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1、机器人课程设计论文题 目：机器人探测和避障设计 院 系： 专业班级： 学生姓名： 指导教师： 论文提交日期：19目录基于单片机的智能避障小车设计2第一章 总体设计方案31.1设计要求31.2系统设计方案31.3总体设计41.4功能说明4第二章系统硬件设计62.1驱动安装和ISP下载62.2 胡须触觉导航72.3 红外探测导航9第三章 系统软件设计123.1 Keil uVision2 IDE 集成开发环境123.2 触须导航的单片机程序123.3 红外探测避障导航的单片机程序143.4 软件调试17第四章 结束语19致谢19基于单片机的智能避障小车设计摘要：自第一台工业机器人诞生以来，机器人的
2、发展已经遍及机械、电子、冶金、交通、宇航、国防等领域。近年来机器人的智能水平不断提高，并且迅速地改变着人们的生活方式。人们在不断探讨、改造、认识自然的过程中，制造能替代人劳动的机器一直是人类的梦想。机器人要实现自动导引功能和避障功能就必须要感知导引线和障碍物，感知导引线相当给机器人一个视觉功能。避障控制系统是基于自动导引小车（AVGauto-guide vehicle）系统，基于它的智能小车实现自动识别路线，判断并自动避开障碍，选择正确的行进路线。使用传感器感知路线和障碍并作出判断和相应的执行动作。该智能小车可以作为机器人的典型代表。它可以分为三大组成部分：传感器检测部分、执行部分、CPU。机
3、器人要实现自动避障功能，还可以扩展循迹等功能，感知导引线和障碍物。可以实现小车自动识别路线，选择正确的行进路线，并检测到障碍物自动躲避。基于上述要求，传感检测部分考虑到小车一般不需要感知清晰的图像，只要求粗略感知即可，所以可以舍弃昂贵的CCD传感器而考虑使用价廉物美的红外反射式传感器来充当。智能小车的执行部分，是由直流电机来充当的，主要控制小车的行进方向和速度。考虑到实际情况，本文选CPU使用STC89C52单片机，配合软件编程实现。本次设计的简易智能避障小车，采用AT89S52单片机作为小车的检测和控制核心；采用IR LED发射红外光照射机器人前进道路，通过红外检测器检测反射回来的红外光，来
4、判断前方是否有障碍物，给微控制器发送一个信号；采用三极管控制IR LED红外线的发射。AT89S52单片机基于传感器的输入控制伺服电机的驱动脉冲和探测，进而使小车按照预定的工作模式在各区域按预定的速度行驶，完成检测、避开障碍物等动作。单片机选择的工作模式不同，小车在封闭轨道内行驶的状态也不同。本设计结构简单，较容易实现，但具有高度的智能化、人性化，一定程度体现了智能化。关键词：智能车 AT89S52单片机 传感器 IR LED 红外探测器 第一章 总体设计方案1.1设计要求利用多传感器技术，实现对机器人的轨迹规划及控制。具体为：控制机器人在规划的场地内避开障碍物走遍整个场地，场地长1.8m、宽
5、1.5m，场地四周为高0.3m的挡板。在小车行驶过程中，红外传感器一直启动，对前方路况进行检测，当检测到障碍物时，小车自动后退、左转，当小车转过后，还是一直检测前方道路是否有障碍，若无障碍，向前行驶。1.2系统设计方案根据要求，确定如下方案：在现有小车基础上，加装红外检测器，实现对小车的前方障碍物实时检测，并将测量数据传送至单片机进行处理，然后由单片机根据所检测的各种数据实现对电动车的智能控制。这种方案能实现对电动车的运动状态进行实时控制，控制灵活、可靠，精度高，可满足对系统的各项要求。采用单片机作为整个系统的核心，用其控制行进中的小车，以实现其既定的性能指标。充分分析我们的系统，其关键在于实
6、现小车的自动控制，而在这一点上，单片机就显现出来它的优势控制简单、方便、快捷。这样一来，单片机就可以充分发挥其资源丰富、有较为强大的控制功能及可位寻址操作功能、价格低廉等优点。根据这些分析,我选定了AT89S52单片机作为本设计的主控装置，52单片机具有功能强大的位操作指令，I/O口均可按位寻址，程序空间多达8K，对于本设计也绰绰有余，更可贵的是52单片机价格非常低廉。在综合考虑了传感器、两部电机的驱动等诸多因素后，我们决定采用一片单片机，充分利用AT89S52单片机的资源。方案一：通过胡须导航。机器人用它的一根或者两根胡须探测障碍物。一旦胡须探测到障碍物，调用第三章中的导航程序和子程序使小车
7、倒退或者旋转，然后再重新向前行走，直到遇到另一个障碍物。方案二：通过红外导航。本次小车使用一台AT89S52单片机作为主控芯片，采用IR LED发射红外光照射机器人前进道路，通过红外检测器检测反射回来的红外光，来判断前方是否有障碍物，给微控制器发送一个信号，控制伺服电机驱动脉冲和探测并且拐弯，以避开障碍物。在避开障碍物后，小车会沿直线前进。驱动轮由舵机直接驱动，驱动传感器模块下面的电机转动，实现了集检测、避障、旋转后退功能为一体的智能小车设计。 1.3总体设计本系统设计的简易智能小车分为几个模块：单片机控制系统、胡须系统、红外检测系统、前进、旋转控制电机。红外线二极管发射红外光，如果机器人前面
8、有障碍物，红外线从物体反射回来，相当于机器人眼睛的红外检测（接收）器，检测到反射回的红外光线，并发出信号来表明检测到从物体反射回红外线。机器人的大脑单片机AT89S52基于这个传感器的输入控制伺服电机。 图 1.0 机器人结构简图 1.4功能说明1.用胡须触觉导航探测障碍物。当机器人碰到障碍物时，接触开关就会察觉，通过编程让机器人躲开障碍物。在机器人前端安装并测试一个胡须的触觉开关，对机器人大脑编程来监视触觉开关的状态，以及决定当它遇到障碍物时如何动作，导航程序和子程序使小车倒退或者旋转，然后再重新向前行走，直到遇到另一个障碍物。2.使用红外线发射和接收器件探测道路。机器人的C51微控制器收发
9、红光信号，从而实现机器人的红外线导航。红外线（IR）接收/检测器有内置的光滤波器，除了需要检测的980 nm波长的红外线外，它几乎不允许其它光通过。红外检测器还有一个电子滤波器，它只允许大约38.5 kHz 的电信号通过。换句话说，检测器只寻找每秒闪烁38,500次的红外光。这就防止了普通光源象太阳光和室内光对IR的干涉。太阳光是直流干涉（0Hz）源，而室内光依赖于所在区域的主电源，闪烁频率接近100或120 Hz。由于120 Hz在电子滤波器的38.5 kHz通带频率之外，它完全被IR探测器忽略。如图 图1.1 用红外光探测障碍物 图1.2用到的新部件第二章系统硬件设计2.1驱动安装和ISP
10、下载（1）硬件连接：第一步，串口的连接，串口的连接机器人教学板通过串口电缆连接到PC 机上以便与用户交互。若计算机有串行接口，直接使用串口连接电缆。若没有，需要使用USB 转串口适配器，如图2.1. 所示。只需将该串口线一端的串口连接到机器人，而另一端连接到计算的USB 口上。第二步，ISP 下载线的连接，机器人程序通过连接到PC 机口上的ISP 下载线来下载到单片机内。图2.1所示为ISP 下载线。下载线一端连接到PC 机并行接口上，而另一端（小端）连接到小车的程序下载口上。 图2.1 USB 转串口适配器和下载器（2）USBASP下载器的驱动安装：将 USBASP 插到电脑的 USB 口上
11、USBASP 模块的 D1（电源指示灯）会点亮，电脑会出现发现“USBasp”硬件的对话框。根据提示安装 USBASP 的驱动。驱动程序位于“USBasp 驱动（支持 Windows XP）”文件夹中。选择“从列表或指定位置安装（高级）”安装方法，在下一步中指定驱动程序的位置。再下一步，开始安装驱动程序。安装完毕，系统提示安装成功。安装完毕，拔出并重新插入 USBASP，在设备管理器中会发现 LibUSB-Win32 Devices的组，组中有“USBasp”这样的硬件。（3）Atmega8的ISP下载：第一步.打开软件,选择编程器种类、接口和单片机类型。编程器种类为 USBASP，接口为 U
12、SB，单片机类型为 ATMEGA8。第二步.按设置键进行熔丝位设置，设置为（EF C9 FF）。第三步 选择固件,固件名为(314forever_main自动调速.hex). 第四步.编程熔丝并点击下载固件，等待下载完毕后把搭建的电路卸载，固件下载完成。（3）AT89S52 的ISP 下载：第一步，选择编程器种类、接口和单片机类型。编程器种类为 USBASP，接口为 USB，单片机类型为 AT89S52。第二步，单击“调入 Flash”按钮，找到要下载的 HEX文件。第三步，单击“编程”区的“自动”按钮，开始擦除芯片内部程序，并下载 HEX 文件到单片机。(4) 电池的安装：使用的机器人采用五
13、号碱性电池给机器人和教学板供电，调试前，请先检查机器人底部电池盒内是否已经装好电池，并是否有正常的电压输出。确保每颗电池都按照塑料盒子里面标记的电池极性（“”和“”）方向装入。给教学板和单片机进行通电检查教学底板上有一个三位开关，当开关拨到“0”位断开教底板电源。无论你是否将电池组或者其它电源连接到教学底板上，只要三位开关位于“0”位那么设备就处于关闭状态。现在将三位开关由“0”位拨至“1”位，打开教学板电源。检查教学底板上标有“Pwr”的绿色LED 电源指示灯是否变亮。如果没有，检查电池盒里的电池和电池盒的接头是否已经插到教学板的电源插座上。开关“2”你将会在后续章节中用到。将开关拨至“2”
14、后，电源不仅要结教学板供电，同时还会给机器人的执行机构伺服电机供电，同样的，此时绿色LED 电源指示灯仍然会变亮。 图.处于关闭状态的三位开关 图. 处于1 位状态的三位开关 2.2 胡须触觉导航（1）硬件元件清单：安装机器人触觉胡须所需的硬件元件清单，如图2.4，包括：1 金属丝2根 2 平头M322盘头螺钉2个 3 13mm圆形立柱2个 4 M3尼龙垫圈2个5 3-pin公-公接头2个 6 220电阻2个7 10k电阻2个胡须硬件（2）安装胡须： 拆掉连接主板到前支架的两颗螺钉参考图2.5，进行下面操作螺钉依次过M3尼龙垫圈、13mm圆形立柱螺钉穿过主板上的圆孔之后，拧进主板下面的支架中，
15、但不要拧紧把须状金属丝的其中一个钩在尼龙垫圈之上，另一个钩在尼龙垫圈之下，调整它们位置使它们横向交叉但又不接触拧紧螺钉到支架上 。安装机器人胡须参考接线图2.5，搭建胡须电路。注意：右边胡须状态信息输入是通过P1口的第4脚完成，而左边胡须状态信息输入是通过P2口的第3脚完成确定两条胡须比较靠近，但又不接触面包板上的3-pin头。推荐保持3mm的距离。图2.7所示是实际的参考接线图，安装好触觉胡须的机器人如图2.8所示，（3）测试胡须：观察一下图所示的胡须电路示意图，显然每条胡须都是一个机械式的、接地常开的开关。胡须接地（GND）是因为教学板外围的镀金孔都连接到GND。金属支架和螺丝钉提供电气连
16、接给胡须。通过编程让单片机探测什么时候胡须被触动。可知，连接到每个胡须电路的I/O引脚监视着10K上拉电阻上的电压变化。当胡须没有被触动，连接胡须的I/O管脚的电压是5V；当胡须被触动时，I/O短接到地，所以I/O管脚的电压是0V 图2.5安装机器人胡须 图2.6胡须电路图 图2.7 教学底板上胡须接线图 图2.8安装好触须的机器人（4）胡须导航原理：编程使机器人基于胡须的触觉导航，在机器人行走过程中，在机器人行走时，轮流触动它的胡须，测试程序，如果有胡须被触动，那就意味着碰到了什么。导航程序需要接受这些输入信息，判断它的意义，调用一系列使机器人倒退、旋转朝不同方向行走的动作子函数以避开障碍物
17、。2.3 红外探测导航（1）硬件：两个红外检测器、两个IR LED、四个470电阻、两个9013三极管（2）安装：电路板的每个角安装一个IR组(IR LED和检测器)，断开主板和伺服系统的电源按照图2.3.1所示的电路原理图安装小车的器件， 图 2.3.1左侧和右侧IR组原理图安装好IR LED，红外检测器的智能及其小车，如图2.3.2所示图2.3.2 左右IR组实物参考图（3）红外检测原理：红外线二极管发射红外光，如果机器人前面有障碍物，红外线从物体反射回来，相当于机器人眼睛的红外检测（接收）器，检测到反射回的红外光线，并发出信号来表明检测到从物体反射回红外线。机器人的大脑单片机AT89S5
18、2基于这个传感器的输入控制伺服电机。使用三极管9013，使其控制机器人开关状态，三极管是一种控制元件，主要用来控制电流大小，是用小电流去控制大电流。三极管相当于一个开关：当P1_3（P3_6）置高时，从集电区经基区到发射区电路导通，加载在IR LED 上的电压为VCC（5V），IR LED 向外发射红外线；当P1_3（P3_6）置低时，电路又断开，IR LED 停止发射。结构示意图及符号图如2.3.3，管脚图如2.3.4所示， 图2.3.3 结构图及符号图 图 2.3.4 9013 管脚图(4) 硬件调试：保持机器人与串口电缆的连接，因为你需用调试终端来测试你的IR组放一个物体，比如手或一张纸
19、，距离左侧IR组大约2到3厘米，验证当一个物体在IR组前时，调试终端是否会显示“irDetecfLeft=0”；将物体移开时，看它是否“irDetectLeft=1”。如果调试终端显示的是预料的值，没发现物体显示1，试试排错部分里的步骤进行排错。当调试终端显示的不是预料的值，检查电路和输入的程序，总是得到0，甚至没有物体在机器人前面时也是0，可能是附近的物体反射了红外线。调整红外发射器的角度，使IR LED和探测器不会受桌面等物体的影响。关掉附近的荧光灯，防止干扰。用P1_3发送持续1毫秒的38.5kHz的红外光，如果红外光被小车路径上的物体反射回来，红外检测器将给微控制器发送一个信号，说明已
20、经检测到反射回的红外光。第三章 系统软件设计3.1 Keil uVision2 IDE 集成开发环境（1）打开开发编程软件Keil，连接机器人到电池或者供电的电源，连接单片机教学板 ISP 接口到计算机，以便编程，连接单片机教学板串行接口到计算机，以便调试和交互。用Keil软件建立新的程序文件，运用 C 语言编写程序并输入，运行，直至没有错误，保存。（2）产生下载需要的可执行文件：用编译器编译生成可执行文件，然后下载到单片机上，通过串口观察机器人上的单片机的执行结果。要产生可执行的.Hex文件，需要对目标工程“Target1”进行编译设置，右键点击“Target 1”，选择“Option fo
21、r target Target 1”。点击“output”，选择其中的“Create HEX File”， Keil 的C 编译器开始根据要生成的目标文件类型对目标工程项目中的C 语言源文件进行编译。编译过程中，可以观察到源文件中有没有错误产生，如果没有错误产生，则成功生成.hex文件。（3）下载可执行文件到单片机：点击ISP 下载软件图标，打开ISP 下载软件窗口，并将通信参数设置成图中所示的参数。点击“Flash”，选择要下载的可执行HEX 文件HelloRoBot.Hex，选择后点击编程开始下载。如果下载成功，则下面显示“完成次数：x 次”，否则显示“失败次数： x 次”。如果芯片是第二
22、次下载程序，请先选中“擦除”复选框。（4）打开AVR_fighter软件，将编译器编译生成可执行文件，下载到单片机上，通过串口观察机器人上的单片机的执行结果。3.2 触须导航的单片机程序将编译器编译生成可执行文件，下载到单片机上，将小车放入轨道，观察小车的运动状态 P1_0=1;delay_nus(1300);P1_0=0;delay_nms(20);void Left_Turn(void)int i;for(i=1;i=26;i+)P1_1=1;delay_nus(1300);P1_1=0;P1_0=1;delay_nus(1300);P1_0=0;delay_nms(20);void Ri
23、ght_Turn(void)int i;for(i=1;i=26;i+)P1_1=1;delay_nus(1700);P1_1=0;P1_0=1;delay_nus(1700);P1_0=0;delay_nms(20); void Backward(void)int i;for(i=1;i=65;i+)P1_1=1;delay_nus(1300);P1_1=0;P1_0=1;delay_nus(1700);P1_0=0;delay_nms(20);int main(void)uart_Init();printf(Program Running!n);while(1)if(P1_4state()
24、=0)&(P2_3state()=0) /两胡须同时碰到Backward(); /向后Left_Turn();/向左Left_Turn();/向左else if(P1_4state()=0) /右胡须碰到Backward();/向后Left_Turn();/向左else if(P2_3state()=0) /左胡须碰到Backward();/向后Right_Turn();/向右else /胡须没有碰到Forward();/向前3.3 红外探测避障导航的单片机程序将编译器编译生成可执行文件，下载到单片机上，将小车放入轨道，观察小车的运动状态。#include#include#include#de
25、fine LeftIR P1_2 /左边红外接收连接到P1_2#define RightIR P3_5 /右边红外接收连接到P3_5#define LeftLaunch P1_3 /左边红外发射连接到P1_3#define RightLaunch P3_6 /右边红外发射连接到P3_6void IRLaunch(unsigned char IR)int counter;if(IR=L) /左边发射for(counter=0;counter38;counter+) /发射时间比胡须长LeftLaunch=1;_nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_();
26、 _nop_();_nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_();LeftLaunch=0;_nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_();_nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_();if(IR=R) /右边发射for(counter=0;counter38;counter+)RightLaunch=1;_nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_();_nop_
27、(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_();RightLaunch=0;_nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_();_nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_();void Forward(void) /向前行走子程序P1_1=1;delay_nus(1700);P1_1=0;P1_0=1;delay_nus(1300);P1_0=0;delay_nms(20);void Left_Turn(void) /左转子程序int
28、i;for( i=1;i=26;i+)P1_1=1;delay_nus(1300);P1_1=0;P1_0=1;delay_nus(1300);P1_0=0;delay_nms(20);void Right_Turn(void) /右转子程序int i;for( i=1;i=26;i+)P1_1=1;delay_nus(1700);P1_1=0;P1_0=1;delay_nus(1700);P1_0=0;delay_nms(20);void Backward(void) /向后行走子程序int i;for( i=1;i=65;i+)P1_1=1;delay_nus(1300);P1_1=0;P
29、1_0=1;delay_nus(1700);P1_0=0;delay_nms(20);int main(void)int irDetectLeft,irDetectRight;uart_Init();printf(Program Running!n);while(1)IRLaunch(R); /右边发射irDetectRight = RightIR;/右边接收IRLaunch(L); /左边发射irDetectLeft = LeftIR;/左边接收if(irDetectLeft=0)&(irDetectRight=0)/两边同时接收到红外线Backward();Left_Turn();Left
30、_Turn();else if(irDetectLeft=0)/只有左边接收到红外线Right_Turn();else if(irDetectRight=0)/只有右边接收到红外线Left_Turn();elseForward();3.4 软件调试（1）用1 k（或2 k）电阻代替中470的R3（R4），减少流通IR LED的电流，从而降低发射功率，使机器人在本任务中看得近一些，可以沿着轨道边缘运动又不会进入死角，删除程序中只有左边或右边检测到障碍物时的后退程序。（2）调整程序AvoidTableEdge.c的pulseCount的值，使机器人在有绝缘带边界的场地中行走但不会避开绝缘带太远，在
31、场内行走而不是沿边行。调小车基准，减少误差，提高精确性。探测障碍物很重要的一点是在机器人撞到它之前给机器人留有绕开它的空间。如果前方有障碍物，机器人会使用脉冲命令避开，然后探测，如果物体还在，再使用另一个脉冲来避开它。机器人能持续使用电机驱动脉冲和探测，直到它绕开障碍物，然后它会继续发向前行走的脉冲。第四章 结束语整个系统的设计以单片机为核心，利用了多种传感器，将软件和硬件相结合。本系统能实现如下功能：（1） 自动沿预设轨道行驶小车在行驶过程中，能够自动检测预先设好的轨道，实现直道前进。若有偏离，能够自动纠正，返回到预设轨道上来。（2）当小车探测到前进前方的障碍物时，可以自动调整，躲避障碍物，
32、从无障碍区通过。小车通过障碍区后，能够自动循迹。（3）自动检测停车线并自动停车。从运行情况来看循迹的效果比较好，避障的效果不是很好，我认为是由于电源不能稳定而是的小车的速度不好控制，这也是我这次设计最大的误区，没有选取稳定的电源。我相信如果实验条件和时间的允许下我肯定能解决这一问题。通过本次设计我掌握了很多以前不熟练的东西，认识了很多以前不熟悉得东西，使我在人生上又进了一步。也认识到很多的不足。致谢本设计能够顺利完成，还承蒙刘老师以及身边的很多同学的指导和帮助。在设计过程中，刘老师给予了悉心的指导，最重要的是给了我解决问题的思路和方法，并且在设计环境和器材方面给予了大力的帮助和支持，在此，我对刘老师表示最真挚的感谢！同时感谢所有帮助过我的同学！感谢老师百忙之中抽出时间对我论文进行了评阅！
