1、智能小车设计前言机器人的应用越来越广泛，几乎渗透到所有领域。智能移动机器人是机器人学中的一个重要分支。移动机器人的研究始于60年代末期。斯坦福研究院在1966年至1972年中研制出了取名Shakey的自主移动机器人，目的是研究应用人工智能技术，在复杂环境下机器人系统的自主推理和控制。与此同时，最早的操作式步行机器人也研制成功，从而开始了机器人步行机构方面的研究，以解决机器人在不平整地域的运动问题，设计并研制出了多足步行机器人。70年代末，随着计算机的应用和传感技术的发展，移动机器人研究又出现了新的高潮。特别是在80年代中期，设计和制造机器人的浪潮席卷全世界。一大批世界著名的公司开始研制移动机器
2、人平台，这些移动机器人主要作为大学实验室及研究机构的移动机器人实验平台，从而促进了移动机器人学多种研究方向的出现。90年代以来，以研制高水平的环境信息传感器和信息处理技术，高适应性的移动机器人控制技术，真实环境下的规划技术为标志，展开了移动机器人更高层次的研究。 我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人；其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线（站
3、）上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如：可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距；在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程。
4、 我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000米水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种；在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。移动机器人从工作环境来分，可
5、分为室内移动机器人和室外移动机器人；按移动方式来分：轮式移动机器人、步行移动机器人、蛇形机器人、履带式移动机器人、爬行机器人等；按控制体系结构来分：功能式（水平式）结构机器人、行为式（垂直式）结构机器人和混合式机器人；按功能和用途来分：医疗机器人、军用机器人、助残机器人、清洁机器人等。按作业空间来分：陆地移动机器人、水下机器人、无人飞机和空间机。 关于智能移动机器人的研究涉及许多方面，首先，要考虑移动方式，可以是轮式的、履带式、腿式的，对于水下机器人，则是推进器。其次，必须考虑驱动器的控制，以使机器人达到期望的行为。第三，必须考虑导航或路径规划，对于后者，有更多的方面要考虑，如传感融合，特征提
6、取，避碰及环境映射。因此，智能移动机器人是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合系统。对智能移动机器人的研究，提出了许多新的或挑战性的理论与工程技术课题，引起越来越多的专家学者和工程技术人员的兴趣，更由于它在军事侦察、扫雷排险、防核化污染等危险与恶劣环境以及民用中的物料搬运上具有广阔的应用前景，使得对它的研究在世界各国受到普遍关注。轮式移动机器人是机器人研究的重要方向之一，随着控制技术、电源技术和传感技术的日益完善和发展，人们对轮式移动机器人轨迹跟踪精度等性能指标也提出了越来越高的要求。轮式移动机器人在运行过程中往往受到复杂的内部外部因素的影响，比如驱动电机特性不
7、一致、车轮打滑。负载改变、地面不平整等，这些都会影响移动机器人轨迹跟踪精度，而且这些因素对机器人造成的影响很难进行精确建模或预估。移动机器人运动控制问题是机器人研究中最基本的问题，也是机器人学中只有依靠控制理论才能予以解决的问题。从控制理论的角度出发，对于一个包括受控系统即控制对象在内的控制系统而言，控制问题的理论研究包括两方面内容，一是控制系统分析问题，一是控制系统综合问题，研究的前提是已知控制对象模型的结构和参数。获得控制对象模型的方法有机理建模和统计建模，机理建模是利用已知的物理原理建立对象的数学模型，统计建模是采用参数估计和系统辨识的方法获得对象模型。在分析问题中，根据已知的控制输入作
8、用，来确定控制系统的定性行为(如能控性、能观测性、稳定性等)以及定量的变化规律。在综合问题中，恰好与分析问题相反，根据所期望的受控系统运动形式或某些性能指标，来确定需要施加于控制对象的控制输入作用，即控制律。移动机器人运动控制问题的提出，最早是出于生产实践的需要，目标是通过寻求某种控制输入作用，使机器人精确快速平稳地自动到达运动空间的某一位置或跟踪空间中的某条曲线。本文以智能小车为模型，研究移动机器人的运动控制，并针对这些问题进行了讨论。本篇论文从移动机器人的硬件设计开始说起，列举了各模块的硬件组成，各个模块实现的功能等，然后研究了软件部分实现的，并且附有相关的程序。1 移动机器人总体设计本章
9、主要简要地介绍移动机器人的系统总体方案的选定和总体设计思路，在后面的章节中将整个系统分为硬件结构、控制模块、控制算法等几个部分对移动机器人的控制系统进行深入的介绍分析。1.1总体研究设计要求本文的研究目的是对当今移动机器人的发展有初步的认识和了解，掌握移动机器人的运动控制原理。巩固已学的理论知识，能够深入理解单片机的基本原理、硬件组成和工作过程，通过核心芯片的控制实现对移动机器人的运动控制，了解单片机的系统组成及相关模块的连接配合，正确设计，并且清楚各个单元电路及其工作过程。1.2总体方案通过学习和研究相关技术资料了解到，研究移动机器人的运动控制，可以设计一种基于超声波避障的小车，借助超声波传
10、感器的使用，满足对移动机器人的运动控制。并通过单片机对移动小车进行实时控制，在一定的复杂的环境中自动避障行驶，并通过数码管将距离以及运行信息显示出来。并可通过红外遥控对小车进行控制，实现小车的遥控驾驶1，从而达到对移动小车的运动控制的目的。合理编程使移动机器人自动避障行驶。基于单片机的移动机器人可以判别障碍物并显示障碍物的距离，根据预设值自动控制避障驾驶。机器人的五个运动状态，左转，右转，向前，向后，原地都可以通过单片机进行控制实现。可以接收信息进行遥控，从而达到研究移动机器人运动控制的目的。1.3系统方框图首先要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
11、，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，使移动机器人的避障，达到实现运动控制的目的，系统的方框图如图1-1所示：图 1-1 整体设计方框图Fig.1-1 Overall design of the bar根据系统方案设计，系统包括以下模块：单片机主控模块、红外接收模块、电机驱动模块、超声波避障模块、数码管显示模块等。单片机主控模块是控制系统的核心，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，距离信息显示，控制电机正反转等。红外接收模块，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。超声波模块，利用超声波传感器发射接收信
12、号的时间差，可以计算前方障碍物距离，并将接收信息传给单片机进行处理。电机驱动模块，两个伺服电机，由单片机发出信号控制其正传反转，实现移动机器人转向和避障。数码管显示模块2，动态显示距离速度等信息。2 硬件设计由上一节可以知道，组成一个移动机器人需要一些基本的模块，来实现它的功能。因此，该系统的硬件设计也要包括这样一些基本模块，以单片机为核心的控制模块，红外接收模块，电机驱动模块，超声波避障模块，LED数码显示模块，以及串行口模块等。根据题目的要求，确定如下方案：在现有玩具电动车的基础上，加装超声波测距模块，LED数码显示模块，实现对电动车的速度、位置、运行状况的实时测量，以及轨迹上障碍物的情况
13、，并将测量数据传送至单片机进行处理，然后由单片机根据所检测的各种数据实现对电动车的智能控制。这种方案能实现对电动车的运动状态进行实时控制，控制灵活、可靠，精度高，可满足对系统的各项要求。2.1 单片机控制模块系统采用STC的8位微控制器STC89C52单片机作为核心控制单元用于移动机器人运动系统的控制。在选定智能车系统采用超声波-光电接近开关避障方案后，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3。电路的管脚连接图如图2-1所示：图2-1 单片机管脚连接图Fig.2-1 SCM tube feet connection diagram单片机
14、P0端口接电机的四个输入口，控制电机运转。P2端口接数码显示管，外部中断INT0接超声波传感器输出端，INT1接红外传感器输出端。XTAL1和XTAL2接外部时钟晶振，RST接上电复位电路，二者组成单片机的最小系统。STC89C52主控模块，作为整个智能车的“大脑”，红外接收头超声波等传感器的信号，根据控制算法做出控制决策，驱动伺服电机完成对智能车的控制。STC89C52单片机是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，
15、亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52单片机为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活有效的解决方案。 STC89C52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，两个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，STC89C52可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中
16、断或硬件复位为止。基本电路包括晶振，为了与计算机通信方便采用11.0592MHZ的晶振，复位电路采取电容充电的方式来上电复位，为了方便和性能，本小车采用锂电池作为动力，由于使用片内寄存器，所以/VPP要接地。一个单片机应用系统的硬件电路设计包含有两部分内容：一是系统扩展，即单片机内部的功能单元，如ROMRAMI/O口定时/记数器中断系统等不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。二是系统配置，既按照系统功能要求配置外围设备，如键盘显示器打印机A/DD/A转换器等，要设计合适的接口电路。2.1.1单片机最小系统：最小系统指单片机有最少器件可以运行的。 包括：C
17、PU（单片机），时钟，复位电路等。简单说就是：要让单片机里面的程序运行，需要的最小配置，单片机可以工作的最低硬件配置。该控制系统中的最小系统如图2-2所示：图2-2 单片机最小系统电路图Fig.2-2 Smallest system chip circuit diagram 包括：电源、时钟电路、复位单元。电源：给单片机提供稳定的电源，通常采用5v电源。时钟：给单片机提供一个时间基准（频率范围033MHz）。在需要控制实时系统的设计中让编程人员有个参考，从而确保系统的实时性要求。复位单元：给单片机一个信号，告诉它从哪里开始执行程序。其形式有：上电复位（单片机一得电就复位）、手动复位（手动给一个
18、复位信号）、还有两者的结合体，即混合复位单元。2.1.2时钟电路STC89C52虽然有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外部附加电路。STC89C52单片机的时钟产生方法有两种。内部时钟方式和外部时钟方式，分别如图2-3和图2-4所示：图2-3 内部时钟方式Fig.2-3 Internal clock way图2-4 外部时钟方式 Fig.2-4 External clock way本设计采用内部时钟方式，如图2-3所示，用外接晶体和电容组成的并联谐振回路，利用芯片内部的振荡电路，在XTAL1、XTAL2引脚上外接定时元件，内部的振荡电路便产生自激振荡。振荡晶体可在1.2MHZ到12MHZ之间选
19、择。电容值无严格要求，但电容取值对振荡频率输出的稳定性、大小、振荡电路起振速度有少许影响，C1、C2可在20pF到100pF之间取值。所以本设计中，振荡晶体选择11.0592MHZ，电容选择30pF。2.1.3复位电路复位是由外部的复位电路来实现的。片内复位电路是复位引脚RST通过一个触发器与复位电路相连，触发器用来抑制噪声，它的输出在每个机器周期中由复位电路采样一次。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式，该系统用到的是上电复位电路，如图2-5所示：图2-5上电复位电路图Fig.2-5 Reset circuit diagram on electricity 所谓上电复位，是指单片机
20、加电的瞬间，要在RST引脚出现大于10MS的正脉冲，使单片机进入复位状态。按钮复位是指用户按下“复位”按键，使单片机进入复位状态。2.2 电机驱动模块移动机器人的运动要靠电机的带动来完成，单片机根据路况信息发出控制指令，通过电机的正转反转来达到控制其运动方向的目的。移动机器人采用了L9110作为驱动芯片。L9110是为控制和驱动电机设计的两通道推挽式功率放大专用集成电路器件，将分立电路集成在IC之中，使外围器件成本降低，整机可靠性提高。该芯片有两个TTLCMOS兼容电平的输入，具有良好的抗干扰性；两个输出端能直接驱动电机的正反向运动，它具有较大的电流驱动功能，每通道能通过750-800mA的持
21、续电流，峰值电流能力可达1.5-2.0A；同时它具有较低的输出饱和压降；内置钳位二极管能释放感性负载的反向冲击电流，使它在驱动继电器，伺服电机或开关功率管的使用上安全可靠。L9110被广泛应用于玩具汽车电机驱动，步进电机驱动和开关功率管等电路上。符号参数范围单位最小典型最大VCC电源电压2.5612VIdd静态电流-012uAIin操作电流200350500uAIC持续输出电流750800850mAIMax电流峰值-15002000mAL9110的电器特性如下表：表2-1 L9110的电气特性Table 2-1 Electrical characteristics of the L9110L9
22、110有以下特点：1低静态工作电流2宽电源电压范围：2.5v-12v3每条通道具有800MA连续电流输出能力4较低的饱和压降5TTLCMOS输出电平兼容，可直接连CPU6输出内置钳位二极管，适用于感性负载 7控制和驱动集成于单片IC之中8具有管脚高压保护功能9.工作温度：0-80L9110各引脚符号及相应的功能如下表2-2所示：表2-2 L9110的引脚及功能Table 2-2 Pins and function of the L9110序号符号功能1OAA路输出管脚2VCC电源电压3VCC电源电压4OBB路输出管脚5GND地线6IBB路输入管脚7IAA路输入管脚8GND地线因为要控制移动机器
23、人的转向，单靠一个电动机很难实现，所以考虑要用两个电机驱动，通过改变两个电机的运转方式，可以达到改变机器人人运动方向的目的，两个电机在系统中的电路连接方式如图2-6所示： 图2-6 电机驱动电路连接图Fig.2-6 Circuit connection diagram of motor drive L9110的输入端和单片机的P0口连接，两个L9110芯片分别在输出端接两个电机，L9110的2,3管脚提供工作的电源电压，管脚7为A路输入管脚，接正转信号，管脚1作为A路输出直接控制电机正转；管脚6为B路输入管脚，接反转信号，管脚4作为B路输出直接控制电机反转。2.3 红外接收模块在本文所设计的机
24、器人控制系统中用到了红外接收装置，该模块的主要部件是红外接收二极管5。红外接收二极管又叫红外光电二极管，也可称红外光敏二极管。它广泛用于各种家用电器的遥控接收器中，如音响、彩色电视机、空调器、VCD视盘机、DVD视盘机以及录像机等。红外接收二极管能很好地接收红外发光二极管发射的波长为940nm的红外光信号，而对于其他波长的光线则不能接收。因而保证了接收的准确性和灵敏度。红外接收二极管的外形如图所示。最常用的型号为RPM-301B，本次智能小车采用的是TC9012芯片。 TC9012 是一块用于东芝系列红外遥控系统中的专用发射集成电路，采用CMOS 工艺制造。它可外接32个按键，提供8种用户编码
25、，另外还具有3种双重按键功能。TC9012的管脚设置和外围应用线路都进行了高度优化，以配合PCB 的布图和低成本的要求。TC9012管脚图及管脚列表分别如下所示：图2-7 TC9012管脚图Fig.2-7 Tube feet figure of the TC9012表2-3 管脚功能列表Table 2-3 Tube feet features list管脚号名称类型描述1-4KIO-KI4IN4位输入脚用于键盘扫描输入（平时为低电平，内置下拉电阻）5REMOUT带载波的遥控信号输出6VDD电源正端3V（典型）7NC空脚8OSCOOUT晶振输出9OSCIIN晶振输入10VSS电源负端（接地）19
26、-12KO0-KO7OUT8 位输出脚用于键盘扫描输出11LMPOUT指示灯输出20SELIN用于用户编码选择跳线（平时为高电平，内置下拉电阻）光敏二极管又称光电二极管，它与普通半导体二极管在结构上是相似的。在光敏二极管管壳上有一个能射入光线的玻璃透镜，入射光通过透镜正好照射在管芯上。发光二极管管芯是一个具有光敏特性的PN结，它被封装在管壳内。发光二极管管芯的光敏面是通过扩散工艺在N型单晶硅上形成的一层薄膜。光敏二极管的管芯以及管芯上的PN结面积做得较大，而管芯上的电极面积做得较小，PN结的结深比普通半导体二极管做得浅，这些结构上的特点都是为了提高光电转换的能力。另外，与普通半导体二极管一样，
27、在硅片上生长了一层SiO2保护层，它把PN结的边缘保护起来，从而提高了管子的稳定性，减少了暗电流。光敏二极管与普通光敏二极管一样，它的PN结具有单向导电性，因此光敏二极管工作时应加上反向电压。当无光照时，电路中也有很小的反向饱和漏电流，一般为1x10-8 1x10 -9A(称为暗电流)，此时相当于光敏二极管截止；当有光照射时，PN结附近受光子的轰击，半导体内被束缚的价电子吸收光子能量而被击发产生电子一空穴对。这些载流子的数目，对于多数载流子影响不大，但对P区和N区的少数载流子来说，则会使少数载流子的浓度大大提高，在反向电压作用下，反向饱和漏电流大大增加，形成光电流，该光电流随入射光强度的变化而
28、相应变化。光电流通过负载RL时，在电阻两端将得到随人射光变化的电压信号。光敏二极管就是这样完成电功能转换的。红外接收电路图如图2-8所示：图2-8红外接收电路图Fig.2-8 Infrared receiving circuit diagramVdd接电源，驱动红外接收电路工作，Vss接地，输出管脚接单片机的33管脚，即外部中断INT1。2.4 超声波避障模块作为移动机器人运动控制的核心，避障是要研究的主要问题，因此避障模块是整个系统的最关键模块之一，避障方案的好坏，直接关系到最终性能的优劣，如何处理好各个模块间的相互联系也是很关键的，因此确定做好避障模块的选择、编好避障程序是决定系统总体方案
29、的关键。避障使用的传感器主要有超声传感器、视觉传感器、红外传感器、激光传感器、接近觉传感器等传感器。激光测距传感器的方向性特别好，对一般应用可以认为是理想的直线。激光测距传感器的波束很窄，所以方向性好，因此可得到障碍物的准确位置。激光测距的精确度很高，但是激光测距的技术复杂，实现难度较大，而且一些激光传感器发射的激光，对人的眼睛有伤害。视觉避障的优点是探测范围广，可以获得物体的形状、速度等信息。实际应用中使用多个摄像机，或是利用一个摄像机的序列图像来计算目标的距离和速度，还可采用SSD算法，根据一个摄像机的运动图像来计算机器人与目标的相对位移，并用自适应滤波对测量数据进行处理，以减小因环境不稳
30、定性造成的测量误差。在图像处理中，边缘锐化、特征提取等图像处理方法计算量大，实时性差，对中央处理机要求高，不适合在较小的自主移动机器人上使用。视觉测距法检测不能检测到玻璃等透明障碍物的存在，另外受视场光线强弱、烟雾的影响很大。超声传感器的成本低，实现方法简单，技术成熟，是机器人避障的常用传感器。机器人是利用超声测距来探测障碍的位置，超声波测距采用时间差测距法，即超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时，根据超声波在空气中的传播速度和计时器记录的时间，就可以计算出发射点距障碍物的距离。由于超声
31、波在空气中的速度和空气的温度湿度有关，在比较精确的测量中，可以把温度的变化和其它因素考虑进去。因为单超声传感器避障存在由于超声波的方向性不好造成对障碍物的定位不精确，存在探测盲区等缺点。本篇的移动机器人避障模块采用的超声波传感器，优点是价格相对便宜，在满足系统的要求下具有较高的精度，能很好判断是否是地面突起或不可穿越的障碍。超声波避障检测较红外线避障检测有更强的抗干扰性能，因此采用超声波进行避障检测，采用反射时间法去检测距离。用超声波模块产生超声波信号，计时器开始计数，当超声波模块接收到返回的超声波信号，计数器停止工作，算出距离，通过数码管显示距离，单片机根据距离自动避障驾驶。本次设计直接采用HC-SR04超声波模块，它的有效测试距离是2cm-500cm，测量精度可以达到3mm，主要有三部分组成：发射器、接收器与控制电路。实物图及模块引脚图分别如图2-9，图2-10所示：图2-9 超声波模块实物图Fig.2-9 Ultrasonic module real figure
