迷宫机器人课程设计.docx
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迷宫机器人课程设计
迷宫机器人课程设计
沈阳工程学院
课程设计
设计题目：
迷宫机器人设计
系别自控系班级
学生姓名学号
指导教师职称助教
起止日期：
2010年7月19日起——至2010年7月23日止
沈阳工程学院
课程设计任务书
课程设计题目：
迷宫机器人设计
系别自动控制工程系班级
学生姓名
学号
指导教师职称助教
课程设计进行地点：
F430
任务下达时间：
2010年7月19日
起止日期：
2010年7月19日起——至2010年7月23日止
教研室主任年月日批准
迷宫机器人设计
1设计主要内容及要求
1.1设计目的：
1了解机器人技术的基本知识以及有关电工电子学、单片机、机械设计、传感器等相关技术。
2初步掌握机器人的运动学原理、基于智能机器人的控制理论，并应用于实践。
3通过学习，具体掌握智能机器人的控制技术，并使机器人能独立执行一定的任务。
1.2基本要求
1要求设计一个能走迷宫（迷宫为立体迷宫）的机器人；
2要求设计机器人的行走机构，控制系统、传感器类型的选择及排列布局。
3要有走迷宫的策略（软件流程图）。
1.3发挥部分
可以增加其它的功能。
2设计过程及论文的基本要求：
2.1设计过程的基本要求
1基本部分必须完成，发挥部分可任选；
2符合设计要求的报告一份，其中包括总体设计框图、电路原理图各一份；
3设计过程的资料、草稿要求保留并随设计报告一起上交；报告的电子档需全班统一存盘上交。
2.2课程设计论文的基本要求
1参照毕业设计论文规范打印，包括附录中的图纸。
项目齐全、不许涂改，不少于3000字。
图纸为A4，所有插图不允许复印。
2装订顺序：
封面、任务书、成绩评审意见表、中文摘要、关键词、目录、正文（设计题目、设计任务、设计思路、设计框图、各部分电路及相应的详细的功能分析和重要的参数计算、工作过程分析、元器件清单、主要器件介绍）、小结、参考文献、附录（总体设计框图与电路原理图）。
3时间进度安排
顺序
阶段日期
计划完成内容
备注
1
2010.7.19
讲解主要设计内容，学生根据任务书做出原始框图
打分
2
2010.7.20
检查框图及初步原理图完成情况，讲解及纠正错误
打分
3
2010.7.21
检查逻辑图并指出错误及纠正；讲解原理图绘制及报告书写
打分
4
2010.7.22
继续修正逻辑图，指导原理图绘制方法，布置答辩
打分
5
2010.7.23
答辩、写报告
打分
2010-7-19
沈阳工程学院
迷宫机器人课程设计成绩评定表
系（部）：
自控系班级：
学生姓名：
指导教师评审意见
评价
内容
具体要求
权重
评分
加权分
调研
论证
能独立查阅文献,收集资料；能制定课程设计方案和日程安排。
0.1
5
4
3
2
工作能力
态度
工作态度认真，遵守纪律，出勤情况是否良好，能够独立完成设计工作，
0.2
5
4
3
2
工作量
按期圆满完成规定的设计任务，工作量饱满，难度适宜。
0.2
5
4
3
2
说明书的质量
说明书立论正确，论述充分，结论严谨合理，文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，图表完备，书写工整规范。
0.5
5
4
3
2
指导教师评审成绩
（加权分合计乘以12）
分
加权分合计
指导教师签名：
年月日
评阅教师评审意见
评价
内容
具体要求
权重
评分
加权分
查阅
文献
查阅文献有一定广泛性；有综合归纳资料的能力
0.2
5
4
3
2
工作量
工作量饱满，难度适中。
0.5
5
4
3
2
说明书的质量
说明书立论正确，论述充分，结论严谨合理，文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，图表完备，书写工整规范。
0.3
5
4
3
2
评阅教师评审成绩
（加权分合计乘以8）
分
加权分合计
评阅教师签名：
年月日
课程设计总评成绩
分
中文摘要
机器人技术一直是人们最关注的科学研究领域之一。
机器人学集力学、机械工程学、电子学、计算机科学和自动孔子为一体，是一门综合性技术学科。
机器人的产生和发展与其他事物一样，都是从低级到高级的演变过程。
目前机器人在其发展历程中尚处于低级阶段。
今后机器人将逐渐发展成为完全智能化的机器人。
由于机器人技术的发展，提高了机器人可靠性和智能化程度，其应用领域在不断扩大。
在越来越多的工程技术领域，我们将看到越来越多的机器人在神奇绝妙地工作。
机器人产业将随着机器人技术的发展和对机器人需求的增加而稳步发展。
由于机器人产业的发展，需要越来越多的机器人的研究及开发人才，机器人应用领域的扩大也需要更多的人懂得机器人的应用技术。
所以提高技术人员的机器人技术水平和普及机器人应用知识是十分必要的。
迷宫机器人是一种小型自主探测迷宫的机器人。
机器人一旦启动，必须在没有人的干预下自动控制，机器人必须是由计算机程序控制，而非人工现场控制。
关键词机器人，迷宫，自主探测
1设计任务描述
1设计主要内容及要求
1.1设计目的
1、了解机器人技术的基本知识以及有关电工电子学、单片机、机械设计、传感器等相关技术。
2、初步掌握机器人的运动学原理、基于智能机器人的控制理论，并应用于实践。
3、通过学习，具体掌握智能机器人的控制技术，并使机器人能独立执行一定的任务。
1.2基本要求
1要求设计一个能走迷宫（迷宫为立体迷宫）的机器人；
2要求设计机器人的行走机构，控制系统、传感器类型的选择及排列布局。
3要有走迷宫的策略（软件流程图）。
1.3发挥部分
可以增加其它的功能。
2、设计思路
根据设计的任务和要求，系统地分析其总体结构，系统主要由电源模块、电机及其驱动模块、舵机模块、速度检测模块、道路识别模块、调试模块和单片机模块几大部分构成。
然后再对系统的各个部分分别进行设计，选择合适的部件，然后进行编程，运行并调试，查看其稳定性能否符合系统要求，完成报告。
本次设计的题目是迷宫机器人，很显然由两部分组成。
一部分是迷宫，另一部分是机器人。
其中机器人又分为硬件设计和软件设计。
行走机构采用了四轮式，前面两个轮为驱动轮，后面两个轮为从动轮，四个轮子可以更好地支撑车体，行走稳定，当重心偏移时，左右晃动小。
电机我选择了舵机，因为舵机可精确地控制小车转动的角度。
测距传感器选择超声波距离传感器，因为它具有小型化、价格便宜、使用简单、响应快速、信号处理简单等优点。
然后选择合适的单片机，并对其进行编程。
3、设计方框图
4、机械结构
4.1行走机构
行走机构，也称为机器人的下肢，是机器人的关键部分，主要用来承受体重和完成位移，它决定着机器人能否迅速灵活地移动，能否准确地按照操作者的意愿达到指定点。
机器人的行走机构首先要体现稳定性，其次是灵活性。
很多工业机器人都不具备行走机构，它们在固定的位置完成固定的动作，因此只需要一个机械臂，也就是我们说的执行机构。
但是当生产过程需要一个机器人在较大的范围内工作时，如果不具备行走机构，那么它的体积将非常庞大；如果安置了行走机构，可以使它做适当的位移，在工作范围的不同区间工作，可以节约空间、提高效率。
4.1.1行走方式
行走机器人的行走机构主要有履带式行走机构、足式行走机构车、轮式行走机构。
履带式行走机构可在高低不平的地面上运动，但它的适应性不够，行走时晃动太大，在软件地面上行使运动效率低。
足式行走机构对崎岖路面具有很好的适应能力，它的立足点是离散的点，可以在可能到达的地面上选择最优的支撑点，还具有主动隔振能力，尽管地面高低不平，机身的运动仍热可以相当平稳，行走在不平地面和松软地面上的运动速度较高，能耗较少。
轮式行走机构由滚动摩擦代替滑动摩擦，主要的特点是效率高，适合在平坦的路面上移动，定位准确，而且重量较轻，制作简单。
车轮式行走机器人是机器人中应用最多的一种机器人，在相对平坦的地面上，用车轮移动方式行走是相当优越的。
车轮的形式或结构形式取决与地面的性质和车辆的承载能力。
在轨道上运动的多采用实心刚轮，室外路面行使的采用充气轮胎，室内平坦地面上的可采用实心轮胎。
4.1.2车式选择
考虑到机器人的行走机构首要体现稳定性，其次是灵活性。
我选用的是四轮式车体。
四轮式车体四个轮子位于车体的四个角，前边是驱动轮，后边是从动轮，如图4-1所示。
较三轮车体来说，四个轮子可以更好地支撑车体，行走稳定，当重心偏移时，左右晃动小。
但如果某个车轮的中心不正，或是安装高度有误差，可能导致四个车轮不能同时着地，使控制困难。
所以在安装车轮时，一定要保证驱动轮绝对着地。
图4-1四轮式
四个车轮中，前轮用来转弯，后轮用来驱动。
调试中发现，在机器人过弯时，转向舵机的负载会因为车轮转向角度的增大而增大。
为了尽可能降低转向舵机负载，对前轮的安装角度，即前轮定位进行了调整。
前轮定位的作用是保障汽车直线行驶的稳定性，使转向轻便和减少轮胎的磨损。
4.2舵机
4.2.1舵机结构
凡是需要操作性动作时都可以用舵机来实现。
舵机一般由舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计5k，直流电机、控制电路板等组成。
舵机内部有一个直流电机，经多级齿轮减速后在输出转矩。
输出轴上还联动一个电位器，它输出轴的角度位置并转化为电信号。
舵机的输入信号一般50Hz的脉宽调制信号PWM信号解调后与电位器反馈的电压相比较，如果有差异，直流电机则对转角进行调整，直到该比较电压为零，电机准确停止在给定位置上。
因此，舵机实际上是一种角度的位置伺服机构。
标准的微型伺服马达有三条控制线，分别为：
电源线VCC、地线GND及控制线CON。
电源线与地线用于提供内部的直流马达及控制线路所需的能源，电压通常介于4V—6V之间，该电源应尽可能与处理系统的电源隔离（因为伺服马达会产生噪音）。
甚至小伺服马达在重负载时也会拉低放大器的电压，所以整个系统的电源供应的比例必须合理。
舵机有以下特点：
体积紧凑，便于安装；输出力矩大，稳定性好；控制简单，便于和数字系统接口。
在使用时，要特别注意的，绝不能加载让舵机输出位置超过±90度的脉冲信号，否则会损坏舵机的输出限位机构或齿轮组等机械部件。
4.2.2舵机工作原理
舵机是一个典型闭环反馈系统，其工作原理如图4-2所示。
减速齿轮组有由电动机驱动，其齿轮组的输出轴带动一个线性的比例电位器，该电位器把输出轴转过的角度转换成比例的电压反馈得控制电路，控制电路将输入的控制脉冲信号比较，产生纠偏脉冲，并驱动电机正转或反转，使齿轮组的输出位置与期望值相符，令纠偏脉冲区域0，从而达到使舵机精缺定位的目的。
图4-2舵机工作原理图
给舵机输入一个周期性的正向脉冲信号，这个周期性脉冲信号的高电平时间通常在1～2ms之间，而低电平时间应在5～20ms之间，并不很严格，表1所示为舵机的输入正脉冲宽度与舵机输出轴的转角的关系。
表1舵机输入正弦脉冲宽度与舵机输出轴转角的关系
舵机具有以下一些特点：
体积紧凑，便于安装；输出力矩大，稳定性好；控制简单，便于和数字系统接口。
因为迷宫机器人的行走电动机需要连续旋转，所以需对从市场上购得的舵机进行改装。
4.2.3数字PID控制
PID控制系统原理图如图4-3所示。
在图4-3中，
是给定值，
是控制系统最终的实际输出值，给定值与输出值的偏差为
作为PID控制器的输入，
作为PID控制器的输出，所以PID控制器的输出，所以PID控制器的规律为
式中，KP为比例系数，TI为积分常数，TD为微分常数。
图4-3PID控制系统原理
在PID控制器中，比例环节的作用是对偏差瞬间作出快速反应。
偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，使控制量向减少偏差的方向变化。
控制作用的强弱取决于KP的大小，KP越大，控制作用越强，但过大的比例系数会使系统不稳定。
积分环节的作用是将偏差累积起来输出。
在控制过程中，只要有偏差存在，积分环节的输出就会不断增大。
直到偏差
为止，输出
才能维持在某一常量，使系统趋于稳态。
因此，积分环节能消除控制系统的稳态误差。
但积分环节的存在将使系统到达稳态的时间变长，限制系统的快速性。
实际控制系统除了希望消除稳态误差外，还强调调节过程的快速性。
在偏差变化的瞬间，不但要对偏差量立即作出反应，而且要根据偏差的变化趋势预先给予适当的纠正。
微分环节能起到这种作用。
微分环节的作用是阻止偏差的变化。
它根据偏差的变化趋势进行控制，偏差变化越快，微分控制器输出量就越大，并能在偏差值变大之前进行修正。
微分作用的引入将有助于减小超调量，克服振荡，使系统趋于稳定，加快系统的跟踪速度。
但微分的作用对输入信号的噪声很敏感，在噪声较大的系统一般不用微分环节。
5、各部分的设计和元器件的选择及介绍
5.1系统硬件设计
迷宫机器人控制系统采用模块化设计，系统主要由电源模块、电机及其驱动模块、舵机模块、速度检测模块、道路识别模块、调试模块和单片机模块几大部分构成。
智能赛车整体装置结构设计框图如5-1下：
图5-1硬件整体框图
5.2场地的设计
5.2.1迷宫机器场地标准
迷宫场地共由16*16个网络组成，起点在一角，终点占据中央的四个网格。
每个网格尺寸为18cm*18cm（长*宽），隔栅尺寸为5cm*1.2cm（高*厚），上红、测白、地板为黑色。
迷宫机器人属于自主型，不允许人为（包括无线）操控。
迷宫机器人尺寸限制为25cm*25cm（长*宽），高度及重量不限。
5.2.2场地的设计和加工
迷宫场地由如下部件组成：
小方柱、隔栅、地板。
迷宫的场地由复合木地板拼接而成。
由于复合木地板地的标准尺寸是19.2cm*121cm，这里取小方柱和隔栅的宽度为1.2cm，则迷宫的跑道恰好是18cm，符合国际标准。
这样一来，用复合木地板拼接迷宫的场地非常方便，工艺简单，价格低廉。
加工工具只需要尺子和手钻即可。
由复合木地板可以很方便地拼接出4*4、5*5、8*8、10*10、16*16和32*32的迷宫等。
我所设计的迷宫图案如3-1图所示，有隔栅、小方柱、跑道等。
设迷宫的平面表示如图5-2所示，其中粗线表示迷宫的隔栅，A位置表示迷宫的入口，B位置表示为迷宫的出口。
其中细线为走出迷宫的最佳路径。
图5-2迷宫图案
5.2.3路径识别
路径识别是通过超声波测距传感器实现的。
在设计中我采用了五个超声波距离传感器，小车的最前端放置一个，后端放置两个，左右两侧各一个。
前端一个传感器用来检测是否有障碍物，是否到达路口；后端传感器用于小车转弯时位置的调整；左右两端的传感器用于检测两侧是否有障碍物。
传感器的信息都将反馈给单片机，单片机就机器人所处的环境作出判断。
超声波距离传感器测到障碍物时反馈的信息为1，没有检测到信息反馈信息为0。
由于左、右和前传感器是用来检测障碍物的，所以传感器的反馈信息共有八种情况。
它的关系如下5-3图所示。
这其中，单片机在判断转动方向时，硬性规定方向的优先级依次为前、左、右、后。
图5-3传感器反馈信息情况
则反馈的信息为000、001、100、101，单片机将作出反应，机器人向前行走；反馈的信息为010、011，机器人向左行走；反馈的信息为110，机器人向右行走；反馈的信息为111，机器人向后转。
其路径识别流程图如5-3所示。
图5-3路径识别流程图
5.2.4沿跑道中线的运行
由于迷宫的跑道较窄，变化曲折，机器人经常要转
等，这就需要迷宫机器人沿着跑道中线前进，否则就会撞到迷宫。
如图5-4所示。
图5-4机器人在迷宫跑到中运行的情况
5.3电机
5.3.1机器人的驱动方式
机器人驱动分为液压、气压和电动三种形式。
液压驱动：
从运动形式来分分为直线驱动如直线运动液压缸和旋转驱动如液压马达、摆动液压缸。
从控制水平的高低来分分为开环控制液压系统和闭环控制液压系统。
液压系统具有较大的功率体积比，适合于大负载的情形。
液压驱动的本质优点在于它的安全性。
如喷漆时要求工作区域所带电压不超过9V。
气压驱动：
是一种最简单的驱动方式。
气压驱动元件有直线气缸，摆动汽缸及旋转气动马达三种。
气压驱动器件除了用压缩空气作为工作介质外，其他与液压驱动器件类似。
它们本质上基本相同，但因为空气的可压缩性及油的润滑性，二者有一些细微的差别。
气压驱动器结构简单、安全可靠、价格便宜。
但是由于它的可压缩性，它的精度较差、可靠性较差，不能应用较高度场合。
电气驱动：
电气驱动是利用各种电动机产生的力或力矩，直接减速机构去驱动机器人的关节，以获得所要求的位置、速度和加速度。
电气驱动具有无环境污染、易于控制、运动精度高、成本低、驱动效率高等优点应用广泛。
按照电机的工作原理不同分为步进电机、直流伺服电机、无刷电机等。
按照控制水平的高低来分分为开环控制系统和闭环控制系统。
适合于中等负载，特别适合于动作复杂、运动轨迹严格的各类机器人。
5.3.2电机的选择
直流伺服电机具有启动转矩大、体积小、重量轻、转速易控制、效率高等优点。
其缺点是有电刷和换向器，需要定期维护、更换电刷，电动机使用寿命段噪声大。
直流伺服电动机有小惯量直流伺服电动机和永磁直流伺服电动机。
小惯量伺服电动机最大限度地减少了电枢的转动惯量，所以能获得最好的快速性，在早期的数控机床上应用较多，现在也有应用。
小惯量伺服电机一般都设计成有高的额定转速和低的惯量，所以应用时，要经过中间机械转动。
才能与丝杠相连接。
永磁直流伺服电动机的额定转速很低，甚至可以在堵转状态下运行。
这样低速运行的电动机，其转轴可以和负载直接耦合，省去了减速器，简化了结构，提高了转动精度。
它的缺点是有电刷，限制了转速的提高，一般额定转速为1000~1500r/min，而且结构复杂，价格较贵。
我选用的是永磁式直流伺服电机作为执行机构。
5.3.3电机的驱动
所谓H桥驱动电路是为了直流电机而设计的一种常见电路，它主要实现直流电机的正反向驱动，其典型电路形式如图5-5所示。
图5-5H桥典型电路
本设计用H桥芯片MC33886驱动直流电机。
由于电机启动和快速加速时所需电流较大，采用两片MC33886并联工作。
MC33886的D2和D1脚直接接地和接高电平，使MC33886按预设方式工作，用PWM5和PWM0作为输入信号，OUT2和OUT1分别为功率放大了的相应的输出信号，控制电机转动。
通过调整PWM5和PWM0的占空比，实现机器人的加速、减速，甚至制动（电机反转实现制动）。
MC33886驱动电路图如图5-6所示。
图5-6MC33886驱动电路图
5.4传感器选择
5.4.1超声波距离传感器原理及组成
超声波距离传感器是由发射器和接收器构成的，几乎所有超声波距离传感器的发射器和接收器都是利用压电效应制成的。
其中，发射器是利用给压电晶体加一个外加电场时，晶片将产生应变（压电逆效应）这一原理制成的；接收器的原理是，当给晶片加一个外力使其变形时，在晶体的两面会产生与应变量相当的电荷（压电正效应），若应变方向相反则产生电荷的极性反向。
利用超声波可以实现对远处物体的非接触式探测。
机器人超声波探测并非检测超声波本身，而是借助超声波反射测量空间物体的距离和位置。
声波在空气中的传播速度较慢，约为每毫秒1英尺。
由于声波在传播过程中碰到物体后能够产生回波，因此可以想雷达一样测出传感器与物体之间的距离。
超声波距离传感器的检测方式有脉冲回波式和FM-CW两种。
脉冲回波式的检测原理如图所示。
将调制后的超声波脉冲发射出去，若能检测到被测物体反射回来的超声波回波延迟时间，即可计算出被测物体的距离。
计算公式R=V*△t/2。
式中R表示距离，V为超声波在介质中的传播速度，△t表示渡越时间。
其原理图如图5-7所示：
图5-7超声波距离传感器
FM-CW方式采用连续波对超声波信号进行调制。
该方式的电路比较复杂，在实际中应用不多。
超声波距离传感器的测量范围宽但分辨率低。
它的响应速度毫秒级，属于高速型传感器。
另外，超声波不接受被测物体的透明度、颜色、电导率的影响，但不适合测量海绵或棉质物等吸音材料。
5.4.2超声波距离传感器的特点
超声波距离传感器具有小型化、价格便宜、使用简单、响应快速、信号处理简单等优点，因而在机器人研究中被广泛使用。
特别是在移动机器人需要进行环境探测导航避障时，常常使用超声波距离传感器作为信息来源。
机器人安装了多个超声波传感器用于机器人的避障，物检测和侧面墙壁的检测。
一旦检测到避障，机器人便会根据障碍的位置作出左、右绕行或停止的回避动作。
5.4.3超声波距离传感器的放置
在设计中我采用了五个超声波距离传感器，小车的最前端放置一个，后端放置两个，左右两侧各一个。
前一个传感器用来检测是否有障碍物，是否到达路口；后端传感器用于小车转弯时位置的调整；左右两端的传感器用于检测两侧是否有障碍物。
传感器的信息都将反馈给单片机，单片机就机器人所处的环境作出判断。
5.5单片机选择
我所选用的单片机为MC9S12DG128。
它是HCS12系列16位MCU的一种，其内部主要有MCU的基本部分和CAD功能模块组成。
它的性能如下：
时钟和复位产生模块包括低电压振荡器或是标准振荡器的选择、锁相环时钟频率放大器、看门狗、实时中断和时钟监控器。
存储器包括128KB的FlashEEPROM、8KB的RAM、2KBEEPROM。
有丰富的I/O接口。
包括通用路I/O接口、A/D转换接口、CAN总线接口、输入捕捉/输出比较PWM和串行接口。
运行模式可分为单片机运行模式、扩展运行模式和其他运行模式。
5.6速度检测器
速度检测，对机器人速度进行闭环反馈控制，即可消除上述各种因素的影响，使得机器人运行得更稳定。
车速检测的方式有很多种，例如用测速发电机、转角编码盘、反射式光电检测、透射式光电检测和霍尔传感器检测。
本次设计中速度传感器采用的是E6A2-CS100型光电编码器。
它由5-12V的直流供电。
速度传感器用螺钉固定在塑料片上，塑料片固定在后轮支架上，这样固定好之后，就有了较高的稳定性。
5.7蜂鸣器
蜂鸣器是报警装置。
当前、左、右的传感器反馈的信号都为1（即都有障碍物）时，说明机器人进入死路，它便会发出报警的声音。
蜂鸣器如图5-8所示。
图5-8蜂鸣器
6、系统软件设计
6.1软件总流程图
迷宫机器人的控制是采用模块化的结构，基本思路是：
将超声波传感器采集来的道路信息和速度传感器采集来的当前速度值经CPU处理，输出PWM信号到驱动舵机和电机。
方向控制和速度控制系统分别构成闭环系统。
在综合控制算法中，两者可相互影响；比如根据路径识别的结果来控制速度，使得在弯道上慢速，而在直道上快速。
其总体流程图如下：
图6-1软件设计总体流程图
7、工作过程分析
开始，将机器人放在迷宫入口处，启动单片机。
单片机给舵机输入控制脉冲。
舵机通过脉冲对马达、齿轮组和比例电位器进行控制，同时比例电位器输出的电压反馈与控制电路的标准电压进行比较，形成闭环控制。
另一边，利用超声波距离传感器测到障碍物，当测到障碍物的时候反馈的信息为1，没有检测到信息反馈信息为0。
由于左
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