移动式机器人图像循迹

1、北京工业大学毕业设计（论文）北京工业大学毕业设计（论文）移动式机器人系统设计及其运动控制研究姓名： 刘冰学号：10020029指导教师：阮晓钢北京工业大学毕业设计（论文）任务书题目移动式机器人系统设计及其运动控制研究专业电子信息工程（实验班）学号10020029姓名刘冰主要内容、基本要求、主要参考资料等:主要内容： 1.移动式机器人硬件系统结构的搭建 2.移动式机器人硬件系统的元器件选型及模块调试 3.移动式机器人寻迹算法的设计 基本要求： 1搭建移动式机器人硬件架构 2进行元器件的选型 3完成系统的模块调试以及系统的联调 4基于PID控制算法，实现移动机器人的寻迹运动控制 主要参考资料： 1

2、移动式机器人的相关资料 2PID控制器及LQR控制相关文献 完成期限: 2014-6-10指导教师签章: 专业负责人签章: 2014-3-1摘要移动式机器人在生活中的应用非常广泛。随着计算机技术，人工智能技术和传感器技术的迅速发展，移动式机器人控制系统的研究具备了坚实的技术基础和良好的发展前景。移动式机器人其主要研究内容按机器人工作环境不同可分为静态结构化环境、动态已知环境和动态不确定环境, 按机器人获取环境信息的方式不同可分为基于模型的路径规划和基于传感器的路径规划。移动式机器人的自动寻迹在近年来越来越成为移动式机器人的热点话题。本文首先介绍了如何搭建移动式机器人硬件结构，包括底层车身设计，

3、电机设计，驱动器设计以及上层稳压电路和以MKL25Z128VLK4单片机为核心的控制器外围电路设计。其次介绍了在硬件结构搭建成功的基础上，如何对移动式机器人进行寻迹和避障控制。软件的编译采用了IAR编译环境。首先使用CCD线型摄像头采集道路图像信息，将采集到的数据给单片机，其次用单片机对信息进行二值化阈值处理，由于预先设定好了中线期望值，判断好黑线位置后，利用单片机输出的PWM波控制电机，最后再利用PID控制算法使得移动式机器人最终能够实现寻迹行走。此外利用红外距离传感器作为距离检测设备，根据传感器返回值，再通过单片机作用于电机，顺利地实现了移动式机器人的避障功能。关键词：移动式机器人、PID

4、算法、寻迹、避障AbstractMobile robots are widely used in our daily life. With the rapid development of computer technology, artificial intelligence technology and sensor technology, research on mobile robot control system has got a solid technical foundation and good prospects for development.The main resea

5、rch contents of Mobile robots can not only be divided into static structured environment, dynamic known environment and dynamic uncertain environment according to the robots working environment but also divided into model based path planning and path planning based on sensor according to the differe

6、nt ways for robots to obtain environmental information. Automatic tracing of mobile robots has become an increasingly hot topic. The construction of a Mobile robot is introduced in this paper, including the underlying body design, the electrical machine design, Drive design, the voltage stabilizing

7、circuit design and controller peripheral circuit design with MKL25Z128VLK4 microcontroller as the core. The tracking and obstacle avoidance control of the robot is presented on the basis of the hardware struction. The software is compiled under IAR compiler environment.CCD linear camera is used to c

8、ollect path line location information and deliver the obtained data to the MCU. Information on thetwothresholdprocessing is also done by the MCU. The centerline expectations is predetermined and the path line location is estimated. The motor is controlled by PWM wave produced by the MCU. The PID con

9、trol algorithm makes the mobile robot can eventually achieve tracing walking. The return value of infrared distance sensor, which is a distance detection equipment, is used by the MCU to put an effect on the electrical machine in order to succeed in realizing the obstacle avoidance function of mobil

10、e robot.Keywords: mobile robot, PID algorithm, tracking, obstacle avoidance目 录摘要2ABSTRACT3第一章. 绪 论61.1移动式机器人研究背景61.2移动式机器人的关键技术71.2.1技术介绍71.2.2传感技术81.2.3机器人智能控制技术91.2.4移动式机器人路径规划技术101.2.5电源技术101.3国外移动式机器人发展现状111.4本章小节及研究意义13第二章. 系统方案设计与论证142.1 任务要求142.1.1设计任务142.1.2 实现功能142.1.3 技术要求152.2 总体方案设计162.3

11、 移动式机器人的方案设计与论证172.4 驱动电机模块的选定172.5寻迹传感器模块的选定182.6避障模块选定182.7单片机控制模块的选定182.8寻迹算法的选定192.9最终方案19第三章. 硬件设计203.1系统工作原理及功能简介203.2电源稳压203.3 CCD线型摄像头213.4采用PWM调速的直流电机233.4.1 PWM的简介233.4.2电机驱动233.4.3原理图243.5红外避障传感器273.6移动式机器人整体设计293.6.1 CPU引脚的设定293.6.2整体设计31第四章. 软件设计324.1 PID控制原理分析324.2 PID参数调节334.2.1 PID参数

12、的影响334.2.2 PID参数的整定344.4 PID在移动式机器人上的实际应用35总 结37致 谢38参考文献39附录40附录硬件设计原理图40附录硬件设计PCB图42附录移动式机器人实物图44附录IV移动式机器人实际寻迹图44附录V完整软件程序45附录VI程序流程图53第一章. 绪 论1.1移动式机器人研究背景移动式机器人，是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多功能于一体的综合系统。它集中了传感器技术、信息处理、电子工程、计算机工程、自动化控制工程以及人工智能等多学科的研究成果，代表机电一体化的最高成就，是目前科学技术发展最活跃的领域之一。随着机器人性能不断地完善，移动式机

13、器人的应用范围大为扩展，不仅在工业、农业、医疗、服务等行业中得到广泛的应用，而且在城市安全、国防和空间探测领域等有害与危险场合得到很好的应用。因此，移动式机器人技术已经得到世界各国的普遍关注。移动式机器人的研究始于60 年代末期。斯坦福研究院(SRI)的Nils Nilssen 和Charles Rosen 等人，在1966年至1972 年中研发出了取名Shakey的自主移动机器人1。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。根据移动方式来分，可分为：轮式移动机器人、步行移动机器人(单腿式、双腿式和多腿式)、履带式移动机器人、爬行机器人、蠕动式机器人和游动式机器

14、人等类型；按工作环境来分，可分为：室内移动机器人和室外移动机器人；按控制体系结构来分，可分为:功能式(水平式)结构机器人、行为式(垂直式)结构机器人和混合式机器人；按功能和用途来分，可分为:医疗机器人、军用机器人、助残机器人、清洁机器人等；一种由传感器、遥控操作器和自动控制的移动载体组成的机器人系统。移动式机器人具有移动功能，在代替人从事危险、恶劣（如辐射、有毒等）环境下作业和人所不及的（如宇宙空间、水下等）环境作业方面，比一般机器人有更大的机动性、灵活性。移动式机器人是一种在复杂环境下工作的，具有自行组织、自主运行、自主规划的智能机器人，融合了计算机技术、信息技术、通信技术、微电子技术和机器

15、人技术等。移动式机器人有着十分广泛的应用前景。结合传感器、自动控制等技术，智能车可以出色地完成人们下达的任务，比如自动运送乘客、货物等。尤其在一些不适合人类工作的环境中，智能车的应用更为常见。比如在能见度很低的雾天，利用车上安装的测距仪，车的安全性将不受大雾影响; 在仓库、码头或危险、有毒的恶劣环境中，智能车都可以代替人们工作，竭诚为人类服务。在工业机器人问世30 多年后的今天, 机器人已被人们看作是一种生产工具。在制造、装配及服务行业, 机器人的应用取得了明显的进步。由于传感器、控制、驱动及材料等领域的技术进步, 通过智能机器人系统, 首次在制造领域以外的服务行业, 开辟了机器人应用的新领域

16、, 让机器人作为“人的助手”,使人们的生活质量得以提高。目前在许多领域已经进行了很大的努力来开发服务机器人系统, 并力争在较大范围内使用。这些机器人系统尽管有不同的应用领域, 但其所从事的工作仅限于维护保养、修理、运输、清洗、保安、救援及数据采集等方面。在服务行业中使用的机器人, 要求所提供的服务技术含量高, 工作安全可靠, 还要求它的市场潜力大, 对用户有使用价值, 对经营者有经济效益。与普通工业机器人不同, 服务机器人是一种适用于具体的方式、环境及任务过程的机器人系统, 其活动空间大, 因此往往是移动式机器人。移动式机器人狭义上指的是地面可移动机器人, 主要包括军事领域和民用服务领域机器人

17、两种。军事智能机器人包括侦察机器人、爆炸物处理机器人和步兵支援机器人等, 种类繁多、功能强大、用途广泛, 发展潜力巨大。在民用移动服务机器人方面, 日本和美国处于遥遥领先的地位。机器人被广泛用于扫除、割草、室内传送、导盲、导游、导购、室内外清洗和保安巡逻等各个方面。在国内, 上海大学研制出导购机器人, 哈尔滨工业大学研制出导游机器人和清扫机器人等。从广义上讲,移动机器人也包括空间机器人( 如美国的火星探路者) 和水下机器人( 如我国研制的海下6000m探测机器人) , 它对机器人的控制技术、传感技术和材料等方面提出了更高的要求。1.2移动式机器人的关键技术1.2.1技术介绍移动式机器人的控制是

18、一个既关键又复杂的问题，需要考虑到道路形状和机器人自身等各种因素的影响。阐述了采用增量式PID 控制算法对智能车控制的方法。试验表明，增量式PID 控制算法的采用使得智能车舵机的响应速度加快，方向控制更流畅，小车的稳定性和速度也得到了很大的提高。移动式机器人的路径规划就是给定机器人及其工作环境信息, 按照某种优化指标, 在起始点和目标点间规划出一条与环境障碍无碰的路径。机器人路径规划的研究始于20 世纪70 年代, 目前对这一问题的研究仍十分活跃, 许多学者做了大量的工作。其主要研究内容按机器人工作环境不同可分为静态结构化环境、动态已知环境和动态不确定环境, 按机器人获取环境信息的方式不同可分

19、为基于模型的路径规划和基于传感器的路径规划。机器人路径规划的方法主要有: C-空间法、人工势场法、可视图法、单元分解法和分解法等。这些方法各有所长, 但离完全实用化还有一段距离,需多方面技术的提高和改进。一个理想化完善的移动式服务机器人系统通常由3 个部分组成: 移动机构、感知系统和控制系统。移动机构是服务机器人的本体, 决定机器人的运动空间, 有步行机构、轮式机构、履带式机构和混合机构等几种。感知系统一般采用CCD 摄像机、激光测距仪、超声测距仪、接触和接近传感器、红外线传感器和雷达定位传感器等。随着计算机技术、人工智能技术和传感技术的迅速发展, 移动式服务机器人控制系统的研究具备了坚实的技

20、术基础和良好的发展前景。服务机器人的控制与工作环境的有关信息往往是多义的、不完全的或不准确的, 还可能随着时间而改变。因此在部分已知或未知的环境中同时又要求自主执行任务时, 应以最大的人员安全性及功能可靠性为条件, 用传感器探测环境、分析信号, 以及通过适当的建模方式来理解环境, 具有特别重要的意义。近年来对智能机器人的研究表明, 对于工作在复杂或非结构化环境中的自主式移动机器人, 要进一步提高其自主程度, 主要依靠模式识别及障碍物识别, 实时数据传输及适当的人工智能方法, 还要进一步开发全局模型, 从而为机器人获取全局信息。目前发展较快、对服务机器人的发展影响较大的关键技术是: 传感技术、智

21、能控制技术、路径规划技术、电源技术等。1.2.2传感技术为了让机器人正常工作, 必须对机器人的位置、姿态、速度和系统内部状态等进行监控, 还要感知机器人所处的工作环境的静态和动态信息,使得机器人相应的工作顺序和操作内容能自然地适应工作环境的变化。有效地获取内部和外部信息, 对移动式服务机器人的正常工作、提高工作效率、节省能源和防止意外事故都是非常重要的。表1 内部传感器表2 外部传感器目前已开发出各种各样的传感器, 可分为内部传感器和外部传感器两大类。内部传感器用于监测和控制机器人自身, 外部传感器安装在机器人上, 用于感知外部环境信息。具体如表1、表2所示。1.2.3机器人智能控制技术智能控

22、制是具有智能信息处理、智能反馈和智能控制决策的控制方式, 是控制理论发展的高级阶段, 主要用来解决那些用传统方法难以解决的复杂系统的控制问题, 智能控制研究对象的主要特点是具有不确定的数学模型、高度的非线性和复杂的任务要求。现在实用的控制方法有: 多级递阶智能控制、基于知识的智能控制、模糊控制、神经控制、基于规则的仿人智能控制、基于模式识别的智能控制和混沌控制等。而目前在移动式服务机器人控制中应用最多的智能控制方法是模糊控制和神经网络控制。1.2.4移动式机器人路径规划技术移动机器人的路径规划就是给定机器人及其工作环境信息, 按照某种优化指标, 在起始点和目标点间规划出一条与环境障碍无碰的路径

23、。机器人路径规划的研究始于20 世纪70 年代, 目前对这一问题的研究仍十分活跃, 许多学者做了大量的工作。其主要研究内容按机器人工作环境不同可分为静态结构化环境、动态已知环境和动态不确定环境, 按机器人获取环境信息的方式不同可分为基于模型的路径规划和基于传感器的路径规划。机器人路径规划的方法主要有: C-空间法、人工势场法、可视图法、单元分解法和分解法等。这些方法各有所长, 但离完全实用化还有一段距离,需多方面技术的提高和改进。1.2.5电源技术移动电源的地位在移动式服务机器人中历来十分重要, 可以说是它的生命源。移动电源需要同时满足机器人的多种能源需要, 如为移动机构提供动力、为控制电路提

24、供稳定的电压和为服务执行模块提供能源等。在移动式服务机器人领域, 一般采用化学电池作为移动电源。理想的电池应该具有十分高的能量密度、能够在放电过程中保持恒定的电压、内阻小以便具有快速放电能力、能够耐高温、可充电以及成本低等。但实际上没有一种电池可同时具备上述优点, 这就要求设计人员根据实际任务的需要, 选择一种合适的电池。表3 简单介绍了各种电源的化学电池的性能和特点。表3各种可作为机器人移动电源的化学电池1.3国外移动式机器人发展现状目前在欧美、日本等西方发达国家, 移动式服务机器人已广泛应用于五大领域: 医疗福利服务、商场超市服务、餐厅旅馆服务、维修清洗服务和家庭服务。图1.1.1 为美国

25、Pr obo tics 公司1999 年生产的Cye 小型家用移动式服务机器人, 它可牵引一辆小型拖车在室内运送饮料、信件等生活用品, 或牵引吸尘器进行室内清扫工作。Cye 采用双轮差动图1.1.1 Cye 家庭服务机器人驱动方式, 环境信息的获取采用地图输入方式, 可跟踪声音信号, 任务完成后能自动返回总站待命。图1.1.2 为美国Denning 公司与Windso r 工业公司90 年代初合作生产的地面吸尘机器人Robo-Scrub图1.1.2 RoboScrub 清扫机器人它采用超声传感检测障碍, 并配有高精度激光导航系统。RoboScrub 的导航系统需要光码条来实现机器人定位, 限制

26、了其应用范围。Kent公司设计了另外一种清扫机器人Ro boKent , 如图1.1.3 所示, 图1.1.3 RoboKent 吸尘机器人它不需要导引条码或定位路标, 但需要操作者辅助其完成对清扫区域周边的探测, 因而其清扫区域限于简单的矩形区域。另外, Denning 公司还设计了保安机器人Denning Sent ry, HelpMate 公司设计了医用物品运输机器人HelpMate, 分别如图1.1.4、图1.1.5 所示。日本Honda 公司设计了仿人机器人P2 和P3, 如图1.1.6 所示。图1.1.7 为用于飞机清洗的清洗服务机器人,图1.1.8 为在加油站为汽车自动加油的加油

27、机器人。 图1.1.4 Robos ent ry 保安机器 图1.1.5 HelpM at e 护理机器人图1.1.6 P2、P3 仿人机器人 图1.1.7清洗服务机器人 图1.1.8 德国的加油机器人 1.4本章小节及研究意义本章作为全文的绪论部分，提出了课题的特点和研究意义，列举了国内外该课题的研究现状，并就课题的主要研究相关工作进行了阐述。移动式机器人是继工业机器人之后的又一新的应用领域, 预期在21 世纪将会得到广泛应用, 有着广泛的市场前景。第二章. 系统方案设计与论证2.1 任务要求2.1.1设计任务（1）移动式机器人硬件系统结构的搭建； （2）设计适当的寻迹算法使得移动式机器人能

28、够完成避障以及寻迹功能；2.1.2 实现功能移动式机器人首先通过传感器获取目标道路信息，然后结合当前的行驶状态智能地做出决策，对其行驶方向与行车速度进行调整，从而达到准确快速跟踪道路的目的，并对前方障碍物进行识别预先判断规避风险。移动式机器人的主体部分，由车身、轮子、速度传感器、转动轴等结构部件构成。还包括提供动力的驱动器，采集环境信息的摄像头等模块，综合实现收集机器人的自身状态信息或外部环境信息，并对传感器的数据进行分析、融合，动态调整机器人的运动状态，实现在一定条件下的自主寻迹行驶。如图2.1.2所示大致描绘移动式机器人的工作功能。图2.1.2 功能示意图图中描绘出了移动式机器人可以沿任意

29、轨道黑线，直线，曲线皆可进行移动，并且可以感知前方道路的障碍物以及时躲避。2.1.3 技术要求电源管理模块：电源管理模块是整个智能车系统的基础，整个系统的电源是有6节1.2伏组成7.2V的可充电电池提供，而各个模块所需要的电压却不相同，所以就需要电源管理模块将电池电压转化成各个模块所需要的电压，这样各个模块才能工作。道路信息采集模块：道路信息采集模块就相当于移动式机器人的“眼”，智能车依靠道路信息采集模块采集前方道路信息交给核心板处理，以识别不同的路径。核心板：采用红树公司的MKL25Z128VLK4单片机制作的最小系统，是整个系统的核心，整个系统得到的外部信息都交给核心板处理，核心板再发出决

30、策控制信号，控制各个模块的运行。舵机转向模块：核心板识别路径后发出转向控制策略，由转向舵机执行，以实现对智能车行驶方向的控制。电机驱动模块：电机驱动模块是移动式机器人的动力所在，移动式机器人的加速与制动性能的好坏都是由电机驱动模块决定的。测速模块：移动式机器人速度控制要合理、行驶稳定，就必须对速度实行闭环控制，测速模块就是检测智能车当前行驶速度以反馈给核心板实现速度的闭环控制。辅助调试模块：控制策略的确定不仅需要理论的分析，还需要实际的调试，辅助调试模块将为后面的调试带来很大的便利。软件开发环境：IAR 软件如图2.1.3图 2.1.3 软件开发换进IAR Systems是全球领先的嵌入式系统

31、开发工具和服务的供应商。公司成立于1983年，提供的产品和服务涉及到嵌入式系统的设计、开发和测试的每一个阶段，包括：带有C/C+编译器和调试器的集成开发环境(IDE)、实时操作系统和中间件、开发套件、硬件仿真器以及状态机建模工具。公司总部在北欧的瑞典，在美国、日本、英国、德国、比利时、巴西和中国设有分公司。它最著名的产品是C编译器-IAR Embedded Workbench, 支持众多知名半导体公司的微处理器。许多全球著名的公司都在使用IAR SYSTEMS提供的开发工具，用以开发的前沿产品，从消费电子、工业控制、汽车应用、医疗、航空航天到手机应用系统.2003年6月，IAR Systems

32、在中国成立办事处；2007年5月，成立爱亚软件技术咨询（上海）有限公司，以加强对中国以及部分东亚国家的产品销售和技术支持。移动式机器人算法的选择PID控制策略其结构简单，稳定性好，可靠性高，并且易于实现。其缺点在于控制器的参数整定相当繁琐，需要很强的工程经验。相对于其他的控制方式，在成熟性和可操作性上都有着很大的优势。所以最后选择了PID的控制方式。PID是一个闭环控制算法。因此要实现PID算法，必须在硬件上具有闭环控制，就是得有反馈。比如控制一个电机的转速，就得有一个测量转速的传感器，并将结果反馈到控制路线上，下面也将以转速控制为例。PID是比例(P)、积分(I)、微分(D)控制算法。但并不

33、是必须同时具备这三种算法，也可以是PD,PI,甚至只有P算法控制。比例(P)、积分(I)、微分(D)控制算法各有作用： 比例，反应系统的基本（当前）偏差e(t)，系数大，可以加快调节，减小误差，但过大的比例使系统稳定性下降，甚至造成系统不稳定； 积分，反应系统的累计偏差，使系统消除稳态误差，提高无差度，因为有误差，积分调节就进行，直至无误差； 微分，反映系统偏差信号的变化率e(t)-e(t-1)，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除，因此可以改善系统的动态性能。但是微分对噪声干扰有放大作用，加强微分对系统抗干扰不利。积分和微分都不能单

34、独起作用，必须与比例控制配合。2.2 总体方案设计移动式机器人首先通过传感器获取目标道路信息，然后结合当前的行驶状态智能地做出决策，对其行驶方向与行车速度进行调整，从而达到准确快速跟踪道路的目的。整体思路如图2.2 所示。图2.2 整体思路示意图2.3 移动式机器人的方案设计与论证方案1：自己制作移动式机器人 自己制作车体，组装合适的电机及电机驱动板，自制探测器，并利用开发板做控制驱动小车。但自己制作的移动式机器人，车体会比较粗糙，车身重量、平衡，小车的电路设计，这些都比较难良好地实现。方案2：购买专用电动车 购买专用电动车具有组装完整的车架车轮，甚至有完整的电机装配和电机驱动板。用自制探测器

35、或购买完整探测模块，并用开发板控制小车运动。这种专用电动车装配紧凑，各种所需电路的安装十分方便，看起来也比较美观。而且，用专用电动车具有完整的电机装配和电机驱动，这用就省去了对电机传动和电机驱动的设计和实现。综合考虑，选定了方案1作为初步方案。2.4 驱动电机模块的选定方案1：采用步进电机作为该系统的驱动电机，且能准确的测量速度、路程以及时间，简化编程和硬件连接的工作量。但步进电机的输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，其转速较低，不适用于小车等有一定速度的系统。方案2：采用直流电机作为该系统的驱动电机 直流电机的控制方法比较简单，只需给电机的两根控制线加上适当的电压即可

36、使电机转动起来，电压越高则电机转速越高。而且改变正负极可方便的改变电机转动的方向，方便改变小车的行进状态。直流电机的速度调高，可以采用改变电压的方法，也可采用PWM调速方法。PWM调速就是使加在直流电机两端的电压为方波形式，通过改变方波的占空比实现对电机转速的调节。与其它调速系统相比，PWM调速系统有下列优点：1. PWM从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。2. 对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点3由于电力电子器件只工作在开关状态，主电路损耗较小，装置效率较高。4主电路简单，所用功率元件少。5低速性能好，稳定精度高，调速范围宽。综合考虑，本设计采用了方

37、案2。2.5寻迹传感器模块的选定方案1：采用发光二极管+光敏电阻，该方案缺点明显：易受冻外界光源的干扰，有时甚至检测不到黑线，主要是因为可见光的反射效果跟地表的平坦程度，地表材料的反射情况对检测效果产生直接影响。而且外界的可见光对设备的影响很大，而且不容易克服外界可见光的干扰。方案2：采用红外光电对管，由于只需分辨黑白，红外光电对管有一个管发射红外线一个用于接收红外线，当红外线照射到黑线上时不会发射回来，当红外线照射到白色的地方就会返回，光电对管发射的同时也能接收红外信号，整个检测设备简单，稳定性高，速度快。缺点是检测距离短，优点是成本低，易于操作。方案3：采用CCD线性摄像头进行黑白颜色的采

38、集于分辨，CCD 摄像头依靠其前瞻性得到一副任意弯曲的白色路径画面, 对图像画面A/ D 采样后进行二值化处理, 然后提取出白线中心, 得到一组白线中心坐标值, 选取图像最近和最远两个白点中心的坐标值, 再根据小车预设轴线中心可计算得到小车的偏差方向值和偏离程度值; 通过实时采样, 可以实现智能小车的智能识别与动态跟踪，且可以很好地适用与PID算法和整体设计。根据以上分析，采用方案3。2.6避障模块选定方案1：继续使用CCD摄像头进行对障碍物的判断和识别，但是有可能会与移动式机器人的寻迹功能冲突。方案2：采用红外距离传感器进行障碍物的识别和距离的判断，可以精确判断到障碍物与移动式机器人的相对位

39、置使单片机进行相应的控制，更好地实现移动式机器人避障功能。2.7单片机控制模块的选定考虑到整个系统的简单、方便性，控制模块采用MKL25Z128VLK4单片机作为主控制芯片，该芯片有足够的存储空间，可以方便的在线ISP下载程序，能够满足该系统软件的需要，该芯片提供了两个计数器中断，对于本作品系统已经足够，采用该芯片可以比较灵活的选择各个模块控制芯片，能够准确的计算出时间，有很好的实时性。而且MKL25Z128VLK41有很强的扩展性，使用简单，灵活性高且价廉。所有直接采用MKL25Z128VLK4作为主控芯片。2.8寻迹算法的选定移动式机器人需要一个闭环的寻迹算法，在寻迹算法的选择上考虑了LQ

40、R算法与PID两种算法，但最终综合考虑选择使用PID作为移动式机器人最终寻迹算法。PID算法的优点以及选取原因后面会详细写到。2.9最终方案经过反复论证，最终确定了如下方案：1车体是自行设计框架，主要模块原件网上购买；2采用MKL25Z128VLK4单片机作为控制核心。3采用六节1.2V干电池供电。4用CCD红外线性摄像头作为寻迹传感器。5. 采用PID寻迹算法图2.9 系统结构框图第三章. 硬件设计3.1系统工作原理及功能简介本系统利用MKL25Z128VLK单片机作为本系统的主控模块，采用CCD红外线性摄像头识别黑线轨迹，用红外距离传感器检测障碍物实现避障，由单片机对传感器识别到的信号加以

41、分析和判断，并通过对直流电机的控制来实现自动寻迹并灭火，系统工作原理框图如图3.1所示。图3.1 系统工作原理框图3.2电源稳压用六节干电池为整个系统供7.2V电。再用三端稳压管转换为电机和单片机需要的电压。单片机需要5V的电压，所以使用LM7805稳压芯片所设计成的稳压电路为其供电，电动机使用7.2V的电压，6个干电池串联直接为其供电。单片机和电动机能否正常工作，电源供电情况是一个重要方面。为了防止电源掉电而影响电路调试和程序调试，故采用六节充电电池为整个系统供电。市场上5V的稳压芯片有很多，例如，线性的LM2940、L7805；开关型的LM2575、LM2596。其中线性的LM2940、L

42、7805转换效率比较低，只有40%左右，但是输出波纹很小，对于单片机这种对电源要求比较高的元件而言很合适，而LM2575、LM2596等开关型稳压芯片，转换效率可以达到75%甚至80%以上，但是输出有波纹，很可能让单片机出现重启现象。所以最终选用LM7805稳压电路如图3.2.图 3.2 LM7805原理图3.3 CCD线型摄像头根据感光原理可以分为 CCD 图像传感器和 CMOS 图像传感器 ：CCD 摄像头的优点是图像质量高，动态性能好。缺点是素元颗粒大，体积大，能耗高（往往需要 12VDC 升压电路），需要外围电路控制，且无法和外围信号处理电路集成。CMOS 的缺点是图像质量较 CCD

43、差，动态性能不是很好，但是CMOS 的优点是像素元颗粒小，体积也小， CMOS 图像传感器功耗小，一般只需 5V 电压即可工作，甚至有 3.3V 型号，相较与 CCD 动辄 12V 的输入需求相比，CMOS 传感器的电源与系统大多数芯片和控制电路相兼容，无需额外升压电路，无形中简化了电路，提高了可靠性7。 根据信号输出形式又可以分为模拟信号输出与数字信号输出 ：数字摄像头由于内置AD，不仅省去了视频分离模块，也使图像处理变得更加简单，从而增加了图像采集的精度。但是模拟摄像头不仅需要使用外围的视频分离电路，而且需要AD进行数据转换，因此其电路麻烦，操作相对比较复杂。所以选用CCD摄像头见下图（3

44、.3.1）实物图 3.3.1 LM7805原理图CCD摄像头供电模块如图(3.3.2)：图 3.3.2 CCD摄像头供电原理图这种CCD摄像头可以采集移动式机器人前方一条横线上的128个点，每个点又有0-255个数据，这样采用二值化阈值的方法提取黑线信息如下：uint16 YuZhi(uint8 line) uint8 max=line0,min=line0,i=0; uint16 mid; for(i=1;i128;i+) if(maxlinei) min=linei; mid=(max+min)/2; if(mid80) mid=80; return mid;其中在库函数里面有：delay

45、_for_TSL1401(); BJUT_GPIO_Set_b(ptmx, port_bit+1, 1);/CLK delay_for_TSL1401(); BJUT_GPIO_Set_b(ptmx, port_bit+1, 0);/CLK delay_for_TSL1401(); for(i = 0; i 0正转 */void Lun_L(int16 g) if(g10000) g=10000; else if(g=0) BJUT_TPM_PWM_ChangeDuty(TPM0,4, g); BJUT_TPM_PWM_ChangeDuty(TPM0,1, 0); else BJUT_TPM_

46、PWM_ChangeDuty(TPM0,4, 0); BJUT_TPM_PWM_ChangeDuty(TPM0,1, -g); void Lun_R(int16 g) if(g10000) g=10000; else if(g=0) BJUT_TPM_PWM_ChangeDuty(TPM0,3, g); BJUT_TPM_PWM_ChangeDuty(TPM0,0, 0); else BJUT_TPM_PWM_ChangeDuty(TPM0,3, 0); BJUT_TPM_PWM_ChangeDuty(TPM0,0, -g); 控制电机动作大小的方法如下：void DianJi(int16 g

47、) if(g4000) g=4000; else if(g=0) Lun_L(6000+g); Lun_R(6000-(int16)(g*1.75); else Lun_L(6000+(int16)(g*1.75); Lun_R(6000-g); 3.5红外避障传感器该传感器模块对环境光线适应能力强，其具有一对红外线发射与接收管，发射管发射出一定频率的红外线，当检测方向遇到障碍物（反射面）时，红外线反射回来被接收管接收，经过比较器电路处理之后，绿色指示灯会亮起，同时信号输出接口输出数字信号（一个低电平信号），可通过电位器旋钮调节检测距离，有效距离范围280cm，工作电压为3.3V-5V。该传感

48、器的探测距离可以通过电位器调节、具有干扰小、便于装配、使用方便等特点，可以广泛应用于机器人避障、避障小车、流水线计数及黑白线循迹等众多场合。当模块检测到前方障碍物信号时，电路板上绿色指示灯点亮电平，同时OUT 端口持续输出低电平信号,该模块检测距离280cm，检测角度35，检测距离可以通过电位器进行调节，顺时针调电位器，检测距离增加；逆时针调电位器，检测距离减少。传感器主动红外线反射探测,因此目标的反射率和形状是探测距离的关键。其中黑色探测距离最小,白色最大;小面积物体距离小,大面积距离大。传感器模块输出端口OUT 可直接与单片机IO 口连接即可，也可以直接驱动一个5V 继电器；连接方式：VC

49、C-VCC;GND-GND;OUT-IO。比较器采用LM393，工作稳定；可采用3-5V 直流电源对模块进行供电。当电源接通时，红色电源指示灯点亮；该避障模块原理图如下图3.5图 3.5 避障模块原理图而控制避障的方法非常简单，移动式机器人前面左右两边各放个一个红外距离传感器，当哪边的传感器返回值后，就意味着对应的那边有障碍物，这时让相应的电机加速转动以避过障碍物，随后加上一段延迟以彻底避开障碍物。if(!BJUT_GPIO_Get_b(PTE, 20) /左边有障碍 BJUT_GPIO_Set_b(PTB, 0, 0); /ZhongXian=34; /偏右 Count0=1; Count1

50、=0; Count2=0; if(!BJUT_GPIO_Get_b(PTE, 21) /右边有障碍 BJUT_GPIO_Set_b(PTB, 1, 0); /ZhongXian=74; /偏左 Count0=1; Count1=0; Count2=1; 3.6移动式机器人整体设计3.6.1 CPU引脚的设定图 3.6.1 MKLXXVLK核心板原理图以上为MKL核心板原理图。如图3.6.1所示，CPU的P1.0、P1.1控制小车的左侧电机，P1.4、P1.5控制小车的右侧电机；P3.1输出PWM信号，控制小车电机的转速；P2.4P2.7为火焰传感器输入信号，分别为前、后、左、右侧的火焰传感器的信号，