毕业论文-多传感智能机器人系统设计

AbstractIntelligentrobotisanimportantdirectionforfuturedevelopment,thecontentsofthehumanfocusofthestudy,thefocusoftechnologyistheintelligentrobotmulti-sensorinformationfusiontechnology.Inrecentyears,multi-sensorinformationfusiontechnologyhasgainedwidespreadattentionandawiderangeofapplications,alongwiththedevelopmentoftechnologyinthenearfuture,intelligentrobotswillenterpeopleslives.Intelligentmulti-sensorrobotsystemdesign,designtasks,includingthechoiceofsensor,controlcircuitdesignandcorrespondingsoftwarecompilation.First,thesensorandservomotoroptions,andthendesignthehardwarecircuit,followedbydevelopmentofsoftwareprograms.AT89S52MCUcoreusedasthecontrol,respectively,antennaeinstalledsensorsandinfraredsensors,whichsensorsdetectfronttentaclesenvironment,infraredsensorsdetectthegroundenvironment,twokindsofsensorsandplayedsointelligentrobotinthedesktopsecurityoperations.TheuseofClanguageprogramming,sothattwosensorswereusedtodetecttheenvironmenttocontroltheoperationofsteeringgeartorealizeintelligentrobotobstacleavoidancefunction,andinstalltheLCDdisplayshowsoperationalstatusofintelligentrobots.Keywords:Intelligent,multi-sensor,Obstacleavoidance,AT89S52SCMII多传感智能机器人系统设计目录第一章前言.11.1多传感智能机器人的研究目的.11.2多传感智能机器人的研究意义.11.3多传感智能机器人的发展情况.1第二章智能机器人设计任务.32.1设计要求.32.2设计材料.32.3设计使用的软件.3第三章智能机器人传感器及电机的选择.43.1触须传感器.43.1.1触须传感器的选择.43.1.2触须传感器的原理.43.2红外传感器.43.2.1红外传感器的选择.43.2.2红外传感器的原理.53.3伺服电机.63.3.1伺服电机的选择.63.3.2舵机的原理.7第四章硬件电路设计.84.1硬件设计结构图.84.2AT89S52芯片简介.84.351单片机电路设计.94.3.1晶振电路设计.94.3.2复位电路设计.94.4舵机电路设计.94.5触须传感器电路设计.104.5.1触须传感器安装.104.5.2触须传感器电路.10III多传感智能机器人系统设计4.6红外传感器电路设计.114.71602LCD显示器电路设计.124.7.11602LCD显示器简介.124.7.21602LCD显示器电路.12第五章软件设计.145.1编程思路.145.2程序流程图.145.3程序清单.18第六章调试.266.1调试过程.26第七章结论与展望.287.1结论.287.2展望.28参考文献.29致谢.30附录1.31附录2.42声明.43IV多传感智能机器人系统设计第一章前言1.1多传感智能机器人的研究目的随着时代的发展，智能机器人的发展越来越受到人类的重视，其拥有着很好地发展前景，是自动化领域的发展方向，人类研究智能机器人的目的在于，在不远的将来让智能机器人走进人们的生活，走进人们的家庭，使人们的生活更加简单方便。1.2多传感智能机器人的研究意义智能机器人是自动执行工作的机器装置，它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动，它的任务是协助或取代人类的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。机器人学研究的意义是可以使人类从繁重的、重复单调的、有害健康和危险的生产作业中解放出来，控制机器人进行工作。1.3多传感智能机器人的发展情况人们通常把机器人划分为三代1。第一代是可编程机器人。这种机器人一般可以根据操作人员所编的程序,完成一些简单的重复性操作。这一代机器人是从60年代后半叶开始投入实际使用的,目前在工业界已得到广泛应用。第二代是“感知机器人”,又叫做自适应机器人,它在第一代机器人的基础上发展起来的,能够具有不同程度的“感知”周围环境的能力。这类利用感知信息以改善机器人性能的研究开始于70年代初期,到1982年,美国通用汽车公司为其装配线上的机器人装配了视觉系统,宣告了感知机器人的诞生,在80年代得到了广泛应用。第三代机器人将具有识别、推理、规划和学习等智能机制,它可以把感知和行动智能化结合起来,因此能在非特定的环境下作业,称之为智能机器人。智能机器人，是多学科交叉与融合的结晶。随着计算机、自动控制、微电子技术、人工智能、虚拟现实、微纳米技术、仿生学、材料等相关学科领域的发展，机器人的内涵不断丰富，应用领域不断扩大，从最初的工业领域拓展到空间、水下、救灾、服务、医疗等领域。机器人在众多领域的广泛应用，极大地提升了制造的自动化水平，改变了人类工作与生活的方式。1多传感智能机器人系统设计近年来，多传感器信息融合技术已发展成为一个专门的科研领域，取得了很大的进展。在应用方面，针对移动机器人的研究，取得了很多成果。在国外早在1979年HLIARE应用多传感器信息来创建世界模型的可移动机器人2，它充分利用视觉、听觉、激光测距传感器所获得的信息，以确保其能稳定地工作在未知环境中。LAIS是美国德莱克西尔大学1996年研究的具有多个传感器模块的移动机器人3。它安装了位置和姿态传感器、超声波传感器、PLS测距仪和声传感器。LIAS的3种接近传感器中，超声波传感器对机器人周围进行定位，3个声传感器使机器人在移动范围内获得一个更好的视野，2个PLs测距仪提供一个全景视图。为了弥补超声波传感器的缺陷，LAIS机器人使用精度稍低的红外激光传感器，在短时间内可以提供大量的距离信息。把红外传感器安装在扫描器上，可以很方便的给出全景视图并且红外激光波束窄，比超声波波束的性能优越。因此，LIAS使用红外激光测距仪来确定机器人周围的障碍物是否存在，还可以检测超声波传感器检测不到的角落。超声波传感器和红外激光测距仪的信息融合可以提供一个全面的、精确的环境信息，获得比仅用一个更好的效果。ANFM是瑞典于默奥大学于上世纪90年代开发的野外自治导航车3，它以讯iRobot公司生产的ATVR系列导航车为基础，安装了摄像机、红外探测器、GPS惯性导航和超声波等传感器，来实现其在未知野外环境中的定位和避障。采用超声波传感器、红外探测器和摄像机来精确测量障碍物离机器人的距离，弥补了GPS定位不准确的不足。近几十年来，多传感器信息融合技术得到了普遍的关注和广泛的应用，其理论与方法已成为智能信息处理的一个重要研究领域。在不久的将来，智能机器人肯定会走入人们的生活。多传感智能机器人是未来发展的一大趋势，是人类重点研究的课题，它将会改变人们的生活。2多传感智能机器人系统设计第二章智能机器人设计任务2.1设计要求利用所提供的机器人器件，设计一个多传感器的智能机器人。要求尽量选用多种传感器，使所设计的智能机器人能够结合传感器检测到的信息进行综合判断，从而避障，执行理想的行走方案。设计任务包括传感器的选用、控制电路设计和相应软件编制。2.2设计材料机器人器材包括机器人底座、电源和轮子，如图2-1所示。图2-1机器人器材2.3设计使用的软件本设计中，将用到三款软件：KeiluVision2IDE集成开发环境、程序下载软件和串口调试软件等。3多传感智能机器人系统设计第三章智能机器人传感器及电机的选择根据设计任务和查阅相关材料后，选取了结构简单、使用方便、成本低廉的触须传感器和红外传感器，电机则选择普通的舵机。3.1触须传感器3.1.1触须传感器的选择用于机器人中模仿触觉功能的传感器，触觉是人与外界环境直接接触时的重要感觉功能，研制满足要求的触须传感器是机器人发展中的技术关键之一。随着微电子技术的发展和各种有机材料的出现，已经提出了多种多样的触觉传感器的研制方案。本设计选择的触须传感器如图3-1所示，其优点是使用方便、结构简单。图3-1触须传感器3.1.2触须传感器的原理用以判断机器人是否接触到外界物体或测量被接触物体的特征的传感器。触头接触外界物体后离开基板，造成信号通路断开，从而测到与外界物体的接触。3.2红外传感器3.2.1红外传感器的选择随着现代科学技术的发展，红外线传感器的应用已经非常广泛，红外线传感器测量时不与被测物体直接接触，因而不存在摩擦，并且有灵敏度高，响应快，价钱低廉，使用方便等优点。本设计选用的红外传感器如图3-2所示，左边为红外接4多传感智能机器人系统设计收器，右边为红外发射器。图3-2红外传感器其中红外传感器的管脚如图3-3所示。图3-3红外传感器的管脚3.2.2红外传感器的原理利用红外线的物理性质来进行测量的传感器，它是利用红外辐射与物质相互作用所呈现出来的物理效应探测红外辐射的传感器，多数情况下是利用这种相互作用所呈现出的电学效应。简单来说，就是使用红外光来照射机器人前进的路线，然后确定何时有光线从被探测目标反射回来，通过检测反射回来的红外光就可以确定前方是否有物体。5多传感智能机器人系统设计3.3伺服电机3.3.1伺服电机的选择本设计所用的伺服电机是普通的舵机，其外型如图3-4所示。图3-4舵机舵机的连线原理和实际接线如图3-5所示，其中黑线接信号，红线接VCC，白线接地。图3-5舵机连线原理图（左）和实际接线示意图（右）6多传感智能机器人系统设计3.3.2舵机的原理控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。控制电机运动转速的是高电平持续的时间，高电平持续1.5ms低电平持续20ms，然后不断重复的控制脉冲序列，该脉冲序列发给经过零点标定后的伺服电机，伺服电机不会旋转。如果此时你的电机旋转，表明电机需要标定。当高电平持续时间为1.3ms时，电机顺时针全速旋转，当高电平持续时间1.7ms时，电机逆时针速旋转。7多传感智能机器人系统设计第四章硬件电路设计4.1硬件设计结构图本设计硬件电路由AT89S52芯片，晶振电路，复位电路，红外传感器，触须传感器，舵机和LCD显示器等组成，硬件设计结构如图4-1所示。图4-1硬件设计结构4.2AT89S52芯片简介AT89S52是一种高性能、低功耗的8位单片机，内含8k字节ISP（In-systemProgrammable，系统在线编程）可反复擦写1000次的FLASH只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS51指令系统及其引脚结构。在实际工程应用中，功能强大的AT89S52已成为许多高性价比嵌入式控制应用系统的解决方案。AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16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。8多传感智能机器人系统设计4.351单片机电路设计4.3.1晶振电路设计51单片机晶振电路如图4-2所示。图4-2晶振电路图4.3.2复位电路设计51单片机的复位电路通过手动来实现，复位电路如图4-3所示。图4-3复位电路图4.4舵机电路设计P1_0引脚的控制输出用来控制右的伺服电机，而P1_1则用来控制左边的伺服电机。右舵机电路连接如图4-4所示，左舵机电路连接如图4-5所示。9多传感智能机器人系统设计图4-4右舵机电路图4-5左舵机电路4.5触须传感器电路设计4.5.1触须传感器安装触须传感器的安装如图4-6所示。图4-6触须安装图4.5.2触须传感器电路P1_4引脚的控制输出用来连接右触须，P2_3引脚的控制输出用来连接左触须。触须电路连接如图4-7所示。10多传感智能机器人系统设计图4-7触须电路连接图4.6红外传感器电路设计P1_2引脚的控制输出用来连接左红外接收器，P1_3引脚的控制输出用来连接左红外发射器，P3_5引脚的控制输出用来连接右红外接收器，P3_6引脚的控制输出用来连接右红外发射器。红外接收器电路连接如图4-8所示，红外发射器电路连接如图4-9。图4-8红外接收器电路连接11多传感智能机器人系统设计图4-9红外发射器电路连接4.71602LCD显示器电路设计4.7.11602LCD显示器简介LCD（LiquidCrystalDisplay）的应用很广泛，本设计使用的LCD为字符型点阵式LCD模块（LiquidCrystalDisplayModule），简称LCM，或者是字符型LCD。字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等的点阵式液晶显示模块。每一个显示的字符（或字母、数字等）是由5*7或5*11点阵组成。点阵字符位之间有一空点距的间隔，起到字符间距和行距的作用。本设计所使用的LCD显示器可显示两行，每行由16个点阵字符组成，能显示所有ASCII字符，每个字符由5*7点阵组成。4.7.21602LCD显示器电路1602LCD显示器电路连接如图4-10所示。12多传感智能机器人系统设计图4-101602LCD显示器电路连接图13多传感智能机器人系统设计第五章软件设计5.1编程思路本设计采用红外传感器和触须传感器进行检测周围环境，如何把两种传感器很好地结合起来是关键，思路是用触须传感器检测前方的障碍，碰到障碍时进行躲避，当进入死区后，触须连续交替碰撞45次则智能机器人后退，转向另一个方向，而红外传感器检测地面，检测到有东西时前进，没有反而后退，这样的效果是可以使智能机器人在桌子上安全行走，这样也可以使两种传感器很好地结合在一起，同时使用LCD显示器显示智能机器人行走状态。5.2程序流程图程序流程图如图5-1所示14多传感智能机器人系统设计开始初始化，发送正在运行信息左红外发射右红外发射接收IrDetectRight接收IrDetectLeft右触须状态P1_4左触须状态P2_3Y(P1_4state()=0)&(P2_3state()=0)NBackward();/向后Left_Turn();/向左Left_Turn();/向左Display_List_Char(1,0,Backward)15多传感智能机器人系统设计YP1_4state()=0Backward();/向后Left_Turn();/向左NDisplay_List_Char(1,0,LeftTurn)YP2_3state()=0NBackward();/向后Right_Turn();/向右Display_List_Char(1,0,RightelseTurn)Forward();/向前Display_List_Char(1,0,Forward)Y(irDetectLeft=0)&(irDetectRight=0)pulseLeft=1700;pulseRight=1300;NDisplay_List_Char(1,0,Forward);16多传感智能机器人系统设计Y(irDetectLeft=1)&(irDetectRight=0)pulseLeft=1700;NpulseRight=1700;Display_List_Char(1,0,RightTurn);Y(irDetectLeft=0)&(irDetectRight=1)pulseLeft=1300;pulseRight=1300;Display_List_Char(1,0,LefNtTurn)pulseCount=15;pulseLeft=1300;pulseRight=1700;Display_List_Char(1,0,Backward);P1_1=1;delay_nus(pulseLeft);P1_1=0;P1_0=1;delay_nus(pulseRight);P1_0=0;delay_nms(20);图5-1程序流程图17多传感智能机器人系统设计5.3程序清单#include#include#include#include#include#defineLeftIRP1_2/左边红外接收连接到P1_2#defineRightIRP3_5/右边红外接收连接到P3_5#defineLeftLaunchP1_3/左边红外发射连接到P1_3#defineRightLaunchP3_6/右边红外发射连接到P3_6intP1_4state(void)return(P1intP2_3state(void)return(P2voidForward(void)P1_1=1;delay_nus(1700);P1_1=0;P1_0=1;delay_nus(1300);P1_0=0;delay_nms(20);18多传感智能机器人系统设计voidLeft_Turn(void)inti;for(i=1;i4)counter=1;Backward();/向后Left_Turn();/向左Left_Turn();/向左elsecounter=1;if(P1_4state()=0)&(P2_3state()=0)Backward();/向后Left_Turn();/向左Left_Turn();/向左Display_List_Char(1,0,Backward);delay_nms(30);elseif(P1_4state()=0)Backward();/向后Left_Turn();/向左Display_List_Char(1,0,LeftTurn);delay_nms(30);22多传感智能机器人系统设计elseif(P2_3state()=0)Backward();/向后Right_Turn();/向右Display_List_Char(1,0,RightTurn);delay_nms(30);elseForward();/向前Display_List_Char(1,0,Forward);delay_nms(30);IRLaunch(R);/右边发射irDetectRight=RightIR;/右边接收IRLaunch(L);/左边发射irDetectLeft=LeftIR;/左边接收if(irDetectLeft=0)&(irDetectRight=0)/向前走pulseCount=1;pulseLeft=1700;pulseRight=1300;Display_List_Char(1,0,Forward);delay_nms(30);elseif(irDetectLeft=1)&(irDetectRight=0)/右转23多传感智能机器人系统设计pulseCount=10;pulseLeft=1700;pulseRight=1700;Display_List_Char(1,0,RightTurn);delay_nms(30);elseif(irDetectLeft=0)&(irDetectRight=1)/左转pulseCount=10;pulseLeft=1300;pulseRight=1300;Display_List_Char(1,0,LeftTurn);delay_nms(30);else/后退pulseCount=15;pulseLeft=1300;pulseRight=1700;Display_List_Char(1,0,Backward);delay_nms(30);for(i=0;i#include#defineLCM_RWP2_1/定义引脚#defineLCM_RSP2_2#defineLCM_EP2_0#defineLCM_DataP0#defineBusy0x80/用于检测LCM状态字中的Busy标识voidDelay_5Ms(void)/5ms延时unsignedintTempCyc=5552;while(TempCyc-);voidDelay_400Ms(void)/400ms延时unsignedcharTempCycA=5;unsignedintTempCycB;while(TempCycA-)TempCycB=7269;while(TempCycB-);31多传感智能机器人系统设计/*=函数名：Read_Status_LCM()功能：忙检测函数=*/voidRead_Status_LCM(void)unsignedcharread=0;LCM_RW=1;LCM_RS=0;LCM_E=1;LCM_Data=0xff;doread=LCM_Data;while(readLCM_E=0;/*-函数名：Write_Data_LCM()功能：对LCD1602写数据-*/voidWrite_Data_LCM(unsignedcharWDLCM)Read_Status_LCM();/检测忙LCM_RS=1;32多传感智能机器人系统设计LCM_RW=0;LCM_DataLCM_Data|=WDLCMLCM_E=1;/若晶振速度太高可以在这后加小的延时LCM_E=1;/延时LCM_E=0;WDLCM=WDLCM=12,i的最小延时单12usi=i/10;while(-i);voiddelay_nms(unsignedintn)/延时nmsn=n+1;while(-n)delay_nus(900);/延时1ms,同时进行补偿36多传感智能机器人系统设计头文件uart.h为：/*-8051串口中断驱动程序-*/#include#include#defineXTAL11059200#definebaudrate9600#defineOLEN8/串行发送缓冲区大小unsignedcharostart;/发送缓冲区起始索引unsignedcharoend;/发送缓冲区结束索引charidataoutbufOLEN;/发送缓冲区存储数组#defineILEN8/串行接收缓冲区大小unsignedcharistart;/接收缓冲区起始索引unsignedchariend;/接收缓冲区结束索引charidatainbufILEN;/接收缓冲存储数组bitbdatasendfull;/发送缓冲区满标志bitbdatasendactive;/发送有效标志/*串行中断服务程序*/staticvoidcom_isr(void)interrupt4using1/串口中断/-接收数据中断-charc;if(RI)/接收中断c=SBUF;/读字符37多传感智能机