走迷宫机器人设计

毕业设计（论文）报告纸共 32 页 第 1 页装订线走迷宫机器人设计摘 要走迷宫机器人主要是基于自动导引小车（AGVauto-guided vehicle）的原理，实现小车识别路线，判断并自动规避障碍，选择正确的行进路线。导引方式采用与地面颜色有较大差别的导引线，使用反射式光电传感器感知导引线，障碍判断采用机械式传感器。驱动电机采用直流电机，电机控制方式为单向 PWM 开环控制。控制核心采用单片机，控制系统与电路用光耦完全隔离以避免干扰。控制上采用分时复用技术，仅用一块单片机就实现了信号采集，路线判断，电机控制。该技术可以应用于无人工厂，仓库，服务机器人等领域关键词：单向式 寻迹 直道区 弯道区AbstractMazes robot is mainly based on autopilot car (AGV - guided vehicle) auto - the principle, route, and car recognition obstacle, automatic avoid choosing the correct route. Guided by the way with the color of the guide line have bigger difference, the use of reflecting photoelectric sensors guide line, obstacle by mechanical sensor judgment. Motor adopts dc motors, electrical control mode for one-way PWM control. The core MCU control circuit, control system and ran to avoid disturbance decoupling completely isolated. Based on control points, use only multiplexing technique can achieve a microcontroller, signal acquisition, motor control. This technology can be applied in unmanned factory, warehouse, service robot, etcKeywords: one-way type curve tracing. Straight area毕业设计（论文）报告纸共 32 页 第 2 页装订线目录第一章 概述3第二章 小车的设计方案确定62.1 设计要求62.2 设计说明623 方案确定6第三章 小车的结构设计73.1 小车的结构73.2 小车运行的速度控制73.3 小车行程运行方向控制93.4 各段控制算毕业设计（论文）报告纸共 32 页 第 3 页装订线法10第四章 小车的系统设计154.1 系统设计154.2 小车功能控制的实现154.4 电机驱动电路184.5 编程设计20结论21致谢参考文献附录毕业设计（论文）报告纸共 32 页 第 4 页装订线第一章 概述美国是机器人的诞生地，早在 1962 年就研制出世界上第一台工业机器人，比起号称“机器人王国”的日本起步至少要早五六年。经过 30 多年的发展，美国现已成为世界上的机器人强国之一，基础雄厚，技术先进。综观它的发展史，道路是曲折的，不平坦的。由于美国政府从 60 年代到 70 年代中的十几年期间，并没有把工业机器人列入重点发展项目，只是在几所大学和少数公司开展了一些研究工作。对于企业来说，在只看到眼前利益，政府又无财政支持的情况下，宁愿错过良机，固守在使用刚性自动化装置上，也不愿冒着风险，去应用或制造机器人。加上，当时美国失业率高达 6.65%，政府担心发展机器人会造成更多人失业，因此不予投资，也不组织研制机器人，这不能不说是美国政府的战略决策错误。70 年代后期，美国政府和企业界虽有所重视，但在技术路线上仍把重点放在研究机器人软件及军事、宇宙、海洋、核工程等特殊领域的高级机器人的开发上，致使日本的工业机器人后来居上，并在工业生产的应用上及机器人制造业上很快超过了美国，产品在国际市场上形成了较强的竞争力。进入 80 年代之后，美国才感到形势紧迫，政府和企业界才对机器人真正重视起来，政策上也有所体现，一方面鼓励工业界发展和应用机器人，另一方面制订计划、提高投资，增加机器人的研究经费，把机器人看成美国再次工业化的特征，使美国的机器人迅速发展。80 年代中后期，随着各大厂家应用机器人的技术日臻成熟，第一代机器人的技术性能越来越满足不了实际需要，美国开始生产带有视觉、力觉的第二代机器人，并很快占领了美国 60%的机器人市场。尽管美国在机器人发展史上走过一条重视理论研究，忽视应用开发研究的曲折道路，但是美国的机器人技术在国际上仍一直处于领先地位。其技术全面、先进，适应性也很强。具体表现在：(1)性能可靠，功能全面，精确度高；(2)机器人语言研究发展较快，语言类型多、应用广，水平高居世界之首；(3)智能技术发展快，其视觉、触觉等人工智能技术已在航天、汽车工业中广泛应用；(4)高智能、高难度的军用机器人、太空机器人等发展迅速，主要用于扫雷、布雷、侦察、站岗及太空探测方面。早在 1966 年，美国 Unimation 公司的尤尼曼特机器人和 AMF 公司的沃莎特兰机器人就已经率先进入英国市场。1967 年英国的两家大机械公司还特地为美国这两家机器人公司在英国推销机器人。接着，英国 Hall Automation 公司研制出自己的机器人 RAMP。70 年代初期，由于英国政府科学研究委员会颁布了否定人工智能和机器人的 Lighthall 报告，对工业机器人实行了限制发展的严厉措施，因而机器人工业一蹶不振，在西欧差不多居于末位。毕业设计（论文）报告纸共 32 页 第 5 页装订线但是，国际上机器人蓬勃发展的形势很快使英政府意识到：机器人技术的落后，导致其商品在国际市场上的竞争力大为下降。于是，从 70 年代末开始，英国政府转而采取支持态度，推行并实施了一系列支持机器人发展的政策和措施，如广泛宣传使用机器人的重要性、在财政上给购买机器人企业以补贴、积极促进机器人研究单位与企业联合等，使英国机器人开始了在生产领域广泛应用及大力研制的兴盛时期。法国不仅在机器人拥有量上居于世界前列，而且在机器人应用水平和应用范围上处于世界先进水平。这主要归功于法国政府一开始就比较重视机器人技术，特别是把重点放在开展机器人的应用研究上。法国机器人的发展比较顺利，主要原因是通过政府大力支持的研究计划，建立起一个完整的科学技术体系。即由政府组织一些机器人基础技术方面的研究项目，而由工业界支持开展应用和开发方面的工作，两者相辅相成，使机器人在法国企业界很快发展和普及.德国工业机器人的总数占世界第三位，仅次于日本和美国。这里所说的德国，主要指的是原联邦德国。它比英国和瑞典引进机器人大约晚了五六年。其所以如此，是因为德国的机器人工业一起步，就遇到了国内经济不景气。但是德国的社会环境却是有利于机器人工业发展的。因为战争，导致劳动力短缺，以及国民技术水平高，都是实现使用机器人的有利条件。到了 70年代中后期，政府采用行政手段为机器人的推广开辟道路；在“改善劳动条件计划”中规定，对于一些有危险、有毒、有害的工作岗位，必须以机器人来代替普通人的劳动。这个计划为机器人的应用开拓了广泛的市场，并推动了工业机器人技术的发展。日尔曼民族是一个重实际的民族，他们始终坚持技术应用和社会需求相结合的原则。除了像大多数国家一样，将机器人主要应用在汽车工业之外，突出的一点是德国在纺织工业中用现代化生产技术改造原有企业，报废了旧机器，购买了现代化自动设备、电子计算机和机器人，使纺织工业成本下降、质量提高，产品的花色品种更加适销对路。到 1984 年终于使这一被喻为“快完蛋的行业”重新振兴起来。与此同时，德国看到了机器人等先进自动化技术对工业生产的作用，提出了 1985 年以后要向高级的、带感觉的智能型机器人转移的目标。经过近十年的努力，其智能机器人的研究和应用方面在世界上处于公认的领先地位。有人认为，应用机器人只是为了节省劳动力，而我国劳动力资源丰富，发展机器人不一定符合我国国情。这是一种误解。在我国，社会主义制度的优越性决定了机器人能够充分发挥其长处。它不仅能为我国的经济建设带来高度的生产力和巨大的经济效益，而且将为我国的宇宙开发、海洋开发、核能利用等新兴领域的发展做出卓越的贡献。我国已在“七五”计划中把机器人列人国家重点科研规划内容，拨巨款在沈阳建立了全国第一个机器人研究示范工程，全面展开了机器人基础理论与基础元器件研究。十几年来，相继研制出示教再现型的搬运、点焊、弧焊、喷漆、装配等门类齐全的工业机器人及水下作业、军用和特种机器人。目前，示教再现型机器人技术已基本成熟，并在工厂中推广应用。我国自行毕业设计（论文）报告纸共 32 页 第 6 页装订线生产的机器人喷漆流水线在长春第一汽车厂及东风汽车厂投入运行。1986 年 3 月开始的国家863 高科技发展规划已列入研究、开发智能机器人的内容。就目前来看，我们应从生产和应用的角度出发，结合我国国情，加快生产结构简单、成本低廉的实用型机器人和某些特种机器人。日本在 60 年代末正处于经济高度发展时期，年增长率达 11%。第二次世界大战后，日本的劳动力本来就紧张，而高速度的经济发展更加剧了劳动力严重不足的困难。为此，日本在 1967年由川崎重工业公司从美国 Unimation 公司引进机器人及其技术，建立起生产车间，并于 1968年试制出第一台川崎的“尤尼曼特”机器人。正是由于日本当时劳动力显著不足，机器人在企业里受到了“救世主”般的欢迎。日本政府一方面在经济上采取了积极的扶植政策，鼓励发展和推广应用机器人，从而更进一步激发了企业家从事机器人产业的积极性。尤其是政府对中、小企业的一系列经济优惠政策，如由政府银行提供优惠的低息资金，鼓励集资成立“机器人长期租赁公司”，公司出资购入机器人后长期租给用户，使用者每月只需付较低廉的租金，大大减轻了企业购入机器人所需的资金负担；政府把由计算机控制的示教再现型机器人作为特别折扣优待产品，企业除享受新设备通常的 40%折扣优待外，还可再享受 13%的价格补贴。另一方面，国家出资对小企业进行应用机器人的专门知识和技术指导等等。这一系列扶植政策，使日本机器人产业迅速发展起来，经过短短的十几年，到 80 年代中期，已一跃而为“机器人王国”，其机器人的产量和安装的台数在国际上跃居首位。按照日本产业机器人工业会常务理事米本完二的说法：“日本机器人的发展经过了 60 年代的摇篮期，70 年代的实用期，到 80 年代进人普及提高期。”并正式把 1980 年定为“产业机器人的普及元年”，开始在各个领域内广泛推广使用机器人。日本政府和企业充分信任机器人，大胆使用机器人。机器人也没有辜负人们的期望，它在解决劳动力不足、提高生产率、改进产品质量和降低生产成本方面，发挥着越来越显著的作用，成为日本保持经济增长速度和产品竞争能力的一支不可缺少的队伍。日本在汽车、电子行业大量使用机器人生产，使日本汽车及电子产品产量猛增，质量日益提高，而制造成本则大为降低。从而使日本生产的汽车能够以价廉的绝对优势进军号称“汽车王国”的美国市场，并且向机器人诞生国出口日本产的实用型机器人。此时，日本价廉物美的家用电器产品也充斥了美国市场这使“山姆大叔”后悔不已。日本由于制造、使用机器人，增大了国力，获得了巨大的好处，迫使美、英、法等许多国家不得不采取措施，奋起直追。毕业设计（论文）报告纸共 32 页 第 7 页装订线第二章 小车的设计方案确定2.1 设计要求设计并制作一个自动寻迹、检测、寻光、避障为一体的智能电动小汽车，其行驶路线为椭圆。1.电动车从起跑线出发（车体不得超过起跑线） ，沿黑色引导线到达 B 点。在“直道区”铺设的白纸下沿黑色引导线埋有 3 块宽度为 15cm、长度不等的薄铁片。电动车检测到薄铁片时需立即发出声光指示信息，并实时存储、显示在“直道区”检测到的薄铁片数目，存储并显示每个薄铁片（中心线）至起跑线间的距离。2. 电动车到达 B 点以后进入“弯道区” ，沿圆弧引导线到达 C 点（也可脱离圆弧引导线到达C 点） 。C 点下埋有边长为 15cm 的正方形薄铁片，要求电动车到达 C 点检测到薄铁片后在 C 点处停车 5 秒，停车期间发出断续的声光信息。 3. 电动车在光源的引导下，通过障碍区进入停车区并到达车库。电动车必须在两个障碍物之间通过且不得与其接触。 4. 电动车完成上述任务后立即进入停车区域后，能进一步准确驶入车库中，要求电动车的车身完全进入车库，但全程行驶时间不能大于 90 秒，行驶时间达到 90 秒时必须立即自动停车。2.2 设计说明1. 跑道上面铺设白纸，薄铁片置于纸下，铁片厚度为 0.51.0mm。 2. 跑道边线宽度 5cm，引导线宽度 2cm，可以涂墨或粘黑色胶带。示意图中的虚线和尺寸标注线不要绘制在白纸上。 3. 电动车允许用玩具车改装，但不能由人工遥控，其外围尺寸（含车体上附加装置）的限制为：长度35cm，宽度15cm。 4. 光源采用 200W 白炽灯，白炽灯泡底部距地面 20cm。2.3 方案确定依据论文任务和基本要求，智能电动小汽车的设计应包含下述几个方面的内容: （1 ）小车结构的选型 （2 ）小车运行的速度控制 （3 ）小车前进方向的控制 （4 ）停车区入库停车控制 小车在不同的运行控制部分应采用不同的控制策略，以满足设计要求。毕业设计（论文）报告纸共 32 页 第 8 页装订线第三章 小车的结构设计3.1 小车的结构通用的玩具小车大多具有三种结构：四轮分别驱动结构，三轮两后驱结构，四轮前轮纠偏单后驱动结构。 本方案采用三轮两后驱结构，使用万向轮，仅控制两个电机就能达到四轮分别驱动效果,两个后轮各一个电机驱动的驱动方式，而万向轮可变换行驶方向，使调速灵活，同时可使电动车旋转 360 度，这样即使光源在电动车的后方，电动车也可以通过在原地不断旋转的方式找到光源的准确位置，从而完成寻找光源，入库等功能，简单易行。3.2 小车运行的速度控制3.2.1 电机的确定 直流电动机的工作原理:直流电动机是依靠直流电源供电运转的电动机，按励磁方式可分为他励和自励两种。他励直流电动机的励磁电流由单独的直流电源供给，励磁绕组与电枢绕组不相连接；自励直流电动机的励磁电流由电机本身供给，励磁绕组与电枢绕组的连接方式，一般分为并励、串励和复励三种。直流电动机的调速性能好，启动、制动、过载转矩大，容易控制是它的突出优点，但它的结构复杂、制造成本高、维护量大，还需配置直流电源，使它的应用受到一定的限制，多用于对启动和调速等性能要求比较高的场所。直流电动机的种类:1、相式电机分相式电动机的构造最简单且价格亦最便宜.用于轻负荷、容易起动的机器设备上，因为它的马力很少超过 1/3 马力(1 马力=7355 瓦特)例如:小电风扇、小鼓风机、手提电钻等.2、(永久)电容分相式电动机构造与分相电动机非常相似，只是将起动线路上的离心开关改为一个电容器而已，其余皆相同，所以当电动机运转后，起动线圈仍旧在作用，此种电动机的制造成本不高，专门设计给低起动扭力用的电动机，如冷气机的风扇，此种电动机的最大马力不曾超过 3 马力. (注:电容器是一种可以储存电能器具，是用来振荡起动线圈，以帮助建立一个旋转电磁场)。3、极式电动机构造非常精小，是专门为低起动扭力所设计，马力最大为 3/4 马力.由于细小之故，无起动线圈，仅就原有的运转线圈上，分离出一小部份，作为起动用的线圈，该线圈就称为蔽极线圈，毕业设计（论文）报告纸共 32 页 第 9 页装订线每一运转线圈的极上，都各有一个蔽极线圈，都各自独立，没有相互接通，也没有与外面的交流电源相接通，只靠运转线圈所产生的磁场来感应出旋转磁场，帮助电动机起动。4、推斥式起动-感应式运转电动机 是专门为重负荷反起动困难的电动机设计的，例如磨米机或打水泵，其大小从 1/2 马力到20 马力，但是，由于价格昂贵，所以被选用的机会较少.构造与串激式电动机很类似，它们都有数线圈围绕的转于、电枢和碳刷.最大不同是:串激式电动机的马力小、而排斥感应电动机的马力较大;另外，碳别的接法不同，串激式电动机的碳刷与运转线圈串联;但排斥感应电动机的碳刷是不与运转线圈相接通，推斥感应电动机的碳刷，仅起动时将电框短路，当电动机转速增加时，离心开关会将碳刷拉起与电枢分离。5、三相式电动机 特点是能自行起动，不需要另外加装起动装置，例如起动线圈、电容器、离心开关等.制造成本低，且起动时的扭力大，唯一限制是必须使用三相式电源，大工厂都采用此种三相式电动为多。 由于电动小车均采用干电池供电，而干电池为直流电，故本系统为直流传动系统，为了实现小车的运行，考虑到不同电机的特点，采用永磁直流机，这种直流电动机体积小，结构简单，省电，且小车自带的永磁直流机，性能较好，通过采用高性能的控制方式，可以满足设计要求。3.2.2 直流电动机调速 由直流电动机转速公式有：n=U-(IR+L*di/dt)/K式中：U-电枢两端电压 I-电枢两端电流 R-电枢电路总电阻 K-电动机结构参数 -是励磁磁通由上式转速公式 n 可见，直流电机的转速控制方式可分为两类：对励磁磁通进行控制的励磁控制法和对电枢电压进行控制的电枢控制法。即通过调节 R， 或 U，因为小车自带永磁电动机，无法通过 调节进行调速，只能通过调节 R 或 U 来实现速度调节。方案 A： 调 R 其特点： （1）系统结构简单 （2）调速不连续，不平稳，为有级调速 （3）机械特性软，调速范围小 （4）低速时能耗大，不经济 毕业设计（论文）报告纸共 32 页 第 10 页装订线方案 B： 调 U 其特点： （1）由于 U 连续可调，故速度过渡平稳 （2）比调 R 机械特性硬，因为负载不变（此小车为恒转矩负载） ，故转速降不变； （3）主回路的机电时间常数小，系统的动态响应快，效率高。 由比较可知，为满足小车平滑调速及快速反应，应选择方案 B，即采用调节电枢两端电压来控制小车行程中的速度。 3.2.3 主电路传动系统考虑到电机的起动电流制动时比较小，不会造成电源电压不稳定，对单片机和传感器的工作产生干扰，所以，电机驱动电路和单片机以及传感器电路无须用光耦隔离。固定直流电源可调的电源方案采用较常用的脉宽调速（PULSE WIDE MODULATIONPWM）方式来控制电动机电枢电压，实现调速。PWM 方式的工作频率高，电流脉动小；这种调速方式具有调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大；能承受频繁的负载冲击，还可以实现频繁的无级快速启动、制动和反转等优点。由于本题是对自动小车的控制，电机容量不大，以简单实用为主。依试题任务，将该传动系统设计为可逆系统，在主电路联接方式中，功放级需采用两组晶体管，通过改变不同组件开关元件的通断来改变电压的方向。本系统中选用 T 型电路（又称半桥电路）由 2 个互补开关管组成（如下图 1-1 所示） ，分别由正负电源供电。这种电路特点是线路简单，节省开关元件，由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高，保证了可以简单地实现转速和方向的控制，电子开关速度很快，稳定性也极强，是一种广泛采用的 PWM 调速技术。3.3 小车行程运行方向控制 3.3.1 寻迹控制 小车在整个行程的直道区及弯道区，均沿着铺设的黑色引导线行走，故可采用红外光电传感器 CNY70，属于反射型光电传感器，结构紧凑，发光源与探测器位于同一方向。探测器由光电晶体管构成，并具有光滤波作用，工作时利用物体反射出的红外波信号来确定物体的所在位置，测试电路如下图所示。在本方案中选用三个红外光电传感器来控制小车运行方向，使其沿黑色引导线前进，达到寻迹的目的。 3.3.2 寻光控制 小车运行完黑线段，在 C 点作 5s 停顿后，采用光敏电阻进行寻光前进，其原理为随着光照强度的增加而阻值变低，相应的电压值也发生变化。而 AT89C2051 的优越性在于其片内有一个8 通道的 10 位 ADC，ADC 与一个模拟多路转换器相连，还包含一个采样保持器。该器件的 A 口的毕业设计（论文）报告纸共 32 页 第 11 页装订线每一引脚（PA0PA7）均可作为 ADC 的模拟输入端，由光敏电阻测得的电压值通过 A/D 转换，与设定的阀值电压比较来确保小车对光的准确性，待小车检测障碍物，寻光终止，待越过障碍后，小车继续寻光前进。 3.3.3 躲避障碍物的控制在该系统运行中设有两个障碍物，小车需进行左转及右转以绕过障碍，通过二位红外光电检测器来实现。为实现左转，应使小车右轮旋转，左轮不动，为实现右转应使左转旋转，右轮不动，因此，此处采用了开关式控制方案，以控制小车的两轮运行与制动。3.3.4 停车区入库控制 小车在绕过障碍物后继续寻光前进，由小车前方红外光电位置传感器检测到车库黑线时，给小车一控制信号使小车制动减速至入库停车。3.4 各段控制算法3.4.1 直道区 由起点至 B 点直线行驶段，行驶路线如下图所示： 起点：O E F G M B图 3-1 行驶路线小车自起跑线出发后，以最快速度加速，并达到小车行进的最高速度（设此点为 E）,而后以最高速度行驶至 F 点处。由于快接近 B 点，为确保转弯可靠，需降低速度行驶。为保证降速的平稳性并利于调控，在 FB 段采用分段降速的方法。即由 FG 段先行以 a1 加速度（制动）降至VG,平稳行驶至 M 后，再以制动加速度 a2 降至 VB，同时到达 B 点，准备转弯。由此可知，我们分析的重点，既为 FB 段的速度调控。已知，小车最高转速 Vmax=0.4m/s,制动加速度在（0.6-1）m2/s 之间。设该段为 0.5 米，若 B 点速度要求为 0.3m/s，则可知FG 段：S1=Vmax*t1-0.5a1（t1）2VG=Vmax-a1t1a1=1m2/st1 最大值：VB= Vmax -a1t1t1=( Vmax- VB)/a1=(1-0.3)/1=0.7st1 选择区间（0，0.7）s；GM 段：毕业设计（论文）报告纸共 32 页 第 12 页装订线VG=VMS2=VM*t2S1=1*0.7-0.5*1*0.72=0.455t2max=(0.5-0.455)/0.3=0.15st2 选择区间（0，0.15）s；MB 段：t3=(VM-0.3)/ a2a2=0.6m2/sS3= VM* t3-0.5* a2 *(t3)2约束条件： t1+t2+t3 最小|S1 +S2 +S3-0.5|=0 为此设定目标区数 J，使 FB 段用时最短，|S1 +S2 +S3-0.5|=0。J=1（t1 +t2 +t3）2+2（S1 +S2 +S3-0.5）2 （1= 50，跳转到 cnycar09cpi cny_in,224brne cnycar02 ;cny_in != 224，跳转到 cnycar02rcall forward ;cny_in = 224，调用前行子程序inc cny_times ; cny_times = cny_times + 1ldi R16,10 ;设置延时时间ldi R17,0rcall delay_ms ;调用延时子程序rjmp cnycar02cnycar09:rcall stop ;cny_times 50，机器人停止待命mov R16,cny_delayms ;装入延时时间clr R17rcall delay_ms ;调用延时子程rjmp cnycar02;*port_init: ;芯片端口初始化程序ldi R16,0xFFout DDRA, R16out PORTA, R16 ;PA 口输出，输出初值为全 1clr R17out DDRB, R17毕业设计（论文）报告纸共 32 页 第 30 页装订线out PORTB, R16 ;PB 口输入，内部上拉ldi R17,0x01out DDRC, R17out PORTC, R16 ;PC0 输出，PC1PC7 带内部上拉输入ldi R17,0xF0out DDRD, R17out PORTD, R16 ;PD0PD3 带内部上拉输入，PD4PD7 输出驱动电机ret;*;time - R16, R17delay_us: ;微秒级延时程序，延时时间为 (R17:R16)subi R16,1sbci R17,0 ;( R17: R16) = (R17: R16) - 1ldi R24,1ldi R25,0cp R24,R16cpc R25,R17brlt delay_usret;*;time - R20,R21delay_ms: ;毫秒级延时程序，延时时间为(R21:R20)push R21push R20push R1