智能排爆机器人论文.docx

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智能排爆机器人论文

智能排爆机器人

指导老师：

果莉欧阳斌林

姓名：

张争宪

学校：

东北农业大学

目录

1.引言-1-

2.系统要求设计-1-

2.1任务-1-

2.2基本要求-2-

2.3发挥部分-2-

2.4说明-2-

3.方案论证及比较-3-

3.1主控系统-3-

3.2模块设计及比较-3-

3.2.1寻迹模块-3-

3.3.2直流电机及其驱动模块-4-

3.2.3硬件抗干扰的实现-4-

3.2.4电源方案的选择和论证-5-

3.3车体元件选择与比较-5-

3.3.1车轮选择-5-

3.3.2排爆装置-5-

4.系统原理及理论分析-6-

4.1单片机最小系统组成-6-

4.2各功能模块的实现-6-

4.2.1寻迹实现-6-

4.2.2电机驱动实现-7-

4.2.3显示模块实现-7-

4.2.4电源模块-8-

4.3软件抗干扰的实现-8-

5.系统程序设计-8-

6.结论-9-

7.参考文献-9-

摘要

本课题组设计制作了一款自动排爆的机器人。

机器人以直流电机为主驱动，通过传感器件采集信息，送入主控单元ATmage16；电机驱动电路采用四通道驱动集成芯片L298，并采用在车身上四个位置安装光电传感器使小车可以在固定区域内走动，进行障碍的排除；并在车头的位置安放九个金属传感器，用于探测铁磁材料薄片的位置，方便测量两次计数的时间，即从起始位置到找到障碍物从找到障碍物到返回起始位置；经不断的调试，此机器人实现了无人控制即可完成一系列动作，达到了赛题的基本要求。

关键字：

智能判断排爆机器人

1.引言

设计一个具有排爆功能的智能小车，该小车在传统手动小车基础上作了改进，使之可以寻迹行驶到指定地点，找到任意放置的可疑铁磁材料薄片，搜索到可疑铁磁材料薄片后将其搬移到起点，机器人小车运行采取分段计时方式，从起点出发开始到搜索到可疑铁磁材料薄片计一次时，从搜索到可疑铁磁材料薄片到搬运回起点再计一次时。

停止计时，整个排爆过程结束。

返回、停止，相当于一个简易机器人。

该技术可以应用于无人驾驶的机动车、服务机器人等领域，具有非常广泛的发展空间。

2.系统要求设计

2.1任务

设计并制作一个能模拟自动进入危险现场排除险情的简易排爆机器人小车。

危险现场的通道起点距危险现场50cm，通道宽30cm，画有1cm宽的黑色中心线，危险现场为直径80cm的圆形平面，面积小于1.5cmх1.5cm的可疑铁磁材料薄片任意放置于圆形平面内，现场所有边界均为宽2cm的黑线。

图1排爆机器小车的运行轨道

2.2基本要求

（1）要求机器人小车进入现场找到任意放置的可疑铁磁材料薄片。

在整个搜索和转移过程中机器人小车除探头和排爆工具外均不得接触边线和可疑铁磁材料薄片，搜索到可疑铁磁材料薄片后将其搬移到起点，整个过程要求在5分钟内完成。

（2）机器人小车运行采取分段计时方式，从起点出发开始到搜索到可疑铁磁材料薄片计一次时，从搜索到可疑铁磁材料薄片到搬运回起点再计一次时。

停止计时，整个排爆过程结束。

2.3发挥部分

（1）增加声、光报讯功能，用以区分运行状态

（2）用显示装置显示机器人小车运行状态及两次的计时数据

（3）其它

2.4说明

（1）不允许在跑道内外区域另外设置任何标志或检测装置；

（2）车辆（含在车体上附加的任何装置）外围尺寸的限制：

长度<35cm，宽度≤20cm；

（3）测试场地由参赛队自行准备；

3.方案论证及比较

3.1主控系统

方案一：

采用各类数字电路来组成小车的控制系统，实现黑带检测信号及小车自动往返。

本方案原理简单但控制电路复杂，灵活性不高，效率低，不利于小车向智能化拓展，对各路信号处理比较困难。

方案二：

采用ATmage16，包含复位电路，电源、运行状态指示灯，直流5V单电源供电。

处理速度快，反应灵敏，能很好的控制我们设计的这个智能自动排爆小车

因此我们采用方案二来实现。

方案二的基本原理如图2所示。

图2智能排爆车运行系统框图

本方案以ATmage16为核心系统。

黑带寻迹依靠安装在车底部中间二对光电传感器来对地面反射光感应，并将信息送到控制系统，实现对小车速度和转弯的控制。

金属传感器用于检测可疑铁磁材料薄片的位置，通过传感器把信息传送到控制系统，两次实现记时和语音由软件实现。

此系统比较灵活，采用软件方法来解决复杂的硬件电路部分，使系统硬件简洁化，各类功能易于实现。

3.2模块设计及比较

本系统以ATmage16为核心，由LCD显示模块、金属检测模块、直流电机及其驱动模块、寻迹模块组成。

3.2.1寻迹模块

方案一：

使用简易光电传感器结合外围电路探测。

光电传感器，由于采用带有交流分量的调制信号，则可大幅度减少外界干扰；另外红外线发射接收管的最大工作电流取决于平均电流，如果采用占空比小的调制信号，再拼军电流不变的情况下，瞬间电流很大（50MA~100MA），则大大提高了信噪比，试验中，我们发现他对黑色的物体的检验效果很好，测试其反应速度约为5us，外围电路也很简单。

市场上有很多红外光电探头也都是基于这个原理，这样不但能准确的完成测量而且能避免电路的复杂性。

由于所采用光电传感器实际效果并不理想，对行驶过程中的稳定性要求很高，且误测几率较大、易受光线环境和路面介质影响。

在使用过程极易出现问题，而且容易因为该部件造成整个系统的不稳定。

故最终未采用该方案。

方案二：

由于黑白物体对光的反射和吸收程度不同，因此本系电路采用的是反射式光电管TCRT5000，通过调整合适的分压阻值使输出信号可以达到在白纸上小于0.7V、在黑纸上大于4.5V的高低电平。

用四对TCRT5000组成检测黑线的光电传感电路，分别控制4个方向，可以预测轨迹，使物体能够沿线行走，本方案也易于实现，比较可靠，因此采用方案二。

当小车底部的一边反射式光电对管遇到黑带时输入电平为高电平，反之为低电平。

结合中断查询方式，通过程序控制小车行驶方向。

电路中的可调电阻可以调节比较电路灵敏度，以满足小车在不同光度的环境光中能够准确寻迹。

3.3.2直流电机及其驱动模块

1.电机的选择与论证

方案一：

采用直流电动机。

直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调整范围广，过载能力强。

能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无极快速启动、制动和反转。

能满足生成过程自动化的系统各种不同的特殊运行的基本要求。

方案二：

采用步进电机。

步进电机有一个显著的特点就是快速启停能力，如果负荷不超过步进电机所能提供的动态转矩值，就能够立即使步进电机启动和反转，转换精度高，正转反转控制灵活。

但是比较费电，容易使驱动芯片烧坏，成本比较高，不适合这个作品。

由于直流电机更容易购买，并且电路也相对简单，所以才拥挤直流电动机即可。

2.驱动电路选择

本系统采用的是市场上较为常见的三轮轮玩具小车模型，其两个主控轮分别各配有一个直流电机，一个万向轮作为支撑和控制方向，使得小车车体具有保持平衡且沿直线行走的功能，所以电机驱动电路有以下几个方案：

方案一：

采用分立元件组成的平衡式驱动电路，这种电路可以由单片机直接对其进行操作，但由于分立元件占用的空间比较大，还要配上两个继电器，考虑到小车的空间问题，此方案不够理想。

方案二：

采用电机驱动芯片L293D，市场上不容易买到，且驱动能力较弱。

故而放弃。

方案三：

采用市面易购的电机驱动芯片L298N，该芯片是利用TTL电平进行控制，对电机的操作方便，通过改变芯片控制端的输入电平，即可以对电机进行正反转操作，很方便单片机的操作。

我们采用两个电机分别对左轮和右轮驱动，这样有利于小车的转弯。

通过比较，使用L298N芯片充分发挥了它的功能，能稳定地驱动步进电机，且价格不高，故选用L298N驱动电机。

而使用L298N时，可以节省开发板的GPIO口的使用。

3.2.3硬件抗干扰的实现

为了使系统硬件稳定可靠，我们采用了一系列的措施来减少干扰：

1、采用数字电源与模拟电源分开的方案；

2、采用地线、电源线加粗，做成PCB板的形式；

3、印制板图布线时尽量减少回路环的面积，降低感应噪声。

4、路线检测方案的选择与论证

方案一：

受到鼠标工作原理的启发，采用光电码盘进行检测。

旋转轴转动，带动码盘转动，码盘上刻有许多狭缝，码盘转动时透过狭缝接收，用接收器对对接收到的信号进行计数，用这种方法可以精确的算出小车已经走过的距离，将信号整形后送入计数器。

方案二：

采用霍尔元件集成片。

该器件内部有三个霍尔元件组成。

当磁铁正对金属板时，由于霍尔效应，可以发生电流的变化，对此加以判断，但需要在车轮底下安装磁片，而将霍尔集成片固定在轴上，通过脉冲计数进行对车速的测量。

以上两种都得到了广泛的应用，都是比较可行的转速测量的方案。

霍尔元件在工业上得到了广泛的应用，但本题小车的车轮较小，磁片安装十分困难，容易产生相互干扰，无法给小车提供足够的定位坐标。

而方案一精度较高，故选择方案一。

3.2.4电源方案的选择和论证

方案一：

采用两个电源供电。

将电动机驱动电源与单片机以及其周边电路电源完全隔离开，利用光电耦合器传输信号，这样做虽然可以将电动机的驱动所造成的干扰彻底消除，提高了系统的稳定性，但是会增加重量，增加小车的惯性，

方案二：

采用单一电源。

这样供电会比较简单，但是由于电动机启动瞬间电流较大，驱动的波动较大，会造成电压不稳定。

经过反复的实验，采用方案一，虽然增加了重量，但是整个车体的稳定性要比方案二好得多。

3.3车体元件选择与比较

本次赛题对小车车体的要求很高，我们不仅要考虑小车沿直线运动时的速度还需要考虑小车在搜寻过程中的稳定性。

要提高小车的稳定性就要减小车子的惯性降低车子的重心，减小车子的惯性就要减小车子的质量。

3.3.1车轮选择

方案一：

采用市场所卖的车轮，轮子的质量好、弹性大，但是规格单一、价格昂贵、且其中心高，不符合我们所要的尺寸。

因此放弃此方案。

方案二：

按所需的尺寸自己制作，经过车、磨、钻等过程打造出直径为70mm的车轮，在为车轮装一圈轮胎，虽然车轮制作消耗大量时间以及人力但是却满足所需尺寸，能够降低车子的底盘即降低车子的重心，增加车子的稳定性。

因此采用此方案。

3.3.2排爆装置

方案一：

采用电磁铁

方案二：

车体底部安装普通磁铁

由于方案一成本比较高，且易产生干扰，故选择方案二，在车体底部安装磁铁。

4.系统原理及理论分析

4.1单片机最小系统组成

单片机系统是整个智能系统的核心部分，它对各路传感信号的进行采集、处理、分析及对各部分整体调控。

主要组成部分：

ATmage16、小车驱动系统芯片L298N、液晶屏MS12864、反相器芯片74HC14及各路的光电传感器和金属传感器。

4.2各功能模块的实现

4.2.1寻迹实现

（1）黑带检测原理

 利用光的反射原理，当光线照射在白纸上，反射量比较大，反之，照在黑色物体上，由于黑色对光的吸收，反射回去的量比较少，这样就可以判断黑带轨道的走向。

x/mm

4

图3对管发射接收原理图4光强度相应曲线

反射式光电对管的反射光强度的输出信号电压Vout是反射面与传感器之间距离x的函数，设反射面物质为同种物质时，x与Vout的响应曲线是非线性的，如图4所示。

设定输出电压达到某一阈值时作为目标，不同的目标距离阈值电压是不同的。

距离X与遇到黑白实线反射回来的电压关系的测试结果如表1。

表1

X（mm）

30

20

17

15

12

10

5

黑色（V）

4.97

3.16

1.38

1.04

0.2