循迹机器人设计11 设计任务描述1.1 设计题目：循迹机器人设计1.2 设计目的（1）了解机器人技术的基本知识以及有关电工电子学、单片机、机械设计、传感器等相关技术。 （2）初步掌握机器人的运动学原理、基于智能机器人的控制理论，并应用于机器人的设计中。 （3）通过学习，具体掌握循迹机器人的控制技术，并使机器人能独立执行一定的循迹任务。1.3 基本要求（1）要求设计一个能循迹(白底黑线或黑底白线，线宽 25mm)的机器人；（2）要求设计机器人的行走机构，控制系统、传感器类型的选择及排列布局。（3）要有循迹的策略（软件流程图） 。1.4 发挥部分循迹机器人设计22 设计思路这次课设我设计的是循迹机器人，自动循迹测距机器人主要由六个模块构成：车体框架、电源、主控模块、逻辑模块、探测模块、电机驱动模块组成。（1）车体框架。突出特点为四轮驱动，四轮独立悬挂；（2）MC9S12X128 主控制器。系统采用 112 脚的 MC9S12XS128MAL，该单片机具有 ECT 模块，2 个 SPI 模块，8 路 16 位计数器，4 路外部事件触发中断输入端口，8 路 PWM，16 路 10 位 AD，转换时间约为 3us；（3）传感器模块。光电发射管发射出光，经过赛道的反射回来，由于白色平面和黑线反射光强度不同，不同位置上的光电接收管接收到强弱不同的光，因此可以判断出黑线相对小车的位置。这种检测的方法明显的优点是检测速度快，检测的方法简单，成本相对低廉。使用一字线激光器发射强大光线，用 13个光敏传感器采集路面信息，将信号反馈给控制单元，由控制单元判别黑线位置以控制车的速度、转向和制动；（4）电机驱动模块和速度控制模块。根据码盘反馈信号，用 MOS 管搭建的桥式驱动电路驱动电机的运转状态，形成闭环控制，对电机的速度机型准确快速的调节；（5）转向控制模块。根据路面信息，准确地控制转向舵机的转角；（6）刹车模块。使用伺服舵机构成刹车装置，使智能车在转弯时两轮差速，更及时地转向；（7）人机交互模块。我们使用拨码开关调整智能车的运行参数，并用液晶将车的运行状态显示出来。循迹机器人设计33 设计方框图M C 9 S 1 2 XS 1 2 8M O S 管驱动电路直流电机智能车后轮制动装置码盘信号输入伺服舵机光电传感器拨码开关输入和状态显示转向舵机智能车前轮图 3.1 系统总体结构方框图循迹机器人设计44 机械结构设计机械结构设计主要包括前轮定位，传感器的设计安装，转向舵机的安装，测速编码器的安装和后轮刹车装置的设计。4.1 车体结构车型结构突出特点为四轮驱动，四轮独立悬挂。智能车的外形大致如图 4.1 所示：图 4.1 智能车大致外形4.2 传感器的设计安装如何安装激光传感器也是一个要考虑的机械结构问题，因为如果传感器离车太近，则前瞻性会受到很大影响；而传感器若离车太远则机构不稳定，行走过程会产生振动，影响传感器的工作状态，无法保证稳定、准确的信号反馈，采用“一”字型排布方式，如图 4.2 所示。采用了 13 个激光传感器，居于中间部分的 11 个传感器两两相距较近，两个边缘的传感器相对距离较大些，以探测到更宽的平面信息。1 . 8 c m 1 . 8 c m 1 . 8 c m 1 . 8 c m 1 . 8 c m 1 . 8 c m 1 . 8 c m 1 . 8 c m 1 . 8 c m 1 . 8 c m 2 . 4 c m2 . 4 c m循迹机器人设计5图 4.2 激光传感器以“一”字型排布4.3 转向舵机的安装舵机响应时间很大程度上决定了小车的灵活性，从而决定着小车在一定赛道条件下的极限速度，为了加快车轮转向响应速度。转向舵机安装在小车的前轮位置，在循迹遇到弯道时可以灵活的转弯。4.4 测速编码器的安装在车的调试过程中，由于电池的电量时刻在消耗，车的实际速度往往在发生变化，于是，采用了光电编码器。光电编码器安装主要考虑的问题是与齿轮的咬合，太紧会使电机转动吃力并且会发出很大的噪声，太松有时候会丢齿。因此最好使得安装的编码器松紧程度能够调整最好。通过光电编码器，程序可以通过调整电机的 PWM 波来控制车速在稳定在一个范围。4.5 后轮刹车装置设计车模在高速状态转急弯时有时不够及时，导致碾出跑道。为了保证车辆行驶的安全，应当加装制动舵机。在制动舵机上加装了一个连杆，连杆的两边各附有刹车片。在转弯时，通过刹车片向内侧车轮施加摩擦阻力，当内侧车轮由于受到阻力变慢时，外侧车轮将变快，起到了差速作用，这样车辆能够更及时地转向，避免冲出跑道，更可以在直道上提高速度。例如：左转弯时，调节舵机给左轮一定的摩擦力，降低左轮的速度，起到减速作用。同时，由于内置的差速器作用，右轮的速度将会更快。由于两个车轮间存在差速，速度快的车轮会以另一个车轮为圆心向左甩，这样有利于车左转。同样，右弯时，调节舵机给右轮一定的摩擦力，降低右轮的速度，使其左转平稳而又不冲出跑道循迹机器人设计65 硬件电路的设计和实现5.1 电源模块图 5.1 电源模块原理图5V 稳压电源用于单片机、激光传感器模块、光电编码器模块供电，用LM2940 搭建成的 5V 稳压电路（见图 5.1），给这些模块供电，能稳定地实现功能，且各个模块不会互相干扰，整个电路简单实用。5.2 电机驱动模块场效应管作为驱动管，其导通电阻可以达到毫欧级，且可以提供强大驱动电流。如图 5.2，场效应管 IRF4905 和 IRF3205 组成桥式电路，作为电机驱动，从单片机输出的控制信号 PP5 和 PP7（PWM 信号）经反相器 CD4011 放大电流后作为桥式电路的输入。循迹机器人设计7图 5.2 电机驱动模块原理图5.3 激光传感器模块的设计采用激光作为光源可以使光敏传感器的前瞻能达到 40cm50cm，这对智能车的控制已经足够。接收电路如图 5.3 所示。接送器采用普通的光敏管，接收器的输出接至单片机的 AD 口，通过读取 AD 值的方法来确定路面信息。电位器的作用是调整接收器的电流，从而调整输出的电压，从而调整 AD 值，起到适应环境的作用。图 5.3 激光传感器模块原理图循迹机器人设计8图 5.4 激光发射器实物图激光发射器 DS1 采用一字线激光器，规格为 650nm/100mw，如图 5.4 所示。该发射器内置透镜，能将激光以一字线型发射出，这样代替了多个的点状激光发射器，从而减轻重量，简化了电路。5.4 人机交互模块图 5.5 人机交互模块原理图为能够对程序运行的参数进行方便的修改，使用了一个八位的拨码开关。拨码开关的状态通过单片机的 PA 口读得，在程序里进行判断并决定采用哪一组参数。另外，为了能够方便调试，我们还外接了一个 1602 液晶，可以方便地查看传感器的输出值。5.5 光电编码器模块循迹机器人设计9考虑到小车在加速和减速时可能会出现轮胎与赛道打滑的现象，就采用检测电机齿轮的转速作为小车的当前速度。速度检测的方法主要有霍尔开关检测、光电编码器检测。霍尔开关的开关速度比较快，精度容易调节（只需调节小磁铁块的个数与间距），但是当小车的速度较快时，会出现测量误差。光电编码器对速度的反应很灵敏，精度比较高，速度的实时检测比较好。经考虑，决定采用光电编码器检测模型车的速度。如图 5.6 所示，LM358起放大信号和比较信号的作用，其输出经上拉接至单片机的脉冲计数管脚PT7。图 5.6 光电编码器模块原理图5.6 单片机资源使用情况单片机作为本系统唯一的控制器，所有控制信号都由其作逻辑判断后输出，表 5.1 所示的即为单片机的管脚分配表。循迹机器人设计10表 5.1 MC9S12XS128 单片机管脚分配表S12 单片机管脚分配PA0-PA7 八路拨码开关普通 IOPB0-PB7，PK0-PK2 液晶显示PT7 码盘脉冲检测PWM23 直流电机 PWM1PWM67 直流电机 PWM2PWM01 转向伺服电机 PWMECTPWM45 刹车伺服电机 PWMAD AD00AD15 激光传感器信号输入（含备用）中断 PH7 用于调整参数RXD0 串口接收串口通信TXD0 串口发射循迹机器人设计116 主程序流程框图图 6.1 主程序流程图当黑线处于传感器两边缘时，让舵机以最大角度转动。当黑线处于中间时主要使用 PD 算法，调试好 PD 的参数后既可以很稳定的跑动。速度采用脉冲计数器测量，光电编码器的输出接在定时器接口上。在软件里，通过每隔 8ms 的中断处理程序读取一次脉冲次数，读完后立即清零，等待下一次的中断。读取数据后除去偶然误差，做为速度值。再根据此速度值作为反馈，使用增量式 PID 算法对速度进行控制，使速度达到设定值。循迹机器人设计127 元器件清单元器件 标称值 数量 封装电容 10uF 1 805电容 10uF 3 C1206晶振 12MHz 1 XTAL1电容 22P 2 805极性电容 100uF 2 RB.2/.4电容 104 3 805电容 220uF 1 RB.2/.4电阻 470 1 805稳压芯片 1117-3.3V 1 SOT223单片机 C8051F310 1 LQFP-32触发器集成块 CD40106 1 DIP14三头插针 CON3 1 SIP3二极管 DIODE 8 M7JTAG HDR2X5 1 HDR5X2-LP两头插针 HEADER 2 2 SIP2六头插针 HEADER 6 2 SIP6循迹机器人设计13发光二极管 LED DC5V 1 DIODET驱动芯片 LM298 1 MULTI15电压比较器 LM393 2 DIP85V稳压片 LM7805 1 TO-220开关 SW-PB 1 SW-S2-4小结在这次设计中，我完成了这次任务，设计出了循迹机器人，并详细的设计了机器人的行走机构，控制系统、传感器类型的选择及排列布局。在软件方面也设计出了程序的流程图。在这次课程设计中,我学到了很多上课时没有学到的知识。我先从图书馆查阅相关资料，上网查阅，找到跟我设计题目相关的课题，从历届飞思卡尔的报告中借鉴了很多有用的东西。通过课程设计我收获很多，不仅对这个课程有了更深的理解，而且也学会了团队精神的重要性，个人的能力是有限的，团结才能有力量，我们都尽自己所能来完成这次课程设计。通过这次课程设计,我懂得了理论与实际结合是很必要的。只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实际结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考能力。重要的是我们在设计过程中发现了自己的不足，对前面学过的知识理解的不够深刻，掌握的不够牢固。通过这次课程设计，我们相当于把前面所学过的知识又重新温故了一遍。循迹机器人设计14致谢课程设计结束了，在课程设计的过程中我学到了很多课堂上所不能体会的知识。我们做的是循迹机器人的设计，在这次设计当中，我学会了团体合作还有很多关于机器人的相关知识。一周的课程设计结束了，以前在上课的时候老师讲解的东西以为明白就可以，但是在这次实践中，我明白了，那是远远不够的。在老师、同学的帮助下，终于完成了这次实验。查阅资料，请教同学，相互讨论，还好有老师和同学，一步一步的修改和讲解让我觉得非常的暖心。可能在以后步入社会以后这种感觉可能不复存在。所以我珍惜现在的每一次的设计。在这里要非常感谢我的老师。每天都来实验室为同学们解答各种问题，当我们出错误的时候，老师都会在身边所以我们感到非常的安心。这也是一次跟老师更加近距离的学习机会。在这里还要感谢我同组的同学以及帮助我们的同学。在每天的课程设计中，都有你们的陪伴，在我有困难的时候，你们永远在我的身边。非常谢谢你们对我的帮助。这次课程设计对我以后的学习乃至工作都有很大的帮助，我对机器人有了更深一层次的了解。虽然对电路设计还是有很多困难，很多要学的。但我想只要我们珍惜每次设计的经过，从中我们肯定会有一些所得。再次感谢我们的指导老师祝老师