机器人代替人干那些人干不了、干不好的工作。在现实生活中有些工作会对人体造成伤害，比如喷漆、重物搬运等；有些工作要求质量很高，人难以长时间胜任，比如汽车焊接、精密装配等；有些工作人无法身临其境，比如火山探险、深海探密、空间探索等；有些工作不适合人去干，比如一些恶劣的环境、一些枯燥单调的重复性劳作等；这些都是机器人大显身手的地方。服务机器人还可以治病保健、保洁保安；水下机器人可以帮助打捞沉船、铺设电缆；工程机器人可以上山入地、开洞筑路；农业机器人可以耕耘播种、施肥除虫；军用机器人可以冲锋陷阵、排雷排弹。可以说，机器人的应用范围非常之广。据国外专家预测，2l世纪将是机器人技术革命的世纪，机器人作为全面延伸和扩展人的体力和智力的手段将实现“当代最高意义上的自动化”。机器人的应用和普及正在改变人类的生产方式、生活方式和作战方式。 编者 2007.5 四川理工学院毕业设计 第11页目 录摘要1Abstract2前言3第1章 绪论111 机电一体化技术简介11. 2智能巡线机器人的概况21. 3 课题的主要内容2第2章 自动巡线机器人总体方案设计421 机器人要素分析422 机器人总体分析52.2.1 场地分析52.2.2 机械结构分析52.2.2控制系统框架设计52.2.4运动姿态分析5第3章 机械结构设计731 移动机器人的车轮驱动配置73.1.1 机器人常用车轮驱动配置介绍73.1.2 本系统所采用的车轮驱动方式配置1032 机器人机械尺寸设计11第4章 传感器接口电路设计1341 机器人对巡线传感器的要求1342 超声波传感器134.2.1超声波传感器的原理134.2.2 超声波的发射与接受电路1543 红外光电反射式传感器154.3.1 红外光电反射式传感器原理164.3.2 基于反射光强度测量的红外光电反射式传感器电路1744 红外光电反射式传感器布局19第5章 电机驱动电路设计2151 驱动电机的选用215.1.1电机减速器的选择225.1.2 所选电机性能校核2352 直流电机的转动控制2453 直流电机的速度控制2654基于L298的驱动电路28第6章 智能巡线机器人之态调整方法3161 总体分析3162 姿态分析32第7章 主控系统的设计3671 主控制芯片的选型367.1.1 MSP430系列与89C51系列单片机367.1.2 选用的MSP430F449的原因387.1.3 MSP430F449的引脚3972 主控单元电路设计3973 MSP430实现巡线算法437. 4巡线改进方法的实现467. 5转弯分析51总结与展望56致谢57参考文献58附件一：程序60附件二：元件76第1章 绪论本章首先从机器人的发展历程引出机器人研究的发展趋势，再具体到本次设计针对的任务要求，明确了设计任务的主要内容。11 机电一体化技术简介“机电一体化”源于“Mechatronic”,是一个新兴的边缘学科，国内外都处于发展阶段，她代表着机械工业技术革命的前沿方向。她是当代科学技术发展最为活跃的领域之一。机电一体化是综合应用机械技术、微电子技术、信息技术、自动控制技术、传感测试技术、电力电子技术、接口技术及软件编程技术等，根据系统功能目标和优化组织结构目标，以智力、动力、结构、运动、和感知组成要素为基础，对各组成要素及其间的信息处理、接口耦合、运动传递、物质运动、能量变换机理进行研究，使得整个系统有机结合与综合集成，并在系统程序和微电子电路有序信息流控制之下，形成物质和能量的有规则运动，在高功能、高精度、高可靠性、低能耗意义上实现各种技术功能组合以得到最佳功能价值的系统工程技术。机电一体化技术的产生与发展的根本原因在于社会的发展和科学技术的进步，系统工程、控制工程和信息论是机电一体化的理论基础，是机电一体化技术的方法论。半导体大规模集成电路制造技术的进步则为机电一体化奠定了物质基础，机电一体化技术的研究与应用融合于学科交叉。机电一体化依赖于相关技术的发展，同时也促进了相关技术的发展。目前世界上普遍认为机电一体化可以分为两大类：生产过程机电一体化和机电产品一体化。机电产品的机电一体化是机电一体化的核心，是生产过程机电一体化的物质基础。传统的产品加上微机控制即可转变为新一代的产品，而新产品较之旧产品具有功能强、性能好、密度高、体积小、重量轻、更可靠、更方便、经济效益显著等优点。机电一体化产品小到儿童玩具、家用电器、办公设备，大到数控机床、机器人、自动化生产线、航空航天器，因此，可以说机电一体化技术几乎涉及到社会的各个方面。其中，生产过程的机电一体化包括产品设计、加工、装配、检测的自动化，生产过程自动化，经营管理自动化等。当传统机电产品引入电子技术、计算机技术和自动控制技术时，就形成所谓的新一代机电一体化产品。典型的机电一体化产品体现了机械技术、电子技术、计算机技术等的有机结合，几种多种高新技术，并把多种功能集成在一起，在市场上具有极强的竞争能力。机电一体化是机械、微电子、控制、计算机、信息处理等多学科的交叉融合，起发展和进步有赖于相关技术的进步与发展。其主要发展方向为数字化、智能化、模块化、网络化、人性化、微型化、集成化、带源化和绿色化。机电产品高性能一般包含高速、高精度、高效率和高可靠性，人工智能在机电一体化技术中的研究日益得到重视，机器人与数控机床的智能化就是机电一体化技术的重要应用。1.2智能巡线机器人的概况智能巡线机器人的产生已有20多年的历史，它被人们关注于机器人赛事。现在各种机器人赛事，范围普及世界。截止到2000年共有20余项公认的机器人赛事，如机器人足球世界杯比赛、微机器人世界杯锦标赛、日本相扑机器人大赛、机器鼠比赛等。这些机器人赛事有些就是巡线机器人。把比赛的寻线机器人和玩具机器人进行一定的改进，使它具有一定的承载能力，能够被运用于工业的机器人。1.3 课题的主要内容针对机器人的巡线特征，设计出能够自动巡线的智能巡线机器人，内容包括机器人机械外形的设计、传感器设计、驱动电路设计、智能巡线的控制设计。具体工作是：1、 根据一定要求设计出机器人的机械结构。该机器人可以用于不同场合的循迹，但是必须是引导线的颜色与地面的颜色成鲜明对比。由于考虑到传感器的使用比较多，所以该次设计的机器人主要是用于10cm50cm宽的引导线循迹。2、选择辨色传感器，必须可靠地识别出浅色引导线和深色地板。传感器是机器人的眼睛，需要选择几种效果很好的传感器，通过比较，择优选择当前条件下最好的传感器，才能给机器人一双明亮的眼睛。辨色传感器需要识别浅色引导线和深色地板，能够很好将检测到的高低电平传送给控制系统。3、传感器的布局策略制定。在布置传感器的过程中，需要考虑到机器人底盘的外形和驱动方法，充分考虑到机器人在行进时可能遇到的各种情况，在调整过程中是否可能会让所有传感器偏离出检测物体，使得巡线失败。要考虑机器人直走和转弯等状态可能产生的各种情况。4、选择合适的电机。由于是载重机器人，电机不仅要有足够大的力矩驱动机器人动作，速度也要快。5、选择驱动芯片。芯片要求能够同时驱动两台电机，且能够实现速度控制。6、选择适合本次设计的单片机型号，设计制作性能良好的主控制板。选型是根据单片机输入量的个数和输出量的个数，还要合理留出备用端口方便扩展使用。输入量除了用于巡线的光电传感器信号以外，还包括用超声波传感器检测有无障碍物和是否到达目的地；输出量主要是所有电机需要提供的控制信号的个数。除了端口选择的要求外，还应该满足单片机的运行速度较高，处理信息及时稳定，友好的开发环境，易于在市场上购得等条件。采用主-从式控制或是单-单片机控制都需要在试验中验证可靠性和简易性。7、设计稳定准确快速的巡线方法。这是本设计的关键技术问题，在传感器检测机器人所在位置的基础上，制定稳定、快速的行进方法。第2章 智能巡线机器人总体方案设计完整的机器人系统就是一个移动的测控系统，包括检测部分、控制部分以及相应的驱动部分。这几个部分是彼此相互关联的，检测部分根据机械结构选择合理的检测手段，驱动部分根据任务要求和机械结构设计相应的驱动电路，控制部分则需从机械结构、检测手段、驱动方法综合考虑。21 机器人要素分析智能巡线机器人装备包含以下几个要素：机械机构、动力与驱动单元、执行机构、传感测试单元以及信息处理与控制单元五个部分。这五个基本组成要素可以与人体的五大要素进行对比，如图2-1所示。图2-1 机器人设备与人体五大要素比较图机械机构的作用类似于人体的骨骼。包括工作模块以及装备所有功能元素的机械支持结构以及机身、框架、连接等。机械机构要在结构、材料、加工工艺性以及几何尺寸等方面可靠、小型、轻量、美观等要求。传感与测试单元的作用相当于人体的五官，对装备本身和外界环境的各种参数及状态进行检测，并将其变换成可识别信号，传输到信息处理单元。它由各种类型的传感器和信号处理电路或测试仪表构成。传感器与测试单元的主要问题在于提高可靠性、灵敏度和精密度。而提高可靠性的关键在于提高抗干扰能力。传感器包括光电传感器（巡线和计数）、超声波传感器（检测是否到达目标和有无障碍物）。执行机构相当于人体的手和足。它根据控制单元的指令，快速高精度地完成要求的动作。目前常用的执行机构是电磁式、液压式和气动式机构。此外，还有一些新型的执行机构如超声波驱动器、形状记忆合金驱动器等。执行机构需要根据机器人装备的匹配性要求，考虑改善性能，如何提高精度和快速性，减轻重量，实现组件化、标准化和系列化，提高系统整体的可靠性。动力和驱动单元相当于人体的内脏或肌肉。它在控制单元作用下，提供动力驱动和各种执行机构完成要求的动作和功能。机器人装备一方面要求驱动的高效率和快速反应特性，同时要求对水、油、温度、尘埃等外部环境的适应性和可靠