智能小车.docx

摘要本文基于Arduino、51duino设计了一种能够智能移动避障及智能抓取分拣 货物的机械装置，由电源模块、超声波传感器模块、电机驱动模块、调试模块、 MCU模块、压力传感器模块、温度传感器模块、湿度传感器模块，WIFI模块、 51duino机器人驱动板模块、Robot-Eyes高清摄像头等模块组成。本文主要从硬 件与人机交互方面来解释如何利用红外传感器检测障碍物，并实现自动避障的功 能；如何利用无线传输与相应的传感器使得抓取装置更好的抓取货物，从而突出 该机械装置的优越性。关键词：智能小车单片机避障nr-:人机交互2) 支持IT模式,22. 1184MHz主频约相当于传统单片机主频265MHz;3) 支持IAP技术,29K EEPROM空间可用于保存用户数据；4) 具有独立的波特率发生器.2. 电机驱动芯片-L298,内置双路全桥驱动电路,可驱动2路直流电机，也可以驱动两相步 进电机，标配2A驱动电流，全新进口 SMT封装,性能大大优于国产插件封装 L298,价格也贵得多.3. 电源稳压2片LM2596,分别支持3A电流驱动输出，全新进口芯片，发热小，性能 和价格远高于国产芯片4. 接口资源和特点1) 1个电机输出接口，标配驱动2路直流电机(也可用并联方式驱动4路小 电流电机)，可选驱动步进电机；2) 1个电机扩展逻辑控制接口，用于控制外接大功率电机底盘(如大脚电 机)；3) 5路舵机驱动接口(可以扩展至8路)；4) 1个舵机扩展逻辑控制接口组，用于控制外接超大功率舵机；5) 3路红外避障接口；6) 1个TTL排针串口；7) 1个红外一体化接收头；8) 4路预留接口，可接温度传感器.超声波模块.I2C接口的FM模块等；9) 1个USB接口，完美适配703等无线路由，集5V供电和TTL串口于 一体,也可以外接串口模块，如指纹模块等；10) 1个最大输出500mA电流驱动接口，可以接红外发射头.蜂鸣器.强光 二极管，继电器等；11) 1个电源开关,8A工作电流,超强可靠性;12) 1个直流电源输入接口, 7-15V范围输入；13) 1个5V电压输出接口，标配1A电流；14) 电机驱动电压选择跳线开关，可选6V/9V/12V输出.15) 6组高亮LED运行指示灯.16) 关键逻辑部分均使用光耦进行隔离，极大地提高了稳定性.17) 自带MAX232隔离，可使用STC-ISP下载程序在线编程. 其原理电路图：sw rg n AxWTC J P.GPIOOGP1O2a s s xf *-4 <*>5 5 Sa s a s=N Z：工9 9 9 9O- O- O-9 9 9N = N N9 9 9 9ppiop sJ XL>*3V3OK 入 3V3*3V31 OOuF1 UFONO3.4摄像传感模块摄像传感器支持多物体，多色彩识别，其也支持多种通信方式，如SPI, I2C 等，可以直接插在Arduino控制板上面。把它安装在机器人上，想到与给机器人 加上了一副眼睛。它搭载的图像传感器配合强大的硬件，可以配合PC追踪、分 析多色的数据。其强大的处理器上搭载一个图像传感器，它会选择性处理有用的 消息，因为它采用颜色为中心的办法一使该产品只是将特定的物体的视觉数据发 给相互配合的微型控制器，而不是输出所有的视觉数据进行图像处理，所以 Arduino很容易和它微控制器很容易交流。摄像传感模块利用摄像头的成像原理，其输入方式：利用摄像头对货物单上 的二维码进行扫码，将数据传给51duino,然后再进行下一步的抓取动作。当然 小车上的摄像头可对抓取装置的动作进行监控，将数据与动作传给移动终端设 备，人为亦可以进行强行干预，中断小车的抓取等一系列动作。3.4压力传感模块FSR402压力传感器是Interlink Electronics公司生产的一款重量轻、体 积小、感测精度高、超薄型电阻式压力传感器。这款压力传感器是将施加在传感 器薄膜区域的压力转换成电阻值的变化，从而获得压力信息，压力越大，电阻越 低。我们将抓取装置的抓取位置上安装该压力传感器，当有压力输入时，将电阻 值的变化通过放大器传给51duino, 51duino根据内部的编程来对伺服电机进行 输出，控制伺服电机的的转速与角度来更好更稳定的抓取货物。总结该智能分拣装置采用人工交互式与多种传感器相互结合的特色，使得人们只 需从移动终端监控该分拣装置的动作，不需人为对货物进行分拣，减轻了人力的 劳动。多种传感器的相互结合使用，增强了该智能分拣装置的操作稳定性与准确 性。人工交互式的运用，使得分拣装置更加智能，方便操作，达到人与机器的一 种交流。参考书籍：1黄大志，周庆贵，陈业强.基于单片机轮式寻迹机器人控制系统的设计 口.机床与液压,2009, 37( 8) : 350 -352.2王玮，王丹，培德.基于光电探测系统的地面车精确定位定向技术J.北 京航空航天大学学报，2007, 33( 8) : 902 -905.3肖南峰.智能机器人M.广州：华南理工大学出版社，2008. 1:7-84陈明荧.ATmegal6单片机课程设计实训教材M.北京:清华大学出版 社，2004.5雷钢，王宏远.基于AVR单片机的控制系统设计J.华中科技大学学 报.2006.6张军.AVR单片机应用系统开发典型实例M.北京：中国电力出版 社，2005.7刘崇翔 基于ARM的智能小车的设计与研究，江南大学硕士学位论文， 2012. 038彭南华.经济型喷漆机器人轨迹规划及关节控制研究D。湖南：中南大 学，2009 (4)： 3-7目录第1章绪论1.1引言智能，在科技高速发展的今天，已成为一个引领时尚前沿的代名词，智能手 机，智能机器人等等已经在工业，军事中得到广泛的作用，在不为人们所熟知的 领域，如深海探测，航空航天，地质勘探，智能也发挥着举足轻重的作用。智 能车是一个集环境感知、规划决策和多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统。 整个系统设计集中运用了自动化控制、传感技术、导航、电子、电气、PC机、 机械、人工智能等多个学科的知识，是典型的高新技术综合体。以后智能机器 人的应用领域会愈发广泛，如在航天航空技术、海洋能源开发技术、微电子技术、 制造与维修技术、农业自动化、生物医学等领域会有很大的突破和进展。1.2课题研究目的及意义自第一台工业机器人诞生以来，机器人的发展已经遍及机械、电子、冶金、 交通、宇航、国防等领域。近年来机器人的智能水平不断提高，并且迅速地改变 着人们的生活方式。人们在不断探讨、改造、认识自然的过程中，制造能替代人 工作的机器一直是人类的梦想，其中智能小车可以作为机器人的典型代表。其需 要实现自动避障功能就必须要感知障碍物，实现自动识别路线，选择正确的行进 路线，使用传感器感知路线并做出判断和相应的执行动作。智能小车设计与开发 涉及控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械等多个学科。 它可以分为三大部分：传感器检测部分，执行部分，CPUo现代智能小车发展很 快，从智能玩具到各行业都有实质成果，其基本可实现循迹、避障功能等基本功 能。日本目前投入市场的不再是高性能的工业机器人，微型机器人汽车也正在逐 步的进入市场。日前由日本科研人员研发的两款微型机器人汽车与大众见面，汽 车内安装有最尖端的视觉识别系统，通过内部的摄像头与传感器能够使小车自动 识别障碍物，从而避免碰撞，并判断小车与障碍物之间的距离。目前研究人员已 经将小车的这种自动识别系统应用到汽车工业领域去，这将为陷入低靡的汽车行 业注入新的活力'，随着计算机、自动控制、微电子技术、人工智能、虚拟现实、微纳米技术、 仿生学、材料等相关学科领域的发展，避障循迹小车可以通过自动感知引导线以 及躲避障碍物在工作中取代人力运输，节省人力以及成本。智能车辆是一个运用 计算机、传感、信息、通信、导航、人工智能及自动控制等技术实现环境感知、 规划决策和自动行驶为一体的高新技术综合体。此类机器人以后对我们的研究和 生活定会发挥至关重要的作用，在以后对车辆的自动驾驶，飞船的自动航行模式 及深海自动探测有很大的研究价值。1. 3课题研究现状及发展趋势智能小车，也就是轮式机器人，主要有口令识别与语音合成、机器人自定位、 动态随机避障、多传感器信息融合、实时自适应导航控制等功能也气现在智能 小车发展很快，从智能玩具到其它各行业都有实质成果。其基本可实现循迹、避 障、检测贴片、寻光入库、避崖等基本功能，这几年的电子设计大赛智能小车又 在向声控系统发展，比较出名的飞思卡尔智能小车更是走在前列。随着人工智能 的不断发展，尤其是那场AlphaGo与李世石的世纪之战给人们留下了深刻的印 象，智能机器人的研究取得了新进展。美国的Alphabet公司研制出的机器马可 用于救灾物资上的运输，英国设计出吃苍蝇老鼠的机器人家具，法国研发出“儿 童机器人”，欧洲研发出超级机器人，能预知人类意图等。这些都与我们的生活 息息相关，给我们的生活带来了极大地方便。我国一直比较重视智能机器人的研 究，国家“863”智能机器人专家组将智能机器人的研究作为今后发展的重点。 许多大专院校和科研机构都在着手智能机器人的研究和开发工作，相继几所高校 进行了这方面的研究并取得了一定的成果，如沈阳自动化所的AGV小车，上海大 学的导购机器人和哈工大研究所的导游机器人，清华大学智能技术与系统国家重 点实验室研制的THMR系列微型移动车，整个系统包括摄像机，磁罗盘，差分GPS, 电子地图等车载设备，保证了移动车控制系统能够实现自主驾驶与辅助驾驶。除 此之外，以哈尔滨工业大学为首的众多高校也先后在“机器人足球赛”“机器人 起重大赛”这些具有国际水平的人工智能竞赛中取得优异的成绩。此次设计的智能车可以作为机器人的典型代表，主要实现以摄像头实现无线 数据传输，通过温度湿度传感器感应外界环境选择最佳路线和避障等多个功能。 智能车可以分为四大组成部分：传感器检测部分、小车执行部分、抓取部分、CPU。 机器人要实现选择最佳路线和避障功能，感知外界路面的路面情况和障碍物，可 以实现小车自动识别路线，选择正确的行进路线并平稳的行驶。基于上述要求， 传感检测部分考虑到小车一般需要要准确到到指定地点，要求精密感知与直流电 机相互配合完成，主要控制小车的行进方向和速度。单片机驱动直流电机一般有 两种方案：第一，勿需占用单片机资源，直接选择有PWM功能的单片机，这样可 以实现精确调速；第二，可以由软件模拟PWM输出调制，需要占用单片机资源， 难以精确调速，但单片机型号的选择余地较大。考虑到实际情况，本文选择第一 种方案。CPU使用Arduino单片机，配合软件编程实现。抓取部分功能的实现需 要更多的传感器与51duino控制器的配合，如压力传感器对货物的压力的检测将 数据传到移动终端，通过移动终端来控制抓取装置舵机的移动角度来改变抓取货 物时所受的力。1.4人机交互结合运用人机交互是一种人与计算机之间使用某种对话语言，以一定的交互方式，为 完成确定的任务的人与计算机之间信息交换过程。这次我们所做的小车就是通过 移动终端设备对小车进行监控，从而实现一种准确分拣并运输的功能。监控小车 的实现以摄像头对路面情况的勘测通过无线传输到我们的移动终端设备上，再通 过温度湿度传感器感应外界环境或我们自设定而选择最佳路线和避障。待小车到 达指定的物流分拣区域时，利用抓取装置的摄像头对物品进行一个二维码的扫取 再通过操作系统对货物进行一个分拣，这一系列动作人们只需要通过移动设备进 行监控或操作即可，使人的劳动力得到极大地解放。随着计算机领域的不断发展，人机交互技术亦日趋成熟，操作命令也越来越 多，功能也越来越强。随着模式识别，如语音识别、汉字识别等输入设备的发展, 操作员和计算机在类似自然语言或受限制的自然语言这一级别进行交互成为可 能。此外通过图形进行人工交互也吸引着人们去研究。这些人机交互可称为智能 化人工交互。根据未来社会的发展趋势，我们选择一种人工交互式的方法结合分 拣装置运用于日常生活的运用。第2章小车的总体硬件设计2.1小车车体设计与移动避障的原理本文所述小车采用RP5大功率坦克车体，它采用带电机的大扭力280马达， 组合斜齿+金属齿，形成大扭力、低噪音底盘系统，具有动力性能强、底盘稳定 性高、可原地转圈、转弯灵活等特点。负载能力至少3KG以上。可以越障碍物， 比一般的轮式小车更具有稳定性和灵活性，从而适合比较高要求的场合如模拟物 流分拣。小车原理结构框图如图2-1所示，系统以Arduino单片机为核心，配合外围 电路共同完成信号采集、路线检测、障碍检测、按键输入、信号显示和小车姿态 控制等功能。系统采用高性能的单片机，要求工作稳定、处理速度快、通用性强,保证小车移动避障的稳定性及可靠性，而且成本低。小车移动避障部分是能够采集周围环境障碍物的信息，并返回至单片机进行 处理，其组成部分包括：环境信息采集电路、放大电路、单片机控制电路。路线采集电路一般有脉冲调制的反射式红外发射接收器和信号放大器组成， 脉冲调制的反射式红外发射接收器根据不同颜色对光的反射程度不同，将路线信 息送至放大器，放大器可作为比较器可作简单的滤波，放大器将从脉冲调制的反 射式红外发射接收器返回的信号转化为单片机可识别的电平信号后送入单片机。 Arduino单片机可根据接收的信息判断路线的信息，实现对左右两侧直流电机工 作状态的控制，以实现左右转向，最终实现选择最佳路线的功能。避障部分则有超声波模块和两路脉冲调制的反射式红外发射接收器。超声波 可实现测距，利用超声波返回的信号变化使单片机产生中断，实现障碍的判断， 当距离大与某个值时可继续前进，当距离小于某个值时则单片机进行处理，实现 避障。2. 2小车微处理器硬件设计微处理器是小车的核心部分，主要完成对外围各个模块的管理，实现对外围 模块的信号发送，以及对传感器模块的信号采集，并根据软件算法对所采集的信 号进行处理，发送信号给执行模块进行任务执行，还对各种突发事件进行监控和 处理，保证整个系统的正常运作。这里采用Arduino单片机，其工作条件与端口 的介绍：1. 微控制器核心：AVRmegal68-20PU/mega328P-PU（处理速度可达 20MIPS）2. 工作电压：+5V3. 外部输入电压：+7V+ 12V （建议）4. 外部输入电压（极值）：+6VWVinW + 20V5. 数字信号I/O接口 013：共14个，其中6个PWM输出接口（Pinll、PinlO、Pin9、 Pin6、 Pin5、 Pin3）6. 模拟信号输入接口 05：共6个7. DC I/O 接口 电流：40 mA8. Flash 容量：16 KB/32KB （其他 2K 用于 bootloader）9. SRAM静态存储容量：1KB10. EEPR0M 存储容量：512 bytes11. 时钟频率：16MHz、支持USB接口协议12. 支持USB供电与外部供电13. 支持ISP下载功能14. 支持插针2. 3小车电机驱动部分设计思路小车车体为RP5-CH02玩具坦克车底盘，为差动式履带车，由于其为大功率， 采用带电感的大扭力260型马达，形成大扭力、低噪音底盘系统，具有动力性能 强，因此也需要大电流大功率驱动模块。左右两侧的电机分别由电机驱动芯片 L298N来驱动。L298N是一种内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，接收标 准TTL逻辑电平信号，可驱动46V. 2A以下的电机，可分别独立驱动两个直流电机。 L298N的信号输入端和使能端接收到来自单片机的信号，控制电机的通断以及正、 反转，还可以通过向使能端输入不同占空比的方波信号来调整电机转速（PWM方 式）。如图所示，小车采用直流电机提供动力，LI、L2两个大电感对电机其保护 作用。由有L298驱动模块驱动电机，L298N是一种内含两个H桥的高电压大电流全 桥式驱动器'，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机，可分别 独立驱动两个直流电机，本设计即用了这样的连接方式驱动左右两个电机，E1、 E2接控制使能端，控制电机的停转；InlIn4接单片机的输出端，用于控制电动 机转向。2. 4避障模块电路图2. 1.4A左前右前避障模块避障模块有两部分组成，包括探测左前右前的红外摄像头（如图2. 4A）和 超声波（如图2. 4B）oL_一*C_图2. 1.4B超声波模块其中如图2. 4A示，左前右前避障传感器为脉冲调制的反射式红外发射接收 器，但其较容易受光线影响，而图2. 4B示的超声波模块测距对所探测物体斜度 有要求，两者结合既可不受被测物体斜度的影响，而且可以对高度不同的障碍物 进行探测，增加了探测的准确性和全面性，增加了避障的准确度。2. 5温度传感模块我们选择的温度传感器2010年最新推出的Analogue Temperature Sensor 采用NS公司（美国国家半导体公司）生产的温度传感器LM35,它具有很高的 工作精度和较宽的线性工作范围，该器件输出电压与摄氏温度线性成比例，每 升高1°C,输出电压增加lOmVo从使用角度来说，热电偶常用于高温测量， 伯电阻用于中温测量（摄氏800度左右），而热敏电阻和半导体温度传感器适 合于200度以下的温度测量。LM35就是一款半导体温度传感器与用开尔文标准的线性温度传感器相比更 有优越之处，LM35无需外部校准或微调，可以提供±1/4°C的常用的室温精度。 LM35输出数据通过Arduino板传到我们的移动终端，通过移动终端更好调控小 车的路线从而避免小车在极寒或极热的工作状态下工作，从而增强其使用性能与 寿命。第3章抓取装置的总体硬件设计3.1抓取装置设计及工作原理抓取装置是该分拣结构一重要环节，其工作原理就是利用成像摄像头对二维 码的扫取，将数据传输到51duino板中，51duino进行数据分析后控制电机的转 角与速度从而达到对货物进行分拣的功能。抓取装置关键部位为电机，我们抓取装置所用的电机为伺服电机。其内部有 一个基准电路，产生周期为20ms,宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏 置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。经由电路板上的IC判断转动方 向，再驱动无核心马达开始转动，透过减速齿轮将动力传至摆臂，同时由位置检 测器送回信号，判断是否已经到达定位。适用于那些需要角度不断变化并可以保 持的控制系统。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电 压差为0,电机停止转动。3. 2抓取装置微处理器设计抓取装置的微处理器采用的是52duino控制器。51duino使用了增强型的 51内核单片机STC11F32XE,驱动板硬件资源特性：1. MCU 处理器一STC11F32XE, 32K Flash, 1280 字节 SRAM,板载晶振22. 1184MHz,与传统51单片机相比，具有以下特点：1）低功耗，强抗干扰，超强加密;