機(jī)器人行走路線的測量顯示與控制

機(jī)器人行走路線的測量顯示與控制一、 課題簡介機(jī)器人采用前輪雙電機(jī)驅(qū)動，在圖1所示藍(lán)底有白線的場地上按指定路線行進(jìn)，因為存在各種干擾因素，比如機(jī)器人開始擺放位置的不準(zhǔn)，兩個步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動偏差等，導(dǎo)致采用開環(huán)的機(jī)器人前進(jìn)系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。為了能保證機(jī)器人能沿寬3cm的白線以近似直線的軌跡行走，引入一個閉環(huán)的檢測系統(tǒng)。具體設(shè)計思路圖2所示。圖1機(jī)器人行走路線示意圖圖圖1機(jī)器人行走路線示意圖圖2測試系統(tǒng)具體實現(xiàn)框圖二、 系統(tǒng)各子模塊原理及設(shè)計說明2.1傳感器模塊：2.1.1傳感器選用傳感器選用為對紅光敏感的硅光電池BPW34，紅色的發(fā)光二極管，電阻，擋光板，5V電源。此傳感器模塊由多組傳感器組成，先說明單元傳感器的工作原理：因為地面為藍(lán)色的，所以采用對紅光敏感的硅光電池，如圖3所示，紅色的發(fā)光二極管向地面發(fā)射紅光，遇到白色的地面時，因為白色將所有顏色的光都反射，所以會將紅色發(fā)光二極管發(fā)射的紅光都反射，硅光電池對紅光敏感，其兩側(cè)的電壓值會升高。而當(dāng)該傳感器在藍(lán)色的地面上方時，因為藍(lán)色只反射藍(lán)色的光，而把其他顏色的光都吸收，所以硅光電池兩端的電壓值不會發(fā)生變化。這樣便達(dá)到了對白色和藍(lán)色的識別。

2.1.2.傳感器模塊的整體設(shè)計：以單元傳感器模塊為單位，圖4中以圓圈表示，構(gòu)成兩排平行的傳感器組。每兩個傳感器單元間隔1厘米（暫定，還需實驗以確定最佳的距離），用以較精確的調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速。通過對高電平的幾個傳感器的位置檢測，就可計算出機(jī)器人的偏移角度和偏移距離，具體方法會在編程階段列出。圖4傳感器設(shè)計示意圖放大電路模塊：2.2.1.元器件的選用：LM324，電阻2.2.2．原理說明因為硅光電池兩邊電壓變化的絕對值較小，所以需要采用放大電路進(jìn)行放大電路圖如圖5所示。圖5放大電路圖D/A轉(zhuǎn)換模塊：元器件的選用：LM324，電阻，滑動變阻器原理說明：因為要將電壓信號輸入到單片機(jī)當(dāng)中處理，所以要用數(shù)字信號利用一個比較器即可實現(xiàn)該功能。電路原理如圖6所示：圖6圖6電路原理圖總體電路圖以及pcb板如下：Ct■I 1I~*~—QQtk-'-*irsiwi—I——f——g?4?--nrf^￡一U二上口r一対k-Ct■I 1I~*~—QQtk-'-*irsiwi—I——f——g?4?--nrf^￡一U二上口r一対k-H---^1'C---出kl^-，一Ijl^faFi_TnjrB■???2.3單片機(jī)2.3.1.元器件的選用：74LS243,74LS154，單片機(jī)型號：C8051f3102.3.2.原理說明：因為該測試系統(tǒng)的運(yùn)算量較大，所以計劃用兩塊單片機(jī)進(jìn)行串行通信來實現(xiàn)功能。低一級單片機(jī)主要用于數(shù)據(jù)采集及分析，將結(jié)果傳給高一級單片機(jī)，高一

級單片機(jī)用于向顯示模塊以及電機(jī)運(yùn)控器輸出信號。因為單元傳感器的數(shù)量比較多，而單片機(jī)又沒有那么多的I/O口，所以要采用掃描的形式讀入數(shù)據(jù)。具體做法：將8個傳感器單元分成一組，每組通過一個74LS245形成總線，再用74LS154（4-16譯碼器）選通，在很短的時間內(nèi)掃描一圈。單片機(jī)接受到這些信號后進(jìn)行運(yùn)算，再將偏移的角度值及方向向高一級單片機(jī)輸出。電路圖及pcb如下：以上為第一次硬件調(diào)試的方案。經(jīng)過試驗得知：用這么多的傳感器單元，第一是沒有必要，因為循線系統(tǒng)做得比較好的情況下不會偏移這么多。第二，電源的負(fù)載太大，導(dǎo)致電路工作不穩(wěn)。所以經(jīng)過調(diào)整，方案改進(jìn)為前后兩排各用8個傳感器單元，這樣就不用經(jīng)過總線，直接接入單片機(jī)即可。單片機(jī)控制部分采用主從結(jié)合的方式。從單片機(jī)負(fù)責(zé)采集傳感器的信號，將處理過的信號傳給主單片機(jī)，主單片機(jī)接收到從單片機(jī)的信號后通過一套算法對電機(jī)進(jìn)行及時地控制，保證車體能沿著直線前進(jìn)。電機(jī)控制模塊：所以經(jīng)過調(diào)整，方案改進(jìn)為前后兩排各用8個傳感器單元，這樣就不用經(jīng)過總線，直接接入單片機(jī)即可。單片機(jī)控制部分采用主從結(jié)合的方式。從單片機(jī)負(fù)責(zé)采集傳感器的信號，將處理過的信號傳給主單片機(jī)，主單片機(jī)接收到從單片機(jī)的信號后通過一套算法對電機(jī)進(jìn)行及時地控制，保證車體能沿著直線前進(jìn)。電機(jī)控制模塊見圖8。元器件的選用：電機(jī)運(yùn)控器：MCDC2805原理說明：成套設(shè)備，編程即可，選用步進(jìn)模式程序如下：PROGSEQ開始輸入STEPMOD2選擇步進(jìn)模式STEPMOD2選擇步進(jìn)模式STW5設(shè)置步寬STW5設(shè)置步寬STN1000設(shè)置步數(shù)STN1000設(shè)置步數(shù)AV30000設(shè)置加速度SP30000設(shè)置最大速度RERIN將故障輸出端設(shè)置為方向控制端END程序輸入完畢AV30000設(shè)置加速度SP30000設(shè)置最大速度RERIN將故障輸出端設(shè)置為方向控制端END程序輸入完畢其中：步寬：每輸入一個脈沖電機(jī)走的步數(shù)步數(shù)：每旋轉(zhuǎn)一圈所需要前進(jìn)的步數(shù)，等于360度除以步進(jìn)角圖8電機(jī)控制模塊電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)=輸入脈沖數(shù)*步寬/步數(shù)因為采用的是步進(jìn)模式，且用的是PWM波控制的速度，所以在后續(xù)的處理中，要有頻率信號發(fā)生器。將采用單片機(jī)的兩個定時器中斷分別控制兩個電機(jī)。顯示模塊：顯示模塊見圖9。用于顯示每個傳感器當(dāng)前的狀況。因為比較電壓是需要根據(jù)場地情況進(jìn)行調(diào)解的，所以用燈做指示會便于調(diào)整。并且能夠及時地發(fā)現(xiàn)錯誤情況。圖9顯示模塊采用的是共陰極的方式，因為是高電平有效，如果采用一般的陽極方式還要加非門，所以直接用共陰的方式了。

除此之外，顯示板還能指出目前車體是向左還是向右偏。（此功能是利用單片機(jī)處理數(shù)據(jù)后得到的）三、 實物圖系統(tǒng)的實物圖見圖10。圖10系統(tǒng)實物圖123450x80|0xc0|0x400x60|0x20|0x300x10 | 0x18 | 0x080x0c|0x04 |0x060x02 |0x03 |0x0110x80OxcO0x40BO11100000x70B011100010x71B011100100x72B011100110x73B011101000x7420x600x200x30B011101010x75B01110110x76B011101110x77B011110000x78B011110010x7930x100x180x08B01111010Ox7AB01111011Ox7BBllllllll0x30B11111011OxFBB11111010OxFA40x0c0x040x06B111110010xF9B111110000xF8B111101110xF7B111101100xF6B111101010xF550x020x030x01B111101000xF4B111100110xF3B111100100xF2B11110001OxFlB11110000OxFO左■右圖11調(diào)速圖四、算法及程序算法上，采用分級調(diào)速的方法。當(dāng)偏差角度較小的時候，速度差也會調(diào)得較小。當(dāng)偏差角度較大的時候，速度差調(diào)得會較大，調(diào)整時間也會變長。這樣調(diào)整的量就會增大。通過分級調(diào)速，機(jī)器人可以在較短的時間內(nèi)將偏差糾正過來。程序見附件。下面簡要說明一下上面的表格，前排傳感器按照順序接在P1口，后排傳感器按照順序接在P2口。1表示燈亮，即該傳感器踩在了直線上，再將對應(yīng)的2進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)化為16進(jìn)制數(shù)，便可得到上面的許多種情況。調(diào)速圖見11。再根據(jù)不同的情況對電機(jī)進(jìn)行不同的調(diào)速，使小車保證能沿直線行走。五、體會通過這次課設(shè)，我將硬件電路設(shè)計和軟件調(diào)試等過程基本上過了一遍。對測量及技術(shù)等有了進(jìn)一步的了解。對自己也是一次鍛煉。從發(fā)現(xiàn)問題到解決問題的過程是很值得回味的。其中尤其遇到了許多不可理解的問題，比如在調(diào)試單片機(jī)子模塊時,UART串行傳輸本來是成功了的，但是過了1個月等我要使用的時候,卻發(fā)現(xiàn)出了問題，單片機(jī)不能識別?；艘粋€多星期的時間調(diào)仍然沒有調(diào)出來，最后不得不改用并行。除此之外我感受最深的就是,在所有的過程當(dāng)中,硬件是最基本也是最難調(diào)的。本來做一套硬件的時間周期就長,再加上有許多時候是剛一開始的設(shè)計問題,更使