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红外避障机器人毕业设计论文
摘要
随着红外物理与技术的不断开展,红外探测技术已广泛地应用于军事、煤矿的平安生产等各个领域。
把目标或目标区域的红外辐射聚焦在探测器上红外接收光学系统的根本作用,通常情况下其构造类似于普通的接收光学系统,但由于工作波段为红外波段,其光学材料和镀膜必须和它的工作波长相匹配。
针对题目的要求，我们设计了一款简易的红外避障小车。
电路设计主要有以下四个模块：
传感器模块〔红外发射和接收器〕，控制模块〔AT89S52〕，执行模块〔伺服电机〕，电源模块。
传感器模块主要通过对左、右红外传感器的信号分别进展采集，传送给控制模块。
控制模块对采集来的信号进展处理，做出比拟后把控制信号传送给执行模块。
配合正确的软件设计，小车能够在设计的赛道中准确快速地完成行走任务。
关键词：
红外；避障；传感器
Abstract
Allbodieshasitsowninfraredradiationcharacteristics.Forstudyingthevariousobjectsofinfraredradiation,peopleuseideal─absoluteblackbodyradiationbody（hereinafterreferredtoasinbold）thebenchmark.Canabsorballtheincidentradiationandnotthereflectionoftheobjectiscalledinbold.Goodabsorbermusthavealsobeengoodradiationbody,sotheblackbodyradiationefficiencyishighest,theradiationratethana1.Anyrealobjectsofradiationemissionquantityandthesametemperatureblackbodyemissionofquantityoflaunchthan,calledtheobjectthanradiationrate,itsvalueisalwayslessthan1.Theobjectthanradiationrate,andthematerialobjecttypes,characteristics,temperature,surfaceotherfactors,suchasthewavelength.
Accordingtothetopicrequest,wedesignasimpleinfraredobstacleavoidanceofthecar.Thecircuitdesignbasicallyhasthefollowingfourmodules:
sensormodule（infraredtransmitterandreceiver）,controlmodule（AT89S52devices）,executivemodule（servomotor）,powersupplymodule.Sensormodulemainlythroughtotheleftandrightoftheinfraredsensorsignal,respectivelythecollection,transfertothecontrolmodule.Controlmoduletotheacquisitionofsignalprocessing,makemorethecontrolaftersignalstoexecutemodule.Thesoftwaredesignincludesbasiccartowalk,walk,thecombinationofinfraredobstacleavoidanceprogramdesign,suchaswalkingstrategyimprovement,throughtotheinfraredsignalprocessingtoachievethebestcarwalkpath.
Cooperatewiththerightsoftwaredesign,thecarcaninthedesignofthetrackaccuratelyandrapidlyfinishwalkingtask.
Keywords:
infrared;Obstacleavoidance;sensor
第一章绪论
1.1红外线研究背景
在科学探索和紧急抢险中经常会遇到对与一些危险或人类不能直接到达的地域的探测，这些就需要用机器人来完成。
而在机器人在复杂地形中行进时自动避障是一项必不可少也是最根本的功能。
因此，自动避障系统的研发就应运而生。
我们的自动避障小车就是基于这一系统开发而成的。
随着生产自动化的开展需要，机器人的智能化与集成度越来越高，已经越来越广泛的应用到生产生活中。
伴随的科技水平的提高，机器人的能够使用的传感器种类也越来越多，其中红外线传感器已经成为机器人自动行走和驾驶的重要部件。
此系统是基于红外传感器的系统，即运用红外传感器实现对前方障碍物的检测。
红外传感器的典型应用领域为自主式智能导航系统，机器人要实现自动避障功能就必须要感知障碍物，对障碍物的感知相当于给机器人一个视觉功能。
在现在生活中，例如在一些火宅或者一些自然灾害的现场，经常需要进入到对一些危险或人类不能直接到达的地方进展观察，采集数据，这些就需要用机器人来完成。
而在机器人在上述等环境中行进时自动避障是一项必不可少也是最根本的功能。
因此，自动避障系统的研发就应运而生。
自动避障小车可以作为困难环境检测机器人和紧急抢险机器人的运动系统，让机器人在行进中自动避过障碍物，帮助人们完成相应的任务[1]。
随着科技的开展，对于未知空间和人类所不能直接到达的地域的探索逐步成为热门，这就使机器人的自动避障有了重大的意义。
我们的自动避障小车就是自动避障机器人中的一类。
自动避障小车可以作为地域探索机器人和紧急抢险机器人的运动系统，让机器人在行进中自动避过障碍物。
红外传感器的典型应用领域为自主式智能导航系统，机器人要实现自动避障功能就必须要感知障碍物，对障碍物的感知相当于给机器人一个视觉功能。
基于红外的自动避障小车可以作为困难环境检测机器人或者紧急抢险机器人的运动系统，让机器人在行进中自动避过障碍物，完成指定的任务[2]。
1.2红外避障的研究意义
红外技术在军事应用的牵引和推动下，得到快速开展。
红外系统有如下4方面优点：
1.环境适应性好，在夜间和恶劣气象条件下的工作能力优于可见光；2.被动式工作，隐蔽性好，不易被干扰；3.靠目标和背景之间各局部的温度和发射率形成的红外辐射差进展探测，因而识别伪装目标的能力优于可见光；4.红外系统的体积小、质量轻、功耗低。
近年来，红外技术在军事领域和民用工程中都得到了广泛应用。
在民用工程领域大体分为：
（1）在气象预报、地貌学、环境监测、遥感资源调查等领域的应用；
（2）在地下矿井测温和测气中的应用；（3）红外热像仪在电力、消防、石化以及医疗和森林火灾预报中的应用。
另外，3～5μm波段热像仪除具有全天候工作能力外，还具有透过雾、雨、雪进展观察的能力[3]。
1.3红外避障的开展
目前循迹机器人在多种行为冲突问题解决上尚存缺陷，且不能准确识别U形等复杂障碍，没有最优避障路径。
而我们以AT89S52单片机作为机器人小车的MCU,使用红外和超声波传感器采集周围环境信息，综合优先级裁决方法和模糊行为融合法选取机器人的控制行为，较好地解决循迹过程中存在的各种行为以及行为冲突问题,运用均值滤波法，更准确地检测到障碍物、轨迹和标识等信息，在以最优路径避开U形等复杂障碍的同时保证了循迹的快速性和准确性，能够满足普通工业生产对自动化物流的需求。
本智能循迹机器人设计用于重复装卸搬运。
在物流系统、自动化仓库中装卸搬运的频率极高,消耗的费用占总费用的比例较大，国内外一直在寻求智能化的搬运技术和设备以降低搬运本钱和改善物料搬运的效率,以节省劳动力，因此以该智能小车为模型的搬运设备将在很大程度上满足企业生产对自动化物流的需求[4]。
第二章红外避障机器人的设计方案
2.1主要设计任务
本系统要求自行设计制作一个智能小车，该小车在前进的过程中能够检测到前方障碍并自动避开，到达避障的效果。
我的设计思想是采用单片机AT89S52为控制核心，利用位置传感器检测道路上的障碍，通过采集数据并处理后由单片机进展转向和行动控制，控制电动小汽车的自动避障，快慢速行驶，以及自动停车。
设计主要内容：
①机器人电路设计
②机器人模型制作
③C语言软件编程
④机器人赛道设计
2.2任务分析与方案设计
2.2.1任务分析
这次设计利用AT89S52充分发挥其使用方便、功能强大的优点，通过采集数据并处理后由单片机进展转向和行动控制，控制电动小汽车的自动避障，快慢速行驶，以及自动停车，同时还能与用户交换信息。
以下就是机器人实现的5个根本智能任务：
（1）安装红外传感器；
（2）以探测周边环境；
（3）基于红外传感器信息做出决策；
（4）控制机器人运动〔通过操作带动轮子旋转的电机〕；
（5）与用户交换信息。
2.2.2方案设计
本次设计分为传感器模块、控制模块、执行器模块、电源模块四个硬件模块。
执行模块那么是来实现行走效果，传感器模块主要负责信息采集，控制模块主要负责信息处理，而电源模块将给前三局部提供电力动能。
图2.1系统构造框图
第三章硬件电路设计
本次设计的硬件电路设计主要包括控制器电路设计、红外传感器电路设计、机器人构造设计、电源设计等几局部：
。
3.1红外传感器电路设计
3.1.1红外发射二极管的选择
红外发射二极管分为很多种。
红外发射二极管一般按峰值波长〔λp〕主要为：
850nm、870nm、880nm、940nm、980nm，现在市场上使用较多为850nm和940nm两种。
本次设计所使用的是峰值波长为940nm的红外发射二极管。
940nm红外发射二极管优点：
光强度高，响应速度快，可用脉冲驱动，无色透明环氧树脂。
其主要应用领域：
红外遥控系统，红外探测系统，红外幕墙保安系统，磁带、光盘监测器，光电开关/光传感器，主动红外夜视仪，电脑、手机等便携设备的红外数据传输系统。
表3.1红外发射二极管极限参数
参数名称
符号
额定值
单位
正向电流
IFM
30～60
mA
正向脉冲电流〔1〕
IFPM
0.3～1
A
反向电压
VR
5
V
耗散功率
PM
90
mW
工作温度范围
Top
-25～+80
℃
贮存温度范围
Tst
-40～+100
℃
焊接温度〔2〕
Tst
260
℃
注〔1〕：
f=1KHz,tp/T≤1%注〔2〕：
t≤3s,离器件本体4mm以上
表3.2红外发射二极管的光电参数（TA=25℃）
参数
符号
测试条件
标准值
单位
正向电压
VF
IF＝50mA
≤1.5
V
反向电流
IR
VR＝5V
≤10
μA
法向辐射强度
IE
IF＝50mA
≥2
mW/sr
峰值发射波长
λp
IF＝50mA
850~940
nm
光谱半宽度
△λ
IF＝50mA
50
nm
辐射度角
2θ1/2
IF＝50mA
16
deg
图3.1相对光谱灵敏度与波长的关系
在使用红外发射二极管时，发射管的辐射强度（Power）与输入电流（If）成正比。
辐射强度：
Power（单位:
W,W/sr,W/cm2）用以表示红外线发光二极管（IR）其辐射红外线能量之大小。
发射距离与辐射强度（Power）成正比。
W/sr：
表示红外线辐射强度的单位，为IR发射红外线光之单位立体角（sr）所辐射出的光功率的大小。
W/cm2：
表示照度的单位，为sensor单位面积（cm2）所接收IR发射之辐射功率的大小。
半功率角：
2θ½指红外线二极管其上下或左右两边所辐射出之红外线强度为该组件最大辐射强度的50%时，其上下或左右两边所夹的角度称为半功率角。
图3.230度半功率角辐射强度示意图
3.1.2红外接收器的选择
本次设计选用HS38B，该器件特性：
低功耗、高灵敏度、优良的抗干扰能力。
一般用于家用电器、玩具等遥控接收。
图3.3红外接收器电路原理框图
图3.4HS38B内部构造
图3.5测试红外接收器的时序图
在使用说明书上我们找到了生产厂商提供的最正确使用条件：
图3.6HS38B最正确使用条件
本次设计所提供VCC为5V，输入频率为38.0kHz，工作温度为室温。
图3.7红外发射与接收器
红外线二极管发射红外光线，如果机器人前面有障碍物，红外线从物体反射回来，相当于机器人眼睛的红外检测〔接收〕器，检测到反射回的红外光线，并发出信号来说明检测到从物体反射回红外线。
机器人的大脑——单片机A89S52基于这个传感器的输入控制伺服电机。
红外线〔IR〕接收〔检测〕器有内置的光滤波器，除了需要检测的940nm波长的红外线外，他几乎不允许其他光通过。
红外检测器还有一个电子滤波器，它只允许大约38.0KHz的电信号通过。
换句话说，检测器只寻找每秒闪烁38000次的红外光。
这就防止了普通光源像太阳光和室内光对IR的干预。
太阳光是直流干预〔0KHz〕源，而室内光依赖于所在区域的主电源，闪烁频率接近100Hz或120Hz。
由于120Hz在电子滤波器的38.0KHz通带频率之外，他完全被IR探测器忽略。
这里使用三极管9013的原因是9013的基区做得很薄，当按图3.2连接时，发射结正偏，集电结反偏，发射区向基区注入电子，这时由于集电结反偏，对基区的电子有很强的吸引力，所以由发射区注入基区的电子大局部进入集电区，于是集电极的电流增大。
由于C51的I/O驱动能力较弱，参加三极管使其工作在开关状态，用小电流来控制大电流。
当P1_3（P3_6）置高电平时，从集电区经基区到发射区电路导通，加载在IRLED上的电压为VCC〔5V〕，IRLED向外发射红外线；当P1_3（P3_6）置低电平时，电路又断开，IRLED停顿发射。
本次设计提供了5V稳定直流电压，给IRLED串联一个470Ω的电阻帮助限流。
当三极管导通时，流过IRLED的电流在10mA左右，使IRLED能正常工作。
图3.8红外发射与接收器电路图
3.2控制电路设计
控制电路主要由AT89S52单片机构成。
AT89S52单片机是一个高性能、低功耗的8位单片机，内含8K字节ISP〔系统在线编程〕可反复擦写1000次的Flash只读程序储存器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS51指令系统及其引脚构造。
在实际工程应用中，功能强大的AT89S52已成为许多高性价比嵌入式控制应用系统的解决方案。
图3.9AT89S52原理图
图3.10RET复位原理图
3.3人机接口单元
随着科技的开展，人机之间基于自然语言的智能化沟通将成为必然，由于人与人和人与机器的沟通方式没有差异，机器能够随时随地介入人的工作、生活中，帮助人们自动记录、整理资料。
本局部主要包括一个LCD液晶显示屏以及串口电路。
液晶屏主要用于显示移动方向，以及距离的远近。
3.3.1LCD1602显示
图3.11LCD1602电路原理图
3.3.2串口电路设计
本次设计使用的芯片为MAX232，其主要特点：
1、符合所有的RS-232C技术标准；2、只需要单一的+5V电源供电；3、片载电荷泵具有升压、电压极性反转能力，能够产生+10V和-10V电压V+、V-；4、功耗低，典型供电电流5mA；5、内部集成2个RS-232C驱动器；6、高集成度，片外最低只需4个电容即可工作。
图3.12串口连接图
3.4执行电路设计
3.4.1伺服电机
电动机的作用是将电能转换为机械能，电动机分为交流电动机和直流电动机两大类，所以我们在避障小车的电机选择上就有步进电机和直流电机两种选择方式。
我们选择的是直流伺服电机〔servomotor〕，伺服电机是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。
伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。
伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反响，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。
本次设计使用的直流伺服电机。
直流有刷伺服电机特点：
1.体积小、动作快反响快、过载能力大、调速范围宽
2.低速力矩大,波动小，运行平稳
3.低噪音,高效率
4.后端编码器反响〔选配〕构成直流伺服等优点
5.变压范围大，频率可调
3.4.2伺服电机的信号控制
电机转速为零的控制信号时序图
1.3ms的控制脉冲序列使电机顺时针全速旋转
1.7ms的控制脉冲序列使电机顺时针全速旋转
3.5电源电路设计
本次设计中使用的传感器模块、控制模块、执行器模块都使用的5V直流电源，而我们所使用的电池供电为1.5V、3.0V、4.5V、6.0V，本次使用的为4节5号电池供电，所提供直流电源为6V，所以需要经过电源电路的变压后才能给各模块提供电源。
本次设计中使用的传感器模块、控制模块、执行器模块都使用的5V直流电源。
我们使用LM2940的原因是LM2940具有纹波小、电路构造简单的优点，但是效率较低，功耗大。
对于单片机，需要提供稳定的5V电源，由于LM2940的稳压的线性度非常好，所以选用LM2940-5单独对其进展供电。
LM2940也被成为“1A低漏失稳压器〞，LM2940的正电压调节器具有源输出电流1A能力和典型的0.5V漏失的电压，在整个温度范围最大不超过电压为1V。
图3.13电源电路原理图
3.6赛道设计
以纸板箱为材料，设计一个红外避障赛道，包括直线赛道、弧形赛道以及S型赛道，小车理论行走路程为506cm。
图3.14赛道实际图
第四章软件设计
本次设计所给机器人编写的软件主要有根本行走指令、红外探测指令、测距指令等多种指令构成，通过对这些指令的调度，才能让机器人实现我们理想中的效果。
4.1机器人根本行走命令
4.1.1根本巡航动作
机器人向前走：
P1_1=1;
delay_nus（1300）;
P1_1=0;
P1_0=1;
delay_nus（1700）;
P1_0=0;
delay_nms（20）；
机器人向后走：
P1_1=1;
delay_nus（1700）;
P1_1=0;
P1_0=1;
delay_nus（1300）;
P1_0=0;
delay_nms（20）；
机器人原地左转：
P1_1=1;
delay_nus（1300）;
P1_1=0;
P1_0=1;
delay_nus（1300）;
P1_0=0;
delay_nms（20）；
机器人原地右转：
P1_1=1;
delay_nus（1300）;
P1_1=0;
P1_0=1;
delay_nus（1300）;
P1_0=0;
delay_nms（20）；
机器人静止不动：
P1_1=1;
delay_nus（1500）;
P1_1=0;
P1_0=1;
delay_nus（1500）;
P1_0=0;
delay_nms（20）；
4.1.2匀加速/减速运动
for循环语句能使机器人的速度由停顿到全速。
循环每重复执行一次，变量pulseCount就增加1：
第一次循环时，变量pulseCount的值是10，此时发给P1_1、P1_0的脉冲的宽度分别为1.51ms、1.49ms；第二次循环时，变量pulseCount的值是11，此时发给P1_1、P1_0的脉冲的宽度分别为1.511ms、1.489ms。
随着变量pulseCount值的增加，电机的速度也在逐渐增加。
到执行第190次循环时，变量pulseCount的值是200，此时发给P1_1、P1_0的脉冲的宽度分别为1.7ms、1.3ms，电机全速运转。
匀加速前进：
for（pulseCount=10;pulseCount<=200;pulseCount=pulseCount+1）
{
P1_1=1;
delay_nus（1500+pulseCount）;
P1_1=0;
P1_0=1;
delay_nus（1500-pulseCount）;
P1_0=0;
delay_nms（20）;
}
匀减速前进：
for（pulseCount=200;pulseCount>=0;pulseCount=pulseCount-1）
{
P1_1=1;
delay_nus（1500+pulseCount）;
P1_1=0;
P1_0=1;
delay_nus（1500-pulseCount）;
P1_0=0;
delay_nms（20）;
}
我们对匀减速运动进展了实际行走距离的实验，在编写该程序时，我们参加了循环语句for（pulseCount=200;pulseCount>=0;pulseCount=pulseCount-1），当给予匀减速信号以后，小车开场慢慢减速直到停顿，从开场匀减速到小车停顿，小车总共行走58.2cm。
然而这距离并不是我们想要的，小车从检测到物体到停下的距离太长，所以要对距离进展调整。
如果将pulseCount=pulseCount-1中的1改为5后，小车总共行走那么变为11.5cm。
此减速距离足够使小车检测到物体后，在未碰到物体前停下来。
4.2红外探测
探测障碍物很重要的一点是在机器人撞到它之前给机器人留有绕开它的空间。
如果前方有障碍物，机器人会使用脉冲命令避开，然后探测，如果物体还在，再使用另一个脉冲来避开它。
机器人能持续使用电机驱动脉冲和探测，直到它绕开障碍物，然后它会继续发送向前行走的脉冲。
4.2.1测试红外发射探测器
用P1_3发送持续1ms的38.0KHz的红外光，如果红外光被机器人路径上的物体反射回来，红外检测器将给微控制器发送一个信号，让它知道已经检测到反射回的红外光。
让每个IRLED探测器组工作的关键是发送1ms频率为38.0KHz的红外信号，然后立刻将IR探测器的输出储存到一个变量中。
for（counter=0;counter<38;counter++）
{
P1_3=1;
delay_nus（13）;
P1_3=0;
delay_nus（13）;
}
irDetectLeft=P1_2state（）;
图4.2测试IR有无信号
4.2.2红外发射程序
#defineLeftIRP1_2//左边红外接收连接到P1_2
#defineRight
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