1、中文摘要機器人技術是集機械工程學、計算機技術、控制工程、電子技術、人工智能、仿生學等學科為一體的綜合技術，它是多學科科技革命的必然結果。機器人（robot）是自動執行工作的機器裝置，它既可以接受人類指揮，又可以執行事先編排好的程序，也可以根據以人工智能技術制定的原則綱領行動。機器人一般由執行機構、驅動裝置、檢測裝置和控制系統和復雜機械等組成。驅動裝置是驅使執行機構運動的機構，按照控制系統發出的指令信號，借助于動力元件使機器人進行動作。它輸入的是電信號，輸出的是線、角位移量。機器人使用的驅動裝置主要是電力驅動裝置，如步進電機、伺服電機等，此外也有采用液壓、氣動等驅動裝置。檢測裝置的作用是實時檢測

2、機器人的運動及工作情況，根據需要反饋給控制系統，與設定信息進行比較后，對執行機構進行調整，以保證機器人的動作符合預定的要求。其中最重要的就是傳感器的作用，能實時的檢測外界信息并將這些信息進行融合得到一個綜合的結論，用以驅動機器人的相關運動。此次課程設計所要實現的是機器人的循跡操作，這不僅需要外部硬件部分對外界信息進行感測、傳動驅動裝置對機器人的運動進行驅動控制，還需要相應的軟件部分（c8051單片機）對傳感器檢測到的信息進行融合和分析，得到一個綜合的結論并使機器人做出適當的操作。關鍵詞： 機器人，傳感器，直流電機，硬件，軟件，pwm 1 設計任務描述1.1 設計題目：循跡機器人設計1.2 設計

3、要求1.2.1 設計目的1）了解機器人技術的基本知識以及有關電工電子學、單片機、機械設計、傳感器等相關技術。2）初步掌握機器人的運動學原理、基于智能機器人的控制理論，并應用于機器人的設計中。3）通過學習，具體掌握循跡機器人的控制技術，并使機器人能獨立執行一定的循跡任務。1.3 基本要求 1）要求設計一個能循跡(白底黑線或黑底白線，線寬25mm)的機器人；2）要求設計機器人的行走機構，控制系統、傳感器類型的選擇及排列布局；3）要有循跡的策略（軟件流程圖）。1.4 發揮部分 1）蔽障功能2 設計思路循跡機器人是一種運用簡單的視覺作用進行一系列后續操作的機器人，在機器人的運動中起著非常重要的作用，為

4、機器人運動過程中位置的準確性提供了保障。為了使機器人能在任意區域內沿循跡線行走，并且自動繞開障礙物，到達指定的位置，本控制系統采用紅外光電傳感器檢測路面循跡線；使用紅外線測障傳感器檢測路面的障礙物，使機器人及時的蔽障；超聲波測距；用光電傳感器或者微動開關檢測、判斷機器人是否到位；應用pwm技術動態控制機器人的轉動方向和轉速。再利用軟件和硬件的結合，實現機器人前進、后退、轉彎、繞障、停止的精確控制。該機器人的系統結構圖如圖2-1所示。超聲波檢測 控制器（單片機內核）后退紅外檢測光電編碼檢測前進紅外檢測計數檢測行走電機驅動信號 圖2-1 機器人系統結構圖 機器人在地面的移動方式采用的是三輪式的，前

5、輪輔助后輪的差動式行走方式。前輪為隨動輪，僅起到支撐的作用，沒有導向作用，后輪分別是兩個獨立的驅動輪，利用它們的轉速差來控制機器人的運動方向。當兩個驅動輪以相同的速度相反的方向驅動時，車體便會以兩個驅動輪連線的中點自轉，易于定位。對驅動輪采用直流電機驅動，這樣可以達到很大的力矩/質量比，并且精度高、加速迅速且可靠。3 設計方框圖結束系統初始化開始任務計數器歸零任務計數器+1是否完成全部任務循跡子程序是否完成本次任務圖 3-1 主程序流程4 硬件系統設計4.1循跡線路 機器人按照規定的線路從a地運輸貨物到b地，然后再原路返回重復搬運過程，下圖4-1為循跡機器人的軌道線路圖。 圖4-1機器人循跡軌

6、道路線圖4.2傳感器模塊 傳感器是整個機器人得以準確循跡的核心部件，只有經過傳感器采集了外界信息后才能對機器人身處的環境進行識別，才能使機器人根據軌跡運動。傳感器的種類繁多，有測距傳感器、視覺傳感器、接觸覺等等不同類型的傳感器，本次設計運用的傳感器主要是用來檢測路線、檢測障礙物和測距的，分別用紅外傳感器和超聲波傳感器。整個傳感器的感測過程可以概括為下圖4-2。未偏獲取傳感器信息轉換為機身偏離狀況直線行駛函數較大偏離微偏微調函數調整函數圖4-2 傳感器子流程圖4.2.1軌跡檢測 對于循跡機器人的軌跡檢測，在本設計中用的是紅外傳感器，紅外光的發送接收選用型號為st168 的對管當小車在白色地面行駛

7、時裝在車下的紅外發射管發射紅外線信號經白色反射后被接收管接收一旦接收管接收到信號,那么圖中光敏三極管將導通比較器輸出為低電平;當小車行駛到黑色引導線時,紅外線信號被黑色吸收后光敏三極管截止,比較器輸出高電平,從而實現了通過紅外線檢測信號的功能將檢測到的信號送到單片機i/o口;當i/o口檢測到的信號為高電平時,表明紅外光被地上的黑色引導線吸收了,表明小車處在黑色的引導線上同理當i/o口檢測到的信號為低電平時表明小車行駛在白色地面上此種方法簡單價格便宜靈敏度可調但是容易受到周圍環境的影響,特別是在較強的日光燈下,對檢測到的信號有一定影響。下圖4-3為黑線檢測流圖，4-4-1為紅外傳感器探頭安裝的位

8、置。否自動循跡程序是否檢測到黑線左轉是右轉前進探測黑線判斷處理程序 圖4-3 黑線檢測流程圖圖4-4-1 紅外探頭位置其電路原理圖為圖4-4-2所示。圖4-4-2 檢測原理圖4.2.2障礙物檢測 機器人在行進的過程中不可能是一帆風順的，很可能在過程中遇到各式各樣的障礙，這就需要有一個探測障礙物的傳感器來保證機器人的前進過程不受阻。紅外線傳感器能在機器人前進的過程中檢測其測量范圍內是否存在障礙物，它是一種非接觸式的測障開關，其原理與雷達相似，發射紅外線，遇到障礙物會被反射回來，這時傳感器就認為發現了障礙物。測障過程圖如4-5所示。 運用紅外測障傳感器的優點在于其成本較低，電路簡單，檢測范圍大，并

9、且如果在電路中加上一個電位器可以隨時調節傳感器的檢測范圍，控制起來更靈活也更好看，但是其缺點便事多個紅外傳感器之間容易互相干擾。否獲取傳感器信息黑線上是否有障礙物是右轉前進10cm左轉前進5cm后左轉前進10cm并檢測黑線繼續前進圖4-5 測障流程圖 反射式光電傳感器的光源有多種，常用的有紅外發光二極管，普通發光二極管，以及激光二極管，前兩種光源容易受到外界光源的干擾，而激光二極管發出的光的頻率較集中，傳感器只接收很窄的頻率范圍信號，不容易被干擾但價格較貴。理論上光電傳感器只要位于被測區域反射表面可受到光源照射同時又能被接收管接收到的范圍就能進行檢測，然而這是一種理想的結果。因為光的反射受到多

10、種因素的影響，如反射表面的形狀、顏色、光潔度，日光、日光燈照射等不確定因素。如果直接用發射和接收管進行測量將因為干擾產生錯誤信號，采用對反射光強進行測量的方法可以提高系統的可靠性和準確性。紅外反射光強法的測量原理是將發射信號經調制后送紅外管發射，光敏管接收調制的紅外信號，原理如圖4-6所示。圖4-6 紅外發射接受原理 4.3驅動部分設計考慮到機器人必須能夠前進、倒退、停止，并能靈活轉向，在左右兩輪各裝一個電機分別進行驅動。當左輪電機轉速高于右輪電機轉速時小車向右轉，反之則向左轉。為了能控制車輪的轉速，可以采取pwm調速法，即由單片機的iob8、iob9輸出一系列頻率固定的方波，再通過功率放大來

11、驅動電機，在單片機中編程改變輸出方波的占空比就可以改變加到電機上的平均電壓，從而可以改變電機的轉速。左右輪兩個電機轉速的配合就可以實現小車的前進、倒退、轉彎等功能。4.3.1驅動電機的選擇由于系統為智能的循跡機器人，對于其驅動輪的驅動電機的選擇就顯得十分重要。為了要實現對路徑的準確定位和精確測量，我們綜合考慮了一下兩種方案：方案1：采用步進電機作為該系統的驅動電機。由于其轉過的角度可以精確的定位，可以實現小車前進路程和位置的精確定位。雖然采用步進電機的輸出力矩較低，隨轉速的升高而下降，且在較高轉速時會急劇下降，其轉速較低，不適用于有一定速度要求的系統。經綜合比較考慮，我們放棄了此方案。方案2：

12、采用直流減速電機。直流減速電機轉動力矩大，體積小，重量輕，裝配簡單，使用方便。由于其內部由高速電動機提供原始動力，帶動變速（減速）齒輪組，可以產生較大扭力。電機的驅動電路如圖4-7所示。圖4-7電機驅動電路4.3.2直流電機驅動輸入或輸出為直流電能的旋轉電機，稱為直流電機，它是能實現直流電能和機械能互相轉換的電機。其驅動電機的流程見圖4-8.邏輯信號轉換光耦隔離h橋驅動電機圖4-8 電機驅動流程4.3.3直流電機的特性 圖4-5直流電動機的機械特性 圖4-6 pmw脈沖寬度調制示意圖（1）額定功率：是指軸上輸出的機械功率，單位為kw。（2）額定電壓：安全工作的最大外加電壓或輸出電壓，單位為v(

13、伏)。（3）額定電流：允許流過的最大電流，單位為a(安)。（4）額定轉速：額定轉速是指電機在額定電壓、額定電流和輸出額定功率的情況下運行時，電機的旋轉速度，單位為rpm(轉/分)。4.3.4h橋驅動原理圖4-9 h橋原理圖h橋原理簡述 ：所謂 h 橋驅動電路是為了直流電機而設計的一種常見電路，它主要實現直流電機的正反向驅動，其典型電路形式如上圖4-9. 其工作過程如下：當開關 a、d接通，電機為正向轉動；當開關b、c接通時，直流電機將反向轉動；當將b 、d開關（或a、c）接通，則電機慣性轉動產生的電勢將被短路，形成阻礙運動的反電勢，形成“剎車”作用當4個開關全部斷開，則電機產生的電勢將無法形成

14、電路，從而也就不會產生阻礙運動的反電勢，電機將慣性轉動較長時間，這叫電機的惰行。在驅動電機時，保證h橋兩個同側的三極管不會同時導通是非常重要的。如果同側的三極管同時導通，那么電流就會從正極通過兩個三極管直接回到負極，此時，容易發生燒壞三極管的現象，因此在實際電路中通常要用硬件電路控制三極管的通斷。4.3.5直流電源穩壓上圖是為整個電路提供穩定的直流電源，穩壓后給單片機系統和其他系統供電。5 機器人的軟件設計智能尋跡機器人采用現在較為流行的8位單片機作為系統大腦。以8051系列家族中的at89s51/at89s52為主芯片。40腳的dip封裝使它擁有32個完全io(gpio通用輸入輸出)端口，通

15、過對這些端口加以信號輸入電路，控制電路，執行電路共同完成尋跡機器人。傳感系統傳感器作為循線小車的眼睛，起著將外界環境的信息讀取給單片機的作用。紅外傳感器能把被測物體的紅外線反射能量很好地轉換成電信號，并將電信號傳輸給單片機，因此循線的探測任務我們就交給了紅外傳感器。紅外傳感器傳達的信息通過運算放大器輸入單片機，由單片機根據讀取的數據進行判斷并輸出相應的結果控制小車的行走，由單片機的i/o口輸出高低電平控制其電機轉動方向，其速度控制則有單片機輸出的pwm波控制。 否獲取傳感器信息黑線上是否有障礙物是右轉前進10cm左轉前進5cm后左轉前進10cm并檢測黑線繼續前進圖5-1 蔽障軟件流程圖 如上圖

16、5-1所示為循跡機器人在行進過程中躲避障礙物的軟件流程圖，清楚的表示出了機器人是如何蔽障的。這部分的信息來源是通過紅外傳感器檢測而來的，當檢測到在行動的黑線上有障礙物時，傳感器將信息發送到單片機控制中心，驅動電機轉向，經過一系列的處理之后，機器人便能運動到規定的軌道上去。 既然有蔽障的軟件流程，那么在進行蔽障之前，肯定要先使機器人能沿著預定的黑線運動，完成從a點到b點的往返運動，這就要不斷的檢測黑線位置，防止機器人偏離預定的軌道運行，這樣的一個不斷循環的過程如圖5-2所示，清晰地表明了機器人單片機核心部分的工作順序。否自動循跡程序是否檢測到黑線左轉是右轉前進探測黑線判斷處理程序5-2 軌跡運行

17、流程圖 單片機與外部傳感器之間采集到的信息經過信息處理電路處理之后要進入單片機還需要有串口與之相連，這就需要在外部器件和單片機之間放置一個串口，以便信息傳遞的快速準確性，而機器人也可以通過軟件編程實現相關動作連續不間斷實現，這在僅是硬件設備中是一個明顯的提升，下圖5-3便是外部與串口的鏈接圖。圖5-3 串口連接圖6 元器件清單序號元件名稱規格及用途數量1電源5v102電阻133發光二極管4148 44整流二極管1n400185電機26單片機8051系列17電容48接地149三端集成穩壓器lm2940110晶振12m111比較器512開關2小結通過本次的循跡機器人課程設計,讓我對機器人和傳感器這

18、兩門學科有了更好的掌握與理解。與次同時，通過此次的課程設計也讓我充分地認識到了我在學習這門課程中存在的不足之處。當剛拿到機器人課設的題目時，我頭腦里是一片茫然啊，這個循跡機器人應該從哪里著手開始做呢，但是，經過老師對我們的設計思路講解之后，就知道應該怎么逐次實現機器人的循跡功能了。在整個的設計過程中，我需要做的就是循跡機器人的硬件電路設計，既要能檢測到路線和障礙物，還能對障礙進行躲避和不斷變換的路線進行跟蹤跟隨，最終到達目的地。 通過這次的課程設計讓我學到了很多平時課上學不到的東西，讓我知道了哪些方面是自己的薄弱環節，自己需要在哪些方面下一些功夫。更重要的是通過這次的設計我對電路的設計更加熟練

19、了，也能更加快速的看懂電路各部分的作用，也知道了該如何去利用圖書館和網絡上的資源，這對我們以后的課程設計和學習是有很大幫助的。總之課程設計對我們的幫助是非常大的，在提高我們的動手能力和開發邏輯思維之余也能在一定的程度上激發我們對機器人和傳感器的學習興趣，讓我們的學習從單一的理論升華到實踐的高度。 很慶幸能有這樣一次課設的機會，讓我學嘗試了理論與實際的結合，讓我學到了很多知識，讓我認識到了自己的不足，知道光是掌握了理論知識并不代表什么，必須還要與實際結合才能更好的理解這些知道，使之掌握得更牢靠。在以后的學習生涯中我會不斷的完善自己，用更多知識來豐富和充實自己，為自己以后的人生道路打下堅實的基礎！

20、致謝短短一周的機器人課程設計就這樣結束了，很感謝祝老師在這一周里給我帶來的幫助和指導。還要感謝在這一周時間里與我共同討論和交流的同學，感謝他們的細心指導和他們提出的疑點。祝老師在硬件方面很厲害，因為他本來就是我們機器人和傳感器這兩門科目的老師，在遇到很多跟電路設計相關的知識的時候，必然會有很多請教祝老師的時候，只要遇到這些問題就可以找他，老師肯定會盡責為我們講解，并且老師還會就我們提出的問題給我們引申出挺多在設計的時候應該注意的事項、細節。還要感謝為我提供課設資料的學校圖書館，圖書館的大量書籍為我提供了廣闊的資源，讓我熟悉掌握了各種傳感器的工作原理、大部分機器人應采用的驅動傳動裝置以及控制源等相關信息，這些信息都是對我的課程設計非常重要的，能讓