迷宮機(jī)器人課程設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　課 程 設(shè) 計(jì)</b></p><p>　　設(shè)計(jì)題目： 迷宮機(jī)器人設(shè)計(jì) </p><p>　　系 別 自控系 班級(jí) </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) </p><p>

2、;　　指導(dǎo)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(jī)器人設(shè)計(jì)</b></p><p>　　1 設(shè)計(jì)主要內(nèi)容及要求</p><p><b>　　1.1

3、 設(shè)計(jì)目的：</b></p><p>　　1了解機(jī)器人技術(shù)的基本知識(shí)以及有關(guān)電工電子學(xué)、單片機(jī)、機(jī)械設(shè)計(jì)、傳感器等相關(guān)技術(shù)。</p><p>　　2初步掌握機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)原理、基于智能機(jī)器人的控制理論，并應(yīng)用于實(shí)踐。 3通過學(xué)習(xí)，具體掌握智能機(jī)器人的控制技術(shù)，并使機(jī)器人能獨(dú)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(jì)一個(gè)能走迷宮(迷宮為立體迷宮)的機(jī)器人；</p><p>　　2要求設(shè)計(jì)機(jī)器人的行走機(jī)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(jì)過程及論文的基本要求：</p><p>　　2.1 設(shè)計(jì)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(jì)要求的報(bào)告一份，其中包括總體設(shè)計(jì)框圖、電路原理圖各一份；</p><p>　　3設(shè)計(jì)過程的資

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

7、任務(wù)、設(shè)計(jì)思路、設(shè)計(jì)框圖、各部分電路及相應(yīng)的詳細(xì)的功能分析和重要的參數(shù)計(jì)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(xiàn)、附錄（總體設(shè)計(jì)框圖與電路原理圖）。</p><p><b>　　3 時(shí)間進(jìn)度安排</b></p><p><b>　　2010-7-19</b></p><p><b>　　中文摘

8、要</b></p><p>　　機(jī)器人技術(shù)一直是人們最關(guān)注的科學(xué)研究領(lǐng)域之一。機(jī)器人學(xué)集力學(xué)、機(jī)械工程學(xué)、電子學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和自動(dòng)孔子為一體，是一門 綜合性技術(shù)學(xué)科。機(jī)器人的產(chǎn)生和發(fā)展與其他事物一樣，都是從低級(jí)到高級(jí)的演變過程。目前機(jī)器人在其發(fā)展歷程中尚處于低級(jí)階段。今后機(jī)器人將逐漸發(fā)展成為完全智能化的機(jī)器人。由于機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，提高了機(jī)器人可靠性和智能化程度，其應(yīng)用領(lǐng)域在不斷擴(kuò)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(jī)器人在神奇絕妙地工作。機(jī)器人產(chǎn)業(yè)將隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和對(duì)機(jī)器人需求的增加而穩(wěn)步發(fā)展。由于機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，需要越來越多的機(jī)器人的研究及開發(fā)人才，機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大也需要更多的人懂得機(jī)器人的應(yīng)用技術(shù)。所以提高技術(shù)人員的機(jī)器人技術(shù)水平和普及機(jī)器人應(yīng)用知識(shí)是十分必要的。</p><p>　　迷宮機(jī)器人是一種小型自主探測(cè)迷宮的機(jī)器人。機(jī)器人一旦啟動(dòng)，必須在沒有人的干預(yù)下自動(dòng)控制，機(jī)器人

10、必須是由計(jì)算機(jī)程序控制，而非人工現(xiàn)場(chǎng)控制。</p><p>　　關(guān)鍵詞 機(jī)器人，迷宮，自主探測(cè)</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(jì)任務(wù)描述1</p><p>　　1.1 設(shè)計(jì)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(jì)思路2</b></p><p><b>　　3、設(shè)計(jì)方框圖3</b></

12、p><p><b>　　4、機(jī)械結(jié)構(gòu)4</b></p><p>　　4.1 行走機(jī)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(jī)5</b></p><p>　　4

13、.2.1 舵機(jī)結(jié)構(gòu)5</p><p>　　4.2.2 舵機(jī)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(jì)和元器件的選擇及介紹8</p><p>　　5.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)8</p><p>　　5.2場(chǎng)地的設(shè)計(jì)8</p><p>　　5

14、.2.1迷宮機(jī)器場(chǎng)地標(biāo)準(zhǔn)8</p><p>　　5.2.2場(chǎng)地的設(shè)計(jì)和加工8 </p><p>　　5.2.3 路徑識(shí)別9</p><p>　　5.2.4沿跑道中線的運(yùn)行11</p><p><b>　　5.3電機(jī)11</b></p><p>　　5.3.1機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式11<

15、/p><p>　　5.3.2電機(jī)的選擇11</p><p>　　5.3.3電機(jī)的驅(qū)動(dòng)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(diǎn)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(jī)選擇14</p><p>　　5.6速度檢測(cè)器14</p><p>　　5.7 蜂鳴器15</p><p>　　6、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)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(xiàn)21</b></p><p><b>

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

19、;/p><p>　　2、初步掌握機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)原理、基于智能機(jī)器人的控制理論，并應(yīng)用于實(shí)踐。</p><p>　　3、通過學(xué)習(xí)，具體掌握智能機(jī)器人的控制技術(shù)，并使機(jī)器人能獨(dú)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(jì)一個(gè)能走迷宮(迷宮為立體迷宮)的機(jī)器人；</

20、p><p>　　2要求設(shè)計(jì)機(jī)器人的行走機(jī)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(jì)思路</b

21、></p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)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(jī)及其驅(qū)動(dòng)模塊、舵機(jī)模塊、速度檢測(cè)模塊、道路識(shí)別模塊、調(diào)試模塊和單片機(jī)模塊幾大部分構(gòu)成。然后再對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)部分分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，選擇合適的部件，然后進(jìn)行編程，運(yùn)行并調(diào)試，查看其穩(wěn)定性能否符合系統(tǒng)要求，完成報(bào)告。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)的題目是迷宮機(jī)器人，很顯然由兩部分組成。一部分是迷宮，另一部

22、分是機(jī)器人。其中機(jī)器人又分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。行走機(jī)構(gòu)采用了四輪式，前面兩個(gè)輪為驅(qū)動(dòng)輪，后面兩個(gè)輪為從動(dòng)輪，四個(gè)輪子可以更好地支撐車體，行走穩(wěn)定，當(dāng)重心偏移時(shí)，左右晃動(dòng)小。電機(jī)我選擇了舵機(jī)，因?yàn)槎鏅C(jī)可精確地控制小車轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。測(cè)距傳感器選擇超聲波距離傳感器，因?yàn)樗哂行⌒突?、價(jià)格便宜、使用簡(jiǎn)單、響應(yīng)快速、信號(hào)處理簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。然后選擇合適的單片機(jī)，并對(duì)其進(jìn)行編程。</p><p><b>　　3、設(shè)計(jì)方

23、框圖</b></p><p><b>　　4、機(jī)械結(jié)構(gòu)</b></p><p><b>　　4.1 行走機(jī)構(gòu)</b></p><p>　　行走機(jī)構(gòu)，也稱為機(jī)器人的下肢，是機(jī)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(jī)器人能否迅速靈活地移動(dòng)，能否準(zhǔn)確地按照操作者的意愿達(dá)到指定點(diǎn)。</p>

24、<p>　　機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)首先要體現(xiàn)穩(wěn)定性，其次是靈活性。很多工業(yè)機(jī)器人都不具備行走機(jī)構(gòu)，它們?cè)诠潭ǖ奈恢猛瓿晒潭ǖ膭?dòng)作，因此只需要一個(gè)機(jī)械臂，也就是我們說的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。但是當(dāng)生產(chǎn)過程需要一個(gè)機(jī)器人在較大的范圍內(nèi)工作時(shí)，如果不具備行走機(jī)構(gòu)，那么它的體積將非常龐大；如果安置了行走機(jī)構(gòu)，可以使它做適當(dāng)?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(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)主要有履帶式行走機(jī)構(gòu)、足式行走機(jī)構(gòu)車、輪式行走機(jī)構(gòu)。</p><p>　　履帶式行走機(jī)構(gòu)可在高低不平的地面上運(yùn)動(dòng)，但它的適應(yīng)性不夠，行走時(shí)晃動(dòng)太大，在軟件地面上行使運(yùn)動(dòng)效率低。</p><p>　　足式行走機(jī)構(gòu)對(duì)崎嶇路面具有很好的適應(yīng)能力，它的立足點(diǎn)是離散的點(diǎn)，可以在可能到達(dá)的地面上選擇最優(yōu)的支撐

26、點(diǎn)，還具有主動(dòng)隔振能力，盡管地面高低不平，機(jī)身的運(yùn)動(dòng)仍熱可以相當(dāng)平穩(wěn)，行走在不平地面和松軟地面上的運(yùn)動(dòng)速度較高，能耗較少。</p><p>　　輪式行走機(jī)構(gòu)由滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦，主要的特點(diǎn)是效率高，適合在平坦的路面上移動(dòng)，定位準(zhǔn)確，而且重量較輕，制作簡(jiǎn)單。車輪式行走機(jī)器人是機(jī)器人中應(yīng)用最多的一種機(jī)器人，在相對(duì)平坦的地面上，用車輪移動(dòng)方式行走是相當(dāng)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(yùn)動(dòng)的多采用實(shí)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(shí)心輪胎。</p><p><b>　　4.1.2車式選擇</b></p><p>　　考慮到機(jī)器人的行走機(jī)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(gè)輪子位于車體的四個(gè)角，前邊是驅(qū)動(dòng)輪，后邊是從動(dòng)輪，如圖4-1所示。較三輪車體來說，四個(gè)輪子可以更好地支撐車體，行走穩(wěn)定

28、，當(dāng)重心偏移時(shí)，左右晃動(dòng)小。但如果某個(gè)車輪的中心不正，或是安裝高度有誤差，可能導(dǎo)致四個(gè)車輪不能同時(shí)著地，使控制困難。所以在安裝車輪時(shí)，一定要保證驅(qū)動(dòng)輪絕對(duì)著地。</p><p>　　圖4-1 四輪式</p><p>　　四個(gè)車輪中，前輪用來轉(zhuǎn)彎，后輪用來驅(qū)動(dòng)。調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，在機(jī)器人過彎時(shí)，轉(zhuǎn)向舵機(jī)的負(fù)載會(huì)因?yàn)檐囕嗈D(zhuǎn)向角度的增大而增大。為了盡可能降低轉(zhuǎn)向舵機(jī)負(fù)載，對(duì)前輪的安裝角度，即前輪定

29、位進(jìn)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(jī)</b></p><p>　　4.2.1 舵機(jī)結(jié)構(gòu)</p><p>　　凡是需要操作性動(dòng)作時(shí)都可以用舵機(jī)來實(shí)現(xiàn)。舵機(jī)一般由舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計(jì)5k，直流電機(jī)、控制電路板等組成。舵機(jī)內(nèi)部有一個(gè)直流電機(jī)，經(jīng)多級(jí)齒

30、輪減速后在輸出轉(zhuǎn)矩。輸出軸上還聯(lián)動(dòng)一個(gè)電位器，它輸出軸的角度位置并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。舵機(jī)的輸入信號(hào)一般50Hz的脈寬調(diào)制信號(hào)PWM信號(hào)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(jī)則對(duì)轉(zhuǎn)角進(jìn)行調(diào)整，直到該比較電壓為零，電機(jī)準(zhǔn)確停止在給定位置上。因此，舵機(jī)實(shí)際上是一種角度的位置伺服機(jī)構(gòu)。</p><p>　　標(biāo)準(zhǔn)的微型伺服馬達(dá)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(dá)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?yàn)樗欧R達(dá)會(huì)產(chǎn)生噪音）。甚至小伺服馬達(dá)在重負(fù)載時(shí)也會(huì)拉低放大器的電壓，所以整個(gè)系統(tǒng)的電源供應(yīng)的比例必須合理。</p><p>　　舵機(jī)有以下特點(diǎn)：體積緊湊，便于安裝；輸出力矩大，穩(wěn)定性好；控制簡(jiǎn)單，便于和數(shù)字系統(tǒng)接口。在使用時(shí)，要特別注意的，絕不能加載讓舵機(jī)輸出位置超過±90度的脈沖信號(hào)，否則會(huì)損壞舵機(jī)的輸出

32、限位機(jī)構(gòu)或齒輪組等機(jī)械部件。</p><p>　　4.2.2 舵機(jī)工作原理</p><p>　　舵機(jī)是一個(gè)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(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，其齒輪組的輸出軸帶動(dòng)一個(gè)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(hào)比較，產(chǎn)生糾偏脈沖，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(dá)到使舵機(jī)精缺定位的目的。</p><p>　　圖 4-2 舵機(jī)工作原理圖</p><p>　　給舵機(jī)輸入一個(gè)周期性的正向脈沖信號(hào)，這個(gè)周期性脈沖信號(hào)的高電平時(shí)間通常在1～2ms之間，而低電平時(shí)間應(yīng)在5～20ms之間，并不很嚴(yán)格，表1所示為舵機(jī)的輸入正脈沖寬度與舵機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)角的關(guān)系。</p><p>　　表1

34、舵機(jī)輸入正弦脈沖寬度與舵機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)角的關(guān)系</p><p>　　舵機(jī)具有以下一些特點(diǎn)：體積緊湊，便于安裝；輸出力矩大，穩(wěn)定性好；控制簡(jiǎn)單，便于和數(shù)字系統(tǒng)接口。因?yàn)槊詫m機(jī)器人的行走電動(dòng)機(jī)需要連續(xù)旋轉(zhuǎn)，所以需對(duì)從市場(chǎng)上購(gòu)得的舵機(jī)進(jìn)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(shí)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(duì)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?qiáng)弱取決于KP的大小，KP越大，控制作用越強(qiáng)，但過大的比例系數(shù)會(huì)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(huì)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(dá)穩(wěn)態(tài)的時(shí)間變長(zhǎng)，限制系統(tǒng)的快速性。</p><p>　　實(shí)際控制系統(tǒng)除了希望消除穩(wěn)態(tài)誤差外，還強(qiáng)調(diào)調(diào)節(jié)過程的快速性。在偏差變化的瞬間，不但要對(duì)偏差量立即作出反應(yīng)，而且要根據(jù)偏差的變化趨勢(shì)預(yù)先給予適當(dāng)?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(shì)進(jìn)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(jìn)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(duì)輸入信號(hào)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(jì)和元器件的選擇及介紹</p><p><b>　　5.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　迷宮機(jī)器人控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)主要由電源模塊、電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)模塊、舵機(jī)模塊、速度檢測(cè)模塊、道路識(shí)別模塊、調(diào)

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

40、寸為18cm*18cm(長(zhǎng)*寬)，隔柵尺寸為5cm*1.2cm（高*厚），上紅、測(cè)白、地板為黑色。迷宮機(jī)器人屬于自主型，不允許人為（包括無線）操控。迷宮機(jī)器人尺寸限制為25cm*25cm（長(zhǎng)*寬），高度及重量不限。</p><p>　　5.2.2場(chǎng)地的設(shè)計(jì)和加工</p><p>　　迷宮場(chǎng)地由如下部件組成：小方柱、隔柵、地板。迷宮的場(chǎng)地由復(fù)合木地板拼接而成。由于復(fù)合木地板地的標(biāo)準(zhǔn)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。這樣一來，用復(fù)合木地板拼接迷宮的場(chǎng)地非常方便，工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉。加工工具只需要尺子和手鉆即可。</p><p>　　由復(fù)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(jì)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(xì)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(shí)別</p><p>　　路徑識(shí)別是通過超聲波測(cè)距傳感器實(shí)現(xiàn)的。在設(shè)計(jì)中我采用了五個(gè)超聲波距離傳感器，小車的最前端放置一個(gè)，后端放置兩個(gè)，左右兩側(cè)各一

43、個(gè)。前端一個(gè)傳感器用來檢測(cè)是否有障礙物，是否到達(dá)路口；后端傳感器用于小車轉(zhuǎn)彎時(shí)位置的調(diào)整；左右兩端的傳感器用于檢測(cè)兩側(cè)是否有障礙物。傳感器的信息都將反饋給單片機(jī)，單片機(jī)就機(jī)器人所處的環(huán)境作出判斷。</p><p>　　超聲波距離傳感器測(cè)到障礙物時(shí)反饋的信息為1，沒有檢測(cè)到信息反饋信息為0。由于左、右和前傳感器是用來檢測(cè)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(jī)在判斷轉(zhuǎn)動(dòng)方

44、向時(shí)，硬性規(guī)定方向的優(yōu)先級(jí)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(jī)將作出反應(yīng)，機(jī)器人向前行走；反饋的信息為010、011，機(jī)器人向左行走；反饋的信息為110，機(jī)器人向右行走；反饋的信息為111，機(jī)器人向后轉(zhuǎn)。</p><p>　　其路徑識(shí)別流程圖如5-3所示。&

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

46、b>　　5.3電機(jī)</b></p><p>　　5.3.1機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式</p><p>　　機(jī)器人驅(qū)動(dòng)分為液壓、氣壓和電動(dòng)三種形式。</p><p>　　液壓驅(qū)動(dòng)：從運(yùn)動(dòng)形式來分分為直線驅(qū)動(dòng)如直線運(yùn)動(dòng)液壓缸和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)如液壓馬達(dá)、擺動(dòng)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(fù)載的情

47、形。 液壓驅(qū)動(dòng)的本質(zhì)優(yōu)點(diǎn)在于它的安全性。如噴漆時(shí)要求工作區(qū)域所帶電壓不超過9V。 </p><p>　　氣壓驅(qū)動(dòng)：是一種最簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)方式。氣壓驅(qū)動(dòng)元件有直線氣缸，擺動(dòng)汽缸及旋轉(zhuǎn)氣動(dòng)馬達(dá)三種。氣壓驅(qū)動(dòng)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(dòng)器件類似。它們本質(zhì)上基本相同，但因?yàn)榭諝獾目蓧嚎s性及油的潤(rùn)滑性，二者有一些細(xì)微的差別。氣壓驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全可靠、價(jià)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(chǎng)合。</p><p>　　電氣驅(qū)動(dòng)：電氣驅(qū)動(dòng)是利用各種電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的力或力矩，直接減速機(jī)構(gòu)去驅(qū)動(dòng)機(jī)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(dòng)具有無環(huán)境污染、易于控制、運(yùn)動(dòng)精度高、成本低、驅(qū)動(dòng)效率高等優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用廣泛。按照電機(jī)的工作原理不同分為步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、無刷電機(jī)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(fù)

49、載，特別適合于動(dòng)作復(fù)雜、運(yùn)動(dòng)軌跡嚴(yán)格的各類機(jī)器人。</p><p>　　5.3.2電機(jī)的選擇</p><p>　　直流伺服電機(jī)具有啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、體積小、重量輕、轉(zhuǎn)速易控制、效率高等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是有電刷和換向器，需要定期維護(hù)、更換電刷，電動(dòng)機(jī)使用壽命段噪聲大。直流伺服電動(dòng)機(jī)有小慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)和永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)。</p><p>　　小慣量伺服電動(dòng)機(jī)最大限度地減少了

50、電樞的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，所以能獲得最好的快速性，在早期的數(shù)控機(jī)床上應(yīng)用較多，現(xiàn)在也有應(yīng)用。小慣量伺服電機(jī)一般都設(shè)計(jì)成有高的額定轉(zhuǎn)速和低的慣量，所以應(yīng)用時(shí)，要經(jīng)過中間機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)。才能與絲杠相連接。</p><p>　　永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速很低，甚至可以在堵轉(zhuǎn)狀態(tài)下運(yùn)行。這樣低速運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)軸可以和負(fù)載直接耦合，省去了減速器，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，提高了轉(zhuǎn)動(dòng)精度。它的缺點(diǎn)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(fù)雜，價(jià)格較貴。</p><p>　　我選用的是永磁式直流伺服電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。</p><p>　　5.3.3電機(jī)的驅(qū)動(dòng)</p><p>　　所謂H橋驅(qū)動(dòng)電路是為了直流電機(jī)而設(shè)計(jì)的一種常見電路，它主要實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的正反向驅(qū)動(dòng)，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(jì)用H橋芯片MC33886驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。由于電機(jī)啟動(dòng)和快速加速時(shí)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(yù)設(shè)方式工作，用PWM5和PWM0作為輸入信號(hào)，OUT2和OUT1分別為功率放大了的相應(yīng)的輸出信號(hào)，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。通過調(diào)整PWM5和PWM0的占空比，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的加速、減速，甚至制動(dòng)（電機(jī)反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)）。MC33886驅(qū)動(dòng)電路圖

53、如圖5-6所示。</p><p>　　圖 5-6 MC33886驅(qū)動(dòng)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(gè)外加電場(chǎng)時(shí)，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(dāng)給晶片加一個(gè)外力使其變形時(shí)，在晶體的兩面會(huì)產(chǎn)生與應(yīng)變量相當(dāng)?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(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)處物體的非接觸式探測(cè)。機(jī)器人超聲波探測(cè)并非檢測(cè)超聲波本身，而是借助超聲波反射測(cè)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(dá)一樣測(cè)出傳感器與物體之間的距離。超聲波距離傳感器的檢測(cè)方式有脈沖回波式和FM-CW兩種。脈沖回波式的檢測(cè)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(cè)到被測(cè)物體反射回來的超聲波回波延遲時(shí)間，即可計(jì)算出被測(cè)物體的距離。 </p><p>　　計(jì)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(shí)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(duì)超聲波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。該方式的電路比較復(fù)雜，在實(shí)際中應(yīng)用不多。</p><p>　　超聲波距離傳感器的測(cè)量范圍寬但分辨率低。它的響應(yīng)速度毫秒級(jí)，屬于高速型傳感器。另外，超聲波不接受被測(cè)物體的透明度、顏色、電導(dǎo)率的影響，但不適合測(cè)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(diǎn)</p><p>　　超聲波距離傳感器具有小型化、價(jià)格便宜、使用簡(jiǎn)單、響應(yīng)快速、信號(hào)處理簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，因而在機(jī)器人研究中被廣泛使用。特別是在移動(dòng)機(jī)器人需要進(jìn)行環(huán)境探測(cè)導(dǎo)航避障時(shí)，常常使用超聲波距離傳感器作為信息來源。機(jī)器人安裝了多個(gè)超聲波傳感器用于機(jī)器人的避障，物檢測(cè)和側(cè)面墻壁的檢測(cè)。一旦檢測(cè)到避障，機(jī)器人便會(huì)根據(jù)障礙的位置作出左、右繞行或停止的回避動(dòng)

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

59、p><b>　　5.5單片機(jī)選擇</b></p><p>　　我所選用的單片機(jī)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(shí)鐘和復(fù)位產(chǎn)生模塊包括低電壓振蕩器或是標(biāo)準(zhǔn)振蕩器的選擇、鎖相環(huán)時(shí)鐘頻率放大器、看門狗、實(shí)時(shí)中斷和時(shí)鐘監(jiān)控器。存儲(chǔ)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(yùn)行模式可分為單片機(jī)運(yùn)行模式、擴(kuò)展運(yùn)行模式和其他運(yùn)行模式。</p><p><b>　　5.6速度檢測(cè)器</b></p><p>　　速度檢測(cè)，對(duì)機(jī)器人速度進(jìn)行閉環(huán)反饋控制，即可消除上述各種因素的影響，使得機(jī)器人運(yùn)行得更穩(wěn)定。 </p&g

61、t;<p>　　車速檢測(cè)的方式有很多種，例如用測(cè)速發(fā)電機(jī)、轉(zhuǎn)角編碼盤、反射式光電檢測(cè)、透射式光電檢測(cè)和霍爾傳感器檢測(cè)。本次設(shè)計(jì)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(bào)警裝置。當(dāng)前、左、右的傳感器反饋的信號(hào)都為1（即都有障礙物）時(shí)，說明機(jī)器人進(jìn)入死路，它便會(huì)發(fā)出報(bào)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(jì)</b></p><p><b>　　6.1軟件總流程圖</b></p>

63、;<p>　　迷宮機(jī)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(dāng)前速度值經(jīng)CPU處理，輸出 PWM信號(hào)到驅(qū)動(dòng)舵機(jī)和電機(jī)。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(shí)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(jì)總體流程圖</p><p><b>　　7、工作過程分析</b></p><p>　　開始，將機(jī)器人放在迷宮入口處，啟動(dòng)單片機(jī)。單片機(jī)給舵機(jī)輸入控制脈沖。舵機(jī)通過脈沖對(duì)馬達(dá)、齒輪組和比例電位器進(jìn)行控制，同時(shí)比例電位器輸出的電壓反饋與控制電路的標(biāo)準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，形成閉環(huán)控制。另一邊，利用超聲波距離傳感器測(cè)到障礙物，當(dāng)測(cè)

65、到障礙物的時(shí)候反饋的信息為1，沒有檢測(cè)到信息反饋信息為0。由于左、右和前傳感器是用來檢測(cè)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(jī)將作出反應(yīng)，機(jī)器人向前行走；假設(shè)反饋的信息為010、011，機(jī)器人則向左行走；假設(shè)反饋的信息為110，機(jī)器人則向右行走；假設(shè)反饋的信息為111，機(jī)器人則向后轉(zhuǎn)。當(dāng)前、左、右的傳感器反饋的信號(hào)都為1（即都有障礙物）時(shí)，說明機(jī)器人進(jìn)入死路，它便會(huì)發(fā)出報(bào)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(jì)終于結(jié)束了，通過了這次設(shè)計(jì)我們學(xué)到了很多關(guān)于機(jī)器人設(shè)計(jì)的原理知識(shí)，使我們獲益匪淺。同時(shí)在老師的指導(dǎo)下通過做好多DSP實(shí)驗(yàn)使我對(duì)DSP應(yīng)用和使用更加深入，使我收獲頗多

67、，讓我更加體會(huì)到實(shí)踐的重要性。更為我們明年的畢業(yè)設(shè)計(jì)打下了更加堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。我設(shè)計(jì)的課題是正弦信號(hào)發(fā)生器程序的設(shè)計(jì)，剛剛拿到題目時(shí)感到不知從哪里開始。老師在課上講解了許多DSP的相實(shí)例，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)課上又做了各種DSP的實(shí)驗(yàn)。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(shí)我們學(xué)習(xí)的只是一些理論知識(shí)，通過本次設(shè)計(jì)。使我的理論知識(shí)又上升到了一個(gè)新的層次。同時(shí)在設(shè)計(jì)中也加深了我對(duì)理論知

68、識(shí)的更深層次的理解。另外，這次設(shè)計(jì)不僅使我的知識(shí)有一個(gè)很大的提高，而且還使我學(xué)到了許多其他方面的知識(shí)?？傊?，通過這次實(shí)習(xí)，不僅使我對(duì)所學(xué)過的知識(shí)有了一個(gè)新的認(rèn)識(shí)。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(gè)很大的提高,最終把設(shè)計(jì)順利的完成了，實(shí)現(xiàn)了在滿足條件要求的情況下的產(chǎn)生正弦信號(hào)。但總的看來，這次課程設(shè)計(jì)雖然完成了任務(wù)，但我自身認(rèn)為本次設(shè)計(jì)不是很成功。因?yàn)槲覐倪@個(gè)設(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)了自身存在的諸多問題，認(rèn)識(shí)到了和一些同

69、學(xué)相比所存在的巨大差距。但課設(shè)使我對(duì)課程內(nèi)容真正有了更深的了解和理解，認(rèn)識(shí)到了理論與實(shí)踐之間的聯(lián)系和差別，培養(yǎng)了嘗試用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力，同時(shí)，還積累了經(jīng)驗(yàn)以備以后工作不時(shí)之需?？傊?，通過這次課設(shè)，不論是學(xué)習(xí)上還是生活上，我都得到了很大的收獲，并且讓我有了實(shí)實(shí)在在的進(jìn)步</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　短暫的課程設(shè)計(jì)就要結(jié)束了，

70、經(jīng)過我們小組全體成員緊張而充實(shí)的努力，我們終于順利完成了設(shè)計(jì)任務(wù)，收獲了成功的喜悅?；仡欉@一周的設(shè)計(jì)過程，我們從開始的毫無頭緒，逐漸的進(jìn)入狀態(tài)，到后來的理論上實(shí)現(xiàn)，一起解決一個(gè)個(gè)難題，突破一重重的阻礙，當(dāng)硬件接線圖出來的時(shí)候，我們都?xì)g呼了起來，從未有過的成就感充滿了每個(gè)人的心。我想這就是課程設(shè)計(jì)的魅力所在吧。任務(wù)越是難以完成，過程越是復(fù)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。“天下無難事，只怕有心

71、人”經(jīng)過這次課程設(shè)計(jì)，我對(duì)這句古語有了更深的理解。</p><p>　　這次我們?cè)O(shè)計(jì)的題目是迷宮機(jī)器人，要求機(jī)器人具有行走機(jī)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(jiǎn)要復(fù)習(xí)了老師講過的傳感器和機(jī)器人的有關(guān)知識(shí)。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(jì)的要求，自己通過參考有關(guān)資料擬的方案，寫好設(shè)計(jì)思路。</p><p>　　在理論實(shí)現(xiàn)的過程中，我遇到了很多困難，用

72、所學(xué)的知識(shí)達(dá)不到想要的結(jié)果，經(jīng)過各種方式搜集資料，尋求同學(xué)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(jì)。達(dá)到能夠?qū)崿F(xiàn)所要求的功能的目的。</p><p>　　這次的機(jī)器人設(shè)計(jì)重點(diǎn)是理論與實(shí)際的相結(jié)合，不單單只是書上的傳感器及機(jī)器人的介紹。通過這次設(shè)計(jì)使我對(duì)傳感器和機(jī)器人的學(xué)習(xí)更進(jìn)一步，加深了對(duì)理論學(xué)習(xí)的理解，同時(shí)能夠較自如的應(yīng)用知識(shí)來設(shè)計(jì)方案。也使我明白將理論和實(shí)際聯(lián)系起來的重要性。同時(shí)，通過學(xué)習(xí)，也鍛

73、煉了和組員交流，溝通，相互學(xué)習(xí)，得到最好的設(shè)計(jì)成果。我相信，通過這次設(shè)計(jì)，我會(huì)更加努力，更加積極地學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)，爭(zhēng)取自己在此方面能創(chuàng)出更優(yōu)秀的成績(jī)。</p><p>　　非常感謝對(duì)我們的耐心指導(dǎo)。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(lì)，我們是不可能順利完成這次課程設(shè)計(jì)的。我們發(fā)自內(nèi)心的感謝老師，是您在我們遇到問題時(shí)給予了指導(dǎo)，謝謝您老師！</p>

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