紅外避障機(jī)器人畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　隨著紅外物理與技術(shù)的不斷發(fā)展, 紅外探測(cè)技術(shù)已廣泛地應(yīng)用于軍事、煤礦的安全生產(chǎn)等各個(gè)領(lǐng)域。把目標(biāo)或目標(biāo)區(qū)域的紅外輻射聚焦在探測(cè)器上紅外接收光學(xué)系統(tǒng)的基本作用, 通常情況下其結(jié)構(gòu)類似于普通的接收光學(xué)系統(tǒng), 但由于工作波段為紅外波段, 其光學(xué)材料和鍍膜必須和它的工作波長(zhǎng)相匹配。</p><p>　　針對(duì)題目的

2、要求，我們?cè)O(shè)計(jì)了一款簡(jiǎn)易的紅外避障小車。電路設(shè)計(jì)主要有以下四個(gè)模塊：傳感器模塊（紅外發(fā)射和接收器），控制模塊（AT89S52），執(zhí)行模塊（伺服電機(jī)），電源模塊。傳感器模塊主要通過(guò)對(duì)左、右紅外傳感器的信號(hào)分別進(jìn)行采集，傳送給控制模塊?？刂颇K對(duì)采集來(lái)的信號(hào)進(jìn)行處理，做出比較后把控制信號(hào)傳送給執(zhí)行模塊。</p><p>　　配合正確的軟件設(shè)計(jì)，小車能夠在設(shè)計(jì)的賽道中準(zhǔn)確快速地完成行走任務(wù)。</p>&l

3、t;p>　　關(guān)鍵詞： 紅外； 避障； 傳感器</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　All bodies has its own infrared radiation characteristics. For studying the various objects of infrared radiation, people

4、use ideal─absolute blackbody radiation body (hereinafter referred to as in bold) the benchmark. Can absorb all the incident radiation and not the reflection of the object is called in bold. Good absorber must have also b

5、een good radiation body, so the blackbody radiation efficiency is highest, the radiation rate than a 1. Any real objects of radiation emission quantity and th</p><p>　　According to the topic request, we desi

6、gn a simple infrared obstacle avoidance of the car. The circuit design basically has the following four modules: sensor module (infrared transmitter and receiver), control module (AT89S52 devices), executive module (serv

7、o motor), power supply module. Sensor module mainly through to the left and right of the infrared sensor signal, respectively the collection, transfer to the control module. Control module to the acquisition of signal pr

8、ocessing, make more t</p><p>　　Cooperate with the right software design, the car can in the design of the track accurately and rapidly finish walking task.</p><p>　　Keywords: infrared; Obstacl

9、e avoidance; sensor</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第一章 緒 論1</p><p>　　1.1 紅外線研究背景1</p><p>　　第二章 紅外避障機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案3</p><p>　　2.1 主要設(shè)計(jì)任務(wù)3</p

10、><p>　　2.2 任務(wù)分析與方案設(shè)計(jì)3</p><p>　　2.2.1 任務(wù)分析3</p><p>　　2.2.2 方案設(shè)計(jì)3</p><p>　　第三章 硬件電路設(shè)計(jì)5</p><p>　　3.1紅外傳感器電路設(shè)計(jì)5</p><p>　　3.1.1紅外發(fā)射二極管的選擇5<

11、/p><p>　　3.1.2紅外接收器的選擇7</p><p>　　3.2 控制電路設(shè)計(jì)10</p><p>　　3.3 人機(jī)接口單元11</p><p>　　3.3.1 LCD1602顯示11</p><p>　　3.3.2串口電路設(shè)計(jì)12</p><p>　　3.4 執(zhí)行電路設(shè)計(jì)13

12、</p><p>　　3.4.1 伺服電機(jī)13</p><p>　　3.4.2 伺服電機(jī)的信號(hào)控制14</p><p>　　3.5 電源電路設(shè)計(jì)14</p><p>　　3.6賽道設(shè)計(jì)15</p><p>　　第四章 軟件設(shè)計(jì)16</p><p>　　4.1機(jī)器人基本行走命令16

13、</p><p>　　4.1.1基本巡航動(dòng)作16</p><p>　　4.1.2勻加速/減速運(yùn)動(dòng)17</p><p>　　4.2 紅外探測(cè)19</p><p>　　4.2.1測(cè)試紅外發(fā)射探測(cè)器19</p><p>　　4.2.2紅外發(fā)射程序20</p><p>　　4.3關(guān)于行走賽道的

14、硬件調(diào)試與改進(jìn)22</p><p>　　第五章 結(jié)束語(yǔ)23</p><p>　　5.1 結(jié)論和展望23</p><p><b>　　致 謝24</b></p><p>　　第一章 緒 論</p><p>　　1.1 紅外線研究背景</p><p>　　

15、在科學(xué)探索和緊急搶險(xiǎn)中經(jīng)常會(huì)遇到對(duì)與一些危險(xiǎn)或人類不能直接到達(dá)的地域的探測(cè)，這些就需要用機(jī)器人來(lái)完成。而在機(jī)器人在復(fù)雜地形中行進(jìn)時(shí)自動(dòng)避障是一項(xiàng)必不可少也是最基本的功能。因此，自動(dòng)避障系統(tǒng)的研發(fā)就應(yīng)運(yùn)而生。我們的自動(dòng)避障小車就是基于這一系統(tǒng)開(kāi)發(fā)而成的。隨著生產(chǎn)自動(dòng)化的發(fā)展需要，機(jī)器人的智能化與集成度越來(lái)越高，已經(jīng)越來(lái)越廣泛的應(yīng)用到生產(chǎn)生活中。伴隨的科技水平的提高，機(jī)器人的能夠使用的傳感器種類也越來(lái)越多，其中紅外線傳感器已經(jīng)成為機(jī)器人自動(dòng)

16、行走和駕駛的重要部件。此系統(tǒng)是基于紅外傳感器的系統(tǒng)，即運(yùn)用紅外傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)前方障礙物的檢測(cè)。紅外傳感器的典型應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)樽灾魇街悄軐?dǎo)航系統(tǒng)，機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障功能就必須要感知障礙物，對(duì)障礙物的感知相當(dāng)于給機(jī)器人一個(gè)視覺(jué)功能。在現(xiàn)在生活中，例如在一些火宅或者一些自然災(zāi)害的現(xiàn)場(chǎng)，經(jīng)常需要進(jìn)入到對(duì)一些危險(xiǎn)或人類不能直接到達(dá)的地方進(jìn)行觀察，采集數(shù)據(jù)，這些就需要用機(jī)器人來(lái)完成。而在機(jī)器人在上述等環(huán)境中行進(jìn)時(shí)自動(dòng)避障是一項(xiàng)必不可少也是最基本的功能。

17、因此，自動(dòng)避障系統(tǒng)的研發(fā)就應(yīng)運(yùn)而生。自動(dòng)避障小車可以作為困難環(huán)境檢測(cè)機(jī)器人和緊急搶險(xiǎn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，讓機(jī)器人在行進(jìn)中自</p><p>　　隨著科技的發(fā)展，對(duì)于未知空間和人類所不能直接到達(dá)的地域的探索逐步成為熱門(mén)，這就使機(jī)器人的自動(dòng)避障有了重大的意義。我們的自動(dòng)避障小車就是自動(dòng)避障機(jī) 器人中的一類。自動(dòng)避障小車可以作為地域探索機(jī)器人和緊急搶險(xiǎn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)系 統(tǒng)，讓機(jī)器人在行進(jìn)中自動(dòng)避過(guò)障礙物。紅外傳感器的典型應(yīng)

18、用領(lǐng)域?yàn)樽灾魇街悄軐?dǎo)航系統(tǒng)，機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障功能 就必須要感知障礙物，對(duì)障礙物的感知相當(dāng)于給機(jī)器人一個(gè)視覺(jué)功能。基于紅外的自動(dòng)避障小車可以作為困難環(huán)境檢測(cè)機(jī)器人或者緊急搶險(xiǎn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，讓機(jī)器人在行進(jìn)中自動(dòng)避過(guò)障礙物，完成指定的任務(wù)[2]。1.2 紅外避障的研究意義</p><p>　　紅外技術(shù)在軍事應(yīng)用的牽引和推動(dòng)下，得到快速發(fā)展。紅外系統(tǒng)有如下4方面優(yōu)點(diǎn)：1.環(huán)境適應(yīng)性好，在夜間和惡劣氣象條件下的工作

19、能力優(yōu)于可見(jiàn)光；2.被動(dòng)式工作，隱蔽性好，不易被干擾；3.靠目標(biāo)和背景之間各部分的溫度和發(fā)射率形成的紅外輻射差進(jìn)行探測(cè)，因而識(shí)別偽裝目標(biāo)的能力優(yōu)于可見(jiàn)光；4.紅外系統(tǒng)的體積小、質(zhì)量輕、功耗低。近年來(lái)，紅外技術(shù)在軍事領(lǐng)域和民用工程中都得到了廣泛應(yīng)用。在民用工程領(lǐng)域大體分為：(1) 在氣象預(yù)報(bào)、地貌學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、遙感資源調(diào)查等領(lǐng)域的應(yīng)用；(2) 在地下礦井測(cè)溫和測(cè)氣中的應(yīng)用；(3) 紅外熱像儀在電力、消防、石化以及醫(yī)療和森林火災(zāi)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

20、。另外，3～5 μm 波段熱像儀除具有全天候工作能力外，還具有透過(guò)霧、雨、雪進(jìn)行觀察的能力[3]。</p><p>　　1.3紅外避障的發(fā)展</p><p>　　目前循跡機(jī)器人在多種行為沖突問(wèn)題解決上尚存缺陷，且不能準(zhǔn)確識(shí)別U形等復(fù)雜障礙，沒(méi)有最優(yōu)避障路徑。而我們以AT89S52單片機(jī)作為機(jī)器人小車的MCU,使用紅外和超聲波傳感器采集周圍環(huán)境信息，綜合優(yōu)先級(jí)裁決方法和模糊行為融合法選取機(jī)器

21、人的控制行為，較好地解決循跡過(guò)程中存在的各種行為以及行為沖突問(wèn)題, 運(yùn)用均值濾波法，更準(zhǔn)確地檢測(cè)到障礙物、軌跡和標(biāo)識(shí)等信息，在以最優(yōu)路徑避開(kāi)U形等復(fù)雜障礙的同時(shí)保證了循跡的快速性和準(zhǔn)確性，能夠滿足普通工業(yè)生產(chǎn)對(duì)自動(dòng)化物流的需求。本智能循跡機(jī)器人設(shè)計(jì)用于重復(fù)裝卸搬運(yùn)。</p><p>　　在物流系統(tǒng)、自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)中裝卸搬運(yùn)的頻率極高,消耗的費(fèi)用占總費(fèi)用的比例較大，國(guó)內(nèi)外一直在尋求智能化的搬運(yùn)技術(shù)和設(shè)備以降低搬運(yùn)成本和

22、改善物料搬運(yùn)的效率,以節(jié)省勞動(dòng)力，因此以該智能小車為模型的搬運(yùn)設(shè)備將在很大程度上滿足企業(yè)生產(chǎn)對(duì)自動(dòng)化物流的需求[4]。</p><p>　　第二章 紅外避障機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案</p><p>　　2.1 主要設(shè)計(jì)任務(wù)</p><p>　　本系統(tǒng)要求自行設(shè)計(jì)制作一個(gè)智能小車，該小車在前進(jìn)的過(guò)程中能夠檢測(cè)到前方障礙并自動(dòng)避開(kāi)，達(dá)到避障的效果。我的設(shè)計(jì)思想是采用單片機(jī)AT

23、89S52 為控制核心，利用位置傳感器檢測(cè)道路上的障礙，通過(guò)采集數(shù)據(jù)并處理后由單片機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)向和行動(dòng)控制，控制電動(dòng)小汽車的自動(dòng)避障，快慢速行駛，以及自動(dòng)停車。</p><p>　　設(shè)計(jì)主要內(nèi)容：①機(jī)器人電路設(shè)計(jì)</p><p><b>　?、跈C(jī)器人模型制作</b></p><p><b>　?、跜語(yǔ)言軟件編程</b><

24、/p><p><b>　?、軝C(jī)器人賽道設(shè)計(jì) </b></p><p>　　2.2 任務(wù)分析與方案設(shè)計(jì)</p><p>　　2.2.1 任務(wù)分析</p><p>　　這次設(shè)計(jì)利用AT89S52充分發(fā)揮其使用方便、功能強(qiáng)大的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)采集數(shù)據(jù)并處理后由單片機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)向和行動(dòng)控制，控制電動(dòng)小汽車的自動(dòng)避障，快慢速行駛，以及自動(dòng)停車，

25、同時(shí)還能與用戶交換信息。以下就是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)的5個(gè)基本智能任務(wù)：</p><p>　　(1)安裝紅外傳感器；</p><p>　　(2)以探測(cè)周邊環(huán)境；</p><p>　　(3)基于紅外傳感器信息做出決策；</p><p>　　(4)控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)（通過(guò)操作帶動(dòng)輪子旋轉(zhuǎn)的電機(jī)）；</p><p>　　(5)與用戶交換信

26、息。</p><p>　　2.2.2 方案設(shè)計(jì)</p><p>　　本次設(shè)計(jì)分為傳感器模塊、控制模塊、執(zhí)行器模塊、電源模塊四個(gè)硬件模塊。執(zhí)行模塊則是來(lái)實(shí)現(xiàn)行走效果，傳感器模塊主要負(fù)責(zé)信息采集，控制模塊主要負(fù)責(zé)信息處理，而電源模塊將給前三部分提供電力動(dòng)能。</p><p>　　圖2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　第三章 硬件電路設(shè)計(jì)

27、</p><p>　　本次設(shè)計(jì)的硬件電路設(shè)計(jì)主要包括控制器電路設(shè)計(jì)、紅外傳感器電路設(shè)計(jì)、機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電源設(shè)計(jì)等幾部分：。</p><p>　　3.1紅外傳感器電路設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1.1紅外發(fā)射二極管的選擇</p><p>　　紅外發(fā)射二極管分為很多種。紅外發(fā)射二極管一般按峰值波長(zhǎng)（λp）主要為：850nm、870nm、880

28、nm、940nm、980nm，現(xiàn)在市場(chǎng)上使用較多為850nm和940nm兩種。本次設(shè)計(jì)所使用的是峰值波長(zhǎng)為940nm的紅外發(fā)射二極管。940nm紅外發(fā)射二極管優(yōu)點(diǎn)：光強(qiáng)度高，響應(yīng)速度快，可用脈沖驅(qū)動(dòng)，無(wú)色透明環(huán)氧樹(shù)脂。其主要應(yīng)用領(lǐng)域： 紅外遙控系統(tǒng)，紅外探測(cè)系統(tǒng)，紅外幕墻保安系統(tǒng)，磁帶、光盤(pán)監(jiān)測(cè)器，光電開(kāi)關(guān)/光傳感器，主動(dòng)紅外夜視儀，電腦、手機(jī)等便攜設(shè)備的紅外數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。</p><p>　　表3.1 紅外發(fā)

29、射二極管極限參數(shù) </p><p>　　注（1）： f=1KHz,tp/T≤1% 注（2）： t≤3s,離器件本體4mm以上 </p><p>　　表3.2 紅外發(fā)射二極管的光電參數(shù)(TA=25℃) </p><p>　　圖3.1 相對(duì)光譜靈敏度與波長(zhǎng)的關(guān)系</p><p>　　在使用紅外發(fā)射二極管時(shí)，發(fā)射管的輻射強(qiáng)度(Power

30、)與輸入電流(If)成正比。輻射強(qiáng)度：Power(單位:W,W/sr,W/cm2)用以表示紅外線發(fā)光二極管(IR)其輻射紅外線能量之大小。</p><p>　　發(fā)射距離與輻射強(qiáng)度(Power) 成正比。W/sr：表示紅外線輻射強(qiáng)度的單位，為IR發(fā)射紅外線光之單位立體角(sr)所輻射出的光功率的大小。W/cm2：表示照度的單位，為sensor單位面積(cm2)所接收IR發(fā)射之輻射功率的大小。</p>

31、<p>　　半功率角：2θ½ 指紅外線二極管其上下或左右兩邊所輻射出之紅外線強(qiáng)度為該組件最大輻射強(qiáng)度的50%時(shí)，其上下或左右兩邊所夾的角度稱為半功率角。</p><p>　　圖3.2 30度半功率角輻射強(qiáng)度示意圖</p><p>　　3.1.2紅外接收器的選擇</p><p>　　本次設(shè)計(jì)選用HS38B，該器件特性：低功耗、高靈敏度、優(yōu)良的抗干

32、擾能力。一般用于家用電器、玩具等遙控接收。</p><p>　　圖3.3 紅外接收器電路原理框圖</p><p>　　圖3.4 HS38B內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　　圖3.5 測(cè)試紅外接收器的時(shí)序圖</p><p>　　在使用說(shuō)明書(shū)上我們找到了生產(chǎn)廠商提供的最佳使用條件：</p><p>　　圖3.6 HS

33、38B最佳使用條件</p><p>　　本次設(shè)計(jì)所提供VCC為5V，輸入頻率為38.0kHz，工作溫度為室溫。</p><p>　　圖3.7 紅外發(fā)射與接收器</p><p>　　紅外線二極管發(fā)射紅外光線，如果機(jī)器人前面有障礙物，紅外線從物體反射回來(lái)，相當(dāng)于機(jī)器人眼睛的紅外檢測(cè)（接收）器，檢測(cè)到反射回的紅外光線，并發(fā)出信號(hào)來(lái)表明檢測(cè)到從物體反射回紅外線。機(jī)器人的大

34、腦——單片機(jī)A89S52基于這個(gè)傳感器的輸入控制伺服電機(jī)。</p><p>　　紅外線（IR）接收（檢測(cè)）器有內(nèi)置的光濾波器，除了需要檢測(cè)的940nm波長(zhǎng)的紅外線外，他幾乎不允許其他光通過(guò)。紅外檢測(cè)器還有一個(gè)電子濾波器，它只允許大約38.0KHz的電信號(hào)通過(guò)。換句話說(shuō)，檢測(cè)器只尋找每秒閃爍38000次的紅外光。這就防止了普通光源像太陽(yáng)光和室內(nèi)光對(duì)IR的干涉。太陽(yáng)光是直流干涉（0KHz）源，而室內(nèi)光依賴于所在區(qū)域的

35、主電源，閃爍頻率接近100Hz或120Hz。由于120Hz在電子濾波器的38.0KHz通帶頻率之外，他完全被IR探測(cè)器忽略。</p><p>　　這里使用三極管9013的原因是9013的基區(qū)做得很薄，當(dāng)按圖3.2連接時(shí)，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子，這時(shí)由于集電結(jié)反偏，對(duì)基區(qū)的電子有很強(qiáng)的吸引力，所以由發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的電子大部分進(jìn)入集電區(qū)，于是集電極的電流增大。</p><p&

36、gt;　　由于C51的I/O驅(qū)動(dòng)能力較弱，加入三極管使其工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，用小電流來(lái)控制大電流。當(dāng)P1_3(P3_6)置高電平時(shí)，從集電區(qū)經(jīng)基區(qū)到發(fā)射區(qū)電路導(dǎo)通，加載在IR LED上的電壓為VCC（5V），IR LED向外發(fā)射紅外線；當(dāng)P1_3(P3_6)置低電平時(shí)，電路又?jǐn)嚅_(kāi)，IR LED停止發(fā)射。本次設(shè)計(jì)提供了5V穩(wěn)定直流電壓，給IR LED串聯(lián)一個(gè)470?的電阻幫助限流。當(dāng)三極管導(dǎo)通時(shí)，流過(guò)IR LED的電流在10mA左右，使IR

37、LED能正常工作。</p><p>　　圖3.8 紅外發(fā)射與接收器電路圖</p><p>　　3.2 控制電路設(shè)計(jì)</p><p>　　控制電路主要由AT89S52單片機(jī)構(gòu)成。AT89S52單片機(jī)是一個(gè)高性能、低功耗的8位單片機(jī)，內(nèi)含8K字節(jié)ISP（系統(tǒng)在線編程）可反復(fù)擦寫(xiě)1000次的Flash只讀程序儲(chǔ)存器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，

38、兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS51指令系統(tǒng)及其引腳結(jié)構(gòu)。在實(shí)際工程應(yīng)用中，功能強(qiáng)大的AT89S52已成為許多高性價(jià)比嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)的解決方案。</p><p>　　圖3.9 AT89S52原理圖</p><p>　　圖3.10 RET復(fù)位原理圖</p><p>　　3.3 人機(jī)接口單元</p><p>　　隨著科技的發(fā)展，人機(jī)之間基于自然語(yǔ)言的智能化

39、溝通將成為必然，由于人與人和人與機(jī)器的溝通方式?jīng)]有差別，機(jī)器能夠隨時(shí)隨地介入人的工作、生活中，幫助人們自動(dòng)記錄、整理資料。本部分主要包括一個(gè)LCD液晶顯示屏以及串口電路。液晶屏主要用于顯示移動(dòng)方向，以及距離的遠(yuǎn)近。</p><p>　　3.3.1 LCD1602顯示</p><p>　　圖3.11 LCD1602電路原理圖</p><p>　　3.3.2串口電路設(shè)

40、計(jì)</p><p>　　本次設(shè)計(jì)使用的芯片為MAX232，其主要特點(diǎn)：1、符合所有的RS-232C技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；2、只需要單一的+5V電源供電；3、片載電荷泵具有升壓、電壓極性反轉(zhuǎn)能力，能夠產(chǎn)生+10V和-10V電壓V+、V-；4、功耗低，典型供電電流5mA ；5、內(nèi)部集成2個(gè)RS-232C驅(qū)動(dòng)器；6、高集成度，片外最低只需4個(gè)電容即可工作。</p><p>　　圖3.12 串口連接圖&l

41、t;/p><p>　　3.4 執(zhí)行電路設(shè)計(jì)</p><p>　　3.4.1 伺服電機(jī)</p><p>　　電動(dòng)機(jī)的作用是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能， 電動(dòng)機(jī)分為交流電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī) 兩大類， 所以我們?cè)诒苷闲≤嚨碾姍C(jī)選擇上就有步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)兩種選擇方式。</p><p>　　我們選擇的是直流伺服電機(jī)（servo motor ），伺服電機(jī)是指在伺服系

42、統(tǒng)中控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，是一種補(bǔ)助馬達(dá)間接變速裝置。伺服電機(jī)可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，可以將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號(hào)控制，并能快速反應(yīng)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機(jī)電時(shí)間常數(shù)小、線性度高、始動(dòng)電壓等特性，可把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)使用的直流伺服電機(jī)。直流有刷伺服電機(jī)特點(diǎn)：</p>

43、;<p>　　1.體積小、動(dòng)作快反應(yīng)快、過(guò)載能力大、調(diào)速范圍寬</p><p>　　2.低速力矩大, 波動(dòng)小，運(yùn)行平穩(wěn)</p><p><b>　　3.低噪音,高效率</b></p><p>　　4.后端編碼器反饋（選配）構(gòu)成直流伺服等優(yōu)點(diǎn)</p><p>　　5.變壓范圍大，頻率可調(diào)</p>

44、<p>　　3.4.2 伺服電機(jī)的信號(hào)控制</p><p>　　電機(jī)轉(zhuǎn)速為零的控制信號(hào)時(shí)序圖</p><p>　　1.3ms的控制脈沖序列使電機(jī)順時(shí)針全速旋轉(zhuǎn)</p><p>　　1.7ms的控制脈沖序列使電機(jī)順時(shí)針全速旋轉(zhuǎn)</p><p>　　3.5 電源電路設(shè)計(jì)</p><p>　　本次設(shè)計(jì)中使用的傳感

45、器模塊、控制模塊、執(zhí)行器模塊都使用的5V直流電源，而我們所使用的電池供電為1.5V、3.0V、4.5V、6.0V，本次使用的為4節(jié)5號(hào)電池供電，所提供直流電源為6V，所以需要經(jīng)過(guò)電源電路的變壓后才能給各模塊提供電源。本次設(shè)計(jì)中使用的傳感器模塊、控制模塊、執(zhí)行器模塊都使用的5V直流電源。</p><p>　　我們使用LM2940的原因是LM2940具有紋波小、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但是效率較低，功耗大。對(duì)于單片機(jī)，需

46、要提供穩(wěn)定的 5V 電源，由于 LM2940 的穩(wěn)壓的線性度非常好，所以選用 LM2940-5 單獨(dú)對(duì)其進(jìn)行供電。LM2940也被成為“1A低漏失穩(wěn)壓器”，LM2940的正電壓調(diào)節(jié)器具有源輸出電流1A能力和典型的0.5V 漏失的電壓，在整個(gè)溫度范圍最大不超過(guò)電壓為1V。</p><p>　　圖3.13 電源電路原理圖 </p><p><b>　　3.6賽道設(shè)計(jì)</b&g

47、t;</p><p>　　以紙板箱為材料，設(shè)計(jì)一個(gè)紅外避障賽道，包括直線賽道、弧形賽道以及S型賽道，小車?yán)碚撔凶呗烦虨?06cm。</p><p>　　圖3.14 賽道實(shí)際圖</p><p>　　第四章 軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　本次設(shè)計(jì)所給機(jī)器人編寫(xiě)的軟件主要有基本行走指令、紅外探測(cè)指令、測(cè)距指令等多種指令構(gòu)成，通過(guò)對(duì)這些指令的調(diào)度

48、，才能讓機(jī)器人實(shí)現(xiàn)我們理想中的效果。</p><p>　　4.1機(jī)器人基本行走命令</p><p>　　4.1.1基本巡航動(dòng)作</p><p><b>　　機(jī)器人向前走：</b></p><p><b>　　P1_1=1;</b></p><p>　　delay_nus(13

49、00);</p><p><b>　　P1_1=0;</b></p><p><b>　　P1_0=1;</b></p><p>　　delay_nus(1700);</p><p><b>　　P1_0=0;</b></p><p>　　delay_n

50、ms(20)；</p><p><b>　　機(jī)器人向后走：</b></p><p><b>　　P1_1=1;</b></p><p>　　delay_nus(1700);</p><p><b>　　P1_1=0;</b></p><p><b&

51、gt;　　P1_0=1;</b></p><p>　　delay_nus(1300);</p><p><b>　　P1_0=0;</b></p><p>　　delay_nms(20)；</p><p><b>　　機(jī)器人原地左轉(zhuǎn)：</b></p><p>&l

52、t;b>　　P1_1=1;</b></p><p>　　delay_nus(1300);</p><p><b>　　P1_1=0;</b></p><p><b>　　P1_0=1;</b></p><p>　　delay_nus(1300);</p><p&

53、gt;<b>　　P1_0=0;</b></p><p>　　delay_nms(20)；</p><p><b>　　機(jī)器人原地右轉(zhuǎn)：</b></p><p><b>　　P1_1=1;</b></p><p>　　delay_nus(1300);</p>&l

54、t;p><b>　　P1_1=0;</b></p><p><b>　　P1_0=1;</b></p><p>　　delay_nus(1300);</p><p><b>　　P1_0=0;</b></p><p>　　delay_nms(20)；</p>

55、<p><b>　　機(jī)器人靜止不動(dòng)：</b></p><p><b>　　P1_1=1;</b></p><p>　　delay_nus(1500);</p><p><b>　　P1_1=0;</b></p><p><b>　　P1_0=1;</

56、b></p><p>　　delay_nus(1500);</p><p><b>　　P1_0=0;</b></p><p>　　delay_nms(20)；</p><p>　　4.1.2勻加速/減速運(yùn)動(dòng)</p><p>　　for循環(huán)語(yǔ)句能使機(jī)器人的速度由停止到全速。循環(huán)每重復(fù)執(zhí)行一次

57、，變量pulseCount就增加1：第一次循環(huán)時(shí)，變量pulseCount的值是10，此時(shí)發(fā)給P1_1、P1_0的脈沖的寬度分別為1.51ms、1.49ms；第二次循環(huán)時(shí)，變量pulseCount的值是11，此時(shí)發(fā)給P1_1、P1_0的脈沖的寬度分別為1.511ms、1.489ms。隨著變量pulseCount值的增加，電機(jī)的速度也在逐漸增加。到執(zhí)行第190次循環(huán)時(shí)，變量pulseCount的值是200，此時(shí)發(fā)給P1_1、P1_0的脈沖

58、的寬度分別為1.7ms、1.3ms，電機(jī)全速運(yùn)轉(zhuǎn)。</p><p><b>　　勻加速前進(jìn)： </b></p><p>　　for(pulseCount=10;pulseCount<=200;pulseCount=pulseCount+1)</p><p><b>　　{</b></p><p&g

59、t;<b>　　P1_1=1;</b></p><p>　　delay_nus(1500+pulseCount);</p><p><b>　　P1_1=0;</b></p><p><b>　　P1_0=1;</b></p><p>　　delay_nus(1500-puls

60、eCount);</p><p><b>　　P1_0=0;</b></p><p>　　delay_nms(20);</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　勻減速前進(jìn)：</b></p><p>　　for(pulseC

61、ount=200;pulseCount>=0;pulseCount=pulseCount-1)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　P1_1=1;</b></p><p>　　delay_nus(1500+pulseCount);</p><p><b&g

62、t;　　P1_1=0;</b></p><p><b>　　P1_0=1;</b></p><p>　　delay_nus(1500-pulseCount);</p><p><b>　　P1_0=0;</b></p><p>　　delay_nms(20);</p>&l

63、t;p><b>　　}</b></p><p>　　我們對(duì)勻減速運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了實(shí)際行走距離的實(shí)驗(yàn)，在編寫(xiě)該程序時(shí)，我們加入了循環(huán)語(yǔ)句for(pulseCount=200;pulseCount>=0;pulseCount=pulseCount-1)，當(dāng)給予勻減速信號(hào)以后，小車開(kāi)始慢慢減速直到停止，從開(kāi)始勻減速到小車停止，小車總共行走58.2cm。然而這距離并不是我們想要的，小車從檢測(cè)到

64、物體到停下的距離太長(zhǎng)，所以要對(duì)距離進(jìn)行調(diào)整。如果將pulseCount=pulseCount-1中的1改為5后，小車總共行走則變?yōu)?1.5cm。此減速距離足夠使小車檢測(cè)到物體后，在未碰到物體前停下來(lái)。</p><p><b>　　4.2 紅外探測(cè)</b></p><p>　　探測(cè)障礙物很重要的一點(diǎn)是在機(jī)器人撞到它之前給機(jī)器人留有繞開(kāi)它的空間。如果前方有障礙物，機(jī)器人會(huì)

65、使用脈沖命令避開(kāi)，然后探測(cè)，如果物體還在，再使用另一個(gè)脈沖來(lái)避開(kāi)它。機(jī)器人能持續(xù)使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖和探測(cè)，直到它繞開(kāi)障礙物，然后它會(huì)繼續(xù)發(fā)送向前行走的脈沖。</p><p>　　4.2.1測(cè)試紅外發(fā)射探測(cè)器</p><p>　　用P1_3發(fā)送持續(xù)1ms的38.0KHz的紅外光，如果紅外光被機(jī)器人路徑上的物體反射回來(lái)，紅外檢測(cè)器將給微控制器發(fā)送一個(gè)信號(hào)，讓它知道已經(jīng)檢測(cè)到反射回的紅外光。<

66、;/p><p>　　讓每個(gè)IR LED探測(cè)器組工作的關(guān)鍵是發(fā)送1ms頻率為38.0KHz的紅外信號(hào)，然后立刻將IR探測(cè)器的輸出儲(chǔ)存到一個(gè)變量中。</p><p>　　for(counter=0;counter<38;counter++)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　P1

67、_3=1;</b></p><p>　　delay_nus(13);</p><p><b>　　P1_3=0; </b></p><p>　　delay_nus(13);</p><p><b>　　}</b></p><p>　　irDetectLeft=P1

68、_2state();</p><p>　　圖4.2 測(cè)試IR有無(wú)信號(hào)</p><p>　　4.2.2紅外發(fā)射程序</p><p>　　#define LeftIR P1_2 //左邊紅外接收連接到P1_2</p><p>　　#define RightIR P3_5 //右邊紅外接收連接到P3_5</p>

69、<p>　　#define LeftLaunch P1_3 //左邊紅外發(fā)射連接到P1_3</p><p>　　#define RightLaunch P3_6 //右邊紅外發(fā)射連接到P3_6</p><p>　　void IRLaunch(unsigned char IR)</p><p><b>　　{</b>

70、;</p><p>　　int counter;</p><p>　　if(IR=='L')</p><p>　　for(counter=0;counter<38;counter++)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　LeftLaunch=1;&l

71、t;/p><p>　　_nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_();</p><p>　　_nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_();</p><p>　　LeftLaunch=0;</p><p>　　_nop_(); _n

72、op_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_();</p><p>　　_nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_();</p><p><b>　　}</b></p><p>　　if(IR=='R')</p><p

73、>　　for(counter=0;counter<38;counter++)//右邊發(fā)射</p><p><b>　　{</b></p><p>　　RightLaunch=1;</p><p>　　_nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_();</p>&l

74、t;p>　　_nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_();</p><p>　　RightLaunch=0;</p><p>　　_nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_();</p><p>　　_nop_(); _nop_(); _nop

75、_(); _nop_(); _nop_(); _nop_();</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　IRLaunch('R'); //右邊發(fā)射</p><p>　　irDetectRight = RightIR;//右邊

76、接收</p><p>　　IRLaunch('L'); //左邊發(fā)射</p><p>　　irDetectLeft = LeftIR;//左邊接收</p><p>　　圖4.3 紅外行走流程圖</p><p>　　4.3關(guān)于行走賽道的硬件調(diào)試與改進(jìn)</p><p>　　發(fā)射距離與輻射強(qiáng)度(Power)

77、成正比。改變紅外發(fā)射和接收器的發(fā)射角度。紅外發(fā)射二極管的發(fā)射角度是有限的，為了使紅外發(fā)射二極管發(fā)射路徑接近直線，我們?cè)诩t外發(fā)射二極管上套上黑色絕緣管，使信號(hào)能更加準(zhǔn)確。</p><p>　　由于IR LED發(fā)射功率的原因，如果使用阻值為470?的電阻，紅外發(fā)射與接收器能檢測(cè)到障礙物的距離很遠(yuǎn)。而在跑賽道時(shí)，我們要求小車的發(fā)射功率減小，使小車能夠離賽道內(nèi)壁比較合適的距離再檢測(cè)出信號(hào)。輻射強(qiáng)度(Power)與輸入電流

78、(If)成正比。我們就改變小車的與LED串聯(lián)的電阻阻值來(lái)改變IR LED的發(fā)射功率。</p><p>　　經(jīng)過(guò)多次測(cè)試與比較本次設(shè)計(jì)選擇了阻值為10k?的電阻。</p><p><b>　　第五章 結(jié)束語(yǔ)</b></p><p><b>　　5.1 結(jié)論和展望</b></p><p>　　半年時(shí)間

79、飛逝，通過(guò)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我了解了紅外避障機(jī)器人的原理及應(yīng)用；我們通過(guò)各種方案的討論及嘗試，再經(jīng)過(guò)多次的整體軟硬件結(jié)合的調(diào)試，不斷地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，機(jī)器人終于完成了各項(xiàng)功能。在安裝紅外裝置后，我們又大量使用多種軟件方法來(lái)改進(jìn)機(jī)器人探測(cè)前方障礙物的精準(zhǔn)度。通過(guò)調(diào)節(jié)紅外的發(fā)射頻率，采集多個(gè)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的準(zhǔn)確行走功能。在硬件設(shè)計(jì)中，大量比較各種元器件的優(yōu)缺點(diǎn)，如LM2940的使用。</p><p>　　在此也感謝指導(dǎo)

80、老師對(duì)我的指導(dǎo)和關(guān)心。相信在以后的學(xué)習(xí)和實(shí)踐中我會(huì)更加努力，使使紅外避障機(jī)器人得到更充分的利用。謝謝！</p><p><b>　　附錄A</b></p><p><b>　　元件列表</b></p><p><b>　　附錄B</b></p><p><b>　　附