自动寻迹避障轮式机器人--综合实验设计报告

专业综合实验设计报告

项目：自动寻迹避障轮式机器人

班级：电133

姓名：

学号：1312021067

同组同学：

学期：2016-2017-1

一、实验目的和要求

1.1实验目的

自动循迹、智能避障机器人是一个与电气工程专业有着密切关系的实际工程装备，本综合实验以此为依托，把轮式机器人能够沿设置的道路路线运动作为控制目标，完成从模型建立、控制方案确定、控制参数仿真分析、硬件线路设计到实物机械安装、硬件安装调试、控制程序编写集成、系统调试等步骤过程的训练。

本实验涉及到《电路分析》、《电子技术》、《电力电子技术》、《电机学》、《电力拖动》、《自动控制原理》、《传感器与检测技术》、《电机控制技术》等课程的理论和实验知识。是学生接触实际电气工程专业复杂工程问题的重要及关键途径。通过实验培养学生实践动手能力，运用现代工程工具和信息技术工具的能力，分析和解决实际工程问题的能力。从而使学生初步能够解决主要涉及电气工程专业知识的复杂工程问题。

1.2实验要求

要求同学综合运用课程的理论和实验知识，以轮式机器人能够以一定的速度沿设置的道路路线运动作为控制目标（技术指标为：机器人行走速度≥1m/s，行走偏离导航线程度≤2/3车身宽度），要求完成从模型建立、控制方案确定、控制参数仿真分析、硬件线路设计到实物机械安装、硬件安装调试、控制程序编写集成、系统调试等实验步骤。具体要求为：

1）检索资料，对轮式机器人的发展状况，当前的研究热点，技术发展的现状，发展趋势有所了解，查阅工程规范文件、产品样本、使用说明，了解实际系统运行时必须遵守的工程规范和系统实现时所受到的商用产品的实际限制。

2）理解轮式机器人的机械结构，用CAD软件绘制机械零部件的加工图纸，安装轮式机器人。

3）综合运用物理特性分析法和实验参数测定法建立轮式机器人的数学模型，必要时在工作点附近近似线性化，以获得线性数学模型。

4）设计轮式机器人控制系统的硬件系统，包括控制芯片的选型，外围电路的设计，传感器类型型号的选择、功率驱动电路的选择、人机交互部件的选择，掌握所选择元器件、部件的性能、用法。用电子线路设计软件绘制硬件原理图，设计相应的PCB设计图，安装

硬件并调试。

5）根据控制要求，设计控制系统的控制结构，选择合适的控制算法，结合具体数学模型，计算系统所能达到性能指标，利用MATLAB软件进行必要的系统仿真，通过仿真掌握控制参数的整定方法，使轮式机器人系统满足性能指标。

6）掌握系统联调的步骤方法，调试参数的记录方法，动态曲线的测定记录方法。记录实验数据，采用数值处理方法和相关软件对实验数据进行处理并加以分析，记录实验曲线，与理论分析结果对比，得出有意义的结论。

二、实验仪器设备与器件

表1

三、实验原理分析

本次实验设计的主要内容是一种基于单片机控制的自动寻迹避障智能循迹机器人的设计，该车以单片机为控制核心，利用传感器对前方障碍物信息及路面信息进行采集，并将障碍物检测信号和路面检测信号反馈给单片机。单片机对采集到的信号予以分析判断，及时控制驱动电机以调整智能循迹机器人转向，从而使智能循迹机器人能够避开障碍物，沿着预定轨道自动行驶，实现智能循迹机器人自动寻迹避障的目的。

3.1建立数学模型

数学建模就是当需要从定量的角度分析和研究一个实际问题时，需要在深入调查研究、了解对象信息、作出简化假设、分析内在规律等工作的基础上，用数学的符号和语言做表述来建立数学模型。

3.1.1模型建立原理

建立数学模型的主要过程在于建立系统输入和输出之间的关系，主要方法有：

（1）物理建模法（白盒法）：根据物理原理建立输入和输出模型；

（2）基于输入输出数据（黑盒法）：通过实验测量大量输入和输出之间的关系，采用曲线拟合近似输入和输出的函数关系；

（3）混合法：结合物理原理基础和实验测量数据拟合共同建立输入和输出模型。

本次实验采用混合法来进行建立系统输入和输出之间的关系。

轮式机器人的传统导航方式有很多，包括惯性导航、视觉导航、传感器导航等。不同导航方式所适用的环境也有所不同，包括简单环境和复杂环境，室内环境和室外环境。

环境信息包括待覆盖区域的地形、障碍物的形状、位置、大小甚至属性或者类别。

1)惯性导航是一种最基本的导航方式。它利用机器人装配的光电编码器和陀螺仪，计算机器人航程，从而推知机器人当前的位置和下一步目的地。这种导航方式的优点是硬件结构实现起来比较简单，缺点是导航系统存在常值漂移和随机漂移，导致导航信息精度随时间推移而降低，控制的精度很难提高。

2)视觉导航是利用机器人自身装配的摄像机拍摄周围环境的局部图像，然后将所得的信息存储起来，以后机器人移动时拍摄的信息与之进行比对，来确定机器人所在的位置，

从而实现智能移动机器人全局航。这种导航方式的优点是路径规划起来比较简单，柔性化程度高，然而其难以适应复杂的环境，以及硬 件结构比较复杂。

3)传感器导航是一种利用非视觉传感器，如,超声波传感器、红外传感器、接触传感器等来实现智能 移动机器人导航。这种导航方式的优点是精度高，能安全的避开障碍物，但这种方式所需的传感器多，硬件结构较复杂。

由于传统的导航方式存在着种种局限性，靠单一的导航方式难以优化智能移动机器人的软硬件结构，也不可能很大的提高导航精度，因此本文综合了惯性导航与传感器导航的部分优点，提出了一种新的导航方式。这种导航方式通过光电编码器进行实时定位，利用红外传感器进行实时避障，从而引导智能移动机器人按照事先规划好的路径进行遍历。 3.1.2智能循迹机器人运动的数学模型建立

采用的四轮结构，驱动系统采用两轮差速驱动方式，后两个为从动轮，只起到支撑平衡作用。假定左右两个驱动轮与地面之间没有滑动，也没有侧移，只是做纯粹的滚动，则机器人满足钢体运动规律。图1所示｛XW,YW,O ｝为世界坐标系，｛X,Y ,O ｝为移动坐标系，PX 为机器人前进方向。

Y W

X W

O

y

x

图1小坐标系图

移动机器人运动学主要处理控制参数和系统在状态空间的运动两者之间的关系，它包括正运动学和逆运动学两个方面。正运动学解决如何根据移动机器人的速度来计算它的位姿或运动轨迹，当机器人的位姿（x ，y ，）时，差动轮式机器人的正运动学就是利用这连个差动轮的速度（r v ，l v ）来计算其位置，通用公式计算如下

01()[()()]c o s [()]2

t

r l x t v t v t t dt θ=+? （1）

1()[()()]sin[()]2t

r l y t v t v t t dt θ=+? （2）

1()[()()]t

r l t v t v t dt l θ=-? （3）

其中，r v 和l v 分别为左右轮的驱动速度，l 是两个驱动轮之间的距离，r 为移动机器人的驱动轮半径；移动机器人逆运动学解决如何控制轮子的速度以达到移动机器人所需的运动轨迹或位姿，即在已知位置（x ，y ，θ）时，如果根据以上公式，求出两轮差动速度（r v ，l v ）。由于差动轮式驱动属于非完整性约束问题，故移动机器人逆运动学只有在特殊条件下求解，其解往往不唯一，根据系统的需求，本文对移动机器人的运动学分析按两种情况分别进行。

直线运动

当差动轮式移动机器人左右两轮的速度大小相等且方向相同时，机器人的运动轨迹为直线，所图2所示。

Y

Y

图2直线运动原理图

设t=0时，机器人移动坐标系｛X0，Y0，P0｝与世界坐标系｛XW,YW,O ｝重合，经过时间t 后机器人运动到新的移动坐标系｛Xt ，Yt ，Pt ｝，当机器人左右两轮的速度大小相等且方向相同(即r v =l v )时由公式(3)有：

01()[()()]0t

r l t v t v t dt l θ=

-=? （4）

将其代入公式（1）、（2）得：

t v t x r ?=)( （5）

0)(=t y （6）

由0=q 和公式（4）、（5）式可知：机器人左右两轮的速度大小相等而方向相同时机器人的运动轨迹为直线。

圆弧运动

当差动轮式机器人左右两轮的运动方向相同速度大小保持不变且差速度固定不变时，机器人的运动轨迹为圆弧。

设t=0时，机器人移动坐标系｛X0，Y0，P0｝与世界坐标系｛XW,YW,O ｝重合，经过时间ｔ后机器人运动到新的移动坐标系｛Xt ，Yt ，Pt ｝，如图：

Y

Y 0

图3圆弧运动原理图

当机器人左右两轮的速度差恒定，且方向保持不变时，由公式(3)有：

01()[()()]t r l v

t V t V t dt t l l

θ?=-=?? （7）

将()v

t t l

θ?=

?和r l v v v =+?代入公式(1) 有： （8）

求定积分得：

2()()sin()2l v t v l v

x t t v l

+??=

???? （9） 将()v

t t l

θ?=

?和r l v v v =+?代入公式(2) 有： 01()(2)cos()2t l v

x t v t t dt

l

?=+???

2()()[1sin()]2l v t v l v

y t t v l

+??=??-?? （10）

由公式（9）有：

2sin()()2()l v v

t x t l v t t l

???=??+? （11）

由公式（10）有：

2cos()1()2()l v v t y t l v t t l

???=-??+? （12）

22cos (

)sin ()1v v

t t l l

???+?= 22

22[()][1()]12()2()l l v v x t y t v t v l v t t l

????+-??=+?+? （13） 由上可知，机器人的运动轨迹为一圆弧，将上式转化为圆的标准方程：

222

2()2()1()[()][]22l l v t v v t l x t y t v v

+?+-?=???

由式（2-11）、（2-12）可知，当机器人左右两轮的运动方向相同、速度大小保持不变且速度固定不变时，机器人的运动轨迹为圆弧。圆心在世界坐标系YW 的轴上。其圆心坐标为：

(0,

(2())2l v t v l v +??), 圆弧半径为：(2())2l

v t v l

v

+??

当机器人右轮速度大于左轮速度时，机器人的运动轨迹在世界坐标系的一、二象限；当机器人右轮速度小于左轮速度时，机器人的运动轨迹在世界坐标系的三、四象限。运动轨迹如图：

Y W

Y Y

Y 0

a : 0r l v v v ?=-?

b : 0r l v v v ?=-?

图4圆弧运动图

3.1.3电机模型建立

智能循迹机器人运动过程中，轮子受到的力包括电机牵引力，摩擦力、转弯引起的滚转阻力改变，智能循迹机器人加速度为dv dt ，根据力矩平衡原理可得：

()()2T fmg f m dv dt r αα=++

（14）

智能循迹机器人动力为直流电动机，机械特性为：

()()202

a j E E T R R T T U n C C C ++=

-ΦΦ

（15） 260

nr

v π=

（16）

假设电池电压为U0，控制满肚为Xumax ，电压为：

0max pwm u U U u X =

（17）

对等式（8）、（9）、（10）、（11）进行联立方程组，可解得：

312()pwm k v v k u k k αα+=--

（18）

其中：U 为电枢端的输入电压；R a 为电枢绕组电阻；R j 为串入电枢回路的调节电阻；

C E 为电动势常数；C T 为转矩常数；T 2为机械输出转矩，T 0为空载转矩，Φ为每极磁通量。

1max 30E u r U k C X π=

Φ

（19）

()()20

2

30a j E T r R R k fmgr T C C π+=

+Φ （20）

()23

2

30a

j E T R R r m

k C C π+=

Φ

（21）

()()()2

2

30a

j E T R R r k f C C α

απαα+=

Φ （22）

其中，可见：3k ，1k ，2k 与电机本身，电池电压，智能循迹机器人质量、匀速行驶的

阻力等有关，可通过实验获得；()k αα是智能循迹机器人转向的影响，与因转弯而增加的滚动摩擦阻力呈正比，因此，假设可表示为：

45()||k k k ααα=+ （23）

实验大致过程为：先假设偏转角为0，将3k ，1k ，2k 看作待定系数，理论上来说，如果有三组占空比与智能循迹机器人速度v 、速度变化率v 的对应关系，就可以求出3k ，1k ，2k ，实际上考虑实验误差和可靠性，应进行多次实验，采用最小二乘法估计3k ，1k ，2k 。

然后将3k ，1k ，2k 带入，通过多次实验，得到大量α与v 的对应关系，确定45,k k 。 3.1.4控制系统结构图

经过上述过程的模型建立，可观察出轮式机器人的控制结构为两个闭环结构组合叠加而成，具体控制系统结构图如下所示：

图5 智能循迹机器人控制系统结构图

3.2机械结构

本次实验要求智能循迹机器人的机械系统稳定、简单，而四轮运动系统具备以上特点。 驱动部分：由于玩具汽车的直流电机功率较小，而智能循迹机器人上装有电池、电机、电子器件等，使得电机负担较重。为使智能循迹机器人能够顺利启动，且运动平稳，在直流电机和轮车轴之间加装了三级减速齿轮。

显示部分：将显示模块放置智能循迹机器人前部上方，利于观察。

电池的安装：将电池放置在车体的正下方，降低车体重心，提高稳定性，同时可增加驱动轮的抓地力，减小轮子空转所引起的误差。

机械结构在设计时，必须遵循重量适当、降低重心、加固安装这三个原则。

1）重量适当。智能循迹机器人的车身过重，会影响到智能循迹机器人在运动时的动能；车身过轻，则会影响到智能循迹机器人在爬斜坡的抓地力，直接导致智能循迹机器人的车轮会打滑。2）降低重心。这不仅能更好地增加智能循迹机器人的抓地力，而且更能保证检测的稳定性能。

3）加固安装。这直接决定了智能循迹机器人的质量高低，所以在安装时，必须加固安装。

以下通过机械零部件的加工图纸来进一步了解智能车的机械结构：

图6智能循迹机器人底板背面机械结构图

图7智能循迹机器人底板正面机械结构图

3.3总体方案设计

本设计采用由单片机最小系统、电机驱动电路模块、避障模块、寻迹模块、液晶显示模块和电源模块、声音启动模块组成。单片机实时检测寻迹模块在黑线跑道上的状态，并自主调整智能循迹机器人的方向。在寻迹的跑道上检测前方的距离，当前方距离小于20厘米时，智能循迹机器人避开障碍物往回继续寻迹。智能循迹机器人把前方障碍物的距离显示在LCD1602液晶上，智能循迹机器人的驱动是采用驱动芯片驱动寻迹避障智能循迹机器人行走。

系统总体框图如图3-1所示：

图8系统总体结构框图

3.4系统方案比较、设计与论证

该系统主要由单片机主控模块、声控模块、寻迹模块、避障模块电路，液晶显示模块、电机驱动模块和电源模块电路组成，下面介绍实现此系统功能的方案。

3.4.1主控制器模块选择

方案1：

采用可编程逻辑器件CPLD 作为控制器。CPLD可以实现各种复杂的逻辑功能、规模大、密度高、体积小、稳定性高、IO资源丰富、易于进行功能扩展。采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模控制系统的控制核心。但本系统不需要复杂的逻辑功能，对数据的处理速度的要求也不是非常高。且从使用及经济的角度考虑我们放弃了此方案。

方案2：

采用STC15W4K58S4单片机作为整个系统的核心，控制简单、方便、快捷。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。STC15W4K58S4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RAM空间多达4K，对于本设计也绰绰有余。

综上考虑，选择方案2。

3.4.2电机驱动芯片的选择

方案1：

采用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。线性型驱动的电路结构和原理简单，加速能力强，采用由达林顿管组成的 H型桥式电路。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态下，精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高，H型桥式电路保证了简单的实现转速和方向的控制，电子管的开关速度很快，稳定性也极强，是一种广泛采用的 PWM调速技术。

现市面上有很多此种芯片，本次设计采用L298N，L298N是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，它相应频率高，一片L298N可以分别控制两个直流电机，而且还带有控制

使能端。用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良。

方案2：

采用电阻网络或数字电位器调节电动机的分压，从而达到分压的目的。但电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更主要的问题在于一般的电动机电阻很小，但电流很大，分压不仅会降低效率，而且实现很困难。

方案3：

采用SM6135W电机遥控驱动模块控制直流电机，SW6135W是专为遥控车设计的大规模集成电路，能实现前进、后退、向右、向左、加速五个功能，但是其采用的是编码输入控制，而不是电平控制，这样在程序中实现比较麻烦，而且该电机模块价格比较高。综上考虑，选择方案1。

3.4.3避障传感器的选择

方案1：

用超声波传感器进行避障。超声波传感器的原理是：超声波由压电陶瓷超声波传感器发出后，遇到障碍物便反射回来，再被超声波传感器接收。然后将这信号放大后送入单片机。超声波传感器在避障的设计中被广泛应用。

方案2：

用红外光电开关进行避障。光电开关的工作原理是根据投光器发出的光束，被物体阻断或部分反射，受光器最终据此作出判断反应，是利用被检测物体对红外光束的遮光或反射，由同步回路选通而检测物体的有无，其物体不限于金属，对所有能反射光线的物体均能检测。光电开关E3F-DS10C4操作简单，使用方便。当有光线反射回来时，输出低电平。当没有光线反射回来时，输出高电平。但是如果有太阳光线干扰，红外光电开关会受干扰综上考虑，选择方案1。

3.4.4显示模块的选择

方案1：

用数码管进行显示。数码管由于显示速度快，使用简单，显示效果简洁明了而得到了广泛应用。但是由于要显示温度。及设置菜单，用数码管无法显示如此丰富的内容，因此我们放弃了此方案。

方案 2：

用LCD液晶进行显示。LCD由于其显示清晰，显示内容丰富、清晰，显示信息量大，使用方便，显示快速而得到了广泛的应用。对于此系统我们选用1602液晶能够很好的满足显示要求。

综上考虑，选择方案2。

3.4.5寻迹传感器的选择

方案1：

用光敏电阻组成光敏探测器。光敏电阻的阻值可以跟随周围环境光线的变化而变化。当光线照射到白线上面时，光线发射强烈，光线照射到黑线上面时，光线发射较弱。因此光敏电阻在白线和黑线上方时，阻值会发生明显的变化。将阻值的变化值经过比较器就可以输出高低电平。

但是这种方案受光照影响很大，不能够稳定的工作。因此我们考虑其他更加稳定的方案。

方案2：

用红外发射管和接收管自己制作光电对管寻迹传感器。红外发射管发出红外线，当发出的红外线照射到白色的平面后反射，若红外接收管能接收到反射回的光线则检测出白线继而输出低电平，若接收不到发射管发出的光线则检测出黑线继而输出高电平。这样自己制作组装的寻迹传感器基本能够满足要求，但是工作不够稳定，且容易受外界光线的影响，因此我们放弃了这个方案。

方案3：

用RPR220型光电对管。RPR220是一种一体化反射型光电探测器，其发射器是一个砷化镓红外发光二极管，而接收器是一个高灵敏度，硅平面光电三极管。RPR220采用DIP4封装，其具有如下特点：

1.塑料透镜可以提高灵敏度；

2.内置可见光过滤器能减小离散光的影响；

3.体积小，结构紧凑。

当发光二极管发出的光反射回来时，三极管导通输出低电平。此光电对管调理电路简单，工作性能稳定。因此，选择了方案3。

3.4.6供电方式选择