基于单片机的履带式移动机器人.docx

基于单片机的履带式移动机器人.docx

《基于单片机的履带式移动机器人.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的履带式移动机器人.docx（65页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于单片机的履带式移动机器人

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

注意事项

1.设计（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）

2）原创性声明

3）中文摘要（300字左右）、关键词

4）外文摘要、关键词

5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：

引言（或绪论）、正文、结论

7）参考文献

8）致谢

9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：

理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：

任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。

图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：

按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□优□良□中□及格□不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□优□良□中□及格□不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□优□良□中□及格□不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

评阅教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

□优□良□中□及格□不及格

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

□优□良□中□及格□不及格

3、学生答辩过程中的精神状态

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

评定成绩：

□优□良□中□及格□不及格

教研室主任（或答辩小组组长）：

（签名）

年月日

教学系意见：

系主任：

（签名）

年月日

摘要

通常移动机器人在与外部的通信方式选择上，由于其具有广阔的运动空间，无线通信成为移动机器人所必须具备的通信方式。

本文以一种履带式移动机器人作为控制平台，首先根据履带式移动机器人的功能要求设计了机器人的机械结构，并确定相应的驱动系统。

然后利用无线收发一体数传MODEM模块PTR2000芯片强抗干扰能力，并通过机器人的单片机对各个关节步进电机和驱动电机的控制，实现了移动机器人与遥控计算机之间数据的无线传输。

而且采用微波开路电视传输系统MTVT-91卫星通讯传输技术完成了对图像的实时传输。

从而成功地实现了履带式移动机器人的无线控制，以及对远程机器人的实时监控，完成各种基本的行走动作。

另外还借助于外部超声波等传感器实现了履带式移动机器人简单的避障工作，具有一定的自主性。

关键词：

履带式机器人；无线控制；SPCE061A；AT89C2051；

Abstract

Usually,wirelesscommunicationisusedasaessentialcommuicationmetholdforamovingrobotcommunicatingwiththeenvironment,becauseitgivestherobotawidespacetomove.Thisessysetsacrawler-typemovingrobotasthecontrollingobject.Firstly,accordingtothefunctionofthecrawler-typemovingrobot,Idesignedthemechanicalstructureandthecorrespondingdrivingsystem.ThenbytakingtheadventageofthewirelesstransceivalMODEMmodulePTR2000’sstrongcapacitytoresistdisturbanceandthesinglechip’scontrolabilitytothejointssteppingmotoranddrivingmotor,itcanrealizethewirelessdatatransmissionbetweenthemovingrobotandtheremotecomputer.AndthenbyusingthemicrowaveopenlooptelevisiontransmissionsystemMTVT-91’ssatellitecommunicationtechnologyitrealizestheimagecontinuallytransmission.Finallyitrealizesthewirelesscontrolofthemovingrobotandthecontinualsupervisionoftheremoterobotsuccessfullytoallowtherobottodosomeessentialactions.What’smore,byusingtheexternalsensorsliketheultrasonicsensor,itallowsthecrawler-typemovingrobottododgeobstructswhichgivestherobotautonomy.

Keywords:

crawler-typemovingrobot;wirelesscontrl;SPCE061A;AT89C2051;

目录

前言1

1概述2

2履带式移动机器人总体结构设计4

2.1履带式移动机器人的运动机构设计4

2.2履带式移动机器人的控制系统总体设计4

3履带式移动机器人的硬件设计6

3.1移动机器人的微控制系统设计6

3.2履带式移动机器人的超声波感知模块设计19

3.3履带式移动机器人无线通讯模块的硬件设计24

4履带式移动机器人控制系统软件设计30

4.1主单片机与无线通信模块串行通讯程序设计30

4.2主单片机与从单片机之间的多机通讯37

4.3超声波感知系统软件设计41

5技术经济性分析46

6结论47

致谢48

参考文献49

附录A译文50

附录B外文文献59

前言

机器人的诞生和机器人学的建立和发展是20世纪自动控制最具有说服力的成就，是20世纪人类科学技术进步的重大成果。

机器人从爬行到学会直立行走，仅仅用了20年，而人类的这一过程则经历了上百万年。

现在全世界有近100万台机器人，销售额每年增长20%以上，机器人技术和工业得到了前所未有的飞速发展。

机器人已经能够使用工具，能看，能听，能说，并且开始能进行一些决策和思考的智能行为，其应用也从传统的加工制造业逐渐扩展到海军、海洋探测、宇宙探索等领域，并开始进入家庭和服务行业。

作为一种先进的机电一体化产品，机器人技术的发展与自动控制技术的发展息息相关。

人们期望机器人在许多人类不能及的区域能代替人类劳动完成更复杂的任务。

例如在军事侦察、扫雷排险、防止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，所以机器人所面临的环境是未知的、不可预测的、非人为的构造的环境，机器人所完成的任务也越来越复杂。

1概述

20世纪20年代，“机器人（robot）”作为专有名词第一次出现。

1920年捷克作家卡雷尔·查培克（karel.capeak）编写了一部幻想剧:

《罗沙河的万能机器人》。

剧中描写了一家公司发明并创造了一大批能听命于人，能劳动且形状像人的机器，公司用这些机器从事各种日常劳动，甚至取代了各国工人的工作，后来的研究使这些机器有了感情，进而导致它们发动了反对主人的暴乱。

剧中的人造机器取名为Robota（捷克语），英语Robot由此衍生而来，在我国则译为“机器人”[1]。

作为机器人学的一个重要组成部分，移动机器人一直是机器人科学的研究热点之一，移动机器人能够移动到固定机器人无法到达的预定目标，完成设定的操作任务。

近年来对移动机器人的研究属于智能机器人范畴，它集人工智能、智能控制、信息处理、图像处理、检测与转化等。

专业技术为一体，跨计算机、自动控制、机械、电子等学科。

移动机器人从工作环境来分，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，可分为轮式移动机器人、步行移动机器人、蛇行机器人、履带式移动机器人、爬行机器人等;按控制体系结构分，可分为功能式（水平）结构机器人、行为（垂直）结构机器人和混合式机器人;按功能和用途来分，可分为医疗机器人、军用机器人、助残机器人、清洁机器人等;按作业空间来分，可分为陆地移动机器人、水下机器人、无人飞机和空间机器人。

移动机器人的研究在世界各国受到普遍关注。

移动机器人的研究始于20世纪60年代末期。

斯坦福研究院（SRI）的NilsNilssen和CharlesRosen等人，在1966年至1972年中研制出了取名为Shakey的自主移动机器人。

其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、规划和控制，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内的运动问题，设计研制了多足步行机器人。

其中最著名是名为GeneralElectricQuadruped的步行机器人。

20世纪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，从而促进机器人学多种研究方向的出现。

20世纪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技术、真实环境下的规划技术为标志，开展了移动机器人更高层次的研究。

例如19%年，美国航空航天局NASA研制的火星探测移动机器人Sojourner首次登上火星执行科学考察任务，利用移动机器人技术进行空间探测和开发成为21世纪全球各主要国家开展科技和空间资源竞争的主要目标。

为了在火星上进行长距离探险，又开始了新一代的样机的研制，命名为Rocky并在Lavic湖的岩溶流上和干枯的湖床上进行了成功的试验。

2003年7月7日美国的“机遇”号火星探测机器人成功升空，开始踏上去火星找寻水和生命存在踪迹的漫漫旅途。

我国也针对这一趋势制定了以月球为近期目标的空间探测计划。

研究和发展我国的月球探测移动机器人技术，不但对于我国在激烈的空间技术和资源竞争中取得有利地位具有关键意义，同时也包括移动机器人导航控制在内的相关技术有巨大的促进作用意大利陆军针对“机器人警察”进行了研究，目前己经进入实验的制造阶段。

这种未来的警用机器人虽不具备电影《机械战警》中描述的智能和强大功能，但是对于执行一些特殊任务却具有非常重要作用，并将掀起一场警用和军用器械革命。

这种新型警用机器人不但能像其他普通机器人那样，处理那些对于人类来说危险过大或无法处理的紧急情况，如拆除爆炸物等。

同时，由于其研制目标是“高科技战斗机器”，装备强大的火力使其未来的军事用途前景也十分广阔。

研制这种机器人的目的是为了面对崭新的挑战，在未来国际反恐怖主义的战斗中可能随时会出现这种“机器警察”或是“机器士兵”的身影。

该机器人制造和测试成功以后，对于警察在未来作战时大幅度减少人员伤亡具有非常重要意义。

此外比较著名的机器人试验平台还有Martin公司推出的Alvin,Fmc公司的ARV,RWI公司的Robulab-III等等。

国内对于移动机器人的起步比较晚，从“七五”开始，我国的移动机器人研究开始起步，经过多年来的发展，已经取得了一定的成绩，其中以清华大学研制的THMR系列为杰出代表。

另外中国科学院沈阳自动化所、国防科技大学、上海交通大学、哈尔滨工业大学等科研院校也都开展了移动机器人的研究[2]

2履带式移动机器人总体结构设计

2.1履带式移动机器人的运动机构设计

履带机器人的运动机构由履带式移动机构和五自由度机械臂两部分组成。

履带式移动机构由两台步进电机分别驱动两条履带，以相同脉冲驱动时，实现直线前进或后退，以不同脉冲驱动时可实现曲线运动。

当以相反脉冲驱动时，可以看成是绕固定轴的旋转运动。

该轴过主从动轴所确定平面的几何中心。

五自由度机械臂由大臂、小臂及手腕构成，所有关节都由步进电机经谐波减速器进行驱动。

整个机械臂可绕垂直轴Z轴旋转

;肩关节可绕Y轴旋转

;肘关节可绕Y轴旋转

;腕关节可绕Y轴旋转

，绕X轴旋转

。

对于空间预设的位置

和姿态，先驱动履带车到达可作业空间，再通过五自由度机械臂和履带车的一个旋转自由度共六个自由度来实现。

因此五自由度机械臂安装在二自由度履带车上，机械臂共有七个自由度，可完成任何类型的手臂作业。

两自由度云台安装在机械臂上，云台上的摄像机可完成全方位图像采集作业。

图2-1为履带式移动机器人的运动机构简图。

图2-1履带式移机人的运动机构简图

Fig2-1ThesimplechartofmotorialframeworkofTrackRobot

2.2履带式移动机器人的控制系统总体设计

该机器人的体系结构采用模块化结构，各个模块都是相对独立的运行，协调工作，其硬件总体框图如图2-2所示。

图2-2履带式移动机器人的硬件结构总体框图

Fig2-2TheframeofTrackRobothardware

其中机器人微控制器系统主要是由多个单片机控制器组成，它们负责完成传感器的信息采集、电机控制以及与遥控计算机的通讯三大任务。

机器人的运动控制及执行机构系统是机器人的动作执行部分，具体完成机器人的各个动作，如前进、后退、转弯等。

驱动轮是由两个能够异步运行的步进电机组成，通过对两个步进电机的控制，就能够控制机器人的速度与转向。

同时可以使机械臂完成各种任务。

移动机器人的通讯系统对于整个系统的稳定运行起着至关重要的作用。

因为移动机器人的运动是远离中心控制计算机系统的，为了便于移动机器人的行动，遥控计算机与履带式移动机器人之间的通讯系统则是采用的无线通讯方式。

此外，机器人还配备了多个超声波传感器和其他传感器用于机器人感知障碍物，完成紧急壁障。

3履带式移动机器人的硬件设计

为了使履带式移动机器人实现无线控制，希望它能够满足以下要求:

1.运行稳定，而且易于升级，能够方便的配置不同类型的传感器如超声波传感器和CCD摄像机等。

2.能够成功地执行各种复杂的任务，能够运行在各种恶劣环境之下。

根据以上要求我们设计了这台履带式移动机器人，下面介绍它的体系结构及其组成模块。

3.1移动机器人的微控制系统设计

目前，移动机器人控制系统主要有三种结构方式:

集中控制方式、主从控制方式和分布式控制方式。

集中控制方式是指用一台功能比较强大的计算机实现其全部控制功能，在早期的机器人控制系统中较多的采用此种控制方式。

随着计算

图3-1移动机器人的微控器系统框图

Fig3-1Theframeofthecontrollingsystemofmobilerobot

机技术的飞速发展和机器人控制要求的不断提高，逐渐出现了主从控制方式和分布式控制方式。

在主从式控制结构中，有上下两级计算机，其中上位机利用它的运算能力和庞大的系统资源，如:

内存容量，磁盘容量等等，完成坐标变换、轨迹插补，图形仿真等功能，并把数据传递给下位机;下位机完成各个关节的位置控制，并把相关的数据传送给上位机。

当前投入使用的移动机器人控制系统广泛采用分布式控制结构。

考虑到该履带式移动机器人的本体结构的情况和目前移动机器人控制技术的发展，决定采用主从式结构的控制方法。

同时为了使设计的控制系统符合当前移动机器人控制的发展趋势，在控制系统的设计中尽可能地体现分布式控制结构的思路。

由于机器人的为一个5自由度的关节式机械手和一个2自由度的履带组成，采用两级单片机控制，5个从单片机分别控制5个步进电机，作为关节控制驱动系统，接受主单片机的指令并执行指令，实现对各关节的运动控制等功能。

同时两履带还有两个步进电机需要两个从单片机控制，接受主单片机的指令，实现履带车转弯前进或后退等功能。

各从单片机分别通过环形分配器和功率驱动控制电动机的转动，进而控制机器人的运动。

此外，从单片机还接收极限位置传感器的信号，保证各驱动部件的运动在规定范围。

移动机器人的微控器系统图如图3-1所示。

3.1.1主单片机的选择及控制系统设计

当前微控制器主要有MCS-51系列单片机，AVR系列单片机，PIC系列单片机，DSP控制器，以及ARM处理器。

SPCE061A是继μ’nSP™（MicrocontrollerandSignalProcessor）系列产品SPCE500A等之后凌阳科技推出的又一款16位结构的微控制器。

与SPCE500A不同的是，在存储器资源方面考虑到用户的较少资源的需求以及便于程序调试等功能。

SPCE061A里只内嵌32K字的闪存（FLASH）。

较高的处理速度使μ’nSP™能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号。

SPCE061A特点[5]有以下几点：

·内置2K字SRAM；内置32KFLASH；

·2个16位可编程定时器/计数器（可自动预置初始计数值）；2个10位DAC（数-模转换）输出通道；32位通用可编程输入/输出端口；

·14个中断源可来自定时器A/B，时基，2个外部时钟源输入，键唤醒；

·锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号；32768Hz实时时钟；晶体振荡器;

·具备串行设备接口；

SPCE061A的结构如图3-2所示。

主单片机的作用是根据遥控计算机的命令，控制各从单片机进而实现各从单片机对步进电机运动的控制。

同时主单片机还处理传感器采集到的各种信息并把遥控计算机所需要的相关信息传输到遥控计算机。

所以，主单片机选择了凌阳公司的SPCE061A。

图3-2SPCE061A管脚图

Fig3-2ThepinofSPCE061A

1）时钟电路

SPCE061A时钟电路采用晶体振荡电路。

由于阻容振荡的电路时钟不如外接晶振准确，时钟电路采用外接晶振。

外接晶振采用32768Hz。

2个20pF电容用于整形振荡脉冲。

时钟电路如图3-3[4]。

2）复位电路

μ’nSP™的复位SPCE061A的复位是在；RESET端加上一个低电平，使单片机内的各寄存器的值变为初始值，复位结束开始工作时程序将由内部FLASH存储器8000H地址单元取指执行程序。

复位电路根据需