慧鱼机器人毕业论文

摘要/r/nPAGE/r/nPAGE/r/nI/r/n摘要/r/n智能机器人被人们称为第三代机器人，是能利用感觉和识别功能做决策行动的机器人。本文以慧鱼创意组合模型为平台，设计出一种智能机器人/r/n——/r/n循迹边界识别小车。小车利用微动开关检测边界，利用光电管进行循迹/r/n。小车采用慧鱼智能接口板进行控制，用直流电动机驱动/r/n。该智能小车的机械结构可以实现反复拆装，无限组合。控制软件为ROBOPro，控制机器人完成一系列复杂动作：如寻找轨迹/r/n——/r/n沿轨迹行走/r/n——/r/n遇到边界停止/r/n——/r/n回避边界/r/n——/r/n继续寻找轨迹/r/n——/r/n继续沿轨迹行走等。本文首先对小车的总体结构进行分析，确定驱动方案和传动方案，然后按照模块化设计方法组装搭建小车结构，最后/r/n对/r/n智能小车/r/n的循迹和边界识别的控制系统进行了研究，/r/n完成了智能小车硬件设计及软件设计，成功实现了主动循迹和边界识别功能。/r/n关键词：/r/n智能机器人慧鱼循迹边界识别/r/n-/r/nPAGE/r/nII/r/n-/r/nPAGE/r/n9/r/n--/r/nTitle/r/n/r/nTrackingand/r/nb/r/noundary/r/n/r/nidentificationofthesmartcar/r/n/r/nAbstract/r/nIntelligentrobotsareknownasthethird-generation/r/nrobot,itisableto/r/nutilizeto/r/nfeelandidentifydecision-makingaction.Inthispaper,thecreativecombinationofFischertechnikmodelasaplatformtodesignanintelligentrobot-cartrackingtoavoidthecliff.Carusemicro-switchestestthecliffandusephotocellcellfortracking.ThecarsadoptFischertechnikIntelligentboardwithtwoDCmotordrive.Theintelligentcar'smechanicalstructurecanberepeateddisassembly,infinitecombinations.ControlsystemcanidentifyROBOPROasthecore.S/r/nuchasthesearchingforthetrack、walkingalongthetracks、stoppingtofacecliff、avoidingthecliff、continuingtolookforthetrackandcontinuingtowalkalongthetrack.Inthispaper,thefirstanalysistheoverallstructureofthecartodetermine/r/nthedriverprogramanddriveprogram,establishthecarinaccordancewiththemethodofmodulardesignstructureandfinallyresearchthecarcontrolsystem.Inthispaper,studythesmartcartrackingandavoidingthecliff,completedtheSmartcarhardwareproductionandsoftwaredesign,andsuccessfullyimplementedthefunctionoftrackingandavoidingthecliff./r/nKeywords/r/n/r/n:/r/nRobot;

/r/n/r/nFischertechnik;

TourLine;

Boundaryidentification/r/n目录/r/nPAGE/r/n8/r/n-/r/n-/r/n目录/r/n/r/n/r/n/r/n/r/n摘/r/n/r/n要/r/n /r/n/r/nI/r/n/r/n/r/n/r/nAbstract/r/n /r/n/r/nII/r/n/r/n/r/n/r/n第1章/r/n/r/n绪论/r/n /r/n1/r/n/r/n/r/n/r/n1.1选题背景及意义/r/n /r/n1/r/n/r/n/r/n/r/n1.2国内外机器人的发展现状/r/n /r/n2/r/n/r/n/r/n/r/n1.3慧鱼机器人的前景/r/n /r/n3/r/n/r/n/r/n/r/n第/r/n2/r/n章/r/n/r/n智能小车的总体设计/r/n /r/n/r/n5/r/n/r/n/r/n/r/n2.1/r/n智能小车实现功能/r/n /r/n/r/n5/r/n/r/n/r/n/r/n2.1.1/r/n边界识别功能/r/n /r/n/r/n6/r/n/r/n/r/n/r/n2.1.2/r/n循迹功能/r/n /r/n/r/n6/r/n/r/n/r/n/r/n2.1.3/r/n循迹加边界识别功能/r/n /r/n/r/n6/r/n/r/n/r/n/r/n2.2/r/n小车驱动方案的对比分析及选择/r/n /r/n/r/n6/r/n/r/n/r/n/r/n2.3/r/n智能小车传动方案的对比分析及选择/r/n /r/n/r/n7/r/n/r/n/r/n/r/n2.4/r/n小车控制系统的总体设计/r/n /r/n/r/n7/r/n/r/n/r/n/r/n2.5/r/n循迹边界识别小车总体设计简图/r/n /r/n/r/n8/r/n/r/n/r/n/r/n2.6/r/n本章小结/r/n /r/n/r/n9/r/n/r/n/r/n/r/n第/r/n3/r/n章/r/n/r/n智能循线避障机器人结构设计/r/n /r/n10/r/n/r/n/r/n/r/n3.1/r/n硬件设计/r/n /r/n10/r/n/r/n/r/n/r/n3.2/r/n硬件的选择/r/n /r/n10/r/n/r/n/r/n/r/n3.3/r/n智能车本体结构/r/n /r/n/r/n13/r/n/r/n/r/n/r/n3.3.1/r/n机器人各部分设计/r/n /r/n/r/n13/r/n/r/n/r/n/r/n3.3.2/r/n机器人硬件安装/r/n /r/n/r/n14/r/n/r/n/r/n/r/n3.4/r/n小结/r/n /r/n/r/n15/r/n/r/n/r/n/r/n第/r/n4/r/n章/r/n/r/n智能小车的软件设计/r/n /r/n/r/n16/r/n/r/n/r/n/r/n4.1/r/n软件设计实现要求/r/n /r/n/r/n16/r/n/r/n/r/n/r/n4.2/r/n控制程序模块化/r/n /r/n/r/n/r/n16/r/n/r/n/r/n/r/n4.3/r/n主程序/r/n /r/n/r/n17/r/n/r/n/r/n/r/n4.4/r/n边界识别子程序/r/n /r/n/r/n17/r/n/r/n/r/n/r/n边界返回方法的最优化/r/n /r/n/r/n18/r/n/r/n/r/n/r/n4.5/r/n寻找轨迹子程序/r/n /r/n/r/n19/r/n/r/n/r/n/r/n4.6/r/n进、后退、停止、左右转子程序/r/n /r/n/r/n20/r/n/r/n/r/n/r/n4.7/r/n沿轨迹行走子程序/r/n /r/n/r/n20/r/n/r/n/r/n/r/n4.8LLWin3.0/r/n控制系统的调试/r/n /r/n/r/n21/r/n/r/n/r/n/r/n4.8.1/r/n调试前的准备工作/r/n /r/n/r/n21/r/n/r/n/r/n/r/n4.8.2/r/n程序调试/r/n /r/n/r/n22/r/n/r/n/r/n/r/n4.8.3/r/n运行结果/r/n /r/n/r/n22/r/n/r/n/r/n/r/n4.9/r/n小结/r/n /r/n/r/n22/r/n/r/n/r/n/r/n结/r/n/r/n论/r/n /r/n/r/n23/r/n/r/n/r/n/r/n致/r/n/r/n谢/r/n /r/n/r/n24/r/n/r/nHYP/r/nERLINK\l"_Toc295733800"/r/n/r/n参考文献/r/n /r/n/r/n25/r/n第1章绪论/r/n第1章绪论/r/n1.1/r/n选题背景及意义/r/n/r/n“/r/n慧鱼创意组合模型/r/n”/r/n又称/r/n“/r/n工程积木/r/n”/r/n，/r/n“/r/n智慧魔方/r/n”/r/n，简称/r/n“/r/n慧鱼/r/n”/r/n。它是由德国发明家ArturFisher博士于1964年发明的。它具有一般机械所具有的零部件，如齿轮、电机、电气开关等，通过声、光、电和辅助技术的配合，能够模拟各种机械运动和机械设备的自动控制，而且有比较真实的功能/r/n[1]/r/n。/r/n慧鱼创意组合模型是对各种工业机器人的模型，通过对模型的仿真来实现机器人的设计工作。机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多门学科而形成的高新技术。国际标准化组织（/r/nISO/r/n）对机器人的定义:机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能操作机，这种操作机具有几个轴，能够借助可编程操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行各种任务/r/n[2]/r/n。/r/n工业机器人是机器人的主要研究类型，它并不是简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力。从某种意义上来说，机器人是机器进化过程的产物，是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。工业机器人由机械本体、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动设备，适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定和提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着重要的作用。/r/n从20世纪80年代以来，机器人技术的不断进步，其在各个领域的应用日益广泛，引起了各国专家学者的普遍关注。许多发达国家均把机器人技术的开发和研究列入国家高新技术发展计划。世界各国普遍在高等院校为大学本科生及研究生开设机器人技术的有关课程。为了培养机器人开发、设计、生产、维护方面的人才，我国很多高校也为本科生和研究生开设了机器人学课程。因此，教学型机器人越来越受到科研单位以及高校的重视。教育机器人是一类应用于教育领域的机器人，它一般具备以下特点：首先是教学适用性，符合教学使用的相关需求；其次是具有良好的性能价格比，特定的教学用户群决定了其价位不能过高；再次就是它的开放性和可扩展性，可以根据需要方便地增、减功能模块，进行自主创新；此外它还应当有友好的人机交互界面/r/n[3]/r/n。目前国内的教育机器人产品近20种，包括上海广茂达公司生产的能力风暴智能机器人、西觅亚科技生产的乐高机器人、慧鱼公司生产的慧鱼机器人等。/r/n1.2/r/n国内外机器人的发展现状/r/n机器人从20世纪50年代诞生以来，在短短的50多年里得到了迅速的发展，经历了第一代工业机器人的研究、实用化和普及，第二代感知功能机器人的研究、实用化，以及第三代智能机器人的研究等各个阶段。/r/n第三代机器人，也是我们机器人学中一个理想的所追求的最高级的阶段，叫智能机器人，那么只要告诉它做什么，不用告诉它怎么去做，它就能完成/r/n任务。/r/n知思维和人机通讯的这种功能和机能，目前的发展还是相对的只是在局部有这种智能的概念和含义，但真正完整意义的这种智能机器人实际上并没有存在，而只是随着我们科学技术的/r/n不断/r/n发展，智能的概念越来越丰富，它内涵越来越宽/r/n泛/r/n[4]/r/n。1954年，美国的George.Devol首先把远程控制器的杆结构与数控铣床的伺服轴结合起来，研制出了第一台通用机械手。这种机械手可以通过让其沿一系列点运动，将运动位置以数字形式存储起来，动作执行时，使伺服系统驱动机械手各关节轴来再现这些位置，从而让机械手完成一些简单的工作。正是由于这个机械手具有了编程示教再现功能，因此许多人把它作为现代工业机器人产生的标志/r/n[5]/r/n。在随后的生产应用中，为了适应各种不同用途需要，相继出现了直角坐标、关节坐标、极坐标等许多种不同结构的机器人。与第一代示教再现型机器人不同，第二代机器人是具有感觉功能的适应控制机器人。这种机器人带有传感器，能感知环境和对象的情况以控制自身动作的变化。智能机器人的研究是一个艰巨而又广泛的问题，随着研究的不断深入，相关科学的飞速发展，智能机器人在不久的将来一定会出现。/r/n据UNECE(联合国欧洲经济委员会)和IFR(国际机器人联合会)统计，从20世纪70年代起，世界机器人产业一直保持着稳步增长的良好势头。进入90年代，机器人产品发展速度加快，年销售量增长率平均在10％左右；2004年增长率达到了创记录的20％，其中，亚洲机器人增长幅度最为突出，增长43％/r/n[/r/n6-8/r/n]/r/n。我国的机器人研究开发工作始于上世纪70年代初，到现在已经历了30多年的历程。前10年处于研究单位自行开展研究工作状态，发展比较缓慢。1985年后开始列入国家有关计划，发展比较快。特别是在/r/n“/r/n七五/r/n”/r/n、/r/n“/r/n八五/r/n”/r/n、/r/n“/r/n九五/r/n”/r/n机器人技术国家攻关和/r/n“/r/n863/r/n”/r/n高技术发展计划的重点支持下，我国的机器人技术取得了重大发展。在机器人基础技术方面：诸如机器人机构的运动学、动力学分析与综合研究，机器人运动的控制算法及机器人编程语言的研究，机器人内外部传感器的研究与开发，具有多传感器控制系统的研究，离线编程技术、遥控机器人的控制技术等均取得长足进展，并在实际工作中得到应用。/r/n在机器人操作机研制方面：已开发出一些先进的操作机和特种机器人，如自动导引车AGV，壁面爬行机器人，重复定位精度为/r/n±/r/n0.024mm的装配机器人；可潜入海底6000m的水下机器人，移动遥控机器人，主从操作机器人等，有些已达实用化水平并用于实际工程。在机器人的应用工程方面：目前国内已建立了多条弧焊机器人生产线，装配机器人生产线，喷涂生产线和焊装生产线。国内的机器人技术研发力量已经具备了大型机器人工程设计和实施的能力，整体性能已达到国际同类产品的先进水平，而整体价格仅为国外同类产品的三分之二甚至一半，具有很好的性能价格比和市场竞争力/r/n[9-11]/r/n。综上所述，我国机器人发展已跨过了起步阶段，走上了进步和发展的道路。今后的任务是把机器人技术推广到更多的工业自动化生产领域和其他更广泛的应用领域，大力开展跨国区域交流合作，与国际接轨，早日跻身于世界先进行列。/r/n目前我们国家比较有代表性的研究有/r/n：工业/r/n机器人，水下机器人，空间机器人，核工业的机器人，都在国际上处于领先水平，总体上我们国家与发达国家相比，还存在/r/n着/r/n很大的差距，但是在上述这些水下、空间、核工业，一些特殊机器人方面，我们/r/n还是/r/n取得了很多有特色的研究成就/r/n[12]/r/n。/r/n/r/n随着电子技术和计算机技术的发生，P/r/nL/r/nC的功能越来越强大，其概念和内涵也不断扩展。上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%/r/n[13]/r/n。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统/r/n[14]/r/n。/r/n近年，工业计算机技术（IPC）和现场总线技术（FCS）发展迅速，挤占了一部分PLC市场，PLC增长速度出现渐缓的趋势，但其在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的/r/n[15]/r/n。/r/n1.3慧鱼机器人的前景/r/n慧鱼创意组合模型主要提供组合包、培训模型、工业模型三大系列。集能源（包括太阳能）、机械、液压、气动、遥控、自控、程控等多种学科知识于一身，利用工业标准的基本构件（机械元件、电气元件、气动元件），辅以传感器、控制器、执行器和软件的配合，运用设计构思和实践分析，可以实现任何技术过程的还原，更可以实现工业生产和大型机械设备操作的模拟，从而为实验教学、科研创新和生产流水线可行性论证提供了可能/r/n[16]/r/n。/r/n“/r/n慧鱼理想教具/r/n”/r/n作为广大用户和各方面的创新教育专家所给予/r/n慧鱼模型的/r/n评价和期许，慧鱼模型就是利用“六面可拼接体”这种开放的零件，来/r/n构/r/n建或者模拟现实发挥你的创意，来完成机电一体化的工业设计为主的模型组建/r/n。慧鱼创意组合模型已在欧洲和美洲的各大、中专学校广泛应用。它进入中国市场以来，也在清华大学、同济大学、浙江大学等众多高校中日益广泛应用，它以浓厚的趣味性、创新性和教学过程中的启发性，使学生能够很直观地把抽象复杂的理论通过模型运动及其控制得以实现。采用该模型进行试验教学能够培养和提高学生的学习热情，大大激发了学生的创新意识，提高了动手能力，较好的解决学生在学习过程中书本知识与实践脱节的问题，对于学生理解机械运动及机械设备工业控制具有很大的益处，是很好的机电一体化教学模型。/r/n相信慧鱼会成为中国创新教育的理想教具/r/n[/r/n17/r/n]/r/n。/r/n第2章智能小车的总体设计/r/n第2章智能小车的总体设计/r/n本课题所研究的循迹边界识别智能小车系统是一个典型的机电一体化系统。所谓的机电一化系统是指在系统的主功能、信息处理功能和控制功能等方面引了电子技术，并把机械装置、执行部件、计算机等电子设备以及软件等有机结合构成的系统，即机械、执行、信息处理、接口和软件等部分在电子技术的支配下以系统的观点进行组合而形成的一种新型机械系统。/r/n机电一体化系统由机械部分、传感部分、控制部分三大部分组成。这三大部分可分为驱动系统、机械结构系统、感受系统、智能小车/r/n——/r/n环境交互系统、人机交互系统、控制系统六个子系统。该智能小车的设计就是依据机电体一化系统的组成原则进行的。/r/n/r/n控制系统/r/n控制系统/r/n驱动系统/r/n机械结构系统/r/n感受系统/r/n图2-1循迹边界识别小车的系统组成/r/n2.1智能/r/n小车实现功能/r/n本课题所研究的智能小车按功能可分为循迹功能和边界识别功能。循迹功能可细分为寻找轨迹和循迹前进，边界识别功能可细分为边界识别和边界返回。智能小车主要任务要求为：先寻找轨迹/r/n→/r/n沿轨迹行走/r/n→/r/n遇到边界停止/r/n→/r/n回避边界/r/n→/r/n继续寻找轨迹/r/n→/r/n继续沿轨迹行走。本课题难点在于循迹功能和边界识别功能的有机结合。/r/n智能小车实现功能分类如图2-2。/r/n智能小车实现功能分类/r/n智能小车实现功能分类/r/n循迹功能/r/n边界识别功能/r/n边界分类/r/n边界返回/r/n循迹前进/r/n寻找轨迹/r/n图/r/n2-2智能小车实现功能分类/r/n2.1.1/r/n边界识别功能/r/n小车能自动识别边界及越过边界继续前进，完成一系列复杂动作如：边界识别/r/n→/r/n小车后退/r/n→/r/n指定方向旋转/r/n→/r/n小车前进。/r/n2.1.2循迹/r/n功能/r/n小车能主动跟踪循迹，完成一系列复杂动作如：寻找轨迹/r/n→/r/n沿轨迹前进/r/n→/r/n判断是否偏离轨迹/r/n→/r/n有偏离轨迹相应方向旋转/r/n→/r/n继续前进。/r/n2.1.3循迹加边界识别功能/r/n小车能同时完成循迹跟踪和边界识别，完成一系列复杂动作如：寻找轨迹/r/n→/r/n沿轨迹行走/r/n→/r/n遇到边界停止/r/n→/r/n小车后退/r/n→/r/n指定方向旋转/r/n→/r/n小车前进/r/n→/r/n继续寻找轨迹/r/n→/r/n继续沿轨迹行走/r/n。/r/n2.2小车驱动方案的对比分析及选择/r/n通常，小车的驱动方式有以下几类：/r/n（/r/n1/r/n）气压驱动使用压力通常在/r/n0.4/r/n～/r/n0.6Mpa/r/n，最高可达/r/n1Mpa/r/n。气压驱动主要优点是气源方便（一般工厂都由压缩空气站供应压缩空气），驱动系统具有缓冲作用，结构简单，成本低；缺点是功率质量比小，装置体积大，气源装置存在噪声问题，定位精度也不高。/r/n（/r/n2/r/n）液压驱动系统的功率质量比大，驱动平稳，同时液压驱动调速比较简单，能在很大范围内实现无级调速；缺点是易漏油，这不仅影响工作稳定性和定位精度，而且污染环境。液压驱动多用于要求输出力较大，运动速度较低的场合/r/n[21]/r/n。/r/n（/r/n3/r/n）电气驱动是利用各种电机产生的力或转矩，直接或经过减速机构去驱动负载，以获得要求的小车运动。由于具有易于控制、运动精度高、使用方便、成本低廉、驱动效率高、不污染环境等诸多优点，电气驱动是最普遍，应用最多的驱动方式。/r/n综合考虑各种驱动方式的优缺点，最后采用电气驱动。/r/n电动机根据输出形式分，可以分为旋转型和直线型。电动机在智能小车中应用时，应主要关注电动机的如下基本性能：/r/n①/r/n能实现启动、停止、连续的正反转运行，且具有良好的响应特性；/r/n②/r/n正转与反转时的特性相同，且运行特性稳定；/r/n③/r/n维护容易，而且不用保养；/r/n④/r/n具有良好的抗干扰能力，且相对于输出来说，体积小，重量轻。/r/n在小车中，采用比较多的是直流电动机。因为它可以达到很大的力矩，精度高，加速迅速，可靠性高，在正反两个方向连续旋转运动平滑。因此，小车的前进、和后退及转弯都采用直流电动机。/r/n2.3智能小车传动方案的对比分析及选择/r/n传动装置的作用是将驱动元件的动力传递给智能小车的执行部件，以实现各种预定的运动。目前常用的传动方式有：皮带轮传动、蜗轮蜗杆传动、齿轮传动、谐波减速传动以及螺旋传动等。谐波齿轮传动具有体积小、结构紧凑、效率高、能获得大的传动比等优点，但存在扭转刚度较低且传动比不能太小的缺点。蜗轮蜗杆机构常用于要求有大的传动比且传动过程中要求机构自锁的场合，这种方式安全性能高，但同样存在齿侧间隙，而且效率较低。皮带轮传动可以实现过载保护，可是存在弹性滑动，和链传动一样使用一段时间后易松弛，传动运转过程中还产生动载荷，因此常用于传动精度要求不高的场合。螺旋传动是将回转运动变换为直线运动的重要传动方式，有滑动螺旋传动和滚动螺旋传动。滑动螺旋传动是连续的面接触，传动中不会产生冲击，传动平稳、无噪声、能够自锁，且螺旋升角较小但/r/n螺纹工艺性较差强度较低/r/n。/r/n滚动螺旋传动的效率一般在/r/n90/r/n％以上/r/n，/r/n它不自锁，具有传动的可逆性/r/n。但其/r/n结构复杂，制造精度要求高，/r/n成本高，/r/n抗冲击性能差/r/n等原因不予考虑/r/n。齿轮传动具有结构紧凑、效率高的优点，适用于中等减速比传动。经过考虑直接使用齿轮传动比较合适。/r/n小车精度要求不是很高，在满足性能要求的基础上应考虑到经济性要求。因此，小车传动选用齿轮传动，由两个/r/n9V/r/n—/r/n2.4/r/n瓦大功率马达带动如图/r/n2/r/n－/r/n3/r/n所示。/r/n电机/r/n电机/r/n车轮/r/n图/r/n2-3/r/n小车驱动与传动方案简图/r/n2.4小车控制系统的总体设计/r/n采用/r/nLLWin3.0软件/r/n进行控制系统设计时，可以一边做硬件电路，一边编制控制程序，做好后再与设备联机调试，可以缩短工期，可靠性高。/r/n控制系统/r/n的应用设计一般应按照图/r/n2/r/n－/r/n4/r/n的几个步骤进行/r/n系统规划设计阶段是应用系统设计的关键阶段，应详细了解被控对象的全部功能，例如：机械部件的动作顺序、动作条件、动作完成时间，响应时间及如何同时实现循迹和边界识别功能等。课题的难点在于如何使循迹与边界识别之间不发生冲突。/r/n系统规划/r/n系统规划/r/n硬件设计/r/n软件设计/r/n在线模拟测试/r/n调整硬件/r/n调整软件/r/n现场运行并调试/r/nNN/r/n是否符合要求/r/nY/r/n图/r/n2-4/r/n小车控制系统整体设计/r/n2.5循迹边界识别小车总体设计简图/r/n按照任务要求，小车需要具有循迹和边界识别两个功能。边界识别功能要/r/nI5/r/nI6/r/n探测腿I4/r/nI3/r/nI5/r/nI6/r/n探测腿I4/r/nI3/r/n车轮/r/n万向轮/r/n电机M1、M2/r/n循迹装置I7、I8、M3/r/n接触开关I1/r/n求小车的四个方向都能识别并避开边界，所以小车的四个角都应装有边界识别装置，即探测腿。循迹功能则要求小车能够先找到轨迹，再沿着该轨迹行走。因此轨迹探测装置装在小车的头部正下方。循迹边界识别小车总体设计如图/r/n2-5所示。/r/n2.6/r/n本章小结/r/n本章根据智能小车的任务要求，从智能小车本体结构和控制方法对比分析入手，初步确定智能小车的运动形式、驱动方案、传动方案和控制方案，并设计出小车的总设计简图。/r/n东北电力大学本科毕业论文/r/n第3章智能避障循线机器人结构设计/r/nPAGE/r/n-26-/r/nPAGE/r/n-25-/r/n第3章智能循线避障机器人结构设计/r/n机器人/r/n要实现自动导引功能和避障功能就必须要感知导引线和障碍物，/r/n而/r/n感知导引线相/r/n当于/r/n给/r/n机器人/r/n一个视觉功能。/r/n智能循线和避障是基于智能导引小车系统，采用超声波距离传感器传感器判断并检测障碍物，采用轨迹传感器进行寻线/r/n。因此/r/n本章对/r/n智能小车/r/n的循线和避障进行了研究。/r/n3.1硬件设计/r/n智能车采用履带驱动/r/n，/r/n前后各用一个直流双向电机驱动/r/n，/r/n调制两个轮子的转速从而达到控制转向的目的/r/n。/r/n将轨迹传感器装在车体前部的下方/r/n，/r/n当传感器I3检测到黑线的边界时/r/n，/r/n控制系统控制左轮电机减速/r/n，/r/n车向右修正/r/n，/r/n当车的右边传感器I4检测到黑线时/r/n，/r/n控制系统控制右轮电机减速/r/n，/r/n车向左修正/r/n，/r/n黑线在车体的中间时，传感器一直检测到黑线/r/n，/r/n当偏离黑线时就开始修正/r/n，/r/n从而使小车沿着黑色/r/n的轨道行走/r/n。/r/n避障的原理和循线一样/r/n，/r/n在车头的前方装了超声波距离传感器，当传感器检测到障碍物时/r/n，/r/n智能车停止1S之后后退/r/n，/r/n经脉冲计数器设定的额定数值之后车体向左转/r/n，/r/n再通过脉冲计数器设定数值，到达数值之后继续前进，依次循环从而避开障碍物/r/n。/r/n3.2硬件的选择/r/n和数字量输入返回1和0值不同，模拟量输入可以分辨连续的输入，所有的模拟量输入返回一个0-1023之间的值。而/r/nROBO/r/n接口板有各种不同的模拟量输入接口来测量不同的物理量。具体来说，模拟量输入可以适应用来测量电阻，测量电压和测量距离的不同的传感器如表3-1所示。/r/n通常的慧鱼传感器中，温度传感器和光电传感器将被测量装换成电阻值。所以必须将这些传感器接到/r/nAX/r/n和/r/nAY/r/n输入端。电压输入端/r/nA1/r/n和/r/nA2/r/n设计用来连接所有产生/r/n0/r/n到/r/n10V/r/n电压的传感器。在/r/nROBO/r/n接口板上没有针对/r/nAV/r/n输入端的端口。它通常和接口板的电源电压相关联。距离传感器输入端/r/nD1/r/n和/r/nD2/r/n可以接到慧鱼特殊传感器，可以测量障碍物的距离/r/n。/r/n第3章智能循线避障机器人总体设计/r/n表3-1模拟量输入/r/n输入端/r/n输入类型/r/n /r/n测量范围/r/nA1,A2/r/n电压输入/r/n0-1023V/r/nAX,AY/r/n电阻输入/r/n0-5.5K/r/nΩ/r/nD1,D2/r/n距离传感器输入/r/nC/r/na.0-50cm/r/nAV/r/n电源电压/r/n0-10V/r/n3.2.1超声波距离传感器/r/n机器人避障的关键问题之一是在运动过程中如何利用传感器对环境的感知。任何类型的传感器都有各自的优点和不足.选用时需要仔细考虑各种因素。/r/n在机器人运动规划过程中传感器主要为系统提供两种信息：机器人附近障碍物的存在信息；障碍物与机器人之间的距离。/r/n超声波/r/n距离/r/n传感器是靠发射某种频率的声波信号，利用物体界面上超声反射，散射检测物体的存在与否/r/n，如图3-2所示/r/n。超声波在空气中传播时如果遇到其它媒介，则因两种媒质的声阻抗不同而产生反射。因此，向空气中的被测物体发射超声波，检测反射波并进行分析，从而获到障碍物的信息。/r/n超声波/r/n使/r/n由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高/r/n、/r/n波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用。/r/n3.2.2轨迹传感器/r/n如图3-3，轨迹传感器可以寻找到白色表面的黑色轨道。传感器检测表面应为/r/n5mm-30mm/r/n，它包含两个发射和两个接收装置，连接该传感器需要有两个数字量输入端和9V电源端。轨迹传感器中的/r/n光敏二极管的外型与一般二极管一样，只是它的管壳上开有一个嵌着玻璃的窗口，以便于光线射入，为增加受光面积，/r/nPN/r/n结的面积做得较大,光敏二极管工作在反向偏置的工作状态下，并与负载电阻相串联，当无光照时它与普通二极管一样，反向电流很小,称为光敏二极管的暗电流；当有光照时，载流子被激发，产生电子-空穴，称为光电载流子。在外电场的作用下，光电载流子参于导电，形成比暗电流大得多的反向电流，该反向电流称为光电流。光电流的大小与光照强度成正比，于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号。/r/n图3-3轨迹传感器/r/n图3-2超声波距离传感器/r/n图3-3轨迹传感器/r/n图3-2超声波距离传感器/r/n图3-4接触式传感器及其原理图/r/n3.2.3接触式传感器/r/n图3-4接触式传感器及其原理图/r/n按键开关式（接触式）传感器是数字传感器的一种。数据仅能设定为两个不同的值，分别用/r/n0/r/n和/r/n1/r/n来表示。如图/r/n3-4/r/n所示，传感器显示/r/n“/r/n0/r/n”/r/n，表示在接触点之间没有电流通过；/r/n“/r/n1/r/n”/r/n则意味着有电流通过。慧鱼模型中的接触传感器是一个三向开关式的。因此，就有三个端点。红色按钮按下，/r/n1/r/n和/r/n3/r/n端点接通，同时常闭状态下的/r/n1/r/n和/r/n2/r/n端点之间的连接断开。这样起始位置就可以任意选择：/r/n常闭状态（端点/r/n1/r/n、/r/n2/r/n接通）；/r/n常开状态（端点/r/n1/r/n、/r/n3/r/n接通）。/r/n如果接口板上输入端口电气上是闭合的，则数字量的橙色连接上会返回一个数值/r/n“/r/n1/r/n”/r/n，否则会返回一个数值/r/n“/r/n0/r/n”/r/n。/r/n3.2.4大功率马达/r/n：/r/n两个大功率直流电机（/r/n9/r/nV，/r/n2.4/r/nW），内置齿轮箱，以/r/n50/r/n：/r/n1/r/n减速比驱动移动机器人（即马达旋转/r/n50/r/n转的同时，其输出轴只旋转一次）。一个马达输出通常使用两个接口板接口，而灯输出只用一个接口。/r/n接口板的输出可以是马达，也可以是灯或者电磁铁。对于马达，可以设置它的转向和速度。/r/n马达输出模块可以用表/r/n3-5/r/n中的指令来处理：/r/n表3-2马达指令/r/n指令/r/n值/r/n动作/r/n向右/r/n1-8/r/n马达以速度1到8顺时针旋转/r/n向左/r/n1-8/r/n马达以速度1到8逆时针旋转/r/n停止/r/nN/r/none/r/n马达停止/r/n3.3智能车本体结构/r/n图/r/n3-6/r/n是本次设计机器人的电路框图。/r/n其中智能接口板/r/n为电路的中央处理器，处理/r/n超声波/r/n传感器/r/n和轨迹传感器/r/n采集来的数据，处理完毕之后/r/n随即/r/n去控制电机驱动/r/n部分/r/n来驱动电机。/r/n其中/r/n电源部分/r/n为9/r/nV/r/n直流电源，/r/n为整个电路模块提供电源，以便能正常工作/r/n。/r/nROBO/r/nROBO/r/n智/r/n能/r/n接/r/n口/r/n板/r/n电机驱动/r/n超声波传感器/r/n轨迹传感器/r/n电源/r/n图3-5智能避障循线机器人电路图/r/n3.3.1机器人各部分设计/r/n1./r/n行走部分：由于设计的是避障机器人，因此机器人运行的路面情况会很复杂，采用履带式行走结构,如图3-6所示。这种移动方式支撑面积大、接地比压小，同时由于履带支撑面上有履齿，不易打滑，牵引附着性好。机器人两侧的履带分别由一个带有齿轮的直流电动机驱动。功率/r/n2.4/r/nW/r/n、额定转速为/r/n400/r/nr/min/r/n。/r/n2./r/n避障部分：由于慧鱼创意组合模型中自带有超声波距离传感器，因此将超声波距离传感器固定在机器人的正前方，用于机器人避障。距离传感器反映机器人与障碍物的距离大小，测量距离约为/r/n4/r/nm/r/n，相应的检测数值以/r/ncm/r/n在程序检测界面显示。将其直接连到智能接口板的/r/nD1或D2/r/n端即可。/r/n3./r/n循线部分：机器人循线的功能由轨迹传感器进行控制，可以找到白色表面的黑色轨道。传感器检测表面应为/r/n5/r/nmm/r/n-30/r/nmm/r/n，它包含两个发射和两个接收装置，连接这个传感器需要两个数字量输入端和/r/n9v/r/n电源端。/r/n图/r/n3-6/r/n图/r/n3-6/r/n智能车行走部分设计/r/n3.3.2机器人硬件安装/r/n首先，通过慧鱼创意组合模型包中的机械构架将智能小车的基本模型的框架搭建起来，然后将驱动装置（2个9V双向直流电动机）放置在框架内并固定起来。再将电气元件脉冲计数器固定在基本模型内。设定电动机/r/nM1、M2/r/n以及脉冲计数器I1、I2。并预先将导线连接在电动机和数字传感装置上，以防以后安装不便。结构设计时已经考虑到传感器的安装问题：首先将轨迹传感器安装在智能车车头位置的正下方，使轨迹传感器距离与被搜寻位置的距离减小，提高反映效率。其次将超声波距离传感器装在车的正前方，以便能探测到智能车行驶前方的障碍并顺利避障。最后将两个指示灯安装在车前方的左右两端，当轨迹传感器搜寻到轨迹时灯/r/nM/r/n3(绿灯)亮，当智能车遇到障碍时灯/r/nM/r/n4（红灯）亮。这样可以保证两个传感器不会发生冲突，使整体显得协调。最后将智能接口板固定在智能车的基本模型上，用导线将各部分器件连接到接口板的各插槽中。/r/n如图/r/n3-7/r/n所示的示意图进行接口连接：/r/n1./r/n超声波距离传感器的导线两端分别插在智能接口板的/r/nD/r/n1/r/n位置的两端口：/r/n2./r/n脉冲计数器/r/nI/r/n1/r/n和/r/nI/r/n2/r/n的导线两端分别接在智能接口板对应的/r/nI/r/n1/r/n、/r/nI/r/n2/r/n位置；/r/n3./r/n轨迹传感器的绿色和红色导线的两端分别插在智能接口板的接地和/r/n+/r/n极输入端，将蓝色和黄色导线的两端分别接在智能接口板的/r/nI/r/n3/r/n、/r/nI/r/n4/r/n位置；/r/n4./r/n直流电动机/r/nM1/r/n、/r/nM2/r/n导线接在智能接口板对应的/r/nM1/r/n、/r/nM2/r/n端口；/r/n5.将灯输出M3（绿灯）接在接口板的M3位置，灯输出M4（红灯）接在M4位置；/r/n超声波传感器D1/r/n脉冲计数器I1/r/n超声波传感器D1/r/n脉冲计数器I1/r/n脉冲计数器I2/r/n轨迹传感器I3/r/n轨迹传感器I4/r/n直流电动机M1/r/n直流电动机M2/r/n绿色灯管M3/r/n红色灯管M4/r/n扩展板接口/r/nUSB接线口/r/n电源输入/r/n智/r/n能/r/n接/r/n口/r/n板/r/n接地线端口/r/n图3-7接线示意图/r/n注意事项：/r/n1、装配时要确保构件到位、不滑动；/r/n2、电子构件装配时要注意电子构件的正负极性，接线稳定可靠没有松动；/r/n3、整个模型完成后要考虑模型的美观，整理布线要规范。/r/n3.4小结/r/n本章按照模块化的设计方法，将机器人本体结构分为行走部分、避障部分和循线部分，并分别对这三部分进行了规划设计，并选择关键的电气元件。同时使用慧鱼创意组合模型对各个部分结构进行组装，完成机器人的机械结构设计。/r/n第4章智能小车的软件设计/r/n智能小车控制系统由软件和硬件两大部分组成，只有硬件系统是不能运行的，软件和硬件相互配合才能完成任务。在进行控制系统设计时，除了系统硬件设计外，大量的工作就是如何根据每个生产对象的实际需要设计应用程序。因此，软件设计在小车的控制系统设计中占重要地位。对于本系统，软件更为重要。/r/n在智能小车控制系统中，控制系统软件可采用慧鱼自带的LLWin3.0控制软件。控制程序以及流程图和数字流程图可以生成图形化的用户界面，简单方便实用。/r/n4.1软件设计实现要求/r/n按照任务要求，小车完成一系列复杂动作如:/r/n寻找轨迹/r/n→/r/n沿轨迹行走/r/n→/r/n遇到边界小车停止/r/n→/r/n小车后退/r/n→/r/n指定方向旋转/r/n→/r/n小车前进/r/n→/r/n继续寻找轨迹/r/n→/r/n继续沿轨迹行走/r/n。/r/n4.2控制程序模块化/r/n软件设计的程序大体可分为循迹和边界识别两大部分。本系统软件采用模块化结构，由主程序/r/n﹑/r/n寻找轨迹子程序、沿轨迹行走子程序/r/n﹑/r/n边界识别子程序/r/n﹑/r/n边界返回子程序和其他子程序构成。各模块如图4－1所示划分。/r/n主程序/r/n主程序/r/n循迹/r/n边界识别/r/n前进后退左转右转停止/r/n寻找轨迹/r/n边界分类/r/n边界返回/r/n沿轨迹行走/r/n图4-1小车程序模块化/r/n第4章智能小车的软件设计/r/n4./r/n3主程序/r/n主程序开始，灯M3导通，并延时1S，然后判断数据A是否为0（A为I3、I4、I5、I6的逻辑与关系），为0则进入循迹子程序；为1则进入循迹子程序。程序中，延时1S是因为小车在启动时，光电管初始状态为0，而寻找到黑线的标记也为0，程序无法正常运行，延时1S后光电管初始状态变为1，程序正常运行。/r/n图4-2循迹边界识别小车主程序/r/n4./r/n4边界识别子程序/r/n程序中FR为右前，FL为左前，BR为右后，BL左后，ML及MR为左右两个电机。子程序/r/n“/r/n边界识别/r/n”/r/n把小车可能遇到的边界情况分成16种，并以数字形式记入value中。子程序/r/n“/r/n返回/r/n”/r/n根据value/r/n中所记的数字，选择最好的方法避开边界。程序循环运行直到数据/r/nA/r/n≠/r/n0，如图4-3./r/n图4-3边界识别子程序/r/n边界返回方法的最优化/r/n按照任务要求，小车需要识别和回避所有的边界，因此需要将所有边界情况分成16种，并对每种边界进行回避,如表4-1所示。这样小车可以避免做重复而不必要的动作，提高小车的性能。/r/n表4-1小车可能遇到的所有边界情况及反应/r/n序号/r/n右前方/r/n(/r/nI3/r/n)/r/n左前方/r/n(/r/nI4/r/n)/r/n右后方/r/n(/r/nI5/r/n)/r/n左后方/r/n(/r/nI6/r/n)/r/n小车反应/r/n0/r/n向前直行/r/n1/r/n●/r/n●/r/n●/r/n●/r/n停止/r/n2/r/n●/r/n●/r/n●/r/n向右旋转少许/r/n3/r/n●/r/n●/r/n●/r/n向左旋转少许/r/n4/r/n●/r/n●/r/n●/r/n向左旋转少许/r/n5/r/n●/r/n●/r/n●/r/n向右旋转少许/r/n6/r/n●/r/n●/r/n先后退，再右转/r/n7/r/n●/r/n●/r/n向左旋转少许/r/n8/r/n●/r/n●/r/n向左旋转少许/r/n9/r/n●/r/n●/r/n向右旋转少许/r/n10/r/n●/r/n●/r/n向右旋转少许/r/n11/r/n●/r/n●/r/n向右旋转少许/r/n12/r/n●/r/n先后退，再向左转/r/n13/r/n●/r/n先后退，再向右转/r/n14/r/n●/r/n前进少许/r/n15/r/n●/r/n前进少许/r/n小车按可能遇到的所有边界情况（2/r/n4/r/n=16）种设计成一个表格。如表4-1/r/n。/r/n其中/r/n●/r/n表示探测腿由于遇到边界时伸出，即该限位开关I=0。如果格内为空，则表示该位置探测腿没有遇到边界，该限位开关处于导通，即I=1。例如表4-1中，序号0，I3=I4=I5=I6=1,为小车四条探测腿都没遇到边界，处于平稳状态，即小车反应为/r/n“/r/n向前直行/r/n”/r/n。小车I3=I4=I5=I6=0时，小车的反应动作为停止，即小车被抬起时停止。/r/n4.5寻找轨迹子程序/r/n程序中光电管I7装在小车头部的左侧，I8在右侧，I1为装在小车右侧用于脉冲记数的接触试传感器。程序中先往左转并循环记数5次，直到I7=0或5次后再前进5次，直到I7=8或者I8=0或者I7=I8=0时子程序完成返回主程序，否则继续寻找轨迹。寻找轨迹程序如图4-4。/r/n图4-4寻找轨迹程序/r/n4.6进、后退、停止、左右转子程序/r/n/r/n其他程序如前进、后退、左转等，程序简/r/n单且格式相似，这里就不于累述。右转子程序，/r/n如图4-5。/r/n4.7沿轨迹行走子程序/r/n沿轨迹行走子程序中，程序首先进入寻找/r/n轨迹子程序，寻找到轨迹后，判断数据A是否/r/n图4-5小车右转子程序/r/n=0，如果为0，程序直接退出并进入边界识别子/r/n图4-5小车右转子程序/r/n程序，如果不为0，程序继续运行。接着程序判/r/n断I7是否=0，如果为0，程序继续判断I8是否=0，再根据I7和I8的值决定左转还是右转，如果I7=I8=1，则程序进入寻找轨迹子程序。沿轨迹行走子程序如图4-6。/r/n图4-6沿轨迹行走程序/r/n4.8LLWin3.0控制系统的调试/r/n4.8.1调试前的准备工作/r/n①/r/n外部连线的检查：包括对输入输出信号的接线的正确性检查，对地的绝缘检查，屏蔽接线检查等；/r/n②/r/n供电系统的检查：包括对接口板的供电电源接线的检查和电压检查、外部供电电的检查等；/r/n③/r/n检测元件和开关的运行检查：检测元件和开关是接口板输入信号的来源，要对检测元件、开关、按钮等信号在运行后的响应进行检查，了解它们的状态是否有相应的变化等。/r/n4.8.2程序调试/r/n①/r/n输入信号调试：输入信号调试前，对信号的供电应再一次进行检查，防止因供电电压不符造成元件的损坏。对接口板的各个开关量输入点，用手动的方法使这些输入点分别动作，观察相应的信号灯是否点亮（还可同时用编程软件在线监视），如果信号灯不亮，则应检查外部的线路和接线是否良好和正确。/r/n②/r/n输出信号调试：检查相应的输出信号灯是否点亮或熄灭。此外，应对相应的输出设备状态进行检查，如果某一输出设备不动作，则应检查输出模块、相应的输出设备和外部接线。/r/n③/r/n总调试和运行调试：小车控制系统的总调试应在电机不供电的情况下进行。根据程序模拟仿真，检查程序是否按照控制的要求进行动作，相应的输出信号是否存在，延时的时间是否正确，直到整个程序正确运行。然后，按设计要求进行运行调试，直到满足要求为止。/r/n4.8.3运行结果/r/n通过调试后，系统通电运行，结果表明控制系统各部分接线无误，供电电源稳定无异常。小车能够在转换开关的作用下，执行相应的程序，顺序的完成动作。输出信号对于输入信号反应灵敏。尽管限位开关在系统中被多次碰触，位置稍微有所变化，但是不影响小车的动作，输入信号良好。/r/n4.9小结/r/n本章在控制系统硬件设计的基础上，完成了控制系统的软件设计。首先，根据智能小车的动作要求，确定使用各种小模块进行控制；然后利用LLWin3.0编程软件绘制了自动程序的流程图。/r/n结论/r/n结论/r/n论文以慧鱼创意组合模型为平台，运用慧鱼机械构件和电气元件设计并拼装了智能避障循线机器人，并通过/r/nLLWin3.0/r/n软件完成了对机器人的控制。论文设计采用超声波距离传感器判断并检测障碍物、通过轨迹传感器进行循线/r/n，/r/n并对/r/n智能机器人/r/n的循线、避障功能进行了研究，/r/n完成了智能机器人硬件制作及软件设计，成功实现了自动循线避障功能。/r/n论文主要完成了以下工作：/r/n机器人的总体设计：确定机器人的任务要求，根据任务初步确定了机器人的机械结构、运动形式、驱动方案和控制方案等。/r/n机器人机械结构设计：按照模块化的设计方法，将机器人分为基本模型、驱动部分和传感部分三个模块。并分别对各个结构的关键部件进行设计并校核，并安装慧鱼传感器（超声波距离传感器、轨迹传感器），验证方案的可行性。/r/n计算机控制系统的设计：运用/r/nLLWin3.0/r/n软件的编程方法编制了智能车运行的各个子程序并联接成控制智能车运行的主程序，使智能车运行并能实现所设计的功能。/r/n总体来说，整个智能车系统的构建满足了设计的需求。但是由于时间和其他客观条件的限制，仍存在一些