寻线搬运机器人模型及其控制系统设计.doc

1、摘 要近年来，随着机器人技术的发展，移动机器人轨迹跟踪问题受到了人们越来越多的关注。前轮转向、后轮驱动的轮式类车移动机器人与四轮汽车的运动学模型相近，因此对轮式类车移动机器人的轨迹跟踪控制问题的研究在汽车自动驾驶、智能交通等方面具有重要的意义。自动引导机器人技术可用于无人驾驶汽车，无人工厂、仓库及服务机器人等领域。本文详细介绍了基于51单片机的巡线机器人设计，其主要包括超声波检测模块、红外巡线检测、电动机调速驱动以及搬用机械手模块。该系统在单片机的控制下，采集、存储、处理巡线系统输入的数字信号，并通过驱动系统来控制直流电机，使机器人按照预设的路线行走及搬运物体。该系统使用反射式红外传感器识别与

2、地面颜色差别较大的引导线信息，采用L298H桥驱动电路和PWM波调速方法控制行走电机。给出了系统调试方法并分析了试验数据，讨论了提升系统性能的必要手段，实现了机器人的自动巡线功能。本设计采用以AT89C51单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路和软件设计方法。整个电路采用模块化设计，由主程序、预置子程序、发射子程序、接收子程序模块组成。探头的信号经单片机综合分析处理，实现超声波测距的功能。在此基础上设计了系统的总体方案，最后通过硬件和软件实现了各个功能模块。相关部分附有硬件电路图、程序流程图。关键词：机器人；巡线；光电三极管；PWM波；51单片机；超声波Abstra

3、ct With the development of robot technology，the trajectorytracking problem ofmobile robot is paid more and more attentionA wheeled car-like mobile robot，which is steered by two front wheel sand driven by two real wheels，has similar kinematic model to that of a four-wheel carSo the study on the traje

4、ctory-tracking problem of the wheeled car-like mobile robot is significant for automatic drive of car as well as intelligent transportation Automatic Guided robot technology can be used for unmanned aerial vehicles, unmanned factories, warehouses and service robots, and other fields. This paper desc

5、ribes Line-tracking robot design on the base of the 51. Its main module include: photoelectric detection module ultrasonic measurement detection and line patrols and infrared detection, Motor-driven, human-machine interfaces. Under the control of the single-chip microcomputer subsystem, the system c

6、an collect, save and process the digital signal from the line-tracking system, then controls the motor through the driving system, and with the system robot can move according to reinstalling tracking. The system uses infrared reflectance sensor identification with the ground vary greatly in color l

7、ine guide information, Drivers using L298H bridge circuit and PWM control methods wave speed motor running. Commissioning is a systematic method of analysis and test data, discussed the upgrade system performance necessary means, the robots automatic line-tracking function.At the core of the design

8、using AT89C51 low-cost, high accuracy, Micro figures show that the ultrasonic range finder hardware and software design methods. Modular design of the whole circuit from the main program, pre subroutine fired subroutine receive subroutine. display subroutine modules form. SCM comprehensive analysis

9、of the probe signal processing, and the ultrasonic range finder function. On the basis of the overall system design, hardware and software by the end of each module. Keyword: robot； line-tracking； photoelectric triode ；PWM wave,；51single-chip microcomputer；ultrasonic目 录引言 11 绪 论21.1 移动机器人概述21.1.1巡线机

10、器人的发展21.2 移动机器人的设计思路51.3 课题设计的任务和要求52 移动机器人总体设计72.1移动机器人整体设计72.2移动机器人整体方案论证72.2.1 传感器设计方案72.2.2 电机的选择及驱动方案92.2.3 电机的控制方案选择103 移动机器人模型结构及引导系统设计123.1移动机器人模型结构123.2移动机器人引导系统123.2.1 导轨引导系统 123.2.2 机器视觉引导系统134 控制系统电路设计154.1 单片机的功能特点154.2 红外检测电路的设计 174.3 超声波测距的硬件设计184.3.1超声波测距的原理184.3.2 超声波发射电路194.3.3 超声波

11、检测接收电路204.4 搬用物检测电路204.5 电机驱动电路214.6 电源模块设计234.7 报警电路设计235 系统软件的设计245.1 编程思路及总流程图 245.1.1总流程图 24 5.1.2 程序设计思路255.2 超声波测距的算法设计255.3 巡线算法设计255.4电机控制设计275.5 超声波发生子程序与超声波接受中断程序285.6 完整源程序295.7控制效果报告336 结 论35谢 辞35参考文献37附 录38引言 轮式移动机器人是机器人研究领域的一项重要内容它集机械、电子、检测技术与智能控制于一体。在各种移动机构中，轮式移动机构最为常见。轮式移动机构之所以得到广泛的应

12、用。主要是因为容易控制其移动速度和移动方向。因此有必要研制一套完整的轮式机器人系统。并进行相应的运动规划和控制算法研究。随着微电子技术的不断发展，微处理器芯片的集成程度越来越高，单片机已可以在一块芯片上同时集成cpu、存储器、定时器计数器、并行和串行接口、看门狗、前置放大器、ad转换器、da转换器等多种电路，这就很容易将计算机技术与测量控制技术结合，组成智能化测量控制系统。这种技术促使机器人技术也有了突飞猛进的发展，目前人们已经完全可以设计并制造出具有某些特殊功能的简易智能机器人。笔者设计和开发了基于5l型单片机的自动巡线轮式机器人控制系统。1 绪 论1.1 移动机器人概述自动引导机器人技术可

13、用于无人驾驶汽车，电力、无人工厂、仓库及服务机器人等领域。本文结合机器人的产生和发展状况，在讨论电力线巡检常用设备和方法的基础上，分析了国内外巡线机器人、研究及应用现状。结合作者进行的具体研究工作讨论了巡线机器人的一般结构、控制方案，并提出了两臂机器人的故障探测、行为规划方案。两院院士宋健曾说过:“机器人学的进步和应用是本世纪自动控制最有说服力的成就,是当代最高意义上的自动化”。科学的进步与技术的创新,为机器人的研究与应用开辟了广阔的思路与空间。1.1.1巡线机器人的发展（1) 国外巡线机器人的发展移动机器人技术的发展为架空电力线路巡检提供了新的技术平台。20世纪80年代，国际上开始研制高压输

14、电线路巡线机器人。早期日本、美国和加拿大等国相继开发了不同用途的巡线机器人，并取得了较大的进展，尤其是可在两个杆塔之间巡检的机器人技术较为成熟，有些已达到产品化的程度。1988年Sawada等人首先研制了具有初步自主越障能力的光纤复合架空地线巡检移动机器人，该机器人依靠内嵌的输电线路结构参数进行运动行为的规划。当遇到杆塔时，该机器人利用自身携带的导轨从杆塔侧面滑过，如图1，因为没有安装外部环境感知传感器，因而适应性较差。而且导轨约100kg，机器人自身过重，对电池供电有更高要求。 图1-1 光纤架空地线巡检机器人美国TRC公司1989年研制了一台悬臂自治巡检机器人模型，能沿架空导线进行较长距离的行走，可进行电晕损耗、绝缘子、结合点、压接头等视觉检查任务，并将探测到的线路故障参数进行预处理后传送给地面人员，如图2。然而仅在两个杆塔之间爬行的巡线机器人已远远不能满足实际线路巡检工作的要求，输电线路不仅存在着支撑杆塔，而且还存在着多种线路附件构成的障碍物，如防震锤、悬垂线夹、耐张线夹和绝缘子等。因此具有越障功能的巡线机器人成为该领域研究的重点。 图1-2 TRC公司的悬臂机器人由日本Sato公司生产的输