循迹机器人设计

跟踪机器人的设计目录课程设计(论文)任务书.课程设计(论文)成绩评定表.中文摘要.视觉识别系统1设计任务描述11.1设计主题11.2设计要求11.2.1设计目的11.3基本要求12设计理念23软件流程图34各部分模块的设计和选择44.1机械结构方案设计44.1.1车型4的结构特征4 . 1 . 2 5型汽车转向执行器机械结构设计4.1.3电路板64.2视频信号采集方案64.2.1收集和分析64.2.2采集时间74.2.3中断分析8硬件电路系统的设计与实现5.1硬件电路设计方案105.2硬件电路10的实现5.2.1以S12为核心的微控制器最低系统105.2.2主板115.2.3电机驱动电路135.2.4摄像机135.2.5速度传感器136跟踪汽车软件设计156.1路径识别和自适应阈值计算156.2抗干扰处理156.3算法实现166.3.1偏航距离的计算166.3.2偏航角的计算166.3.3曲率计算166.4速度比例积分微分算法167款车型18的主要技术参数8组件列表19摘要20致谢21参考文献22附录A软件流程图231设计任务描述1.1设计主题跟踪机器人的设计1.2设计要求1.2.1设计目的1)了解机器人技术及相关技术的基础知识，如电气电子、单片机、机械设计、传感器等。2)掌握机器人的运动学原理和基于智能机器人的控制理论，并将其应用于机器人的设计。3)通过学习，可以具体掌握跟踪机器人的控制技术，机器人可以独立完成一定的跟踪任务。1.3基本要求1)要求设计一个能够跟踪的机器人(白色黑线或黑色白线，线宽25毫米)；2)要求设计机器人的行走机构、控制系统、传感器类型的选择和布置布局。3)应该有跟踪策略(软件流程图)。2设计理念根据本次课程设计的要求，我们选择了16位单片机MC9S12DG128B作为智能车辆系统控制的核心控制单元。介绍了机器人行走机构、控制系统和传感器类型的选择和布置，并根据软件系统的特点用流程图简要描述了车辆的软件设计。最后，该车实现了智能跟踪功能。根据以上系统设计，跟踪车包括七个模块：MC9S12DG128B主控模块、传感器模块、电源模块、电机驱动模块、速度检测模块和辅助调试模块。每个模块的功能如下：MC9S12DG128B主控模块作为智能车的“大脑”，将采集光电传感器、光电编码器等传感器的信号，根据控制算法做出控制决策，驱动DC电机和伺服电机完成对智能车的控制。传感器模块是智能车的“眼睛”，它可以通过一定的预见提前感知通道信息，为智能车的“大脑”做出决策提供必要的依据和充足的反应时间。电源模块为整个系统提供合适而稳定的电源。电机驱动模块驱动DC电机和伺服电机，完成智能车的加减速控制和转向控制。速度检测模块检测并反馈智能车后轮的转速，用于闭环速度控制。辅助调试模块主要用于智能汽车系统的功能调试和汽车状况的监控。通过介绍这些模块的功能，并结合我们在课堂上对机器人的了解，我们可以理清汽车的总体思路，具体内容将在下面几节中进行说明。3软件流程图程序初始化模块开始主控制模块入口路况信息采集处理模块捕捉图像来到角落？第一圈？YNYNCMOS照相机12个光电传感器按开始键数据处理转向控制和速度控制速度PID控制舵机的比例积分控制收集和保存数据转向机P2控制第二圈？内存中的类型SNNYY图3-1 1软件4各部分模块的设计和选择智能车辆系统主要包括以下模块：S12单片机模块、驱动电机、舵机、速度反馈和CCD视频采集模块。整体结构框图如图4.1所示。MC9S12DG128驱动电机转向机模块速度反馈视频捕获模块图4.1智能车辆系统功能模块图以MC9S12DG128为核心，设计寻路方案，尽可能提高速度，是我课程设计课题的重点。传统的寻线方案使用“线性探测阵列”红外传感器。该方案实现简单，稳定性高，但只能获得有限的点信息，限制了高级算法的应用，进一步提高了车辆的速度。摄像机获取的信息是路面信息，它不仅可以获取当前车辆的偏置量，还可以判断前通道的路面信息，为先进控制算法的应用提供了依据。摄像机可以检测到比“线性检测阵列”能够检测到的更多的路线信息，并且摄像机还具有足够长的检测距离，以便于预测前方的道路状况。另一方面，16位单片机MC9S12的运算速度及其A/D口的采样速度能够适应黑白低线摄像机的有效视频采样和大量图像数据的处理。4.1机械结构方案设计4.1.1车型的结构特征本项目采用后轮驱动和前轮转向。导航使用单个电荷耦合器件摄像机，摄像机位于舵机上方370毫米处。前部使用两个传感器检测坡度，坡度位于汽车前部100毫米处，向上倾斜15度。电路板放在手推车的腹部。整车重心在中间后，稳定性好。底盘没有变化。修改后的车型参数如表4.2所示。长的400毫米广泛的200毫米高的350毫米沉重的1.16千克传感器数量3 (1个CCD，2个红外线)其他伺服电机的数量0检测精度、频率25Hz车型平均电流(恒速行驶)800 ma表4.1车型参数如何改善我们的实际调整：1)加长转向机手柄，以便在车辆行驶时提高车轮的转向速度。这样，尽管转向机的转速没有改变，但是车轮的转速被夹紧，但是用于转向转向机的负载增加。在实际调试过程中，转向器内的齿轮损坏。2)由于前轴与车轮之间的间隙较大，在高速转向时会对车辆的中心产生很大影响，这将导致车辆在高速转向时转向不足。此外，这是规则中禁止改变的部分，因此我们只能调整前轮的内倾角，以弥补车轮在高速转弯时遇到的转向不足的问题。在实际调试中，我们发现适当增加内倾角可以增加转弯时车轮与地面的接触面积，从而增加地面的摩擦程度，使转向更加灵活，减少因摩擦不足造成的转向不足。3)适当降低底盘。如果你能通过坡道，尽可能降低底盘，降低汽车的整体中心，这样汽车就能转得更快。4.1.2车型转向器机械结构设计转向系统在车辆行驶过程中起着非常重要的作用。适当的前轴调整参数可以确保车辆在直线行驶过程中不会偏离，即确保车辆的方向稳定性。然而，在车辆转弯后，合适的前轴可以使车辆返回直线行驶状态，即具有良好的返回性能。因此，前桥参数调整和转向系统优化设计将不可避免地成为智能车辆设计中机械结构部分的重点。在实际操作中，通过理论预测对方案进行可行性分析，然后通过实际结构对理论数据进行验证。图2.2改进的转向器转向机构及安装图在机构的最终设计中，我们综合考虑了速度和扭矩之间的关系，以最小化转向器的负载。根据模型车底盘的具体结构，简化了安装方法，达到了预期目标。然而电路板共有一个印刷电路板，即主体主板(包括单片机、调试电路、电源电路、红外传感器、加速度传感器电路、速度传感器等)。)，外形尺寸如表4.3所示。表4.3电路板参数表4.2视频信号采集方案收集和分析该系统中使用的CCD摄像机输出PAL视频信号。该系统的一幅图像由575条图像线组成，每条图像线有767个点(根据4: 3的荧光屏纵横比计算)，因此其图像分辨率可达到575767像素。然而，对于智能车辆系统，由于MC9S12DG128单片机内存和运算速度的限制，这样大分辨率的图像无法处理。因此，图像的分辨率必须降低。我们最终确定捕获图像的分辨率为4840，即每行48个点，每幅图像40行。15跟踪机器人的设计4.2.2采集时间具体来说，收集场景的过程如下：在第一步中，由LM1881分离的奇数场同步信号在DG128的端口h被中断。根据PAL规范，这意味着22条线(约1408s，取决于LM1881的信号延迟)将启动第一条数据线。为了确保正确的数据采集，定时器定时为23.5行(23.564 s=1504 s)。计时完成后，行中断开启，为数据采集做准备。在第二步中，计时器计时为1504s。此时，行通道打开以允许中断，控制ATD转换的行计数器复位为零以标记图像的开始。在第三步中，大约32s(0.5行)后，这些行被中断至。由于一个字段中有超过280行，但ATD仅收集其中的40行，因此为此目的设置了一个行计数器，并且每当一行被中断时，该计数器就会递增。当计数器的值等于预存数组中的某个数字时，意味着应该收集该行。根据PAL规范，在数据线中，只有在线同步信号(上升沿，如果所选下降沿有效，则应为10.3s)后6s，才能出现真实图像数据，并持续52s，直到该线结束。因此，在该线路的线路中断期间，定时器的计时时间为6s，只有在计时完成后才能开始采集。第四步，定时器计时6 s，此时ATD采集应立即开始。由于ATD是按序列采集的，一个序列可以连续采集1 8个点，可以设置为单序列或扫描模式。一旦每个序列的采集完成，将产生ATD中断。为了减少ATD中断的数量，在ATD初始化中转换序列长度被设置为8。此时，自动驾驶仪在扫描模式下开启，需要6个自动驾驶仪中断来收集48个点。第五步，ATD中断每8 s发生一次。这一步最重要的是将ATD数据传输到存储图像的阵列。由于ATD需要连续收集6个序列，因此有必要记录已经收集的序列数量。每次输入ATD中断，都会增加一个。当序列数为6时，表示已经收集了一行。收集一行后，向收集行计数器添加一行(注意：这不是第三步中提到的行计数器)，并停止ATD。然而，在S12中没有直接的方法来停止ATD。唯一的方法是让ATD在一个序列中再次收集。但是，在此时间之后仍会发生中断。中断处理程序可以根据收集的序列数量来判断这是否是一种附加情况。如果是这样，除了读取ATD数据寄存器来清除中断标志位之外，中断处理器不需要做任何事情。在第六步中，ATD中断将数据连续写入图像阵列，直到行计数器达到40。这意味着已经收集了图像数据。此时，应关闭线路中断，以避免额外的操作。步骤7，偶数字段被中断。事实上，它是奇数场同步信号的下降沿。如果不进行相应的设置和接线，就不会有中断。在PAL系统信号中，奇数场同步信号和偶数场同步信号每隔20毫秒交替出现，因此这两个信号可用作台车调整的参考时间。此后，直到下一个奇数场中断到来，另一场采集开始。可以看出，程序的运行完全是由各种中断驱动的。程序流程图如图4.2所示。4.2.3中断分析视频捕获包括6个中断：奇数场中断、偶数场中断、线路中断、定时器中断1、定时器中断2、ATD中断。然而，只有三个硬件中断源，即H端口中断、定时器中断和ATD中断，仅对应于三个中断服务程序。因此，有必要区分中断程序中的中断类型。1)端口h被中断H端口中断服务程序应该区分它是奇数场中断、偶数场中断还是行中断，这是通过寄存器的中断标志实现的。2)定时器中断定时器中断应该区分计时的时间。为此，我们设置了一个“服务标志”，并在不同的时间设置不同的服务标志，使定时器中断程序做不同的处理。3)ATD中断ATD中断的第一个任务是及时传送结果寄存器中的值，因为ATD一直在以扫描方式收集和传送。如果转移不及时，新结果将覆盖原始结果。然后ATD中断程序需要根据一系列计数器的值计算出与采集结果相对应的图像位置，然后将图像位置保存到数组中。最后，ATD中断还确定行何时结束以及场景何时结束。等待奇数场同步定时等待行同步我们应该收集吗？打开自动驾驶仪等待ATD中断一行？关闭自动驾驶仪完整的？开始YYYNNN保存数据图4.2视频采集流程图硬件电路系统的设计与实现5.1硬件电路设计方案从硬件电路设计开始，我们就设定了系统的设计目标：可靠、高效、简洁，并在整个系统设计过程中严格遵循规范。可靠性是系统设计的首要要求。我们为电路设计的所有环节设计了电磁兼容性。我们在所有部件的接地、屏蔽和过滤方面做得很好。我们将高速数字电路与模拟电路分开，使系统的可靠性满足设计要求。高效率意味着这个系统的性能应该足够强。我们主要从以下两个方面实现了这一点：1.利用外部模数转换器实现高速模数转换，大大提高了图