迷宮機器人課程設(shè)計

1、<p><b>　　課 程 設(shè) 計</b></p><p>　　設(shè)計題目： 迷宮機器人設(shè)計 </p><p>　　系 別 自控系 班級 </p><p>　　學生姓名 學號 </p><p>

2、;　　指導教師 職稱 助教 </p><p>　　起止日期：2010年 7 月 19 日起——至 2010 年 7 月23 日止</p><p><b>　　迷宮機器人設(shè)計</b></p><p>　　1 設(shè)計主要內(nèi)容及要求</p><p><b>　　1.1

3、 設(shè)計目的：</b></p><p>　　1了解機器人技術(shù)的基本知識以及有關(guān)電工電子學、單片機、機械設(shè)計、傳感器等相關(guān)技術(shù)。</p><p>　　2初步掌握機器人的運動學原理、基于智能機器人的控制理論，并應(yīng)用于實踐。 3通過學習，具體掌握智能機器人的控制技術(shù)，并使機器人能獨立執(zhí)行一定的任務(wù)。</p><p><b>　　1.2 基本

4、要求</b></p><p>　　1要求設(shè)計一個能走迷宮(迷宮為立體迷宮)的機器人；</p><p>　　2要求設(shè)計機器人的行走機構(gòu)，控制系統(tǒng)、傳感器類型的選擇及排列布局。</p><p>　　3要有走迷宮的策略（軟件流程圖）。</p><p><b>　　1.3 發(fā)揮部分</b></p>&l

5、t;p>　　可以增加其它的功能。</p><p>　　2 設(shè)計過程及論文的基本要求：</p><p>　　2.1 設(shè)計過程的基本要求</p><p>　　1基本部分必須完成，發(fā)揮部分可任選；</p><p>　　2符合設(shè)計要求的報告一份，其中包括總體設(shè)計框圖、電路原理圖各一份；</p><p>　　3設(shè)計過程的資

6、料、草稿要求保留并隨設(shè)計報告一起上交；報告的電子檔需全班統(tǒng)一存盤上交。</p><p>　　2.2 課程設(shè)計論文的基本要求</p><p>　　1參照畢業(yè)設(shè)計論文規(guī)范打印，包括附錄中的圖紙。項目齊全、不許涂改，不少于3000字。圖紙為A4，所有插圖不允許復印。</p><p>　　2裝訂順序：封面、任務(wù)書、成績評審意見表、中文摘要、關(guān)鍵詞、目錄、正文（設(shè)計題目、設(shè)計

7、任務(wù)、設(shè)計思路、設(shè)計框圖、各部分電路及相應(yīng)的詳細的功能分析和重要的參數(shù)計算、工作過程分析、元器件清單、主要器件介紹）、小結(jié)、參考文獻、附錄（總體設(shè)計框圖與電路原理圖）。</p><p><b>　　3 時間進度安排</b></p><p><b>　　2010-7-19</b></p><p><b>　　中文摘

8、要</b></p><p>　　機器人技術(shù)一直是人們最關(guān)注的科學研究領(lǐng)域之一。機器人學集力學、機械工程學、電子學、計算機科學和自動孔子為一體，是一門 綜合性技術(shù)學科。機器人的產(chǎn)生和發(fā)展與其他事物一樣，都是從低級到高級的演變過程。目前機器人在其發(fā)展歷程中尚處于低級階段。今后機器人將逐漸發(fā)展成為完全智能化的機器人。由于機器人技術(shù)的發(fā)展，提高了機器人可靠性和智能化程度，其應(yīng)用領(lǐng)域在不斷擴大。在越來越多的工程

9、技術(shù)領(lǐng)域，我們將看到越來越多的機器人在神奇絕妙地工作。機器人產(chǎn)業(yè)將隨著機器人技術(shù)的發(fā)展和對機器人需求的增加而穩(wěn)步發(fā)展。由于機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，需要越來越多的機器人的研究及開發(fā)人才，機器人應(yīng)用領(lǐng)域的擴大也需要更多的人懂得機器人的應(yīng)用技術(shù)。所以提高技術(shù)人員的機器人技術(shù)水平和普及機器人應(yīng)用知識是十分必要的。</p><p>　　迷宮機器人是一種小型自主探測迷宮的機器人。機器人一旦啟動，必須在沒有人的干預下自動控制，機器人

10、必須是由計算機程序控制，而非人工現(xiàn)場控制。</p><p>　　關(guān)鍵詞 機器人，迷宮，自主探測</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　中文摘要V</b></p><p><b>　　目 錄VI</b></p><p&

11、gt;　　1 設(shè)計任務(wù)描述1</p><p>　　1.1 設(shè)計目的1</p><p>　　1.2 基本要求1</p><p>　　1.3 發(fā)揮部分1</p><p><b>　　2、設(shè)計思路2</b></p><p><b>　　3、設(shè)計方框圖3</b></

12、p><p><b>　　4、機械結(jié)構(gòu)4</b></p><p>　　4.1 行走機構(gòu)4</p><p>　　4.1.1行走方式4</p><p>　　4.1.2車式選擇4</p><p><b>　　4.2 舵機5</b></p><p>　　4

13、.2.1 舵機結(jié)構(gòu)5</p><p>　　4.2.2 舵機工作原理5</p><p>　　4.2.3 數(shù)字PID控制7</p><p>　　5、各部分的設(shè)計和元器件的選擇及介紹8</p><p>　　5.1系統(tǒng)硬件設(shè)計8</p><p>　　5.2場地的設(shè)計8</p><p>　　5

14、.2.1迷宮機器場地標準8</p><p>　　5.2.2場地的設(shè)計和加工8 </p><p>　　5.2.3 路徑識別9</p><p>　　5.2.4沿跑道中線的運行11</p><p><b>　　5.3電機11</b></p><p>　　5.3.1機器人的驅(qū)動方式11<

15、/p><p>　　5.3.2電機的選擇11</p><p>　　5.3.3電機的驅(qū)動12</p><p>　　5.4傳感器選擇13</p><p>　　5.4.1超聲波距離傳感器原理及組成13</p><p>　　5.4.2超聲波距離傳感器的特點14</p><p>　　5.4.3超聲波距

16、離傳感器的放置14</p><p>　　5.5單片機選擇14</p><p>　　5.6速度檢測器14</p><p>　　5.7 蜂鳴器15</p><p>　　6、系統(tǒng)軟件設(shè)計16</p><p>　　6.1軟件總流程圖16</p><p>　　7、工作過程分析17</p

17、><p><b>　　8、元器件清18</b></p><p><b>　　小 結(jié)19</b></p><p><b>　　致 謝20</b></p><p><b>　　參考文獻21</b></p><p><b>

18、　　附 錄22</b></p><p><b>　　1 設(shè)計任務(wù)描述</b></p><p>　　1 設(shè)計主要內(nèi)容及要求</p><p><b>　　1.1 設(shè)計目的</b></p><p>　　1、了解機器人技術(shù)的基本知識以及有關(guān)電工電子學、單片機、機械設(shè)計、傳感器等相關(guān)技術(shù)。<

19、;/p><p>　　2、初步掌握機器人的運動學原理、基于智能機器人的控制理論，并應(yīng)用于實踐。</p><p>　　3、通過學習，具體掌握智能機器人的控制技術(shù)，并使機器人能獨立執(zhí)行一定的任務(wù)。</p><p><b>　　1.2 基本要求</b></p><p>　　1要求設(shè)計一個能走迷宮(迷宮為立體迷宮)的機器人；</

20、p><p>　　2要求設(shè)計機器人的行走機構(gòu)，控制系統(tǒng)、傳感器類型的選擇及排列布局。</p><p>　　3要有走迷宮的策略（軟件流程圖）。</p><p><b>　　1.3 發(fā)揮部分</b></p><p>　　可以增加其它的功能。 </p><p><b>　　2、設(shè)計思路</b

21、></p><p>　　根據(jù)設(shè)計的任務(wù)和要求，系統(tǒng)地分析其總體結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)主要由電源模塊、電機及其驅(qū)動模塊、舵機模塊、速度檢測模塊、道路識別模塊、調(diào)試模塊和單片機模塊幾大部分構(gòu)成。然后再對系統(tǒng)的各個部分分別進行設(shè)計，選擇合適的部件，然后進行編程，運行并調(diào)試，查看其穩(wěn)定性能否符合系統(tǒng)要求，完成報告。</p><p>　　本次設(shè)計的題目是迷宮機器人，很顯然由兩部分組成。一部分是迷宮，另一部

22、分是機器人。其中機器人又分為硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。行走機構(gòu)采用了四輪式，前面兩個輪為驅(qū)動輪，后面兩個輪為從動輪，四個輪子可以更好地支撐車體，行走穩(wěn)定，當重心偏移時，左右晃動小。電機我選擇了舵機，因為舵機可精確地控制小車轉(zhuǎn)動的角度。測距傳感器選擇超聲波距離傳感器，因為它具有小型化、價格便宜、使用簡單、響應(yīng)快速、信號處理簡單等優(yōu)點。然后選擇合適的單片機，并對其進行編程。</p><p><b>　　3、設(shè)計方

23、框圖</b></p><p><b>　　4、機械結(jié)構(gòu)</b></p><p><b>　　4.1 行走機構(gòu)</b></p><p>　　行走機構(gòu)，也稱為機器人的下肢，是機器人的關(guān)鍵部分，主要用來承受體重和完成位移，它決定著機器人能否迅速靈活地移動，能否準確地按照操作者的意愿達到指定點。</p>

24、<p>　　機器人的行走機構(gòu)首先要體現(xiàn)穩(wěn)定性，其次是靈活性。很多工業(yè)機器人都不具備行走機構(gòu)，它們在固定的位置完成固定的動作，因此只需要一個機械臂，也就是我們說的執(zhí)行機構(gòu)。但是當生產(chǎn)過程需要一個機器人在較大的范圍內(nèi)工作時，如果不具備行走機構(gòu)，那么它的體積將非常龐大；如果安置了行走機構(gòu)，可以使它做適當?shù)奈灰?，在工作范圍的不同區(qū)間工作，可以節(jié)約空間、提高效率。</p><p><b>　　4.1.1

25、行走方式</b></p><p>　　行走機器人的行走機構(gòu)主要有履帶式行走機構(gòu)、足式行走機構(gòu)車、輪式行走機構(gòu)。</p><p>　　履帶式行走機構(gòu)可在高低不平的地面上運動，但它的適應(yīng)性不夠，行走時晃動太大，在軟件地面上行使運動效率低。</p><p>　　足式行走機構(gòu)對崎嶇路面具有很好的適應(yīng)能力，它的立足點是離散的點，可以在可能到達的地面上選擇最優(yōu)的支撐

26、點，還具有主動隔振能力，盡管地面高低不平，機身的運動仍熱可以相當平穩(wěn)，行走在不平地面和松軟地面上的運動速度較高，能耗較少。</p><p>　　輪式行走機構(gòu)由滾動摩擦代替滑動摩擦，主要的特點是效率高，適合在平坦的路面上移動，定位準確，而且重量較輕，制作簡單。車輪式行走機器人是機器人中應(yīng)用最多的一種機器人，在相對平坦的地面上，用車輪移動方式行走是相當優(yōu)越的。車輪的形式或結(jié)構(gòu)形式取決與地面的性質(zhì)和車輛的承載能力。在軌

27、道上運動的多采用實心剛輪，室外路面行使的采用充氣輪胎，室內(nèi)平坦地面上的可采用實心輪胎。</p><p><b>　　4.1.2車式選擇</b></p><p>　　考慮到機器人的行走機構(gòu)首要體現(xiàn)穩(wěn)定性，其次是靈活性。我選用的是四輪式車體。四輪式車體四個輪子位于車體的四個角，前邊是驅(qū)動輪，后邊是從動輪，如圖4-1所示。較三輪車體來說，四個輪子可以更好地支撐車體，行走穩(wěn)定

28、，當重心偏移時，左右晃動小。但如果某個車輪的中心不正，或是安裝高度有誤差，可能導致四個車輪不能同時著地，使控制困難。所以在安裝車輪時，一定要保證驅(qū)動輪絕對著地。</p><p>　　圖4-1 四輪式</p><p>　　四個車輪中，前輪用來轉(zhuǎn)彎，后輪用來驅(qū)動。調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，在機器人過彎時，轉(zhuǎn)向舵機的負載會因為車輪轉(zhuǎn)向角度的增大而增大。為了盡可能降低轉(zhuǎn)向舵機負載，對前輪的安裝角度，即前輪定

29、位進行了調(diào)整。前輪定位的作用是保障汽車直線行駛的穩(wěn)定性，使轉(zhuǎn)向輕便和減少輪胎的磨損。</p><p><b>　　4.2 舵機</b></p><p>　　4.2.1 舵機結(jié)構(gòu)</p><p>　　凡是需要操作性動作時都可以用舵機來實現(xiàn)。舵機一般由舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計5k，直流電機、控制電路板等組成。舵機內(nèi)部有一個直流電機，經(jīng)多級齒

30、輪減速后在輸出轉(zhuǎn)矩。輸出軸上還聯(lián)動一個電位器，它輸出軸的角度位置并轉(zhuǎn)化為電信號。舵機的輸入信號一般50Hz的脈寬調(diào)制信號PWM信號解調(diào)后與電位器反饋的電壓相比較，如果有差異，直流電機則對轉(zhuǎn)角進行調(diào)整，直到該比較電壓為零，電機準確停止在給定位置上。因此，舵機實際上是一種角度的位置伺服機構(gòu)。</p><p>　　標準的微型伺服馬達有三條控制線，分別為：電源線VCC、地線GND及控制線CON。電源線與地線用于提供內(nèi)部的

31、直流馬達及控制線路所需的能源，電壓通常介于4V—6V之間，該電源應(yīng)盡可能與處理系統(tǒng)的電源隔離（因為伺服馬達會產(chǎn)生噪音）。甚至小伺服馬達在重負載時也會拉低放大器的電壓，所以整個系統(tǒng)的電源供應(yīng)的比例必須合理。</p><p>　　舵機有以下特點：體積緊湊，便于安裝；輸出力矩大，穩(wěn)定性好；控制簡單，便于和數(shù)字系統(tǒng)接口。在使用時，要特別注意的，絕不能加載讓舵機輸出位置超過±90度的脈沖信號，否則會損壞舵機的輸出

32、限位機構(gòu)或齒輪組等機械部件。</p><p>　　4.2.2 舵機工作原理</p><p>　　舵機是一個典型閉環(huán)反饋系統(tǒng)，其工作原理如圖4-2所示。</p><p>　　減速齒輪組有由電動機驅(qū)動，其齒輪組的輸出軸帶動一個線性的比例電位器，該電位器把輸出軸轉(zhuǎn)過的角度轉(zhuǎn)換成比例的電壓反饋得控制電路，控制電路將輸入的控制脈沖信號比較，產(chǎn)生糾偏脈沖，并驅(qū)動電機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，

33、使齒輪組的輸出位置與期望值相符，令糾偏脈沖區(qū)域0，從而達到使舵機精缺定位的目的。</p><p>　　圖 4-2 舵機工作原理圖</p><p>　　給舵機輸入一個周期性的正向脈沖信號，這個周期性脈沖信號的高電平時間通常在1～2ms之間，而低電平時間應(yīng)在5～20ms之間，并不很嚴格，表1所示為舵機的輸入正脈沖寬度與舵機輸出軸的轉(zhuǎn)角的關(guān)系。</p><p>　　表1

34、舵機輸入正弦脈沖寬度與舵機輸出軸轉(zhuǎn)角的關(guān)系</p><p>　　舵機具有以下一些特點：體積緊湊，便于安裝；輸出力矩大，穩(wěn)定性好；控制簡單，便于和數(shù)字系統(tǒng)接口。因為迷宮機器人的行走電動機需要連續(xù)旋轉(zhuǎn)，所以需對從市場上購得的舵機進行改裝。</p><p>　　4.2.3 數(shù)字PID控制</p><p>　　PID控制系統(tǒng)原理圖如圖4-3所示。在圖4-3中，是給定值，是控

35、制系統(tǒng)最終的實際輸出值，給定值與輸出值的偏差為</p><p>　　作為PID控制器的輸入，作為PID控制器的輸出，所以PID控制器的輸出，所以PID控制器的規(guī)律為</p><p>　　式中，KP為比例系數(shù)，TI為積分常數(shù)，TD為微分常數(shù)。</p><p>　　圖4-3 PID控制系統(tǒng)原理</p><p>　　在PID控制器中，比例環(huán)節(jié)的作用

36、是對偏差瞬間作出快速反應(yīng)。偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，使控制量向減少偏差的方向變化?？刂谱饔玫膹娙跞Q于KP的大小，KP越大，控制作用越強，但過大的比例系數(shù)會使系統(tǒng)不穩(wěn)定。</p><p>　　積分環(huán)節(jié)的作用是將偏差累積起來輸出。在控制過程中，只要有偏差存在，積分環(huán)節(jié)的輸出就會不斷增大。直到偏差為止，輸出才能維持在某一常量，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)態(tài)。因此，積分環(huán)節(jié)能消除控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。但積分環(huán)節(jié)的存在將使系統(tǒng)

37、到達穩(wěn)態(tài)的時間變長，限制系統(tǒng)的快速性。</p><p>　　實際控制系統(tǒng)除了希望消除穩(wěn)態(tài)誤差外，還強調(diào)調(diào)節(jié)過程的快速性。在偏差變化的瞬間，不但要對偏差量立即作出反應(yīng)，而且要根據(jù)偏差的變化趨勢預先給予適當?shù)募m正。微分環(huán)節(jié)能起到這種作用。微分環(huán)節(jié)的作用是阻止偏差的變化。它根據(jù)偏差的變化趨勢進行控制，偏差變化越快，微分控制器輸出量就越大，并能在偏差值變大之前進行修正。微分作用的引入將有助于減小超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)趨

38、于穩(wěn)定，加快系統(tǒng)的跟蹤速度。但微分的作用對輸入信號的噪聲很敏感，在噪聲較大的系統(tǒng)一般不用微分環(huán)節(jié)。</p><p>　　5、各部分的設(shè)計和元器件的選擇及介紹</p><p><b>　　5.1系統(tǒng)硬件設(shè)計</b></p><p>　　迷宮機器人控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，系統(tǒng)主要由電源模塊、電機及其驅(qū)動模塊、舵機模塊、速度檢測模塊、道路識別模塊、調(diào)

39、試模塊和單片機模塊幾大部分構(gòu)成。智能賽車整體裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計框圖如5-1下：</p><p>　　圖 5-1 硬件整體框圖</p><p><b>　　5.2場地的設(shè)計</b></p><p>　　5.2.1迷宮機器場地標準</p><p>　　迷宮場地共由16*16個網(wǎng)絡(luò)組成，起點在一角，終點占據(jù)中央的四個網(wǎng)格。每個網(wǎng)格尺

40、寸為18cm*18cm(長*寬)，隔柵尺寸為5cm*1.2cm（高*厚），上紅、測白、地板為黑色。迷宮機器人屬于自主型，不允許人為（包括無線）操控。迷宮機器人尺寸限制為25cm*25cm（長*寬），高度及重量不限。</p><p>　　5.2.2場地的設(shè)計和加工</p><p>　　迷宮場地由如下部件組成：小方柱、隔柵、地板。迷宮的場地由復合木地板拼接而成。由于復合木地板地的標準尺寸是19

41、.2cm*121cm，這里取小方柱和隔柵的寬度為1.2cm，則迷宮的跑道恰好是18cm，符合國際標準。這樣一來，用復合木地板拼接迷宮的場地非常方便，工藝簡單，價格低廉。加工工具只需要尺子和手鉆即可。</p><p>　　由復合木地板可以很方便地拼接出4*4、5*5、8*8、10*10、16*16和32*32的迷宮等。</p><p>　　我所設(shè)計的迷宮圖案如3-1圖所示，有隔柵、小方柱、跑

42、道等。設(shè)迷宮的平面表示如圖5-2所示，其中粗線表示迷宮的隔柵，A位置表示迷宮的入口，B位置表示為迷宮的出口。其中細線為走出迷宮的最佳路徑。</p><p>　　圖 5-2 迷宮圖案</p><p>　　5.2.3 路徑識別</p><p>　　路徑識別是通過超聲波測距傳感器實現(xiàn)的。在設(shè)計中我采用了五個超聲波距離傳感器，小車的最前端放置一個，后端放置兩個，左右兩側(cè)各一

43、個。前端一個傳感器用來檢測是否有障礙物，是否到達路口；后端傳感器用于小車轉(zhuǎn)彎時位置的調(diào)整；左右兩端的傳感器用于檢測兩側(cè)是否有障礙物。傳感器的信息都將反饋給單片機，單片機就機器人所處的環(huán)境作出判斷。</p><p>　　超聲波距離傳感器測到障礙物時反饋的信息為1，沒有檢測到信息反饋信息為0。由于左、右和前傳感器是用來檢測障礙物的，所以傳感器的反饋信息共有八種情況。它的關(guān)系如下5-3圖所示。這其中，單片機在判斷轉(zhuǎn)動方

44、向時，硬性規(guī)定方向的優(yōu)先級依次為前、左、右、后。</p><p>　　圖5-3 傳感器反饋信息情況</p><p>　　則反饋的信息為000、001、100、101，單片機將作出反應(yīng)，機器人向前行走；反饋的信息為010、011，機器人向左行走；反饋的信息為110，機器人向右行走；反饋的信息為111，機器人向后轉(zhuǎn)。</p><p>　　其路徑識別流程圖如5-3所示。&

45、lt;/p><p>　　圖 5-3 路徑識別流程圖</p><p>　　5.2.4沿跑道中線的運行</p><p>　　由于迷宮的跑道較窄，變化曲折，機器人經(jīng)常要轉(zhuǎn)等，這就需要迷宮機器人沿著跑道中線前進，否則就會撞到迷宮。如圖5-4所示。</p><p>　　圖5-4 機器人在迷宮跑到中運行的情況</p><p><

46、b>　　5.3電機</b></p><p>　　5.3.1機器人的驅(qū)動方式</p><p>　　機器人驅(qū)動分為液壓、氣壓和電動三種形式。</p><p>　　液壓驅(qū)動：從運動形式來分分為直線驅(qū)動如直線運動液壓缸和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動如液壓馬達、擺動液壓缸。從控制水平的高低來分分為開環(huán)控制液壓系統(tǒng)和閉環(huán)控制液壓系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)具有較大的功率體積比，適合于大負載的情

47、形。 液壓驅(qū)動的本質(zhì)優(yōu)點在于它的安全性。如噴漆時要求工作區(qū)域所帶電壓不超過9V。 </p><p>　　氣壓驅(qū)動：是一種最簡單的驅(qū)動方式。氣壓驅(qū)動元件有直線氣缸，擺動汽缸及旋轉(zhuǎn)氣動馬達三種。氣壓驅(qū)動器件除了用壓縮空氣作為工作介質(zhì)外，其他與液壓驅(qū)動器件類似。它們本質(zhì)上基本相同，但因為空氣的可壓縮性及油的潤滑性，二者有一些細微的差別。氣壓驅(qū)動器結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠、價格便宜。但是由于它的可壓縮性，它的精度較差、可靠性較

48、差，不能應(yīng)用較高度場合。</p><p>　　電氣驅(qū)動：電氣驅(qū)動是利用各種電動機產(chǎn)生的力或力矩，直接減速機構(gòu)去驅(qū)動機器人的關(guān)節(jié)，以獲得所要求的位置、速度和加速度。電氣驅(qū)動具有無環(huán)境污染、易于控制、運動精度高、成本低、驅(qū)動效率高等優(yōu)點應(yīng)用廣泛。按照電機的工作原理不同分為步進電機、直流伺服電機、無刷電機等。按照控制水平的高低來分分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。</p><p>　　適合于中等負

49、載，特別適合于動作復雜、運動軌跡嚴格的各類機器人。</p><p>　　5.3.2電機的選擇</p><p>　　直流伺服電機具有啟動轉(zhuǎn)矩大、體積小、重量輕、轉(zhuǎn)速易控制、效率高等優(yōu)點。其缺點是有電刷和換向器，需要定期維護、更換電刷，電動機使用壽命段噪聲大。直流伺服電動機有小慣量直流伺服電動機和永磁直流伺服電動機。</p><p>　　小慣量伺服電動機最大限度地減少了

50、電樞的轉(zhuǎn)動慣量，所以能獲得最好的快速性，在早期的數(shù)控機床上應(yīng)用較多，現(xiàn)在也有應(yīng)用。小慣量伺服電機一般都設(shè)計成有高的額定轉(zhuǎn)速和低的慣量，所以應(yīng)用時，要經(jīng)過中間機械轉(zhuǎn)動。才能與絲杠相連接。</p><p>　　永磁直流伺服電動機的額定轉(zhuǎn)速很低，甚至可以在堵轉(zhuǎn)狀態(tài)下運行。這樣低速運行的電動機，其轉(zhuǎn)軸可以和負載直接耦合，省去了減速器，簡化了結(jié)構(gòu)，提高了轉(zhuǎn)動精度。它的缺點是有電刷，限制了轉(zhuǎn)速的提高，一般額定轉(zhuǎn)速為1000~

51、1500r/min，而且結(jié)構(gòu)復雜，價格較貴。</p><p>　　我選用的是永磁式直流伺服電機作為執(zhí)行機構(gòu)。</p><p>　　5.3.3電機的驅(qū)動</p><p>　　所謂H橋驅(qū)動電路是為了直流電機而設(shè)計的一種常見電路，它主要實現(xiàn)直流電機的正反向驅(qū)動，其典型電路形式如圖5-5所示。</p><p>　　圖5-5 H橋典型電路</p&

52、gt;<p>　　本設(shè)計用H橋芯片MC33886驅(qū)動直流電機。由于電機啟動和快速加速時所需電流較大，采用兩片MC33886并聯(lián)工作。MC33886的D2和D1腳直接接地和接高電平，使MC33886按預設(shè)方式工作，用PWM5和PWM0作為輸入信號，OUT2和OUT1分別為功率放大了的相應(yīng)的輸出信號，控制電機轉(zhuǎn)動。通過調(diào)整PWM5和PWM0的占空比，實現(xiàn)機器人的加速、減速，甚至制動（電機反轉(zhuǎn)實現(xiàn)制動）。MC33886驅(qū)動電路圖

53、如圖5-6所示。</p><p>　　圖 5-6 MC33886驅(qū)動電路圖</p><p><b>　　5.4傳感器選擇</b></p><p>　　5.4.1超聲波距離傳感器原理及組成</p><p>　　超聲波距離傳感器是由發(fā)射器和接收器構(gòu)成的，幾乎所有超聲波距離傳感器的發(fā)射器和接收器都是利用壓電效應(yīng)制成的。其中，發(fā)

54、射器是利用給壓電晶體加一個外加電場時，晶片將產(chǎn)生應(yīng)變（壓電逆效應(yīng)）這一原理制成的；接收器的原理是，當給晶片加一個外力使其變形時，在晶體的兩面會產(chǎn)生與應(yīng)變量相當?shù)碾姾桑▔弘娬?yīng)），若應(yīng)變方向相反則產(chǎn)生電荷的極性反向。</p><p>　　利用超聲波可以實現(xiàn)對遠處物體的非接觸式探測。機器人超聲波探測并非檢測超聲波本身，而是借助超聲波反射測量空間物體的距離和位置。聲波在空氣中的傳播速度較慢，約為每毫秒1英尺。由于聲波

55、在傳播過程中碰到物體后能夠產(chǎn)生回波，因此可以想雷達一樣測出傳感器與物體之間的距離。超聲波距離傳感器的檢測方式有脈沖回波式和FM-CW兩種。脈沖回波式的檢測原理如圖所示。將調(diào)制后的超聲波脈沖發(fā)射出去，若能檢測到被測物體反射回來的超聲波回波延遲時間，即可計算出被測物體的距離。 </p><p>　　計算公式R=V*△t/2。式中R表示距離，V為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度，△t表示渡越時間。其原理圖如圖5-7所

56、示：</p><p>　　圖 5-7 超聲波距離傳感器</p><p>　　FM-CW方式采用連續(xù)波對超聲波信號進行調(diào)制。該方式的電路比較復雜，在實際中應(yīng)用不多。</p><p>　　超聲波距離傳感器的測量范圍寬但分辨率低。它的響應(yīng)速度毫秒級，屬于高速型傳感器。另外，超聲波不接受被測物體的透明度、顏色、電導率的影響，但不適合測量海綿或棉質(zhì)物等吸音材料。</p&

57、gt;<p>　　5.4.2超聲波距離傳感器的特點</p><p>　　超聲波距離傳感器具有小型化、價格便宜、使用簡單、響應(yīng)快速、信號處理簡單等優(yōu)點，因而在機器人研究中被廣泛使用。特別是在移動機器人需要進行環(huán)境探測導航避障時，常常使用超聲波距離傳感器作為信息來源。機器人安裝了多個超聲波傳感器用于機器人的避障，物檢測和側(cè)面墻壁的檢測。一旦檢測到避障，機器人便會根據(jù)障礙的位置作出左、右繞行或停止的回避動

58、作。</p><p>　　5.4.3超聲波距離傳感器的放置</p><p>　　在設(shè)計中我采用了五個超聲波距離傳感器，小車的最前端放置一個，后端放置兩個，左右兩側(cè)各一個。前一個傳感器用來檢測是否有障礙物，是否到達路口；后端傳感器用于小車轉(zhuǎn)彎時位置的調(diào)整；左右兩端的傳感器用于檢測兩側(cè)是否有障礙物。傳感器的信息都將反饋給單片機，單片機就機器人所處的環(huán)境作出判斷。</p><

59、p><b>　　5.5單片機選擇</b></p><p>　　我所選用的單片機為MC9S12DG128。它是HCS12系列16位MCU的一種，其內(nèi)部主要有MCU的基本部分和CAD功能模塊組成。它的性能如下：時鐘和復位產(chǎn)生模塊包括低電壓振蕩器或是標準振蕩器的選擇、鎖相環(huán)時鐘頻率放大器、看門狗、實時中斷和時鐘監(jiān)控器。存儲器包括128KB的Flash EEPROM 、8KB 的RAM、2KB

60、 EEPROM。有豐富的I/O接口。包括通用路I/O接口、A/D轉(zhuǎn)換接口、CAN總線接口、輸入捕捉/輸出比較PWM和串行接口。運行模式可分為單片機運行模式、擴展運行模式和其他運行模式。</p><p><b>　　5.6速度檢測器</b></p><p>　　速度檢測，對機器人速度進行閉環(huán)反饋控制，即可消除上述各種因素的影響，使得機器人運行得更穩(wěn)定。 </p&g

61、t;<p>　　車速檢測的方式有很多種，例如用測速發(fā)電機、轉(zhuǎn)角編碼盤、反射式光電檢測、透射式光電檢測和霍爾傳感器檢測。本次設(shè)計中速度傳感器采用的是E6A2-CS100型光電編碼器。它由5-12V的直流供電。速度傳感器用螺釘固定在塑料片上，塑料片固定在后輪支架上，這樣固定好之后，就有了較高的穩(wěn)定性。</p><p><b>　　5.7 蜂鳴器</b></p><

62、;p>　　蜂鳴器是報警裝置。當前、左、右的傳感器反饋的信號都為1（即都有障礙物）時，說明機器人進入死路，它便會發(fā)出報警的聲音。蜂鳴器如圖5-8所示。</p><p>　　圖 5-8 蜂鳴器</p><p><b>　　6、系統(tǒng)軟件設(shè)計</b></p><p><b>　　6.1軟件總流程圖</b></p>

63、;<p>　　迷宮機器人的控制是采用模塊化的結(jié)構(gòu)，基本思路是：將超聲波傳感器采集來的道路信息和速度傳感器采集來的當前速度值經(jīng)CPU處理，輸出 PWM信號到驅(qū)動舵機和電機。方向控制和速度控制系統(tǒng)分別構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)。在綜合控制算法中，兩者可相互影響；比如根據(jù)路徑識別的結(jié)果來控制速度，使得在彎道上慢速，而在直道上快速。</p><p><b>　　其總體流程圖如下：</b></p

64、><p>　　圖 6-1軟件設(shè)計總體流程圖</p><p><b>　　7、工作過程分析</b></p><p>　　開始，將機器人放在迷宮入口處，啟動單片機。單片機給舵機輸入控制脈沖。舵機通過脈沖對馬達、齒輪組和比例電位器進行控制，同時比例電位器輸出的電壓反饋與控制電路的標準電壓進行比較，形成閉環(huán)控制。另一邊，利用超聲波距離傳感器測到障礙物，當測

65、到障礙物的時候反饋的信息為1，沒有檢測到信息反饋信息為0。由于左、右和前傳感器是用來檢測障礙物的，所以傳感器的反饋信息共有八種情況。假設(shè)反饋的信息為000、001、100、101，則單片機將作出反應(yīng)，機器人向前行走；假設(shè)反饋的信息為010、011，機器人則向左行走；假設(shè)反饋的信息為110，機器人則向右行走；假設(shè)反饋的信息為111，機器人則向后轉(zhuǎn)。當前、左、右的傳感器反饋的信號都為1（即都有障礙物）時，說明機器人進入死路，它便會發(fā)出報警的

66、聲音。直到走出迷宮，任務(wù)結(jié)束。</p><p><b>　　8、元器件清</b></p><p><b>　　小 結(jié)</b></p><p>　　為期一周的設(shè)計終于結(jié)束了，通過了這次設(shè)計我們學到了很多關(guān)于機器人設(shè)計的原理知識，使我們獲益匪淺。同時在老師的指導下通過做好多DSP實驗使我對DSP應(yīng)用和使用更加深入，使我收獲頗多

67、，讓我更加體會到實踐的重要性。更為我們明年的畢業(yè)設(shè)計打下了更加堅實的基礎(chǔ)。我設(shè)計的課題是正弦信號發(fā)生器程序的設(shè)計，剛剛拿到題目時感到不知從哪里開始。老師在課上講解了許多DSP的相實例，同時在實驗課上又做了各種DSP的實驗。使我深刻的了解到DSP的應(yīng)用是如此之廣泛，作用是如此之大。</p><p>　　平時我們學習的只是一些理論知識，通過本次設(shè)計。使我的理論知識又上升到了一個新的層次。同時在設(shè)計中也加深了我對理論知

68、識的更深層次的理解。另外，這次設(shè)計不僅使我的知識有一個很大的提高，而且還使我學到了許多其他方面的知識?？傊ㄟ^這次實習，不僅使我對所學過的知識有了一個新的認識。而且提高了我考慮問題，分析問題的全面性。使我的綜合能力有了一個很大的提高,最終把設(shè)計順利的完成了，實現(xiàn)了在滿足條件要求的情況下的產(chǎn)生正弦信號。但總的看來，這次課程設(shè)計雖然完成了任務(wù)，但我自身認為本次設(shè)計不是很成功。因為我從這個設(shè)計過程中發(fā)現(xiàn)了自身存在的諸多問題，認識到了和一些同

69、學相比所存在的巨大差距。但課設(shè)使我對課程內(nèi)容真正有了更深的了解和理解，認識到了理論與實踐之間的聯(lián)系和差別，培養(yǎng)了嘗試用所學知識解決實際問題的能力，同時，還積累了經(jīng)驗以備以后工作不時之需?？傊ㄟ^這次課設(shè)，不論是學習上還是生活上，我都得到了很大的收獲，并且讓我有了實實在在的進步</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　短暫的課程設(shè)計就要結(jié)束了，

70、經(jīng)過我們小組全體成員緊張而充實的努力，我們終于順利完成了設(shè)計任務(wù)，收獲了成功的喜悅。回顧這一周的設(shè)計過程，我們從開始的毫無頭緒，逐漸的進入狀態(tài)，到后來的理論上實現(xiàn)，一起解決一個個難題，突破一重重的阻礙，當硬件接線圖出來的時候，我們都歡呼了起來，從未有過的成就感充滿了每個人的心。我想這就是課程設(shè)計的魅力所在吧。任務(wù)越是難以完成，過程越是復雜艱難，成功那一刻的喜悅和成就感就越大，與那一刻相比，之前的所有努力都是值得的?！疤煜聼o難事，只怕有心

71、人”經(jīng)過這次課程設(shè)計，我對這句古語有了更深的理解。</p><p>　　這次我們設(shè)計的題目是迷宮機器人，要求機器人具有行走機構(gòu)、控制系統(tǒng)，說明傳感器類型的選擇及排列布局。根據(jù)課題要求，我簡要復習了老師講過的傳感器和機器人的有關(guān)知識。通過查詢網(wǎng)上和圖書館的相關(guān)的資料，根據(jù)課程設(shè)計的要求，自己通過參考有關(guān)資料擬的方案，寫好設(shè)計思路。</p><p>　　在理論實現(xiàn)的過程中，我遇到了很多困難，用

72、所學的知識達不到想要的結(jié)果，經(jīng)過各種方式搜集資料，尋求同學們的幫助，大家一起探討、研究，終于成功的完成了本次設(shè)計。達到能夠?qū)崿F(xiàn)所要求的功能的目的。</p><p>　　這次的機器人設(shè)計重點是理論與實際的相結(jié)合，不單單只是書上的傳感器及機器人的介紹。通過這次設(shè)計使我對傳感器和機器人的學習更進一步，加深了對理論學習的理解，同時能夠較自如的應(yīng)用知識來設(shè)計方案。也使我明白將理論和實際聯(lián)系起來的重要性。同時，通過學習，也鍛

73、煉了和組員交流，溝通，相互學習，得到最好的設(shè)計成果。我相信，通過這次設(shè)計，我會更加努力，更加積極地學習專業(yè)知識，爭取自己在此方面能創(chuàng)出更優(yōu)秀的成績。</p><p>　　非常感謝對我們的耐心指導。不管我們問多少問題，他們都耐心地為我們一一解答，不厭其煩的給我們講解，如果沒有老師的幫助與鼓勵，我們是不可能順利完成這次課程設(shè)計的。我們發(fā)自內(nèi)心的感謝老師，是您在我們遇到問題時給予了指導，謝謝您老師！</p>

74、<p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]謝存喜.機器人技術(shù)及其應(yīng)用.第一版.北京.機械工業(yè)出版社.2008年</p><p>　　[2]劉廣瑞. 機器人創(chuàng)新制作.第一版.西安.西北工業(yè)大學出版社.2007年</p><p>　　[3]方建軍.智能機器人.第一版.北京.化學工業(yè)出版社.2004年</p&