（机械电子工程专业论文）智能移动驱鼠机器人的研制.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 老鼠是人类的天敌，人类都一直与之斗争。以前人们往往应用药物、化 学等方式来灭鼠，但是在餐馆、厨房等老鼠出现的重灾区是不能用这些方式 来处理的，它关系到人们的生命安全，因而出现了一种新的与老鼠的斗争方 式驱鼠，因此也孕育产生了电子驱鼠方式。 现在市面上的电子驱鼠器基本上是属于固定在一个地方发射超声波驱 鼠。本设计移动驱鼠机器人是将市面上的电子驱鼠器与移动机器人结合起来， 克服了一般电子驱鼠器只能在小范围内的驱鼠，并且只是发出固定频率驱鼠 的问题。本文首先结合国内外移动机器人的研究现状，概述了移动机器人的 发展状况，阐明了本论文的研究背景和意义，并概述了本论文的主要内容和 工作。 论文中针对实际需求设计了移动驱鼠机器人的车体结构，底盘采用圆形 结构，左右两独立驱动轮加前后两万向轮构成机器人的行走机构，这种设计 使机器人移动灵活，在狭小的空间内亦可自由活动。机器人的控制系统为本 设计的核心，采用了a t 8 9 s 5 2 单片机作为控制系统的核心控制芯片。总体上 采用模块化设计方案，详细分析设计了机器人的电源模块、驱鼠超声波发射 模块、避障模块、电机驱动模块等模块的电路以及编译了各模块所需的软件 程序，并讨论了系统设计的可靠性问题。 移动机器人的运动控制是研究中的一个难点，本设计的移动驱鼠机器人 的运动采用沿墙跟踪的方式，使机器人可以在空间内进行全覆盖式驱鼠。对 机器人在行进过程中遇到障碍物的避障控制采用了模糊控制方式。通过试验， 所设计的移动驱鼠机器人达到预期效果。 关键词：移动机器人；驱鼠；避障；模糊控制 西南交通大学硕士研究生学位论文第l l 页 a b s t r a c t r 丑_ t sa r et h en a t u r a le n e m i e so fh u m a n i t y ，p e o p l eh a v ea l w a y su s e dd r u g s ， c h e m i c a l s ，a n do t h e rw a y st oa n t i - r a t ，b u tt h e ya r en o ta l l o w e di nr e s t a u r a n ta n di n k i t c h e n , i th a sab e a r i n go np e o p l e sl i v e sa n ds a f e t y , r e s u l t i n gi nan e ww a yt o f i g h tw i t hr a t - - r e p e l l i n gr a t t h u st h e r ea p p e a r e dt h ee l e c t r o n i cr e p e l l i n gr a tw a y n o wt h ee l e c t r o n i cr a t r e p e l l e n ta r eb a s i c a l l yf i x e di no n ep l a c el a u n c h u l t r a s o n i ct or e p e lr a ti nm a r k e t t h em o b i l er a tr e p e l l i n gr o b o ti sf a l l i n gt o g e t h e r w i t ht h ee l e c t r o n i cr a tr e p e l l e n ta n dt h em o b i l er o b o t ，i to v e r c o m et h ep r o b l e m t h a tt h eg e n e r a le l e c t r o n i cr a tr e p e l l e n tc a no n l yr e p e lr a ti nas m a l la r e aa n ds e n d o u taf i x e df r e q u e n c y t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h ep r e s e n tr e s e a r c hs i t u a t i o ni n m o b i l er o b o tf l i e d , a n di n t r o d u c e st h er e s e a r c hb a c k g r o u n do ft h i ss u b j e c ti nt h e f i r s tp a r t i ta l s od e s c r i b e st h em a i ns t u d yc o n t e n t sa n dr e s e a r c hw o r ko ft h i s d i s s e r t a t i o n t h e r ed e s i g n e dt h eb o d ys t r u c t u r eo ft h er o b o ti np a p e r ，c h a s s i su s e dc i r c u l a r s t r u c t u r e ，t w oi n d e p e n d e n td r i v i n gw h e e l sl i eo nt h er o b o t sl e f ta n dr i g h t ，t h i s d e s i g na l l o w sf l e x i b l em o b i l er o b o t ，i tc a nm o v ef r e e l yi ns m a l ls p a c e t h e c o n t r o l l e rs y s t e mi st h em o s ti m p o r t a n tp a r to ft h ed e s i g n ，a t 8 9 s 5 2u s e da sa c o n t r o l s y s t e mf o rc o n t r o lo ft h ec o r ec h i p t h i sp a p e ra n a l y z e sd e s i g na n d d e v e l o p m e n to fc o n t r o ls y s t e mi nd e t a i l a c c o r d i n gt om o d u l ed e s i g ns t y l e ，t h e c o n t r 0 1s y s t e mi n c l u d e sm c u m o d u l e ，o b s t a c l ea v o i d a n c em o d u l e ，m o t o rd r i v e m o d u l e ，r e m o t ec o n t r o lm o d u l e ，p o w e rs u p p l ym o d u l ea n ds oo n b e s i d e s ，i t m a k e sad i s c u s s i o na b o u tt h eh a r d w a r ed e s i g n sf e a s i b i l i t ya n ds o m er e l a t i v e q u e s t i o n s t h em o b i l er o b o tc o n t r o li sad i f f i c u l t yi nr e s e a r c h i ta d o p t st h ew a yo f f o l l o w - w a l l t h i sp a p e rr e f e r st ot h e f u z z yc o n t r o ls t r a t e g yi nt h eo b s t a c l e a v o i d a n c ea p p l i c a t i o n t h er e s u l to ft h ee x p e r i m e n ts h o w st h a tt h er o b o td e s i g n e d h a st h ef u n c t i o n so ft h ed e m a n do ft h et a s k k e y w o r d s ：m o b ii er o b o t ：r a t r e p e i ii n g ；o b s t a c i ea v o i d a n c e ：f u z z y c o n t r o i ： 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 采用移动机器人自主移动方式对空间内进行全方位的超声波驱鼠， 在国内尚无同类产品问世，具有一定的创新性； 2 采用双红外光电开关差距式检测沿墙跟踪方式行走，使机器人较以 往的沿墙走移动机器人移动的更加平稳； 3 基于模糊控制的避障算法，根据经验建立模糊控制规则库。 学位论文作者签名：专1 诗 日期：y - 1 1 旧 西南交通大学曲南父遗大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书： 2 不保密i 使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：弓c 该 日期：沙y 忆i o 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 引言 机器人由操作机、控制器、伺服驱动系统和检测传感器装置构成，是一 种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一 体化的自动化生产设备。机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信 息和传感器技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研 究十分活跃、应用日益广泛的领域。对机器人研究和应用的水平，是一个国 家工业自动化水平的重要标志。 移动机器人是机器人学中的一个重要分支，其研究始于2 0 世纪6 0 年代 末期，斯坦福研究院( s r i ) 的n i l sn i l s s o n 和c h a r l e sr o s e n 等人，在1 9 6 6 年至 1 9 7 2 年中研制出了取名s h a k e y 的自主移动机器人( a u t o n o m o u sm o b i l er o b o t ， a m r ) 。目的是研究应用人工智能技术，在复杂环境下机器人系统的自主推 理、规划和控制。2 0 世纪7 0 年代末，随着计算机的应用和传感器技术的发 展，移动机器人研究又出现了新的高潮，特别是自2 0 世纪8 0 年代后期，许 多国家有计划地开展了移动机器人( m o b i l er o b o t ) 技术的研究。如美国的 h u g h e s 人工智能中心在1 9 8 7 年首次进行了移动机器人越野实验，s t a n f o r d 大学的室内移动机器人能在立体制导系统引导下慢速步行，中国科学院沈阳 自动化研究所、清华大学智能与系统实验室、北京航空航天大学、河北工业 大学等科研院所较早地开展了对移动机器人的研究。现在以移动机器人作为 载体开发的特种机器人种类繁多，如农业中使用的自主行走拖拉机，智能轮 椅，核工业中的废料运输机器人，服务机器人，高速公路中的自动驾驶车等 等。目前，移动机器人已向实用化、系列化发展。 1 2 移动机器人的国内外发展现状及发展趋势 自上世纪9 0 年代以来，各国学者对移动机器人的研究十分活跃，目前， 各种类型和智能水平的移动机器人也已在工业生产、日常生活和军事中获得 应用。由于移动机器人在国民经济及人们生活中有极大的应用潜力，世界各 国对移动机器人的研究都极为重视，促使移动机器人得到快速开发。 在制造业中，其最成功的应用是作为自动化生产系统中的无人驾驶搬运 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 机器人，用以完成机床之间、机床与自动仓库之间的物料传送，以及机床与 工具库间的工具传送。它是一种针对路径多叉、搬运对象多边、大批量生产 规模的运输手段，由于移动机器人的运动灵活性，大大增加了生产系统的柔 性和自动化程度。在工厂自动化中，移动式搬运机器人是必不可少的。 在非制造业中，星际探索和能源开发是移动机器人两大应用方向。从6 0 年代开始，美国开始研究火星探索用移动机器人，以便在火星上软着陆后进 行移动并收集数据。自1 9 6 5 年美国成功发射水手4 号行星探测器以来，人类 就从没放弃过对火星的探索。1 9 7 6 年7 月和8 月美国的“海盗1 号 和“海 盗2 号 在火星成功登陆，1 9 9 6 年1 2 月4 日火星探路者登陆器在肯尼迪航 天中心发射，经过7 个月的长途跋涉，1 9 9 7 年7 月，在火星上成功着陆后， 索杰纳漫游车离开登陆器在火星表而漫游，行驶了几千米，完成了预定的科 学探测任务。海洋开发方面，移动机器人的作用是资源调查、石油矿藏开采、 沉船打捞等。现在，移动机器人的研究开发，除上述应用外，还涉及许多其 它应用领域，如在采矿业中进行隧道的掘进和矿藏的开采，军事上用于探测 侦察、爆炸物处理，特别是在一些具有危险性的操作中，例如核电厂的废料 搬运、有毒的化工场地作业。 最近几年，移动机器人技术又广泛应用到智能交通系统等其它服务方面。 在服务机器人方面，日本及美国处于绝对领先地位，例如：安川电机和富士 通公司联合开发的送餐机器人，它可以在医院里分送饮食到各个病床，并在 病人用完餐后收回餐具；日木静甲株式会社的清水工厂开发出一种自动清扫 机器人，它可用于各种工厂中的清扫工作，采用了光纤陀螺来自主控制机器 人的方向，对地面没有任何要求。美国也非常重视服务机器人的开发和应用， 据新科学家杂志报道，能够从事吸尘和洗碗盘之类烦琐家务事的机器人， 现在已经可以在美国以邮购方式获得，每个售价还不到8 0 0 美元。目前在我 国，服务机器人开发应用较少，只有少数研究所及高校在研究开发，所取得 的研究成果距实用化还有很大的差距。与任何- f - j 现代技术分支一样，移动 机器人研究的兴起一方面是社会生产发展的需要，另一方面也是相关技术领 域交叉发展的结果，其中一个最直接的因素是计算机技术的发展。计算机计 算、存储能力的大幅提高，为移动机器人运行更复杂的实时控制算法创造了 条件。另外计算机科学出现了一系列诸如人工智能、专家系统等新兴技术分 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 支学科，这些学科为移动机器人未知或动态环境的实时导航开辟了道路。移 动机器人技术己成为众多高新技术的产物，同时也为其它技术的发展提供了 丰富的研究素材和应用场所。 利用现代网络技术对机器人系统进行远程控制与操作，已成为最新的机 器人研究方向之一。所谓网络机器人技术就是经过i n t e r n e t 等网络对机器人 进行公开和快捷的研究、开发操作和试验，以实现高度的资源共享和技术交 流。基于网络的机器人实现了一个廉价的、灵活多变的系统，网络通信和通 信协议在机器人系统中得到应用，以标准的互联网络硬件为通讯基础，通过 改进t c p 口协议并用到系统数据库协议顶层，提供一种基于信息的可靠传输 服务，构造一个支持多个网段之间的多平台控制系统，任何网络终端，包括 网络上的机器人、代理及操作者可以互相通讯并交互，共同捉使任务的实现。 1 3 课题的研究背景及意义 人类社会已经进入到了二十一世纪，在人类的历史上，几乎从来没间断 过与老鼠等害虫的斗争，老鼠等一直与人类共存。以前人们往往应用药物、 化学等方式来灭害虫，但是在餐馆、厨房等害虫出现的重灾区是不能用这些 方式来处理的，它关系到人们的生命安全。然而在其他可以应用药物、化学 等方式的地方，不但要面临为其“收尸 等难题，而且还会污染环境，对人 体也存在一定的危害。同时，“野火烧不尽，春风吹又生，越杀越多，老鼠 等害虫越灭越具有抗药性了。 众所周知，老鼠等被人类列为害虫，其对人类所造成的危害是深远的， 历史上世界各地曾爆发过大规模的鼠疫等流行性瘟疫，仅在1 3 4 7 - - 1 3 5 0 年欧 洲流行的一次鼠疫就死亡2 0 0 0 万人。鼠疫也是我国的头号烈性传染病，其中 肺鼠疫的潜伏期仅1 一- 3 天，起病急，高烧、咳嗽、呕吐等常发展为败 血症，死亡率高。2 0 0 3 年春夏发生在广东、香港、北京等地的非典型肺炎事 件也使人谈病变色，而引起非典的病原体“冠状病毒”病毒来自于动物， 除了近距离空气飞沫传播之外，不排除老鼠等害虫的传播。所以说害虫一日 不除，将时刻威胁着人类的生存和环境。 “防重于治 要防病就首先应搞好环境卫生，积极主动地消除老鼠等害 虫，杜绝传染源才能确保人类的健康。可否用物理的方式来达到除虫的目的 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 呢? 各国科学家一直在探索这个问题，各种各样的电子驱鼠驱虫器也因此应 运而生了。但该类产品面世最早亦不过几十年的历史，最早期有史可查的是 越战时期美军在野战机场用超声波机器来驱赶鸟类，后该产品转为民用，但 因产品技术上不成熟，驱虫效果不明显而一直没推广应用。 电子驱鼠驱虫器，顾名思义，即是以物理的方式，通过机器内电子元件 的工作，产生电磁波、超声波等，攻击老鼠、蟑螂、蚂蚁、昆虫等害虫的听 觉或视觉神经，让其产生不适、烦躁不安而逃离现场的产品。美国的科学家 经过长期反复的实践证明，一些生物有：“一定的空间具有一定的饲养量这 一特性。杀死一只害虫，就必然会有新的害虫侵入或出生，反而刺激了害虫 的繁衍。而驱赶就不存在这些问题，如果利用超声波恶化老鼠的生存环境， 降低“供养量”，就不会有新的老鼠侵入，所以说“杀鼠”不如“驱鼠 。 目前国内市场上的电子驱鼠器大多采用发射超声波攻击害虫的听觉和神 经系统，迫使老鼠逃离现场，但这些驱鼠器都是固定的放在一个位置发射超 声波，遇到障碍物如墙壁、桌椅、家具等均会阻扰超声波的传输，特别是超 声波不能穿透砖墙，那么这些电子驱虫驱鼠器就有使用位置的局限性，而使 得每个房间都需要安装一个电子驱鼠器，这就使消费者的花费增加了，而且 也造成了资源的浪费。而以移动驱鼠机器人的形式驱鼠，移动机器人可以绕 过各种障碍物，也可以自行的在各个房间穿梭，这样就可以更全方位的驱除 老鼠，让老鼠在房子中彻底的无立足之地。 1 4 论文的主要内容及结构 本论文的主要内容包括以下几个部分： 第1 章绪论，综述了国内外移动机器人研究和应用现状，阐明本课题的 研究背景、意义以及主要研究内容。 第2 章移动机器人的机械结构和运动学模型，分析了本课题研究的移动 驱鼠机器人的机械结构，结合机器人双轮独立式驱动机构，建立推导其运动 学模型和双轮差速实现机器人运动控制的原理。 第3 章移动驱鼠机器人控制系统设计，重点分析了移动驱鼠机器人的总 体控制方案，按照模块化的思路，依次详细分析了微控制器模块、机器人避 障模块、电机驱动模块、电源模块和超声波发射模块等内容，最后讨论了系 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 统设计的可靠性的问题。 第4 章移动驱鼠机器人模糊控制研究，结合移动驱鼠机器人控制存在的 难点，简要概述了模糊控制的概念和特点及主要应用领域。着重分析探讨了 模糊控制系统的原理和设计方法，并提出了模糊控制策略在运动控制中应用 的具体方法。 第5 章机器人控制系统的软件设计，介绍移动驱鼠机器人控制系统所用 5 1 单片机的编程软件，再对控制系统的一些模块编程给予具体的分析介绍。 最后，对论文所作的工作进行总结并对今后研究的方向做出了展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章机器人的总体结构 机械部分是机器人运行的载体，设计性能良好的机械结构，将有利于简 化机器人控制算法的设计，并且机构在执行过程中可以很好的实现控制精度。 在这一章里，将分别论述了车轮配置方式、底盘、执行机构的设计方法和尺 寸。 2 1 机器人的车轮驱动配置 机器人的运动方式有轮式、履带式和步行方式。轮式和履带式机器人适 合于条件较好的路面，而步行机器人则适合条件较差的路面。为了适应各种 路面的情况，可采用轮、腿、履带并用。在本节中主要讨论各种方式的车轮 驱动配置类别的特点，并且根据本课题的需要选择恰当的驱动配置方式。 2 1 1 机器人常用车轮驱动配置介绍 1 独轮驱动配置方式： 其原理上不仅可以在平地行走，也可以在不平整的地面和倾斜的地面上 行走。车体的转弯可以利用伴随陀螺仪加速、减速的反力矩。由于其在稳定 性方面的弊病，将独轮机构应用于机器人上面基本没有实用性。 2 两轮驱动配置方式： 两轮驱动配置的简图如下图2 1 所示： 夔动轮舵轮 图2 1 两轮车简图 将自行车或摩托车用于机器人的试验很早就有人进行了。主要依靠手的 操作和体重的移动力求稳定行走，这种陀螺两轮车，把车体倾斜成比例的力 矩作用在轴系上，利用陀螺效果使车体稳定。但是这种结构的机器人的速度、 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 倾斜等物理量检测、控制精度很难提高。另外在这种机器人上使用相对简单， 可靠性高的传感器也很难，而且制动或者低速时的稳定性极难保证，所以目 前的研究基本上停留在提高稳定性能力的试验上面。 3 三轮配置的驱动方式： 从理论上讲，三点决定一个平面，因此轮式移动载体的平稳运动至少需 要3 个轮子支撑，所以3 轮配置的驱动方式是轮式机器人的基本移动机构。 三轮配置驱动主要方式如下图2 2 所示： ( b ) 图2 2 三轮移动配置方式 典型三轮移动机器人通常采用1 个中心轮和2 个后轮的车轮布置，要解 决的主要问题是移动方向和速度的控制。3 个车轮配置与功能的不同组合又 可以将3 轮机器人分为图2 2 所示的若干类型。 图2 - 2 ( a ) 所示为双轮驱动移动机器人，其组合是前轮1 为可以任意方向 滚动的小脚轮，小脚轮的作用是使车体稳定，但会给车体带来力学上的干扰 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 冲突，后轮2 和后轮3 为独立驱动轮，利用它们的转速差实现转向。这种 组合的特点是机构组合容易，而且当两个驱动轮以相同速度、相反方向转动 时车体能绕两个驱动轮连线的中点自转，但自转中心与车体中心不一致。 图2 - 2 ( b ) 的组合是操舵机构和驱动机构集中在前轮l 上，2 个后轮只起支 撑从动的作用。与图2 - 2 ( a ) 相比，该机构也能绕2 个后轮连线的中点自转， 但其前轮驱动集中，结构比较复杂。 图2 - 2 ( c ) 的车轮配置组合是前轮l 操舵轮，后轮2 和后轮3 中一个为驱 动轮，另一个为从动轮。这种车轮机构的特点是结构简单，组成容易，但单 边驱动的驱动性差，稳定性不好，不能自转。 图2 2 ( d ) 的车轮组合将图2 - 2 ( c ) 的单轮驱动改为双后轮差动驱动，提高了 驱动性，但加了一个差动齿轮装置，使结构更复杂，也增加了质量。 三轮结构比较简单，能够满足一般的需要，应用也比较广泛。其转向装 置的结构通常有两种方式：( 1 ) 铰轴转向式：转向轮装在转向铰轴上，转向 电机通过减速器和机械连杆机构控制铰轴从而控制转向轮的转向。( 2 ) 差速 转向式：在移动装置的左右轮上分别装上两个独立的驱动电机，通过控制左 右轮的速度比来实现车体的转向，在这种情况下，非驱动轮应为自由轮。 4 四轮配置的驱动方式： 四轮移动机构的典型配置形式如下图2 3 所示： ( a )( b ) 图2 3 四轮移动机构的典型配置 图2 - 3 ( a ) 的组合是前后轮均为万向脚轮或球形轮，左右两轮为独立的驱 动轮。与图2 - 2 ( a ) 的三轮车体相比，其自转中心与车体中心重合，当两个驱 动轮以相反速度方向转动时，车体能绕自身的中心自转，所以便于在狭长的 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 场所改变方向，这种车轮布置方式在灵活性和稳定性上都是比较好的，但它 的缺点是前后辅助脚轮有时不能同时着地支撑，在高速启动和刹车时车体会 产生俯仰和前冲。 图2 3 ( b ) 是常见的汽车车轮配置方式。它与图2 - 2 ( d ) 所示的三轮车驱动方 式类似，只是将前面一个操舵机改为两个轮子，提高了车体的稳定性。两个 操舵轮需要同一个操舵机构来协调转向，此外为了减少后轮的摩擦损耗，配 备了差动齿轮装置，增加了机构的复杂性。 四轮配置方式的转向方式和三轮配置方式的方法基本相同，在这里就不 再做具体介绍。 2 1 2 系统采用的车轮驱动方式配置 在参考常用车轮驱动方式配置的基础上，结合具体系统的实际情况做出 适合本系统的最佳选择，当然这种选择不是一个方面的最优，但是它必须是 在考虑到各种实际情况( 如机器人车体的载重、材质、控制方法以及加工手 段) 之后的一个最优方案。在本设计中，机器人在运动过程中的灵活性是我 们要考虑的另外一个最为重要的因素。 从以上分析的关于机器人车体设计的两个关键问题着手，我们知道三轮 移动机构配置的方式虽然简单而且在实际应用中比较多，但是结合本课题的 具体实际情况，由于机器人是在室内运动，是在未知环境下运动，而室内的 环境比较复杂，有各种家具等摆设，这就要考验移动机器人的避障的灵活性， 在遇到障碍物或在狭小的空间中能够自由的转动，所以我们考虑使用四轮方 式，使用图2 - 3 ( a ) 的驱动方式，这种驱动方式其自转中心与车体中心重合， 当两个驱动轮以相反速度方向转动时，车体能绕自身的中心自转，便于在狭 长的场所改变方向，最为符合本设计的要求。图2 - 4 即为本次机器人的车架 外形图，底板整体外形设计为一个圆形，直径为2 5 e r a ，厚度0 5 e m ，将左右 两个驱动轮安装在底板挖出的凹槽中。如图中，左右两边为驱动轮，由两个 直流电机分别驱动，驱动轮选用的为直径是7 5 c m 厚度为2 1 e n a 的橡胶轮。 前后装有两个万向轮，引导移动机器人的前进方向，两个万向轮安装时留有 高度差，使得四个轮子高度不在同一水平面上，机器人行走时左右两个驱动 轮只同其中一个万向轮共同着地，这样以防机器人在不平整的地面行走时， 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 前后的万向轮可能会将其中一个驱动轮架空，那样将严重影响机器入的行走 方向。对于这种驱动结构会在高速启动和刹车时车体产生俯仰和前冲的情况， 因本设计的机器人运动速度比较慢，在运动中车体可能会出现前后波动的情 况，但对机器人的具体运动不会产生什么影响。 图2 - 移动驱鼠机器人的结构图 2 2 机器人的驱动电机 移动机器人的主动轮有多种驱动方式，其中采用电机加必要的传动装置 应用最为广泛。驱动电机为小车移动提供动力源泉，传动装置具有调速、改 变运动方式、方向等作用。利用电压、电流、频率( 包括指令脉冲) 等控制 方式，可以实现定速或变速驱动、反复起停的增量驱动以及复杂驱动。 目前常用的控制电机有：电压控制感应电动机( 制动电动机或两相伺服 电动机) 、电压控制直流电动机( d c 伺服电动机) 、频率控制同步( s m ) 电 动机( 步进型伺服电动机) 、频率控制感应( i m ) e g 动机( 感应型伺服电动机) 、 频率控制磁阻电动机( 步进电动机) 等，每种电机又衍生出不同的小类型， 不同电机的控制方式、特点和应用场合也不相同。 目前移动机器人领域应用较多的是步进电机和直流无刷电机( b l d c ) 两种。步进电机是一种将电脉冲信号转换成机械角位移模拟量的控制电机， 其输出的位移大小与输入脉冲个数成正比且时间上与脉冲同步，通过改变脉 冲频率调节步进电机转速。步进电机一般分为反应式( 乇) 、永磁式( p m ) 和混合式( h m ) 三种。反应式结构简单、工作可靠、运行频率高但转子阻 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 尼大、噪声大，步距角一般在1 5 。1 5 0 之间；永磁式功率小、效率高、价格 低，步距角一般在7 5 0 1 8 0 之间；混合式介于二者之间，具有步距角小、 频率高、功率小的有点，但结构相对来说比较复杂，步距角一般在o 3 6 0 3 6 0 之间。 直流无刷电动机( b l d c ) 通过位置传感器检测磁钢位置后，控制相电 流通断实现电子换向，避免换向火花，且不产生电磁干扰，具有寿命长、运 行可靠、维修简便、变速不受换向条件限制、高速运行、调速范围宽等优点。 如果采用p w m 控制，只需要通过软件改变p w m 波的占空比就可实现调速， 这对提高移动机器人在运动中的灵活性非常有用。另外，随着具有p w m 输 出的单片机在机器人控制器中的广泛应用，采用直流无刷电动机( b l d c ) 作为驱动电动机的越来越多。 对比二者的特点，尤其是考虑到使用单片机作为控制器时设计的可靠性， 也考虑到本设计的移动机器人体积较小的关系，所以本设计的驱动电机就选 用带减速器的直流无刷电动机，使用两个相同的直流电机分别对机器人左、 右两个车轮进行驱动。 直流电机的优点表现在以下方面： 具有较大的转矩，从而能够克服传动装置的摩擦转矩和负载转矩； 具有快速响应能力，可以适应复杂的速度变化和控制信号的变换； 电机的负载特性硬，有较大的过载能力，确保运行速度不受负载冲击 的影响，增加的系统的可靠性； 直流电机的空载力矩大，在控制系统发出停转的同时可以立刻响应， 并且可以产生相当大的力矩阻止机器人由于惯性继续向前移动； 直流电机具有很好的环境适应能力； 直流电机相对其他电机来说运动起来平稳，而且噪声小。 本设计选用直流电机主要技术参数( 电机自带减速器) 是：额定电压1 2 v ， 额定功率5 w ，减速器减速比为1 ：6 3 ，速度输出为1 0 0 r m i n 。 2 3 机器人的运动学模型 移动驱鼠机器人采用左右两轮驱动模式，通过控制左右驱动轮的转速来 控制机器人前进、后退和转弯等各种基本运动。在地面运动的机器人可以看 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 作是一刚体，现建立坐标系说明移动驱鼠机器人的运动学模型，具体坐标系 及运动参量如图2 5 所示： y x 图2 5 移动驱鼠机器人的运动示意图 上图中，k 和形分别为机器人左右轮的运动线速度，y 为机器人质心的 运动线速度，o 为机器人的质心，2 l 为左右两轮的距离，左右轮的半径为r 。 因此可得以下运动方程： v = 0 4 r ，k = t o t r ( 2 1 ) 缈：三盟，y ：! 坦 ( 2 2 ) z l2 式( 2 1 ) 和式( 2 2 ) 中，够和缉分别代表左右轮的角速度，缈为质心的 角速度，由式( 2 2 ) 可知，当巧= 巧时，质心的角速度国为0 ，即机器人沿直 线运动；当k = 一巧时，质心的线速度为o ，则机器人可实现原地转动，即此 时机器人是以零半径转弯。按照公式( 2 - 2 ) 计算得到k 和巧即可实现移动机器 人的运动控制。 若将式( 2 1 ) 代入式( 2 - 2 ) 中，可得 国：c o t - r 4 ，v ：m , + a 4r( 2 3 ) 2 l2 、7 而机器人质心的运动方程为： 量= v c o s 8 ，夕= v s i n 臼，乡= 缈( 2 - 4 ) 将式( 2 3 ) 代e k ( 2 - 4 ) ，得 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 r 一c o s 2 r 。 一s i l l 2 尺 2 r 一c o s 2 尺 一s l n 2 尺 2 三 ，c o , 、i ( 2 - 5 ) l 劬 | = 锄习 口6 ， 再将左右轮角速度表示成质心的角速度和线速度，即 缉= 去矿+ 云劬劬2 玄矿一贵国( 2 - 7 ) 由上式可知，根据移动驱鼠机器人( 质心) 设定的目标线速度和角速度 即可分别求得左右轮的实时角速度，从而通过电机驱动机构完成速度调节， 实现移动机器人运动方向和速度的实时控制。 2 4 本章小结 本章针对移动机器人的实际需求设计了机器人的车体结构，采用4 轮结 构，左右两个驱动轮分别由两个直流电机驱动，车体采用圆形结构，使机器 人能在狭小的空间灵活运动。最后结合双轮独立式驱动机构，推导了移动机 器人的运动学模型和双轮差速实现机器人运动控制的原理。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 第3 章移动驱鼠机器人控制系统设计 3 1 机器人控制系统方案 在移动驱鼠机器人系统的总体设计中，最重要的就是控制系统的设计。 控制系统是整个机器人系统的灵魂，控制系统的先进与否，直接关系到整个 机器人系统智能化水平的高低。机器人的各种功能都在控制系统的统一协调 下实现，控制系统设计的策略也决定了整个机器人系统的功能特点与可扩展 性。 本次设计的移动驱鼠机器人控制系统，具备了超声波发射、障碍物检测 避碰、紧急逃离、原地零半径转向、沿墙跟踪行走等功能。 图3 - 1 机器人控制系统框图 根据本移动驱鼠机器人的功能要求，课题研究的控制系统主要包括：微 控制器模块、障碍检测模块、沿墙跟踪模块、电机驱动模块、超声波模块以 及电源模块等部分。控制系统的总体框图如图3 1 所示。具体设计过程中， 上述模块设计力求相对独立，以便系统日常的维护和以后的升级。 其中： 微控制器模块作为控制系统的核心，主要进行各种信息、数据的 处理，协调系统中各功能模块完成预定的任务； 障碍检测模块由漫反射式红外光电开关对机器人运动过程中的 障碍物进行检测，若遇到障碍物则传输相应信号给微控制器处 理； 沿墙跟踪模块是使移动机器人在检测到墙壁的时候，能沿着墙的 方向行走，机器人与墙的距离由两路漫反射红外光电开关检测控 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 制： 电机驱动模块负责机器人左右轮的独立驱动，主要有功率转换电 路和微控制器内置的p w m 单元组成，实现左右轮的差速控制； 超声波模块是针对驱鼠的功能设计，用于发射不同频率的超声 波，同时还包括为了确定超声波发射的覆盖范围而设计的超声波 检测电路； 电源模块负责整个控制系统各部分的电源供给。包括驱动电机和 传感器所需的1 2 v 电源和单片机系统所需的5 v 电源。 本章将从各模块的设计原理与功能出发，阐述各模块的设计要点。 3 2 电源模块 本课题设计的移动驱鼠机器人，能耗主要为机器人控制电路和电机驱动 电路两部分。其中控制电路部分使用+ 5 v 直流供电，驱动电机部分使用+ 1 2 v 直流供电。因此设计选用l o 节1 2 v4 5 0 0 m a h 的锂电池串联作为系统的供电 电源，+ 1 2 v 的电压可以直接由电池组得到，控制电路部分所需的+ 5 v 电压 通过三端稳压块7 8 0 5 转换得到。 7 8 0 5 是常用的固定正输出电压的集成稳压器，输出电压为+ 5 v ，最大输 出电流为1 a 。它内部含有限流保护、过热保护和过压保护电路，采用噪声低、 温度漂移小的基准电压源，工作稳定可靠。图3 2 为电源电路，c 1 、c 2 、c 3 分别为输入端和输出端的滤波电容，r 1 为负载电阻，7 8 0 5 还需配上散热片。 图3 - 2 机器人电源电路 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 3 3 微控制器选择 3 3 1 微控制器选用依据 选用a t m e l 公司的a t 8 9 s 5 2 作为机器人的中央控制器，完成传感器信 号收集、电机控制等任务。它是一种低功耗、高性能c m o s 8 位微控制器， 具有8 k 在系统可编程f l a s h 存储器。使用a t m e l 公司高密度非易失性存 储器技术制造，与工业8 0 c 5 1 产品指令和引脚完全兼容。片上f l a s h 允许程 序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位 c p u 和在系统可编程f l a s h 。它具有两个外部中断，完全满足传感器需要。 自身频率满足产生p w m 脉冲的要求，具有f l a s h 存储芯片，可以多次擦写， 方便编程调试。从功能和性价比来看，a t 8 9 s 5 2 单片机都是最合适的选择。 a t 8 9 s 5 2 具有以下标准功能：8 k 字节f l a s h ，2 5 6 字节r a m ，3 2 位i o 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个1 6 位定时器计数器，一个6 向 量2 级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，a t 8 9 s 5 2 可 降至0 h z 静态逻辑操作，支持2 种软件可选择节电模式。空闲模式下，c p u 停止工作，允许r a m 、定时器计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方 式下，r a m 内容被保存，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。 主要性能： 与m c s 5 1 单片机产品兼容 8 k 字节在系统可编程f l a s h 存储器 1 0 0 0 次擦写周期 全静态操作：0 i - i z 3 3 i - i z 三级加密程序存储器 3 2 个可编程i o 口线 三个1 6 位定时器计数器 六个中断源 全双工u a r t 串行通道 低功耗空闲和掉电模式 掉电后中断可唤醒 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 看门狗定时器 双数据指针 掉电标识符 图3 - 3a t 8 9 s 5 2 单片机引脚图 3 3 2a t 8 9 s 5 2 单片机外围电路 a t 8 9 s 5 2 单片机的最小系统的硬件电路，主要包括复位电路、晶振电路、 i s p 下载接口等几个部分。 ( 1 ) 复位电路的设计 复位是单片机的初始化操作，只要给r e s e t 引脚加上2 个机器周期以 上的高电平信号，就可使5 l 单片机复位。除了进入系统的正常初始化之外， 当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态，为摆脱死锁状态，也 需按复位键重新启动。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种。本 设计使用按钮复位，图3 - 4 即为复位电路图。 ( 2 ) 晶振电路 单片机的时钟信号通常用两种电路方式获得：内部振荡方式和外部振荡 方式。在引脚x t a l l 和x t a l 2 外接晶体振荡器( 简称晶振) 或陶瓷谐振器， 就构成了内部振荡方式。由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接 晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲，内部振荡方式的外部电 路如图3 - 5 ，本系统选c 1 和c 2 值为3 0 p f 。 o 1 2 3 4 5 6 7 兄 剐叫掣引”掣，一”一一n cj工。一j点7一日一引j丑jj 2 j m忙加即船舶一队从西心眩陀陀陀眩陀 o ，2 3 4 5 弓7 t 口，o 3 4 5 与7 2 j d卧刚刚刖门卧町刖盼阳”吩讹眦酬 m 一一雕 ml堇丽m门|曼， 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 p 3 4 仃o ) p 3 5 ( t d 百沏 x t a l 0 x 1 a l l r e s e t l 音 p 3 6 噬圣) p 3 7f r d ) 图3 - 4 复位电路原理图 图3 5 晶振电路 ( 3 ) 并口下载电路 具有在系统编程接口i s p 是a t 8 9 s 5 x 系列单片机的突出特点之一。 a t 8 9 s 5 2 单片机的p 1 5 、p 1 6 、p 1 7 口的第2 功能，分别对应i s p 编程接口 的m o s i 、m i s o 和s c k 。此外，i s p 编程还要用到单片机的复位端r s t 、电 源端v c c 和电源地g n d 。有了该接口，用户就可以通过一根下载电缆，用 p c 机直接对电路中的单片机进行编程，既不必将单片机芯片取下，也不需要 购买专用编程器。( i s p 在系统可编程的简称，是最先由l a t t i c e 公司提出 的一种技术，是通过同步串行方式实现对其可编程逻辑器件的重配置。i s p 与j t a g 的接口协议很相像，只是后者形成了标准。i s p 现在已经成为一种 概念，它的提出改变了传统硬件系统开发的流程，大大方便了开发者，加快 了开发速度。) 下载烧录程序选择的是比较成熟的广州双龙s l i s p 软件，只要将把h e x 格式程序通过下载数据线就可烧录在5 1 芯片中，相配套的并口下载数据线电 路如图3 6 。利用锁存芯片7 4 h c 3 7 3 控制输入，通过单片机的p 1 5 ，p 1 6 ， p 1 7 写入。 西南交通大学硕士研究生学位论文望11 亟 图3 6 下载数据线并口实物图 图3 - 7 下载数据线电路 3 4 障碍检测模块 移动机器人运行过程中，可能在运动路径上遇到移动或静止的障碍物。 此时如果机器人无法检测到该障碍物的存在并及时的调整行进路线，就很有 可能与之发生碰撞，进而造成机器人的损伤或被撞物的损坏。因此，移动机 器人必须配有能实时检测环境信息、以实现避障等任务的传感器。障碍检测 系统就像是移动机器人的眼睛，收集周围环境的某些信息。 在本设计中，障碍检测模块主要分为两个部分：第一是前端三路障碍检 测传感器；第二是机器人碰撞检测传感器。本系统中使用的障碍检测传感器 为上海泰武电器有限公司生产的e 3 f d s 3 0 c 4 型缦反射式红外光电传感器， 碰撞检测传感器是由微动开关阵列构成。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 3 4 1 红外光电传感器 红外反射式光电传感器特性与工作原理：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。因为光的反射