机器人原理与制作实验指导书及报告

机器人原理与制作实验指导书华中科技大学文华学院机器人实验室1

实验一熟悉机器人与C51单片机硬件软件一、实验目的1、掌握宝贝车机器人用C51教学板与计算机硬件连接；2、熟悉及掌握C51系列单片机KeiluVisionIDE（集成开发环境）软件、ISP下载软件及串口调试终端的使用方法。二、实验设备及软件宝贝车机器人、ISP下载线、串行接口、并行接口、计算机、电源。KeiluVision2IDE集成开发环境、SLISP下载软件、串口调试软件。三、实验内容和步骤单片机控制的宝贝车机器人通过串并口通信交互由硬件系统与软件系统相互结合组成的一个完整的智能控制系统。单片机必须与外围设备及软件组成一个完整的应用系统（如图1.1）。1、熟悉宝贝车机器人的结构组成（如图1.2）：小车底板、车轮、教学板、伺服电机、电池盒。这是宝贝车机器人的硬件系统，它的微控制器（MCU）是由Atmel公司生产与51系列兼容的8位AT89S52单片机。图1.1单片机图1.2采用C51单片机的机器人2、教学板指方便单片机与电源、ISP下载线、串口线以及各种传感器个电路板（如图1.3）。将宝贝车机器人与应用系统图和电机的连接制作的一计算机硬件连接，并连接到电源。连接单片机教学板ISP接口到计算机连接单片机连接机器人到电池或是者供电电源。，以便程序下载；教学板串行接口到计算机，以便调试和交互；2⑤⑨①③②（2）ISP下载线⑥⑧⑦④图1.3C51单片机教学板⑧—面包板；⑨—专用电机控制接口插座3、运用C语言编程，运用编译器编译生成可执行文件并下载到单片机，用串3）添加Source。SourceGroup1前面出现+号，单C文件，Keil会自动识别关键字，并以不同的颜色提示用户加以注意，这样C程序到项目工程：SourceGroup1右键单击→AddFilestoGroup出现刚才添加的C程序文件名，单会使用户少犯错误，有利4）生成执行文件十六进制目标代码文件(*.hex)：Target1右键单击→Optionfortarget‘Target1’→Output→选中“CreateHexFi：”→连接编译生成可执行文件*.hex。编译要求没有错误产生，允许出现警告。1）参数选择：并口LPT1；下载速度选择TURBO模式；单片机型号：AT89S52；2）选择执行文件：Flash→*.hex；33）单击“编程”进行下载。注意：要将ISP下载线连接计算机和机器人教学板，电源接好，开关拨到“1”档位置，给教学板通电。④从执行文件下载到单片机的那个时刻开始，程序就开始运行。单片机向计算机发送信息。可利用串口调试软件查看单片机输出信息，“Reset”按钮可让下载到单片机内的程序重新运行一次。4、做完实验断开电源，将开关拨到“0”档，系统在不使用时没有消耗电能，电池可以用的更久。拆卸串并口线还原。四、实验程序1、教材程序HelloRoBot.c。2、利用while循环与delay_nms()函数（毫秒级的延时）编程：每秒发送一个信息（内容为英文自己定），通过串口显在示计算机上。delay_nms()函数在BoeBot.h头文件中有定义。即#include<Boebot.h>，编译时系统讲根据头文件自动将延时函数插入到程序中。五、实验报告要求1、按要求：每秒发送一个信息（内容为英文自己定），通过串口显示在计算机上，进行程序设计。2、程序调试心得。3、观察到的程序运行效果并加以分析。六、思考题1、什么是单片机？2、MCS51、8051、C51、AT89S52之间是什么关系？3、宝贝车机器人采用的AT89S52单片机的特点是什么？4、#include<uart.h>头文件的作用是什么？5、程序HelloRoBot.c中while(1);的作用是什么？注：实验操作现场检查。实验二C51接口与伺服电机控制一、实验目的1、理解和掌握C51单片机的输入\输出接口的特性；42、理解机器人伺服电机PWM调速原理，C语言编程输出脉冲序列控制机器宝贝车机器人、ISP下载线、串行接口、并行接口、计算机、电源、螺丝刀、KeiluVision2IDE集成开发1、用C51单片机教材附录C，关于面包板及LED的介绍。由5个插座组成，这5个插座在面包板上是电的任意两个插座中，它们都是电气相连的。“GND”对应于教学板的接地端，“Vcc”指校准的+5V电压。发光二极管（如图2.1）是单向的电子管，长脚为正极，短脚为负极，必须连接正确，否则不能正常工作。通过5mA左右即可发光，电流越大，其亮度越强，但若电流过大，会烧毁二极管。给发光二极管串联一个电阻的目的是限制通过发光二极管流不要太大。高低电平控制LED发光二极管的闪烁。看图2.1LED零件图图2.2发光二极管与I/O脚P1_0的连接色环电阻为五色，用五条色环表示电阻的阻值大小。黑0棕1红2橙3黄4绿5蓝6紫7灰8白9金、银表示误差具体如下：5LED同时闪烁，要求修改程序让两个LED交替亮或者灭，也可以改变延时函数参【拓展训练】实现4个或更多LED流水灯控制，编程方法与两个LED闪烁类似，接入的LED二极管继续接在面包板左侧其他的端口位上。要平与所接的端口要一一对应起来。2、两伺服电机调零。在操作之前，先确认一下机器人两个伺服电机的电源控制线（如图2.3）是否已经正确的连接到C51单片机教学板的两个专用电机控制接对应流水灯从全灭到一个一口上。P1_1引脚控制左边电机，P1_0引脚控制右边电机，在电路板上我们分别采用W、R、B来表示信号线、电源线和地，电机控制线颜色与教学板接口对应字母一致（白红黑对应WRB）。图2.4电压“占空比”与平均电压关系电机调速应用PWM（脉宽调制）基本原理，通过控制固定电压的直流电源开关频率改变负载两端的电压。在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。如图2.4，在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减少。只要按一定规律，改变通、断电的时间，即可让电机转速得到控制。高电平持续的时间控制电机转速，即脉冲宽度控制连续旋转电机速度和方向。将时间间隔为20ms，脉宽为1.5ms的一系列脉冲称为零点标定信号，电机转速为零，机器人轮子静止不动。如果电机没有进行零点标定，机器人轮子会转动，如图2.5所示，用螺丝刀轻轻调节马达上的电位器，直到马达停止转动。6如电机已经完成了零点调节，不会转动。但是损坏了或有缺陷的电机有时也不转动。继续检测：当高电平持续时间为1.3ms~1.5ms之间时，电机顺时针旋转；图2.5.1经过孔把螺丝刀插入电位器图2.5.2轻轻的旋转螺丝刀调节电位器3、测试电机，改变脉冲宽度控制机器人运动速度和方向。如图2.6，定义机器人的前、后、左、右四个方向。例程中使用printf函数是为了起提示作用，若觉得串口线影响机器人的运动，可以不用此函数。将程序下载到单片机，关闭机器人电源开关，断开ISP下载线，将开关拨到“2”档，观察宝贝车运动情况。图2.6机器人及其前进方向的定义两个LED同时闪烁及一个LED闪烁（程序HighLowLed.c），延时函数参数n的值，改变LED对应流水灯从全灭到一个一个亮或者7对应流水灯从全亮到一个一个灭。2、编程实现两伺服电机调零，可以分别调零，也可一起调零。教材有代码实现右轮调零，注意编程的完整性。3、验证BothServosThreeSeconds.c是否向前进3s，后退3s。并根据此程序按照实验报告要求编程。五、实验报告要求1、编程及电路原理图实现两个LED交替闪烁，观察到的运行效果并加以分析，程序调试心得。有兴趣的同学还可以完成4个或更多LED流水灯控制，对应流水灯从全灭到一个一个亮或者对应流水灯从全亮到一个一个灭。要求编程及电路原理图，观察到的运行效果并加以分析，程序调试心得。2、编程实现两伺服电机调零，可以分别调零，也可一起调零，观察到的运行效果并加以分析，程序调试心得。3、控制两个电机的delay_nus函数的参数n有不同的组合，各种组合的运动状况填写下表。P1_1P1_0170013001300170017001700130013001500170015001300描述运动状况全速，P1_1电机逆时针，P1_0电机顺时针130015001700150015001500两个电机都静止六、思考题1、LED闪烁的工原作理，即引脚输出高低电平信号，发光二极管会灭或者亮的原因是什么？2、LED闪烁的实验中，逐渐减小延时函数参数n的值，还能看到LED闪烁吗？为什么？3、LED闪烁的实验中，分别将开关拨到“1”与“2”，看实验现象有什么区别？分析原因。4、将电机调零的程序下载到单片机，开关拨到“2”，按“Reset”按钮，轮子仍转动，不能完全停下来，试分析有哪些原因造成的？5、编程给与P1_1连接的左轮发出脉宽为1.7ms，与P1_0连接的右轮发出脉8宽1.3ms，观察到宝贝车后退，分析是什么原因引起的？注：实验操作现场检查。实验三C语言函数与机器人巡航控制一、实验目的1、掌握对单片机编程使机器人做基本的巡航动作：向前，向后，左转，右转和原地旋转。通过测试机器人脉冲数与机器人运动距离的关系，实现机器人的精确动作。2、掌握编写程序时机器人由突然启动或停止变为逐步加速或减速运动。3、写一些执行基本巡航动作的函数，每一个函数都能够被多次调用。4、将复杂巡航运动记录在数组中，编写程序执行这些巡航运动。二、实验设备及软件宝贝车机器人、ISP线、串行接口、并行接口、计算机、电源。KeiluVision2IDE集成开发环境、SLISP串口调试软件。三、实验内容和步骤1、验证教材程序ForwardLeftRightBackward.c看机器人是否向前、左转、右转及向后走。宝贝车向前运动的过程轻微向左或右偏移轮与右轮程序上是以全速行驶，实际输出有速度差，要么左轮速度太慢轮速度太慢。让轮子加速不太实际，但是减小轮子的速度就可以解决问题电机速度是脉冲宽度即程序中延时函数delay_nus的参数n决定的。n越接近1500，电机转速越慢。要重复试验得到一个比较准确的输出。将确定好的沿直线运动的参数更新到程序ForwardLeftRightBackward.c中相应的值。利用for循环控制电机的运行时间，由小车运动形式决定输出距离或角度程中for循环的循环次数为65，小车运行时间为1.5s，运行距离减半。for循环循环次数为26，电机的运行时间决定小车旋转的角度。调整for循环的循环次数得到非常接近你想要的旋转角度。由于每个小车的情况不一样，在向左转与右转中for循环的循环次数增加或减少电机的转角，使宝贝车旋转期望的角度，例如旋转90度。如果发现一个值使旋转超过90°，而另一个使旋转小于90°，尝试选择一如果，不是一条直线。结果就是左，要么右。例的个使其旋转更多的值，然后稍微减小电机速度。测试一下你的小车要循环多少次才能旋转90度。9在转弯半径较大时，可以采用一个电机增速另一个电机减速的方法转弯。由于小车结构的影响，这种方法转弯较慢，转弯半径较大，效果受运动速度的影响大。在需要转弯半径较小时，可以采用一个电机转动，而另一个静止的方法。两个电机等速反向转动可以实现原地转弯。测试宝贝车速度。将宝贝车放在尺子旁边，确保轮子接触的地面与尺子的0厘米对齐在一条线上，按复位键重新运行程序，让宝贝车向前走1秒钟，测量从出发点到机器人停下来所接触的地面距离，测量结果就是以厘米/s为单位的。2、将加速或匀减速。ForwardLeftRightBackward.c。3、教材程序MovementsWithFuntions.c、MovementsWithOneFuntion.c运行结ForwardLeftRightBackward.c产生的效果是相同的，用函数调用简化运动程序。修改MovementsWithOneFuntion.c使机器人走一个正方形。4、验证程序NavigationWithSwitch.c是否走了一个矩形。使用数组或调用函数编写程序，你的想法运动，实现较为复杂的运动。、爬虫机器人巡航控制。加速或减速与基本巡航动作结合起来，使机器人的每一个动作都能够匀参考教材程序StartAndStopWithRamping.c及相似代码更改果与使机器人按【拓展训练】编程使履带坦克机器人、相扑机器人四、实验程序1、验证教材程序ForwardLeftRightBackward.c。2、编程反复测试一下小车要循环多少次才能旋转精确的90度。/s为单位的。4、参考教材程序StartAndStopWithRamping.c及相似代码，更改ForwardLeftRightBackward.c，使机器人的5、修改MovementsWithOneFuntion.c使机器人走一个6、使用数组或调用函数编写程序，你的想法运动，实现较为复3、编程测试宝贝车速度，测量结果就是以厘米每一个动作都能够匀加速或匀减速。正方形。使机器人按杂的运动。五、实验报告要求1、程序设计小车要加以分析，程序调试心得。2、更改ForwardLeftRightBackward.c，使机器人的写出程序，观察到的运行效果并加以分析，程序调试心得。3、（修改MovementsWithOneFuntion.c）使机器人走一个正方形。写出程序，观察到的运行效果并加以分析，程序调试心得。4、使用数组或调用函数编写程序，你的想法运动，实现较为复写出程序，观察到的运行效果并加以分析，程序调试心得。循环多少次才能旋转精确的90度，观察到的运行效果并每一个动作都能够匀加速或匀减速。使机器人按杂的运动。10六、思考题1、在程序ForwardLeftRightBackward.c中，向左转与右转的for循环的循环次数为26，这是什么意思？程序运行效果是怎样的？2、机器人完成各种巡航动作的过程中，每次启动和停止时，动作太快，几乎倾倒，为什么会这样呢？采用什么方法可以解决这种问题？3、让小车实现转弯的方法有哪些？注：实验操作现场检查。实验四C51接口与触觉导航一、实验目的1、接触型传感器作为输入反馈与C51单片机的编程实现。2、编程使机器人基于胡须导航，条件判断语句的嵌套与机器人的人工智能决策的编程使机器人逃离进入墙角死区。二、实验设备及软件宝贝车机器人、ISP下载线、串行接口、并行接口、计算机、电源、安装机器人胡须，所需硬件如图4.1。元件清单：(1)胡须状金属丝(2)平头M3x22盘头螺钉(3)13mm圆形立柱2个；(4)M3尼龙垫圈2个；(5)3-pin公-公接头2个；(6)220Ω电阻2个；(7)10kΩ电阻2个。2根；2个；图4.1胡须硬件KeiluVision2IDE集成开发环境、SLISP下载软件、串口调试软件。三、实验内容和步骤1、通过布置恰当的电路，在机器人前端安装并测试一个称为胡须的触觉开关，对C51单片机编程来监视触觉开关的状态。安装并测试机器人胡须见图4.2。确定两条胡须比较靠近，但又不接触面包板11上的3-pin头，推荐保持3mm的距离。参考接线图4.3，搭建胡须电路。色环电阻你会读吗？（提示：棕红橙黄绿，蓝紫灰白黑）220Ω电阻（红红黑黑棕），10kΩ电阻（棕黑黑红棕）。注意：右边胡须状态信息输入是通过P1口的第4引脚完成，左边胡须状态信息输入是通过P2口的第3引脚完成。也可以接其他引脚，注意电路与程序要匹配。图4.2安装机器人胡须图4.4是实际的参考接线图，图4.3胡须电路示意图机器人如图4.5。安装好的触觉胡须的图4.4胡须接线图单片机AT89S52的四个端口P0、P1、P2和P3是可以按位来操作，从低到高依次为第0口、第1口……第7口，书写分别为PX.0、PX.1、……、PX.7（X取0到3）。P1&0x10：取P1.4图4.5安装好触觉胡须的机器人P1P1.70x100P1.6P1.5P1.4P1.30P1.20P1.10P1.00001P2&0x08：取P2.3P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.00x080P20001000P1&0x10和P2&0x08分别提取了P1.4和P2.3的值，屏蔽了其他位。测试胡须源程序TestWhiskers.c。要用到调试终端，当程序运行时要确保串口已经接好。弄清哪条胡须是左胡须，哪条是右胡须。当胡须没有被碰到，使引脚电压为5V，胡须状态为1；当胡须被碰到时，使引脚电压为0V，胡须状态为0。2、通过胡须导航。机器人行走时，如果有胡须被触动，意味着碰到了什么。尝试让宝贝车向前行走，当在其路线上遇到障碍物时，它将后退、旋转并向另一个方向行走以避开障碍物。具体程序RoamingWithWhiskers.c。可以调整Left_Turn()和Right_Turn()子程序中for循环的循环次数增加或减少电机的转角，使宝贝车旋转期望的角度。在空间比较狭小环次数来减少后退的距离3、基于人工智能决策的编程使机器人逃离进入墙角死区。当宝贝车进入墙角时，左胡须触墙，于是它倒退，右转。当小车再向前行走，右胡须触墙，于是再倒退，左转。然后它又前进又会碰到左墙，再次碰到右墙…等，直到有人把它从困境中解救出来。使用含if…else嵌套语句用于的地方，可以调整程序Backward()中for循环的循。角死区。编程使机器人逃离进入墙探测连续的、交替出现的胡须触动。编程使宝贝车在行走时，轮流触动它的胡须，胡须在经过四次触动之后，宝贝车会进行后退、旋转180°离开墙角。具体程序EscapingCorners.c。尝试增加或减小变量counter的数值，观察机器人在正常行走过程中是否有任何不同。【拓展训练】触觉导航机器人走迷宫竞赛。四、实验报告要求1、搭建触觉导航电路，测试胡须源程序TestWhiskers.c。观察到的运行效果并加以分析，程序调试心得。2、程序RoamingWithWhiskers.c触觉导航的实现，胡须机器人怎样行走。3、程序EscapingCorners.c是如何工作的。五、思考题1、触觉导航的原理是什么？通过胡须导航时如何避开障碍物？2、语句Return(P1&0x10)?1:0的意义是什么？试说明。3、语句if((P1_4state()==0)&&(P2_3state()==0)){Backward();Left_Turn();Left_Turn();}的含义是什么？4、在胡须导航程序中函数Forward()有变动，只发送一个脉冲，然后返回，这样的好处是什么？5、是否有且只有一根胡须被触动，如何通过获取左、右胡须的状态作出判断?写出具体的判断语句。131、掌握红外传感器作为输入反馈与单片机的编程实现，让机器人的C51单片机可以收发红外光信号。2、使用红外线发射和接收器件探测道路，编程实现高性能的IR导航和边沿探测。宝贝车机器人、ISP下载线、串行接口、并行接口、计算机、电源。所需元件：(1)两个红外检测器，如图5.1；(2)两个IRLED，如图5.2；(4)两个9013三极管，如图5.3。图5.2红外线二极管LED发射器图5.3.1三极管9013管脚图图5.3.2三极管9013结构图及符号图KeiluVision2IDE集成开发SLISP下载软件、串口环境、调试软件。三、实验内容和步骤使用红外光来照射机器人前进的路线，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可以确定前方是否有物体。机器人使用红外线二极管LED发射红外光线，红外检测器相当于眼睛，检测到反射出信号来表明检测到从物体反射回红外线，如图5.4。红外线（IR）接收回来的红外光线，并发/检测器有内置的光滤波器，除了需要检测980nm波长的红外线外，几乎不允许其他光通过。红外检测器还有一个电子滤波器，只允许大约38.5kHz的电信号通过。图5.4用红外探测障碍物如图5.5。注意断开主板和电图5.6.1左右IR组实物参考图图5.6.2左右IR组电路搭建实物参考图本任务中，发送持续1ms的38.5kHz的红外光，如果红外光被小车路径上的物体反射回来，红外检测器将给微控制器发送一个信号，让它知道已经检测到反射回的红外光。当没有IR信号返回时，探测器的输出状态为高电平。当它探测到被物体反射的38.5kHz的红外信号时，它的输出为低电平。放一个物体，比如手或一张纸，距离IR组大约1英寸。验证当你放一个物体1。在IR组前时，调试终端是否会显示0，当你将物体移开时，它是否显示注意：保持宝贝车机器人与串口电缆的连接，因为你将用调式终端来测试你的IR组。2、IR检测器探测IR检测器的输出与故采取与胡须相同的导航策略。3、高性能的IR导航，在每个脉冲之间采样以避免碰撞。在触须导航里使用的预编程机动动作很好，但是在使用IRLED和探测器时会造成不必要的迟钝。发送脉冲给电机之前检查障碍物，宝贝车持续使用电机驱动脉冲和探测，直到它绕开障碍物，然后它会继续发送向前行走的脉冲，这样可以大大改善宝贝车的行走性能。4、用绝缘带模拟桌子的边沿，边沿探测编程。宝贝车在桌子上行走，IR检测器向下监测桌子表面。只要两个IR探测器测到桌面，宝贝车向前行走。如果有一边的IR探测器没有发现桌面（即发现边沿），宝贝车会向另一个方向转动。和避开障碍物触须的输出非常相象。没有检测到物体时，输出为高，检测到物体时，输出为低。16四、实验报告要求掌握红外传感器作为输入反馈与单片机的编程实现，要求编程实现高性能的IR导航和边沿探测。五、思考题注：实验操作现场检查。实验六C51定时器与机器人的距离检测一、实验目的1、掌握定时/计数器的应用及编程实现。2、机器人红外测距及跟随策略的实现。二、实验设备及软件宝贝车机器人、ISP下载线、串行接口、并行接口、计算机、电源。KeiluVision2IDE集成开发环境、SLISP下载软件、串口调试软件。三、实验内容及步骤1、单片机AT89S52的定时/计数器提供更精确的时间。具体见教材。2、机器人用红外发射频率扫描进行编程做距离探测。用同前面一样的