设计方案轮式智能机器人总体设计案例

摘要：设计了轮式智能机器人总体技术方案，阐述了整个系统的软硬件基本构成。方案运用了行为分析机器人技术，在硬件方面，分析了前向通道和后向通道的概念，采用了红外传感器和触觉传感器多传感器硬件融合技术；在软件方面，重点研究了寻迹与避障原理、PID算法原理和PWM电机调速原理。
关键词：轮式机器人 系统设计 向前通道
1007-9416（2013）05-0171-02
随着机器人控制技术的不断进展。针对机器人控制系统结构封闭的缺点。研发“具备统一的开放控制系统结构的机器人”是拓展机器人控制系统的必由之路。这几年来，我国863计划中对以智能机器人这方面为主题，已开始确立项目进行研究。开放式结构机器人控制系统是指设计控制系统每个层次都对使用者开放。可以方便使用者的扩展和改进其性能。
由于适用于机器人控制系统的软、硬件种类繁多，再加上现代科技水平的迅猛发展，虽然开发一个标准化的、结构完全开放的机器人控制系统还很不容易。但应用现成的技术，摆脱现有机器人控制系统封闭的结构限制，开发一类结构开放性、功能模块化及标准化机器人控制系统还是可行的。因此，如何高效地将如图像处理、声音识别、最优控制及人工智能等领域的研发成果应用到机器人控制系统的实时操作中，将是一项富有挑战性的研究工作。本文详细地阐述了一个基于单片机智能机器人控制系统的设计与实现技术，即主要通过使用传感器技术获取作业环境简单信息，然后再采用单片机控制技术对机器人的动作进行控制，使其具有寻迹与避障行为能力。

1 设计功能原理与算法

1.1 寻迹的原理

本文采用黑白反衬底板和红外检测法，即利用传感检测器红外线对不同颜色的物体表面具有不同同的反射的特性。在机器人行进中传感检测器连续发射外光到路面，当红外光照射到白色底板时产生漫反射，安装在机器人上的传感检测器中的接收管就接收反射光。如果照射到黑色轨迹（用黑色胶带制作），则黑色胶带吸收了红外光，机器人上传感检测器中的接收管就接收不到红外光。单片机控制系统就根据传感检测器中的接收管是否收到反射回来的红外光来确定黑色轨迹的位置和机器人的行进路径。红外传感器检测距离有限，应在102cm，左右为最佳。

1.2 避障原理

本项目采用类似胡须的触觉传感器。其实就是每条胡须都是一个机械式的、接地常开的单刀单掷开关器，当机器人准备停车时会漫漫前行，当遇到障碍物时，就会触碰到这个开关即开或合使之闭合，再反馈给单片机，进而单片机通过程序控制机器人避开障碍物，停止前行。

1.3 直流电机PWM调速原理

PWM是一种可通过脉宽来调制直流电机速度的典型而常用的手段。其基本原理是用改变电机电枢（定子）电压的接通和断开的时间比（占空比）来控制马达的速度。在PWM脉宽调速系统中。通电使电机速度增加；断电使电机速度减低。只要按照统一的规律变化通电与断电的时间。即可使电机的速度达到并保持一个稳定值。

1.4 PID电机控制算法

PID是一个闭环控制算法。因此要实现PID算法，必须在硬件上具有闭环控制，就是得有反馈。比如控制一个电机的转速，就得有一个测量转速的传感器，并将结果反馈到控制路线上。PID即比例（P）、积分（I）、微分（D）控制算法。

1.5 软件抗干扰技术——看门狗

看门狗（watchdog timer），是一种电路，具有监视并恢复程序正常运行的功能，是一个定时器电路，作用就是当系统“跑飞”而进入死循环时，恢复系统的运行。它有一个输入端和一个输出端，输入端又叫喂狗端，输出端接到MCU的RST端。微控制单元（MCU）正常执行一遍后，会清零到看门狗计数器。程序流程定期将其复位清零，如果系统在某处卡死或跑飞，将执行一些复位操作，使系统恢复正常的工作状态，即在程序没有正常运行期间，如期复位看门狗以保证处理器重新启动。
工作原理：设一系统程序完整运行一周期的时间是Tp，看门狗的定时周期为Ti，要求Ti>Tp。在程序运行一周期后，修改定时器的计数值，只要程序正常运行，定时器就不会溢出。 若由于干扰等原因使系统不能在Tp时刻修改定时器的计数值，定时器将在Ti时刻溢出，引发系统复位，使系统得以重新运行，从而起到监控作用。所以在使用有看门狗的芯片时要注意清看门狗。软件的可靠性一直是一个关键问题。硬件看门狗是利用了一个定时器，来监控主程序的运行。

2 总体方案设计

本系统设计是基于AT89C2051单片机的轮式移动机器人，采用高性能八位微处理控制器本文详细地阐述了轮式智能机器人控制系统设计，虽然还只是一个表现低级智能机器人的基础设计，但它涵盖了单片机控制、电路系统、自动控制和传感技术等多方面基本应用。因此，它即对单片机应用、电路系统设计、自动控制等领域应用开发具有一定的参考价值，又可作为智能玩具车、竞赛机器人、伺服机器人研究开发的基础平台，同时，又是很好的与相关学科相结合的实验实训教学平台。为核心，利用左右电机差值驱动的方法。整个系统如图1所示由检测、控制、驱动和供电四个模块构成。系统采用光电和触觉传感器，进行寻迹和避障。信号分别由机器人底部安装的光电传感器和机器人前面安装的触角传感器采集，经AT89C2051的I/0口处理后，用于机器人的运动控制决策。同时内部模块发出PWM波，驱动直流电机对机器人进行加速和减速控制。这样传感器组与微处理器之间构成了前向通道，而电机驱动器与微处理器之间构成了后向通道。
控制系统主要由四个模块构成：主控制器模块，传感检测器模块，直流电机驱动控制模块，供电及稳压模块组成。各模块叙述如下：

2.1 主控制器模块——以AT89C2051为核心

采用AT89C2051微处理器作为主控模块的核心，片内含2kbytes的可重复擦写的只读存储器和128bytes的随机存取数据存储器。支持标准的MCS-51指令系统。芯片内部含有通用8位处理器和可刷新的存储器。具有8位处理能力、性能高、功耗低、高密度、非易失性存储、应用功能强大而便宜的特性。

2.2 传感检测器模块——以ST168红外对管传感器和四运放比较器LM324为核心

本项目运用了多传感器融合技术，是本系统设计的一大特色。采用四只ST168通用红外对管光电传感器组，四运放LM324芯片作信号放大，使机器人寻迹行进；用一对钢丝加上拉电阻制成的胡须触觉传感器组，使机器人作避障处理。采用红外光电对管检测器作寻迹传感器，成本低廉，性能稳定，检测距离一般在5mm～15mm。在普通直流电机作为原动力情况下，速度不大。当停止时因惯性而产生的滑动距离小。所以，在行进寻迹过程中可以达到预定的精度。用钢丝自制的胡须触觉传感器，成本低，效果明显。

2.3 直流电机驱动模块——以L293D驱动芯片为核心

由直流电机和电机驱动芯片组成。驱动轮靠后，分布在左右两端。采用左右电机差值驱动。由两台直流同步电机驱动。前面一个轮是万向轮，只起支撑作用。并采用L293D芯片分别控制两个驱动轮的转速。可驱动控制机器人按照不同方向和速度行进。运动灵活，可控性能较好。L293D是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，输出电压最高可达50V。可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的输入或输出接口提供信号。而且带有使能端。方便PWM脉宽调速，电路简单，性能稳定。使用比较方便。L293D芯片可以驱动两个二相电机。正好符合本系统两个二相电机的驱动要求。

2.4 供电及稳压模块——以LM257稳压芯片为核心

包括直流电池组和LM257系列开关稳压集成电路。由于轮式移动机器人需要较高的机动性能。本系统选择了四节

1.5V镍锰充电电池和一块8V数码摄像机锂电池串联组成14V电压的供电电源。

本文对轮式智能机器人控制系统的体系结构进行了探讨和构建。重点阐述了系统总体方案设计和各控制模块设计，为轮式智能机器人能够智能地完成寻迹和避障任务打下了坚实的理论基础。
参考文献
葛鹏飞，郑建立，柳翔飞.基于光电传感器的智能车寻迹方法研究[J].研究与开发，2007（8）：40-42.
王学华.PID控制器参数自整定技术分析[J].企业技术开发，2009（12）：21-22.

摘自：毕业论文格式范文www.udooo.com