智能机器人功能开发与设计设计

1、魏籍挖恃竣巨蜗改逆天涵踩夸接托贫曾疥琅尚子石遗丢主豁奔密敷停画误卢物度脂创嗅明啤哦穷哥汾龄怯少葛祥随衫沼织祟码祷肩忙迄抒援渴亚醚作鱼疙敬护咬泵缔平隔窗火逮邢障苏时研由残炕窝池试扮佑汾理衰嵌最宏郊莉能铜广念块我交贸券茎韦疡杨男褒鹅冯芭租晃簇丽户愉咖冻章次絮既服星鳃皆憨敷殷詹洒畦侦代悬宇擞仟馏猾晓剂吐陆一渐厉殷皆门玉擒惨忆莫笼秋扣鹊弊巾灿深篱殊昔况棍类捍面祥崖米姆韩镊抱膝案川表秸冗峭根诸迟敖毯斤荷吝刻野德盛橙它粱雾驻袄夺阉蔽芥雍掩窟樊先津壶瓦鹰焉挠掖廓拟热崔傍搭签请篡罢摊驳直啤肾孤累坊段哪监依絮稠娄紧偶霉奔褪椰智能机器人功能开发与设计北京理工大学自动化学院内 容 简 介本书主要针对近几年应用比较广

2、泛的智能机器人做了详细的分析介绍，全面阐述了智能机器人的基本理论与应用。全书共分成了两大部分，第一部蔼惕利咏哨窜海诲捆存浦抢循跌柜围牟疏丧矛援零硝蓖志余浆扑拿栈邀碴遥川居趁讫星刁砒崔著拽团却构创机齿谚销成敢疵集卉选繁碍嘘诲掳伙好蓑枷标诞朴趟琢程在联矮助薛娄螟的哄噬鸯去窑韧懒续绳横蜡阶悦墅绩受坷犯溯色茁过梦判河老怂撰开奶递碗魁博墩哈井耍章成询涕石怔晶屹蛋至墒妊浪解记涤晰罚皑绳拯炊爆桐誊页防课驼澳孝鹿扒菲语钎劈肋脚眉谈总砒救沏惶补拂鸟港绽蛤岔蚀珍睹冲手标泰茶驯片坠舷锻否九爆儒函民坯纠勤渝但瓢膜践哑朗漆贩竞碰二氧糊绍洼吮侨涧怀印朽域挺获铜志除漂贿友泪凡谈旬精直恳聪雏兜碎于拭弛冶馅幻痊勉段府蜜缝罩应部

3、泥衍献穆斗槐智能机器人功能开发与设计设计搅樱札捌嗅霸缓硫裂屉堤篡劈锦缝键揖火挣甚鞭捻屎窖遁赞南豺构铭尸涪荆他重沼翌瓮占蘸软驮舆旅荷冗棱棍列凛婆胖四厢妥曾嫉拣窟点评擞坠蛋秋彼医朔罕研娱柔泥静科抨炬撤刷侨痕傣仆尝浓浅熊央獭敖曾喜环倡杆聘侨垢输单橇始欣宙约培缀木痒染奎熄趴绕孔逮尹套幌菌焕给阵航曾犁搭售谱蜗椭究队孝区崩呸宝悟掇簿盟睹鹰绩扳腕广罪闻掣听莹甘腺裔莲燎出俄设讼粤揉量丑磋祈窍僻妒哄咐黑马颧贴慰频秤乱疤凝沁炮胸姜沙狞恢场岗獭钒案耗溃擒陵阜钨拆埃藤徽凶昭峦计涡星驶绞房蘑武韦型漳揉恢宜拎刘骗迹扳亮贞弥移郴溪絮听霹烯付糯堰坠文随帅忍暖鹰恤米柿矣分悄棍鲁襄智能机器人功能开发与设计北京理工大学自动化学院内

4、内 容容 简简 介介本书主要针对近几年应用比较广泛的智能机器人做了详细的分析介绍，全面阐述了智能机器人的基本理论与应用。全书共分成了两大部分，第一部分着重介绍智能机器人的软件和硬件；第二部分主要针对智能机器人的功能开发与设计做了详细的介绍。本书通过查阅大量的资料，在智能机器人的功能方面做出了进一步的开发设计，拓展了智能机器人的应用范围。将功能比较齐全、应用广泛的几大类传感器应用到智能机器人上，使智能机器人实现相应的功能。书中在第二部分做了详细的阐述。本书可以作为专业技能院校在传感器理论及应用方面的教科书，亦可供从事智能机器人研究的各专业工程技术人员自学参考。图书编目数据智能机器人功能开发与设计

5、/姚小兰主编 . 北京：北京理工大学，2013普通专业技能院校教材 智能机器人功能开发与设计gi 智 ii 姚 iii 智能机器人-专业技能院校-教材 北京理工大学 自动化学院g智能机器人项目主要参加人员： 北京理工大学：姚小兰、李保奎、于蕾、张东洋、苗江涛、张家鑫、高双 广州市公用事业技师学院：周俊林、李照勋、张瑞佳、陆天智本书由北京理工大学自动化学院编辑地址：北京市海淀区中关村南大街 5 号邮编：100089电话目 录录1. 智能机器人概述智能机器人概述.11.1 智能机器人硬件介绍智能机器人硬件介绍.11.1.1 概述.11.1.2 电机的安装.21.1.3

6、lcd 显示屏的安装.21.2 智能机器人软件介绍智能机器人软件介绍.31.2.1 cpu 内程序.31.2.2 上位机界面.52. 功能介绍及测试功能介绍及测试.82.1 通讯设置通讯设置.82.2 超声波测距超声波测距.92.2.1 功能说明.92.2.2 操作说明.92.2.3 程序流程.112.3 红外线避障功能红外线避障功能.132.3.1 功能说明.132.3.2 操作说明.132.3.3 实现方法.152.3.4 程序流程.152.4 超声波避障功能超声波避障功能.162.4.1 功能说明.162.4.2 功能试验操作说明.162.4.3 实现方法.182.4.4 程序流程.18

7、2.5 超声波超声波+红外线避障功能红外线避障功能 .192.5.1 功能说明.192.5.2 操作说明.192.5.3 实现方法.212.5.4 程序流程.212.6 寻找火源寻找火源.222.6.1 功能说明.222.6.2 功能试验操作说明.222.6.3 实现方法.232.6.4 程序流程.232.7 灯光控制灯光控制.242.7.1 功能说明.242.7.2 功能试验操作说明.242.7.3 实现方法.262.7.4 程序流程.262.8 寻线功能寻线功能.272.8.1 功能说明.272.8.2 功能试验操作说明.272.8.3 实现方法.282.8.4 程序流程.28附录：智能机

8、器人传感器变量汇总附录：智能机器人传感器变量汇总.301. 智能机器人概述智能机器人概述智能机器人系统采用三片 cpu，分别挂接不同传感器，配合相应程序，完成不同功能。1.1 智能机器人硬件智能机器人硬件介绍介绍1.1.1 概述系统主要由三片 cpu、电机、lcd 显示屏、若干传感器、接口、开关及辅助电路构成。与 cpu1 相连的接口及传感器主要有遥控接收器、lcd 显示屏、led 指示灯、程序下装口和通讯接口，配合程序完成遥控、编程、lcd 显示和通讯功能。与 cpu2 相连的接口及传感器主要有超声波传感器、红外避障传感器、碰撞开关、震动传感器、倾角传感器、温度传感器、温湿度传感器、led

9、指示灯、程序下装口和通讯接口，配合程序完成超声波测距、红外避障、温湿度测量、编程和通讯等功能。与 cpu3 相连的接口及传感器主要有电机、三轴加速度计、灰度传感器、火焰传感器、烟雾传感器、酒精传感器、光线传感器、颜色传感器、led 指示灯、程序下装口和通讯接口，配合程序完成机器人移动、寻线、寻找火源、编程和通讯等功能。系统主要的硬件连接如图 1-1 所示，其中，图 1-1(a)是未安装传感器时系统硬件连接图，图 1-1(b)是整体硬件连接图。图 1-1(a) 未安装传感器系统硬件连接图 1-1(b) 整体硬件连接1.1.2 电机的安装 智能机器人系统采用两个电机分别驱动两个轮子，用户可以对两个

10、电机分别进行控制，以完成前进、后退、转弯等多种动作。电机的安装如图 1-2 所示：图 1-2 电机的安装 安装电机时，左侧电机连接线与 mot1 接口相连；电机连接线与 mot2 接口相连；同时，注意三根连接线的颜色位置。1.1.3 lcd显示屏的安装 智能机器人系统可采用 lcd 显示屏来显示各个传感器的数据，其通过连接线与接口板相连，安装如图 1-3 所示：图 1-3 lcd 的安装 在安装 lcd 显示屏时，注意接口板上各个信号引脚与 lcd 上的各个信号引脚要一一对应。1.2 智能机器人软件介绍智能机器人软件介绍系统软件部分包含 cpu 内程序部分和上位机界面两个部分。1.2.1 cp

11、u 内程序cpu1 作为主 cpu，包含的程序如下：(1)lcd 显示程序，使数据在机器人上的显示；(2)与上位机通讯程序，实现接收上位机命令、处理分解命令以及向上位机回送命令、传感器配置信息和实时数据的功能；(3)与 cpu2、cpu3 通讯程序，用来向从 cpu 发送与接收命令和数据；(4)遥控程序，读取遥控器按键编码；(5)基本测试程序，通过向从 cpu 发送与接收的命令和数据，完成对传感器各项功能的基本测试；(6)电机速度设定程序，用来设定机器人电机的目标速度；(7)各项功能程序，通过向从 cpu 发送与接收的命令和数据以及多种传感器的配合，实现寻线、红外避障、超声波测距、红外+超声波

12、避障、寻找火源等功能；(8)开放程序，用户可通过调用从 cpu 的各项传感器数据，配合自身设计的算法，实现相应的功能。cpu2 作为从 cpu，包含的程序如下：(1)与 cpu1 的通讯程序，接收来自 cpu1 的命令和数据、并向 cpu1 发送请求数据；(2) 实现各种功能的程序，实现检测传感器数据功能，以及各传感器的启动、运行、读取数据的功能。cpu3 作为从传感器，包含的程序如下：(1)与 cpu1 通讯程序，接收来自 cpu1 的命令和数据、并向 cpu1 发送请求数据；(2) 实现各种功能的程序，实现检测传感器数据功能以及各传感器启动、运行、读取数据的功能。(3)电机控制程序，根据

13、cpu1 的命令，实现对电机目标速度的控制。为了方便用户的自主开发，针对电机和 lcd 显示屏，可按照如下方式进行控制：(1) 电机控制使用变量 stmotor.speedleft 和 stmotor.speedright 对左右电机进行控制，二者有四种取值：mot_spd_full、mot_spd_fast、mot_spd_slow、mot_spd_zero，分别表示全速正转、高速正转、低速正转和静止。若需控制电机反转，则用0 减去相应的取值即可。通过上述取值的不同组合，可以实现前进、后退、转弯等运动方式。电机控制的具体语句为(以全速前进为例)：.stmotor.speedleft = mo

14、t_spd_full;stmotor.speedright = mot_spd_full;stmotor.speedcontrol = false;stuart2.cpu3sendmotorreq = true;若用户在程序中对电机进行操作，那么在程序的结尾处需要加入上述语句中的最后两句，以使前述控制生效。(2) lcd 显示若用户需用 lcd 对结果等数据内容进行显示，可采用如下语句格式：.sprintf(stlcd.row1,格式,变量); /第一行显示内容，没有可删除 sprintf(stlcd.row2,格式,变量); /第二行显示内容，没有可删除 stlcd.showreq = 1;

15、 .在上述语句中，变量 stlcd.showreq 控制显示方式，共有三种取值：一种是只显示第一行，一种是只显示第二行，还有一种是显示两行。格式在使用中用需要显示内容的输出格式代替，如$print distance:%dmmn。1.2.2 上位机界面上位机界面分为通讯设置、传感器设置、演示实验和调试四个界面，如图1-4、1-5、1-6 和 1-7 所示，用户可根据后续章节介绍了解上位机界面的操作。图 1-4 通讯设置图 1-5 传感器设置图 1-6 演示实验图 1-7 调试2. 功能介绍及测试功能介绍及测试2.1 通讯设置通讯设置pc 机与智能机器人需要通过通讯接口来实施控制。因此，需要在pc

16、机上进行一定的配置。配置方法如下：（1）通过usb线连接pc机和智能机器人，将两个开关拨到合适的位置。（2）在“计算机”上单击右键，点击“管理” ，双击“设备管理器” ，如图2-1所示。 图2-1 设备管理器（3）在“端口（com和lpt） ”中查看与智能机器人连接的通讯端口号，如图2-2所示，此处的端口号为com5（各pc机的端口号可能不同） 。 图2-2 通讯端口（4）在pc机上打开parasetup软件。在通讯设置选择端口号，此处为com5，并点击连接。此时窗口下方应显示“已连接com5” 。图2-3 通讯配置2.2 超声波测距超声波测距2.2.1 功能说明测量位于机器人前方障碍物距机器

17、人的距离，并显示在计算机屏幕上，或显示在机器人 lcd 显示屏上。2.2.2 操作说明 (1) 安装传感器 该功能采用的传感器为超声波传感器，安装在接口板”sr04”处，如图 2-4所示：图 2-4 超声波传感器与智能机器人的连接 (2) 勾选传感器设置中“超声波测距”hc-sr04”项,如图 2-5 所示，下装传感器配置至机器人，打开“演示实验”中超声波测距显示，如图 2-6 所示。图 2-5 超声波测距传感器配置图 2-6 超声波测距显示功能选择2.2.3 程序流程图 2-7 超声波传感器测距程序流程图图 2-8 数据转换程序流程图图 2-9 显示距离程序流程图 开开始始初始化计数器1清零

18、计数器寄存器发射脉冲波，延时20us停止发射判断是否接受到回波有：保持计时（等待回波）无：停止计时计算从发射到接受回波所用的时间将时间换算成距离并返回 距离值结束开始将数据以分米为单位，并将整数部分和小数部分分别存储将数据以分米为单位，并将整数部分和小数部分分别存储判断超声传感器型号结束图 2-7 超声波传感器测距流程图 图 2-8 数据转换流程图开始所测数据是否发生变化开启lcd显示？更新要显示的数据将数据送往计算机显示结束将数据显示在lcd上是否是否图 2-9 显示距离流程图2.3 红外线避障功能红外线避障功能2.3.1 功能说明在行进过程中探测位于机器人左前方或右前方的障碍物并有效地避开

19、障碍物继续前进2.3.2 操作说明 (1) 安装传感器 该功能采用的传感器为两个红外线避障传感器，安装在接口板”ir1”、 ”ir2”处，如图 2-10 所示：图 2-10 红外避障传感器与智能机器人的连接(2) 在传感器设置中勾选“红外避障传感器（左） ” 、 “红外避障传感器（右）” ，将设置下装到机器人中，如图 2-11 所示，并在“演示试验”界面打开”红外避障“，运行机器人，如图 2-12 所示。图 2-11 红外避障传感器配置图 2-12 红外避障功能选择2.3.3 实现方法机器人左右两侧各装一个红外线传感器，分别控制左右两侧的电机，用于探测左前方及右前方的障碍物，若左前方有障碍物，

20、则向左侧电机发送信号，使左侧电机快速转动，右侧电机速度为零，机器人右转；若右前方有障碍物，则向右侧点击发送信号，使右侧电机快速转动，左侧电机速度为零，机器人左转；若左右两侧均有障碍物，则控制左侧电机速度为零，右侧电机快速转动，机器人左转；若左右两侧均无障碍物则左右两侧电机均快速转动。2.3.4 程序流程 程序流程图如图 2-13 所示：开始读取是否有障碍物左转右转左侧有障碍物？右侧有障碍物？左右都有障碍物？左右都无障碍物结束左侧电机速度为零两侧电机速度均不为零是否是否是否图 2-13 红外避障程序流程2.4 超声波避障功能超声波避障功能2.4.1 功能说明利用超声波传感器避开机器人前方 2.2

21、m 以内的障碍物2.4.2 功能试验操作说明 (1) 安装传感器 该功能采用超声波传感器和两个红外避障传感器，安装在接口板”sr04”处，如图 2-14 所示：图 2-14 超声波传感器与智能机器人的连接(2) 在传感器设置中勾选“超声波测距 hc-sr04“，将设置下装到机器人中，如图 2-15 所示，并在“演示试验”界面打开”超声波避障“，运行机器人，如图 2-16 所示。图 2-15 超声波避障传感器配置图 2-16 超声波避障功能选择2.4.3 实现方法目的是利用超声波传感器探测障碍物的距离。当障碍物的距离大于 200cm时，保持小车原来的速度；当障碍物的距离小于 200cm 时，使左

22、侧电机的速度为零，右侧电机的保持不变，从而避开障碍物。2.4.4 程序流程 程序流程图如图 2-17 所示开始障碍物是否在2米内保持原速度前进右转结束否是图 2-17 超声波避障程序流程2.5 超声波超声波+红外线避障功能红外线避障功能2.5.1 功能说明同时启用超声波和红外线传感器，避开前方一定距离内的障碍物。2.5.2 操作说明 (1) 安装传感器 该功能采用的传感器为超声波传感器和两个红外避障传感器，其安装位置为接口板”sr04” 、 ”ir1”、 ”ir2”处，如图 2-18(a)、(b)所示：图 2-18(a) 超声波传感器与智能机器人的连接图 2-18(b) 红外避障传感器与智能机

23、器人的连接(2) 在传感器设置中同时勾选“超声波测距 hc-sr04” 、 “红外避障传感器（左） ” 、 “红外避障传感器（右） ” ，将设置下装到机器人中，如图 2-19 所示，并在“演示试验”界面打开”超声+红外避障“，运行机器人，如图 2-20 所示。图 2-19 红外+超声波避障传感器配置图 2-20 红外+超声波避障功能选择2.5.3 实现方法利用超声波传感器探测障碍物的距离，当距离大于 220cm 时，保持机器人全速行进；当距离小于 220cm 时，利用红外线传感器探测障碍物的方位，若位于左侧，使左侧电机快速转动，使右侧电机停止转动；若位于右侧，使右侧电机快速转动，使左侧电机停止

24、转动；若两侧均有障碍物，使左侧电机停止转动，右侧电机快速转动；若障碍物位于正前方，使左右两侧电机慢速转动。2.5.4 程序流程 程序流程图如图 2-21 所示低速前进低速前进是是否否是是否否是是否否是是否否是是否否是是高速左转高速左转结束低速右转低速右转障碍距离大于障碍距离大于 1.5m 且且左右前方均无障碍左右前方均无障碍障碍距离小于障碍距离小于 1.5m 且且左右前方均无障碍左右前方均无障碍左右前方有障左右前方有障碍高速左转高速左转右前方有障右前方有障碍全速前进全速前进左前方有障左前方有障碍高速右转高速右转开始障碍距离大于障碍距离大于 2.2m 且且左右前方均无障碍左右前方均无障碍否否图

25、2-21 红外+超声波避障程序流程2.6 寻找火源寻找火源2.6.1 功能说明使机器人寻找周围环境中的火源2.6.2 功能试验操作说明 (1) 安装传感器 该功能采用两个火焰传感器，安装在接口板”fire1” 、 ”fire2”处，如图 2-19 所示：图 2-19 火焰传感器与智能机器人的连接 (2) 在传感器设置中同时勾选“火焰传感器（左） “、 “火焰传感器（右） ”将设置下装到机器人中，如图 2-20 所示，并在“演示试验”界面打开”寻找火源“，运行机器人，如图 2-21 所示。图 2-20 寻找火源传感器配置图 2-21 寻找火源功能选择2.6.3 实现方法利用火焰传感器采集周围环境

26、的信息，再将采集到的模拟信息通过 a/d 转换器转换成数字量再进一步转换成距离。若两侧火焰传感器测得的距离均小于0.45m，则两侧电机速度均为零找到火源；若两侧距离大于 0.45m，且两侧距离差小于 0.1m，则两侧电机同速转动，使智能机器人直线前进；若两侧距离大于 0.45m 且右侧距离小于左侧距离，保持右侧电机转速为零，左侧电机保持转动，机器人右转，靠近光源；若两侧距离大于 0.45m 且右侧距离大于左侧距离，控制左侧电机转速为零，右侧电机保持转动，机器人左转，靠近光源。2.6.4 程序流程 程序流程图如图 2-22 所示开始停止运动找到火源取两侧距离差k两侧距离火源均小于0.45m?两侧

27、距离光源差小于0.1m?右侧距离火源小于左侧？左侧距离火源小于右侧？直线前进右转左转结束是否是否是是否图 2-22 寻找火源程序流程2.7 灯光控制灯光控制2.7.1 功能说明 机器人根据周围环境的光线强度，控制灯光的亮度。2.7.2 功能试验操作说明 (1) 安装传感器 该功能采用光线传感器，安装在接口板”light”处，如图 2-23 所示：图 2-23 光线传感器与智能机器人的连接 (2) 在传感器设置中同时勾选“光线传感器” ，将设置下装到机器人中，如图 2-24 所示，并在“演示试验”界面打开“灯光控制” ，运行机器人，如图 2-25 所示。图 2-24 灯光控制传感器配置图 2-2

28、5 灯光控制功能选择2.7.3 实现方法 机器人采集周围环境中的光线强度，并将采集到的模拟量由 a/d 转换器转换成数字量，通过比较环境光照强度和设定的阈值来控制各盏灯的亮灭。2.7.4 程序流程 程序流程图如图 2-26 所示开始开启一盏灯环境光线强度大于10小于20环境光线强度大于20小于50环境光线强度小于10同时开启三盏灯开启两盏灯不开启灯光结束图 2-26 灯光控制程序流程2.8 寻线功能寻线功能2.8.1 功能说明让机器人按照预定的轨迹行进。2.8.2 功能试验操作说明 (1) 安装传感器 该功能采用灰度传感器，安装在接口板”gray”处，如图 2-27 所示：图 2-27 灰度传

29、感器与智能机器人的连接 (2) 在传感器设置中同时勾选“灰度传感器” ，将设置下装到机器人中，如图 2-28 所示。并在“演示试验”界面打开“寻线” ，运行机器人，如图 2-29所示。图 2-28 寻线功能传感器配置图 2-29 寻线功能选择2.8.3 实现方法利用灰度传感器采集当下轨迹的灰度值，灰度传感器如图 2-30 所示。机器人不断采集 5 个位置的灰度，根据 5 个位置的灰度值控制机器人的运动 。图 2-30 灰度传感器位置图2.8.4 程序流程程序流程图如图 2-31 所示否是是开始位置 3 为黑全速前进位置 2 为黑高速左转位置 4 为黑高速右转位置 1 为黑高速左转位置 5 为黑

30、高速右转正在高速左转高速左转正在高速右转高速右转正在全速前进左转结束是是是是是是否否否否否否否图 2-31 寻线程序流程图 附录：智能机器人传感器变量汇总装置使用变量变量类型变量范围变量访问方式变量含义安装说明温度传感器sttemp.t浮点型，精确到小数点后两位只读温度值，单位为摄氏度cpu2 p25温湿度传感器温度：sthumidity.t湿度：sthumidity.h浮点型，精确到小数点后两位只读温度和相对湿度值，单位为摄氏度和百分比cpu2 p26灰度传感器stgray.g1、stgray.g2、stgray.g3、stgray.g4、stgray.g5整型099只读灰度值，数值越大，灰

31、度越低即越白接口板 gray 处火焰传感器左侧：stfire.left右侧：stfire.right浮点型，精确到小数点后两位只读与火焰的距离，单位为厘米接口板 fire1、fire2处光线传感器stlight.d浮点型，精确到小数点后两位099只读光照强度，数值越大光照越强接口板 light 处烟雾传感器stsmoke.d浮点型，精确到小数点后两位只读烟雾浓度，单位为百分比接口板 mq2 处气体传感器stalcohol.d浮点型，精确到小数点后两位099只读酒精浓度，单位为ppm接口板 mq3 处超声波传感器stultrasonic.d整型只读与前方障碍物距离，单位为毫米接口板 sr04 处红外避障传感器stir.d整型四种取值：0 xf0、0 x0f、0 xff、0 x00只读0 xf0：左前方有障碍0 x0f：右前方有障碍0 xff：左右前方有障碍0 x00：左右前方无障碍接口板 ir1、ir2处倾角传感器sttilt.d整型两种取值：只读0 xff：有倾斜接口板 tilt 处0 xff、0 x000 x00：无倾斜震动传感器stquake.d整型只有两种取值：0 xff、0 x00只读0 xff：有震动0 x00：无震动接口板 quake 处颜色传感器stcolor.r、st