寻迹机器人设计

迹机器人设计摘要寻 迹 是 机 器 人 的 一 种 简 单 视 觉 ，在 机 器 人 的 运 动 中 起 着 非 常 重 要 的 作 用 ，为机 器 人 运 动 过 程 中 的 位 置 的 准 确 性 提 供 了 保 障 。为 了 机 器 人 能 在 任 意 区 域 内 沿 寻迹 线 行 走 ，自 动 绕 开 障 碍 ，能 停 在 指 定 地 点 。并 且 具 有 在 复 杂 环 境 下 ，对 象 识 别 ，自 主 推 理 ，路 径 规 划 及 控 制 功 能 。随 着 现 代 计 算 机 技 术 的 发 展 和 应 用 ，以 及 传 感器 技 术 的 发 展 ，移 动 机 器 人 的 研 究 又 出 现 新 的 高 潮 。由 于 机 器 人 在 很 多 方 面 的 准确 性 、可 靠 性 和 精 确 性 上 大 大 超 过 了 人 类 。机 器 人 技 术 己 经 在 很 多 领 域 里 得 到 了很好的发展，并取得了很好的效果。本 文 详 细 介 绍 了 寻 迹 机 器 人 的 设 计 。设 计 的 主 要 内 容 包 括 硬 件 部 分 设 计 和 软件 部 分 设 计 ，硬 件 部 分 包 括 一 些 零 件 的 计 算 和 选 择 。软 件 部 分 即 控 制 部 分 包 括 电动机的驱动模块。最 后 通 过 对 寻 迹 机 器 人 的 技 术 经 济 分 析 ，显 示 了 其 诸 多 优 势 如 利 用 柔 性 生 产系 统 可 以 降 低 生 产 成 本 提 高 生 产 效 率 并 能 改 善 人 的 劳 动 环 境 ，充 分 体 现 了 研 究 的意义。关键词：寻迹，机器人，红外传感器。I寻迹机器人设计AbstractTracing the robot is a simple vision, the movement in robots playing a veryimportant role for robot movement position in the process has provided a guarantee ofaccuracy. To robot can find any trace within the region along the line walking,automatic bypass obstacles can be parked in designated locations. And in a complexenvironment, object recognition, independent reasoning, path planning and controlfunctions. With the development of modern computer technology and applications,and the development of sensor technology, the mobile robot research and theemergence of new high tide. As in many aspects of robot accuracy, reliability andaccuracy of much more than human. Robot technology has been in many fields hasdeveloped steadily, and have achieved good results.This paper describes the tracing robot design. The main elements of the design,including hardware design and software design, hardware components, includingsome of calculation and choice. Part of that is part of the software, including controlof the motor drive module.Finally, the robot found traces of the techno-economic analysis shows that theuse of its many advantages such as flexible production system can reduce productioncosts and increase production efficiency to improve the working environment, fullyembodies the research significance.Keywords: tracing, robotics, infrared sensors,II寻迹机器人设计目 录第一章 前 言.11.1 选题背景及其研究意 义.11.2 国内外发展现状及其 发展趋势.21.3 整体设计思路.5第二章 寻 迹 机 器 人 总 体 设 计 .62.1 设计依据.62.2 详细设计.7第三章 机械部分设计.113.1 控制部分硬件设计.113.2 轨迹采样及逻辑控制部分硬件设计.133.3 电机驱动部分硬件设计.15第四章 控制部分设计.194.1电 动 机 驱 动 模 块 软 件 设 计 .194.2 电 机 pwm 驱 动 .22第五章电机测速及转速控制.275.1 转速测量.275.2 行走距离控制.285.3 电 机 pid 调 速 控 制 .28第六章 技术经济分析.306.1 前景分析.306.2 济效益分析.316.3 社会分析.31第七张 结论及展望.327.1 结论.327.2 展望.32参 考 文 献.33致 谢.35III寻迹机器人设计声 明.35IV寻迹机器人设计V寻迹机器人第 一 章 前 言1.1 选 题 背 景 及 其 研 究 意 义从机器人研究发展来看，机器人(Robot)这个词最早出现在 2O 世纪 20 年代美国 科 幻 小 说 家 阿 西 莫 夫 的 科 幻 小 说 中 ，1959 年 美 国 英 格 伯 格 和 德 沃 尔 制 造 出 世 界上第一台工业机器人 UNIMATE，使机器人从文学幻想变成了现实，机器人的历史才 由 此 开 始 。在 几 十 年 的 发 展 过 程 中 ，机 器 人 技 术 的 研 究 和 发 展 过 程 大 致 经 历 了3 个 阶 段 ：第 一 代 是 宗 教 再 现 机 器 人 ；第 二 代 是 有 感 觉 的 机 器 人 ；第 三 代 是 智 能型 机 器 人 。机 器 人 技 术 是 近 三 十 年 ，特 别 是 近 的 十 年 间 有 了 很 大 的 发 展 ，之 所 以得到快速的发展，是因为其有着广阔的应用前景，在诸如制造系统、服 务行业、国防及其它社会生活方面都有使用要求 1。现 在 对 于 机 器 人 的 研 究 已 成 为 热 门 话 题 。其 中 寻 迹 机 器 人 就 是 一 种 被 广 泛 研究 的 机 器 人 ，各 国 对 该 项 技 术 也 十 分 重 视 ，而 且 国 内 外 有 许 多 重 要 的 比 赛 ，对 这一 领 域 的 研 究 已 经 成 为 国 际 前 沿 研 究 热 点 之 一 ，并 显 示 出 强 大 的 生 命 力 和 广 阔 的应 用 前 景 ，是 机 器 人 应 用 发 展 最 快 的 领 域 之 一 ，如 今 在 机 器 人 研 发 领 域 ，寻 迹 机器人已成为衡量一个国家在机器人制造领域，技术水平高低的标准之一 2。之 所以 各 国 如 此 重 视 机 器 人 的 研 发 ，是 因 为 寻 迹 机 器 人 具 有 其 独 特 的 优 势 ，它 可 以 使操 作 人 员 远 离 危 险 的 现 场 。被 用 来 进 行 隧 道 的 掘 进 、军 事 探 测 、爆 炸 和 危 险 物 的排除，特别是放射性的危险环境中。随 着 现 代 计 算 机 技 术 的 发 展 和 应 用 ，以 及 传 感 器 技 术 的 发 展 ，移 动 机 器 人 的研 究 又 出 现 新 的 高 潮 。由 于 机 器 人 在 很 多 方 面 的 准 确 性 、可 靠 性 和 精 确 性 上 大 大超 过 了 人 类 。机 器 人 技 术 己 经 在 很 多 领 域 里 得 到 了 很 好 的 发 展 ，并 取 得 了 很 好 的效 果 。例 如 ：在 无 人 驾 驶 机 动 车 、无 人 工 厂 、仓 库 、服 务 机 器 人 等 领 域 智 能 巡 迹机 器 人 有 着 广 泛 的 应 用 前 景 。寻 迹 机 器 人 也 已 经 广 泛 进 入 了 人 们 的 生 活 领 域 ，为人 类 的 生 产 生 活 带 来 了 诸 多 方 便 ，并 且 大 大 提 高 了 工 作 效 率 。寻 迹 机 器 人 在 仓 储业 ，实 现 出 入 库 货 物 的 自 动 搬 运 ；在 制 造 业 ，它 们 生 产 线 中 大 显 身 手 ，高 效 、准确、灵活地完成物料的搬运任务 3。目前，世界的主要汽车厂，如通用、丰田、克莱斯勒、大众等汽车厂的制造和装配线上得到了普遍应用；在邮局、图书馆、港 口 码 头 和 机 场 ，物 品 的 运 送 存 在 着 作 业 量 变 化 大 ，动 态 性 强 ，作 业 流 程 经 常 调1寻迹机器人整 ，以 及 搬 运 作 业 过 程 单 一 等 特 点 ，寻 迹 机 器 人 的 并 行 作 业 、自 动 化 、智 能 化 和柔 性 化 的 特 性 能 够 很 好 的 满 足 上 式 场 合 的 搬 运 要 求 。在 烟 草 、医 药 、食 品 、化 工生 产 加 工 业 ，对 于 搬 运 作 业 有 清 洁 、安 全 、无 排 放 污 染 等 特 殊 要 求 ，它 们 也 能 很好 地 完 成 任 务 ；在 危 险 场 所 和 特 种 行 业 ，更 是 寻 迹 机 器 人 大 显 身 手 的 领 域 ，在 军事上，自动驾驶为基础集成其他探测和拆卸设备，可用于战场排雷和阵地侦察。在 核 电 站 和 利 用 核 辐 射 进 行 保 鲜 储 存 的 场 所 ，机 器 人 用 于 物 品 的 运 送 ，避 免 了 危险的辐射危害人 4。在 胶 卷 和 胶 片 仓 库 ，机 器 人 可 以 在 黑 暗 的 环 境 中 ，准 确 可 靠的 运 送 物 料 和 半 成 品 。我 国 在 水 下 机 器 人 开 发 研 究 方 面 已 达 到 国 际 先 进 水 平 ，无人无缆自主水下机器人的开发和应用都取得重要成果。综上诸多方面可见寻迹机器人的前景将是非常广阔的。1.2 国 内 外 发 展 现 状 及 其 发 展 趋 势1.2.1 国内外发展现状根 据 我 国 机 器 人 技 术 的 发 展 基 础 和 国 家 要 求 ，已 经 制 订 出 我 国 智 能 机 器 人 的发 展 战 略 ，即 围 绕 经 济 结 构 战 略 性 调 整 和 可 持 续 发 展 要 求 ，突 出 国 家 目 标 ，确 定特 种 机 器 人 、智 能 机 器 与 系 统 、先 进 制 造 工 艺 与 装 备 为 三 大 重 点 发 展 方 向 ；研 究与 开 发 先 进 制 造 自 动 化 理 论 、技 术 和 装 备 ，促 进 传 统 机 器 的 智 能 化 与 制 造 装 备 自动 化 ，提 高 我 国 机 器 人 技 术 与 自 动 化 装 备 的 总 体 水 平 ，力 争 主 要 技 术 跟 上 世 界 先进 水 平 ，缩 小 差 距 ；部 分 具 有 相 对 优 势 的 技 术 达 到 国 际 先 进 水 平 ；局 部 重 要 技 术实 现 跨 越 式 发 展 。基 于 上 述 发 展 战 略 ，提 出 了 发 展 高 级 机 器 人 的 指 导 方 针 ，包 括以 信 息 化 带 动 工 业 化 和 以 高 新 技 术 改 造 传 统 产 业 ，占 领 具 有 战 略 性 、前 沿 性 、前瞻 性 的 高 技 术 制 高 点 ，缩 小 主 导 产 业 中 制 造 技 术 与 国 外 的 差 距 ，以 创 新 为 基 础 实现 突 破 与 跨 越 式 发 展 ，建 立 创 新 体 系 ，有 利 于 可 持 续 发 展 等 。在 国 家 高 技 术 研 究发 展 计 划 、国 家 自 然 科 学 基 金 研 究 计 划 和 国 家 攻 关 计 划 的 支 持 下 ，我 国 的 智 能 机器人研究开发开始进入一个新的时期 5。近 年 来 ，国 内 的 很 多 企 业 己 经 意 识 到 物 流 自 动 化 及 即 时 化 生 产 组 织 管 理 的 重要 性 ，纷 纷 酝 酿 建 立 自 动 化 物 流 系 统 。无 线 导 引 式 机 器 人 作 为 柔 性 运 输 的 理 想 工具 和 无 人 化 生 产 的 典 型 代 表 ，愈 来 愈 受 到 重 视 和 推 广 应 用 ，研 究 不 断 深 入 ，领 域不断扩展 6。对 寻 迹 机 器 人 的 研 究 有 很 多 方 面 ，其 中 导 向 与 定 位 技 术 的 研 究 越 来2寻迹机器人越受到重视。海尔集团于 2000 年投产运行的开发区立体仓库中，9 台寻迹机器人组成了一 个 柔 性 的 库 内 自 动 搬 运 系 统 ，成 功 地 完 成 了 每 天 的 出 入 库 货 物 和 零 部 件 的 搬 运任务。中国在 1990 年于上海邮政枢纽开始使用寻迹机器人，完成邮品的搬运工作 。许 多 卷 烟 企 业 ，如 青 岛 颐 中 集 团 、玉 溪 红 塔 集 团 、红 河 卷 烟 厂 、淮 阴 卷 烟 厂 ，应用激光引导式机器人完成托盘货物的搬运工作 7。寻 迹 机 器 人 在 我 国 的 研 究 及 应 用 起 步 较 晚 。20 世 纪 70 年 代 后 期 ，国 内 寻 迹机 器 人 的 雏 形 诞 生 了 ，北 京 起 重 运 输 机 械 研 究 所 研 制 了 三 轮 式 AGV自 动 导 航 小车(Automarted Guided Vehicles)是 指 装 有 自 动 导 引 装 置 ，能 够 沿 规 定 的 路 径 行 驶 ，在 车 体 上 还 具 有 编 程 和 停 车 选 择 装 置 、安 全 保 护 装 置 以 及 各 种 物 料 移 载 功 能 的 搬运车辆 。80 年代后期，北京机械工业自动化研究所为二汽研制了应用在立体化仓 库 中 的 AGV，沈 阳 自 动 化 研 究 所 为 金 杯 汽 车 公 司 研 制 了 汽 车 发 动 机 装 配 用 的AGV。90 年 代 ，清 华 大 学 国 家 CIMS 工 程 中 心 将 从 国 外 引 进 的 寻 迹 机 器 人 （AGV）成 功 地 应 用 于 CIMS 的 实 验 研 究 ;清 华 大 学 计 算 机 技 术 应 用 系 研 制 了 用 于 邮 政 中心的 AGV;昆明船舶 设备研究所研制了激光导向式寻迹机器人（AGV）以及吉林工业大学智能车辆课题组为汽车装配线研制了视觉导向寻迹机器人（A GV）等 。寻 迹 机 器 人 的 显 著 特 点 是 无 人 驾 驶 ，其 上 装 备 有 自 动 导 向 系 统 ，可 以 保 障 系 统 在不 需 要 人 工 引 航 的 情 况 下 就 能 够 沿 预 定 的 路 线 自 动 行 驶 ，将 货 物 或 物 料 自 动 从 起始点运送到目的地 8。世 界 各 国 ，特 别 是 西 方 发 达 国 家 都 争 先 将 最 新 的 高 技 术 用 于 寻 迹 机 器 人 的 研究 和 发 展 ，并 先 后 在 医 学 界 、科 学 技 术 界 、工 业 界 制 定 了 各 种 研 究 计 划 ，许 多 产品已经走向市场、走向生产应用 9。中 国 市 场 潜 在 巨 大 的 商 机 并 且 前 景 广 阔 ，国外 具 有 高 新 技 术 寻 迹 机 器 人 正 以 十 分 昂 贵 的 价 格 进 入 并 冲 击 国 内 市 场 ，严 重 影 响和 抑 制 了 我 国 自 己 高 技 术 寻 迹 机 器 人 工 业 的 发 展 。我 国 政 府 也 非 常 重 视 寻 迹 机 器人 技 术 的 研 究 和 发 展 ，并 在 国 家 自 然 科 学 基 金 、863 等 研 究 项 目 中 予 以 重 点 支 持 ，目 前 ，已 取 得 了 一 定 的 成 果 ，但 是 与 国 外 先 进 机 器 人 设 备 、技 术 相 比 ，还 存 在 较大的差距 10。因 此 ，开 展 基 于 机 器 人 技 术 的 寻 迹 机 器 人 及 其 相 关 技 术 研 究 具 有 重大的理论意义和显著的社会及经济效益。1.2.2寻 迹 机 器 人 发 展 趋 势3寻迹机器人首 先 ，导 航 技 术 是 移 动 机 器 人 的 一 项 核 心 技 术 之 一 。它 是 指 移 动 机 器 人 通 过传感器感知环境信息和自身状态，实现在有障碍的环境中面向目标的自主运动。目前，移动机器人主要的导航方式包括：磁导航， 惯性导航， GPS导航，环境地图 模 型 匹 配 导 航 ，路 标 导 航 ，视 觉 导 航 ，味 道 导 航 ，声 音 导 航 ，神 经 网 络 导 航 等 。上 述 导 航 技 术 各 有 利 弊 。随 着 科 学 技 术 的 不 断 发 展 ，导 航 技 术 也 将 随 之 提 高 ，从而 在 抗 干 扰 能 力 ，时 间 分 辨 率 方 面 得 到 增 强 ，实 用 性 ，实 时 性 ，可 变 性 ，可 维 护性 等 性 能 得 到 提 高 。导 航 技 术 的 提 高 才 能 使 寻 迹 机 器 人 变 得 更 加 灵 敏 ，可 靠 ，从而更好的为人类服务。其 次 是 路 径 规 划 技 术 ，路 径 规 划 是 按 照 某 一 性 能 指 标 搜 索 一 条 从 起 点 到 目 标点 的 最 优 或 次 最 优 的 无 碰 路 径 。机 器 人 路 径 规 划 的 研 究 始 于 70 年 代 ，目 前 国 内 外对 这 一 问 题 的 研 究 仍 然 十 分 活 跃 。根 据 环 境 信 息 掌 握 程 度 ，路 径 规 划 可 分 为 ：环境 信 息 完 全 已 知 的 全 局 路 径 规 划 ；环 境 信 息 不 完 全 或 未 知 的 基 于 传 感 器 的 局 部 路径规划。近年来人们研究的热点是环境信息不完全或未知的局部路径规划技术。全 局 路 径 规 划 常 用 方 法 有 ：可 视 图 法 ，栅 格 法 ，自 由 空 间 法 等 。可 视 图 法 适 用 于多 边 形 障 碍 物 ，对 于 圆 形 障 碍 物 该 法 失 效 。栅 格 大 小 的 选 择 直 接 影 响 着 控 制 算 法的 性 能 ，栅 格 选 得 大 ，抗 干 扰 能 力 强 ，环 境 信 息 存 储 量 小 ，搜 索 速 度 快 ，但 分 辨率 低 ，在 密 集 障 碍 物 环 境 中 发 现 路 径 能 力 减 弱 。反 之 ，栅 格 选 得 小 ，抗 干 扰 能 力减 弱 ，环 境 信 息 存 储 量 大 ，搜 索 速 度 慢 ，但 分 辨 率 高 。自 由 空 间 法 的 优 点 是 灵 活 ，起 始 点 和 目 标 点 的 改 变 不 会 造 成 连 通 图 重 构 ，但 算 法 的 复 杂 度 与 障 碍 物 的 多 少 成正 比 ，且 不 是 任 何 情 况 下 都 能 获 得 最 优 路 径 。一 种 可 靠 准 确 而 又 简 便 的 路 径 算 法也成了寻迹机器人发展的瓶颈 11。第 三 ，它 的 研 究 始 于 20 世 纪 80 年 代 ，多 传 感 器 信 息 融 合 技 术 是 移 动 机 器 人 的关 键 技 术 之 一 ，信 息 融 合 是 指 将 多 个 传 感 器 所 提 供 的 环 境 信 息 进 行 集 成 处 理 ，形成对外部环境的统一表示 12。它 融 合 了 信 息 的 互 补 性 ，信 息 的 冗 余 性 ，信 息 的 实时 性 和 信 息 的 低 成 本 性 。因 而 能 比 较 完 整 地 ，精 确 地 反 映 环 境 特 征 ，从 而 做 出 正确 的 判 断 和 决 策 ，保 证 了 机 器 人 系 统 快 速 性 ，准 确 性 和 稳 定 性 。如 何 在 实 际 应 用中 应 根 据 实 际 情 况 选 择 合 适 的 融 合 方 法 ，从 而 体 现 多 传 感 器 信 息 融 合 方 法 的 优 越性。这是多感应器信息融合技术需要攻克的难点。在 未 来 ，导 航 技 术 ，路 径 规 划 技 术 ，多 感 应 器 信 息 融 合 技 术 三 个 核 心 技 术 的4寻迹机器人提高，甚至核心技术的变革决定了寻迹机器人的未来发展趋势。1.3 整 体 设 计 思 路首 先 ，对 系 统 进 行 整 体 认 识 ，通 过 实 验 ，对 该 机 器 人 的 运 动 过 程 有 一 个 初 步的了解，从而加深对各个元件功能的认识。然后，对各个元件进行测绘，理解它 们的功能。并 对 每个部件进行设计和选型设计。其次，对控制部分硬件部分进行设计。包括硬件 选择， 电路图的绘制等。最后，对机器人的软件部分进行设计。包括控制程序的编写等等。以上是本次设计的一个大致思路，具体细节将在后续章节中依次介绍。5寻迹机器人第 二 章 寻 迹 机 器 人 总 体 设 计2.1设 计 依 据车体尺寸必须在 10*10cm 范围内。而且对车的运动灵活性要求较高，基本不 能 考 虑 模 型 汽 车 的 转 向 机 制 ，所 以 将 利 用 模 型 底 盘 改 制 的 可 能 排 除 了 ，必 须 使用两轮转向机制的结构。底 盘 设 计 ：为 了 便 于 制 作 ，日 后 在 上 面 安 装 其 它 东 西 方 便 ，同 时 具 有 一 定 的重量，使小车运行稳定，所以采用 10mm 厚的聚氯乙烯板材制作，此材料便宜，加 工 特 性 好 ，可 以 直 接 打 孔 攻 丝 ，不 像 有 机 玻 璃 那 样 易 碎 ，只 是 美 观 差 一 些 。外形设计成圆型，主要是为了不至于频繁的互相卡死。电 机 ：电 机 的 选 择 是 最 困 难 的 ，既 要 便 宜 ，又 要 容 易 使 用 ，还 要 有 改 进 提 高的 可 能 。四 驱 车 的 130电 机 应 当 是 最 好 的 选 择 ，此 种 电 机 有 便 宜 到 几 块 钱 的 ，也可 以 花 费 上 百 元 改 制 ，使 之 性 能 大 大 提 高 。如 果 选 择 带 减 速 机 构 的 电 机 ，驱 动 方式 是 很 方 便 ，直 接 将 轮 子 固 定 在 齿 轮 箱 的 输 出 轴 上 即 可 ，但 不 足 是 ：其 一 是 价 格高 ，通 常 一 只 在 30 元 以 上 。其 二 是 改 变 电 机 性 能 比 较 困 难 。所 以 还 是 选 择 了 130电机。驱 动 方 式 ：因 为 选 择 了 130电 机 ，驱 动 方 式 就 相 对 麻 烦 。开 始 受 到 纽 扣 电 池小 车 的 启 发 ，才 决 定 采 用 130电 机 的 ，因 为 他 那 种 摩 擦 传 动 方 式 比 较 容 易 实 现 。后 初 步 尝 试 了 一 下 ，效 果 不 好 ，主 要 是 压 紧 了 之 后 ，电 机 轴 与 轴 套 间 的 摩 擦 损 耗太 大 ，压 松 了 打 滑 。后 改 用 皮 带 传 动 才 得 以 实 现 。之 所 以 没 有 选 择 齿 轮 传 动 ，主要 是 因 为 没 有 选 到 合 适 的 齿 轮 ，而 且 觉 得 难 以 得 到 不 同 规 格 的 齿 轮 ，想 改 变 传 动比 就 很 困 难 。用 皮 带 传 动 只 需 改 变 传 动 轮 的 大 小 即 可 得 到 所 需 的 传 动 比 ，而 传 动轮制作比齿轮方便许多。为 了 简 单 且 不 受 制 约 ，轮 子 自 制 ，轮 胎 用 O 型密封圈，轮毂和皮带传动轮合 并 ，采 用 尼 龙 棒 车 制 。传 动 皮 带 也 是 用 O 型密封圈。这种方式可以按照自己的 需 求 随 意 改 变 轮 子 的 大 小 和 宽 窄 ，比 较 灵 活 。O 型 密 封 圈 规 格 较 多 ，取 材 方 便 ，价格也便宜，通常在一元以下一只。6寻迹机器人车 体 采 用 了 两 轮 驱 动 方 式 后 ，另 外 一 个 支 撑 点 就 成 了 问 题 ，多 数 万 向 轮 对 于这个 10cm 的 小 车 来 说 太 大 了 。我 为 此 设 计 了 一 个 使 用 10mm 钢珠的球形支点，在摩擦小的时候是滑动，摩擦大时滚动，性能基本能满足要求，且价格很便宜，总共不到 2 元 钱。2.2 详 细 设 计车 体 中 底 盘 、轮 毂 、小 传 动 皮 带 轮 （安 装 在 电 机 轴 上 的 ）、球 形 支 撑 座 采 用自制方式，详见所附设计图纸。固定电机采用最常见的固定管线夹，规格 20mm 的，大部分五金电器店均有。目前设计的传动比为 8 ：1，轮胎选用内径 30mm、粗 5mm 的 O 型密封圈。传动皮带选用内径 35mm、粗 1.8mm 的 O 型密封圈。为 了 轮 子 转 动 灵 活 ，中 心 嵌 入 了 一 个 内 径 3mm、外 径 10mm、厚 度 4mm 的滚珠轴承，轮子安装结构见附图。之所以将车轮设计为直径约 40mm，是 为了底盘下有一定的高度，便于安装光电头，用于检测轨迹以及以后的检测是否到边。其它就是一些螺丝、螺母、垫圈等通用件了。这 样 的 小 车 底 盘 虽 说 不 十 分 完 善 ，但 是 相 对 来 说 基 本 满 足 了 多 数 要 求 ，且 在上 面 比 较 容 易 构 建 自 己 的 结 构 ，目 前 底 盘 上 所 设 计 的 四 个 M3 的螺丝孔就是为了安装 25mm 的垫柱，构成 2 层平面，以安装控制部分。 还可以升到 3 层，安装自 己 需 要 的 东 西 。关 键 是 取 材 容 易 ，便 于 自 制 ，价 格 不 高 ，除 去 几 个 自 制 件 和 电机，其它的东西购买不超过 15 元。以 下 是 我 在 验 证 设 计 可 行 性 过 程 中 制 作 的 原 型 及 一 些 选 用 的 标 准 件 ，供 参 考 。2.21 小车车体原型：寻迹机器人整体图建模1 在参考面上，画草图2 主要用拉伸，倒角，切削等命令建立模型3 装配完成。7寻迹机器人图 1 底座图 2 固定管线夹图 3 控制器固定盒图 4 整体装配图图 5 130电机2.2.2 装配说明把 130电 机 装 配 入 ，线 圈 固 定 夹 内 ，电 机 和 轮 用 皮 带 连 接 ，将 控 制器放入控制器固定盒，固定在寻迹机器人底座。第 三 章 控 制 部 分 硬 件 设 计 概 述 及 电 机 驱 动 部 分 设 计3.1 控 制 部 分 硬 件 设 计3.1.1 整 体 构 思因 为 这 个 项 目 的 主 要 目 的 是 通 过 实 施 学 习 单 片 机 的 使 用 ，并 且 主 要 是 自 用 而非 有 针 对 的 参 加 某 项 比 赛 ，所 以 最 好 所 制 作 的 硬 件 电 路 能 够 为 进 一 步 学 习 提 供 帮助，或者可以作为自己其它项目的实施基础。为此，我将系统框架设计为：其中电机驱动、逻辑控制部分均为独立的单片机系统，这样设计主要出于： 单 片 机 已 十 分 便 宜 ，可 以 像 普 通 IC 那样使用；8寻迹机器人 电 机 驱 动 逻 辑 比 较 简 单 ，但 是 实 时 性 要 求 较 高 ，所 以 独 立 出 来 ，编 程 较 为容易； 电 机 驱 动 部 分 通 常 会 有 较 大 的 干 扰 ，尤 其 是 驱 动 普 通 的 直 流 有 刷 电 机 ，电刷 的 火 花 干 扰 很 强 ，单 独 使 用 简 单 、但 抗 干 扰 能 力 强 的 单 片 机 可 使 系 统 更加可靠； 对 于 走 轨 迹 项 目 而 言 逻 辑 部 分 并 不 十 分 复 杂 ，完 全 可 以 将 电 机 控 制 部 分 融入其中，但是这样系统就不容易修改为其它用途， 编程难度也增加了； 采用独立的逻辑控制模块便于学习者随时根据学习需要替换为所要学习的单片机，目前我所采用的可能是 51 系列的，而日后如需要，可以随时替换为 ARM 或 其 它 我 所 关 注 的 型 号 ，这 些 新 的 单 片 机 通 常 都 有 成 品 模 块出售，具有完善的数字、模拟以及通讯接口，这样设计 就十分容易接入，达到学习、评估的目的。3.1.2 单 片 机 的 选 型 依 据因 为 项 目 的 目 标 是 学 习 单 片 机 的 应 用 ，所 以 我 还 是 选 用 了 51 系列的单片机，因为 51 的架构十分典型，便于初学者理解，同时其公共 资源是最多的。选择用于学习的单片机我认为主要考虑以下方面： 价格便宜； 开发手段便宜； 自 己 动 手 焊 接 相 对 容 易 （最 好 不 选 用 BGA 封 装 的 ，或 是 脚 距 小 于 0.5mm的）基于上述考虑，我选择了宏晶科技的 STC12C5410AD 单片机，价格仅 10元左右。它可以使用简单的串口编程（ISP ），不需要专门的编程设备，自制一个串口适配器最多 10 元，如果选用现成的 U SB 转 串口产品，也只要 40-50 元（注意：不是每种 USB 转串口 产品都可用）。下 载软件厂家免费提供，开发成本很低。封装有 SMD 及 DIP 模式， SMD 也是 1.27mm 脚距的，很好焊接。很多人排斥 51 系列的原因是认为 51 资源较少，也比较慢，这实际上是最早的 8051 给人留下的印象，也是多数教材中所描述的，而实际上 51 架构已发生 了 很 大 变 化 ，其 资 源 已 十 分 丰 富 ，速 度 也 有 很 大 提 高 ，以 此 款 STC12C5410AD9寻迹机器人来 说 ，其 资 源 为 ：10K FlashROM ，512 字节 RAM， 8 路 10 位 AD，4 个 PCA（可实现 PWM 、脉 冲 捕 捉 等 定 时 功 能 ），速 度 也 十 分 快 ；详 情 可 上 该 公 司 的 网站上查询。其它还有许多 51 架构的单片机具有优异的特性和特点，如： TI 的 MSC 系列具有一个 24 位 AD ，十分适合做高精度的仪器； SiliconLAB 公司的 51F 系列单片机速度极快、功耗低、体 积小、 资源丰富，有各种不同的规格，最快的达 100MPS ，引脚 还可编程确定功能； ST 公司的 uPSD3xxx 系 列 ，有 较 大 的 内 存 ，可 以 内 置 汉 字 库 ，还 集 成 了片内 PLD； Chipcon 公司（现归属 TI）的 CC2430 芯 片 将 ZigBee 无线通讯协议和51 核集成，可构成 ZigBee 无线节点； Nodic 公 司 的 nRF24E1 芯片将 2.4GHz 的无线收发模块与 51 核集成，可方便的实现短距离无线通讯。还有很多类似的产品，此处就不一一例举。主要是想说明， 51 架构还是有其优势的，否则不会有如此多的公司基于 51 架构开发出这么多产品。至于可靠性、性价比等指标在学习时可忽略，但 设计产品时才需要考虑这些因素。从另一个角度来说，由于目前编程通常使用 C 语言，所以对单片机的依附已 不 十 分 紧 密 ，只 是 在 设 计 硬 件 线 路 及 程 序 中 对 硬 件 初 始 化 时 要 涉 及 器 件 ，而 程序的逻辑部分几乎与硬件无关，所以选择什么单片机学习没有什么绝对的好与坏，关键看自己可利用的资源。3.2 轨 迹 采 样 及 逻 辑 控 制 部 分 硬 件 设 计轨 迹 采 样 部 分 没 有 考 虑 采 用 独 立 方 式 ，主 要 是 因 为 控 制 过 程 中 需 要 一 些 过 渡信息，以便于编程者实现自己独特的控制逻辑。由 于 寻 迹 小 车 逻 辑 不 太 复 杂 ，所 以 逻 辑 控 制 仍 使 用 STC12C410AD 单片机。实际上电机控制部分目前并未用到 AD 功能，主要是 为了和逻辑控制部分统一，便 于 采 购 ，所 以 均 选 用 了 带 AD 的 芯 片 （对 应 有 不 带 AD 的 ，价 格 只 便 宜 1 元 ）。同时，为了逻辑控制部分可以单独工作，比如作 为 R CX 的输入扩展器，实现类似我以前发表过的“LEGO 用轨迹传感器” 的功能，所以在设计上做了考虑。10寻迹机器人由 于 采 样 部 分 和 逻 辑 控 制 部 分 合 并 后 ，无 法 排 入 一 块 可 以 放 在 前 述 小 机 壳 中的 P CB，所以也采用的双板结构， 这样又多出一部分空间，就增加了一个小电流的驱动电路，以便可以实现一个简易的小车。3.2.1 详 细 硬 件 设 计STC12C54xxAD 系列单片机有 8 路 10 位 A D 转换器，虽说采用的是扫描方式逐个完成，但其一个通道的 A/D 转换时间在 22.1184MHz 主频下只需约10us，加上通道 间的切换时间 ，4 个通道采样时间不到 60us，所以可以满足 4通 道 轨 迹 采 样 的 要 求 。由 于 P1.0、P1.1 有可能要作 为 ISP 编 程 的 控 制 引 脚 ，所以用 P1.4 P1.7 四个通道作为轨迹采样通道。MCU 资源分配汇总：I/O 口：P1.0 P1.1 ISP 控制口 , 兼作通用模拟输入口；P1.2 P1.3 通用模 拟输入口；P1.4 P1.7 4 路光 电采样信号输入；P2.0 P2.3 马达 1 的 4 个驱动，使用 PCA2 控制;P2.4 P2.7 马达 2 的 4 个驱动，使用 PCA3 控制;P3.0 P3.1 TXD、RXD 端，作为 ISP 使用，兼作为通用的串口；P3.2 P3.3 通用的开关量 输入口，P3.4 工作指示灯P3.5 用 PWM 输出模拟信号给 RCX；P3.7 控制光电采样器的背景采样，4 路共用！内部资源：T0 系统时基T1 串口波特率PCA0 生成背景采样 控制，编程时看是用时基程序控制，还是 PWM 硬件控制。PCA1 D/A 输出给 RCXPCA2 马达 1 的 PWM 控制11寻迹机器人PCA3 马达 2 的 PWM 控制INT0、INT1 保留给开关量输入。采 样 电 路 中 第 一 级 作 为 电 压 跟 随 器 ，提 高 输 入 阻 抗 ，减 少 后 级 电 路 对 光 电 管的影响，同时增加驱动能力，保证在 T x1 截止、T x2 导通状态下，能可靠的对Cx1 充 电，实现对背景光强度的记忆。第 二 级 是 一 个 减 法 器 ，同 时 兼 作 放 大 。采 样 时 ，Tx1 导 通 ，点 亮 LED，Tx2截 止 ，第 二 级 的 输 入 实 际 上 为 此 时 的 光 电 信 号 减 去 刚 才 电 容 上 记 忆 的 信 号 ，达 到了去除背景光的目的。PCA1 设 计 为 DA 输出用的 PWM，以提供 R CX 输入所需的模拟信号，由于单片机采用的是 3.3 V 电 源 ，输 出 使 用 LMV358 做 了 电 平 转 换 ，同 时 使 用 一 个全桥电路实现与 R CX 的“ 无极性” 连接。为了降低二极管带来的电压损失，使用了 4 个肖特基二极管，其正向压降约为 0.15V，而普通整流管约为 0.6V。电源采用 NCP1402 开 关 型 升 压 芯 片 ，所 需 器 件 较 少 ，电 路 简 单 ，输 出 电 流约 200 mA（详查 NCP1402 手册）。电机驱动部分使用的是长电的 SS8050 和 SS8550 作为功率驱动，标称最大电流 1.5A。 为 了 便 于 使 用 不 同 的 电 压 驱 动 电 机 ，电 路 上 将 电 机 驱 动 电 压 分 开 ，其中的电阻值需要根据所使用的电压确定。由于空间有限，没有设计短路防护，在编程时要十分注意。而且只设计了 H 桥下臂的两个二极管，作为 PWM 调功必 须 的 续 流 通 路 ，省 去 了 上 臂 的 保 护 二 极 管 ，所 以 在 软 件 编 写 时 须 注 意 ，尽 量 避免同时切断所有桥臂，导致电机线圈产生高压， 击穿三极管。发 光 二 极 管 的 设 置 主 要 是 为 了 便 于 监 测 程 序 的 运 行 状 态 ，可 以 根 据 需 要 改 变LED 闪烁的方式，达到调试或状态检测的目的。电路设计上为了便于作为其他用途，P CB 上留出了可以扩充的 I /O 口，包括： 4 路可作为模拟输入的 I/O 口，接内部 A/D 转换 器； 2 路数字 I/O，接内部外部中断，可灵活作为各种用途的监测； TXD、RXD 串口，既作为编程的接口，也可在执行用户程序时作为通用的数据接口； 提供了 3.3V 和 5V 两种电源，便于扩充需要。12寻迹机器人为了增加灵活性、减小 P CB，仍然采用软线引出，使用空中对接插头连接（插头资料见之二的附件），这样可以方便的按照自己的需要接出所需的信号，而不会受制于直接设计在 P CB 上的插座的约束。从 P CB 的设计 上可以看出，如果需要更复 杂可靠的轨迹采样，可以再接一块 采 样 板 ，使 用 保 留 的 4 路 A/D 通 道 ，实 现 8 个轨 迹采样或者其他特殊的需求。3.3 电 机 驱 动 部 分 硬 件 设 计因 为 考 虑 到 做 好 后 的 驱 动 电 路 最 好 可 用 于 其 它 场 合 ，所 以 硬 件 设 计 上 预 留 了许多功能。3.3.1 需求 可驱动一个直流电机，驱动电压范围 5 12 V，