毕业论文_走迷宫智能小车的研究与实现 (1) 副本
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
总体规划
对于走迷宫小车控制系统设计主要有三个方面：一、控制电路设计；二、传感器选择以及安放位置设计；三、程序设计。从总的方面来考虑，传感器的使用数量应该尽量少以减少单片机的信号处理量，但是又必须能使小车行驶自如。控制电路要根据选用的电机和传感器来设计，主要考虑稳定性，抗干扰性。
关键词：MSP430迷宫算法 避障寻迹PWM
Keywords: MSP430maze algorithmobstacle avoidance PWM
第一章绪论
当今社会，科学技术日新月异，时代前进的步伐越迈越宽，应用自动化设备,计算机处理,现代化通讯,数字化信息,现代化显示设备等高新技术而建立的现代化智能,监控等系统已经得到充分的发展与应用,智能机器人也就应运而生。同时，在建设以人为本的和谐社会的过程中，智能服务机器人能够完成考古发掘，海底揭密，宇宙探索等危险作业，以保证人身安全。《国家中长期科学和技术发展规划纲要》一文指出：智能服务机器人是在非结构环境下为人类提供必要服务的多种高技术集成的智能化装备。以服务机器人和危险作业机器人应用需求为重点，研究设计方法、制造工艺、智能控制和应用系统集成等共性基础技术。重点研究低成本的自组织网络，个性化的智能机器人。2006━2020年，既是国家中长期技术发展计划实现阶段，也是我们最具有活力和最激情洋溢的时段。
5只反射式红外传感器位于小车前方，3只位于小车后方，小车周围还分布有7个红外一体化接收头来实现测距功能，将物体与小车的距离分为八个阶段，当物体离小车很近时实行相应的程序以躲避障碍，并用反射式红外传感器查找黑线位置，避免其脱离。
第二章 各部件的工作原理
2.1 前轮（导向轮）
前轮是决定小车能否灵活拐弯的关键部分。这辆小车和汽车不同，不是靠前轮摆舵来控制转弯，而是靠左右后轮速度差来实现转弯控制。这样前轮实际上是从动轮。下图中，当小车左轮的速度高于右轮时，小车右转弯；反之，当小车右轮的速度高于左轮时，
电机的安装采用焊接。电机背面2个电源端子用粗铜丝焊在电路板上，克服电机自由转动。电路板上刻有一比电机略长的槽口，卡住电机，用拉紧的铜丝焊在电路板将电机固定，克服前后运动。
图2.3 电机
改进：减速电机成本高，且300rpm以上的电机需12V供电，不方便。竞速车可改为录音机的磁带驱动电机（约3000rpm，车轮要减小）。
该智能小车模型是一辆完全由PCB拼装的小车。所有的机械结构和零部件都安装固定在电路板上。因此完全不需要机械加工，非常适合实验阶段机器人的研制。本文简述了智能巡线避障小车自主走迷宫的设计思路和实现过程。包括小车的机械结构、电路、软件、控制算法、调试方法等。可作为一般的设计参考。
小车的左右后轮分别由2只6V直流减速电机提供动力；前导向轮是一只万向轮。430单片机的PWM发生器产生4路（分为两组）占空比可变的方波，经三极管进行扩流后分别驱动后轮左右电机。控制4路PWM的比例，不仅可以调节小车向前运动的速度，还可通过4路PWM占空比的差异，改变小车运动方向。
因为红外遥控使用广泛、成熟、大批量，所以相关红外接收、发射元件价格很低。本方案使用通用遥控器的一体化红外接收头作为检测元件。
图2.7 一体化红外接收头工作原理
一体化接收头内部集成有带通滤波器，它只允许大约38 kHz 的红外信号通过。这种仅对38KHz敏感的特性，有助于消除环境光对遥控器接收的影响。如图，当红外线发射管IR LED）发出的38KHz的红外线被一体化接收头接收时，接收头输出“0”。当没有侦测到红外线，或非38KHz红外线（如日光灯干扰），输出“1”
在线圈旋转的同时，整流器也随之旋转，这样就能保证电流流向的自动切换以便维持转子向同一方向的连续转动。于是，线圈中不断地产生相同方向的旋转力。
直流电机中的电刷与整流器实际上属于机械接触，由于在转轴转动的过程中他们的接触状态不断发生变化，往往产生电气噪声，这可能成为诱发CPU电路误动作的原因，因此为了克服噪声干扰，一般在电机电源端子上并联一个电容器。
2.2电机
电机是我们的生活中不可缺少的动力源，常用的有交流电机和直流电机。这里小车的动力采用直流减速电机直接驱动，省去了齿轮组、传动部件等复杂的机械结构。这里选择了6V/300rpm的电机，速度和力矩都比较适中。
直流电机的构造：在绕有线圈的铁芯（转子）的外周，有相同数目的定子（永久磁铁）相向包围。通过整流器的电刷转子断续地得到电流，转子与定子的永久磁铁反复相吸、排斥，结果无论他们的相互位置如何，转子始终能够沿着一定的方向回转。在永久磁铁（NS）之间的线圈有电流通过时，产生电磁力，对应于永久磁铁产生的磁场，N极产生向上的力，S极产生向下的力。结果导致线圈旋转。
当小车右转弯时，小轮相对于支架左滑动（其实是小轮因为地面摩擦而不动，支架右滑），转弯角也随之改变；小轮还会根据转弯量自动地调整到合适的角度。这种结构小轮是自由的，只要有轻微的力，就能使小轮滑动，转向非常灵活。
图2.1 前轮的结构
需要注意的是万向轮的安装。要将U型半圆支架平行于地面，否则当小车左右转时
Abstract
A maze-running intelligent car is mainly based on the principle of automatic response intelligent system. It uses reflective infrared sensor to guide and the pilot wires are vary different from the ground in color. It uses infrared receiver to detect the position of the obstacle and is by change of PWM square-wave produced by MCU to realize arbitrary angle moving among the designed range and indentifying the route. It can touches maze automatically, judge and avoid the obstacle automatically, and choose the right marching route. It uses DC Motor as the driving motor. The control mode of the motor is unidirectional PWM open-loop control. This control makes MSP430 MCU as its core. It only uses one MCU to realize the signal collection and route estimation and motor control. This Technology can be applied in the fields such as unmanned factory and warehouse and Service Robot.
只反射式红外传感器位于小车前方3只位于小车后方小车周围还分布有个红外一体化接收头来实现测距功能将物体与小车的距离分为八个阶段当物体离小车很近时实行相应的程序以躲避障碍并用反射式红外传感器查找黑线位羞第二章各部件的工作原理前轮导向轮前轮是决定小车能否灵活拐弯的关键部分
摘要ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
走迷宫智能小车主要是基于自主反应式智能系统原理。利用反射式红外传感器来导引，采用与地面颜色有较大差别的导引线，红外一体化接收头来检测障碍物的位置，通过改变单片机产生的PWM方波的占空比，使其能在设计范围内可实现任意角度移动，实现小车识别路线，进行自主迷宫探路，判断并实现自动避障，选择正确的行进路线。驱动电机采用直流电机，电机控制方式为单向PWM开环控制。控制核心采用MSP430单片机，仅用一块单片机就实现了信号采集，路线判断，电机控制。该技术可以应用于无人工厂，仓库，服务机器人等领域。
如图所示，选通信号（高电平）经过三极管扩流后送到传感器的K脚，如果检测到黑线，传感器C脚输出高电平；否则输出为低电平。
图2.5 反射式红外传感器及其检测距离与转换效率的关系图
反射式传感器在高度受控的理想环境下的工作性能更好，因为影响它输出的外界因素有很多，如环境光的变动、传感器与被探测物体之间的距离，以及被探测物体的反射率等。为了减少环境光的干扰，首先需要调整传感器的方位使环境光不能直接射到探测器。
图2.4 反射式红外传感器工作原理
反射式红外传感器中包含一个发射器LED和一个光探测器（光敏二极管／光敏三极管）。着两个元件被封装在同一个塑料壳体中，并且排列成适合他们工作的理想位置。LED发出的一束光被一个表面反射后又回到探测器中。
图1.4是反射式红外传感器的工作原理图。封装在矩形壳体中的是发射器LED（由左侧的白色方块表示）和探测器装置（在右侧）。虚线表示光线从发射器LED中发出并反射回探测器；探测器检测到的光强大小取决于物体表面的反射率，而这一光强就是传感器的输出值。
极易发生坍塌现象。而且前轮对小车的运行轨迹影响很大，所以出了在安装时要保证U型支架平行于地面外，还需要对U型支架作相应的处理，比如润滑、将U型支架两端持平，以及还应保证前轮的活动空间，避免与前端的传感器和后端的电池盒发生碰撞、摩擦。
实际我们所用的万用轮中间的孔较大，所以很容易发生侧移，我们可以用皮箱下面的小轮来代替现在我们所用的前轮，效果可能会好很多。
小车左转弯。前轮的速度可以分解为前进的速度和水平侧移的速度。普通的定轴的前轮只能垂直方向前进，水平方向是无法左右滑动的。因此小车不可能实现拐弯（实际的结果是：因为前轮不能活动，右轮也成了从动轮，两轮速度一样，直线前进）。所以前轮一定要能够侧滑，并能转向。
最简单的方法是使用万向轮。一般机械上使用的万向轮非常的笨重，实验效果很不理想。这里我们设计了一种简易的万向轮：用一根镀锌铁丝弯成半圆形作为支架，穿一个小轮。
The overall plan:
The design of the control system of maze-running intelligent car mainly includes three parts:
First: the design of the control circuit; Second: the choosing of the sensor and the design of the mount position;Third: Program Design. From a overall perspective, you should use the sensors as few as possible so as to reduce the signal processing amount of the MCU and at the same time you must make the car march freely. The control circuit must be designed according the motors and sensors chosen, mainly take the stability and the noise immunity into account.
反射式红外传感器ST188的最佳探测距离为6-14mm。所以将传感器垂直于地面并且调整传感器与地面的距离，大约在10mm左右。传感器引脚很细，容易晃动，需要穿过一块支撑板以增加强度；同时还可以通过铜柱的高度或增加垫片来细调传感器离地面的距离。
图2.6 传感器安装图
2.4红外一体化接收头
电视机、唱机等家电中广泛使用红外线遥控器。红外遥控器发出38KHz调制的红外线，在接收端，被一体化红外接收头接收，解调出原始键码值。
用于固定电机的铜丝一般应用多股细铜丝线。若用单股而比较粗的铜线的话有可能会因为小车的抖动而使电机发生滑动，从而需要不断的对电机进行加固。
2.3反射式红外传感器
反射式红外传感器ST188采用高发射功率红外广电二极管和高灵敏度光电晶体管组成。检测距离可调整范围为4－15mm；采用非接触检测方式。可用于IC卡电度表脉冲数据采集、集中抄表系统数据采集和传真机纸张检测等。
对于走迷宫小车控制系统设计主要有三个方面：一、控制电路设计；二、传感器选择以及安放位置设计；三、程序设计。从总的方面来考虑，传感器的使用数量应该尽量少以减少单片机的信号处理量，但是又必须能使小车行驶自如。控制电路要根据选用的电机和传感器来设计，主要考虑稳定性，抗干扰性。
关键词：MSP430迷宫算法 避障寻迹PWM
Keywords: MSP430maze algorithmobstacle avoidance PWM
第一章绪论
当今社会，科学技术日新月异，时代前进的步伐越迈越宽，应用自动化设备,计算机处理,现代化通讯,数字化信息,现代化显示设备等高新技术而建立的现代化智能,监控等系统已经得到充分的发展与应用,智能机器人也就应运而生。同时，在建设以人为本的和谐社会的过程中，智能服务机器人能够完成考古发掘，海底揭密，宇宙探索等危险作业，以保证人身安全。《国家中长期科学和技术发展规划纲要》一文指出：智能服务机器人是在非结构环境下为人类提供必要服务的多种高技术集成的智能化装备。以服务机器人和危险作业机器人应用需求为重点，研究设计方法、制造工艺、智能控制和应用系统集成等共性基础技术。重点研究低成本的自组织网络，个性化的智能机器人。2006━2020年，既是国家中长期技术发展计划实现阶段，也是我们最具有活力和最激情洋溢的时段。
5只反射式红外传感器位于小车前方，3只位于小车后方，小车周围还分布有7个红外一体化接收头来实现测距功能，将物体与小车的距离分为八个阶段，当物体离小车很近时实行相应的程序以躲避障碍，并用反射式红外传感器查找黑线位置，避免其脱离。
第二章 各部件的工作原理
2.1 前轮（导向轮）
前轮是决定小车能否灵活拐弯的关键部分。这辆小车和汽车不同，不是靠前轮摆舵来控制转弯，而是靠左右后轮速度差来实现转弯控制。这样前轮实际上是从动轮。下图中，当小车左轮的速度高于右轮时，小车右转弯；反之，当小车右轮的速度高于左轮时，
电机的安装采用焊接。电机背面2个电源端子用粗铜丝焊在电路板上，克服电机自由转动。电路板上刻有一比电机略长的槽口，卡住电机，用拉紧的铜丝焊在电路板将电机固定，克服前后运动。
图2.3 电机
改进：减速电机成本高，且300rpm以上的电机需12V供电，不方便。竞速车可改为录音机的磁带驱动电机（约3000rpm，车轮要减小）。
该智能小车模型是一辆完全由PCB拼装的小车。所有的机械结构和零部件都安装固定在电路板上。因此完全不需要机械加工，非常适合实验阶段机器人的研制。本文简述了智能巡线避障小车自主走迷宫的设计思路和实现过程。包括小车的机械结构、电路、软件、控制算法、调试方法等。可作为一般的设计参考。
小车的左右后轮分别由2只6V直流减速电机提供动力；前导向轮是一只万向轮。430单片机的PWM发生器产生4路（分为两组）占空比可变的方波，经三极管进行扩流后分别驱动后轮左右电机。控制4路PWM的比例，不仅可以调节小车向前运动的速度，还可通过4路PWM占空比的差异，改变小车运动方向。
因为红外遥控使用广泛、成熟、大批量，所以相关红外接收、发射元件价格很低。本方案使用通用遥控器的一体化红外接收头作为检测元件。
图2.7 一体化红外接收头工作原理
一体化接收头内部集成有带通滤波器，它只允许大约38 kHz 的红外信号通过。这种仅对38KHz敏感的特性，有助于消除环境光对遥控器接收的影响。如图，当红外线发射管IR LED）发出的38KHz的红外线被一体化接收头接收时，接收头输出“0”。当没有侦测到红外线，或非38KHz红外线（如日光灯干扰），输出“1”
在线圈旋转的同时，整流器也随之旋转，这样就能保证电流流向的自动切换以便维持转子向同一方向的连续转动。于是，线圈中不断地产生相同方向的旋转力。
直流电机中的电刷与整流器实际上属于机械接触，由于在转轴转动的过程中他们的接触状态不断发生变化，往往产生电气噪声，这可能成为诱发CPU电路误动作的原因，因此为了克服噪声干扰，一般在电机电源端子上并联一个电容器。
2.2电机
电机是我们的生活中不可缺少的动力源，常用的有交流电机和直流电机。这里小车的动力采用直流减速电机直接驱动，省去了齿轮组、传动部件等复杂的机械结构。这里选择了6V/300rpm的电机，速度和力矩都比较适中。
直流电机的构造：在绕有线圈的铁芯（转子）的外周，有相同数目的定子（永久磁铁）相向包围。通过整流器的电刷转子断续地得到电流，转子与定子的永久磁铁反复相吸、排斥，结果无论他们的相互位置如何，转子始终能够沿着一定的方向回转。在永久磁铁（NS）之间的线圈有电流通过时，产生电磁力，对应于永久磁铁产生的磁场，N极产生向上的力，S极产生向下的力。结果导致线圈旋转。
当小车右转弯时，小轮相对于支架左滑动（其实是小轮因为地面摩擦而不动，支架右滑），转弯角也随之改变；小轮还会根据转弯量自动地调整到合适的角度。这种结构小轮是自由的，只要有轻微的力，就能使小轮滑动，转向非常灵活。
图2.1 前轮的结构
需要注意的是万向轮的安装。要将U型半圆支架平行于地面，否则当小车左右转时
Abstract
A maze-running intelligent car is mainly based on the principle of automatic response intelligent system. It uses reflective infrared sensor to guide and the pilot wires are vary different from the ground in color. It uses infrared receiver to detect the position of the obstacle and is by change of PWM square-wave produced by MCU to realize arbitrary angle moving among the designed range and indentifying the route. It can touches maze automatically, judge and avoid the obstacle automatically, and choose the right marching route. It uses DC Motor as the driving motor. The control mode of the motor is unidirectional PWM open-loop control. This control makes MSP430 MCU as its core. It only uses one MCU to realize the signal collection and route estimation and motor control. This Technology can be applied in the fields such as unmanned factory and warehouse and Service Robot.
只反射式红外传感器位于小车前方3只位于小车后方小车周围还分布有个红外一体化接收头来实现测距功能将物体与小车的距离分为八个阶段当物体离小车很近时实行相应的程序以躲避障碍并用反射式红外传感器查找黑线位羞第二章各部件的工作原理前轮导向轮前轮是决定小车能否灵活拐弯的关键部分
摘要ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
走迷宫智能小车主要是基于自主反应式智能系统原理。利用反射式红外传感器来导引，采用与地面颜色有较大差别的导引线，红外一体化接收头来检测障碍物的位置，通过改变单片机产生的PWM方波的占空比，使其能在设计范围内可实现任意角度移动，实现小车识别路线，进行自主迷宫探路，判断并实现自动避障，选择正确的行进路线。驱动电机采用直流电机，电机控制方式为单向PWM开环控制。控制核心采用MSP430单片机，仅用一块单片机就实现了信号采集，路线判断，电机控制。该技术可以应用于无人工厂，仓库，服务机器人等领域。
如图所示，选通信号（高电平）经过三极管扩流后送到传感器的K脚，如果检测到黑线，传感器C脚输出高电平；否则输出为低电平。
图2.5 反射式红外传感器及其检测距离与转换效率的关系图
反射式传感器在高度受控的理想环境下的工作性能更好，因为影响它输出的外界因素有很多，如环境光的变动、传感器与被探测物体之间的距离，以及被探测物体的反射率等。为了减少环境光的干扰，首先需要调整传感器的方位使环境光不能直接射到探测器。
图2.4 反射式红外传感器工作原理
反射式红外传感器中包含一个发射器LED和一个光探测器（光敏二极管／光敏三极管）。着两个元件被封装在同一个塑料壳体中，并且排列成适合他们工作的理想位置。LED发出的一束光被一个表面反射后又回到探测器中。
图1.4是反射式红外传感器的工作原理图。封装在矩形壳体中的是发射器LED（由左侧的白色方块表示）和探测器装置（在右侧）。虚线表示光线从发射器LED中发出并反射回探测器；探测器检测到的光强大小取决于物体表面的反射率，而这一光强就是传感器的输出值。
极易发生坍塌现象。而且前轮对小车的运行轨迹影响很大，所以出了在安装时要保证U型支架平行于地面外，还需要对U型支架作相应的处理，比如润滑、将U型支架两端持平，以及还应保证前轮的活动空间，避免与前端的传感器和后端的电池盒发生碰撞、摩擦。
实际我们所用的万用轮中间的孔较大，所以很容易发生侧移，我们可以用皮箱下面的小轮来代替现在我们所用的前轮，效果可能会好很多。
小车左转弯。前轮的速度可以分解为前进的速度和水平侧移的速度。普通的定轴的前轮只能垂直方向前进，水平方向是无法左右滑动的。因此小车不可能实现拐弯（实际的结果是：因为前轮不能活动，右轮也成了从动轮，两轮速度一样，直线前进）。所以前轮一定要能够侧滑，并能转向。
最简单的方法是使用万向轮。一般机械上使用的万向轮非常的笨重，实验效果很不理想。这里我们设计了一种简易的万向轮：用一根镀锌铁丝弯成半圆形作为支架，穿一个小轮。
The overall plan:
The design of the control system of maze-running intelligent car mainly includes three parts:
First: the design of the control circuit; Second: the choosing of the sensor and the design of the mount position;Third: Program Design. From a overall perspective, you should use the sensors as few as possible so as to reduce the signal processing amount of the MCU and at the same time you must make the car march freely. The control circuit must be designed according the motors and sensors chosen, mainly take the stability and the noise immunity into account.
反射式红外传感器ST188的最佳探测距离为6-14mm。所以将传感器垂直于地面并且调整传感器与地面的距离，大约在10mm左右。传感器引脚很细，容易晃动，需要穿过一块支撑板以增加强度；同时还可以通过铜柱的高度或增加垫片来细调传感器离地面的距离。
图2.6 传感器安装图
2.4红外一体化接收头
电视机、唱机等家电中广泛使用红外线遥控器。红外遥控器发出38KHz调制的红外线，在接收端，被一体化红外接收头接收，解调出原始键码值。
用于固定电机的铜丝一般应用多股细铜丝线。若用单股而比较粗的铜线的话有可能会因为小车的抖动而使电机发生滑动，从而需要不断的对电机进行加固。
2.3反射式红外传感器
反射式红外传感器ST188采用高发射功率红外广电二极管和高灵敏度光电晶体管组成。检测距离可调整范围为4－15mm；采用非接触检测方式。可用于IC卡电度表脉冲数据采集、集中抄表系统数据采集和传真机纸张检测等。