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1、青岛科技大学本科毕业设计（论文）前言机器人的应用越来越广泛，几乎渗透到所有领域。智能移动机器人是机器人学中的一个重要分支。移动机器人的研究始于60年代末期。斯坦福研究院在1966年至1972年中研制出了取名Shakey的自主移动机器人，目的是研究应用人工智能技术，在复杂环境下机器人系统的自主推理和控制。与此同时，最早的操作式步行机器人也研制成功，从而开始了机器人步行机构方面的研究，以解决机器人在不平整地域的运动问题，设计并研制出了多足步行机器人。70年代末，随着计算机的应用和传感技术的发展，移动机器人研究又出现了新的高潮。特别是在80年代中期，设计和制造机器人的浪潮席卷全世界。一大批世界著名的
2、公司开始研制移动机器人平台，这些移动机器人主要作为大学实验室及研究机构的移动机器人实验平台，从而促进了移动机器人学多种研究方向的出现。90年代以来，以研制高水平的环境信息传感器和信息处理技术，高适应性的移动机器人控制技术，真实环境下的规划技术为标志，展开了移动机器人更高层次的研究。 我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人；其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30
3、条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如：可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距；在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，
4、积极推进产业化进程。 我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000米水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种；在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。移动机器
5、人从工作环境来分，可分为室内移动机器人和室外移动机器人；按移动方式来分：轮式移动机器人、步行移动机器人、蛇形机器人、履带式移动机器人、爬行机器人等；按控制体系结构来分：功能式（水平式）结构机器人、行为式（垂直式）结构机器人和混合式机器人；按功能和用途来分：医疗机器人、军用机器人、助残机器人、清洁机器人等。按作业空间来分：陆地移动机器人、水下机器人、无人飞机和空间机。 关于智能移动机器人的研究涉及许多方面，首先，要考虑移动方式，可以是轮式的、履带式、腿式的，对于水下机器人，则是推进器。其次，必须考虑驱动器的控制，以使机器人达到期望的行为。第三，必须考虑导航或路径规划，对于后者，有更多的方面要考虑
6、，如传感融合，特征提取，避碰及环境映射。因此，智能移动机器人是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合系统。对智能移动机器人的研究，提出了许多新的或挑战性的理论与工程技术课题，引起越来越多的专家学者和工程技术人员的兴趣，更由于它在军事侦察、扫雷排险、防核化污染等危险与恶劣环境以及民用中的物料搬运上具有广阔的应用前景，使得对它的研究在世界各国受到普遍关注。轮式移动机器人是机器人研究的重要方向之一，随着控制技术、电源技术和传感技术的日益完善和发展，人们对轮式移动机器人轨迹跟踪精度等性能指标也提出了越来越高的要求。轮式移动机器人在运行过程中往往受到复杂的内部外部因素的影响
7、，比如驱动电机特性不一致、车轮打滑。负载改变、地面不平整等，这些都会影响移动机器人轨迹跟踪精度，而且这些因素对机器人造成的影响很难进行精确建模或预估。移动机器人运动控制问题是机器人研究中最基本的问题，也是机器人学中只有依靠控制理论才能予以解决的问题。从控制理论的角度出发，对于一个包括受控系统即控制对象在内的控制系统而言，控制问题的理论研究包括两方面内容，一是控制系统分析问题，一是控制系统综合问题，研究的前提是已知控制对象模型的结构和参数。获得控制对象模型的方法有机理建模和统计建模，机理建模是利用已知的物理原理建立对象的数学模型，统计建模是采用参数估计和系统辨识的方法获得对象模型。在分析问题中，
8、根据已知的控制输入作用，来确定控制系统的定性行为(如能控性、能观测性、稳定性等)以及定量的变化规律。在综合问题中，恰好与分析问题相反，根据所期望的受控系统运动形式或某些性能指标，来确定需要施加于控制对象的控制输入作用，即控制律。移动机器人运动控制问题的提出，最早是出于生产实践的需要，目标是通过寻求某种控制输入作用，使机器人精确快速平稳地自动到达运动空间的某一位置或跟踪空间中的某条曲线。本文以智能小车为模型，研究移动机器人的运动控制，并针对这些问题进行了讨论。本篇论文从移动机器人的硬件设计开始说起，列举了各模块的硬件组成，各个模块实现的功能等，然后研究了软件部分实现的，并且附有相关的程序。1 移
9、动机器人总体设计本章主要简要地介绍移动机器人的系统总体方案的选定和总体设计思路，在后面的章节中将整个系统分为硬件结构、控制模块、控制算法等几个部分对移动机器人的控制系统进行深入的介绍分析。1.1总体研究设计要求本文的研究目的是对当今移动机器人的发展有初步的认识和了解，掌握移动机器人的运动控制原理。巩固已学的理论知识，能够深入理解单片机的基本原理、硬件组成和工作过程，通过核心芯片的控制实现对移动机器人的运动控制，了解单片机的系统组成及相关模块的连接配合，正确设计，并且清楚各个单元电路及其工作过程。1.2总体方案通过学习和研究相关技术资料了解到，研究移动机器人的运动控制，可以设计一种基于超声波避障
10、的小车，借助超声波传感器的使用，满足对移动机器人的运动控制。并通过单片机对移动小车进行实时控制，在一定的复杂的环境中自动避障行驶，并通过数码管将距离以及运行信息显示出来。并可通过红外遥控对小车进行控制，实现小车的遥控驾驶1，从而达到对移动小车的运动控制的目的。合理编程使移动机器人自动避障行驶。基于单片机的移动机器人可以判别障碍物并显示障碍物的距离，根据预设值自动控制避障驾驶。机器人的五个运动状态，左转，右转，向前，向后，原地都可以通过单片机进行控制实现。可以接收信息进行遥控，从而达到研究移动机器人运动控制的目的。1.3系统方框图首先要将各个模块按照其功能组成一个有机的整体，系统各模块之间是紧密
11、结合在一起完成工作的，各个模块通过单片机组成一个完整的硬件系统，通过各自不同的功能，使移动机器人的避障，达到实现运动控制的目的，系统的方框图如图1-1所示：单片机红外接收模块超声波模块电机红外循迹模块显示模块电机驱动模块有效输入LED图 1-1 整体设计方框图Fig.1-1 Overall design of the bar根据系统方案设计，系统包括以下模块：单片机主控模块、红外接收模块、电机驱动模块、超声波避障模块、数码管显示模块等。单片机主控模块是控制系统的核心，实现各模块传输的信息的处理，调用相应的子程序，实现控制信息处理，距离信息显示，控制电机正反转等。红外接收模块，利用红外接收装置，
12、判断有外界控制信息的输入，并与单片机相连，传递相应控制信息。超声波模块，利用超声波传感器发射接收信号的时间差，可以计算前方障碍物距离，并将接收信息传给单片机进行处理。电机驱动模块，两个伺服电机，由单片机发出信号控制其正传反转，实现移动机器人转向和避障。数码管显示模块2，动态显示距离速度等信息。2 硬件设计由上一节可以知道，组成一个移动机器人需要一些基本的模块，来实现它的功能。因此，该系统的硬件设计也要包括这样一些基本模块，以单片机为核心的控制模块，红外接收模块，电机驱动模块，超声波避障模块，LED数码显示模块，以及串行口模块等。根据题目的要求，确定如下方案：在现有玩具电动车的基础上，加装超声波
13、测距模块，LED数码显示模块，实现对电动车的速度、位置、运行状况的实时测量，以及轨迹上障碍物的情况，并将测量数据传送至单片机进行处理，然后由单片机根据所检测的各种数据实现对电动车的智能控制。这种方案能实现对电动车的运动状态进行实时控制，控制灵活、可靠，精度高，可满足对系统的各项要求。2.1 单片机控制模块系统采用STC的8位微控制器STC89C52单片机作为核心控制单元用于移动机器人运动系统的控制。在选定智能车系统采用超声波-光电接近开关避障方案后，路径信号经STC89C52的I/O口输入处理后，用于小车的运动控制决策，由P0口输出电机控制信号3。电路的管脚连接图如图2-1所示：图2-1 单片
14、机管脚连接图Fig.2-1 SCM tube feet connection diagram单片机P0端口接电机的四个输入口，控制电机运转。P2端口接数码显示管，外部中断INT0接超声波传感器输出端，INT1接红外传感器输出端。XTAL1和XTAL2接外部时钟晶振，RST接上电复位电路，二者组成单片机的最小系统。STC89C52主控模块，作为整个智能车的“大脑”，红外接收头超声波等传感器的信号，根据控制算法做出控制决策，驱动伺服电机完成对智能车的控制。STC89C52单片机是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存
15、储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52单片机为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活有效的解决方案。 STC89C52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，两个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，STC89C52可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。基本电路包括晶振，为了与计算机通信方便采用11.0592MHZ的晶振，复位电路采取电容充电的方式来上电复位，为了方便和性能，本小车采用锂电池作为动力，由于使用片内寄存器，所以/VPP要接地。一个单片机应用系统的硬件电路设计包含有两部分内容：一是系统扩展，即单片机内部的功能单元，如ROMRAMI/O口定时/记数器中断系统等不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。二是系统配置，既按照系统功能要求配置外围设备，如键盘显示器打印机A/DD/A转换
