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1、摘 要随着社会发展和科技进步，机器人在当前生产生活中得到了越来越广泛的应用。尤其是一种具有道路记忆功能、使用灵活方便、应用范围较广的轮式移动机器人。本研究是一种基于瑞萨H8单片机的自循迹轮式智能车的设计与实现，研究具有人类认知机理的环境感知、信息融合、规划与决策、智能控制等理论与方法，本文所述的智能车控制系统可以分为两个大的子控制系统，它们分别是方向控制系统和速度控制系统。其核心控制单元为瑞萨公司H8 系列8位单片机H8/3048F-ONE，系统采用反射式红外传感器检测赛道白线，在运行过程中能够识别赛道的不同情况，并能够根据信息反馈即时控制智能车的方向和速度，在预定的路径上进行快速移动。智能车
2、的设计要达到竞速和巡线的目的，竞速环节主要包括动力提供，速度控制两部分；巡线环节包括路面信息，转向控制两部分。通过对智能车运动模型的建立与分析，本文详细阐述了方向控制系统与速度控制系统等重要控制系统的实现方法，使智能车能够完整通过直道、弯道、坡道和换道的过程，快速稳定的寻白线行驶。关键词： H8单片机 自循迹 运动模型 控制系统 AbstractWith the social development and scientific and technological progress, Robot in the current production and life has been more
3、widely used. In particular, the wheeled mobile robotis with memory function, used of flexible, wide range of application.This study is based on Renesas H8 MCU wheeled self-tracking design and realization of intelligent vehicle, Research of the theories and methods about environmental perception, inf
4、ormation fusion, planning and decision-making and intelligent control which like Mechanism of human cognition. This intelligent vehicle control system described can be divided into two major sub-control system, They are the direction and speed control system. The core control unit for the Renesas H8
5、 series of 8-bit microcontroller H8/3048F-ONE. System uses infrared sensors to detect track reflective white lines, during operation to identify the different circumstances circuit. And according to the feedback control the direction and speed of smart cars real-time. Fast moving on the predetermine
6、d path. Intelligent vehicle design to achieve the purpose of racing and the transmission line. Racing links include power provided and Speed control; Transmission line links including road information and steering control. Through the movement modeling and analysis on smart vehicle. This paper descr
7、ibes the direction and speed control system and other important realization. So the intelligent vehicle can through the straight, curved, ramp and lane changing process. Fast and stable searching the whitelane.Key words： H8MCU self-tracking motion model control system 目 录摘要IAbstractII绪论11 课题要求及总体设计方
8、案21.1 课题要求21.2 课题主要内容及设计方案21.2.1 课题主要内容21.2.2 总体设计方案22 系统硬件设计及实现42.1 硬件组成及各部分作用42.2 舵机的工作原理及驱动52.2.1 舵机的工作原理52.2.2 舵机的驱动62.2.3 舵机的标定和修正72.3 传感器的工作原理及控制82.3.1 传感器的工作原理82.3.2 传感器的采集及处理82.4 电机的工作原理及驱动92.4.1 电机的选择92.4.2 电机的工作原理102.4.3 电机驱动102.5 车体结构112.5.1 硬件电路板的功能需求分析112.5.2 结构需求分析122.5.3 赛道基本要求133 系统软
9、件设计143.1 智能车的数学模型及其控制算法的实现目标153.2 方向计算算法163.2.1 弯道处理163.2.2 换道处理163.2.3 坡道处理173.2.4 过渡处理部分173.3 方向控制算法173.4 速度控制算法193.4.1 赛道分析203.4.2 行驶策略203.4.3 速度给定算法203.4.4 速度闭环204 智能车调试与注意事项214.1 智能车的硬件调试214.2 系统的软件调试224.2.1 单元调试224.2.2 系统的组装调试224.2.3 系统调试224.3 注意事项22结论24致谢25参考文献26附录2727绪 论 智能机器人具有识别、推理、规划和学习等智
10、能机制，它可以把感知和行动智能化结合起来，因此能在非特定的环境下作业。智能化机器人具有感知功能与识别、判断及规划功能。而感知本身，就是人类和动物所具有的低级智能。因此机器人的智能分为两个层次：具有感觉、识别、理解、和判断功能；具有总结经验和学习的功能。随着社会进步的步伐日益加快，对自动化的需求正在从制造业向工程、社会、生活等广泛领域扩展。原来在工厂结构化环境下工作的自动化机器或工业机器人，适合于大规模、较少柔性和变动的生产环境，对智能程度并无过高要求，而在广泛领域内所需的自动机器，则要满足不同的非结构环境下的不同需求，必须具有综合集成和自主的能力，向以技术集成为特征的智能机器人发展。信息技术需
11、要载体，用信息化改造传统工业和各行各业，最后都要落实到用自动机器去完成信息的物化，机器人就是其载体之一。另一方面，信息技术的发展，特别是高性能计算机、通讯网络和电子器件、模式识别和信号处理、软件等技术的进展，又可促进机器人本身智力和体质的增强，为机器人向智能化、多样化发展创造条件，机器人技术与信息技术的这种互动发展在信息技术飞速发展的今天更为突出，这种机器人的高科技含量不断得到提升，始终处于高科技的前沿。机器人由于本身具有无限的想像空间，历来是概念创新、技术创新的源泉，可根据需要设想出具有对应功能的智能机器人，而且这种想象空间由低到高，永无止境。当前，由于自动化的概念正在急速向广泛领域扩展，而
12、信息技术的发展又极大的提高了机器人的在智能程度，使这种想象空间的扩展有了需求和实现的可能，从而会更加激励围绕机器人的概念创新和技术创新，并蕴含着产生各种竞争前核心技术的可能性，从而必然是国际科技创新的重要竞争点1。未来的智能机器人技术将沿着自主性、智能通信和适应性三个方向发展。本课题主要是研究在瑞萨单片机Renesas H8/3048F-ONE MCU作为控制单元，RY3048F-ONE作为底板的基础上进行自循迹轮式移动机器人控制系统设计。1 课题要求及总体设计方案1.1 课题要求 随着社会发展和科技进步，机器人在当前生产生活中得到了越来越广泛的应用。此次设计是针对一种具有道路识别功能、使用灵
13、活方便、应用范围较广的轮式移动机器人。该模型由四轮驱动，运行过程中能够自动识别路径，并由电机、舵机、红外传感器及编码器协调控制速度和方向。1.2 课题主要内容及设计方案1.2.1 课题主要内容 本课题的主要内容是设计并制作一个具备自循迹功能的四轮移动机器人，在预定的路径上进行快速移动。在不移动预定路径的前提条件下能够快速稳定地从起点到终点的运动控制，速度能够达到2m/s。具体技术要求如下：（1） 采用Renesas H8/3048F-ONE MCU作为主版微控制单元。（2） 电源采用5号碱性电池或者5号（镍氢、镍镉、锂电子等）充电电池来充当电源，数量不可超过8节。（3） 轮式机器人的外形尺寸要
14、控制在：宽300mm、高150mm以内。（4） 识别的路径表面，由黑白灰三色组成。由内至外为：白色中心线宽20mm、两侧灰线宽10mm、外侧黑色宽100mm、最外侧的路肩白线宽30mm。（5） 路径由直道、弯道、连续S弯、直角弯、变道、坡道等构成。1.2.2 总体设计方案本设计最终实现的是一个自循迹轮式机器人，设计采用Renesas公司的8位单片机H8/3048F-ONE为核心控制器，由电源模块、路径识别模块、车速检测模块、转向控制模块和电机驱动模块组成。为处理好决策与运动控制之间的关系，采用了三级控制的策略，即将控制系统分为组织级、协调级和执行级对机器人进行控制。组织级根据传感器提供的信息，
15、对机器人自身状态和所处环境进行分析，运算后给出机器人的运动规划；协调级根据组织级发出的动作指令，结合机器人自身的运动特性、电机特性及码盘信息，向执行级发出指令和数据；执行级则根据协调级输出的期望值驱动电机工作，完成机器人的行走与动作控制。组织级的软件设计包括硬件初始化、传感信号的采集与处理、系统状态判断、运动决策等；协调级的软件则包括码盘信号的处理及速度控制等。在组织级采用了模糊控制的策略,协调级则采用PID算法对驱动电机进行速度控制2。智能车控制系统总体结构如图1-1所示；智能车安装包括电池部分的安装，舵机的安装，传感器的安装以及车速检测模块的安装，智能车结构如图1-2所示3。 图1-1 智能车控制系统总体结构 图1-2 模型车结构示意图
