基于超聲波移動機(jī)器人的設(shè)計與分析

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　機(jī)器人是一種自動化的機(jī)器，所不同的是這種機(jī)器具備一些與人或生物相似的智能，如感知能力、規(guī)劃能力、動作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機(jī)器。 本次課題研究的內(nèi)容是基于超聲波移動機(jī)器人的設(shè)計與分析。本文的設(shè)計內(nèi)容包括：</p><p>　　1. 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計：機(jī)器人采用兩輪獨(dú)立驅(qū)動的輪式結(jié)

2、構(gòu)，動力源采用直流無刷電機(jī)，減速和傳動裝置采用皮帶傳動，利用差速移動平臺實現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)向，選用增量式光電編碼器進(jìn)行對機(jī)器人速度的檢測，實現(xiàn)機(jī)器人的定位。</p><p>　　2. 傳感器部分：使用超聲波傳感器作為機(jī)器人主傳感器，超聲波傳感器位于機(jī)器人的傳感器層，采用一個超聲波環(huán)提高機(jī)器人測距的精度。超聲波發(fā)射裝置發(fā)出超聲波，超聲波遇到障礙物反射回來，由超聲波接收器接收超聲波信號，獲取機(jī)器人的外部信息。</p

3、><p>　　3.控制系統(tǒng)設(shè)計：控制部分采用AT89C51型號單片機(jī)進(jìn)行接受命令和產(chǎn)生驅(qū)動信號，電機(jī)的驅(qū)動部分采用L298控制芯片，芯片利用接受到的單片機(jī)發(fā)出的信號來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。超聲波接收器接收到信號后，經(jīng)由單片機(jī)進(jìn)行分析運(yùn)算，得出機(jī)器人與障礙物之間的距離，然后單片機(jī)發(fā)出信號控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生改變，使得移動機(jī)器人可以自主地改變行進(jìn)路線，實現(xiàn)了機(jī)器人的避障算法。</p><p>　　關(guān)鍵詞：

4、移動機(jī)器人，超聲波，單片機(jī)，運(yùn)動控制，避障。</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Robot is an automated machine, the difference is that this machine has some similarities with the human or biological intelli

5、gence, such as perception, planning ability, motor ability, and collaboration capabilities, is a highly flexible automated machines. The content of this research project is based on ultrasonic Mobile Robot Design and Ana

6、lysis. This design includes: </p><p>　　1.Mechanical structure design: robots with two independently driven wheel structure, the power source using brushless DC motor, gear reducer and belt drive by using the

7、 differential steering mobile robot platform, use incremental photoelectric encoder for speed detection of robots, robot positioning. </p><p>　　2.Sensor parts: the robot uses ultrasonic sensors as the primar

8、y sensor, ultrasonic sensor in the robot's sensor layer, using an ultrasonic distance measuring ring to improve the accuracy of the robot. Send ultrasonic ultrasonic transmitter and ultrasonic obstacle reflected back

9、 by the ultrasonic receiver receives ultrasonic signals to obtain the robot's external information. </p><p>　　3.Control System: Control part of the model using AT89C51 microcontroller for receiving order

10、s and generate drive signal, the motor drive control part is L298 chip, chip microcontroller using the received signals to control motor speed. Ultrasonic signal received by the receiver, the analysis by microcomputer op

11、eration, obtained the distance between the robot and obstacles, and then signal the microcontroller to change the motor control, making autonomous mobile robot can change the route of the</p><p>　　Keywords:

12、Mobile Robot, ultrasound, MCU, motion control, obstacle avoidance.</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p>&

13、lt;b>　　前 言1</b></p><p>　　1 移動機(jī)器人概述2</p><p>　　1.1 機(jī)器人的研究歷史2</p><p>　　1.2 移動機(jī)器人的意義4</p><p>　　1.3 移動機(jī)器人國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀5</p><p>　　2 超聲波移動機(jī)器人設(shè)計方案的確定9&

14、lt;/p><p>　　2.1 超聲波移動機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計方案9</p><p>　　2.2 超聲波移動機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計方案10</p><p>　　2.3 移動機(jī)器人的超聲波系統(tǒng)設(shè)計方案11</p><p>　　2.4 移動機(jī)器人方案總結(jié)12</p><p>　　3 超聲波移動機(jī)器人機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計13<

15、/p><p>　　3.1 電動機(jī)的確定13</p><p>　　3.2 減速器的確定13</p><p>　　3.3 機(jī)器人連接方式的確定16</p><p>　　4 超聲波移動機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計18</p><p>　　4.1 機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)方程18</p><p>　　4.2 單片機(jī)控

16、制系統(tǒng)20</p><p>　　4.3 電機(jī)驅(qū)動電路系統(tǒng)21</p><p>　　5 超聲波測距算法23</p><p>　　5.1 超聲波應(yīng)用的可行性23</p><p>　　5.2 超聲波的產(chǎn)生和接收23</p><p>　　5.3 超聲波的傳輸特性25</p><p>　　5.

17、4 超聲波測距原理26</p><p>　　5.5 計算超聲波傳播時間27</p><p>　　5.6 測渡越時間測量法27</p><p>　　5.7 超聲波測距誤差分析28</p><p><b>　　結(jié) 論30</b></p><p><b>　　致 謝31

18、</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)32</b></p><p><b>　　附錄一33</b></p><p><b>　　附錄二36</b></p><p><b>　　前 言</b></p><p

19、>　　隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，自主移動機(jī)器人以其靈活性和智能性等特點，在人們的生產(chǎn)生活中應(yīng)用越來越廣泛。自主移動機(jī)器人通過各種傳感器系統(tǒng)感知外界環(huán)境和自身狀態(tài)，在復(fù)雜的已知或未知環(huán)境中自主移動并完成相應(yīng)的任務(wù)。</p><p>　　當(dāng)前機(jī)器人常用的傳感器包括有超聲波、紅外、視覺傳感器、激光、味覺傳感器等等。而在多種傳感器中，紅外測距距離偏小，視覺傳感器不能顯示距離，激光和雷達(dá)測距儀造價偏高，不利于廣泛的普及應(yīng)

20、用，在某些應(yīng)用領(lǐng)域有其局限性。相比之下，超聲波方法具有明顯突出的優(yōu)點:</p><p>　　1）超聲波的傳播速度僅為光波的百萬分之一，并且指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，因此可以直接測量較近目標(biāo)的距離；</p><p>　　2）超聲波對色彩、光照度不敏感，可適用于識別透明、半透明及漫反射差的物體(如玻璃、拋光體)；</p><p>　　3）超聲波對外界光線和電磁場不敏感，可

21、用于黑暗、有灰塵或煙霧、電磁干擾強(qiáng)、有毒等惡劣環(huán)境中；</p><p>　　4）超聲波傳感器結(jié)構(gòu)簡單、體積小、費(fèi)用低、信息處理簡單可靠，易于小型化與集成化，并且可以進(jìn)行實時控制。因此，超聲波方法作為非接觸檢測和識別的手段，已越來越引起人們的重視。在機(jī)器人避障、導(dǎo)航系統(tǒng)、機(jī)械加工自動化裝配及檢測、自動測距、無損檢測、超聲定位、汽車倒車、工業(yè)測井、水庫液位測量等方面已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用。</p><

22、p>　　利用超聲波作為定位技術(shù)是蝙蝠等一些無目視能力的生物作為防御及捕捉獵物生存的手段，也就是由生物體發(fā)射不被人們聽到的超聲波（20kHz以上的機(jī)械波），借助空氣媒質(zhì)的傳播，由被逮捕捉的獵物或障礙物反射回來的時間間隔長短與被反射的超聲波的強(qiáng)弱判斷獵物性質(zhì)或障礙物位置的方法，超聲波測距系統(tǒng)實際上也正是一種仿生學(xué)的應(yīng)用。</p><p><b>　　移動機(jī)器人概述</b></p>

23、;<p><b>　　機(jī)器人的研究歷史</b></p><p>　　早期機(jī)器人【1】的出現(xiàn)是為了實現(xiàn)工業(yè)自動化，而機(jī)器人被廣泛的應(yīng)用的也正是工業(yè)發(fā)展迅速的體現(xiàn)。隨著人類生活水平的提高，室內(nèi)機(jī)器人也逐漸地進(jìn)入人們的視線，室內(nèi)機(jī)器人以其體積小、靈活、自主移動等特點廣泛的被人們接受，這時服務(wù)機(jī)器人大量的踴躍出現(xiàn)：用于醫(yī)院的醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人，用于旅游的導(dǎo)游機(jī)器人，用于商場的導(dǎo)購機(jī)器人，這

24、些機(jī)器人的出現(xiàn)使得人們的生活變得更加豐富多彩。</p><p>　　工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展過程</p><p>　　早在1959年，德沃爾與美國發(fā)明家約瑟夫·英格伯格聯(lián)手制造出第一臺工業(yè)機(jī)器人。隨后，成立了世界上第一家機(jī)器人制造工廠“Unimation公司”。由于英格伯格對工業(yè)機(jī)器人的研發(fā)和宣傳，他也被稱為“工業(yè)機(jī)器人之父”。 1962年到1963年之間，傳感器的應(yīng)用提高了機(jī)器人的可操

25、作性，人們試著在機(jī)器人上安裝各種各樣的傳感器，其中包括：</p><p>　　1. 1961年恩斯特采用的觸覺傳感器，將觸覺傳感器放置于機(jī)器人的機(jī)械手上，是機(jī)器人具有感知觸覺的能力。</p><p>　　2. 1962年托莫維奇和博尼在世界上最早的“靈巧手”機(jī)器人上用到了壓力傳感器。</p><p>　　3. 麥卡錫1963年則開始在機(jī)器人中加入視覺傳感系統(tǒng)，

26、并在1965年，幫助MIT推出了世界上第一個帶有視覺傳感器，能識別并定位積木的機(jī)器人系統(tǒng)。</p><p>　　4. 1965年約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實驗室研制出Beast機(jī)器人。Beast已經(jīng)能通過聲納系統(tǒng)、光電管等裝置，根據(jù)環(huán)境校正自己的位置。</p><p>　　5.20世紀(jì)60年代中期開始，美國麻省理工學(xué)院、斯坦福大學(xué)、英國愛丁堡大學(xué)等陸續(xù)成立了機(jī)器人實驗室。美國興起

27、研究第二代帶傳感器、“有感覺”的機(jī)器人，并向人工智能進(jìn)發(fā)。</p><p>　　移動機(jī)器人的發(fā)展過程</p><p>　　智能移動機(jī)器人【2】更加強(qiáng)調(diào)了機(jī)器人具有的移動能力，從而面臨比固定式機(jī)器人更為復(fù)雜的不確定性環(huán)境，也增加了智能系統(tǒng)的設(shè)計復(fù)雜度。</p><p>　　1．1968年到1972年間，美國斯坦福國際研究所(Stanford Research Inst

28、itute, SRI)研制了移動式機(jī)器人Shakey,這是首臺采用了人工智能學(xué)的移動機(jī)器人。Shakey具備一定人工智能，能夠自主進(jìn)行感知、環(huán)境建模、行為規(guī)劃并執(zhí)行任務(wù)(如尋找木箱并將其推到指定目的位置)。它裝備了電視攝像機(jī)、三角法測距儀、碰撞傳感器、驅(qū)動電機(jī)以及編碼器，并通過無線通訊系統(tǒng)由二臺計算機(jī)控制。當(dāng)時計算機(jī)的體積龐大，但運(yùn)算速度緩慢，導(dǎo)致Shakey往往需要數(shù)小時的時間來分析環(huán)境并規(guī)劃行動路徑。</p><

29、p>　　圖1-1 shakey</p><p>　　2.1973年 世界上第一次機(jī)器人和小型計算機(jī)攜手合作，就誕生了美國Cincinnati Milacron公司的機(jī)器人T3。</p><p>　　3．1978年 美國Unimation公司推出通用工業(yè)機(jī)器人PUMA，這標(biāo)志著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)完全成熟。PUMA至今仍然工作在工廠第一線。</p>

30、;<p>　　4．1984年 英格伯格再推機(jī)器人Helpmate，這種機(jī)器人能在醫(yī)院里為病人送飯、送藥、送郵件。同年，他還預(yù)言：“我要讓機(jī)器人擦地板，做飯，出去幫我洗車，檢查安全”。</p><p>　　5.1998年 丹麥樂高公司推出機(jī)器人(Mind-storms)套件，讓機(jī)器人制造變得跟搭積木一樣，相對簡單又能任意拼裝，使機(jī)器人開始走入個人世界。</p><

31、;p>　　6.1999年 日本索尼公司推出犬型機(jī)器人愛寶(AIBO)，當(dāng)即銷售一空，從此娛樂機(jī)器人成為目前機(jī)器人邁進(jìn)普通家庭的途徑之一。</p><p>　　7.2002年 美國iRobot公司推出了吸塵器機(jī)器人Roomba，它能避開障礙，自動設(shè)計行進(jìn)路線，還能在電量不足時，自動駛向充電座。Roomba是目前世界上銷量最大、最商業(yè)化的家用機(jī)器人。</p><p>

32、　　圖1-2 Roomba</p><p>　　隨著世界智能機(jī)器人腳步的快速前進(jìn)，我國也加緊對智能機(jī)器人的研究，投入了大量的人力財力來提高國內(nèi)智能機(jī)器人的發(fā)展，本課題正是在這種國際大背景下提出的。</p><p><b>　　移動機(jī)器人的意義</b></p><p>　　移動機(jī)器人技術(shù)對一個國家來說的至關(guān)重要的，它是一個國家高科技水平和工業(yè)自動

33、化程度的重要體現(xiàn)，預(yù)示著一個國家生產(chǎn)力水平和綜合國力的發(fā)展方向。一個高端的機(jī)器人涉及到的技術(shù)包括：機(jī)械加工技術(shù)、傳感器技術(shù)、信息處理技術(shù)、通信技術(shù)、自動控制技術(shù)、電子技術(shù)、機(jī)器視覺以及計算機(jī)技術(shù)等等，因此完全可以說機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展帶動了整個人類社會的發(fā)展【3】。</p><p>　　如今移動機(jī)器人在世界范圍內(nèi)有著良好的應(yīng)用前景，在人類生活、軍事應(yīng)用、社會發(fā)展與科學(xué)研究中都有移動機(jī)器人的身影，尤其是隨著人們生活水平

34、的提高，移動機(jī)器人已經(jīng)走入了我們的生活，例如：</p><p>　　1）在家里，服務(wù)型的室內(nèi)機(jī)器人可以從事清潔衛(wèi)生、園藝、垃圾處理、家庭護(hù)理與服務(wù)等作業(yè)；</p><p>　　2）在醫(yī)院，移動機(jī)器人可以從事手術(shù)、化驗、助殘、導(dǎo)盲、運(yùn)輸、康復(fù)及病人護(hù)理等作業(yè)；</p><p>　　3）在商場和旅游中，導(dǎo)購機(jī)器人、導(dǎo)游機(jī)器人和表演機(jī)器人能夠使得人類生活變得豐富多彩；&l

35、t;/p><p>　　4）在軍事中，爆破，排爆機(jī)器人可以使軍事行動較為安全，偵察機(jī)器人可以掌握敵軍信息等【4】。</p><p>　　因此智能移動機(jī)器人已經(jīng)成為未來社會非常有競爭力的產(chǎn)業(yè)，誰可以掌握室內(nèi)移動機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)，誰就可以引領(lǐng)世界的潮流。所以我國對移動機(jī)器人的研究面臨著很大的挑戰(zhàn)，必須加大對機(jī)器人的開發(fā)與應(yīng)用才能走在時代的前列。</p><p>　　本文研究基

36、于超聲波的移動機(jī)器人正是考慮到超聲波測距移動機(jī)器人在未來社會的發(fā)展前景。我相信隨著計算機(jī)處理技術(shù)的提高、微電子技術(shù)的進(jìn)步以及機(jī)器人對超聲波信息處理理論與方法的逐漸完善，機(jī)器人的超聲波功能將越來越強(qiáng)大。</p><p>　　移動機(jī)器人國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　移動機(jī)器人在多年的生產(chǎn)使用中，被世界公認(rèn)最具有發(fā)展?jié)摿褪褂脙r值，在科研界也成為了機(jī)器人研究領(lǐng)域的一個重要分支。</p

37、><p>　　國外機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　移動機(jī)器人最早是在國外發(fā)展起來的，所以各項技術(shù)較為純熟，機(jī)器人的水平也相對較高。早在上個世紀(jì)八十年代，世界各國為了大力發(fā)展機(jī)器人技術(shù)，紛紛展開了各項計劃，例如：</p><p>　　1.美國國防部DARPA的支助下，由CMU， Standford大學(xué)和MIT等單位開展的ALV研究；能源部制定的為期l0年的機(jī)器人和智

38、能系統(tǒng)計劃，以及后來的空間機(jī)器人計劃；</p><p>　　2．日本通產(chǎn)省的極限環(huán)境下作業(yè)機(jī)器人計劃和人形機(jī)器人計劃；</p><p>　　3．歐洲尤里卡中心的機(jī)器人計劃等，都體現(xiàn)了國外對智能移動機(jī)器人的重視。</p><p>　　除此之外，很多世界著名公司不惜重金，都開始投入到移動機(jī)器人的研究當(dāng)中。進(jìn)入九十年代后，隨著技術(shù)的迅猛發(fā)展，移動機(jī)器人向?qū)嵱没?、系列化、?/p>

39、能化進(jìn)軍，涌現(xiàn)出許許多多智能移動機(jī)器人。如CMU的Navlab系列移動機(jī)器人系統(tǒng)；德國Vamors—P和Caravel1e系統(tǒng)；日本本田公司的P系列和ASIMO人型機(jī)器人；日本索尼的SDR一3X人型機(jī)器人和AIBO娛樂型機(jī)器人等代表著移動機(jī)器人各個方面的先進(jìn)研究成果。</p><p>　　如今機(jī)器人的發(fā)展越來越迅速，世界上涌現(xiàn)了如日本，美國，德國等一些機(jī)器人強(qiáng)國，他們的研究成果標(biāo)志著世界最頂端的技術(shù)。</p

40、><p>　　1）日本的移動機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀 日本智能移動機(jī)器人，現(xiàn)階段處于世界領(lǐng)先水平，例如在2002年3月公開的HRP-2人型機(jī)器人平臺，其直立高度約有5英尺，重量接近128磅，有30個自由度。HRP-2是為和人一同工作而設(shè)計，它可以和一個人合抬一塊大木板，透過感應(yīng)另一端由人施加的力和方向來掌握平衡；倘若跌倒亦能毫發(fā)無傷地再站起來，這是完成日常任務(wù)的一個基本能力。HRP-2公開之后快速進(jìn)入商業(yè)領(lǐng)域，合作開發(fā)公司

41、之一的Kawada曾經(jīng)出租這種機(jī)器人，作為實驗室的研發(fā)平臺。為鼓勵更多的機(jī)器人應(yīng)用開發(fā)，AIST同東京大學(xué)聯(lián)合開發(fā)了仿真和控制軟件－擬人化機(jī)器人開放平臺（Open HRP）。</p><p>　　2007年6月產(chǎn)綜研發(fā)表了新型的“HRP-3 Promet Mk-II”。這部機(jī)器人具備防塵功能，可在濕滑的路面行走，亦可遠(yuǎn)距離控制，或結(jié)合自主與遠(yuǎn)距控制的操作技術(shù)以擴(kuò)大其作業(yè)功能，并且能在戶外嚴(yán)苛環(huán)境中作業(yè)。未來在基礎(chǔ)

42、技術(shù)的穩(wěn)定性及降低成本等實用化的方向繼續(xù)開發(fā)。</p><p>　　2）美國移動機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀 美國在這一領(lǐng)域一直處于領(lǐng)先地位。美國麻省理工學(xué)院的工程師設(shè)計出一款能懸浮在海里的潛水機(jī)器人--“奧德賽４號”。 “奧德賽４號”是麻省理工學(xué)院西格蘭實驗室研發(fā)的小型人工智能潛水裝置“奧德賽”系列中的最新一款。</p><p>　　它能在最深達(dá)6000米的水下活動，并能停留在任何水流中，適時調(diào)整

43、自己的位置。同時，它還能行駛到預(yù)先設(shè)定的任何目的地。“奧德賽４號”不僅能簡單地觀察一個海底物體，還能像直升機(jī)那樣，在水下負(fù)重工作?，F(xiàn)在，利用這一裝置可以造訪油井、采樣并帶回到陸地上來。這款潛水機(jī)器人與其他類似裝置最大的區(qū)別在于它能在水中垂直下沉。此外，它的速度非?？?，每秒能移動約２米。這一研究成果將有助于海洋學(xué)家、石油公司和海洋考古學(xué)家的工作。</p><p>　　圖1-3 奧德賽４號</p>&

44、lt;p>　　3）德國移動機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　在06年德國世界杯上，德國政府派出了一款名為“偵探奧費(fèi)羅”的反恐機(jī)器人。這款名為“偵探奧費(fèi)羅”的機(jī)器人是一款游動的高智能安全機(jī)器人，可以偵測核、生物或化學(xué)武器的威脅。機(jī)器人上安裝了最新的感應(yīng)器，可以“嗅出”所有現(xiàn)今使用的戰(zhàn)爭毒氣、工業(yè)毒氣和放射性物質(zhì)。這種機(jī)器人的靈活操作度使得人們可以及時且精確地采取措施。所以，在重大災(zāi)難事件的迅速反應(yīng)和救援等

45、方面，“偵探奧費(fèi)羅”機(jī)器人能為受害者和營救人員提供更多的保護(hù)和協(xié)助。</p><p>　　毛蟲式的驅(qū)動器可以讓機(jī)器人在凹凸不平的表面保持非常靈巧的運(yùn)動?！皺C(jī)器偵探”的全部重量是65公斤，最長可以工作12小時。適應(yīng)的工作溫度是零下20℃到60℃之間。它們擁有像貓頭鷹一樣的全方位視角，探測頭可以活動360度，整合的LCD和熱紅外攝像機(jī)讓“偵探奧費(fèi)羅”機(jī)器人可以在實施闖入行動之前識別潛在的違法者。而這種探測活動不會受到

46、天氣、地面情況或突發(fā)移動的影響，范圍可以達(dá)到100米。</p><p>　　圖1-4 偵探奧費(fèi)羅</p><p><b>　　國內(nèi)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀</b></p><p>　　我國移動機(jī)器人是從八五年開始這方面研究。同世界主要機(jī)器人大國相比，盡管我國在移動機(jī)器人的研究起步比較晚，但是發(fā)展卻是很迅速。對于一些室外移動機(jī)器人的某些關(guān)鍵技術(shù)達(dá)到了或者接

47、近國際先進(jìn)水平。</p><p>　　國內(nèi)移動機(jī)器人主要研究成果如下：</p><p>　　清華大學(xué)的智能移動機(jī)器人THMR-III，V型機(jī)器人。</p><p>　　中科院沈陽自動化所的AGV自主車和防爆機(jī)器人。</p><p>　　香港城市大學(xué)的自動導(dǎo)航車及服務(wù)機(jī)器人。</p><p>　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)的導(dǎo)游機(jī)器

48、人。</p><p>　　中科院自動化所的全方位移動式機(jī)器人視覺導(dǎo)航系統(tǒng)國防科技大學(xué)的雙足機(jī)器人。</p><p>　　南京理工大學(xué)，北京理工大學(xué)，浙江大學(xué)等多所院校聯(lián)合研究的軍用室外移動機(jī)器人。</p><p>　　超聲波移動機(jī)器人設(shè)計方案的確定</p><p>　　超聲波移動機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計方案</p><p>

49、　　1）動力源的選擇：經(jīng)過初步考慮，對于智能移動機(jī)器人的動力源本文有以下三種選擇：直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、三相交流電機(jī)。</p><p>　　① 采用步進(jìn)電機(jī)作為該系統(tǒng)的驅(qū)動電機(jī)，由于步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動的角度可以精確控制，所以可以實現(xiàn)機(jī)器人前進(jìn)距離和位置的精確定位。雖然采用步進(jìn)電機(jī)有諸多優(yōu)點，但步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩較低，隨轉(zhuǎn)速的升高而下降，并且力矩在較高的轉(zhuǎn)速時會急劇下降，因此不適于機(jī)器人等對速度有一定要求的設(shè)計。<

50、/p><p>　?、?采用交流電機(jī)，交流電機(jī)分為同步電機(jī)與異步電機(jī)。異步電動機(jī)按照定子相數(shù)的不同分為單項異步電動機(jī)、兩相異步電動機(jī)和三相異步電動機(jī)。三相異步電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，成本低廉等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。同步電動機(jī)的主要運(yùn)行方式有三種，可以作為發(fā)電機(jī)，電動機(jī)，和補(bǔ)償機(jī)。同步電動機(jī)主要用來發(fā)電。作為電動機(jī)使用時可以調(diào)節(jié)功率因數(shù)，在不需要調(diào)速的情況下可以提高運(yùn)行效率。作為補(bǔ)償機(jī)器時，改變勵磁電流可以改

51、善電網(wǎng)功率因數(shù)，調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓。然而交流電機(jī)必須攜帶電源線，這對于機(jī)器人來說不太方便并且由于機(jī)器人在行駛過程中需要對速度進(jìn)行調(diào)整，而交流電機(jī)無法實現(xiàn)速度的變換。</p><p>　?、?系統(tǒng)采用直流電機(jī)。直流電機(jī)分為直流有刷電機(jī)和直流無刷電機(jī)，直流有刷電機(jī)需要用到傳統(tǒng)的機(jī)械換向，不耐用，容易損壞。而直流無刷電動機(jī)是以電子換向來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械換向，性能可靠、永無磨損、故障率低，壽命比有刷電機(jī)提高了約6倍，代表了電機(jī)

52、的發(fā)展方向。而且直流無刷電機(jī)是以自控式運(yùn)行的，所以不會象變頻調(diào)速下重載啟動的同步電機(jī)那樣在轉(zhuǎn)子上另加啟動繞組，也不會在負(fù)載突變時產(chǎn)生振蕩和失步。并且直流無刷電機(jī)屬靜態(tài)電機(jī)，空載電流小，還具有效率高、體積小、環(huán)保節(jié)能等眾多優(yōu)點。</p><p>　　綜上所述，本文選擇方案一直流無刷電機(jī)作為移動機(jī)器人的驅(qū)動電機(jī)。</p><p>　　2）減速方式的選擇 在智能移動機(jī)器人中可以用到的減速方式有

53、皮帶減速和齒輪減速。</p><p>　?、?采用皮帶減速。皮帶輪減速的優(yōu)點有：皮帶輪傳動能緩和載荷沖擊；皮帶輪傳動運(yùn)行平穩(wěn)、低噪音、低振動；皮帶輪傳動的結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整方便；缺點為皮帶輪傳動對于皮帶輪的制造和安裝精度不象嚙合傳動嚴(yán)格；傳動比低；皮帶輪傳動的兩軸中心距調(diào)節(jié)范圍較大，結(jié)構(gòu)不緊湊。</p><p>　?、诓捎谬X輪減速。利用齒輪進(jìn)行減速的優(yōu)點有：傳動精確；傳動效率高傳動比大；輸出轉(zhuǎn)

54、速恒定，無波動；缺點則為容易磨損；安裝精度要求比較高。</p><p>　　經(jīng)以上考慮本文選擇齒輪傳動作為機(jī)器人的傳動機(jī)構(gòu)。</p><p>　　3） 移動方式的選擇 現(xiàn)在常用的機(jī)器人移動方式有輪式移動和履帶式移動，兩種移動方式分別用于不同的場合，輪式用于平地較多，履帶多用于崎嶇不平的路面。輪式移動機(jī)器人的優(yōu)點是：反應(yīng)速度較快，可以做半徑很小的轉(zhuǎn)向，控制起來比較方便，精度較高；履帶式移動機(jī)

55、器人的與輪式移動機(jī)器人相比，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、轉(zhuǎn)向半徑小，不易控制。</p><p>　　本課題所研究的是室內(nèi)機(jī)器人，機(jī)器人不需要到崎嶇的路面上進(jìn)行移動。因此，選擇輪式結(jié)構(gòu)作為機(jī)器人的移動方式。 </p><p>　　移動式平臺分為差分移動平臺和導(dǎo)向驅(qū)動論輪式平臺，由于本次設(shè)計方案盤選用兩輪獨(dú)立驅(qū)動機(jī)構(gòu)，因此選擇差分移動平臺作為移動機(jī)器人的移動方式，即利用兩個輪子轉(zhuǎn)速的不同進(jìn)行轉(zhuǎn)向。</p&

56、gt;<p>　　綜上所述，選用直流無刷電機(jī)作為機(jī)器人的驅(qū)動源，皮帶減速作為機(jī)器人的減速方式，輪式移動作為機(jī)器人的移動方式，采用差分移動平臺作為機(jī)器人轉(zhuǎn)向平臺。</p><p>　　超聲波移動機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計方案</p><p>　　1）控制器模塊的選擇 機(jī)器人常用的控制模塊有PLC ，單片機(jī)。其中單片機(jī)包括有8位、16位、32位。</p><p>

57、;　?、俦疚募僭O(shè)采用可編程邏輯器PLC作為控制器。PLC可以實現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能、規(guī)模大、密度高、體積小、穩(wěn)定性高、IO資源豐富、易于進(jìn)行功能擴(kuò)展。采用并行的輸入輸出方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)模控制系統(tǒng)的控制核心。但本系統(tǒng)不需要復(fù)雜的邏輯功能，對數(shù)據(jù)的處理速度的要求也不是非常高。且從使用及經(jīng)濟(jì)的角度考慮本文放棄了此方案。</p><p>　?、谌缓蠹僭O(shè)采用Atmel公司的AT89C51單片機(jī)作為主

58、控制器。AT89C51是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，功能強(qiáng)大的微型計算機(jī)的可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)供給高性價比的解決方案。且此系列的單

59、片機(jī)可以在線編程、調(diào)試，方便地實現(xiàn)程序的下載與整機(jī)的調(diào)試。</p><p>　　綜上所述，本文選擇Atmel公司的AT89C51單片機(jī)作為智能機(jī)器人的主控制器。</p><p>　　2）電機(jī)驅(qū)動模塊選擇與論證 機(jī)器人常用的電機(jī)驅(qū)動模塊有電路控制和芯片控制。</p><p>　　第一種方案，采用分立組件組成的平衡式驅(qū)動電路，這種電路可以由單片機(jī)直接對其進(jìn)行操作，但由于

60、分立組件占用的空間比較大，還要配上兩個繼電器，考慮到機(jī)器人的空間問題，此方案不夠理想,本文決定放棄此方案。</p><p>　　第二種方案，采用芯片控制電機(jī)，因為機(jī)器人電機(jī)內(nèi)部裝有皮帶減速箱，考慮不需調(diào)速功能，采用市面易購的電機(jī)驅(qū)動芯片L298控制減速電機(jī)，該芯片是利用TTL電平進(jìn)行控制，通過改變芯片控制端的輸入電平，即可以對電機(jī)進(jìn)行正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止操作，亦能滿足直流減速電機(jī)的要求，用該芯片作為電機(jī)驅(qū)動具有的操作

61、方便、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。</p><p>　　綜合以上分析與論證本文選擇方案二的驅(qū)動芯片L298作為整個智能小車系統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動電路。</p><p>　　3）電源模塊的選擇 由于本系統(tǒng)需要電池供電，此次設(shè)計考慮了如下集中方案為系統(tǒng)供電。</p><p>　　方案1：采用8節(jié)1.5V干電池供電，電壓達(dá)到12V，經(jīng)穩(wěn)壓后給支流電機(jī)供電，然后將12V電壓再次降壓、穩(wěn)壓后給

62、單片機(jī)系統(tǒng)和其他芯片供電。但干電池電量有限，使用大量的干電池給系統(tǒng)調(diào)試帶來很大的不便，因此，放棄了這種方案。</p><p>　　方案2：采用3節(jié)4.2V可充電式鋰電池串聯(lián)共12.6V給直流電機(jī)供電，經(jīng)過電壓變換后給支流電機(jī)供電，然后將12V電壓再次降壓、穩(wěn)壓后給單片機(jī)系統(tǒng)和其他芯片供電。鋰電池的電量比較足，并且可以充電，重復(fù)利用，因此，這種方案比較可行。但鋰電池的價格過于昂貴，使用鋰電池會大大超出設(shè)計的預(yù)算，因

63、此，放棄了這種方案。</p><p>　　方案3：采用12V蓄電池為直流電機(jī)供電，將12V電壓降壓、穩(wěn)壓后給單片機(jī)系統(tǒng)和其他芯片供電。蓄電池具有較強(qiáng)的電流驅(qū)動能力以及穩(wěn)定的電壓輸出性能。雖然蓄電池的體積過于龐大，在小型電動車上使用極為不方便，但由于所設(shè)計的車體設(shè)計時留出了足夠的空間，并且蓄電池的價格比較低。因此我們選擇了此方案。</p><p>　　綜上考慮，本設(shè)計選擇了方案3利用蓄電池作

64、為機(jī)器人的電源模塊。</p><p>　　移動機(jī)器人的超聲波系統(tǒng)設(shè)計方案 </p><p>　　超聲波測距系統(tǒng)作為智能移動機(jī)器人的感知系統(tǒng)在當(dāng)前機(jī)器人的發(fā)展領(lǐng)域當(dāng)中有著良好的前景和發(fā)展趨勢，超聲波以其易于定向發(fā)射，方向性好，強(qiáng)度好控制等眾多優(yōu)點越來越多的被用于非接觸性測量當(dāng)中。在國際范圍內(nèi)，常用的超聲波定位系統(tǒng)有：基于天花板超聲波網(wǎng)絡(luò)的移動機(jī)器人全局定位，基于超聲波塔的移動機(jī)器人全局定

65、位，基于車載超聲波發(fā)射和接受器的定位【5】。</p><p>　　第一種定位方案：基于天花板超聲波網(wǎng)絡(luò)的移動機(jī)器人全局定位。 該定位方式是機(jī)器人上有倆個超聲波發(fā)射器，利用在天花板上若干超聲波接受器在機(jī)器人移動的過程中不斷地調(diào)整機(jī)器人前進(jìn)軌跡，該定位方式位置精確但需要做的準(zhǔn)備工作量太大，比較浪費(fèi)，因此放棄此方案。</p><p>　　第二種定位方案：基于超聲波塔的移動機(jī)器人全局定位。該定位方

66、式是由兩個超聲波發(fā)射器和一個紅外燈構(gòu)成，在移動機(jī)器人的頂部固定安裝兩個全向超生波接收器和紅外接收器。在墻壁上安裝超聲波燈塔，并使超聲波燈塔的高度與機(jī)器人超聲波接收器的高度相同。機(jī)器人前進(jìn)時利用紅外即計時超聲波測距從而得出機(jī)器人的位置。該方案同樣結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要求精度較高，成本大，因此放棄。</p><p>　　第三種定位方案：基于車載超聲波發(fā)射和接受器的定位。該方案超聲波發(fā)射器和接受裝置皆置于機(jī)器人上在機(jī)器人前進(jìn)的時

67、候不斷通過超聲波的發(fā)射和接受進(jìn)行避障方便快捷節(jié)省成本。</p><p>　　通過以上論證本文決定選用車載超聲波作為機(jī)器人的定位系統(tǒng) 。</p><p><b>　　移動機(jī)器人方案總結(jié)</b></p><p>　　綜上所述，移動機(jī)器人的總體方案為：選用直流無刷電機(jī)作為驅(qū)動源，利用齒輪進(jìn)行傳動減速，機(jī)器人采用兩輪獨(dú)立驅(qū)動機(jī)構(gòu)，采用差分驅(qū)動平臺實現(xiàn)機(jī)

68、器人的轉(zhuǎn)向?？刂葡到y(tǒng)采用AT89C51單片機(jī)作為控制機(jī)構(gòu)，電機(jī)驅(qū)動芯片采用L298進(jìn)行驅(qū)動，采用蓄電池對電機(jī)進(jìn)行供電。超聲波系統(tǒng)采用車載超聲波發(fā)射器進(jìn)行定位避障。</p><p>　　超聲波移動機(jī)器人機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計</p><p><b>　　電動機(jī)的確定</b></p><p>　　從機(jī)器人是實際運(yùn)動出發(fā)考慮，機(jī)器人的速度不能太快，否則會造成控

69、制部分來不及處理和發(fā)送信號，電機(jī)不能及時做出反應(yīng)，機(jī)器人在行進(jìn)的過程中不能實現(xiàn)避障功能，碰撞到障礙物而損壞的情況。因此，機(jī)器人的移動速度定為V=0.6M/S。機(jī)器人因為需要負(fù)重因此最大載重量為20KG。</p><p>　　所以機(jī)器人電機(jī)克服摩擦力的功率：</p><p>　　P = F·V （3-1）</p&

70、gt;<p>　　=0.4*20*9.8*0.6</p><p><b>　　=47.04W</b></p><p>　　因為機(jī)器人是兩輪獨(dú)立驅(qū)動，所以每個電機(jī)克服摩擦的功率是23.52W，另外考慮到啟動加速、上下坡和其他自然因素，因此每個直流無刷電機(jī)的功率定位30W。進(jìn)過理論和實踐證實30W的直流無算電機(jī)可以驅(qū)動總載重為20KG的機(jī)器人。</p&

71、gt;<p>　　進(jìn)過篩選由北京精密電機(jī)控制系統(tǒng)有限公司生產(chǎn)的型號為BL3543的直流無刷電機(jī)最符合設(shè)計要求</p><p><b>　　減速器的確定</b></p><p>　　基于機(jī)器人底盤考慮，兩個驅(qū)動輪的半徑R=100mm。</p><p>　　機(jī)器人移動的速度為0.5M/S，</p><p>　　

72、由此可以得出，機(jī)器人在前進(jìn)的過程中輪子的角速度</p><p>　　ω=V/R=300rad/min （3-2）</p><p><b>　　ω=2πn</b></p><p><b>　　所以nR/min</b></p><p>　　因為電機(jī)的輸出空載轉(zhuǎn)速最

73、高時200R/min，實際負(fù)載轉(zhuǎn)速為150R/min，所以減速比i=3符合漸開線圓柱齒輪的傳速比要求。</p><p>　　因此齒輪小輪的轉(zhuǎn)速 =150R/min （3-3）</p><p>　　根據(jù)傳動比可得大輪轉(zhuǎn)速 = （3-4）</p>

74、<p><b>　　=</b></p><p><b>　　=50r/min</b></p><p><b>　　與上述計算基本吻合</b></p><p>　　齒輪的赤廓角查設(shè)計手冊取一般值</p><p>　　齒頂高系數(shù)經(jīng)查設(shè)計手冊取標(biāo)準(zhǔn)值=1</p>

75、<p><b>　　頂隙系數(shù)=0.25</b></p><p>　　齒輪模數(shù)m在強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)允許的條件下，應(yīng)選擇較小的模數(shù)，</p><p>　　查表選擇模數(shù)為1.75</p><p>　　小輪齒數(shù)在中心距一定時，應(yīng)選擇用較多的齒數(shù)，可以提高重合度，使傳動平穩(wěn)，減少噪聲，模數(shù)的減少，還可以減少齒輪重量和切削量，提高抗膠合性能，經(jīng)查閱

76、設(shè)計手冊取一般值20。</p><p>　　因此大輪齒數(shù) (3-5)</p><p><b>　　=20*3</b></p><p><b>　　=60</b></p><p>　　所以齒數(shù)比

77、 =3</p><p>　　輪分度圓直徑 (3-6)</p><p><b>　　=20*1.75</b></p><p><b>　　=35mm</b></p><p>　　大輪分度圓直徑

78、 (3-7) </p><p><b>　　=60*1.75</b></p><p><b>　　=105mm</b></p><p>　　齒輪寬度查設(shè)計手冊齒寬系數(shù)0.6mm</p><p>　　所以，小齒輪齒寬54mm，

79、大齒輪齒寬27mm。</p><p>　　齒輪軸為圓截面軸，對于圓截面軸，扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為：</p><p><b>　?。?-8） </b></p><p><b>　　設(shè)計公式： </b></p><p><b>　?。?-9）</b></p><p>

80、;　　其中扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力， P 為軸傳遞的功率， n為軸的轉(zhuǎn)速。</p><p>　　當(dāng)截面開有鍵槽的時候應(yīng)增大軸徑 5 — 7%。</p><p>　　可以用第三強(qiáng)度理論求出危險截面的當(dāng)量應(yīng)力，其強(qiáng)度大小為：</p><p><b>　　（3-10）</b></p><p><b>　　設(shè)計公式 </b&

81、gt;</p><p><b>　?。?-11）</b></p><p>　　經(jīng)計算，小齒輪的最小徑選擇為10mm大齒輪軸的最小直徑為16mm</p><p>　　設(shè)計軸時應(yīng)該注意的幾個問題【6】：</p><p>　　1）要合理選擇危險剖面。由于軸的各剖面的當(dāng)量彎矩和直徑不同，因此軸的危險剖面在當(dāng)量彎矩較大或軸的直徑較

82、小處，一般選取一個或二個危險剖面核算；</p><p>　　2）若驗算軸的強(qiáng)度不夠，則可用增大軸的直徑、改用強(qiáng)度較高的材料或改變熱處理方法等措施來提高軸的強(qiáng)度；若比小很多時，是否要減小軸的直徑，應(yīng)該綜合考慮其它因素而定。</p><p>　　機(jī)器人連接方式的確定</p><p>　　圖3-1 機(jī)器人連接方式</p><p>　　機(jī)器人的下位

83、子機(jī)構(gòu)的連接方式如圖3-1所示，電機(jī)輸出軸和減速箱的輸入軸之間由聯(lián)軸器相連，經(jīng)過減速箱齒輪減速后，由減速箱輸出軸輸出，與驅(qū)動輪軸以聯(lián)軸器相連，驅(qū)動輪與軸之間由法蘭連接固定。</p><p><b>　　圖3-2 聯(lián)軸器</b></p><p>　　聯(lián)軸器采用普通凸緣聯(lián)軸器【7】，其特點主要有：</p><p>　　一、是把原動機(jī)和工作機(jī)械的軸聯(lián)

84、接起來并傳遞扭矩；</p><p>　　二、是可以適當(dāng)補(bǔ)償兩根軸因制造、安裝等因素造成的徑向軸向和角向誤差；</p><p>　　三、安全聯(lián)軸器當(dāng)發(fā)生過載時，聯(lián)軸器打滑或銷子斷開以保護(hù)工作機(jī)械；</p><p>　　四、彈性聯(lián)軸器還有緩沖、減振和提高軸系動態(tài)性能的作用。</p><p>　　經(jīng)設(shè)計機(jī)器人的結(jié)構(gòu)顯示如下圖：</p>

85、<p>　　3-3 機(jī)器人裝配圖1</p><p>　　3-4 機(jī)器人裝配圖2</p><p>　　超聲波移動機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計</p><p><b>　　機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)方程</b></p><p>　　本文研究的雙輪驅(qū)動式移動機(jī)器人是由一個移動平臺和兩個獨(dú)立驅(qū)動的驅(qū)動輪組成的 。移動平臺上有兩個獨(dú)立的驅(qū)動

86、輪，該種機(jī)構(gòu)組成簡單，而且旋轉(zhuǎn)半徑可從0到無限大，任意設(shè)定。當(dāng)旋轉(zhuǎn)半徑為0時，由于能繞本體中心旋轉(zhuǎn)，所以有利于在狹窄場所改變方向。因此針對雙輪驅(qū)動式移動機(jī)器人運(yùn)動特點，設(shè)計出機(jī)器人的控制方法，通過控制兩個驅(qū)動輪的驅(qū)動力矩，可以實現(xiàn)控制移動機(jī)器人沿給定的軌跡運(yùn)動【8】。</p><p>　　研究的雙輪驅(qū)動式移動機(jī)器人的幾何模型如圖4.l所示。</p><p><b>　　主要參數(shù)如

87、下：</b></p><p>　　F一移動平臺上的關(guān)鍵點；G一移動平臺的質(zhì)心；b一兩個驅(qū)動輪之間的距離；r一驅(qū)動輪的半徑；l一點G與點F之間的距離；φ 一平臺的轉(zhuǎn)角；θ 一左驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)角；θ一右驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)角。</p><p>　　圖4-1 雙輪驅(qū)動式移動機(jī)器人幾何模型</p><p>　　移動平臺質(zhì)心的速度為 v，它垂直于平臺的輪軸，因此它在兩個坐標(biāo)軸上

88、的分量分別為：</p><p>　　和 (4-1)</p><p>　　消去 得如下關(guān)系式：</p><p><b>　　(4-2)</b></p><p>　　點F與點G有如下位置關(guān)系：</p><p><b>　　(4-3)<

89、;/b></p><p><b>　　(4-4)</b></p><p>　　對(3)和(4)求導(dǎo)可得如下速度關(guān)系：</p><p><b>　　(4-5)</b></p><p><b>　　(4-6)</b></p><p>　　F點的速度關(guān)系

90、可以表示為：</p><p><b>　　(4-7)</b></p><p>　　平臺質(zhì)心的速度與驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速的關(guān)系式為：</p><p>　　和 (4-8)</p><p>　　可以得到矩陣表達(dá)式：</p><p><b>　　(4-9)&l

91、t;/b></p><p>　　因為 </p><p>　　其中 </p><p>　　所以 （4-10）</p><p>　　J定義為雙輪驅(qū)動式移動機(jī)器人

92、的矩陣(4-10)，反映雙輪驅(qū)動式移動機(jī)器人關(guān)鍵點的速度與驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，同時也反映雙輪驅(qū)動式移動機(jī)器人關(guān)鍵點的作用力與驅(qū)動輪的驅(qū)動力之間的關(guān)系。</p><p><b>　　單片機(jī)控制系統(tǒng)</b></p><p>　　AT89C51單片機(jī)</p><p>　　AT89C51單片機(jī)【9】最小系統(tǒng)是超聲波測距儀的核心部分。它是一種帶4K字

93、節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案

94、。</p><p>　?。?）AT80C51的主要性能包括：</p><p>　　1)與MCS-51 兼容 ;</p><p>　　2)4K字節(jié)可編程閃爍存儲器; </p><p>　　3)壽命：1000寫/擦循環(huán);</p><p>　　4)數(shù)據(jù)保留時間：10年;</p><p>　　5)全靜態(tài)

95、工作：0Hz-24Hz;</p><p>　　6)三級程序存儲器鎖定</p><p>　　7)128*8位內(nèi)部RAM;</p><p>　　8)32可編程I/O線;</p><p>　　9)兩個16位定時器/計數(shù)器;</p><p>　　10)5個中斷源 ;</p><p>　　11)可編程串行

96、通道;</p><p>　　12)低功耗的閑置和掉電模式 ;</p><p>　　13)片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 </p><p>　　（2）AT89C51內(nèi)部分工：</p><p>　　AT89C51內(nèi)部有256個字節(jié)的RAM，地址范圍是00H-FFH，但實際提供給用戶使用的只有128個字節(jié)（00H-7FH），另128個字節(jié)(80H-FFH)是

97、特殊寄存器區(qū)。除ROM和RAM外，芯片內(nèi)部還有三個16位的定時器/計數(shù)器。在本系統(tǒng)中定時器T0用來計時，定時器T1用來做波特率發(fā)生器。</p><p><b>　　復(fù)位電路設(shè)計</b></p><p>　　復(fù)位電路目的：在需要的時候，單片機(jī)復(fù)位，保證正常的工作循環(huán)【10】。</p><p>　　復(fù)位電路有各種各樣，但是工作環(huán)境惡劣，復(fù)位電路要求

98、嚴(yán)格，本系統(tǒng)中采用MAX5045芯片專做復(fù)位芯片。</p><p><b>　　如圖4-2所示：</b></p><p>　　X5045最主要特點有：</p><p>　　1) 512字節(jié)串行EEPROM；</p><p>　　2) 集成了可編程看門狗定時器（可設(shè)定看門狗超時時間，典型時間200ｍｓ，600ｍｓ，1.4ｓ

99、或禁止）；</p><p>　　3) 上電復(fù)位及低電壓檢測，即在上電和VCC低于檢測門限時，輸出復(fù)位信號。X5045輸出復(fù)位高電平有效，X5043輸出復(fù)位電平低有效，確保直至VCC=1V復(fù)位信號仍有效 ；</p><p>　　4) 編程的復(fù)位門限。需加高電壓（15-18V加在WP引腳）及一個專門時序</p><p>　　5) SP1接口方式，最高可達(dá) 1MHZ串行時

100、鐘頻率；</p><p>　　6) 低功耗CMOS電路（備用電流10PA、工作電流3MA）；</p><p>　　7) 功耗低，通信速度快（最高3.3HZ，X5045/3為1MHZ）已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。</p><p>　　圖4-2 X5045引腳圖</p><p><b>　　穩(wěn)壓芯片</b></p>&l

101、t;p>　　穩(wěn)壓電路選用7812芯片，采用兩片7812將電壓穩(wěn)壓至12V后給直流電機(jī)供電，然后采用一片7809將電壓穩(wěn)定至9V，最后經(jīng)7805將電壓穩(wěn)至5V，給單片機(jī)系統(tǒng)和其他芯片供電，但7809和7805壓降過大，使7809和7805消耗的功率過大，導(dǎo)致7809和7805發(fā)熱量過大，于是放棄這種方案。</p><p>　　采用兩片7812將電壓穩(wěn)壓至12V后給直流電機(jī)供電，然后采用2576將電壓穩(wěn)至5V。

102、2576的輸出電流最大可至3A，完全滿足系統(tǒng)要求。</p><p><b>　　電機(jī)驅(qū)動電路系統(tǒng)</b></p><p>　　L298采用16引腳DIP封裝，其內(nèi)部集成了雙極型H-橋電路【11】，所有的開量都做成n型。這種雙極型脈沖調(diào)寬方式具有很多優(yōu)點，如電流連續(xù)；電機(jī)可四角限運(yùn)行；電機(jī)停止時有微振電流，起到“動力潤滑”作用，消除正反向時的靜摩擦死區(qū)：低速平穩(wěn)性好等。

103、</p><p>　　L298通過內(nèi)部邏輯生成使能信號。H-橋電路的輸入量可以用來設(shè)置馬達(dá)轉(zhuǎn)動方向，使能信號可以用于脈寬調(diào)整（PWM）。另外，L298將2個H-橋電路集成到1片芯片上，這就意味著用1片芯片可以同時控制2個電機(jī)。每1個電機(jī)需要3個控制信號EN12、IN1、IN2，其中EN12是使能信號，IN1、IN2為電機(jī)轉(zhuǎn)動方向控制信號，IN1、IN2分別為1，0時，電機(jī)正轉(zhuǎn)，反之，電機(jī)反轉(zhuǎn)。選用一路PWM連接E

104、N12引腳，通過調(diào)整PWM的占空比可以調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速。選擇一路I/O口，經(jīng)反向器74HC14分別接IN1和IN2引腳，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。</p><p><b>　　超聲波測距算法</b></p><p><b>　　超聲波應(yīng)用的可行性</b></p><p>　　超聲波技術(shù)的聲學(xué)特性早已為人們所認(rèn)識。但是把超聲波技術(shù)運(yùn)用

105、到工業(yè)測量中，則是近二十年年來的事情，隨著微電腦及電子技術(shù)的發(fā)展，對超聲波信號發(fā)射、捕捉及處理手段的日益完善才得以實現(xiàn)的。目前，超聲波測距儀和超聲波流量計已被廣泛使用。</p><p>　　超聲波是指頻率超過20kHz的聲波。為了充分認(rèn)識超聲儀表，有必要了解其相關(guān)的特性【12】：</p><p>　　1）聲速特性：超聲波可以在固體、液體和氣體中以不同的速度進(jìn)行傳播，其速度受介質(zhì)溫度、壓力等

106、因素的影響，但在相同外部環(huán)境下，超聲波在同一介質(zhì)中的傳播速度是一常數(shù)。這是所有超聲儀表進(jìn)行測量的基礎(chǔ)。</p><p>　　2）反射特性：超聲波從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時，由于兩種介質(zhì)密度不同，因而在兩種介質(zhì)分界面，其方向傳播會發(fā)生改變：其中一部分折射入另一種介質(zhì)，另一部分被反射回來。當(dāng)超聲波以氣體傳播到固體或液體時，由于兩種介質(zhì)密度相差懸殊，聲波幾乎全部被反射，超聲波物位計充分利用了這一特性。當(dāng)超聲波以固體傳播

107、到液體（或反過來）時，聲波因為傳播的介質(zhì)密度相近而幾乎全部折射，超聲波流量計則利用了這一特性。</p><p>　　3）衰減特性：超聲波在傳播過程中，由于受介質(zhì)和介質(zhì)中雜質(zhì)的阻礙或吸收，其強(qiáng)度會產(chǎn)生衰減。不論是超聲波流量計還是超聲波物位計，對所接受的聲波強(qiáng)度都有一定要求，所以都要對各種衰減進(jìn)行抑制。</p><p><b>　　超聲波的產(chǎn)生和接收</b></p&

108、gt;<p>　　以超聲波為檢測手段，包括有發(fā)射超聲波和接收超聲波，并將接收的超聲波轉(zhuǎn)換成電量輸出的裝置稱為超聲波傳感器。習(xí)慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。常用的超聲波傳感器有兩種，即壓電式超聲波傳感器(或稱壓電式超聲波探頭)和磁滯式超聲波傳感器。本實驗采用的是壓電式超聲波傳感器，主要由超聲波發(fā)射器(或稱發(fā)射探頭)和超聲波接收器(或稱接收探頭)兩部分組成，它們都是利用壓電材料(如石英、壓電陶瓷等)的壓電效應(yīng)進(jìn)行工作的。利

109、用逆壓電效應(yīng)將高頻電振動轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動，產(chǎn)生超聲波，以此作為超聲波的發(fā)射器。而利用正壓電效應(yīng)將接收的超聲振動波轉(zhuǎn)換成電信號，以此作為超聲波的接收器【13】。 </p><p>　　人能聽到的聲音頻率為：20Hz~20kHz，即為可聽聲波，超出此頻率范圍的聲音，即20Hz以下的聲音稱為低頻聲波，20kHz以上的聲音稱為超聲波。超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強(qiáng)。為此，利用超聲波的這種性

110、能就可制成超聲波傳感器。另外，超聲波在空氣中的傳播速度較慢，為340m／s，這就使得超聲波傳感器使用變得非常簡單。本次設(shè)計選用壓電式超聲波傳感器。它的探頭常用材料是壓電晶體和壓電陶瓷，是利用壓電材料的壓電效應(yīng)來工作的。逆壓電效應(yīng)將高頻電振動轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動，從而產(chǎn)生超聲波，可作為發(fā)射探頭；而利用正壓電效應(yīng)，將超聲振動波轉(zhuǎn)換成電信號，可作為接收探頭。</p><p><b>　　超聲波的產(chǎn)生</b

111、></p><p>　　超聲波屬于機(jī)械波，由于物體機(jī)械振蕩產(chǎn)生的。目前產(chǎn)生和接收的超聲波的器件通常采用壓電晶體作為換能器。壓電晶體具有兩種可你的能量轉(zhuǎn)變效應(yīng)即在交變電場的作用下導(dǎo)致厚度的交替改變從而產(chǎn)生聲震動，即由電能轉(zhuǎn)變?yōu)槁暷埽Q為逆壓電效應(yīng)；相反，有聲波的壓力變化使壓電晶體兩端的電極隨聲波的壓縮與弛張發(fā)生正負(fù)電位交替變化，稱為正壓電效應(yīng)。如圖5.1所示.在逆壓電效應(yīng)中，壓電晶體稱為超聲發(fā)生器，在正壓電效

112、應(yīng)中，壓電晶體稱為回聲發(fā)生器。</p><p><b>　　圖5-1 壓電效應(yīng)</b></p><p>　　1）壓電式超聲波發(fā)生器原理</p><p>　　壓電式超聲波發(fā)生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5.2所示，它有兩個壓電晶片和一個共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將