避障机器人技术报告.docx
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避障机器人技术报告
壁障小车
技术报告
学校：
城市职业学院
班级：
09应用电子
（1）班
姓名：
朱杰
学号：
18
摘要
此文基于我们所学的单片机、嵌入式控制与红外传感等相关知识，设计一个可以自动壁障的机器人。
学习嵌入式系统的开发应用技术，应该是在基于某种嵌入式微处理器核的系统芯片应用平台上进行。
鉴于CIP-51系列处理器核的优良特性与其在业界的广泛应用状况，并结合使用基于机器人项目驱动的嵌入式实训平台的需要，本节对如何构造CIP-51嵌入式开发环境等基本情况进行介绍。
第一章引言
1.1设计背景介绍
机器人作为机械电子学、计算机技术、人工智能等的典型载体被广泛地用来作为工科生的讲授课程之一；模型机器人则逐渐成为素质教育，技能实践的选题之一，各种机器人比赛正蓬勃发展。
于信息技术教育与机器人教育的过程中发现，智能机器人涉与了信息技术的几乎所有容，可以让学生接触并看到信息技术的全景，尤为重要的是智能机器人是信息技术的开放性开发平台，学生可以充分发挥想象力去开发各种智能装置，从而培养学生对信息技术的开发能力，在开发的过程中，培养各种能力，激发学习的兴趣。
因此，智能教育机器人平台就显得非常重要，直接关系到学生知识的学习、能力的锻炼、知识的应用与创新思想的形成。
以应用为中心的嵌入式系统，以计算机技术为基础，软硬件可裁减，适应对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。
嵌入式系统与通用计算机系统相比，具有以下特点：
《1》相对于通用计算机系统，嵌入式系统的软硬件资源较少。
一般嵌入式系统都是功耗低、体积小，结构紧凑、软件实时性强。
《2》嵌入式系统的开发需要特殊方法和专用工具，每一种嵌入式系统之间存在很大的差别。
在嵌入式系统的开发、设计等阶段都离不开通用计算机系统。
《3》嵌入式系统的设计与开发在大多数情况下考虑的是系统的成本。
嵌入式系统设计初期的处理器选择要考虑很多方面的因素，其中成本的大小占有很大比重。
由于成本、功耗、功能的不断扩展、运行环境的不可预知性等因素起了极大的负面影响，制约了机器人技术的发展。
基于嵌入式系统的机器人控制器以其功耗低、体积小、集成度高、可靠性强等无可比拟的优势，为机器人技术的发展提供了广阔的前景。
以C8051F360应用处理器为核心，开发和设计一款开放式的机器人控制系统，它包括机器人主控系统、机器人传感器系统、机器人执行系统、上层编程软件系统。
机器人上层编程软件系统编写机器人的应用控制程序，通过仿真器、UART或USB把应用程序下载到机器人主控系统中，根据机器人传感器系统采集的数据对机器人执行系统进行控制，从而实现机器人的执行功能。
1.2本文章节安排与文献综述
本文系统的介绍了制作本智能模型车的各项技术。
具体章节安排如下：
第一章引言介绍了本次比赛的背景，引出下文。
第二章方案选择将智能车控制系统分解为模块，分别从各个模块讨论本壁障小车系统将要采用的控制方案。
在这部分中，为了确定方案我们查找了很多文献，有关于传感器和传感器技术的，如参考文献[3]，[4]；还有关于机器人技术的，如参考文献[5]；以与关于去年比赛的论文，如参考文献[6]。
第三章机械结构设计介绍了智能车的搭建与调整，以与摄像头、光栅编码器与电路板的安装。
应用了一些相关的汽车理论知识，如参考文献[8]。
第四章硬件系统设计与实现分析智能车系统各组成部分为实现特定功能应采用什么样的电路，能达到最好效果同时产生的噪声和对其他电路的干扰最小。
参考的主要资料是芯片的datasheet，如参考文献[7]，[9]，[10]，[11]，[12]。
第五章理论分析与算法实现从建模的角度分析车的运动形式，最后得出控制算法。
其中，数学基础理论参考了文献[13]。
在控制算法上，我们对比了模糊控制和PID控制，最终采用模糊控制。
主要参考文献有[14]，[15]，[16]。
第六章软件系统设计与实现介绍了本智能车系统的初始化，并且壁障程序的设计与分析
第七章开发与调试介绍了软件开发的环境，以与对各部分的调试方法。
我们软件开发环境为SiliconLabs集成开发环境，因此，我们仔细研究了SiliconLabs使用指南（参考文献[17]）。
第八章总结与展望总结了几个月来的工作，对未来进行了展望。
第二章方案选择
本智能车系统采用模块化设计，分为测量模块、控制模块和执行模块。
2.1.1机器人主控器系统
机器人主控器系统是机器人控制系统的核心，它有硬件系统和软件系统两部分组成。
（1）硬件系统
机器人主控系统硬件包括：
微处理器、存储器、键盘电路、LCD液晶显示电路、I/O驱动电路、电源供电电路等。
硬件电路框图如图1-2-3所示。
（2）软件系统
机器人主控系统软件包括：
系统启动程序、各模块硬件设备驱动程序、实时操作系统（RealTimeOperatingSystem，RTOS）等。
软件框图如图1-2-4所示。
2.1.2机器人传感器系统
机器人传感器系统起到了环境数据采集与处理的作用，它把处理的数据传给机器人控器系统。
它有模拟量传感器系统和数字量传感器系统组成。
（1）模拟量传感器系统
模拟量传感器系统包括：
红外测距、灰度、接近开关、温度传感器等。
其硬件系统框图如图1-2-5所示。
（2）数字量传感器系统
数字量传感器系统包括：
模拟量传感器扩展模块、电子罗盘、光电传感器扩展模块等。
其组成包括：
MCU、模拟量传感器、I2C通讯接口等，实现数据采集、数据处理和数据传输的功能。
图1-2-3机器人控制器系统硬件框图
图1-2-4机器人主控制器系统软件框图
图1-2-5模拟量传感器系统硬件框图
2.1.3机器人执行系统
机器人的所有动作均由起执行系统完成，对于小型机器人来说，它的执行系统一般由直流电机驱动机械传动机构来完成动作。
本实验平台主要设计轮式机器人的执行系统，完成前进、后退、左转弯、右转弯等基本功能。
这儿把执行系统分成轮式机器人本体设计、电机驱动设计、轮子驱动设计三部分。
机器人本体设计包括传感器的位置安装、着地点的位置、重心位置等的设计；电机选择控制精度较高的步进电机；轮子驱动采用两轮驱动的方式。
2.1.4编程软件
基于C8051F系列单片机的集成软件开发平台（IDE）对于工程研发人员来说是一个功能强大的开发工具。
在EWARM环境下可以使用C/C++和汇编语言方便地开发嵌入式应用程序。
比较其他的ARM开发环境，IAREWARM具有入门容易、使用方便和代码紧凑等特点。
2.2C8051F360微处理器
C8051F360器件是完全集成的混合信号片上系统型MCU。
其主要特性如下：
（1）高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51核（可达100MIPS）。
（2）高速、流水线结构的与8051兼容的微控制器核（可达100MIPS）。
（3）全速、非侵入式的在系统调试接口（片）。
（4）真10位、200kspsADC，16路单端/差分模拟输入，带模拟多路器。
（5）10位电流输出DAC。
（6）2周期的16x16乘法和累加引擎。
（7）高精度可编程的24.5MHz部振荡器
（8）达32KB的片FLASH存储器——1024字节被保留。
（9）1280字节片RAM。
（10）64KB地址空间的外部数据存储器接口。
（11）硬件实现的SMBus/I2C、增强型UART和增强型SPI串行接口。
（12）4个通用的16位定时器。
（13）具有6个捕捉/比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器/定时器阵列（PCA）。
（14）片上电复位电路、VDD监视器和温度传感器。
（15）两个片电压比较器。
（16）多达39个端口I/O（容许5V电压）。
具有片上电复位电路、VDD监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的C8051F36x器件是真正能独立工作的片上系统。
FLASH存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051固件。
用户软件对所有外设具有完全的控制，可以关断任何一个或所有外设以节省功耗。
片SiliconLabs二线（C2）开发接口允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU进行非侵入式（不占用片资源）、全速、在系统调试。
调试逻辑支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、单步、运行和停机命令。
在使用C2进行调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。
两个C2接口引脚可以与用户功能共享，使在系统编程和调试功能不占用封装引脚。
每种器件都可在工业温度围（-40℃到+85℃）用3.0V~3.6V（100MIPS）或2.7V~3.6V（50MIPS）的电压工作。
端口I/O和/RST引脚可容许高达5V的输入信号。
C8051F36x有48脚TQFP、32脚LQFP和28脚QFN（也称为MLP或MLF）三种封装，均为无铅封装（符合RoHS标准）。
定货信息见表1-2-1。
原理框图见图1-2-6。
表1-2-1产品订货信息
2.2.1CIP-51TM微控制器核
1）与8051指令集完全兼容
C8051F36x系列器件使用SiliconLabs的专利CIP-51微控制器核。
CIP-51与MCS-51TM指令集完全兼容，可以使用标准803x/805x的汇编器和编译器进行软件开发。
C8051F36x系列器件的外设是标准8052的所有外设的超集，包括四个16位计数器/定时器、一个具有扩展波特率配置的全双工UART、一个增强型SPI端口、1280字节部RAM、128字节特殊功能寄存器（SFR）空间和多达39个I/O引脚。
图1-2-6原理框图
2）速度提升
CIP-51采用流水线结构，与标准的8051结构相比指令执行速度有很大的提高。
在一个标准的8051中，除MUL和DIV以外所有指令都需要12或24个系统时钟周期，最大系统时钟频率为12-24MHz。
而对于CIP-51核，70%的指令的执行时间为1或2个系统时钟周期，只有4条指令的执行时间大于4个系统时钟周期。
CIP-51共有111条指令。
表1-2-2列出了各种指令执行时间（指令执行时所需的系统时钟周期数）所对应的指令条数。
CIP-51工作在最大系统时钟频率100MHz时，其峰值性能达到100MIPS。
图1-2-7给出了
几种8位微控制器核工作在最大系统时钟时的峰值速度的比较。
表1-2-2各种指令执行时间
执行周数数
1
2
2/4
3
3/5
4
4/5
5
8
指令数
26
50
5
16
7
3
1
2
1
3）增加的功能
C8051F36xSoC系列MCU在CIP-51核和外设方面有几项关键性的改进，提高了整体性能，更易于在最终应用中使用扩展的中断系统为CIP-51提供16个中断源（标准8051中只有7个），允许大量的模拟和数字外设独立于微控制器工作，只在必要时中断微控制器。
一个中断驱动的系统需要较少的MCU干预，因而有更高的实际性能。
这些增加的中断源在建立一个多任务实时系统时非常有用。
MCU有8个复位源：
上电复位电路（POR）、片VDD监视器（在电源电压下降到低于VRST时强制CPU复位）、看门狗定时器、时钟丢失检测器、由比较器0提供的电压检测器、软件强制复位、外部复位引脚复位和FLASH非法访问保护电路复位。
除了POR、复位输入引脚与FLASH操作错误这三个复位源之外，其他复位源都可以被软件禁止。
在一次上电复位之后的MCU初始化期间，WDT可以通过软件被永久性使能。
图1-2-7MCU峰值执行速度比较
C8051F36x器件的部振荡器在出厂时已经被校准为24.5MHz
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