第一篇：自动避障小车技术报告2
自动避障小车
技术报告
学
校：乐山师范学院成员：郑素仙
朱平
吴志 指导老师：张九华
前言
设计背景：在科学探索和紧急抢险中经常会遇到对与一些危险或人类不能直接到达的地域的探测，这些就需要用机器人来完成。而在机器人在复杂地形中行进时自动避障是一项必不可少也是最基本的功能。因此，自动避障系统的研发就应运而生。
我们的自动避障小车就是基于这一系统开发而成的。随着科技的发展，对于未知空间和人类所不能直接到达的地域的探索逐步成为热门，这就使机器人的自动避障有了重大的意义。我们的自动避障小车就是自动避障机器人中的一类。自动避障小车可以作为地域探索机器人和紧急抢险机器人的运动系统，让机器人在行进中自动避过障碍物。
目录
一、设计目标：.........................................................4
二、方案设计：.........................................................4
2.1直流调速系统.................................................4 2.2检测系统.....................................................5 三 硬件设计.............................................................6 3.1、SPCE061A单片机最小系统.....................................6
3.1.1．SPCE061A时钟电路...........................................................................................8
3.1.2．PLL锁相环...........................................................................................................9 3.1.3．看门狗Watchdog..................................................................................................9 3.1.4．低电压复位（LVR）.........................................................................................10 3.1.5．I/O端口..............................................................................................................10 3.1.6．时基与定时器.....................................................................................................11 3.1.7．SPCE061A的定时器/计数器............................................................................11 3.1.8．ADC、DAC........................................................................................................12 3.2、超声波传感器..............................................12 四 软件设计...........................................................16 4.1软件设计各模块..............................................16 4.2速度控制....................................................17 4.3障碍物检测..................................................17 4.4看门狗......................................................17 4.5基频中断....................................................18 4.6程序设计流程图..............................................19 五：测试数据、测试结果分析及结论.......................................19 程序附录...............................................................21 1．主程序：....................................................21 2．中断程序....................................................24
3、测距程序....................................................28
一、设计目标：
1.小车从无障碍地区启动前进，感应前进路线上的障碍物后，能自动避开障碍物。
2.根据障碍物的位置选择下一步行进方向，选择左拐还是右拐，若障碍物在左边则自动右拐，若障碍物在右边则左拐，若障碍物在正前方可任意选择左拐或者是右拐，以达到避开障碍物的目的。
3.通过利用单片机内时钟源的控制设定左拐和右拐的时间，从而能持续前进。
4.为达到速度的可控性，需设置两个独立按键对小车进行控速。
二、方案设计：
根据设计要求，确定如下方案：在现有玩具电动车的基础上，加装超声波传感器，实现对电动车的运行状况的实时测量，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直流调速系统
采用脉宽调速系统
脉宽调速系统的主电路采用脉宽调制式变换器，简称PWM变换器。
脉宽调速也可通过单片机控制继电器的闭合来实现，但是驱动能力有限。为顺利实现电动小汽车的前行与倒车，本设计采用了可逆PWM变换器。可逆PWM变换器主电路的结构式有H型、T型等类型。我们在设计中采用了常用的双极式H型变换器，它是由4个三极电力晶体管和4个续流二极管组成的桥式电路。如附录一：
2.2检测系统
检测系统主要实现红外传感器，超声波传感，光电传感器对车的运行进行实时测量，即利用这种传感器对电动车的避障、位置、行车状态进行测量。行车开始、结束及超声波检测：
在车的开始和结束阶段，都是用红外式的光电传感器，当按下此光电开头，小车就开始行驶，在完成任务后，再按下此开关，小车就停止前进。在前进的过程中不断的发送超声波，并对接到的进行处理计算。如果处理得到的结果是发现前面的障碍时，再行进一次距离的处理，当距离小是40CM时，让小车倒退一段时间，再进行避障处理，如果距离大于40CM，就直接进避障处理。
三 硬件设计
3.1、SPCE061A单片机最小系统
我们用的是凌阳的SPCE061A单片机最小系统其概述如下： SPCE061A 是继μ’nSP™系列产品SPCE500A等之后凌阳科技推出的又一款16位结构的微控制器。与SPCE500A不同的是，在存储器资源方面考虑到用户的较少资源的需求以及便于程序调试等功能，SPCE061A里只内嵌32K字的闪存（FLASH）。较高的处理速度使μ’nSP™能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号。因此，与SPCE500A相比，以μ’nSP™为核心的SPCE061A微控制器是适用于数字语音识别应用领域产品的一种最经济的选择。
性能
16位μ’nSP™微处理器；
工作电压(CPU)VDD为2.4~3.6V(I/O)VDDH为2.4~5.5V ；
CPU时钟：0.32MHz~49.152MHz ；
内置2K字SRAM；
内置32K FLASH；
可编程音频处理；
晶体振荡器;
系统处于备用状态下(时钟处于停止状态)，耗电仅为2μA@3.6V；
2个16位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值)；
2个10位DAC(数-模转换)输出通道；
32位通用可编程输入/输出端口；
14个中断源可来自定时器A / B，时基，2个外部时钟源输入，键唤醒；
具备触键唤醒的功能；
使用凌阳音频编码SACM_S240方式(2.4K位/秒)，能容纳210秒的语音数据；
锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号；
32768Hz实时时钟；
7通道10位电压模-数转换器(ADC)和单通道声音模-数转换器；
声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器和自动增益控制(AGC)功能；
具备串行设备接口；
具有低电压复位(LVR)功能和低电压监测(LVD)功能；
内置在线仿真电路ICE（In-Circuit Emulator）接口；
具有保密能力；
具有WatchDog功能；
16位μ’nSP™微处理器硬件结构图
ICE_ENICE_SCKICE_SDA16位微控制器u'nSPFLASH双16位定时器/计数器时基中断控制+ICERAMVCPXI/RXO锁相环振荡器CPU时钟实时时钟7通道10位ADC单通道ADC+AGCMIC_IN低电压监测/低电压复位Watchdog串行异步通讯接口IOB7（RXD）IOB10（TXD）双通道10位DAC串行输入输出接口IOB0(SCK)IOB1(SDA)AUD1AUD232管脚通用输入输出端口IOA150 3.1.1．SPCE061A时钟电路
SPCE061A时钟电路采用晶体振荡器。下图为SPCE061A时钟电路的接线图。外接晶振采用32768Hz。
3.1.2．PLL锁相环
PLL电路的作用是将系统提供的实时时钟的基频(32768Hz)进行倍频，输出系统时钟Fosc
32768Hz晶振锁相环（PLL）系统时钟发生器频率：20.48M,24.576M,32.768M,40.96M,49.152Mb7b6b5Fosc(默认值24.576MHz)系统时钟选频P_SystemClock单元的第7,6,5位
3.1.3．看门狗Watchdog SPCE061A的清狗周期为0.75S；清看门狗操作寄存器：P_Watchdog_Clear(0x7012H)清狗操作：在每个0.75S的清狗周期里P_Watchdog_Clear写入0x0001。
3.1.4．低电压复位（LVR）
通过某种方式，使单片机内存各寄存器的值变为初始的操作称为复位。SPCE061A的复位方式为低电压复位。
3.1.5．I/O端口 OA口：
IOA0~IOA6：7路普通AD输入端口，IOA0~IOA7：触键唤醒功能
IOB口：
外部中断输入，串行接口、PWM输出等复用端口
3.1.6．时基与定时器
时基信号可提供常用的、现成的频率信号，完成部分定时器的功能
时间基准信号部分时基选频时基中断32768Hz RTCPLL倍频定时器/计数器Fosc时钟源 3.1.7．SPCE061A的定时器/计数器
递增计数方式，自动重载定时器/计数器初始值，输出4位可调脉宽比PWM信号，溢出频率/2的方波输出，多种时钟源 11
输入。
3.1.8．ADC、DAC SPCE061A的特色是其强大灵活的语音功能；而单片机对语音处理的支持，除了其处理能力外，还有片内集成的ADC、DAC；特别是集成有AGC电路的MIC通道。ADC转换过程：
启动自动方式 RDY=0SAR = 10 0000 0000BDAC0输出Vdac0与Vin逐次比较比较结束，RDY=1结果存入结果寄存器等待读取结果寄存器
3.2、超声波传感器
1．基本特性与参数指标
超声波传感器谐振频率：40KHz； 模组传感器工作电压：4.5V~9V 模组接口电压：4.5V~5.5V 2．主要功能
三种测距模式选择跳线J1（短距、中距、可调距）：
短距：20cm~100cm左右（根据被测物表面材料决定），精度1cm；
中距：70cm~400cm左右（根据被测物表面材料决定）； 可调：范围由可调节参数确定，当调节在合适的值时，最远测距700cm左右； 3．结构示意图
一般应用时，只需要用两条10PIN排线把J5与SPCE061A的IOB口低八位连接，J4与IOB口高八位连接，同时设置好J1、J2跳线就完成硬件的连接了。不同测距模式的选择只需改变测距模式跳线J1的连接方法即可。模组工作的性能与被测物表面材料有很大关系，如毛料、布料对超声波的反射率很小，会严重影响测量结果 实物图： 13
J1为选择工作模式，J2选择电源接口 4．电路原理图介绍：
超声波谐振频率调理电路
由单片机产生40KHz的方波，并通过模组接口（J4）送到模组的CD4049，而后面的CD4049则对40KHz频率信号进行调理，以使超声波传感器产生谐振。
超声波回波接收处理电路
超声波接收处理部分电路前级采用NE5532构成10000倍放大器，对接收信号进行放大；后级采用LM311比较器对接收信号进行调整，比较电压为LM311的3管脚的输入，可由J1跳线选择不同的比较电压以选择不同的测距模式。
测距程序流程图
超声波测距的功能函数流程图如图。用户只需进行六次测距操作，这六次的测量结果需要经过处理后才可得到最终的测距返回值，然后将返回值化成距离。
四
软件设计
4.1软件设计各模块
void RunTime2Hz(void);设置2HZ基频中断向量函数。
void OffTime2Hz(void);清2HZ基频中断向量函数。void Clear_WatchDog(void);清看门狗函数
unsigned int SP_GetCh(void);取键值函数 void delay2s(int timer)可调的延迟函数
4.2速度控制
速度控制用TIMERA的PWM输出控制，当它前进时设PWM为12/16，当它转弯时设为8/16。其代码为：*P_TimerA_Ctrl=0x0333;*P_TimerA_Data=0xff9f;
4.3障碍物检测
用TIMERB的TONT输出给超声波提供出射频率，并给它延迟一段时间，发射完时，清TIMERB，让它工作在计时方式，当计到10000时！没有收到回波，则说明前在无障碍。如果有收到回波则说明有障碍。
4.4看门狗
看门狗只要一定时间给其喂狗，就可以保证程序不会跑飞，跑飞就会自动复位。其代码就只有一句： *P_Watchdog_Clear = 0x0001;
4.5基频中断
采用2HZ的基频中断，实现实时控制；一次中断，中断时间为0。5S，其代码如下：
[P_INT_Ctrl] = r1;
INT IRQ;
//开中断
4.6程序设计流程图
五：测试数据、测试结果分析及结论
测试方法与仪器： 1.测试仪器
测试仪器包括数字万用表、信号发生器、示波器、直流稳压电源等。
2.测试方法
数字万用表主要用来测试各个IO口的状态；
信号发生器与示波器用于测试超声波传感器信号的接收与传输；
试验测试能不能完成固定避障。
结论：
经过了我们的努力，我们基本上能完上避障的功能！当然我们之后还有很长的路要走，在之后我们会自己做一个最小系统，此次我们更侧重于软件方面的设计。同时我们还要设计更多的外围电路，实现更多的功能。其中包括：红外光电检测用来检测旁边的物体；还有红外遥控器，用来控制小车的运行与停止；再加一个显示器，用来显示路程和时间等等。
附录一：
程序附录：
程序设计中包括：主程序，测距程序，中断程序组成；
1．主程序：
#include “SPCE061A.h” #include “ceju.h”
unsigned char INTflag;
//定时标识
unsigned int sum;
//2hz 计数器
1次为0。5秒 void RunTime2Hz(void);void OffTime2Hz(void);void Clear_WatchDog(void);void delay2s(int timer)
//设置基频为2HZ的中断，就是一次定时0。5S {
sum=timer;RunTime2Hz();
//运行中断
while(!INTflag)
{
Clear_WatchDog();//清看门狗
}
INTflag = 0;
OffTime2Hz();
//结束中断
} void delay2s(int timer);int main(void){ unsigned int Back_data;
*P_IOB_Dir=0x1f00;
IOB,IOB8~12同向输出
*P_IOB_Attrib=0x1f00;*P_IOB_Data=0x0000;INTflag = 0;Clear_WatchDog();
while(1){
*P_TimerA_Ctrl=0x0373;
*P_TimerA_Data=0xff9f;
这14/16
Back_data = measure_Times(0);if(Back_data==0)
//装距离 //
初
始
化
//清看门狗
//设前进PWM
//测距
//判断是否为0，为0则为前进
{
*P_TimerA_Ctrl=0x0373;
*P_TimerA_Data=0xff9f;
}
else if(Back_data<=40)
40CM，小于则进行倒车
{
*P_TimerA_Ctrl=0x006;
*P_IOB_Data=0x1000;
delay2s(0);
*P_IOB_Data=0x0100;
delay2s(3);
}
else if(Back_data<=100)
1M，小于则进行避障
{
*P_TimerA_Ctrl=0x0333;
*P_IOB_Data=0x0400;
delay2s(1);
*P_IOB_Data=0x0800;
delay2s(1);
//判断是否小于
//倒车
//前进 //判断是否小于//左转
//右转 23
*P_IOB_Data=0x0400;
//左转
delay2s(1);*P_TimerA_Ctrl=0x006;
//停止PWM运行
*P_IOB_Data=0x0000;
//停车
while(1)
{;}
}
else
Clear_WatchDog();
}
}
2．中断程序： #include “SPCE061A.h” #include “ceju.h”
void IRQ3(void)__attribute__((ISR));
void IRQ3(void){ *P_INT_Clear = 0x0100;
//
//IRQ中断服务程序 24
EXT1_IRQ_ult();
//调用超声波测距的外部中断服务程序 }
.TEXT.include SPCE061A.inc;.external _sum;.external _INTflag;.public _IRQ5;_IRQ5:
push r1,r4 to [sp];
r1 =0x0008;
test r1,[P_INT_Ctrl];
jnz L_4Hz;
r1 = 0x0004;
[P_INT_Clear] = r1;
r1 = [_sum]
r1 += 1;
//定时3秒的中断程序
// Timer A FIQ entrence
//清中断
//取时基信号量
cmp r1,4;
je loop0;
[_sum]=r1
//保存时基信号量
pop r1,r4 from [sp];
reti;
loop0:
r1 = 0x0001;
[_INTflag] = r1;
r1 = 0
[_sum] = r1 pop r1,r4 from [sp];
reti;
L_4Hz:
r1 = 0x0008;
[P_INT_Clear] = r1;
pop r1,r4 from [sp];reti;
//设置中断标识
//清中断 26
.external _sum;.include SPCE061A.inc;.CODE.public _Clear_WatchDog;_Clear_WatchDog:.PROC
R1=0x0001;
[P_Watchdog_Clear]=R1;
//清看门狗
retf;.ENDP
.public _RunTime2Hz;//初始化中断为2HZ定时中断源_RunTime2Hz:
.proc r1 = 0x0004;
[P_INT_Ctrl] = r1;
INT IRQ;
//开中断
retf.endp;
.public _OffTime2Hz;_OffTime2Hz:.proc
r1 = [P_INT_Ctrl]
r1 &= 0xfffb;
[P_INT_Ctrl] = r1;
r1 = 0x0000
[_sum] = r1;
retf;.endp;
3、测距程序
#include “SPCE061A.h” #define LONG_SEND_TIMER 40KHz信号发射时长
#define LONG_SEND_TIMER2 测距时的40KHz信号发射时长#define LONG_WAIT_DELAY 的防余波干扰延时时长
#define LONG_WAIT_DELAY2 测距时的防余波干扰延时时长
1000 3000
600 1500
//中距测距时的//中距测距的补充
//中距测距
//中距测距的补充
#define LONG_RES_ADD 补偿值
0x00B0 //中距测距的结果#define LONG_RES_ADD2 充测距时的结果补偿值
#define LOW_SEND_TIMER 40KHz信号发射时长 #define LOW_SEND_TIMER2
0x0220 //中距测距的补
250
//短距测距时的 1000 //短距测距的补充测距时的40KHz信号发射时长 #define LOW_WAIT_DELAY 余波干扰延时时长
#define LOW_WAIT_DELAY2
400
//短距测距
180
//短距测距的防的补充测距时的防余波干扰延时时长 #define LOW_RES_ADD 果补偿值
#define LOW_RES_ADD2 测距时的结果补偿值
unsigned int Counter_buf;
//超声波测距当中，用于0x00B0
//短距测距的补充
0x0034
//短距测距的结保存TimerB计数的变量，相当于时长 unsigned int EXT1_IRQ_flag=0;
//外部中断标志变量，用于EXT1的IRQ中断程序和测距程序同步
void Delay_ult(unsigned int timers){ unsigned int i;for(i=0;i __asm(“nop”);} } unsigned int Resoult_ult(unsigned int Counter){ unsigned int uiTemp;unsigned long ulTemp;ulTemp =(unsigned long)Counter*33500;度，以厘米为单位 ulTemp = ulTemp/196608; ulTemp = ulTemp>>1; //除二 uiTemp =(unsigned int)ulTemp;return uiTemp;} unsigned int measure2_ult(unsigned int type);unsigned int measure_ult(unsigned int type) 声波测距模组的测距程序，完成一次测距 //计算距离 //*以声音的速 // 超30 { unsigned int Exit_flag = 1;unsigned int uiTemp;unsigned int uiResoult;unsigned int uiSend_Timer,uiWait_Timer,uiRes_Add;unsigned int uiSystem_Clock;uiSystem_Clock = *P_SystemClock;//将当前的系统时钟设置暂时保存起来 *P_SystemClock = 0x0088; //将系统时钟设置为49MHz，分频比为1，强振模式 if(type) //根据type即测距类型，选择不同的测距参数 { } else { uiSend_Timer = LOW_SEND_TIMER;uiWait_Timer = LOW_WAIT_DELAY;uiRes_Add = LOW_RES_ADD; uiSend_Timer = LONG_SEND_TIMER;uiWait_Timer = LONG_WAIT_DELAY;uiRes_Add = LONG_RES_ADD; } *P_TimerB_Data = 0xfed2;*P_TimerB_Ctrl = 0x03c0; //发40KHz的信号触发超声波传感器 率 while(*P_TimerB_Data //TrB 工作在192KHz频 //等待发送 //关定时器B 再打开TimerA的计数（来源于EXT1） 断 *P_INT_Ctrl = *P_INT_Ctrl_New|0x0100;*P_INT_Clear = 0xffff;__asm(“IRQ ON”); //清除中断发生标志 //打开总中断使能 //TimerA的溢出中断{ } *P_INT_Clear = 0x0100; //开中断前先清中 //以避开余波的干扰 *P_Watchdog_Clear = 0x0001;EXT1_IRQ_flag = 0;的标志变量置0 while(Exit_flag) { if(EXT1_IRQ_flag==1) //当该变量在timerA的FIQ中断中被置1时表示接收到了回波 { Exit_flag = 0; //退出标示 Counter_buf = Counter_buf+uiRes_Add;//计数值加上一定的调整数据 uiResoult = Resoult_ult(Counter_buf);//对计数值进行处理，得出距离值 } if(*P_TimerB_Data>10000) //如计数值大于10000，表示超时 { Exit_flag = 0; uiResoult = measure2_ult(type);//再进行一次补充的测距，将会加长40KHz信号发射的量 } } *P_TimerB_Ctrl = 0x0006;//停止定时器B uiTemp = *P_TimerB_Data;*P_Watchdog_Clear = 0x0001;*P_INT_Ctrl = *P_INT_Ctrl_New&(~0x0100);//关掉外部 中断 置 } void EXT1_IRQ_ult(void) //超声波测距模组的测距程序的EXT1中断服务程序 { Counter_buf = *P_TimerB_Data;*P_TimerB_Ctrl = 0x0006; return uiResoult;__asm(“IRQ OFF”); *P_SystemClock = uiSystem_Clock;//恢复系统时钟的设 //关掉总中断 *P_INT_Ctrl = *P_INT_Ctrl_New&(~0x0100);//关掉外部中断 *P_INT_Clear = 0xffff;EXT1_IRQ_flag = 1; //清除中断发生标志 //通知测距程序，外部中断已发生 } unsigned int measure2_ult(unsigned int type) //补充进行一次远距的测量，以保证能够获取测量结果 { unsigned int Exit_flag = 1; unsigned int uiResoult;unsigned int uiSend_Timer,uiWait_Timer,uiRes_Add;*P_TimerB_Ctrl = 0x0006; *P_INT_Ctrl = *P_INT_Ctrl_New&(~0x0100);//关掉外部中断 __asm(“IRQ OFF”); //关掉总中断 //清除掉中断发生标志 *P_INT_Clear = 0xffff; if(type) //根据type即测距类型，选择不同的测距参数 { } else { } uiSend_Timer = LONG_SEND_TIMER2;uiWait_Timer = LONG_WAIT_DELAY2;uiRes_Add = LONG_RES_ADD2;uiSend_Timer = LOW_SEND_TIMER2;uiWait_Timer = LOW_WAIT_DELAY2;uiRes_Add = LOW_RES_ADD2; *P_TimerB_Data = 0xfed2;*P_TimerB_Ctrl = 0x03c0;Delay_ult(uiSend_Timer);*P_TimerB_Ctrl = 0x0006;*P_TimerB_Data = 0x0000;*P_TimerB_Ctrl = 0x0001; while(*P_TimerB_Data *P_INT_Ctrl = *P_INT_Ctrl_New|0x0100;//打开外部中断 *P_INT_Clear = 0xffff;__asm(“IRQ ON”); EXT1_IRQ_flag = 0; //TimerA的溢出中断 //清除中断发生标志 //打开总中断使能 { } *P_Watchdog_Clear = 0x0001;的标志变量置0 while(Exit_flag){ if(EXT1_IRQ_flag==1) //当该变量在timerA的FIQ中断中被置1时表示接收到了回波 { Exit_flag = 0; //exit Counter_buf = Counter_buf+uiRes_Add;//计数值加上一定的调整数据 uiResoult = Resoult_ult(Counter_buf);//对计数值进行处理，得出距离值 } if(*P_TimerB_Data>10000) //如计数值大于10000，表示超时 } unsigned int measure_Times(unsigned int type) //组合进行共6次的测距程序，包括对6次测量结果的取平均值处理 { } { } Exit_flag = 0;uiResoult = 0; *P_TimerB_Ctrl = 0x0006;return uiResoult;unsigned int uiResoult=0,uiMeasure_Index=0,i;unsigned int uiTemp_buf[6],uiTemp; unsigned int uiSystem_Clock; for(;uiMeasure_Index<6;uiMeasure_Index++){ //循环进行四次测量 //进行一次测uiTemp = measure_ult(type); 量，测量类型由type决定 if(uiMeasure_Index==0) //如果为本次测量的第一次测距，则直接保存在缓冲区第一个单元 uiTemp_buf[0] = uiTemp; else { //否，则对结果进行比较，进行排序，从大到小排 i = uiMeasure_Index;while(i){ if(uiTemp>uiTemp_buf[i-1]){ } else { //以下为排序的代码 uiTemp_buf[i] = uiTemp_buf[i-1];uiTemp_buf[i-1] = uiTemp; } } } uiTemp_buf[i] = uiTemp;break; //退出排序 i--; //两次测量之间的延时等待，利用以下代码软仿真时的cycles数结合设置的CPUCLK进行计算，大概72ms uiSystem_Clock = *P_SystemClock; //将之前的系统时钟的设置用变量保存 *P_SystemClock = 0x000b; // 设 置 为24.576MHz 分频比为8 for(i=0;i<5;i++){ } *P_SystemClock = uiSystem_Clock; //恢复系统时钟Delay_ult(1000); //调用延时程序 *P_Watchdog_Clear = 0x0001;设置 } //此处延时结束 //对6次测距的结果进行处理 if(uiTemp_buf[5]==0){ //如果缓冲区中的最小的测距值为0，则采用中间4个数据进行平均 uiResoult = uiTemp_buf[1]+uiTemp_buf[2]+uiTemp_buf[3]+uiTemp_buf[4]; } else { //否则就取后5个数据uiResoult = uiResoult/4;进行平均 uiResoult = uiTemp_buf[1]+uiTemp_buf[2]+uiTemp_buf[3]+uiTemp_buf[4]+uiTemp_buf[5]; } } return uiResoult;uiResoult = uiResoult/5;40 论文编码：TP39 Capital Normal University 首都师范大学本科毕业设计论文 基于行为设计的移动机器人设计与实现 ——机器人机械设计模块 Design and Implementation of Mobile Robot Based on Behavior Design —— Robot Mechanical Solutions 论文作者： 张倩颖 院 系： 信息工程学院 专 业： 计算机科学与技术 学 号： 1111000055 指导老师： 徐敏 完成日期： 2015年 4月 25日 首都师范大学本科毕业设计论文 摘要 本文简要介绍了基于行为设计的移动机器人设计与实现----一种基于Arduino新型集成开发环境的超声波避障小车的工作原理。其中包括对小车的执行组件、搭建结构、传感器、Arduino单片机软件编程及试验结果的介绍。 本方案以Arduino单片机为控制核心，基于蝙蝠超声波测距的原理,利用超声波传感器,检测小车前方障碍物的距离，然后把数据传送给单片机。当超声波检测到距离小车前方25CM有障碍物时单片机就发出指令让小车左转一定角度，然后停止行进继续探测.如果前方25CM没有障碍物则直行，否则继续左转一定角度。如此通过超声波不断的循环检测周边环境的情况进行自动避障。 本系统在硬件设计方面，以Arduino单片机为控制核心，以超声波传感器检测前方障碍物，从而自动避障。在软件方面，利用Arduino语言进行编程，通过软件编程来控制小车运转。该系统在驱动方面采用L298N驱动2个直流电机带动小车运行。并且，用PWM系统调速,控制小车前进的速度。实现小车根据外部环境,做出前进、后退和转向等动作,从而完成避障的功能，本设计具有有一定的实用价值。 关键词：Arduino单片机；超声波传感器；避障 I 基于行为设计的移动机器人设计与实现 ABSTRACT This paper describes the design of mobile robot behavior-based design and implement----A new ultrasound-based integrated development environment Arduino obstacle avoidance car works.These include the implementation of car components, building structures, sensors, Arduino microcontroller software programming and test results presentation.The program to Arduino microcontroller core, based on the principle of ultrasonic distance measurement bats using ultrasonic sensors to detect obstacles in front from the car, and then transmits the data to the microcontroller.When the ultrasonic distance in front of the car detects obstacles 25CM SCM issued a directive to make the car turn left on an angle, then continue probing stop traveling.If there is no obstacle in front of the 25CM straight, turn left or continue certain angle.So the case of the ultrasonic continuous loop through the surrounding environment to automatically detect avoidance.The system hardware design to Arduino microcontroller core, with ultrasonic sensors detect obstacles in front, so that automatic obstacle avoidance.On the software side, the use of Arduino programming language to control the car running through software programming.The system uses the driver side L298N drive two DC motors drive the car running.And, with the PWM system speed, speed control car forward.Realize the car according to the external environment, made forward, backward, and steering movements, thus completing the obstacle avoidance function, the design has a certain practical value.Key words: Arduino;ultrasonic sensors;obstacle avoidance II 首都师范大学本科毕业设计论文 第一章 绪论....................................................................................................................................1 1.1 论文的选题背景...................................................................................................................1 1.2 Arduino单片机概述.............................................................................................................2 1.3 Arduino机器人发展现状.....................................................................................................3 1.4 Arduino智能避障机器人研究意义和目的.........................................................................4 1.5项目主要研究内容...............................................................................................................5 第二章 避障小车机器人的总体设计............................................................................................6 2.1设计原理与方法...................................................................................................................6 2.2硬件设计...............................................................................................................................6 2.3 软件设计...............................................................................................................................7 2.3.1 Arduino语言..................................................................................................................7 2.3.2 Arduino IDE....................................................................................................................8 2.4 实验前期准备.....................................................................................................................10 第三章 硬件模块..........................................................................................................................12 3.1 各模块的的基本性能.........................................................................................................12 3.1.1 单片机模块...................................................................................................................12 3.1.2 电机、电机驱动模块...................................................................................................12 3.1.3避障模块......................................................................................................................14 3.1.4电源模块......................................................................................................................15 3.2 小车的基本搭建.................................................................................................................15 3.3连线.....................................................................................................................................17 3.3.1电机的连线..................................................................................................................17 3.3.2舵机的连线..................................................................................................................18 3.3.3超声波的连线..............................................................................................................19 3.3.4 Arduino超声波小车总体连线图：.............................................................................20 III 基于行为设计的移动机器人设计与实现 第四章 软件模块..........................................................................................................................21 4.1 软件设计思路.....................................................................................................................21 4.2 电机前进模块.....................................................................................................................22 4.2 电机后退模块.....................................................................................................................22 4.3 电机停止工作模块.............................................................................................................23 4.4 电机左转模块.....................................................................................................................23 4.5 电机右转模块.....................................................................................................................24 4.6 防卡死模块.........................................................................................................................25 第五章 实验及结果分析..............................................................................................................26 5.1预期目标.............................................................................................................................26 5.2遇到的问题和解决方法.....................................................................................................26 5.3 硬件的调试与整合.............................................................................................................27 5.3.1调试思路......................................................................................................................27 5.3.2调试超声波模块..........................................................................................................27 5.3.3电机调试......................................................................................................................28 5.4 心得体会.............................................................................................................................28 第六章 设想与展望......................................................................................................................30 参考文献.......................................................................................................................................31 致谢...............................................................................................................................................32 附录...............................................................................................................................................33 超声波智能避障车程序（ARDUINO）...................................................................................33 IV 首都师范大学本科毕业设计论文 第一章 绪论 1.1 论文的选题背景 随着现代计算机技术的不断发展和普及，机器人的发展已经遍及近年来机器人的智能水平不断提高，并且迅速地改变着人们的生活方式。小到智能玩具，大到机械、电子、冶金、交通、宇航、国防等各个领域。人们将计算机技术更加广阔的运用的人类生活中，制造能替代人劳动的机器一直是人类的梦想，并一直在为之努力。在我们的生活里，有很多的机器人，如图1.1所示，这两种机器人分别是扫地机器人和灭火机器人。他们在我们的生活中非常常见也很实用，他们的特点就是无需人们的控制，能够自行运动完成他们的任务。那么这就需要一个非常必要的基础功能，那就是能够感知并躲避前方的障碍物。 因此，在本次的设计中，我们将设计出一个能够避障机器人，在具有这个基本功能的基础上，我们就可以为他附加更多的功能，赋予它更多的实用价值。选用Arduino单片机作为控制核心，使用仿生超声波技术传感器进行避障的实现。“智能避障机器人”作为现代社会的新产物，也是以后的发展方向，他可以按照预先设定的模式在一个特定的环境里自动的运作，无需人为管理，便可以完成预期所要达到的或是更高的目标。 图1.1 基于行为设计的移动机器人设计与实现 1.2 Arduino单片机概述 Arduino，是一个基于开放原始码的软硬件平台，构建于开放原始码simple I/O介面版，并且具有使用类似Java，C语言的Processing/Wiring开发环境。它包含两个主要的部分：硬件部分是可以用来做电路连接和Arduino电路板；另外一个则是Arduino IDE，你的计算机中的程序开发环境。你只要在IDE中编写程序代码，将程序上传到Arduino电路板后，程序便会告诉Arduino电路板要做些什么了。 Arduino能通过各种各样的传感器来感知环境，通过控制灯光、马达和其他的装置来反馈、影响环境。板子上的微控制器可以通过Arduino的编程语言来编写程序，编译成二进制文件，收录进微控制器。对Arduino的编程是利用Arduino编程语言(基于 Wiring)和Arduino开发环境(based on Processing)来实现的。基于Arduino的项目，可以只包含Arduino，也可以包含Arduino和其他一些在PC上运行的软件，他们之间进行通信(比如 Flash, Processing, MaxMSP)来实现。可以自己动手制作，也可以购买成品套装;Arduino所使用到的软件都可以免费下载.硬件参考设计(CAD 文件)也是遵循availableopen-source协议, 你可以非常自由地根据你自己的要求去修改他们.Arduino可以使用开发完成的电子元件例如Switch或sensors或其他控制器、LED、步进马达或其他输出装置。Arduino也可以独立运作成为一个可以跟软件沟通的接口，例如说：flash、processing、Max/MSP、VVVV或其他互动软件…。Arduino开发IDE接口基于开放源代码原，可以让您免费下载使用开发出更多令人惊艳的互动作品。 其主要特点如下： 1）开放源代码的电路图设计，程序开发接口免费下载，也可依个人需求自己修改。2）使用低价格的微处理控制器(AVR系列控制器)，可以采用USB接口供电，不需外接电源，也可以使用外部9VDC输入。 3）Arduino支持ISP在线烧，可以将新的“bootloader”固件烧入AVR芯片。有了bootloader之后，可以通过串口或者USB to Rs232线更新固件。 4）可依据官方提供的Eagle格式PCB和SCH电路图简化Arduino模组，完成独立运作的微处理控制；可简单地与传感器，各式各样的电子元件连接(例如：红外线,超音波,热敏电阻,光敏电阻,伺服马达,…等)5)支持多种互动程序，如：Flash、Max/Msp、VVVV、PD、C、Processing等。 首都师范大学本科毕业设计论文 6)应用方面，利用Arduino，突破以往只能使用鼠标、键盘、CCD等输入的装置的互动内容，可以更简单地达成单人或多人游戏互动。 我们为什么要使用Arduino？有很多的单片机和单片机平台都适合用做交互式系统的设计。例如：Parallax Basic Stamp，Netmedia’s BX-24，Phidgets，MIT’s Handyboard和其它等等提供类似功能的。所有这些工具，你都不需要去关心单片机编程繁琐的细节，提供给你的是一套容易使用的工具包。Arduino同样也简化了同单片机工作的流程，但同其它系统相比Arduino在很多地方更具有优越性，特别适合老师，学生和一些业余爱好者们使用：和其它平台相比，Arduino板算是相当便宜了。最便宜的Arduino版本可以自己动手制作，即使是组装好的成品，其价格也不会超过200元。而且Arduino软件可以跨平台运行在Windows，Macintosh OSX，和Linux操作系统。而大部分其它的单片机系统都只能运行在Windows上。另外，它具有简易的编程环境。初学者很容易就能学会使用Arduino编程环境，同时它又能为高级用户提供足够多的高级应用。对于老师们来说，一般都能很方便的使用Processing 编程环境，所以如果学生学习过使用Processing 编程环境的话，那他们在使用Arduino开发环境的时候就会觉得很相似很熟悉。 软件开源并可扩展－Arduino软件是开源的，对于有经验的程序员可以对其进行扩展。Arduino编程语言可以通过C++库进行扩展，如果有人想去了解技术上的细节，可以跳过Arduino语言而直接使用AVR C 编程语言（因为Arduino语言实际上是基于AVR C的）。类似的，如果你需要的话，你也可以直接往你的Arduino程序中添加AVR-C 代码。 Arduino基于AVR平台，对AVR库进行了二次编译封装，把端口都打包好了，寄存器啦、地址指针之类的基本不用管。大大降低了软件开发难度，适宜非专业爱好者使用。优点和缺点并存，因为是二次编译封装，代码不如直接使用AVR代码编写精练，代码执行效率与代码体积都弱于AVR直接编译。 1.3 Arduino机器人发展现状 我国目前的发展现状是研制中的智能移动机器人智能水平并不高，只能说是智能移动机器人的初级阶段。智能移动机器人研究中当前的核心问题有两方面：一方面是，提高智能移动机器人的自主性，这是就智能移动机器人与人的关系而言，即希望智能 基于行为设计的移动机器人设计与实现 移动机器人进一步独立于人，具有更为友善的人机界面。从长远来说，希望操作人员只要给出要完成的任务，而机器能自动形成完成该任务的步骤，并自动完成它。另一方面是，提高智能移动机器人的适应性，提高智能移动机器人适应环境变化的能力，这是就智能移动机器人与环境的关系而言，希望加强它们之间的交互关系。 智能移动机器人涉及到许多关键技术，这些技术关系到智能移动机器人的智能性的高低。这些关键技术主要有以下几个方面：多传感信息耦合技术，多传感器信息融合就是指综合来自多个传感器的感知数据,以产生更可靠、更准确或更全面的信息，经过融合的多传感器系统能够更加完善、精确地反映检测对象的特性,消除信息的不确定性,提高信息的可靠性；导航和定位技术，在自主移动机器人导航中，无论是局部实时避障还是全局规划，都需要精确知道机器人或障碍物的当前状态及位置，以完成导航、避障及路径规划等任务；路径规划技术，最优路径规划就是依据某个或某些优化准则，在机器人工作空间中找到一条从起始状态到目标状态、可以避开障碍物的最优路径；机器人视觉技术，机器人视觉系统的工作包括图像的获取、图像的处理和分析、输出和显示,核心任务是特征提取、图像分割和图像辨识；智能控制技术，智能控制方法提高了机器人的速度及精度；人机接口技术，人机接口技术是研究如何使人方便自然地与计算机交流。 在各国的智能移动机器人发展中，美国的智能移动机器人技术在国际上一直处于领先地位，其技术全面、先进，适应性也很强，性能可靠、功能全面、精确度高，其视觉、触觉等人工智能技术已在航天、汽车工业中广泛应用。日本由于一系列扶植政策，各类机器人包括智能移动机器人的发展迅速。欧洲各国在智能移动机器人的研究和应用方面在世界上处于公认的领先地位。中国起步较晚，而后进入了大力发展的时期，以期以机器人为媒介物推动整个制造业的改变，推动整个高技术产业的壮大 1.4 Arduino智能避障机器人研究意义和目的 机器人的感觉传感器种类非常多，其中视觉传感器成为研制自动行走和驾驶机器人的重要部件。机器人要实现自动导引功能和避障功能就必须要感知导引线和障碍物，感知导引线相当给机器人一个视觉功能。本设计以超声波作为智能车避障的一种重要手段，以其避障实现方便，计算简单，易于做到实时控制，测量精度也能达到实用的要求，在未来汽车智能化进程中必将得到广泛应用。我国作为一个世界大国，在高科 首都师范大学本科毕业设计论文 技领域也必须占据一席之地，未来汽车的智能化是汽车产业发展必然的，在这种情况下研究超声波在智能车避障上的应用具有深远意义，这将对我国未来智能汽车的研究在世界高科技领域占据领先地位具有重要作用。 本设计主要体现多功能小车的智能避障功能，本设计中的理论方案、分析方法及特色与创新点等可以为自动运输机器人、采矿勘探机器人、家用自动清洁机器人等自动半自动机器人的设计与普及有一定的参考意义。同时小车可以作为玩具的发展对象，为中国玩具市场技术含量的缺乏进行一定的弥补，实现经济收益，形成商业价值。我们所设计的智能移动机器人利用超声波能够在路面上顺利躲避障碍物，从而在导盲和辅助人类行动方面也有着重要意义。 1.5项目主要研究内容 本设计题目为《基于行为设计的移动机器人设计与实现》是以Arduino单片机为控制核心，主要研究小车的避障功能。利用超声波传感器检测道路上的障碍，然后把数据传送给单片机，当超声波检测到距离小车前方有障碍物时单片机就发出指令让小车左转一定角度，然后停止运行继续探测.如果前方没有障碍物就直走，否则继续左转一定角度。如此通过超声波不断的循环检测周边环境的情况进行自动避障。该功能的小车能够实现在无人操作的情况下在比较宽阔平坦的环境中避开障碍物。当机器人在行走过程中遇到前方障碍时,能够根据有效范围内的距离作出相应处理,由单片机软件发出转弯、直行、后退指令,避免机器与障碍物相撞。 基于行为设计的移动机器人设计与实现 第二章 避障小车机器人的总体设计 2.1设计原理与方法 本设计中直流电机PWM控制系统的主要功能包括实现对直流电机的加速、减速，并且可以调整电机的转速，能够很方便的实现电机的智能控制。主体电路：即直流电机PWM 控制模块。这部分电路主要由AT89S52 单片机的 I/O 端口、定时计数器、外部中断扩展等控制直流电机的加速、减速以及电机的正转和反转，并且可以调整电机的转速，能够很方便的实现电机的智能控制。其间是通过 AT89S52 单片机产生脉宽可调的脉冲信号并输入到L298 驱动芯片来控制直流电机工作的。该直流电机PWM 控制系统由以下电路模块组成：设计控制部分：主要由AT89S52 单片机的外部中断扩展电路组成。直流电机PWM控制实现部分主要由一些二极管、电机和L298 直流电机驱动模块组成。智能小车采用后轮驱动，两个后轮各用一个电机，前轮是万象轮，起到支撑和转向的作用。 2.2硬件设计 本小车的硬件部分分为几个模块：超声波传感器、Arduino单片机、电源、两个直流电动机、电机驱动板、车身。电源连接在Arduino单片机上给整个小车供电。小车以Arduino单片机为核心，连接电机驱动板控制两个直流电动机的运转，从而实现小车的前进。将超声波传感器安置在车身的最前端，用于探测前方是否有障碍物。当超声波传感器遇到障碍物，将反馈提供到单片机里从而做出向左旋转的反应，再次检测前方是否有障碍物，若有障碍物则继续旋转，没有障碍物则电机驱动器驱动电机前进，从而实现整个小车的避障功能。硬件框架图如图2.1。 首都师范大学本科毕业设计论文 图2.1 硬件设计框架 2.3 软件设计 2.3.1 Arduino语言 Arduino语言具有如下特点： 1、开放源代码的电路图设计，程序开发接口免费下载，也可依需求自己修改。 2、使用低价格的微处理控制器(AVR系列控制器)，可以采用USB接口供电，不需外接电源，也可以使用外部9VDC输入。 3、Arduino支持ISP在线烧，可以将新的“bootloader”固件烧入AVR芯片。有了bootloader之后，可以通过串口或者USB to Rs232线更新固件。 4、可依据官方提供的Eagle格式PCB和SCH电路图简化Arduino模组，完成独立运作的微处理控制；可简单地与传感器，各式各样的电子元件连接(例如：红外线,超音波,热敏电阻,光敏电阻,伺服马达,„等) 5、支持多种互动程序，如：Flash、Max/Msp、VVVV、PD、C、Processing等。 6、应用方面，利用Arduino，突破以往只能使用鼠标、键盘、CCD等输入的装置的互动内容，可以更简单地达成单人或多人游戏互动。Arduino的功能： 基于行为设计的移动机器人设计与实现 Arduino可以让我们快速使用与Macromedia Flash, Processing, Max/MSP, Pure Data, SuperCollider等软件结合，作出互动作品。Arduino可以使用现有的电子元件例如开关或者传感器或者其他控制器件、LED、步进马达或其他输出装置。Arduino也可以独立运行，并与软件进行交互，例如：Macromedia Flash, Processing,Max/MSP, Pure Data,VVVV或其他互动软件，Arduino的IDE界面基于开放源代码，可以让我们免费下载使用，开发出更多令人惊艳的互动作品。 Arduino可使用ICSP线上烧入器，将「bootloader」烧入新的IC晶片；可依据官方电路图，简化Arduino模组，完成独立运作的微处理控制；可简单地与传感器，各式各样的电子元件连接（例如：红外线，超声波，热敏电阻，光敏电阻，伺服马达等）；支援多样的互动程序例如: Macromedia Flash、Max/Msp、VVVV、PD、C、Processing等；使用低价格的微处理控制器(ATMEGA 8-168)；USB接口，不需外接电源。另外有提供9V直流电源输入；在应用方面，利用Arduino，突破以往只能使用鼠标，键盘，CCD等输入的装置进行互动内容的设计，可以更简单地达成单人或多人游戏互动。 2.3.2 Arduino IDE 如图2.3这是运行界面。Arduino语言是一种类c的语言。在这个界面里有我们编程时最常用的东西。当我们把鼠标放在上面就会在右侧出现按键的功能。 图2.3 Arduino IDE运行界面 首都师范大学本科毕业设计论文 图2.4就是upload上传功能。最右边的图标是我们需要熟知的串口监视器，快捷键是：Ctrl+Shift+M。点这个图标有用的前提是插上了串口设备，当然Arduino插在USB上也可以，因为板上的Atmega16U2就是USB转串口的功能。 图2.4 upload 上传功能 如图2.5这就是串口监视器的运行画面相对于网上流传的众多串口调试软件，它的功能可以说较为简单。右下角是波特率，波特率接收端和发射端要相同，要不然收到的会是乱码。 图2.5 串口监视器 如果电脑没找到串口或者驱动没装好，就会有如图2.6的提示。serial port的意思是串行通讯接口。 图2.6 Arduino IDE的菜单栏中有很多选项，例如“文件”“编辑”等英文界面。其中Sketch是草图的意思，在Arduino IDE中，每个Arduino程序都称为sketch，他是一个 基于行为设计的移动机器人设计与实现 可以上传进Arduino Board中的程序包，当然经过编译以后他就不是代码包了。Tools里面第一项，自动格式，当你把一段从网上下载的源代码放到sketch里面，会有一些缩进的乱码，这时，Auto Format就起到了很好的作用。 当我们编写好程序后，点击Update，IDE会自动编译，上传。如果程序有错误，就会有如图2.7的显示，标出了行号。修改程序后就可以继续编译上传了。 图2.7 2.4 实验前期准备 搭建小车的零件清单如下： 1.减速电机 2个 2.优质轮胎2个 3.电机固定件2个 4.万向轮1个 5.100*150*2.6MM有机玻璃板 2片 6.L298N电机驱动板1个 7.ARDUINO 328给力板 1个 8.云台 1个 9.舵机 1个 10.超声波模块1个 11.迷你面包板1个 12.6节5号电池盒一个 13.杜邦线 12条 14.1米长USB线1条 15.铜柱 35MM长 3个 12MM 4个 首都师范大学本科毕业设计论文 16.3MM螺丝螺母若干 基于行为设计的移动机器人设计与实现 第三章 硬件模块 3.1 各模块的的基本性能 3.1.1 单片机模块 本设计采用Atmel Atmega328微处理控制器。其性能为：Digital I/O 数字输入/输出端共 0~13。Analog I/O 模拟输入/输出端共 0~5。支持ISP下载功能。输入电压：接上电脑USB时无须外部供电，外部供电7V~12V 直流电压输入。输出电压：5V 直流电压输出和3.3V 直流电压输出。 图3.1 Arduino单片机实物图 3.1.2 电机、电机驱动模块 本设计采用由双极性管组成的H桥电路（L298N）。用单片机控制晶体管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，则效率非常高；H桥电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制，电子开关的速度很快，稳定性也很高。而且它有更强的驱动能力。而且L298N有过电流保护 首都师范大学本科毕业设计论文 功能，当出现电机卡死时，可以保护电路和电机。这种调速方式有调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，能承受频繁的负载冲击，还可以实现频繁的无级快速启动、制动和反转等优点。因此决定采用使用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。 图 3.2 L298N引脚图 图3.3 L298N电路原理图 基于行为设计的移动机器人设计与实现 图3.4 L298N实物图 3.1.3避障模块 本设计采用HC-SR04超声波测距模块，该原件可提供2CM-400CM的非接触式距离感测功能，测距精度可达高到3mm；模块包括超声波发射器，接收器和控制电路。 基本工作原理：(1)采用IO口TRIG触发测距，给至少10us的高电平信号;(2)模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回；(3)有信号返回，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。测试距离=(高电平时间*声速(340M/S))/2; 图3.5避障模块实物图 首都师范大学本科毕业设计论文 3.1.4电源模块 本设计采用的电源为车载电源。为保证电源工作可靠，单片机系统与动力伺服系统的电源采用了大功率、大容量的蓄电池；而传感器的工作电源则采用了小巧轻便的干电池。 图3.6 电源模块实物图 3.2 小车的基本搭建 舵机,云台和超声波的连接步骤如下图： 1.如图3.7准备好云台舵机超声波安装所需配件。 图3.7 2.图3.8取出舵机配件之一“十字胶体”将十字剪成四边对等的长度，打磨成宽度一样。 基于行为设计的移动机器人设计与实现 图3.8 3.将2*8mm的和1.2*5mm的螺丝安装到十字的第二个孔，装到云台底座上。在云台底部的螺丝位套上螺母，并用热熔胶固定如图3.9。 图3.9 4.将舵机装上云台的两个边翼，并用螺丝紧固如图3.10。 图3.10 5.将装好的舵机放进固定好的十字胶体调整好方向后，从舵机组件包里取出2*6mm的螺丝安装到舵机固定孔中。完成云台安装后用扎带将超声波模块固定在云台前端如图3.11。 首都师范大学本科毕业设计论文 图3.11 6.将6mm铜柱装在云台底座安装孔并将装好的云台组件直接安装到小车底盘上，小车搭建成品如图3.12。 图3.12 小车搭建成品 3.3连线 3.3.1电机的连线 L298N的供电处理： 用6节5号电池盒取一路电源给L298N电机驱动模块供电，另一路给ARDUINO主板供电给L298N电机驱动模块供电的电源+极接L298N的VMS接口，电源的-接L298N的GND接口，L298N板上的+5V接口放空不接。电机一接L298N的MOTOA，电机二接L298N的MOTOB。 基于行为设计的移动机器人设计与实现 图3.13 电机的连线 3.3.2舵机的连线 首先设置函数：myservo.attach(5);// 定义伺服马达输出第5脚位。 舵机需要连接的有三条线，分别是+，-，信号。三条线均直接连接到Arduino板上。 接线方法：将+5V接到J5位，-位接到J6位，信号位接到J4位PWM口的第五脚。 连线方式如图3.14所示： 图3.14舵机的连线 首都师范大学本科毕业设计论文 3.3.3超声波的连线 超声波传感器有四个脚，如图3.15所示： 四个引脚的功能分别是： 1：VCC 接+5V。2：TRIQ 信号输入。3：ECHO信号输出。4：GND 接地。 图3.15超声波的引脚示意图 超声波模块四个引脚直接与Arduino单片机连接，接线方法如图3.16所示： 图3.16超声波与Arduino单片机接线 基于行为设计的移动机器人设计与实现 3.3.4 Arduino超声波小车总体连线图： 电机A和电机B将正负两端接在L298N电机驱动板上，若正负两级接反则车轮反转。电机驱动板、舵机、超声波模块直接与Arduino核心控制板相连，电源模块分别给电机驱动板和Arduino板供电。 图3.17 Arduino超声波小车总体连线图 首都师范大学本科毕业设计论文 第四章 软件模块 4.1 软件设计思路 在软件设计方面，采用Arduino语言编程，编写程序流程图4.1 图4.1 软件编译流程图 基于行为设计的移动机器人设计与实现 4.2 电机前进模块 在定义好各个引脚之后，进入主程序的编写部分。我在程序控制模块里主要编写的是电机的控制函数。本程序中提及的digitalWrite函数的作用是设置引脚的输出的电压为高电平或低电平。该函数也是一个无返回值的函数，函数有两个参数pin和value，pin参数表示所要设置的引脚，value参数表示输出的电压HIGH（高电平）或LOW（低电平）。 首先定义为advance前进函数： void advance(int a){ 编写模拟信号，定义马达右后动作为低电平，即不给电： digitalWrite(pinRB,LOW);编写模拟信号，定义马达右前动作为高电平： digitalWrite(pinRF,HIGH);编写模拟信号，定义马达左后动作为低电平： digitalWrite(pinLB,LOW);编写模拟信号，定义马达左前动作为高电平： digitalWrite(pinLF,HIGH);定义延时，即将前进动作保持一段时间，直到开始执行下一程序。delay(a * 100);延时 } 4.2 电机后退模块 将函数定义为back后退函数 void back(int g)//后退 { 编写模拟信号，定义马达右后动作为高电平： digitalWrite(pinRB,HIGH);编写模拟信号，定义马达右前动作为低电平： digitalWrite(pinRF,LOW); 首都师范大学本科毕业设计论文 编写模拟信号，定义马达左后动作为高电平： digitalWrite(pinLB,HIGH);编写模拟信号，定义马达左前动作为低电平： digitalWrite(pinLF,LOW);定义延时，即将电机的后退动作保持一段时间，直到开始执行下一程序。delay(g * 100);} 4.3 电机停止工作模块 将函数定义为stopp停止函数 void stopp(int f){ 编写模拟信号，定义马达右后动作为高电平： digitalWrite(pinRB,HIGH);编写模拟信号，定义马达右前动作为高电平digitalWrite(pinRF,HIGH);编写模拟信号，定义马达左后动作为高电平digitalWrite(pinLB,HIGH);编写模拟信号，定义马达左前动作为高电平digitalWrite(pinLF,HIGH);定义延时，即将电机的停止动作保持一段时间，直到开始执行下一程序。delay(f * 100);} 4.4 电机左转模块 将函数定义为left左转函数 void left(int c){ 基于行为设计的移动机器人设计与实现 编写模拟信号，定义马达右后动作为高电平 digitalWrite(pinRB,HIGH);编写模拟信号，定义马达右前动作为高电平 digitalWrite(pinRF,HIGH);编写模拟信号，定义马达左后动作为低电平 digitalWrite(pinLB,LOW);编写模拟信号，定义马达左前动作为高电平 digitalWrite(pinLF,HIGH);定义延时，即将电机的左转动作保持一段时间，直到开始执行下一程序。delay(c * 100);} 4.5 电机右转模块 将函数定义为right右转函数 void right(int b){ 编写模拟信号，定义马达右后动作为低电平 digitalWrite(pinRB,LOW);编写模拟信号，定义马达右前动作为高电平 digitalWrite(pinRF,HIGH);编写模拟信号，定义马达左后动作为高电平 digitalWrite(pinLB,HIGH);编写模拟信号，定义马达左前动作为高电平 digitalWrite(pinLF,HIGH);定义延时，即将电机的右转动作保持一段时间，直到开始执行下一程序。delay(b * 100);} 首都师范大学本科毕业设计论文 4.6 防卡死模块 该模块为防止避障小车卡死的编译，即当小车发生与障碍物距离过近的情况而无法转弯时，该程序会指引小车向后倒退，倒退一定距离后左转前进，若仍有障碍物则继续倒退，若无障碍物则左转后直行。即可防止车在行进途中卡在死巷里。 if(directionn == 2)//假如directionn(方向)= 2(倒车){ back(8);// 倒退(车)turnL(2);//些微向左方移动(防止卡在死巷里)Serial.print(“ Reverse ”);//显示方向(倒退)} 基于行为设计的移动机器人设计与实现 第五章 实验及结果分析 5.1预期目标 总体来说本次试验达到预期目标。 （1）在车前方没有障碍物时，小车沿直线向前走。 （2）在车前方有障碍物时，小车能避开障碍物，避障方法如下：超声波检测到障碍物后，先向左边旋转，检测。如果旋转后前面没有检测障碍物，则沿直线向前走；如果旋转后检测到前方仍有障碍物，则继续旋转，如果前面没有障碍物，则沿直线向前行走； 但是该超声波避障小车还存在着许多的不足，比如说只能对正前方一定角度内进行探测，使用的是一路超声波而不是多路超声波探测，并且为了简化，默认的只是向同一个方向转弯等，这些都是有待进一步发展和提高的。 5.2遇到的问题和解决方法 在此之前我们并没有制作过任何智能的机器人。初定避障小车这个题目时，最初我们采用乐高机器人搭建了一个循迹避障的机器人，由于操作较为简单，后来我们决定尝试采用Arduino芯片，利用超声波传感器搭建出一台智能的避障小车。最初我们对硬件的原理不够明白，不知道采用哪些原件，课程设计指导书上介绍的也并不详细，因此我们利用大量时间去图书馆查阅了许多资料，对其电机驱动、Arduino控制板以及超声波传感器的引脚、电路设计等各方面都做了近一步的了解之后才开始进行小车的搭建。 在选择硬件设施上，我们也花了很大功夫。在最初我们设计了两个驱动方案的选择。一个是采用ULN2003驱动，它是由7组达林顿晶体管阵列和相应的电阻网络以及钳位二极管网络构成,具有同时驱动7组负载的能力，一般用于高速大功率驱动电路。另个一就是采用由双极性管组成的H桥电路（L298N）。用单片机控制晶体管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，则效率非常高；H桥电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制，电子开关的速度很快，稳定性也很高。而且它有更强的驱动能力。此驱动板体积小，重量轻，而且它有一个外加的续流二极管，可以防止电机线圈在断电时的方向电势损坏芯片，同时也也安装有散热 首都师范大学本科毕业设计论文 片能使芯片温度降低，尽量防止他自动断电，让驱动性能更加稳定。板子设有两个电流反馈检测接口、内逻辑取电选择端、4个上拉电阻选择端、2路直流电机接口、控制电机方向指向灯等等。这个板子不仅适用于智能程控小车、轮式机器人等，还可以配合各种控制器使用。因此经过一番对比和考虑，最终我们选择了L298N电机驱动板。在超声波的选择上我们也出现了分期，本设计最终采用的是HC-SR04超声波测距模块。而最初我们选择的事红外传感装置。之所以最终没有选择红外线传感，是因为红外线对使用环境有较高的要求，当遇上浅色或是深色的家居物品它无法反射回来，会造成机器人无法正常避障。而这款HC-SR04则采用仿生超声波技术，类似鲸鱼，蝙蝠采用声波来侦测判断障碍物以及及空间方位，该超声波避障模块包括超声波发射器，接收器和控制电路，灵敏度较高，但技术成本也较高。 在搭建方面，我们完成程序的编译通电之后，小车发生了原地旋转的现象，经过观察，我们发现小车在感应障碍物方面并没有问题。问题出现在左侧轮前转，而右侧轮后转。所以我们将控制右侧车轮的电机的接线进行改接，这个问题便得以解决。 在软硬件调试方面，我们也遇到了一些问题。首先是避障小车的旋转角度不够，也许是因为地面摩擦力的关系，小车的旋转角度并达不到我们所设定的左转九十度。后来我们又将程序进行改进，设置的旋转角度比九十度多一些，小车就可正常避障了。还有一个问题就是小车在遇到障碍物之后的反应速度并不是很快，需要障碍物在前面平行持续1,2秒才可以做出转向的判断，这个延迟反应也经常造成小车和障碍物发生碰撞，这也是我们遇到的最大问题，在这个问题上我们做了很多程序上的调试，但终究达不到很理想的效果，在后续的试验中，我们准备尝试换一个感测避障模块进行尝试改进。 5.3 硬件的调试与整合 5.3.1调试思路 本设计的智能避障小车，难点重点有两大模块。分别是：L298驱动模块和超声波测距模块。我们在调试的时候我们把两大模块分别调试，最后再把所有模块和硬件组合起来再进行最后的整机调试这样一个调试的思路。 5.3.2调试超声波模块 超声波模块一共有四个脚，一个是VCC，一个是GND,还有两个分别是超声波的发射和接收引脚。连接电路时候只需引出四根插线，分别连接到89S52的对应引脚，烧制好 基于行为设计的移动机器人设计与实现 测试程序，测试结果图如5.2.2。本设计四根插线分别连接到VCC,GND，还有发射和接收引脚分别为：P3.0和P3.2。 5.3.3电机调试 在电机驱动板上。有EA，I1，I2，EB，I3，I4六个端子用于控制电机。EA，EB为两路电机的控制使能，通过PWM可以控制电机转速，高电平有效。我们完成程序的编译通电之后，小车发生了不停地旋转的现象，我们观察到小车在感应障碍物方面并没有问题。问题出现在左侧轮前转，而右侧轮后转。所以我们将控制右侧车轮的电机的接线进行修改，这个问题便得以解决。 图5.1电机驱动板的引脚及其功能 5.4 心得体会 通过这次的项目实训，我学习到了很多的电子知识，提高了我对于陌生硬件的学习能力。超声波传感器在此之前我没有接触过，对我来说非常的陌生，从一无所知慢慢查资料到能够熟练应用，让我知道了面对新的硬件应该怎么学习，在以后的工作学习中，我一定会遇到非常多的不熟悉的硬件，我相信，通过不断地锻炼积累，学习能力会进一步提高。这次实训同时还加强了我实践动手能力，特别培养了出现问题、分析问题、解决问题的能力，我相信这些能力的提高对我以后在从事任何工作都将会有极大的帮助。 这次的项目实训让我感触最深的是：作为电子爱好者，电子制作中不管遇到什么问题和困境都要有一颗平静的心和坚持不懈的精神，一颗浮躁的心是不会到达成功的彼岸。这次课程设计，给我更多的是一种模块化的思想，将系统按我们所需的功能和系统所能提供的功能进行模块化的分类，将会使我们的工作变得一目了然，非常清晰。比如说这次我选的避障小车，可以分成超声波测速模块，电机驱动模块，单片机核心模块三个，首都师范大学本科毕业设计论文 三个部分各司其职，无论从硬件上还是软件上，都能够比较清晰地将他们的功能区分开，从而有利于硬件的连接和程序的编写。 从以后工作来看，这种模块化处理问题的方式将会更加的有用，在公司和以后得科研项目中，系统一定是越来越复杂，不可能一个人完成所有的任务，一定是一个团队来做这些系统的设计，所以模块化之后，能够将任务分配给每个人，最后大家还能够很好的综合到一起，大大的缩短了开发周期。这次的毕设实践学习让我受益匪浅。 基于行为设计的移动机器人设计与实现 第六章 设想与展望 随着科技的迅猛发展，智能已经成为了现在的高科技的热词，智能机器人可以解决无数人类无法或者是很难解决的难题。本智能小车系统最诱人的前景就是可用于未来的智能汽车上了，当驾驶员因疏忽或打瞌睡时这样的智能汽车的设计就能体现出它的作用。如果汽车偏离车道或距障碍物小于安全距离时，汽车就会发出警报，提醒驾驶员注意，如果驾驶员没有及时作出反应，汽车就会自动减速或停靠于路边，这样就大大增大了驾车的安全系数，想的再长远一点，这个避障功能可以作为无人驾驶机动的一个基本功能。无人驾驶的机动车行驶在路上，拥有定位和导航的功能后就可以将人或物品送到我们所需要送到的位置。这样智能机器人的应用，就大大的减少了人力和物力，并且方便了更多不会驾驶机动车的市民。 这样的避障小车还可以用于月球探测等的无人探月车，帮助我们传达月球上更多的信息，让我们更加的了解月球，为将来登月做好充分准备。这样的小车在科学考察探测车上也有广阔的应用前景，在科学考察中，有很多危险且人们无法涉足的地方，这时，智能科学考察车就能够派上用场，在它上面装上摄像机，代替人们进行许多无法进行的工作。智能车的应用减少了人们的工作危险系数，解决了恶劣环境下勘探的需求，实现了即是没有人操作应用机器也能很好的完成工作，这项研发可谓是一举多得。 在未来的社会中智能也是大势所趋，而智能车作为智能机器人中一类必不可少的组成部分。最近几年发展更是迅速，各个国家更是投入大量资金。它广泛涉及人工智能、计算机视觉、自动控制、精密仪器、传感和信息等一系列学科的创新研究，其研究成果可广泛应用于工业、农业、医药、军事、航空、信息技术等实际领域，智能机器人的发展水平可反映出一个国家的高科技水平和综合国力，是国家综合国力强大的标志，也是人类文明进步的标志。在我们未来的工作与生活中，会越来越多的需要机器人代替人力来工作和完成一些难度较大或较为费力的任务，对这些实用的机器人的需求也会越来越大。因此，机器人研发的前景是不可估量的。 首都师范大学本科毕业设计论文 参考文献 [1] 袁新娜，与红英编着.超声波传感器在智能小车避障系统中的应用.[A]中北大学(2009)08-0085-04 [2] 邵贝贝.单片机嵌入式应用的在线开发方法[M]．北京．清华大学出社．2004 [3] 王晓明.电动机的单片机控制[M]．北京.北京航空航天大学出版社．2002 [4] 臧杰，阎岩.汽车构造[M].北京.机械工业出版社．2005 哈尔滨工业大学课程设计说明书 [5] 安鹏，马伟．S12单片机模块应用及程序调试[J].电子产品世界.2006．第211期． 162-163 [6] 童诗白，华成英．模拟电子技术基础[M]．北京.高等教育出版社．2000 [7] 沈长生．常用电子元器件使用一读通[M]．北京.人民邮电出版社．2004 [8] 宗光华．机器人的创意设计与实践[M]．北京.北京航空航天大学出社．2004 [9] 张伟等．Protel DXP高级应用[M]．北京.人民邮电出版社．2002 [10] 张文春.汽车理论[M]．北京．机械工业出版社．2005 [11] 江海波，王卓然，耿德根编着.深入浅出AVR单片机.中国电力出版社，2008.31 基于行为设计的移动机器人设计与实现 致谢 历时三个月的毕业设计已经告一段落。在我和我组成员张硕的共同努力下，本避障小车的任务已经基本完成。在这段时间里，非常感谢在遇到困难时我的同学们所给予的支持和鼓励，给我提供专业的意见和建议。还有和我同组的同学张硕，我们共同查阅资料，克服许多在选择小车部件、小车搭建和编程上的种种困难。也正是这次毕业设计使我深刻地认识到学好专业知识的重要性，也理解了理论联系实际的含义，并且检验了大学四年的学习成果。我更明白了团队合作的重要性。两个人不仅有两个大脑和更多的主意和知识，最重要的事能够在遇到困难时可以相互鼓励学习，互相分担。也正是这种团结合作的精神促使了我们这次毕设任务的圆满成功。 这三个月的设计是对过去所学知识的系统提高和扩充的过程，为今后的发展打下了良好的基础。也非常感谢指导老师徐老师的支持和指导，每次我给徐老师发邮件她都会认真的给我批改，指出我的不足。也正是因为在老师的指导下我的论文进行不断的改正，才有机会变得越来越好。 由于自身水平有限，设计中一定存在很多不足之处。虽然这次的毕业设计对于知识的运用和衔接还不够熟练，但是我将在以后的工作和学习中继续努力、不断完善。敬请各位老师批评指正。 首都师范大学本科毕业设计论文 附录 超声波智能避障车程序（ARDUINO） L = 左 R = 右 F = 前 B = 后 */ #include int pinRB=10;// 定义10脚位右后 int pinRF=11;// 定义11脚位右前 int inputPin = A0;// 定义超音波信号接收脚位 int outputPin =A1;// 定义超音波信号发射脚位 int Fspeedd = 0;// 前速 int Rspeedd = 0;// 右速 int Lspeedd = 0;// 左速 int directionn = 0;// 前=8 后=2 左=4 右=6 Servo myservo;// 设 myservo int delay_time = 250;// 伺服马达转向后的稳定时间 int Fgo = 8;// 前进 int Rgo = 6;// 右转 int Lgo = 4;// 左转 int Bgo = 2;// 倒车 基于行为设计的移动机器人设计与实现 void setup(){ Serial.begin(9600);// 定义马达输出脚位 pinMode(pinLB,OUTPUT);// 脚位 8(PWM)pinMode(pinLF,OUTPUT);// 脚位 9(PWM)pinMode(pinRB,OUTPUT);// 脚位 10(PWM)pinMode(pinRF,OUTPUT);// 脚位 11(PWM) pinMode(inputPin, INPUT);// 定义超音波输入脚位 pinMode(outputPin, OUTPUT);// 定义超音波输出脚位 myservo.attach(5);// 定义伺服马达输出第5脚位(PWM)} void advance(int a)// 前进 { digitalWrite(pinRB,LOW);// 使马达（右后）动作 digitalWrite(pinRF,HIGH);digitalWrite(pinLB,LOW);// 使马达（左后）动作 digitalWrite(pinLF,HIGH);delay(a * 100);}（电机前进函数） void right(int b)//右转(单轮){ digitalWrite(pinRB,LOW);//使马达（右后）动作右后方的引脚的低电频 digitalWrite(pinRF,HIGH);右前引脚高电频 digitalWrite(pinLB,HIGH);digitalWrite(pinLF,HIGH);delay(b * 100);} 首都师范大学本科毕业设计论文 void left(int c)//左转(单轮){ digitalWrite(pinRB,HIGH);digitalWrite(pinRF,HIGH);digitalWrite(pinLB,LOW);//使马达（左后）动作 digitalWrite(pinLF,HIGH);delay(c * 100);}（high高频是向前 low低频向后）void turnR(int d)//右转(双轮){ digitalWrite(pinRB,LOW);//使马达（右后）动作 digitalWrite(pinRF,HIGH);digitalWrite(pinLB,HIGH);digitalWrite(pinLF,LOW);//使马达（左前）动作 delay(d * 100);} void turnL(int e)//左转(双轮){ digitalWrite(pinRB,HIGH);digitalWrite(pinRF,LOW);//使马达（右前）动作 digitalWrite(pinLB,LOW);//使马达（左后）动作 digitalWrite(pinLF,HIGH);delay(e * 100);} void stopp(int f)//停止 { digitalWrite(pinRB,HIGH);digitalWrite(pinRF,HIGH);digitalWrite(pinLB,HIGH);digitalWrite(pinLF,HIGH); 基于行为设计的移动机器人设计与实现 delay(f * 100);} void back(int g)//后退 { digitalWrite(pinRB,HIGH);//使马达（右后）动作 digitalWrite(pinRF,LOW);digitalWrite(pinLB,HIGH);//使马达（左后）动作 digitalWrite(pinLF,LOW);delay(g * 100);} void detection()//测量3个角度(0.90.179){ intdelay_time = 250;// 伺服马达转向后的稳定时间 ask_pin_F();// 读取前方距离 if(Fspeedd< 10)// 假如前方距离小于10公分 { stopp(1);// 清除输出资料 back(2);// 后退 0.2秒 } if(Fspeedd< 25)// 假如前方距离小于25公分 { stopp(1);// 清除输出资料 ask_pin_L();// 读取左方距离 delay(delay_time);// 等待伺服马达稳定 ask_pin_R();// 读取右方距离 delay(delay_time);// 等待伺服马达稳定 首都师范大学本科毕业设计论文 if(Lspeedd>Rspeedd)//假如左边距离大于右边距离 { directionn = Rgo;//向右走 } if(Lspeedd<= Rspeedd)//假如左边距离小于或等于右边距离 { directionn = Lgo;//向左走 } if(Lspeedd< 10 &&Rspeedd< 10)//假如左边距离和右边距离皆小于10公分 { directionn = Bgo;//向后走 } } else //加如前方不小于(大于)25公分 { directionn = Fgo;//向前走 } } void ask_pin_F()// 量出前方距离 { myservo.write(90);digitalWrite(outputPin, LOW);// 让超声波发射低电压2μs delayMicroseconds(2);digitalWrite(outputPin, HIGH);// 让超声波发射高电压10μs，这里至少是10μs delayMicroseconds(10);digitalWrite(outputPin, LOW);// 维持超声波发射低电压 基于行为设计的移动机器人设计与实现 float Fdistance = pulseIn(inputPin, HIGH);// 读差相差时间 Fdistance= Fdistance/5.8/10;// 将时间转为距离距离（单位：公分）Serial.print(“F distance:”);//输出距离（单位：公分）Serial.println(Fdistance);//显示距离 Fspeedd = Fdistance;// 将距离读入Fspeedd(前速)} void ask_pin_L()// 量出左边距离 { myservo.write(5);delay(delay_time);digitalWrite(outputPin, LOW);// 让超声波发射低电压2μs delayMicroseconds(2);digitalWrite(outputPin, HIGH);// 让超声波发射高电压10μs，这里至少是10μs delayMicroseconds(10);digitalWrite(outputPin, LOW);// 维持超声波发射低电压 float Ldistance = pulseIn(inputPin, HIGH);// 读差相差时间 Ldistance= Ldistance/5.8/10;// 将时间转为距离距离（单位：公分）Serial.print(“L distance:”);//输出距离（单位：公分）Serial.println(Ldistance);//显示距离 Lspeedd = Ldistance;// 将距离读入Lspeedd(左速)} void ask_pin_R()// 量出右边距离 { myservo.write(177);delay(delay_time);digitalWrite(outputPin, LOW);// 让超声波发射低电压2μs delayMicroseconds(2);digitalWrite(outputPin, HIGH);// 让超声波发射高电压10μs，这里至少是10μs delayMicroseconds(10);digitalWrite(outputPin, LOW);// 维持超声波发射低电压 首都师范大学本科毕业设计论文 float Rdistance = pulseIn(inputPin, HIGH);// 读差相差时间 Rdistance= Rdistance/5.8/10;// 将时间转为距离距离（单位：公分）Serial.print(“R distance:”);//输出距离（单位：公分）Serial.println(Rdistance);//显示距离 Rspeedd = Rdistance;// 将距离读入Rspeedd(右速)} void loop(){ myservo.write(90);//让伺服马达回归预备位置准备下一次的测量 detection();//测量角度并且判断要往哪一方向移动 if(、n == 2)//假如directionn(方向)= 2(倒车){ back(8);// 倒退(车)turnL(2);//些微向左方移动(防止卡在死巷里)Serial.print(“ Reverse ”);//显示方向(倒退)} if(directionn == 6)//假如directionn(方向)= 6(右转){ back(1);turnR(6);// 右转 Serial.print(“ Right ”);//显示方向(左转)} if(directionn == 4)//假如directionn(方向)= 4(左转){ back(1);turnL(6);// 左转 Serial.print(“ Left ”);//显示方向(右转)} 基于行为设计的移动机器人设计与实现 if(directionn == 8)//假如directionn(方向)= 8(前进){ advance(1);// 正常前进 Serial.print(“ Advance ”);//显示方向(前进)Serial.print(“ ”);} 首都师范大学本科毕业设计论文 智能避障小车试验报告与 总结 专业班级：12自动化-3 姓 名：李昆伦 学 号：1216306058 随着科学技术的发展，机器人的感觉传感器种类越来越多，其中视觉传感器成为自动行走和驾驶的重要部件。视觉的典型应用领域为自主式智能导航系统，对于视觉的各种技术而言图像处理技术已相当发达，而基于图像的理解技术还很落后，机器视觉需要通过大量的运算也只能识别一些结构化环境简单的目标。视觉传感器的核心器件是摄像管或CCD，目前的CCD已能做到自动聚焦。但CCD传感器的价格、体积和使用方式上并不占优势，因此在不要求清晰图像只需要粗略感觉的系统中考虑使用接近觉传感器是一种实用有效的方法。 STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路速10位A/D转换(250K/S),针对电机控制，强干扰场合。我们采用的就是STC12C5A60S2这种单片机。 避障系统可以采用反射式光电开关或者超声波传感器对前方的障碍物进行检测，前者结构简单，应用方便灵活，但不能获知障碍物与小车间的具体距离；后者结构复杂，但可以测得障碍物与小车间的直线距离。本系统采用反射式光电开关E3F-DS10C4来检测障碍物。E3F-DS10C4是漫反射式光电开关，NPN三线输出方式，三线分别为电源线、输出线、地线。它的灵敏度也可以调节，检测距离比较远，可以达到20cm。 红外发射管，发射50hz调制的38k信号。当遇到障碍物时，发生漫反射，红外接收头接收到这一信号时，输出端输出50hz的信号。判断这一信号，即可判断，遇到了障碍物。 避障传感器基本原理，利用物体的反射性质。在一定范围内，如果没有障碍物，发射出去红外线，因为传播距离越远而逐渐减弱，最后消失，或者反射回来的光很弱时，输出端呈低电平光电开关的检测不受外界干扰。如果有障碍物，红外线遇到障碍物，被反射到达传感器接收头，则输出端呈高电平。传感器检测到这一信号，就可以确认正前方有障碍物，并送给单片机，单片机进行一系列的处理分析，协调小车两轮工作。红外避障基本原理大致就是如此。 利用红外传感器进行“前进-倒退-转向”避障，在车的头部安装光电开关小车采用左右轮分别驱动小车进入障碍区后，在距离障碍物10cm到20cm的地方就可以检测到前面有障碍物（改变光电开关的灵敏度可改变最远检测距离），然后小车刹车停止，并调整角度，车头右偏一个角度，其方法是小车在前进制动过程中，先制动右轮，这样左轮转动快，使小车右转，并制动停止，随后小车加速后退，然后制动，在制动过程中，先制动右轮，左边快而使车头左偏，小车再前进，检测前方是否有障碍物。如此循环，就可以绕开障碍物。前进停止和后退停止之间的距离约为30cm，只要小车前进时刹车行程小于传感器检测到障碍物的最大距离，就可以肯定小车车头碰不到障碍物。调整适当的刹车行程和传感器的灵敏度，便可实现这个条件。单片机电路： 电机驱动电路： 电源电路： 红外传感电路: 之后附上小车实物照片： 采用二轮驱动，后面一个万向轮方便转向，减少阻力。电源采用3.7v锂电池供电。 至于程序输入，如图电源指示灯旁边有个插口，可以连接数据线，安装的驱动是PL2303Vista_Installer，烧写软件我采用的是stc-isp-15xx-v6.67D，至于程序则是在同学们的帮助下参考网上的改编的。程序有如下： #include“STC12C5A60S2.h” #include void delay(unsigned int n){ unsigned char i, j,k;for(k=0;k<=n;k++){ _nop_();_nop_();i = 20;j = 10;do { while(--j);} while(--i);} } void beep(void){ unsigned char i;for(i=0;i<3;i++){ BUZZ=~BUZZ;delay(10);} BUZZ=1;} void gogogo(void){ IN1=1;IN2=0;IN3=1;IN4=0;} void backbackback(void){ IN1=0;IN2=1;IN3=0;IN4=1;} void stop(void){ IN1=0;IN2=0;IN3=0;IN4=0;} void turnleft(void){ IN1=0;IN2=1;IN3=1;IN4=0;} void turnright(void){ IN1=1;IN2=0;IN3=0;IN4=1;} void main(void){ while(1){ if(bleft==0&&bright==1){ turnright();delay(3);stop();delay(3);} if(bleft==1&&bright==0){ turnleft();delay(3);stop();delay(3);} if(bleft==0&&bright==0){ gogogo();delay(3);stop();delay(3);} if(bleft==1&&bright==1){ turnright();delay(3);stop();delay(3);} } } 在焊接过程中，也出线了很多错误，再严重的一次是单片机底座引脚有一个没有焊好，然后用万用表连接了多次才发现，然后用一根小铁丝从下面穿上去再用锡焊牢固。特别要注意的是色环电阻的识别计算方法，在这就不详细介绍了。最难的莫过于程序的调试和小车的机械方面布局几轮驱动一类的问题。总之，通过这次动手制作小车，我从中也学到了很多平时不知道的东西。以后有机会，会继续加强这方面的动手学习能力。 基于曲率速度的局部避障方法(草稿) 作者：Reid Simmons 翻译：Luo Qijun 本文提出了一种新的室内移动机器人的局部避障方法，它将避障问题描述为速度空间的约束优化问题。将速度和加速度的物理限制和障碍物分布的环境约束置于机器人的线速度和角速度上，机器人选择满足所有约束，并使得目标函数最大化的速度指令，目标函数折中考虑速度、安全性和目标方向。这种方法的高效实时的应用，已经经过广泛测试，表明其在办公室环境下可以可靠、平滑而快速的导航。这种避障方法可以作为更复杂导航行为的基础，从简单的漫游到基于地图的导航都可以使用。 1，引言 局部避障算法针对 未知的 或 部分已知的环境。 （1）机器人应该能够安全的导航，即使面临感知器的噪声 和 航迹的错误 （2）机器人应该在试图避障的同时趋向目标； （3）算法必须高效的运算，以至于实时运行于机器人主机 另外，有一些其他算法没有考虑在内的内容： （1）机器人的动态性应该纳入计算，使之能够以高速运动于拥挤的环境中（2）算法应该明确的尽量最大化机器人的前进进程（3）算法应该同时控制机器人的方向和速度 我们的方法，CVM算法，针对上述的内容。该算法的主要特点是它在机器人的速度空间操作，而不是Cartesian或者配置空间，它通过最大化目标函数来选择命令，用于综合考虑车体安全性、速度和目标导向性。这种方法认为机器人能够控制线速度和角速度，但是不能瞬间转向。也就是说，它只能沿着圆弧走。满足这种方式的机器人包括差动机器人，差速驱动机器人，和多种 非完整车辆。然而 我们的论述忽略了加速度的影响，实际上，对于以步行速度运行的室内机器人来说，这是一个好的近似。 曲率速度算法通过在速度空间添加约束，并在此空间中选择满足所有约束并且最大化目标函数的点进行工作的。约束条件来源于机器人速度和加速度的物理限制，和表示障碍物分布的传感器数据。后者（对于每个可能的曲率），用于表示机器人在撞上障碍物之前能运行多远。 为了达到实时性能，到障碍物的曲线距离用一个分段函数来近似描述。这种近似将速度空间划分为多个离散的区间，每个区间考虑一个确定的距离。该算法在各个区间中找到一个点，使目标函数最大化。这个全面最大化的点用于操作机器人。几个简单的扩展使该基本算法对于传感器噪声更具鲁棒性，并减小了机器人陷入困境的可能性。在我们室内机器人上的测试证明：它能在有人办公室环境内快速、平滑和安全行驶。相关工作 一些著名的局部避障通过计算机机器人将要朝向的方向进行的，但是没有将车体的动态特性计算在内。例如：势场趋近法使用排斥和吸引特性的向量和来计算期望的机器人朝向。速度控制 通过按势向量大小比例选择速度来确定。在该算法基础上改进得到的向量场直方图方法，通过计算一个一维极性直方图进行的，处理该直方图以检测开放区域以便机器人行进。在方向被选择后，再根据到障碍物的距离按比例选择机器人速度。虽然该方法可以产生平滑的轨迹并能同时处理窄、宽的开放处。就像势场趋近法，它没有把下列情况计算在内：当机器人转向时沿着圆弧移动，而不是沿着直线。在混乱复杂的环境中，它忽略了车辆的动态特性，而这时很关键的。 那些引入车辆动态特性和非完整约束计算的方法已经在线下路径规划中作了研究[]，对于快速的局部避障来说，这些方法通常计算代价太高。 然而，最近报告了一些局部避障方法，通过选择一些驾驶命令而不是行驶方向来引入车辆的动力学特性。驾驶角度场算法，跟我们的算法类似，使用到障碍物的曲率正切 来约束一个连续的空间（在那个情况下的驾驶角度一维空间）。曲率和连接弧的距离，在驾驶角度范围内用于阻止行驶。该算法计算几个距离阈值的约束，并试图行驶到最自由的空间。速度控制是一个在驾驶者模块和局部避障模块间的迭代“商议、谈判”过程，与此相反，在我们的算法中，速度和转向弧度通过仿真选择，速度空间的点使得目标函数最大化。针对室内高速导航，有一个类似的基于速度空间操作的算法，就有人作了更早但是独立的研究。该算法针对受车辆动力学约束的弧线的离散集合，并选择其中一个最接近目标方向，保证机器人不会在几秒行驶范围内不会撞上障碍物。初始方法采用两步趋近法来选择曲率和速度；后来，他们研究出了一步选择曲率和速度的算法[6]。针对室外导航，也有一种类似的的方法[7]。考虑了所有的车体动力学，所以路径不必是一个圆弧，为每条路径计算一个可行度量，并选择其中一个最好的结果。但是这些方法的问题在于：仅仅通过分析弧线的离散集合，好的路径可能淹没在碰撞中，并且不被考虑到。曲率速度法 我们描述局部避障问题为一个在机器人的速度空间内的约束优化问题。机器人的速度空间就是可控制速度的稽核。对于差速驱动机器人来说，就像我们的机器人，速度空间包括线速度和角速度的正交空间。通过约束优化，我们试图使机器人选择某个（tv, rv）对，使得目标函数最大化，同时在允许的速度情况下满足所有的约束。 用这种公式描述局部避障问题有几个优点：首先，通过在速度空间内的计算，我们能够同时控制机器人的速度和朝向，并得到一个直接产生命令用于控制机器人的解决方法。通过将此问题作为一个约束优化问题，我们能够很简单地合并来自于环境和机器人动力学的约束条件，并能够得到使速度和安全折中的描述（公式）（规则）。 首先，我们假设机器人总是沿着圆弧线行驶，该弧线曲率由c = rv/tv得到，正的曲率表示顺时针的移动。所以，速度空间中的每个点，对应于笛卡尔空间中的约束曲率的运动。然而，这实际上是一种近似，如果考虑加速度的影响因素的话，如果在绝大所属室内移动机器人的相对较低速度和高加速度的情况下这些影响都被忽略。[6] 机器人的物理限制包括两种类型的速度空间约束。一个是机器人有最大角速度和线速度：tv<=tv(max), tv>=-tv(max), rv<=rv(max), rv>=-rv(max).在我们的方案中，我们又加入了一个约束条件：tv〉=0，以此防止机器人的后退运动。角加速度和线加速度的限制，ra（max）和ta(max)构成了另外一些约束。给定机器人当前速度 rv(cur)和tv（cur），和时间间隔T(accel)(基于CVM算法周期来选择)，我们再加入3个约束条件，这些条件给出了在下一时刻可达的速度： 考虑到安全原因，tv的明显的其他约束没有加入。我们试图保证tv=0是速度空间中可以达到的部分。另外一个重要的约束源是由环境障碍物构成的。我们可以按照如下方式将笛卡儿空间障碍物转换为速度空间的约束：首先，转化障碍物到配置空间，并且对所有曲率c,计算机器人在碰到障碍物obs可能行驶的距离dc(c,obs).然后定义每个障碍物在速度空间的距离函数： 给定障碍物集合OBS, 累积距离函数定义为： 最后，由于传感器探测距离的限制（为了避免无限值的计算），我们修剪了函数D，利用某个限制距离L（3m, 在我们的实现中） 通常，计算障碍距离函数dc(c,obs)将会非常复杂，由于任意形状的障碍物。为了解决此，我们将障碍物近似为圆形。这是一个有根据的接近，在给定传感器输入-声纳和激光测距仪的情况下。由于我们的机器人也是圆形，笛卡空间到配置空间的转化仅仅通过机器人的半径增加障碍物的半径。现在，计算dc是直接进行的。由于在原始位置的机器人面向y轴正半轴，给定曲率c在（xj,yj）与障碍物相交，我们可以得到： 给定这些物理的和环境的速度空间的约束，通过优化目标函数来选择机器人的命令。从第1节的要求中，可以清楚的发现目标函数会偏好更高的速度，在碰到障碍物前可以行驶更远距离的曲率，并且试图使机器人面向期望的目标方向。我们利用一个简单的线性目标函数来描述这些准则，其中，每项都要在0和1间进行归一化： 速度项简单地表明了对更快速运行的偏好，而其他的则一般。距离项表明沿着给定曲率rv/tv无碰撞运行更远的距离。朝向项是与目标朝向的偏差，它对期望的目标朝向的速度转动时间Tc后将要达到的朝向之间的区别作了解释。 值表示每一项在目标函数中的相关权重。利用目标函数机器人可以展示不同的行为，这依赖于权重和障碍物分布，从为了避障急转弯的减速到除了为了躲避同一障碍物而进行提前转向外的全速行驶。第6节展示了关于选择权重值对算法敏感性的试验结果。 (在机器人局部坐标内)和机器人如果以rv 实时实现 在前述章节中描述的曲率速度法，满足局部避障的所有准则，除了他不是计算高效的外。计算Dlimit 是很困难的，即使在圆形障碍物的简化假设条件下。另外，给定Dlimit的一个通用描述，函数f寻优也是耗时的，即使使用如模拟退伙的近似技术。在这一节里，我们描述了实现细节以解决计算的相关问题。 利用一个区间的有限集合的近似Dlimit可以达到实时性能，这种区间是等距划分的。这种曲率区间集合，通过使用障碍物的切线曲率，将速度空间划分为常量距离的区间，进而划分那些重叠区域，以使 与区间对应的距离是所有重叠区域中的最小距离。最小和最大速度、加速度约束加入到这个空间，并且，对于每个曲率区间，求出在约束上限的最高点（因为使目标函数最大化的点必在上限边界处）。机器人在所有曲率区间中选择使目标函数最大化的命令。 我们通过速度距离函数dv来计算Dlimit。需要注意的是 对于一个给定的障碍物obs，dc(c, obs)在障碍物曲率切线区外是无限大的。所以，我们仅仅需要考虑Cmin和Cmax之间的那些曲率： 交点（用于计算dc）是: 注意：公式6没有定义 障碍物圆覆盖的区域 。因为，在实际中，障碍物和机器人是不可能占据同一位置的，这仅仅会在传感器噪声或者确定障碍时的圆形近似的情况下产生。另外一种方式，我们通过定义半径robs为 （这里e设置为1厘米）来处理这样一个障碍物。那么我们就可以使用公式6来计算所有障碍物的最小最大曲率。 给定切线曲率，第一个近似（接下来将被精确计算）是将dv置为最大至最小曲率间的常量： 每个确定的距离将产生一个障碍物区间的集合。为了计算Dlimit的精确确定近似值，我们通过分裂重叠障碍物区间和用更大的联合距离去除重叠片找到了障碍物区间的最小合并。针对此的一个有效算法使用了一种曲率区间数据结构( 最小合并算法从曲率区间个新的曲率区间： 开始，对于每个障碍物，用一对切线曲率与其关联距离算法组成一，根据该区间与已存在区间的关系，修改该区间 将切线曲率间的距离函数近似为常量，不是很合适的，因为dv实际上是完全非线性的。在某些情况下，这种近似太过保守，特别是在两个切线曲率的距离值是非常不同的。更重要的是，这种近似常常太过自由主义，实际最小值可能比每个切线曲率距离都要小。 为了修正这些问题，我们精炼dv的近似为一个分段常量。思想为：将区间 分裂为多个区间，对每个区间计算出一个常量距离值，然后使用上述描述的最小合并算法来近似全部的Dlimit函数。我们的方法是要选择障碍物圆上离原点直线距离最近的一个点，并从该点开始把障碍物划分为四个象限。为最小和最大切线曲率的邻近点，定义曲率区间，每个区间的距离值设为两个端点曲率的最小值。 为了使目标函数最大化，我们注意到：每个曲率区间提供了速度空间的一对线性不等式。在上述章节中描述的速度和加速度约束也是一些线性不等式。因此，我们有了一个线性不等式稽核和一个线性目标函数---一种通常容易求解的形式。然而，在我们的问题里，有一个附加问题的附加结构，它会使的计算更加简化：因为曲率线对间的距离值是常量，目标函数对于tv是单调递增的，对于每个曲率区间的函数优化值，存在于约束线的边界上。这导向了一个非常高效的算法：对于每个曲率区间，在每个关联约束的上边界的顶点计算目标函数，并在所有曲率区间中选择全局最优值（利用一个小的扩张：我们也需要在朝向误差dthata是零，时，计算目标函数）扩展 在前述两节中描述的曲率速度法，有一些实际问题。首先，由于传感器噪声，障碍物可能不是很精确，他们可能在内部显现。因此，我们可能要让机器人与障碍物保持接近，并使之减速，如果不能在他们旁边行驶的话。第二，虽然目标函数通常能够很好的获得趋向目标方向并且躲避障碍物行为，有两种情况不能很好的工作：当所有的选择都一样糟糕时，表示机器人被挂住，和当机器人离目标方向很远时。在这一节内容里，我们描述基本曲率速度算法的简单的扩充，以解决上述每个问题。一个简单的扩充，帮助补偿传感器噪声，它使用一个安全区来生长障碍物。我们使用一个相对小的安全区（5cm）,因为安全区的大小与机器人可通过开放区间宽窄成反比例的。安全区太大，机器人通过房间门和在拥挤的走廊里经过人群会有困难。 另外一个扩充，文献3，6提出，帮助机器人保持远离障碍物（或者，至少，使它更小心，当从障碍物边行驶时），它添加了一个最大的可允许的线速度，该速度与到障碍物距离成比例。特别是，对于每个曲率区间,我们约束最大线速度tv<=d/Timp, 以致机器人能够行使至少Timp秒，在碰到障碍物前。 对于一些曲率区间，距离d 比极点 ,中的一个或两个都大，表示机器人将擦边障碍物经过，如果它沿着此极点曲率行驶的话。（例如，d1, 我们通过首先计算远离障碍物S的曲率，它在距离d正切于曲率c，来确定这个约束: 然后，我们添加约束，线速度减低到由点（）组成的直线下。 这就确保机器人将不会全速行驶，除非它保留与障碍物至少距离S经过。一个类似的约束，使用公式9中的r+S，针对曲率区间的下界被加入。 有时候，使目标函数最优的值使其机器人行驶很慢，或者完全不动。这常常发生，例如，当机器人在三面被障碍物包围而它的目标朝向就在正前方，就在障碍物区域。为了处理这一情况，我们采用了原地转身算法，机器人原定不动并且作旋转直到最好的角速度命令为零。这将允许机器人终于看到前方开放的区间并且向前移动，足够使其移动到距离陷阱外。 最后一个扩充，目标函数权重参数的选择，是必要的。选择的权重工作良好，当机器人面向目标方向很近时（在正负60度以内），但是当它面向相反方向时却效果很差。在这种情况下，我们要强烈鼓励机器人开始转动，从而面向目标方向。我们通过增加朝向项的权重来实现，该权重正比于机器人离目标方向的大小。 特别是，我们用 代替目标函数中的。下一节，讨论各参数值对算法的灵敏性。试验结果 CVM算法已经在在Xavier移动机器人上实现和测试。Xavier是一个四轮同步驱动底盘的机器人，由RWI制造，可以独立控制其线速度和角速度。他使用一圈24个声纳传感器（1-2Hz）和一个30度激光测距仪（5-10Hz）。声纳和激光数据组合起来并采用一个简单的20cm精度histogram grid 文献[2]。 底盘得到8 Hz的航迹推算信息，cvm算法也以此速度运行。但接受到一个新的数据报时，每一个被占的格子单元被转化为自身局部坐标并处理产生曲率约束。一般有15-30个障碍物，产后10-15个不同的曲率区间（由于曲率区间重叠，区间数小于障碍物数）。相应的速度约束被添加进去，最优的（tv，rv）发给底盘计算机。算法（包括感知数据处理）运行于在66MHz主频的486计算机上，大概耗时12毫秒。 CVM依赖一些参数，特别是目标函数中的。为了确定这些参数对算法的灵敏度，我们在仿真环境下做一个一系列测试。环境被设置为测试算法的逃离局部最优和避障趋向目标的能力。每次开始机器人在一个点和给定方向，并向前直线运行，当机器人越过虚线时结束。 改变参数完成了一些列路径。基于完成路径的平均时间，我们总结出算法对于目标朝向权重参数 a3的相对值比较敏感，而对a1, a2的相对值不敏感。如果a3置为0，a3/(a1+a2)的值大于15%的话，算法进展缓慢（机器人常陷入局部陷阱）。在此范围内，每个路径中的标准差比 其值和最优设置的值的差 一般较大，但是在a1>a2时平均稍大。 改变a4执行类似的路径，额外的权值鼓励机器人在远离前进运行。结果显示CVM是相对不敏感的，对于a4>0但小于3（此时，机器人又容易陷入局部）。最优好的设置是a1=0.6, a2 = 0.3, a3 =0.1 a4=1.0(平均完成时间67.5s, 标准10.2s), 该设置用于图8的显示结果。 图9为Xavier的不同运行轨迹。为更好的强调差别，图中，障碍物（2个盒子，一个圆的垃圾罐，一个消防门）用机器人半径进行了生长，而机器人为一个点。在每种情况下，机器人从图上方开始，面向底部，且要求其转90度面向左侧。每种情况下，机器人必须环绕围墙并导航绕过三个离散的障碍物。我们在30，45，60cm/s的速度行驶对CVM算法与60cm/s运行的势场法进行了对比。结果显示，CVM较势场法产生更为显著的平滑轨迹。另外，在更高速度下，机器人保持离障碍物更远，而且路径较为平滑。这主要归结与 “靠近障碍物”约束在高速情况更加重要，这使机器人较早对目标做出响应。 局部避障算法供几个更高级别的行为使用。“漫游”通过设置机器人局部目标朝向为0，这偏向是机器人持续沿着当前方向行驶。“朝向方向”行为通过设置为当前机器人朝向和目标方向的差值来实现。最后，为机器人朝向到局部目标点的角“朝向目标”行为通过变换全局目标位置到机器人坐标框架，并且设置度 来实现。对于最后那个行为，我们需要一个附加的扩充：如果目标点在曲率区间内，其相关距离较到目标点的直线距离小，那么目标朝向项的权重被设置为很高以强烈鼓励机器人瞄向目标行驶。 这些行为，逐个构成基于地图导航规划的基础[文献10，11]。最后系统展示出在人类办公室、走廊环境下的可靠、快速导航。讨论 我们描述了针对局部避障的曲率速度算法，它将此问题视为机器人速度空间的约束优化问题。这种描述的优点包括 同时控制速度和机器人朝向的能力，合成环境和机器人动力学、以及处理速度、安全和目标朝向的平衡能力约束的简化。 CVM实现了实时性能，通过近似化机器人在碰到障碍物前能够行驶多远的弧线距离来实现。近似处理是一个分段常量函数，由到障碍物切线曲率来定义。附加的速度约束被加入，在机器人物理限制和保持远离障碍物的期望的基础上，或者至少慢速行驶当接近障碍物时。 该方法已经被实现，并且在Xavier上进行了测试，Xavier是一个差速驱动机器人（它可以使用差分驱动车，并且是沿圆弧行驶的非完整约束车辆。）实现是高校的，并能使机器人在人员办公室环境下达到60CM/s的速度行驶。速度限制的原因，在于声纳传感器的速率（激光视场范围限制阻碍它成为障碍物检测的主要传感器）。通过提高传感器的检测周期，我们希望达到一米每秒（travel）。 基于该算法的下一步工作包括：找到更好的距离函数的近似方法，尝试更精炼的目标函数。我们也要致力于扩展以曲率为基础的速度空间算法来进行多步导航规划问题。 本文展示了通过考虑测量动力学，和使平衡速度、安全和目标趋向的目标函数最大化，我们可以创造一种高效的、实时的局部避障算法，用于在布满障碍物的环境中产生安全、平滑、快速的轨迹。 WiFi小车技术报告 学校：北华航天工业学院 队伍名称：DIB团队 参赛队员：周广成 夏宏伟 吴忠得 任志伟 李磊 尹强 任迎春 张嘉慧 中文摘要 Wifi智能小车由电机、小车车身、STC12C5A60S2单片机、驱动板、无线路由器、驱动电机、电源、摄像头等主要部件以及灯光、电平转换等辅助模块构成。Wifi智能小车利用笔记本连接无线路由器的终极智能设备连接到路由器，通过应用软件显示显示器上摄像头上采集到的视频信号，再通过这些智能的终端设备发送控制指令到无线路由器，通过无线路由器将指令传送给单片机进行处理。然后通过单片机控制驱动电机驱动电机转动、舵机转动，从而实现控制小车的运动及视频采集。本文详细介绍了wifi 智能小车的原理，组件及其功能。该小车以STC12C5A60S2单片机为控制核心主要利用WiFi实现对车模的速度方向以及摄像头角度的调整。经过大量测试，实验结果表明，该方案运行稳定。 关键词：WiFi、路由器、视频传输、STC12C5A60S2单片机、英文摘要 Wi-fi smart car driven by a motor, car body, STC12C5A60S2 microcontroller, plate, wireless router, drive motor, power supply, cameras, main components and lighting, level conversion and other auxiliary modules.Wi-fi smart car use notebook ultimate intelligent device connected to the wireless router to connect to the router, by applying the software display monitor camera, video signals were collected by these intelligent terminal equipment send control instructions to a wireless router, transmitting instructions over a wireless router to the single chip microcomputer for processing.Then by single chip microcomputer control drive motor drive motor rotate, steering gear, thus controlling the movement of the car and video collection.This paper introduced the principle of wi-fi smart car components and their functions.The car to STC12C5A60S2 microcontroller as the control core is mainly using WiFi speed direction of models and camera Angle adjustment.Through a large number of tests, the experimental results show that the proposed scheme runs stably.Keywords: WiFi, routers, video transmission, STC12C5A60S2 MCU，第一章 论述 现在是一个智能化的时代，各种智能化设备正在逐步替代人为的操作。随着汽车工业的迅速发展，关于智能汽车的研究也越来越受人关注。设计的智能小车能够实现自动寻迹、避障功能、可控制行驶速度、电脑手机wifi连接控制行驶及其他的控制方式。本系统能实现对小车的运动状态进行实时控制。系统控制灵活、可靠、精度高，可满足对系统的各项要求。通过对本小车的研究，我们可以初步构建智能汽车的模型与理论基础。所谓的wifi智能小车就是可以通过WIFI网络控制的视频传输可移动甚至可以安装其他机械手各类传感器实现数据互动的小车，对于那些不安全的以及人无法进入的场所进行无线监测，wifi小车监控是一个很好的解决方案，能够很好的进行监控控制。现在无线wifi功能的设备随处可见，本设计利用现有的网络资源搭建一台wifi视频监控小车，即利用带有wifi的设备进行控制小车，实现无线监控。 第二章 方案的设计 2.1 总体设计方案 Wifi智能小车需要由wifi模板、电机驱动模板、核心控制模板、摄像头模板等构成。组件： 驱动板：所用驱动板型号为L293；电机驱动电压5-36伏特；逻辑控制电压3-7伏特；负载电流：1A；独立驱动直流电机：两只；可驱动步进电机（4线制）：1只；电路板尺寸：51.8MM*54.3MM。 2.1.1 整体系统 如图2-1所示。 图2-1 系统结构框 项目系统包括路由器、单片机最小系统、电机驱动电路、电机、电平转换电路、电源电路、舵机、摄像头等。 路由器用于接受电脑等终端设备发送的指令和将摄像头采集到的视频信号传送到电脑等终端设备；单片机最小系统是整个小车的控制核心，控制着各个模板统一协调工作；电机驱动电路用于驱动电机转动，可以使电机产生正传、反转，从而使车体产生前进、后退、转弯等动作；电机的作用就是使整个车体转动；电源电路作用是为整个小车系统供电；舵机制作成云台，然后装上摄像头，使摄像头实现上下、水平方向180度旋转调节；摄像头用于采集视频信号。 2.1.2 整机工作原理 由电脑终端，通过wifi无线网络连接到路由器，再通过电脑应用软件，向路由器发送控制命令及数据。路由器接受到数据后通过内部的串口发送软件，将接收到的命令和数据，通过路由器串口发送到STC12C5A60S2单片机的串口端，单片机接受到的这些命令后执行相应的指令，如：驱动小车运动、舵机运动开关等。 视频信号，通过摄像头采集之后通过路由器发送到电脑终端，并在其应用软件显示摄像头采集到的视频信号。 第三章 硬件电路设计 3.1 电路板设计 电路板如图3-1 图3-1 电路板 电路板介绍 L293电机驱动板可以驱动两个直流电机，本设计中，每一路 L29输出引出了两个并联的端口，以便控制四轮的小车，左右两边的电机并联运行的。本驱动板，也可以控制 D42 步进电机，四线制的步进电机.电路板接线图如图3-2所示： 图3-2 信号控制引脚 ： 看上图，控制每一路电机，有三个信号，分别是 ENA，IN1，IN2。为了调试方便，本电路板直接设计了调试的电平，横向第一排为 VCC，横向的第三排为 GND 信号，中间行的信号，所以可以直接采用跳线帽，在板上调试。控制电机的运行.电机电压输入 ：这里接电机驱动电压。 5V 电压输入 ：这里接芯片的工作电压，也是信号的参考电压，6 脚的开关对这个输入引脚作用。 电压选择 ：当在电机电压输入时，即采用独立电源为电机供电时，这里采用短路帽跳到 7.2V。如果采用电压与逻辑电压一致时，可以把.5V电源排针 ：本设计为了向其它模块供电，这里设计了并列的排针，如果两5V电压输入端输入5V电源，并把开关打开，那么这里就可以得到5V的电压。同时也可以在这里直接输入 5V 电压，那么电路板也会工作，那么开关就不起作用了。 L293 的驱动方式比较简单，详细可见 L293 的说明书，这样简略说明，L293有两个电压输入，一个给电机的电压，一个是给芯片工作与控制逻辑的参考电压。L293 相当于有四个驱动门，每个 IN1，对应该一个 OUT1，当 IN1 为高电平是，OUT1 输出高电平，电压为 VSS，也就是给这个芯片电机的供电电压（注意这里不是逻辑电压）。见逻辑图与 L293 的内部原理图。 逻辑图 L293 内部原理图 本设计每个两个驱动门做成一路控制电机的信号，这样可以使电机在四个象限运行，即正转，反转，停车，自由滑行。ENA 与 ENB 的使能的控制，如果采用PWM对电机进行调速，可以在ENA与ENB中分别接入PWM信号，IN1与IN2，和 IN3 与 IN4，分别可以控制电机的正反转与不转 如果利用本电路板去控制步进电机，就把步进的线接到 OUT1，OUT2，OUT3，OUT4。信号引脚看下图。 3.2电源 电源采用电压为3.7V容量为4800mAh/节 锂离子电池（两节）。如图所示： 3.3单片机芯片 单片机芯片采用STC12C5A60S2 晶振频率为22.1184M，同样晶振情况下，速度是普通8051单片机的8-12倍，有8路10位AD多了两个定时器（共有四个），带PWM功能有SPI接口。 3.4液晶显示屏 液晶显示屏选用1602液晶显示屏。能够同时显示16*02即32个字符。是专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。通电正常后1602液晶显示屏会点亮并显示字符，同时蜂鸣器会发出滴滴声，表示初始化成功。注意,程序中定义了1602液晶模块初始化程序，必须连接1602液晶才能初始化成功！ 3.5 TP-LINK WR703N无线路由器 路由器如图3-1： 图3-1 TP-LINK WR703N无线路由器 无线WIFI路由器采用TP 703迷你型路由器，可通过USB连接（接线定义:红-VCC 黑-GND 绿-RXD 白-TXD）RXD 与 TXD 连接至单片机的10.11脚.在路由器软件中可通过设置路由地址控制，刷好的路由器中可以更改IP地址.3.6 摄像头 本小车摄像头从网上购买的高清天敏摄像头 第四章 设计功能的优点与缺点 4.1合理性 能够在地面桌面等条件下前进后退转弯以及速度的调节。通过视频传输影响可以做到人工避障。 能够利用路由器进行WiFi连接。能够实现电脑操控。不仅包括智能车的运动控制，还包括对摄像头的拍摄角度的调整。 能够进行影像传输。摄像头拍摄实时影像，通过WiFi传输，电脑端手机端均可接收。 4.2创新点 目前国内wifi技术只是运用在手机、电脑等设备，而本设计将wifi无线通信技术运用在对机械的控制方面，将传统的有线控制转变为无线控制，避免了繁琐的布线及后期的维修等，从而更好地服务了社会。另外，就目前来说，基于红外信号的一些控制装置比比皆是，但是红外信号的弱点就是传输范围小，当有障碍物是其范围更小，而wifi信号的传输范围远远大于红外信号，所以基于wifi信号控制的电子产品具有很好的发展前景。相比于蓝牙技术控制装置，wifi技术控制装置有着更好的灵活性，能够实现多点通信。此外，它还具有更好的穿透性以及抗干扰性。 4.3缺点 尽管我们作了很大的努力，但是由于时间紧迫以及缺乏经验等原因本系统 仍然存在着一些问题。主要有以下缺点；①由于只有一个摄像头只能看到前方。想要看到后方视野需要转弯。同时也存在视角太小可能导致车身碰撞障碍物。②因本WiFi小车采用4WD底盘驱动，在操作左旋右旋或左右转向的时候，有阻滞现象，特建议在光滑的地面或桌面运行，可提高驱动电机电压至九伏特左右测试。 第五章 设计总结 现在越来越多的家用电器及电子产品开始支持wifi功能。wifi的普及以及相关软件的发展将会使家用电器完成功能上的飞跃。通过网络将各种家电连接，可实现功能上的重构和资源的再配置。随着网络的普及和推广，将家庭中的各种带有网络功能的家用电器通过无线技术连接成局域网络，并与外部Internet相连，构成智能化、多功能的现代家居智能系统将会成为新的流行趋势。 第六章 附录 6.1 Wifi小车操作步骤： 1：首先给小车上电，通电正常后1602液晶显示屏会点亮并显示字符，同时蜂鸣器会发出滴滴声，表示初始化成功。(1602液晶模块是必须加上并正常工作的没有它整板是不能正常初始化的!)2：PC端软件运行需要安装.NETFRAMEWORK插件方可正常运行软件。 3: 小车的通信是建立在WIFI路由基础之上，所以需要您的电脑具备无线网络，如是台式机需要另购无线网卡 4： 打开网络连接 找到无线网络 IP设置为自动获取，并同时把本地连接停用！5：路由器上面贴有IP地址 一般为'192.168.1.20' 6: 在电脑中运行命令 ping 192.168.1.20-t 如显示 time out 表示未连通路由 不可访问 如显示 time =9MS(参考参数)表示电脑与路由已接通，可正常访问 7：打开小车软件中的‘WifRobot.exe ’即可启动控制软件,“设置”选项参数一般不用调整，除了IP地址改动之外,根椐买家的路由决定!8：启动正常后点击 ‘F1’或键盘相应按键，会听到‘滴滴’声，到时表示小车已成功连接至WIFI路由器。 9：小车有速度选择，默认为‘0’所以每次启动需要点击一下相应的速度，小车方可运行,目前的小车可支持的功能有“速度控制，蜂鸣器，摄像头监控，截图” 其它功能可以在基础之上添加。 10:如小车运行速度慢 可给驱动板单独加电,如运行后视频卡住,可给路由器单独供电 6.2 本小组制作的wifi小车实物 .6.3 程序代码第二篇：基于Arduino单片机避障小车机器人毕业论文
第三篇：智能避障小车试验报告与总结
第四篇：CVM避障算法 翻译
第五篇：WiFi小车技术报告
点击咨询 