智能避障机器人设计与研究硬件.docx

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智能避障机器人设计与研究硬件

智能避障机器人设计与研究（硬件）

摘要

在科学探索和紧急抢险中经常会遇到对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基本的功能。

因此，自动避障系统的研发就应运而生。

自动避障机器人就是基于这一系统开发而成的。

随着科技的发展，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。

自动避障机器人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。

本文提出了一种经济实用的智能避障机器人系统设计方法，采用了小车底盘作为载体、直流电机作为执行元件、红外传感器作为检测元件、STC89C52单片机作为主控芯片、L298N作为驱动芯片和稳压电源芯片完成了检测电路设计、主控电路设计、电机驱动电路设计、稳压电路设计等硬件设计和制作，并对系统进行了仿真和综合调试，解决了一系列的难题，成功实现了自动避障功能。

关键词：

智能避障机器人，红外传感器，单片机，L298N，PWM调速

THEDESIGNANDSTUDYOFINTELLIGENTOBSTACLEAVOIDANCEROBOT（HARDWARE）

ABSTRACT

Inscientificexplorationandemergencyrescueoftenencountersomedangerorhumancannotdirectlyreachtheareaofdetection,thesewillneedtousetherobottocomplete.Therobot'sautomaticobstacleavoidancemovementincomplexterrainisanessentialandmostbasicfunction.Therefore,theautomaticobstacleavoidancesystemdevelopmentismade.Automaticobstacleavoidancerobotdevelopmentbasedonthissystemismadeof.Withthedevelopmentoftechnologyfortheunknownspaceandmankindcannotbedirectlyaccessibletograduallybecomeahotareaofexploration,whichmakestheautomaticobstacleavoidancerobothasgreatsignificance.Automaticobstacleavoidancerobotcanserveasaregionalexplorationandemergencyrescuerobotsystemthatallowsrobotstoautomaticallyavoidobstaclesintheroad.

Thispaperpresentsaneconomicalandpracticaldesignofintelligentobstacleavoidancerobotsystem,usingthecarchassisasthecarrier,theDCmotorastheactuator,infraredsensorsasdetectiondevices,STC89C52microcontrollerasthemainchip,L298Nasthedriverchipandregulatedpowersupplychiptocompletethedetectioncircuitdesign,mastercontrolcircuitdesign,motordrivercircuitdesign,voltageregulatorcircuitdesignofhardwaredesignandproduction.Alotofsimulationandintegrateddebugginghavebeendonetothesystemandaseriesofproblemshavebeensolved.Finally,theautomaticobstacleavoidancefunctionisaccomplishedsuccessfully.

KEYWORDS：

Intelligentobstacleavoidancerobot,infraredsensor,MCU,

L298N,PWM speed adjusting

目　录

前　言

1.设计的依据与意义

机器人作为人类的新型生产工具，在减轻劳动强度，提高生产率，改变生产模式，把人从危险、恶劣、繁重的工作环境下解放出来等方面，显示出极大的优越性。

机器人的应用越来越广泛，几乎渗透到所有领域。

移动机器人是机器人学的一个重要分支，而自主式移动机器人是智能程度最高的机器人，是移动机器人的重要发展方向。

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基本的功能。

因此，自动避障系统的研发就应运而生。

本设计的智能避障机器人就是基于这一系统开发而成的。

 安全避障具体的实现方法有很多种，主要有超声避障、视觉避障、红外传感器、激光避障、接近觉传感器、微波雷达等避障方法。

随着计算机、智能控制、传感器技术、信息技术、单片机技术等的进一步发展，人们对机器人性能的要求也越来越高。

智能机器人可以在“了解＂周围环境的情况下自己进行逻辑判断和分析，在无人控制的情况下，自主完成任务。

机器人在完成任务的过程中面临着如何去检测路面上的障碍物并选择最佳的路径绕开障碍物的问题，即移动机器人的避障问题。

对避障的研究具有十分重要的现实意义，为交通运输业带来巨大的变革，也为车辆的自主导航和无人驾驶车辆的实现提供了重要技术。

2.国内外同类设计的概况综述

1962年第一台工业机器人Unimate在美国通用汽车公司投入使用，标志着第一代机器人的诞生。

现代机器人从诞生到现在，已经发展到了第三代。

第一代机器人主要指以“示教一再现”方式工作的机器人。

示教内容为机器人操作机构的空间轨迹、作业条件、作业顺序等。

第二代机器人具有一定的感觉装置，能获取作业环境操作对象的简单信息，通过计算机分析处理后，由机器人做一定的推理，对动作进行反馈控制，表现出低级的智能。

第三代机器人是指具有高度适应性和自主决策能力的机器人，它具有复杂的感知和检测功能，可进行复杂的逻辑判断、自主规划和决策，在作业环境中独行动。

在国外，研究工作有：

（1）室外几种典型应用的移动机器人：

由美国NASA资助研制的“丹蒂II”八足行走机器人，是一个能提供对高移动性机器人运动的了解和远程机器人探险的行走机器人。

美国NASA研制的火星探测机器人索杰那于1997年登上火星，这一事件向全世界进行了报道。

德国研制了一种轮椅机器人，并在乌尔姆市中心车站的客流高峰期的环境和1998年汉诺威工业商品博览会的展览大厅环境中进行了实地现场表演。

（2）高完整性机器人。

意指机器人在工作时一定是正确的，并不一定要连续工作。

（3）遥控移动机器人。

（4）环境与机器人集成。

像人需要道路、交通信号灯等一样，机器人为了在一个动态变化的环境中行动，也同样需要基础设施。

（5）生态机器人学（生物机器人学）。

（6）多机器人系统。

主要是获取机器人团队协调和控制技术，并将其应用于战略重要情况。

在国内，对移动机器人的研究起步较晚，主要的研究工作有：

（1）清华大学智能移动机器人于1994年通过鉴定。

（2）中国科学院沈阳自动化研究所的AGV和防暴机器人。

（3）哈工大机器人技术有限公司开发研制成功了我国第一台智能型服务机器人。

采用了先进的传感系统（CCD摄像机、红外、红外等），智能水平很高，机器人带有的视觉系统、语音系统和运动系统使其言行举止更像人。

（4）2003年1月，中科院自动化所成功研制开发了集多种传感器、视觉、语音识别与会话功能于一体的智能移动机器人。

基本结构由传感器、控制器和运动机构构成。

综上所述，移动机器人技术已经取得了很多可喜的进展，研究成果令人鼓舞，但还远未达到实用要求。

随着传感技术、智能技术和计算机技术等的不断提高，智能移动机器人一定能够在生产和生活中某种程度上扮演人的角色。

3.课题设计的内容

智能机器人是集计算机技术、智能控制、传感器、电子学、检测等技术于一体的机器人。

智能机器人的研究是目前科学领域的重要研究课题之一，智能机器人各方面性能的提高更是现在研究的热点。

智能机器人能够通过传感器来感知外面的环境，并可以进行动态决策的特性正是智能机器人性能的一个重要体现。

本课题主要内容是利用STC89C52RC单片机设计一个简易智能机器人的运动控制系统、感知系统，并从硬件上予以实现。

本课题的研究主要包括以下主要内容：

首先，利用传感器对移动机器人周围障碍物进行探测，并及时传输给单片机；其次，确定移动机器人的避障方法及其控制算法；最后，实物进行试验，实现移动机器人的实时避障。

研究开发出一套简易智智能避障机器人，要实现的主要目标有：

（1）利用STC89C52RC单片机设计出智能机器人的硬件系统。

（2）进行系统设计方案的论证和总体设计。

（3）进行系统的硬件设计和软件设计。

（4）完成硬件电路板的PCB设计和调试。

第1章系统总体方案设计

§1.1系统任务描述

该系统的任务就是让移动机器人在行进的过程中，能够自动检测存在的障碍物、并且采取有效的避障措施。

§1.2控制系统要求

该控制系统要满足以下几点要求：

（1）能对车体四周的环境进行探测以获得障碍物的存在情况。

（2）实时性要求。

（3）交互功能。

主要是设定小车正常行进、转弯时驱动电机的速度；初始化系统时的一些参数设定。

（4）驱动电机稳速运行要求。

（5）控制系统工作可靠、耐用，抗干扰能力强。

§1.3方案设计与论证

§1.3.1机器人载体选择

由于水平有限无法制作出双足行走机器人，因此本设计选择小车作为智能避障机器人的载体。

方案一：

自己设计制作车架

自己制作小车底盘，用两个直流减速电机作为主动轮，利用两电机的转速差完成直行、左转、右转、左后转、右后转、倒车等动作。

减速电机扭矩大，转速较慢，易于控制和调速，符合避障小车的要求。

而且自己制作小车框架，可以根据电路板及传感器安装需求设计空间，使得车体美观紧凑。

但自己制作小车设计制作周期较长，且费用较高。

方案二：

购买玩具电动车

玩具电动车价格低廉，有完整的驱动、传动和控制单元，其中传动装置是本设计所需的，缩短了开发周期。

但玩具电动车采用普通直流电机驱动，带负载能力差，调速方面对程序要求较高。

同时，玩具电动车转向依靠前轮电机带动前轮转向完成，精度低。

综合考虑到制作周期和精度问题，最终选择了在淘宝购买小车车体零部件自己组装。

这样不仅精度有保障，也增加了设计的灵活性。

§1.3.2主控制器选择

处理器可以选择采用DSP或51单片机，DSP适合用于控制电机，功能强大。

51单片机应用广泛，能满足一般控制的需要。

由于对51单片机比较熟练，价格便宜，而DSP控制相对而言复杂，故采用51单片机。

市场上流通很多种类的单片机，在一般性能上都可以达到要求，例如AT89C51、AT89C52等都可以用于控制小车，唯一缺点在于不能在线下载，造成了不便的烦恼，下载器，AT系列单片机价钱比较贵，不利于小资本实验。

而STC系列单片机价钱容易接受，可以在线下载，下载器也比较容易购买到，方便携带应用。

故本设计采用STC89C52作为该智能小车控制模块的核心，通过STC89C52利用程序来精确控制小车的运动，从而实现对小车的自动控制，在对于智能小车的控制方面，STC89C52是一个超低功耗，和标准51系列单片机相比较具有运算速度快，抗干扰能力强，支持ISP在线编程，片内含8k空间的可反复擦写1000次的Flash只读存储器，具有256bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个I/O口，3个16位可编程定时计数器。

其指令系统和传统的8051系列单片机指令系统兼容，降低了系统软件设计的难度，电路设计简单、价格低廉。

且在运用过程中STC89C52的精确度和运算速度也都完全符合系统的要求。

综合以上分析选用了比较普通的且更为熟悉的STC89C52单片机为整个系统的控制核心。

§1.3.3传感器选择

方案一：

使用超声波传感器

在壁障模块中，可以选择超声波壁障。

其优点是反应速度灵敏，距离远。

但由于声波衍射现象较严重，且波包散面太大，易造成障碍物的错误判断。

超声波受环境影响较大，电路复杂，而且地面对超声波的反射，会影响系统对障碍物的判断。

方案二：

使用视频采集处理装置  

使用CCD实时采集小车前进路线上的图像并进行实时传输及处理，这是最精确的障碍物信息采集方案，可以对障碍物进行精确定位和测距。

但是使用视频采集会大大增加小车成本和设计开发难度，而且考虑到本设计的小车只是进行简单的避障，因而使用视频采集在实际应用中是个很大的浪费，所以本设计放弃了这一方案。

方案三：

使用红外传感器

使用红外传感器，这是一种集发射与接收于一体的光电传感器，其有效探测距离3~80cm可调，且抗外界背景光干扰能力强，价格便宜、易于装配、使用方便，可在日光下正常工作（理论上应避免日光和强光源的直接照射）。

相比方案一与方案三，由于两者价格相差不大，红外传感器体积更小，精度更高，反应更快，因此，本课题将采用红外传感器来实现移动机器人的避障。

§1.3.4电机驱动选择

方案一：

采用继电器控制

采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对小车的进行调整。

此方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢，易损坏，寿命较短，可靠性不高。

方案二：

使用分立原件搭建电机驱动电路  

使用分立原件搭建电机驱动电路造价低廉，在大规模生产中使用广泛。

但分立原件H桥电路工作性能不够稳定，较易出现硬件上的故障，故本设计放弃了这一方案。

方案三：

使用L298N芯片驱动电机  

L298N是一个内含两个H桥的高电压大电流双H桥式驱动芯片，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的IO口提供信号，而且带有使能端，方便PWM调速，电路简单，性能稳定，使用比较方便。

L298N芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，正好符合本设计小车两个二相电机的驱动要求。

因此，采用L298N芯片驱动电机。

§1.3.5稳压电源选择

方案一：

采用单一电源供电

这样供电比较简单，但是由于电动机启动瞬间电流很大，会造成电压不稳、有毛刺等干扰，严重时可能会造成单片机系统掉电，使之不能完成预定行程。

方案二：

采用双电源供电

电动机驱动电源采用5节五号电池，单片机及其外围电路电源采用5V钮扣电池供电，两路电源完全分开，这样做虽然可以将电动机驱动所造成的干扰彻底消除，提高了系统稳定性。

但是不如单电源方便灵活。

由于本设计采用的L298N电机驱动电路板可以提供+5V输出，可以方便给5V的单片机供电，因此采用单电源供电即可。

只有给L298N电机驱动电路板供电大于6V时，才能输出+5V电压。

综合考虑到本设计采用的直流电机为强磁电机以及线路压降，因此本设计选择了7.2V的镍镉充电电池组来供电。

§1.3.6智能小车最终方案

经过上面的思考和分析最终确定智能避障小车的最终方案如下：

（1）采用STC89C52单片机作为整个电路的控制核心。

（2）采用可充电镍镉电池组提供基准电源。

（3）采用小车底盘作为机器人载体，强磁直流减速电机作为小车系统的驱动电机。

（4）采用电机专用驱动芯片L298N作为直流电机的驱动芯片。

（5）采用红外传感器进行障碍检测。

§1.4系统总体设计

§1.4.1系统组成

系统组成框图如图1-1所示。

图1-1系统组成框图

§1.4.2系统工作原理

智能避障机器人采用小车底盘作为载体。

小车采用前轮驱动，前轮左右两边各用一个直流电机驱动，分别控制两个轮子的转动从而达到转向的目的，后轮是万向轮，起支撑的作用。

将红外传感器装在车体的前方，实时监测路面情况并及时传输给单片机。

由单片机主控核心模块根据感测模块给予的信息控制小车两电机转动工作状态。

电机驱动模块驱动两电机转动，实现前进或者左、右转。

本小车使用STC89C52单片机作为主控芯片，当小车与障碍物的距离小于30cm时，小车转弯以避开障碍物，并且此时蜂鸣器报警。

小车的避障流程如下：

在车前方没有障碍物时，小车沿直线向前走。

在车前方有障碍物时，小车能避开障碍物，避障方法如下：

（1）先向左边转90度，如果前面没有障碍物，再沿直线向前走。

（2）如果前面仍有障碍物，则向右转180度，如果前面没有障碍物，则直线行走。

（3）如果前面仍有障碍物，则向右90度，然后直线行走。

§1.5本章小结

本章介绍了智能避障机器人的设计内容及控制要求，提出了系统的总体设计思路和系统结构，并对系统硬件的选型进行了方案比较，选择了合适的系统方案。

最终选择了STC89C52单片机作为整个电路的控制核心，采用可充电镍镉电池组提供基准电源，采用小车底盘作为机器人载体，强磁直流减速电机作为小车系统的驱动电机，采用电机专用驱动芯片L298N作为直流电机的驱动芯片，采用红外传感器进行障碍检测。

第2章硬件设计

§2.1主控电路设计

§2.1.1STC89C52单片机硬件结构简介

本模块采用STC89C52单片机作为核心处理器。

STC89C52是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写10000次以上的Flash只读程序存储器，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MCS-51指令系统及89C52引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的STC89C52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

其应用范围广，性能良好，可用于解决复杂的控制问题。

利用STC89C52的I/O端口对传感器信号进行实时判断监控来控制步进电机做出相应的反映。

图2－1单片机基本结构框图

STC89C52单片机是把那些作为控制应用所必需的基本内容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上。

如果按功能划分，它由如下功能部件组成，即微处理器、数据存储器、程序存储器、并行I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器。

它们都是通过片内单一总线连接而成，其基本结构依旧是CPU加上外围芯片的传统结构模式。

但对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。

其基本结构框图如图2－1所示：

（1）微处理器

该单片机中有一个8位的微处理器，与通用的微处理器基本相同，同样包括了运算器和控制器两大部分，只是增加了面向控制的处理功能，不仅可处理数据，还可以进行位变量的处理。

（2）数据存储器

片内为128个字节，片外最多可外扩至64k字节，用来存储程序在运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等，所以称为数据存储器。

（3）程序存储器

由于受集成度限制，片内只读存储器一般容量较小，如果片内的只读存储器的容量不够，则需用扩展片外的只读存储器，片外最多可外扩至64k字节。

（4）中断系统

具有5个中断源，2级中断优先权。

（5）定时器/计数器

片内有2个16位的定时器/计数器，具有四种工作方式。

（6）串行口

1个全双工的串行口，具有四种工作方式。

可用来进行串行通讯，扩展并行I/O口，甚至与多个单片机相连构成多机系统，从而使单片机的功能更强且应用更广。

（7）P0口、P1口、P2口、P3口

为4个并行8位I/O口。

（8）特殊功能寄存器

共有21个，用于对片内的个功能的部件进行管理、控制、监视。

实际上是一些控制寄存器和状态寄存器，是一个具有特殊功能的RAM区。

由上可见，STC89C52单片机的硬件结构具有功能部件种类全，功能强等特点。

特别值得一提的是该单片机CPU中的位处理器，它实际上是一个完整的1位微计算机，这个一位微计算机有自己的CPU、位寄存器、I/O口和指令集。

1位机在开关决策、逻辑电路仿真、过程控制方面非常有效；而8位机在数据采集，运算处理方面有明显的长处。

MCS-51单片机中8位机和1位机的硬件资源复合在一起，二者相辅相承，它是单片机技术上的一个突破，这也是MCS-51单片机在设计的精美之处。

§2.1.2最小应用系统设计

89C52是片内有ROM/EPROM的单片机，因此，这种芯片构成的最小系统简单﹑可靠。

用89C52单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可，如图2-2所示89C52单片机最小系统。

由于集成度的限制，最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。

其应用特点：

（1）有可供用户使用的大量I/O口线。

（2）内部存储器容量有限。

（3）应用系统开发具有特殊性。

图2-289C52单片机最小系统

1.时钟电路

MCS51单片机各功能部件运行都是以时钟控制信号为基准，有条不紊的一步一步地工作，因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。

89C52虽然有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外部附加电路。

89C52单片机的时钟产生方法有两种。

内部时钟方式和外部时钟方式。

本设计采用内部时钟方式，利用芯片内部的振荡电路，在XTAL1、XTAL2引脚上外接定时元件，内部的振荡电路便产生自激振荡。

本设计采用最常用的内部时钟方式，即用外接晶体和电容组成的并联谐振回路。

振荡晶体可在1.2MHZ到12MHZ之间选择。

电容值无严格要求，但电容取值对振荡频率输出的稳定性、大小、振荡电路起振速度有少许影响，CX1、CX2可在20pF到100pF之间取值，但在60pF到70pF时振荡器有较高的频率稳定性。

所以本设计中，振荡晶体选择12MHZ，电容选择65pF。

在设计印刷电路板时，晶体和电容应尽可能靠近单片机芯片安装，以减少寄生电容，更好的保证振荡器稳定和可靠地工作。

为了提高温度稳定性，应采用NPO电容，时钟电路如图2-3所示。

图2-3时钟电路

2.复位电路

89C52的复位是由外部的复位电路来实现的。

复位引脚RST通过一个斯密特触发器用来抑制噪声，在每个机器周期的S5P2，斯密特触发器的输出电平由复位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作所需要的信号。

复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。

最简单的上电自动复位电路是通过外部复位电路的电容充电来实现的。

只要Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位。

时钟频率用12MHZ时C取22uF，R取1KΩ。

除上电复位外，有时还需要按键手动复位。

本设计就是用的按键手动复位。

按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。

其中电平复位是通过RST端经电阻与电源VCC接通而实现的。

三种复位电路如图2-4所示，从