本科生毕业设计 毕业设计题目 割草机器人自动避障系统设计 学 生 姓 名 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 指 导 教 师 完 成 日 期 2014 年 5 月 31日 摘 要自动避障系统是割草机器人关键模块之一，是割草机器人自主、安全行走前提。本文首先对国内外市场上现存的智能割草机器人进行了介绍和比较，指出了现在智能割草机器人研制过程中需要注意的关键技术，并结合以往的成功经验和现在的实际需求，选择易于实验的小车结构。STC89C52单片机是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择。本课题以设计割草机器人自动避障为目的，采用STC89C52单片机作为控制核心，采用超声波传感器来检查路面上的障碍，来控制执行机构的自动避障，从而使执行机构完成左转、右转和后退的动作。其中采用的技术主要有：（1）超声波传感器的有效应用，（2）显示器的使用，（3）通过编程来控制执行机构的运动。关键词：STC89C52单片机，超声波传感器，执行机构，显示器IVAbstractAutomatic obstacle avoidance system is one of the key module robot mowers mowing robot, is independent, safe walking premise. This paper firstly introduced and compared to the domestic and foreign existing in the market of intelligent robot mowers, points out the key technologies in the development process of the Intelligent Robot Mower now, combined with the successful experiences and actual demand now, select the vehicle structure is easy to experiment.STC89C52SCM is the macro crystal technology, the introduction of a new generation of high / low power / super anti-jamming MCU, the instruction code is fully compatible with traditional 8051 SCM, 12 clock / machine cycle and 6 clock / machine cycle can be arbitrarily chosen.The design of automatic obstacle avoidance for Robot Mower, using STC89C52 micro-controller as control core, using ultrasonic sensors to check the road barriers, automatic obstacle avoidance control actuator, the actuator to complete the left, right and back action. The main technology:(1)The effective application of ultrasonic sensor.(2) The use of the monitor. (3)Programmed to control the car.Key words: STC89C52microcontroller, ultrasonic sensor, actuator , displayII目录中文摘要 IAbstract II第一章 绪论 11.1选题背景及意义 11.1.1自动割草机器人概述 1 1.1.2自动割草机器人优点 11.2割草机器人的发展简史及其研究现状 21.2.1发展简史 2 1.2.2国外的研究现状 2 1.2.3国内的研究现状 3 1.3割草机器人自动避障系统 3第二章 总体方案设计 52.1主要研究内容 52.2具体方案介绍 5第三章 超声波测距 73.1超声波测距设计思路 73.1.1超声波测距原理 73.1.2超声波测距方法 73.1.3超声波模块的选择 73.1.4显示器的选择 8第四章 超声波模块的硬件结构设计 94.1超声波模块电路设计 94.1.1 超声波模块的特点 94.1.2 超声波模块的工作原理 94.1.3模块参数 10III4.1.4超声波时序图 10 4.1.5超声波发送与接收 114.2 STC89C52单片机功能及特点 124.2.1 STC89C52单片机参数 124.2.2 STC89C52单片机特性 134.3显示电路设计 154.3.1 1602液晶屏的优点 154.3.2 1602管脚定义 154.3.3 1602操作时序 16第五章 超声波测距模块软件设计 185.1超声波测距算法设计 185.2主程序流程 185.2.1系统初始化程序 185.2.2超声波启动程序 195.2.3超声波计时程序 195.2.4测距程序 205.3实验结果 20第六章 实验用执行机构硬件设计 226.1执行机构底盘 226.2执行机构驱动模块 226.2.1 L298N驱动模块说明 226.2.2 L298N参数 236.3 SG90舵机 246.3.1什么是舵机 246.3.2舵机工作原理 246.3.3利用单片机实现舵机转角控制 25第七章 执行机构软件设计 267.1执行机构行走程序 26IV7.2舵机转动控制执行机构行走程序 27结论 30致谢 31参考文献 32附录1超声波避障舵机转动编程 33附录2 电路原理图 40V第一章 绪论1.1选题背景及意义1.1.1自动割草机器人概述随着经济的发展,各国城市建设逐渐深化,城区的绿化程度也随之提高,大量的公园草坪、足球场草坪、GOFL球场草坪等公共绿地均需要进行维护。在各种草坪维护作业中,以草皮修剪工作最为繁重,不仅枯燥,而且重复性强,通常需要消耗大量的人力和物力。为了降低草坪维护作业的劳动强度和成本,近年来一些西方国家提出用现代电子技术和智能控制技术改造和提升草坪机械产业的战略,希望在不久的将来用智能的自动割草机器人取代传统的割草机。自动割草机器人属于民用户外移动机器人领域,从系统科学的角度来讲,它是集环境感知、路径动态规划与决策、行为控制与执行等多种功能于一体的综合机器人系统。感知系统实时监测外界环境变量、移动机构及割草机构运行参数,并将结果输送到控制系统；控制系统将获得的数据与自身的数据库做比较,并参照路径规划对移动机构和割草机构发出修正指令,以获得稳定的运行情况。与传统的草坪修剪机械相比,自动割草机器人具有环保、人力消耗低和高安全性等特点。1.1.2 自动割草机器人优点自动割草机器人与传统的割草机相比有着众多的优点。 1.自动割草机器人可自主工作,仅仅需要少量的人工干预甚至不需要人工干预。传统的割草机需要人的全程干预，割草任务相当繁重。 2.自动割草机器人更加安全。自动割草机器人采用了传感器技术和单片机控制技术，灵敏度更高，应用范围更广，检测精度也更高。也不会因为操作人员的疲劳导致各种意外事故。 3.自动割草机器人有利于保护环境。传统的割草机通过内燃机进行工作，会产生很大的噪声和废弃，这将严重影响操作人员的身体健康并且会污染环境。而割草机器人具有体积小、重量轻和所需功率小等特点,因此在太阳光充足的地方完全可以使用太阳能电池来提供能量，有利于环境保护。IV1.2割草机器人的发展简史及其研究现状1.2.1发展简史1805年英国人普拉克内特发明了第一台收割谷物并可以切割杂草的机器，由人推动机器，通过齿轮传动带动旋刀割草，这就是割草机的雏形。1830年，英国纺织工程师比尔-布丁取得了滚筒剪草机的专利。1832年，兰塞姆斯农机公司开始批量生产滚筒式割草机。1902年英国人伦敦恩斯制造了内燃机作动力的滚筒式割草机，其原理延用至今。从20世纪80年代开始，各种技术都日瑧成熟，链传动，齿轮传动，皮带轮组无级变速，电传动，静液压无级变速全都在割草机上使用，特别是静液压无级变速的驱动单元不仅减轻了司机的操作劳动强度而且还给他们带来了操作的乐趣，加之现代机械设计理念使割草机的结构设计越来越简洁，外形越来越美观，割草机产业显得比以往任何一个时候都更为兴旺。1.2.2国外的研究现状国外对智能割草机器人的研究已经有很长一段时间，在一些草坪拥有量比较的发达国家，他们将智能割草机器人作为商品出售，并且销量很好。出售的智能割草机器人已经达到了中等水平，极大的提高了人们的劳动效率，同时也促进了国外割草机器人的研究与发展。国外的科研机构对割草机器人展开的研究主要偏向割草机器人的智能控制技术，导航技术和路径规划等方向,而针对割草机器人的系统设计相对较少。美国专利US4919224采用了蓄电池供电,能在预定时间启动,具有避障，防盗及自动充电等功能,采用三根导线来进行导航,当遇到下雨，湿地及电源不足等以外情况时,返回车库,该专利采用超声波来探测障碍,用震荡探测器及密码来防止非法用户操作机器。美国专利US5204814采用了优化的导航技术,综合利用存储的路径及环境信息，无磁无电流的金属导线和埋在地下的金属导线三种方式来指导割草机器人的移动,该专利还选用了内燃机做动力,配合发电机及电池组使用,采用分布式控制方式。其它类似的专利有美国专利US4679152，美国专利US4800978，美国专利US3800902及法国专利2631466,美国专利US4777785提供了一种导航新方法即沿未割及已割区域的边缘行走,从而完成导航任务。1.2.3国内的研究现状国内的研究机构对自动割草机器人的研究起步相对较晚，但仍有一定的积累。南京理工大学机械电子工程专业的王华坤教授早在2000年就展开了智能割草机器人的研究，其研究生李杏春的硕士论文移动割草机器人总体方案和控制系统设计与研究对割草机器人的总体设计、路径规划、避障!定位系统、控制系统等从理论上进行了较全面的研究，进而提出了一种廉价实用的总体方案，为进一步深入研究割草机器人打下了基础