智能小車.docx

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1、摘要 本文基于Arduino、51duino設計了一種能夠智能移動避障及智能抓取分揀 貨物的機械裝置，由電源模塊、超聲波傳感器模塊、電機驅動模塊、調試模塊、 MCU模塊、壓力傳感器模塊、溫度傳感器模塊、濕度傳感器模塊，WIFI模塊、 51duino機器人驅動板模塊、Robot-Eyes高清攝像頭等模塊組成。本文主要從硬 件與人機交互方面來解釋如何利用紅外傳感器檢測障礙物，并實現(xiàn)自動避障的功 能；如何利用無線傳輸與相應的傳感器使得抓取裝置更好的抓取貨物，從而突出 該機械裝置的優(yōu)越性。 關鍵詞：智能小車單片機避障 nr-: 人機交互 2) 支持IT模式,22. 1184MHz主頻約相

2、當于傳統(tǒng)單片機主頻265MHz; 3) 支持IAP技術,29K EEPROM空間可用于保存用戶數(shù)據(jù)； 4) 具有獨立的波特率發(fā)生器. 2. 電機驅動芯片 -L298,內置雙路全橋驅動電路,可驅動2路直流電機，也可以驅動兩相步 進電機，標配2A驅動電流，全新進口 SMT封裝,性能大大優(yōu)于國產插件封裝 L298,價格也貴得多. 3. 電源穩(wěn)壓 —2片LM2596,分別支持3A電流驅動輸出，全新進口芯片，發(fā)熱小，性能 和價格遠高于國產芯片 4. 接口資源和特點 1) 1個電機輸出接口，標配驅動2路直流電機(也可用并聯(lián)方式驅動4路小 電流電機)，可選驅動步進電機； 2) 1個電機擴展

3、邏輯控制接口，用于控制外接大功率電機底盤(如大腳電 機)； 3) 5路舵機驅動接口(可以擴展至8路)； 4) 1個舵機擴展邏輯控制接口組，用于控制外接超大功率舵機； 5) 3路紅外避障接口； 6) 1個TTL排針串口； 7) 1個紅外一體化接收頭； 8) 4路預留接口，可接溫度傳感器.超聲波模塊.I2C接口的FM模塊等； 9) 1個USB接口，完美適配703等無線路由，集5V供電和TTL串口于 一體,也可以外接串口模塊，如指紋模塊等； 10) 1個最大輸出500mA電流驅動接口，可以接紅外發(fā)射頭.蜂鳴器.強光 二極管，繼電器等； 11) 1個電源開關,8A工作電流,超強可靠性

4、; 12) 1個直流電源輸入接口, 7-15V范圍輸入； 13) 1個5V電壓輸出接口，標配1A電流； 14) 電機驅動電壓選擇跳線開關，可選6V/9V/12V輸出. 15) 6組高亮LED運行指示燈. 16) 關鍵邏輯部分均使用光耦進行隔離，極大地提高了穩(wěn)定性. 17) 自帶MAX232隔離，可使用STC-ISP下載程序在線編程. 其原理電路圖： ■sw r— g n — ?AxWT C J P . GPIOO GP1O2 a s s x f ^*-4 <*■> 5 5 S a s a s =N Z：工 9 9 9 9 O- O- O- 9 9

5、9 N = N N 9 9 9 9 ppiop s J XL> *3V3 ^OK 入 ? 3V3 *3V3 1 OOuF 1 UF ONO 3.4攝像傳感模塊 攝像傳感器支持多物體，多色彩識別，其也支持多種通信方式，如SPI, I2C 等，可以直接插在Arduino控制板上面。把它安裝在機器人上，想到與給機器人 加上了一副眼睛。它搭載的圖像傳感器配合強大的硬件，可以配合PC追蹤、分 析多色的數(shù)據(jù)。其強大的處理器上搭載一個圖像傳感器，它會選擇性處理有用的 消息，因為它采用顏色為中心的辦法一使該產品只是將特定的物體的視覺數(shù)據(jù)發(fā) 給相互配合的微型控制器，而不是輸出所有

6、的視覺數(shù)據(jù)進行圖像處理，所以 Arduino很容易和它微控制器很容易交流。 攝像傳感模塊利用攝像頭的成像原理，其輸入方式：利用攝像頭對貨物單上 的二維碼進行掃碼，將數(shù)據(jù)傳給51duino,然后再進行下一步的抓取動作。當然 小車上的攝像頭可對抓取裝置的動作進行監(jiān)控，將數(shù)據(jù)與動作傳給移動終端設 備，人為亦可以進行強行干預，中斷小車的抓取等一系列動作。 3.4壓力傳感模塊 FSR402壓力傳感器是Interlink Electronics公司生產的一款重量輕、體 積小、感測精度高、超薄型電阻式壓力傳感器。這款壓力傳感器是將施加在傳感 器薄膜區(qū)域的壓力轉換成電阻值的變化，從而獲得壓力信息，壓力越

7、大，電阻越 低。我們將抓取裝置的抓取位置上安裝該壓力傳感器，當有壓力輸入時，將電阻 值的變化通過放大器傳給51duino, 51duino根據(jù)內部的編程來對伺服電機進行 輸出，控制伺服電機的的轉速與角度來更好更穩(wěn)定的抓取貨物。 總結 該智能分揀裝置采用人工交互式與多種傳感器相互結合的特色，使得人們只 需從移動終端監(jiān)控該分揀裝置的動作，不需人為對貨物進行分揀，減輕了人力的 勞動。多種傳感器的相互結合使用，增強了該智能分揀裝置的操作穩(wěn)定性與準確 性。人工交互式的運用，使得分揀裝置更加智能，方便操作，達到人與機器的一 種交流。 參考書籍： ［1］ 黃大志，周慶貴，陳業(yè)強.基于單片機輪式尋跡機

8、器人控制系統(tǒng)的設計 口］.機床與液壓,2009, 37( 8) : 350 -352. ［2］ 王瑋，王丹，培德.基于光電探測系統(tǒng)的地面車精確定位定向技術［J］.北 京航空航天大學學報，2007, 33( 8) : 902 -905. ［3］ 肖南峰.智能機器人［M］.廣州：華南理工大學出版社，2008. 1:7-8 ［4］ 陳明熒.ATmegal6單片機課程設計實訓教材［M］.北京:清華大學出版 社，2004. ［5］ 雷鋼，王宏遠.基于AVR單片機的控制系統(tǒng)設計［J］.華中科技大學學 報.2006. ［6］ 張軍.AVR單片機應用系統(tǒng)開發(fā)典型實例［M］.北京：中國電力出版 社，2

9、005. ［7］ 劉崇翔 基于ARM的智能小車的設計與研究，江南大學碩士學位論文， 2012. 03 ［8］ 彭南華.經濟型噴漆機器人軌跡規(guī)劃及關節(jié)控制研究［D］。湖南：中南大 學，2009 (4)： 3-7 目錄 第1章緒論 1.1引言 智能，在科技高速發(fā)展的今天，已成為一個引領時尚前沿的代名詞，智能手 機，智能機器人等等已經在工業(yè)，軍事中得到廣泛的作用，在不為人們所熟知的 領域，如深海探測，航空航天，地質勘探，智能也發(fā)揮著舉足輕重的作用⑴。智 能車是一個集環(huán)境感知、規(guī)劃決策和多等級輔助駕駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)。 整個系統(tǒng)設計集中運用了自動化控制、傳感技術、導航、電子、電氣、P

10、C機、 機械、人工智能等多個學科的知識⑵，是典型的高新技術綜合體。以后智能機器 人的應用領域會愈發(fā)廣泛，如在航天航空技術、海洋能源開發(fā)技術、微電子技術、 制造與維修技術、農業(yè)自動化、生物醫(yī)學等領域會有很大的突破和進展。 1.2課題研究目的及意義 自第一臺工業(yè)機器人誕生⑶以來，機器人的發(fā)展已經遍及機械、電子、冶金、 交通、宇航、國防等領域。近年來機器人的智能水平不斷提高，并且迅速地改變 著人們的生活方式。人們在不斷探討、改造、認識自然的過程中，制造能替代人 工作的機器一直是人類的夢想，其中智能小車可以作為機器人的典型代表。其需 要實現(xiàn)自動避障功能就必須要感知障礙物，實現(xiàn)自動識別路線，選擇正確

11、的行進 路線，使用傳感器感知路線并做出判斷和相應的執(zhí)行動作。智能小車設計與開發(fā) 涉及控制、模式識別、傳感技術、汽車電子、電氣、計算機、機械等多個學科。 它可以分為三大部分：傳感器檢測部分，執(zhí)行部分，CPUo現(xiàn)代智能小車發(fā)展很 快，從智能玩具到各行業(yè)都有實質成果，其基本可實現(xiàn)循跡、避障功能等基本功 能。 日本目前投入市場的不再是高性能的工業(yè)機器人，微型機器人汽車也正在逐 步的進入市場。日前由日本科研人員研發(fā)的兩款微型機器人汽車與大眾見面，汽 車內安裝有最尖端的視覺識別系統(tǒng)，通過內部的攝像頭與傳感器能夠使小車自動 識別障礙物，從而避免碰撞，并判斷小車與障礙物之間的距離。目前研究人員已 經將小車的

12、這種自動識別系統(tǒng)應用到汽車工業(yè)領域去，這將為陷入低靡的汽車行 業(yè)注入新的活力'， 隨著計算機、自動控制、微電子技術、人工智能、虛擬現(xiàn)實、微納米技術、 仿生學、材料等相關學科領域的發(fā)展，避障循跡小車可以通過自動感知引導線以 及躲避障礙物在工作中取代人力運輸，節(jié)省人力以及成本。智能車輛是一個運用 計算機、傳感、信息、通信、導航、人工智能及自動控制等技術實現(xiàn)環(huán)境感知、 規(guī)劃決策和自動行駛為一體的高新技術綜合體。此類機器人以后對我們的研究和 生活定會發(fā)揮至關重要的作用，在以后對車輛的自動駕駛，飛船的自動航行模式 及深海自動探測有很大的研究價值。 1. 3課題研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 智能小車，也就是輪

13、式機器人，主要有口令識別與語音合成、機器人自定位、 動態(tài)隨機避障、多傳感器信息融合、實時自適應導航控制等功能也氣現(xiàn)在智能 小車發(fā)展很快，從智能玩具到其它各行業(yè)都有實質成果。其基本可實現(xiàn)循跡、避 障、檢測貼片、尋光入庫、避崖等基本功能，這幾年的電子設計大賽智能小車又 在向聲控系統(tǒng)發(fā)展，比較出名的飛思卡爾智能小車更是走在前列。隨著人工智能 的不斷發(fā)展，尤其是那場AlphaGo與李世石的世紀之戰(zhàn)給人們留下了深刻的印 象，智能機器人的研究取得了新進展。美國的Alphabet公司研制出的機器馬可 用于救災物資上的運輸，英國設計出吃蒼蠅老鼠的機器人家具，法國研發(fā)出“兒 童機器人”，歐洲研發(fā)出超級機器人，能

14、預知人類意圖等。這些都與我們的生活 息息相關，給我們的生活帶來了極大地方便。我國一直比較重視智能機器人的研 究，國家“863”智能機器人專家組將智能機器人的研究作為今后發(fā)展的重點。 許多大專院校和科研機構都在著手智能機器人的研究和開發(fā)工作，相繼幾所高校 進行了這方面的研究并取得了一定的成果，如沈陽自動化所的AGV小車，上海大 學的導購機器人和哈工大研究所的導游機器人，清華大學智能技術與系統(tǒng)國家重 點實驗室研制的THMR系列微型移動車，整個系統(tǒng)包括攝像機，磁羅盤，差分GPS, 電子地圖等車載設備，保證了移動車控制系統(tǒng)能夠實現(xiàn)自主駕駛與輔助駕駛。除 此之外，以哈爾濱工業(yè)大學為首的眾多高校也先后在“

15、機器人足球賽”“機器人 起重大賽”這些具有國際水平的人工智能競賽中取得優(yōu)異的成績⑻。 此次設計的智能車可以作為機器人的典型代表，主要實現(xiàn)以攝像頭實現(xiàn)無線 數(shù)據(jù)傳輸，通過溫度濕度傳感器感應外界環(huán)境選擇最佳路線和避障等多個功能。 智能車可以分為四大組成部分：傳感器檢測部分、小車執(zhí)行部分、抓取部分、CPU。 機器人要實現(xiàn)選擇最佳路線和避障功能，感知外界路面的路面情況和障礙物，可 以實現(xiàn)小車自動識別路線，選擇正確的行進路線并平穩(wěn)的行駛。基于上述要求， 傳感檢測部分考慮到小車一般需要要準確到到指定地點，要求精密感知與直流電 機相互配合完成，主要控制小車的行進方向和速度。單片機驅動直流電機一般有 兩種方

16、案：第一，勿需占用單片機資源，直接選擇有PWM功能的單片機，這樣可 以實現(xiàn)精確調速；第二，可以由軟件模擬PWM輸出調制，需要占用單片機資源， 難以精確調速，但單片機型號的選擇余地較大?？紤]到實際情況，本文選擇第一 種方案。CPU使用Arduino單片機，配合軟件編程實現(xiàn)。抓取部分功能的實現(xiàn)需 要更多的傳感器與51duino控制器的配合，如壓力傳感器對貨物的壓力的檢測將 數(shù)據(jù)傳到移動終端，通過移動終端來控制抓取裝置舵機的移動角度來改變抓取貨 物時所受的力。 1.4人機交互結合運用 人機交互是一種人與計算機之間使用某種對話語言，以一定的交互方式，為 完成確定的任務的人與計算機之間信息交換過程。

17、這次我們所做的小車就是通過 移動終端設備對小車進行監(jiān)控，從而實現(xiàn)一種準確分揀并運輸?shù)墓δ堋１O(jiān)控小車 的實現(xiàn)以攝像頭對路面情況的勘測通過無線傳輸?shù)轿覀兊囊苿咏K端設備上，再通 過溫度濕度傳感器感應外界環(huán)境或我們自設定而選擇最佳路線和避障。待小車到 達指定的物流分揀區(qū)域時，利用抓取裝置的攝像頭對物品進行一個二維碼的掃取 再通過操作系統(tǒng)對貨物進行一個分揀，這一系列動作人們只需要通過移動設備進 行監(jiān)控或操作即可，使人的勞動力得到極大地解放。 隨著計算機領域的不斷發(fā)展，人機交互技術亦日趨成熟，操作命令也越來越 多，功能也越來越強。隨著模式識別，如語音識別、漢字識別等輸入設備的發(fā)展, 操作員和計算機在類似

18、自然語言或受限制的自然語言這一級別進行交互成為可 能。此外通過圖形進行人工交互也吸引著人們去研究。這些人機交互可稱為智能 化人工交互。根據(jù)未來社會的發(fā)展趨勢，我們選擇一種人工交互式的方法結合分 揀裝置運用于日常生活的運用。 第2章小車的總體硬件設計 2.1小車車體設計與移動避障的原理 本文所述小車采用RP5大功率坦克車體，它采用帶電機的大扭力280馬達， 組合斜齒+金屬齒，形成大扭力、低噪音底盤系統(tǒng)，具有動力性能強、底盤穩(wěn)定 性高、可原地轉圈、轉彎靈活等特點。負載能力至少3KG以上?？梢栽秸系K物， 比一般的輪式小車更具有穩(wěn)定性和靈活性，從而適合比較高要求的場合如模擬物 流分揀。 小車原

19、理結構框圖如圖2-1所示，系統(tǒng)以Arduino單片機為核心，配合外圍 電路共同完成信號采集、路線檢測、障礙檢測、按鍵輸入、信號顯示和小車姿態(tài) 控制等功能。系統(tǒng)采用高性能的單片機，要求工作穩(wěn)定、處理速度快、通用性強, 保證小車移動避障的穩(wěn)定性及可靠性，而且成本低。 小車移動避障部分是能夠采集周圍環(huán)境障礙物的信息，并返回至單片機進行 處理，其組成部分包括：環(huán)境信息采集電路、放大電路、單片機控制電路。 路線采集電路一般有脈沖調制的反射式紅外發(fā)射接收器和信號放大器組成， 脈沖調制的反射式紅外發(fā)射接收器根據(jù)不同顏色對光的反射程度不同，將路線信 息送至放大器，放大器可作為比較器可作簡單的濾波

20、，放大器將從脈沖調制的反 射式紅外發(fā)射接收器返回的信號轉化為單片機可識別的電平信號后送入單片機。 Arduino單片機可根據(jù)接收的信息判斷路線的信息，實現(xiàn)對左右兩側直流電機工 作狀態(tài)的控制，以實現(xiàn)左右轉向，最終實現(xiàn)選擇最佳路線的功能。 避障部分則有超聲波模塊和兩路脈沖調制的反射式紅外發(fā)射接收器。超聲波 可實現(xiàn)測距，利用超聲波返回的信號變化使單片機產生中斷，實現(xiàn)障礙的判斷， 當距離大與某個值時可繼續(xù)前進，當距離小于某個值時則單片機進行處理，實現(xiàn) 避障。 2. 2小車微處理器硬件設計 微處理器是小車的核心部分，主要完成對外圍各個模塊的管理，實現(xiàn)對外圍 模塊的信號發(fā)送，以及對傳感器模塊的信號采

21、集，并根據(jù)軟件算法對所采集的信 號進行處理，發(fā)送信號給執(zhí)行模塊進行任務執(zhí)行，還對各種突發(fā)事件進行監(jiān)控和 處理，保證整個系統(tǒng)的正常運作。這里采用Arduino單片機，其工作條件與端口 的介紹： 1. 微控制器核心：AVRmegal68-20PU/mega328P-PU（處理速度可達 20MIPS） 2. 工作電壓：+5V 3. 外部輸入電壓：+7V?+ 12V （建議） 4. 外部輸入電壓（極值）：+6VWVinW + 20V 5. 數(shù)字信號I/O接口 0?13：共14個，其中6個PWM輸出接口（Pinll、 PinlO、 Pin9、 Pin6、 Pin5、 Pin3） 6. 模

22、擬信號輸入接口 0?5：共6個 7. DC I/O 接口 電流：40 mA 8. Flash 容量：16 KB/32KB （其他 2K 用于 bootloader） 9. SRAM靜態(tài)存儲容量：1KB 10. EEPR0M 存儲容量：512 bytes 11. 時鐘頻率：16MHz、支持USB接口協(xié)議 12. 支持USB供電與外部供電 13. 支持ISP下載功能 14. 支持插針 2. 3小車電機驅動部分設計思路 小車車體為RP5-CH02玩具坦克車底盤，為差動式履帶車，由于其為大功率， 采用帶電感的大扭力260型馬達，形成大扭力、低噪音底盤系統(tǒng)，具有動力性能 強，因此也需

23、要大電流大功率驅動模塊。左右兩側的電機分別由電機驅動芯片 L298N來驅動。L298N是一種內含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅動器，接收標 準TTL邏輯電平信號，可驅動46V. 2A以下的電機，可分別獨立驅動兩個直流電機。 L298N的信號輸入端和使能端接收到來自單片機的信號，控制電機的通斷以及正、 反轉，還可以通過向使能端輸入不同占空比的方波信號來調整電機轉速（PWM方 式）。如圖所示，小車采用直流電機提供動力，LI、L2兩個大電感對電機其保護 作用。由有L298驅動模塊驅動電機，L298N是一種內含兩個H橋的高電壓大電流全 橋式驅動器'⑶，接收標準TTL邏輯電平信號，可驅動46V、2A以下

24、的電機，可分別 獨立驅動兩個直流電機，本設計即用了這樣的連接方式驅動左右兩個電機，E1、 E2接控制使能端，控制電機的停轉；Inl~In4接單片機的輸出端，用于控制電動 機轉向。 2. 4避障模塊電路 圖2. 1.4A左前右前避障模塊 避障模塊有兩部分組成，包括探測左前右前的紅外攝像頭（如圖2. 4A）和 超聲波（如圖2. 4B）o L_ 一* C_ 圖2. 1.4B超聲波模塊 其中如圖2. 4A示，左前右前避障傳感器為脈沖調制的反射式紅外發(fā)射接收 器，但其較容易受光線影響，而圖2. 4B示的超聲波模塊測距對所探測物體斜度 有要求，兩者結合既可不受被測物體斜度的影響，而

25、且可以對高度不同的障礙物 進行探測，增加了探測的準確性和全面性，增加了避障的準確度。 2. 5溫度傳感模塊 我們選擇的溫度傳感器2010年最新推出的Analogue Temperature Sensor 采用NS公司（美國國家半導體公司）生產的溫度傳感器LM35,它具有很高的 工作精度和較寬的線性工作范圍，該器件輸出電壓與攝氏溫度線性成比例，每 升高1°C,輸出電壓增加lOmVo從使用角度來說，熱電偶常用于高溫測量， 伯電阻用于中溫測量（攝氏800度左右），而熱敏電阻和半導體溫度傳感器適 合于200度以下的溫度測量。 LM35就是一款半導體溫度傳感器與用開爾文標準的線性溫度傳感器相比更

26、有優(yōu)越之處，LM35無需外部校準或微調，可以提供±1/4°C的常用的室溫精度。 LM35輸出數(shù)據(jù)通過Arduino板傳到我們的移動終端，通過移動終端更好調控小 車的路線從而避免小車在極寒或極熱的工作狀態(tài)下工作，從而增強其使用性能與 壽命。 第3章抓取裝置的總體硬件設計 3.1抓取裝置設計及工作原理 抓取裝置是該分揀結構一重要環(huán)節(jié)，其工作原理就是利用成像攝像頭對二維 碼的掃取，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?1duino板中，51duino進行數(shù)據(jù)分析后控制電機的轉 角與速度從而達到對貨物進行分揀的功能。 抓取裝置關鍵部位為電機，我們抓取裝置所用的電機為伺服電機。其內部有 一個基準電路，產生周期為20ms

27、,寬度為1.5ms的基準信號，將獲得的直流偏 置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。經由電路板上的IC判斷轉動方 向，再驅動無核心馬達開始轉動，透過減速齒輪將動力傳至擺臂，同時由位置檢 測器送回信號，判斷是否已經到達定位。適用于那些需要角度不斷變化并可以保 持的控制系統(tǒng)。當電機轉速一定時，通過級聯(lián)減速齒輪帶動電位器旋轉，使得電 壓差為0,電機停止轉動。 3. 2抓取裝置微處理器設計 抓取裝置的微處理器采用的是52duino控制器。51duino使用了增強型的 51內核單片機STC11F32XE,驅動板硬件資源特性： 1. MCU 處理器一STC11F32XE, 32K Flash, 1280 字節(jié) SRAM,板載晶振 22. 1184MHz,與傳統(tǒng)51單片機相比，具有以下特點： 1）低功耗，強抗干擾，超強加密;