浙江工业大学博士学位论文毕业设计说明书课题名称：智能循迹小车学生姓名：潘彬彬学 号：0902013320二级学院（系）：电气电子工程学院专 业：机电一体化班 级：机电0933指导教师：夏老师起讫时间：2011年12月20日2012年3月20日I浙江机电职业技术学院毕业设计说明书基于STC89C52单片机的智能循迹小车设计摘 要智能循迹小车是一种在控制系统的作用下,可以准确沿既定路线自动行驶的系统。本设计中,采用STC89C52单片机为主控制芯片,结合直流减速电机、传感器、电源电路及其他外围电路,设计实现了小车沿黑色轨迹行走的智能循迹小车,其中小车循迹功能由红外式光电传感器完成。针对学生的能力和财力情况，只能制作有基本寻迹功能的智能小车。因此本设计的控制核心采用价格便宜、性能良好的8位CPU单片机芯片STC89C52，驱动部分采用学校里经常教到直流减速电机，传感部分采用对光的暗亮程度比较敏感的红外式光电传感器。关键词：机械设计；STC89C52；直流减速电机；红外光电传感器等目 录摘要I第1章 绪论11.1 引言11.2 主要机械结构分析1第2章 结构设计3第5章 结论5参考文献7致谢9第1章 绪论1.1 引言机器人技术的发展是一个国家高科技水平和工业自动化程度的重要标志和体现。机器人在单线生产生活中的应用越来越广泛，整在替代人发挥着日益重要的作用。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、仿生学等多学科而形成的高薪技术，集成了多学科的发展成果，代表高技术的发展前沿，是当前科技研究的热点方向。随着计算机、微电子、信息技术的快速进步，机器人技术的开发速度越来越快，智能度越来越高，应用范围也得到了极大的扩展。在海洋开发、宇宙探测、工农业生产、军事、社会服务、娱乐等各个领域，机器人都有着广阔的发展空间与应用前景。机器人正朝着智能化和多样化方向发展。同时，机器人设计到的技术也不断扩展，如多传感器信息融合、；路径规划、机器人视觉、智能人机接口等，产生了一系列研究课题。目前，国内对机器人的研究不断深入，已经开发出各式各样的具有感知、决策、行动和交互能力的特种机器人和各种智能机器人，推出了各种样机，如移动机器人、微型机器人、水下机器人、军用机器人、服务娱机器人、仿人机器人等。对不同任务和特殊环境的适应性，是智能机器人与一般自动化装备的重要区别。智能机器人从外观上已远远脱离了最初的工业机器人所具有的形状和局限，更加符合各种不同应用环境的特殊要求，其功能和智能程度大大增强，从而为机器人技术开辟出更加广阔的发展空间。其中智能车系统将在未来工业生产和日常生活中扮演重要的角色，是以后的发展方向。智能小车的巡线功能在生产生活中都有着广泛的用途。例如：可以用在大的生产车间的物流系统中，按照预先设定的路线来传输货物；可以用在赛车比赛中能够按照轨道行驶，从而更加安全；还可以用在导航系统中等等。1.2 主要机械结构分析目前智能小车的主要完成寻迹功能，是由机械结构和控制单元两个部分组成，而机械结构由一个由底盘、前万向轮、控制板支架、传感器支架、左右驱动轮、直流减速电机等组成，所以主要机械结构有导向轮的选择与安装、车后驱动轮的驱动方式选择与安装、传感器的安装、电机的选择与安装以及机械设计原则，这五大部分组成。1、导向轮的选择与安装要求此设计的小车采用的是前万向轮转向，后左右两轮驱动的，因此前万向轮就是此小车的导向轮，而前万向轮的转动的灵活性能，则关系着小车整体的转向灵活性能。普遍用的导向轮有三种：1.PP轮，因为长得像个字母P，所以叫PP轮（我猜的）。如图1-1所示 图1-1由于这种轮子是最常见的，所以挑小车的时候给的都是这种轮子。但是，这种轮子是最不好用的。因为他的水平轴和垂直轴不在一条直线上。在转向的时候轮子会有一个力矩。这种力矩会造成随机偏航尤其是在动力轮抓地力不强，重心位置不正确等情况下。而且，因为转弯时，轮子先转动到与转弯轨迹弧相切的位置，所以车会有个震动。即使不转弯，轮子也会不断的震动。所以这种轮子对车的影响很大。故而，综上所诉，不选择这种轮子。 2.棒棒糖轮，这是网上对这种轮子的戏称，因为它长得像个棒棒糖。抱歉，没有找到图片，就描述下其形状：一个远远的框半包着一个大大的钢球，上面连着一个长长地螺丝。因为它的垂直轴和水平轴基本在一条直线上而随机偏航会比较小，所以比起第一个好很多，但也不是最好的。它的缺点在于它的螺丝长度是固定的，而且螺丝比较粗，不好往车上固定；它的轮子和螺丝的连接不是刚性的，有一点灵活度的，在转弯的时候还会有一些歪。因此，这种轮子也不是最佳选择。3.牛眼轮，因为他长得像牛眼，所以叫做牛眼轮。如图1-2所示 图1-2这种轮子没有自带螺母连接，需要用铜柱，螺丝和螺母自己装配。但是这个轮子是最好的。因为这种轮子与车和支撑铜柱的链接是刚性的，所以在转弯等情况下不会发生力矩偏转，故而很好地抑制了随机偏航。因此，我选择这种轮子做舵机。舵机安装的位置也是影响小车转向性能的关键，智能车对舵机的安装的要求是很高的，这也就对智能车的舵机安装的机械结果提出了较高的要求，其要求舵机安装在智能车上必须完全固定，绝对不允许他与智能车之间有相对移动。2、车后驱动轮的驱动方式选择与安装1.驱动方式选择小车采用的是前万向轮，后左右两轮驱动的设计，而前万向轮起舵机的作用，并没有参与驱动功能，驱动功能就只由车后左右两轮来实现，同时又考虑到小车拐弯时的作用力也来自于车后左右两轮，所以，驱动方式必须采用左右两轮单独驱动。而影响小车转弯的重要因素是差速，小车转弯不灵活、转弯时振动较大都有可能是受差速的影响，必须要在调试过程中自己把握，不宜过松也不宜过紧，最好的标准是小车在拐S弯时，能灵活自如。差速转向又分为三种：双轮反向，单轮，双轮同向。双轮反向是两个轮子向相反方向转，这种转向方式转弯半径小，速度快，灵活，控制程序简单。转弯中心就是动力轮轮间距的中点。适合蔽障，循迹等要求。在这种方法上可以通过控制内轮的转速达到改变转弯半径的目的。但是一般用不上的。单轮是指一个轮子正转或者倒转，而另一个轮子不动。这种方法转弯半径是你的轮轴轴长，中点是不动的那个轮子。程序控制也很简单。适合搜索目标等要求。但是转弯时间稍微长一些。而且因为内轮不动，所以在摩擦作用下会有震动。算是比较中规中矩的转弯方式。双轮同向指的是两个轮子的方向一样，但是速度不一样。这种情况的转弯半径决定于两个轮子的差速。一般用程序进行调速。考虑到小车的检测性能，所以使用双轮反向这种差速转向方式。2.车后驱动轮的安装由于驱动方式左右两轮单独驱动的，所以两个驱动轮必须安装在用一直线上。3、传感器的的选择与安装智能小车的传感器大都会选择以下三种传感器：1.采用光敏电阻组成光敏传感器。光敏电阻原理简单，使用方便，价格低廉，但受光照强度影响很大，可靠性不高。2.采用角度传感器。实用角度传感器来测量车体水平方向和竖直方向的角度，感测到的倾角信号经编码后传感给单片机，由单片机控制电动机的运行。角度传感器灵敏度合适，响应速度好，但使用复杂，价格高昂，且不易购买。3.采用红外光电传感器。光电传感器原理简单，实现方便，价格低廉，可集发射器和接收器于一体。使用这类光电传感器电路简单，工作性能稳定，能完成需要的信号检测功能。综上分析，本设计选择方案三。传感器的抖动对检测稳定性的影响很大，前瞻增大后传感器的抖动很大地影响了检测的稳定性能，所以必须加固传感器的安装，以此来保证检测的稳定性。保证检测的稳定性，则必须保证车的稳定性，因此，必须将车身尽量压低，降低车的重心。采用三只TCRT5000型号的红外光电传感器，呈一字排布。这种方法检测连贯简单，程序控制算法简单，使小车控制稳定。电路图如下图所示： 4、电机的选择与安装智能小车的减速电机是由一个普通电机和减速齿轮箱组成，齿轮箱在减速的同时可以增加扭矩。常用的减速电机有两种：1.L型直流减速电机，只有一边有轮轴，即只有一边可以安装轮子。如图1-3所示： 图1-3这种电机不能加测速模块，只能作为动力电机使用，但是可以在轮子上面安装霍尔元件或者光电测速元件。2. T型直流减速电机，两边都有轮轴，即两边都可以装轮子。如图1-4所示：图1-4这种电机可在轮子的对面的电机轴上安装光电码盘，可用于侧速。但是有一点请注意，不是所有底盘板都支持这种T型测速。所以，综上所诉，选择第一种电机。电机在安装时必须考虑到啮合角和差速。啮合角没有调整好，会导致点击声音特别大，同时不仅会影响电机的声音强度，而且更会直接影响了电机对整车的驱动性，因此啮合富不应太松也不宜太紧，这在调试过程中应准确去把握。5、机械结构的设计原则机械结构在设计时，必须遵循重量适当、降低重心、加固安装这三个原则。1）重量适当。在小车运动时是很重要的，这影响到了小车的运动性能，以及爬斜坡的抓地力。众所周知，小车的车身过重，会影响到小车在运动时的动能；车身过轻，则会影响到小车在爬斜坡的抓地力，直接导致小车的车轮会打滑。这点应在调试时适当去把握。2）降低重心。这不仅能更好地增加小车的抓地力，而且更能保证检测的稳定性能。3）加固安装。这直接决定了小车的质量高低，所以在安装时，必须加固安装。 第2章 结构设计一、结构设计通过查阅资料，浏览范文，以及根据设计任务及扩展功能，确定此设计小车是以STC89C52单片机为检测和控制核心，由轨迹探测模块、后轮驱动兼转向模块及电源模块等四大模块组成。如下图所示：首先必须将各个模块按照其功能组成一个有机的整体，系统各模块之间是紧密结合在一起完成工作的，各个模块通过单片机组成一个完整的硬件系统，通过各自不同的功能，使智能小车进行前进转向，达到实现运动控制的目的。总设计如图2-1所示： 图2-1 车体模块总示意图1、检测与控制核心单片机是整个系统的核心，实现各模块传输的信息的处理，调用相应的子程序，实现控制信息处理，控制电机正反转等。系统采用STC的8位微控制器STC89C52单片机作为核心控制单元用于智能小车运动系统的控制。在选定智能车系统采用红外式光电传感器检测后，路径信号经STC89C52的I/O口输入处理后，用于小车的运动控制决策，由P0口输出电机控制信号单片机接线图如下图所示：2、轨迹探测模块（检测方式）利用红外接收装置，判断有外界控制信息的输入，并与单片机相连，传递相应控制信息。该智能小车在画有黑线的白纸“路面”上行驶由于黑线和白纸对光线的反射系数不同，可根据接收到的反射光的强弱来判断“道路”黑线判断信号可通过单片机控制驱动模块修正前进方向，以使其保持沿着黑线行进。所用的黑线宽度大约为1cm，判断黑线的方案采用红外光电传感器作为传感器，三个红外光电传感器并排放置于小车的前部进行线路跟踪正常行驶时，中间红外光电传感器应位于黑色轨道上，而左右两个红外光电传感器应位于白色轨道上。电开关脱离轨道时，等待外面任意一只检测到黑线后，做出相应的转向调整，直到中间的光电开关重新检测到黑线(即回到轨道)再恢复正向行驶。3、后轮驱动兼转向模块驱动包括电机和电源