2023年智能機器人功能開發(fā)與設(shè)計

智能機器人一功能開發(fā)與設(shè)計

此京理工人學(xué)

自劭化學(xué)浣

內(nèi)容簡介

本書主要針對近幾年應(yīng)用比較廣泛的智能機器人做了詳細的分析介紹，全

面闡述了智能機器人的基本理論與應(yīng)用。全書共分成了兩大部分，第一部分著重

介紹智能機器人的軟件和硬件；第二部分主要針對智能機器人的功能開發(fā)與設(shè)計

做了詳細的介紹。

本書通過查閱大量的資料，在智能機器人的功能方面做出了進一步的開發(fā)

設(shè)計，拓展了智能機器人的應(yīng)用范圍。將功能比較齊全、應(yīng)用廣泛的幾大類傳感

器應(yīng)用到智能機器人上，使智能機器人實現(xiàn)相應(yīng)的功能。書中在第二部分做了詳

細的闡述。

本書可以作為專業(yè)技能院校在傳感器理論及應(yīng)用方面的教科書，亦可供從

事智能機器人研究的各專業(yè)工程技術(shù)人員自學(xué)參考。

圖書編目數(shù)據(jù)

智能機器人一功能開發(fā)與設(shè)計/姚小蘭主編.一北京：北京理工大學(xué)，2013

普通專業(yè)技能院校教材g《智能機器人一功能開發(fā)與設(shè)計》

IX智資Hx姚第HIx智能機器人-專業(yè)技能院校-教材

北京理工大學(xué)g自動化學(xué)院

智能機器人項目主要參加人員：

北京理工大學(xué)：姚小蘭、李?？?、于蕾、張東洋、苗江濤、張家鑫、高雙

廣州市公用事業(yè)技師學(xué)院：周俊林、李照勛、張瑞佳、陸天智

本書由北京理工大學(xué)自動化學(xué)院編輯

地址：北京市海淀區(qū)中關(guān)村南大街5號

郵編：100089

電話/p>

目錄

1.智能機器人概述.................................................1

1.1智能機器人硬件介紹............................................1

1.1.1概述.......................................................1

1.1.2電機的安裝.................................................2

1.1.3LCD顯示屏的安裝..........................................2

1.2智能機器人軟件介紹...........................................3

1.2.1CPU內(nèi)程序................................................3

1.2.2上位機界面.................................................5

2.功能介紹及測試.................................................8

2.1通訊設(shè)置......................................................8

2.2超聲波測距...................................................9

2.2.1功能說明...................................................9

2.2.2操作說明...................................................9

2.2.3程序流程..................................................11

2.3紅外線避障功能...............................................13

2.3.1功能說明..................................................13

2.3.2操作說明..................................................13

2.3.3實現(xiàn)方法..................................................15

2.3.4程序流程..................................................15

2.4超聲波避障功能...............................................16

2.4.1功能說明..................................................16

2.4.2功能試驗操作說明..........................................16

2.4.3實現(xiàn)方法..................................................18

2.4.4程序流程..................................................18

2.5超聲波+紅外線避障功能........................................19

2.5.1功能說明..................................................19

2.5.2操作說明..................................................19

2.5.3實現(xiàn)方法..................................................21

2.5.4程序流程..................................................21

2.6尋找火源....................................................22

2.6.1功能說明..................................................22

2.6.2功能試驗操作說明..........................................22

2.6.3實現(xiàn)方法..................................................23

2.6.4程序流程.................................................23

2.7燈光控制....................................................24

2.7.1功能說明..................................................24

2.7.2功能試驗操作說明..........................................24

2.7.3實現(xiàn)方法..................................................26

2.7.4程序流程.................................................26

2.8尋線功能....................................................27

2.8.1功能說明..................................................27

2.8.2功能試驗操作說明..........................................27

2.8.3實現(xiàn)方法..................................................29

2.8.4程序流程.................................................29

附錄：智能機器人傳感器變量匯總....................................30

1.智能機器人概述

智能機器人系統(tǒng)采用三片CPU,分別掛接不同傳感器，配合相應(yīng)程序，完

成不同功能。

1.1智能機器人硬件介紹

1.1.1概述

系統(tǒng)主要由三片CPU、電機、LCD顯示屏、若干傳感器、接口、開關(guān)及輔

助電路構(gòu)成。

與CPU1相連的接口及傳感器主要有遙控接收器、LCD顯示屏、LED指示

燈、程序下裝口和通訊接口，配合程序完成遙控、編程、LCD顯示和通訊功能。

與CPU2相連的接口及傳感器主要有超聲波傳感器、紅外避障傳感器、碰撞

開關(guān)、震動傳感器、傾角傳感器、溫度傳感器、溫濕度傳感器、LED指示燈、

程序下裝口和通訊接口，配合程序完成超聲波測距、紅外避障、溫濕度測量、編

程和通訊等功能。

與CPU3相連的接口及傳感器主要有電機、三軸加速度計、灰度傳感器、火

焰?zhèn)鞲衅?、煙霧傳感器、酒精傳感器、光線傳感器、顏色傳感器、LED指示燈、

程序下裝口和通訊接口，配合程序完成機器人移動、尋線、尋找火源、編程和通

訊等功能。

系統(tǒng)主要的硬件連接如圖1-1所示，其中，圖l-l(a)是未安裝傳感器時系統(tǒng)

硬件連接圖，圖l-l(b)是整體硬件連接圖。

圖l-l(a)未安裝傳感器系統(tǒng)硬件連接

圖l-l(b)整體硬件連接

1.1.2電機的安裝

智能機器人系統(tǒng)采用兩個電機分別驅(qū)動兩個輪子，用戶可以對兩個電機分別

進行控制，以完成前進、后退、轉(zhuǎn)彎等多種動作。電機的安裝如圖1-2所示：

圖1-2電機的安裝

安裝電機時，左側(cè)電機連接線與M0T1接口相連；電機連接線與M0T2接

口相連；同時，注意三根連接線的顏色位置。

1.1.3LCD顯示屏的安裝

智能機器人系統(tǒng)可采用LCD顯示屏來顯示各個傳感器的數(shù)據(jù)，其通過連接

線與接口板相連，安裝如圖1-3所示：

2

圖1-3LCD的安裝

在安裝LCD顯示屏時，注意接口板上各個信號引腳與LCD上的各個信號引

腳要一一對應(yīng)。

1.2智能機器人軟件介紹

系統(tǒng)軟件部分包含CPU內(nèi)程序部分和上位機界面兩個部分。

1.2.1CPU內(nèi)程序

CPU1作為主CPU,包含的程序如下：

(l)LCD顯示程序，使數(shù)據(jù)在機器人上的顯示；

(2)與上位機通訊程序，實現(xiàn)接收上位機命令、處理分解命令以及向上位機

回送命令、傳感器配置信息和實時數(shù)據(jù)的功能；

(3)與CPU2、CPU3通訊程序，用來向從CPU發(fā)送與接收命令和數(shù)據(jù)；

(4)遙控程序，讀取遙控器按鍵編碼；

(5)基本測試程序，通過向從CPU發(fā)送與接收的命令和數(shù)據(jù)，完成對傳感器

各項功能的基本測試；

(6)電機速度設(shè)定程序，用來設(shè)定機器人電機的目標速度；

(7)各項功能程序，通過向從CPU發(fā)送與接收的命令和數(shù)據(jù)以及多種傳感器

的配合，實現(xiàn)尋線、紅外避障、超聲波測距、紅外+超聲波避障、尋找火源等功

能；

(8)開放程序，用戶可通過調(diào)用從CPU的各項傳感器數(shù)據(jù)，配合自身設(shè)計的

算法，實現(xiàn)相應(yīng)的功能。

CPU2作為從CPU,包含的程序如下：

3

(1)與CPU1的通訊程序，接收來自CPU1的命令和數(shù)據(jù)、并向CPU1發(fā)送請

求數(shù)據(jù)；

⑵實現(xiàn)各種功能的程序，實現(xiàn)檢測傳感器數(shù)據(jù)功能，以及各傳感器的啟動、

運行、讀取數(shù)據(jù)的功能。

CPU3作為從傳感器，包含的程序如下：

(1)與CPU1通訊程序，接收來自CPU1的命令和數(shù)據(jù)、并向CPUI發(fā)送請求

數(shù)據(jù)；

(2)實現(xiàn)各種功能的程序，實現(xiàn)檢測傳感器數(shù)據(jù)功能以及各傳感器啟動、運

行、讀取數(shù)據(jù)的功能。

(3)電機控制程序，根據(jù)CPU1的命令，實現(xiàn)對電機目標速度的控制。

為了方便用戶的自主開發(fā)，針對電機和LCD顯示屏，可按照如下方式進行

控制：

(1)電機控制

使用變量stMotor.SpeedLeft和stMotor.SpeedRight對左右電機進行控制，二

者有四種取值：MOT_SPD_FULL、MOT_SPD_FAST、MOT_SPD_SLOW>

MOT_SPD_ZERO,分別表示全速正轉(zhuǎn)、高速正轉(zhuǎn)、低速正轉(zhuǎn)和靜止。若需控制

電機反轉(zhuǎn)，則用0減去相應(yīng)的取值即可。通過上述取值的不同組合，可以實現(xiàn)前

進、后退、轉(zhuǎn)彎等運動方式。電機控制的具體語句為(以全速前進為例)：

{…

stMotor.SpeedLeft=MOT_SPD_FULL;

stMotor.SpeedRight=MOT_SPD_FULL;

stMotor.SpeedControl=FALSE;

stUART2.CPU3SendMotorReq=TRUE;

}

若用戶在程序中對電機進行操作，那么在程序的結(jié)尾處需要加入上述語句中

的最后兩句，以使前述控制生效。

(2)LCD顯示

若用戶需用LCD對結(jié)果等數(shù)據(jù)內(nèi)容進行顯示，可采用如下語句格式：

4

sprintf（stLCD.Rowl,"格式"茂量）；〃第一行顯示內(nèi)容，沒有可刪除

sprintf（stLCD.Row2,“格式"，變量）；〃第二行顯示內(nèi)容，沒有可刪除

stLCD.ShowReq=1;

在上述語句中，變量stLCD.ShowReq控制顯示方式，共有三種取值：一種

是只顯示第一行，一種是只顯示第二行，還有一種是顯示兩行。"格式"在使用中

用需要顯示內(nèi)容的輸出格式代替，如"$PRINTDistance:%dmm\n"。

1.2.2上位機界面

上位機界面分為通訊設(shè)置、傳感器設(shè)置、演示實驗和調(diào)試四個界面，如圖

1-4、1-5、1-6和1-7所示，用戶可根據(jù)后續(xù)章節(jié)介紹了解上位機界面的操作。

圖1-4通訊設(shè)置

5

圖1-5傳感器設(shè)置

圖1-6演示實驗

6

圖1-7調(diào)試

7

2.功能介紹及測試

2.1通訊設(shè)置

PC機與智能機器人需要通過通訊接口來實施控制。因此，需要在PC機上進

行一定的配置。配置方法如下：

（1）通過USB線連接PC機和智能機器人，將兩個開關(guān)撥到合適的位置。

（2）在“計算機”上單擊右鍵，點擊“管理”，雙擊“設(shè)備管理器”，如圖

2-1所示。

,艮?算機管理

旦文件G）操作3）查看（V）窗口的幫助00

的甯哈圖麗

國計篁機管理建地）名稱

-蠹系統(tǒng)工具以系統(tǒng)工具

中向事件查看器理存健

+rJ共享文件夾蟲服務(wù)和應(yīng)用程序

I+.施本地用戶和蛆

+知性能日志和警報

u宴記客曾迎器’n

4歲可移動存儲

B磁盤碎片整理程序

密磁盤管理

+除服務(wù)和應(yīng)用程序

圖2-1設(shè)備管理器

（3）在“端口（COM和LPT）”中查看與智能機器人連接的通訊端口號，如

圖2-2所示，此處的端口號為COM5（各PC機的端口號可能不同）。

8

圖2-2通訊端口

(4)在PC機上打開parasetup軟件。在通訊設(shè)置選擇端口號，此處為C0M5,

并點擊連接。此時窗口下方應(yīng)顯示“已連接C0M5”。

圖2-3通訊配置

2.2超聲波測距

2.2.1功能說明

測量位于機器人前方障礙物距機器人的距離，并顯示在計算機屏幕上，或顯

示在機器人LCD顯示屏上。

2.2.2操作說明

(1)安裝傳感器

9

該功能采用的傳感器為超聲波傳感器，安裝在接口板“SR04”處，如圖2-4所

示:

圖2-4超聲波傳感器與智能機器人的連接

⑵勾選傳感器設(shè)置中“超聲波測距"HC-SR04”項，如圖2-5所示，下裝傳感

器配置至機器人，打開“演示實驗”中超聲波測距顯示，如圖2-6所示。

圖2-5超聲波測距傳感器配置

10

圖2-6超聲波測距顯示功能選擇

2.2.3程序流程

圖2-7超聲波傳感器測距程序流程圖

圖2-8數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序流程圖

圖2-9顯示距離程序流程圖

11

開始

圖2-7超聲波傳感器測距流程圖圖2-8數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程圖

12

圖2-9顯示距離流程圖

2.3紅外線避障功能

2.3.1功能說明

在行進過程中探測位于機器人左前方或右前方的障礙物并有效地避開障礙

物繼續(xù)前進

2.3.2操作說明

(1)安裝傳感器

該功能采用的傳感器為兩個紅外線避障傳感器，安裝在接口板“IR2”

處，如圖如10所示:

13

圖2-10紅外避障傳感器與智能機器人的連接

（2）在傳感器設(shè)置中勾選“紅外避障傳感器（左）”、“紅外避障傳感器（右）”,

將設(shè)置下裝到機器人中，如圖2-11所示，并在“演示試驗”界面打開“紅外避障”,

運行機器人，如圖2-12所示。

圖2-11紅外避障傳感器配置

14

圖2-12紅外避障功能選擇

2.3.3實現(xiàn)方法

機器人左右兩側(cè)各裝一個紅外線傳感器，分別控制左右兩側(cè)的電機，用于探

測左前方及右前方的障礙物，若左前方有障礙物，則向左側(cè)電機發(fā)送信號，使左

側(cè)電機快速轉(zhuǎn)動，右側(cè)電機速度為零，機器人右轉(zhuǎn)；若右前方有障礙物，則向右

側(cè)點擊發(fā)送信號，使右側(cè)電機快速轉(zhuǎn)動，左側(cè)電機速度為零，機器人左轉(zhuǎn)；若左

右兩側(cè)均有障礙物，則控制左側(cè)電機速度為零，右側(cè)電機快速轉(zhuǎn)動，機器人左轉(zhuǎn);

若左右兩側(cè)均無障礙物則左右兩側(cè)電機均快速轉(zhuǎn)動。

2.3.4程序流程

程序流程圖如圖2-13所示：

15

開始

圖2-13紅外避障程序流程

2.4超聲波避障功能

2.4.1功能說明

利用超聲波傳感器避開機器人前方2.2m以內(nèi)的障礙物

2.4.2功能試驗操作說明

(1)安裝傳感器

該功能采用超聲波傳感器和兩個紅外避障傳感器，安裝在接口板“SR04”處,

如圖2-14所示：

16

圖2-14超聲波傳感器與智能機器人的連接

(2)在傳感器設(shè)置中勾選“超聲波測距HC-SR04",將設(shè)置下裝到機器人中,

如圖2-15所示，并在“演示試驗”界面打開"超聲波避障“，運行機器人，如

圖2-16所示。

圖2-15超聲波避障傳感器配置

17

圖2-16超聲波避障功能選擇

2.4.3實現(xiàn)方法

目的是利用超聲波傳感器探測障礙物的距離。當障礙物的距離大于200cm

時，保持小車原來的速度；當障礙物的距離小于200cm時，使左側(cè)電機的速度

為零，右側(cè)電機的保持不變，從而避開障礙物。

2.4.4程序流程

程序流程圖如圖2-17所示

圖2-17超聲波避障程序流程

18

2.5超聲波+紅外線避障功能

2.5.1功能說明

同時啟用超聲波和紅外線傳感器，避開前方一定距離內(nèi)的障礙物。

2.5.2操作說明

(1)安裝傳感器

該功能采用的傳感器為超聲波傳感器和兩個紅外避障傳感器，其安裝位置為

接口板“SR04"、“IR2”處，如圖2-18(a)、(b)所示：

圖2-18(a)超聲波傳感器與智能機器人的連接

圖2-18(b)紅外避障傳感器與智能機器人的連接

(2)在傳感器設(shè)置中同時勾選“超聲波測距HC-SR04”、“紅外避障傳感器

(左)”、“紅外避障傳感器(右”'，將設(shè)置下裝到機器人中，如圖2-19所示，并

19

在“演示試驗”界面打開"超聲+紅外避障“，運行機器人，如圖2-20所示。

圖2-19紅外+超聲波避障傳感器配置

圖2-20紅外+超聲波避障功能選擇

20

2.5.3實現(xiàn)方法

利用超聲波傳感器探測障礙物的距離，當距離大于220cm時，保持機器人

全速行進；當距離小于220cm時，利用紅外線傳感器探測障礙物的方位，若位

于左側(cè)，使左側(cè)電機快速轉(zhuǎn)動，使右側(cè)電機停止轉(zhuǎn)動；若位于右側(cè)，使右側(cè)電機

快速轉(zhuǎn)動，使左側(cè)電機停止轉(zhuǎn)動；若兩側(cè)均有障礙物，使左側(cè)電機停止轉(zhuǎn)動，右

側(cè)電機快速轉(zhuǎn)動；若障礙物位于正前方，使左右兩側(cè)電機慢速轉(zhuǎn)動。

2.5.4程序流程

程序流程圖如圖2-21所示

圖2-21紅外+超聲波避障程序流程

21

2.6尋找火源

2.6.1功能說明

使機器人尋找周圍環(huán)境中的火源

2.6.2功能試驗操作說明

(1)安裝傳感器

該功能采用兩個火焰?zhèn)鞲衅鳎惭b在接口板”Firel"、"Fire2”處，如圖2-19

所示：

圖2-19火焰?zhèn)鞲衅髋c智能機器人的連接

(2)在傳感器設(shè)置中同時勾選“火焰?zhèn)鞲衅?左)“、”火焰?zhèn)鞲衅?右)”

將設(shè)置下裝到機器人中，如圖2-20所示，并在“演示試驗”界面打開”尋找火

源”，運行機器人，如圖2-21所示。

圖2-20尋找火源傳感器配置

22

圖2-21尋找火源功能選擇

2.6.3實現(xiàn)方法

利用火焰?zhèn)鞲衅鞑杉車h(huán)境的信息，再將采集到的模擬信息通過A/D轉(zhuǎn)

換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量再進一步轉(zhuǎn)換成距離。若兩側(cè)火焰?zhèn)鞲衅鳒y得的距離均小于

0.45m,則兩側(cè)電機速度均為零一一找到火源；若兩側(cè)距離大于0.45m,且兩側(cè)

距離差小于0.1m,則兩側(cè)電機同速轉(zhuǎn)動，使智能機器人直線前進；若兩側(cè)距離

大于0.45m且右側(cè)距離小于左側(cè)距離，保持右側(cè)電機轉(zhuǎn)速為零，左側(cè)電機保持轉(zhuǎn)

動，機器人右轉(zhuǎn)，靠近光源；若兩側(cè)距離大于0.45m且右側(cè)距離大于左側(cè)距離，

控制左側(cè)電機轉(zhuǎn)速為零，右側(cè)電機保持轉(zhuǎn)動，機器人左轉(zhuǎn)，靠近光源。

2.6.4程序流程

程序流程圖如圖2-22所示

23

圖2-22尋找火源程序流程

2.7燈光控制

2.7.1功能說明

機器人根據(jù)周圍環(huán)境的光線強度，控制燈光的亮度。

2.7.2功能試驗操作說明

(1)安裝傳感器

該功能采用光線傳感器，安裝在接口板“Light”處，如圖2-23所示:

24

圖2-23光線傳感器與智能機器人的連接

(2)在傳感器設(shè)置中同時勾選“光線傳感器”，將設(shè)置下裝到機器人中，如

圖2-24所示，并在“演示試驗”界面打開“燈光控制”，運行機器人，如圖2-25

所示。

圖2-24燈光控制傳感器配置

25

圖2-25燈光控制功能選擇

2.7.3實現(xiàn)方法

機器人采集周圍環(huán)境中的光線強度，并將采集到的模擬量由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)

換成數(shù)字量，通過比較環(huán)境光照強度和設(shè)定的閾值來控制各盞燈的亮滅。

2.7.4程序流程

程序流程圖如圖2-26所示

圖2-26燈光控制程序流程

26

2.8尋線功能

2.8.1功能說明

讓機器人按照預(yù)定的軌跡行進。

2.8.2功能試驗操作說明

(1)安裝傳感器

該功能采用灰度傳感器，安裝在接口板“Gray”處，如圖2-27所示:

圖2-27灰度傳感器與智能機淵人的連接

(2)在傳感器設(shè)置中同時勾選“灰度傳感器”，將設(shè)置下裝到機器人中，如

圖2-28所示。并在“演示試驗”界面打開“尋線”，運行機器人，如圖2-29所

Zjso

27

圖2-28尋線功能傳感器配置

圖2-29尋線功能選擇

28

2.8.3實現(xiàn)方法

利用灰度傳感器采集當下軌跡的灰度值，灰度傳感器如圖2-30所示。機器

人不斷采集5個位置的灰度，根據(jù)5個位置的灰度值控制機器人的運動。

2.8.4程序流程

程序流程圖如圖2-31所示

圖2-31尋線程序流程圖

29

附錄：智能機器人傳感器變量匯總

裝置使用變量變量類型變量范圍變量訪問方式變量含義安裝說明

浮點型，精確到小

溫度傳感器stTemp.t只讀溫度值，單位為攝氏度CPU2P2A5

數(shù)點后兩位

溫度：stHumidity.t浮點型，精確到小溫度和相對濕度值，單

溫濕度傳感器只讀CPU2P2A6

濕度：stHumidity.h數(shù)點后兩位位為攝氏度和百分比

stGray.gl>

stGray.g2>灰度值，數(shù)值越大，灰

灰度傳感器整型0~99只讀接口板Gray處

stGray.g3、度越低即越白

stGray.g4>stGray.g5

左側(cè):stFire.Left浮點型，精確到小與火焰的距離，單位為接口板Fire1、Fire2

火焰?zhèn)鞲衅髦蛔x

右側(cè)：stFire.Right數(shù)點后兩位厘米處

浮點型，精確到小光照強度，數(shù)值越大光

光線傳感器stLight.d0~99只讀接口板Light處

數(shù)點后兩位照越強

浮點型，精確到小煙霧濃度，單位為百分

煙霧傳感器stSmoke.d只讀接口板MQ2處

數(shù)點后兩位比

浮點型，精確到小

氣體傳感器stAIcohol.d0~99只讀酒精濃度，單位為ppm接口板MQ3處

數(shù)點后兩位

與前方障礙物距離，單

超聲波傳感器stUltrasonic.d整型只讀接口板SR04處

位為毫米

OxfO：左前方有障礙

紅外避障傳感四種取值：OxfO,OxOf：右前方有障礙

stIR.d整型只讀接口板IR1、IR2處

器OxOf、Oxff、0x00Oxff：左右前方有障礙