課程設計作品自動循跡測距機器人

1、課程設計作品：自動循跡測距機器人李少鵬 于青 李世杰一、系統(tǒng)設計目的及用途： 在某些情況下，對某些路徑的測量無法用一般的工具實現(xiàn)。比如，不規(guī)則的曲線路徑，或者高低起伏的路面，都不能用普通的測距工具輕易實現(xiàn)。在這種情況下，我們便可以使用輪式機器人來沿著待測的軌跡行走，同時實時地記錄所走的路程。這樣就可以測量曲線的長度。二、系統(tǒng)設計思想：作為可移動式機器人，我們的作品對功耗和移動性能要求較高。作為測量工具，它又對準確性要求較高。所以，無論是硬件的選擇，還是軟件的設計都以精確、節(jié)能和節(jié)約為核心準則。三、系統(tǒng)設計功能原理:1、 循跡的原理：本項目使用黑白反襯底面和紅外探測法，即利用紅外線在不同顏色的物

2、體表面具有不同的反射性質的特點，在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當紅外光遇到白色紙質地板時發(fā)生漫反射，反射光被裝在小車上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，小車上的接收管接收不到紅外光。單片機就是否收到反射回來的紅外光為依據來確定黑線的位置和小車的行走路線。紅外探測器探測距離有限，一般最大不應超過3cm。2、模塊選擇方案：自動循跡測距機器人主要由六個模塊構成：車體框架、電源、主控模塊、邏輯模塊、探測模塊、電機驅動模塊組成。 各模塊分述如下：A、車體框架：在設計車體框架時，我們有兩套起始方案，自己制作和直接購買玩具電動車。方案一: 自己制作輪式底盤。使用兩普通電機作驅動，萬向輪改變

3、方向，框架用廢舊鐵片焊接。但這樣不但制作復雜、單個電機很難買到，而且質量較差且不夠美觀。方案二: 購買成品底盤。這種方案花費較大，但節(jié)省時間和精力，質量有保障。所以，我們選擇后者。B、電源：由于機器人對機動性的要求較高，我們選擇四節(jié)普通干電池作電源。因為它資源廣泛，成本較低，而且我們的機器人功耗較小,mega16、光電開關、小車電機對于供電電壓要求并不苛刻，完全可以用干電池供電。C、主控模塊：本項目使用統(tǒng)一配置的Mega16芯片作為主控模塊的核心。Mega16是高性能、低功耗的8位AVR微處理器，具有先進的RISC結構，內部集成兩個具有獨立預分頻器和比較器功能的8位定時器/計數器和一個具有預分

4、頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時器/計數器?？赏ㄟ^JTAG對MCU進行程序燒寫及仿真。內置晶振，使用方便。D、邏輯模塊：示意圖如下：E、探測模塊：方案一：使用視頻采集處理裝置進行探測使用CCD實時采集小車前進路線上的圖像并進行實時傳輸及處理，這是最精確的軌跡信息采集方案，可以對軌跡進行精確定位和測距。但是使用視頻采集會大大增加小車成本和設計開發(fā)難度，而且考慮到我們小車行進轉彎的精確度并未達到視頻處理的精度，因而使用視頻采集在實際應用中是個很大的浪費，所以我們放棄了這一方案。方案二：使用光電對管探測光電對管價格低廉，性能穩(wěn)定，探測距離一般不超過3cm。我們采用普通直流電機作為原動力，車子速度

5、不大，停止時慣性滑動的距離小，可以達到預定的精度，因此我們選擇此方案。示意圖如下：F、電機驅動模塊：方案一：使用分立元件搭建電機驅動電路使用分立元件搭建電機驅動電路造價低廉，在大規(guī)模生產中使用廣泛。制作過程中，老師曾建議我們使用此方案，但我們考慮到分立元件H橋電路工作性能不夠穩(wěn)定，較易出現(xiàn)硬件上的故障，而且組裝成本也很高，故我們放棄了這一方案。方案二：使用L298N芯片驅動電機L298N是一個具有高電壓大電流的全橋驅動芯片，輸出電壓最高可達50V，可以直接通過電源來調節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機的IO口提供信號，而且?guī)в惺鼓芏耍奖鉖WM調速，電路簡單，性能穩(wěn)定，使用比較方便。L298N芯片可

6、以驅動兩個二相電機，也可以驅動一個四相電機，正好符合我們小車兩個二相電機的驅動要求，價格也比較合理。控制示意圖如下：最終方案如下：使用干電池組對系統(tǒng)供電，成品電動車作為底座，采用Mega16L作為主控芯片，用光電開關進行障礙物探測，使用L298N驅動直流電機。邏輯關系處理使用74L系列芯片完成。系統(tǒng)電路圖：四、所用全部硬件資源： 增強版ATMega 16L開發(fā)板（進行程序的初步調試） 簡版JTAG仿真器（程序的下載和仿真） 圓夢小車底盤,電動車小馬達2個，碼盤采樣器兩個，電容兩個 光電開關3只 Mega 16L單片機1片 L298N電機驅動芯片、散熱片各1片 74LS10芯片1片 4148二極

7、管8只 萬用板2塊 5.1K電阻8只，150電阻5只，滑動變阻器5只 LED四位七段數碼管1個 40引腳底座1只，14引腳底座2只電池盒2只 干電池8節(jié) 列裝排線、插針等五、軟件資源：1、 循跡工作流程：2、 測距工作流程：五、系統(tǒng)功能及指標參數測試1、系統(tǒng)實現(xiàn)功能：沿著預定軌跡行進：測量并顯示所走路徑的路程。2、系統(tǒng)主要參數測試：給光電對管供電，讓其在帶有黑色軌跡的白色地板上運行，自動尋跡，在軌跡的末端自動停止。并開始顯示所測距離，測距過程在運行過程中完成。六、參考資料：1. ；2.AVR單片機嵌入式系統(tǒng)原理與應用實踐，馬潮 編著，北京航空航天大學出版社；3.AVR單片機C語言開發(fā)入門指導，沈文、Eagle Lee、詹衛(wèi)前 編著，清華大學出版社；4.